海域天然氣水合物試采研究現(xiàn)狀及存在的問題

杜垚森， 馮起贈(zèng)， 許本沖， 劉曉林， 劉家譽(yù)

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

天然氣水合物被科學(xué)家認(rèn)為是一種儲(chǔ)量豐富的清潔性能源，最近幾年對(duì)于海域天然氣水合物的試采研究工作空前活躍。目前世界一些開展海洋水合物勘察研究的國(guó)家全以鉆井船作為平臺(tái)進(jìn)行水合物的試采工作，而且開采實(shí)踐證明降壓開采法是一種較為穩(wěn)定的開采方法之一。但是制約海域天然氣水合物開采商業(yè)化的根本因素之一是開采效率及成本，即開采效率較低、成本太高。改變鉆井船和鉆井平臺(tái)的開采方式同時(shí)采用科學(xué)合理的開采方法是降低開采成本的重要舉措。

1　國(guó)內(nèi)外海域天然氣水合物試采研究現(xiàn)狀

1.1　國(guó)外海洋天然氣水合物試采研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外對(duì)海域天然氣水合物進(jìn)行試采研究的國(guó)家主要有日本、美國(guó)、韓國(guó)、印度等，其中日本是開展最早且研究成果最多的國(guó)家。

日本作為最早建立國(guó)家級(jí)甲烷水合物研發(fā)計(jì)劃的國(guó)家之一，對(duì)天然氣水合物的關(guān)注可追溯到20世紀(jì)80年代[1]。日本天然氣水合物試采以鉆井船為搭載平臺(tái)即鉆井和試采工作都是在鉆井船上完成的，鉆井船為日本海洋研究機(jī)構(gòu)的“地球號(hào)”深海鉆探船，如圖1所示。

圖1　日本海洋天然氣水合物試采井示意

日本于2013年3月在全球首次實(shí)現(xiàn)了近海甲烷水合物試采，試采位置為南海海槽東部海域，甲烷水合物主要以濁積層序中砂泥互層的砂層形式賦存，生產(chǎn)周期為6 d，總產(chǎn)氣量約12萬m3，平均每天產(chǎn)氣量2萬m3。首次試采采用的是礫石充填和篩網(wǎng)防砂措施，由于礫石移動(dòng)造成篩網(wǎng)破壞，出現(xiàn)出砂事故,導(dǎo)致試采工作提前終止[2]。總之，試采持續(xù)時(shí)間短、產(chǎn)氣量有限。

由于首次試采結(jié)果不理想，日本擬進(jìn)行第二次近海試采工作，日本海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的“地球號(hào)”深海鉆探船于2016年5月從日本清水港出發(fā)赴渥美半島-志摩半島近海的第二渥美海丘開展了第二次近海試采的前期鉆探工作，為后續(xù)的天然氣水合物試采工作奠定了基礎(chǔ)[3]。第二次近海試采的主要目的是驗(yàn)證第一次近海試采中出現(xiàn)的技術(shù)問題的解決方法，其中最主要的是驗(yàn)證防砂措施：采用兩口配備有不同防砂裝置的生產(chǎn)井，即利用貝克休斯研發(fā)的GeoFORM防砂系統(tǒng)通過預(yù)先膨脹和井下膨脹兩種方式應(yīng)對(duì)可能的出砂現(xiàn)象。下入井底前就預(yù)先膨脹的GeoFORM防砂系統(tǒng)，安裝作業(yè)簡(jiǎn)單，不會(huì)發(fā)生不膨脹的風(fēng)險(xiǎn)，不會(huì)因使用活化劑污染產(chǎn)出水，不會(huì)在地層與防砂裝置間形成可導(dǎo)致細(xì)砂流入堵塞防砂裝置的縫隙；井底膨脹的GeoFORM防砂系統(tǒng)，安裝作業(yè)略復(fù)雜，有不發(fā)生膨脹的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)因使用活化劑污染產(chǎn)出水，如果順利膨脹則不會(huì)產(chǎn)生縫隙[4]。如圖2所示。

2017年4月，日本在南海海槽進(jìn)行了第二次近海甲烷水合物試采，第一口試采井累計(jì)產(chǎn)氣3.5萬m3，5月15日再次因出砂問題而中止產(chǎn)氣[5]。根據(jù)日本甲烷水合物開發(fā)計(jì)劃，將在第三階段(2016—2018財(cái)年)開發(fā)相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)甲烷水合物的商業(yè)化開采，但是根據(jù)具體的試采情況可以確定這一目標(biāo)不能實(shí)現(xiàn)，因此重新規(guī)劃后計(jì)劃于2028年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采，開采方式是采用鉆井平臺(tái)開采，開采的方法是降壓法[4]。

圖2日本第二次近海試采作業(yè)方案示意

美國(guó)對(duì)天然氣水合物的研究較早。2007年2月BP勘探公司與美國(guó)能源部和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合在阿拉斯加北坡成功鉆探了一口研究井，收集了約430 ft3(1 ft3=0.02832 m3)巖心樣本。美國(guó)能源部在2012財(cái)年計(jì)劃提供650萬美元用于大西洋海臺(tái)區(qū)域的天然氣水合物安全開采技術(shù)和方法研究。2013財(cái)年，美國(guó)能源部提出了對(duì)天然氣水合物后續(xù)國(guó)內(nèi)研究和國(guó)際合作兩個(gè)方面追加500萬美元的預(yù)算申請(qǐng)[6]。美國(guó)和一些國(guó)際機(jī)構(gòu)合作開展了墨西哥灣和美國(guó)外大陸架其它地區(qū)海洋甲烷水合物表征和科學(xué)評(píng)估，包括水合物礦床的地質(zhì)產(chǎn)出、區(qū)域條件和特征。利用科考船進(jìn)行研究，該項(xiàng)工程的起止時(shí)間是2014年10月1日至2020年9月30日[4]。根據(jù)目前所收集的資料得知，美國(guó)還未開展海洋甲烷水合物的試采研究，只做了一些試采前的技術(shù)服務(wù)與支持研究。

韓國(guó)地球科學(xué)和礦產(chǎn)研究院組織實(shí)施對(duì)韓國(guó)東海郁陵盆地西南部開展了基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查和研究工作，于1998年首次發(fā)現(xiàn)似海底反射。后續(xù)通過科考船采集地震數(shù)據(jù)和活塞取心樣品，確定了天然氣水合物的潛力、來源、氣體組分及其飽和度等參數(shù)。目前，韓國(guó)已制定了天然氣水合物試采計(jì)劃，試采站位位于韓國(guó)東海，如圖3所示。

針對(duì)試采計(jì)劃，韓國(guó)還進(jìn)行了試采技術(shù)和試采流程技術(shù)的研發(fā)，以期能夠提供適合本國(guó)地質(zhì)條件的水合物試采技術(shù)方法。

印度制定了關(guān)于天然氣水合物的NGHP計(jì)劃，開展了針對(duì)未來天然氣水合物試采項(xiàng)目的前期工作，通過保壓取心技術(shù)等研究分析天然氣水合物的特點(diǎn)以及地層特性，為試采站位提供選擇依據(jù)[4]。

圖3　韓國(guó)試采計(jì)劃示意

1.2　我國(guó)海域天然氣水合物試采研究現(xiàn)狀

2007年5月，我國(guó)在位于珠江口盆地南部的南海神狐海域(水深1230～1245 m處)鉆獲了天然氣水合物實(shí)物樣品。隨后在神狐海域約1200 m的水深中另兩個(gè)站位也采集到了天然氣水合物的實(shí)物樣品，這些天然氣水合物賦存在泥質(zhì)沉積層中[7]。2010年底，由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局完成的《南海北部神狐海域天然氣水合物鉆探成果報(bào)告》通過終審，科考人員在我國(guó)南海北部神狐海域鉆探目標(biāo)區(qū)內(nèi)圈定11個(gè)可燃冰礦體，顯現(xiàn)出良好的資源潛力?！昂Ｑ罅?hào)”入列后，再次深入南海北部區(qū)域進(jìn)行新一輪精確調(diào)查，調(diào)查海域包括瓊東南、西沙、神狐和東沙等海域，調(diào)查的重點(diǎn)是在南海北部前期勘探的基礎(chǔ)上圈定重點(diǎn)勘探區(qū)域。勘探顯示，南海神狐海域有11個(gè)礦體、面積128 km2，資源儲(chǔ)存量1500億m3，相當(dāng)于1.5億t石油當(dāng)量，成功試采意味著這些儲(chǔ)量都有望轉(zhuǎn)化成可利用的寶貴能源。神狐海域可燃冰儲(chǔ)量還只是我國(guó)可燃冰蘊(yùn)藏量的“冰山一角”。在西沙海槽，科考人員已初步圈出可燃冰分布面積5242 km2；在南海其他海域，同樣也有天然氣水合物存在的必備條件[5]。2017年5月10日起，我國(guó)搭載海上鉆井平臺(tái)“藍(lán)鯨一號(hào)”在南海神狐海域水深1266 m海底以下203～277 m的天然氣水合物礦藏開采出天然氣，自試氣點(diǎn)火以來，試采持續(xù)了60 d，累計(jì)產(chǎn)氣超過30萬m3，創(chuàng)造了產(chǎn)氣時(shí)長(zhǎng)和總量的世界紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)[8]。這是我國(guó)首次海域天然氣水合物試采成功，在世界海域可燃冰試采的歷史中具有里程碑的意義。

2　天然氣水合物試采的兩個(gè)制約因素

2.1　試采方式的制約因素

根據(jù)所收集到的有關(guān)資料可知，日本進(jìn)行的兩次天然氣水合物試采是搭載在“地球號(hào)”鉆井船上進(jìn)行的，而韓國(guó)計(jì)劃試采的方案也是準(zhǔn)備搭載鉆井船進(jìn)行，我國(guó)是搭載在“藍(lán)鯨一號(hào)”鉆井平臺(tái)進(jìn)行可燃冰試采的。這兩種試采方式采用的設(shè)備有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即鉆井船或平臺(tái)直井試采成本昂貴。據(jù)悉，“藍(lán)鯨一號(hào)”鉆井平臺(tái)日消耗成本在500萬人民幣以上，從開采成本來看，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采。如此看來，鉆井船或平臺(tái)開采設(shè)備進(jìn)行試采是制約商業(yè)化開采的因素之一。

2.2　試采方法的制約因素

天然氣水合物開采技術(shù)的改進(jìn)與完善是水合物資源邁向商業(yè)化開發(fā)面臨的重要問題，對(duì)天然氣水合物開采技術(shù)的研究一直深受重視。各種開采方法的情況對(duì)比如表1所示[9-22]。

表1　各種開采方法對(duì)比

3　總結(jié)與看法

目前我國(guó)海域天然氣水合物的試采工作已經(jīng)取得了成功和突破，首次試采就達(dá)到了既定目標(biāo)。日本和我國(guó)都成功開采出了天然氣，但是距離商業(yè)化開采還有很長(zhǎng)的路要走，目前的開采方式及成本制約了水合物商業(yè)化開采，其最根本原因是經(jīng)濟(jì)因素，即開采成本很高。如何降低開采成本，也許可以從開采方式上實(shí)現(xiàn)突破。

目前的開采方式都是采用鉆井船或鉆井平臺(tái)進(jìn)行直井鉆進(jìn)、開采，當(dāng)鉆進(jìn)到天然氣水合物儲(chǔ)層時(shí)，再進(jìn)行開采。如果進(jìn)入儲(chǔ)層時(shí)，將直井改為水平井，增大與天然氣水合物儲(chǔ)層接觸面積，與直井開采相比產(chǎn)氣量會(huì)大大提高，從而降低開采成本；隨著海底鉆機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，可以研發(fā)一種適用于海域天然氣水合物開發(fā)的全自動(dòng)海底鉆機(jī)系統(tǒng)，通過母船下放系統(tǒng)將海底鉆機(jī)下放至海床，由一根臍帶纜連接母船與海底鉆機(jī)，為海底鉆機(jī)提供動(dòng)力和數(shù)據(jù)傳輸通道，操作人員在甲板控制室可以實(shí)時(shí)看到并監(jiān)測(cè)海底鉆機(jī)的工作情況，海底鉆機(jī)孔口接有輸氣管道與母船或采集船連接，收集并儲(chǔ)藏天然氣。如此，一艘母船可為多臺(tái)海底鉆機(jī)提供動(dòng)力，在海底實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的豎群井鉆進(jìn)與開采，大大降低對(duì)母船的依賴度，也許會(huì)降低開采的成本。該種開采方式的示意圖如圖4所示。

圖4　海底鉆機(jī)開采方式示意

實(shí)踐證明，目前比較有效的天然氣水合物開采技術(shù)是降壓開采法，但是降壓法也存在著開采效率低的問題，深入開展開采技術(shù)研究并不斷完善或者采用組合開采方法以及更加高效的新方法，也可以提高天然氣水合物的開采效率，進(jìn)而降低開采成本。實(shí)現(xiàn)以上的構(gòu)思，還需要攻克很多的技術(shù)難題，需要各相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員發(fā)揮聰明才智，不斷地探索和試驗(yàn)研究。以上不成熟的想法及建議，僅供參考，并希望各專業(yè)人士能夠提出更好的開采技術(shù)方案及見解，為加快實(shí)現(xiàn)天然氣水合物商業(yè)化開采貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)：