神狐海域天然氣水合物研究新進(jìn)展

劉建輝，李占東，趙佳彬

(東北石油大學(xué)海洋油氣工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318 )

0 引言

天然氣水合物又稱“可燃冰”，是水和天然氣氣體分子在高壓低溫條件下形成的一種類冰狀晶體物質(zhì)[1-2]，常以甲烷水合物為主，其分子結(jié)構(gòu)見圖1。它廣泛分布于深海及永久凍土帶[3-5]，盡管水合物全球儲(chǔ)量估算各有不同，但普遍認(rèn)為水合物所蘊(yùn)含的碳含量是化石能源的2倍之多。由于其儲(chǔ)量大和高效無污染等特點(diǎn)極有可能改變現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)，成為未來引領(lǐng)社會(huì)發(fā)展的新興清潔能源。

圖1 甲烷水合物分子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic chart of molecular structure of methane hydrate

據(jù)現(xiàn)有資料報(bào)道，天然氣水合物的開采方法主要有降壓法、注熱法、添加抑制劑法和置換法[6-8]，其中前三種方法是通過破壞水合物的相平衡使之分解進(jìn)行天然氣生產(chǎn)(圖2)。置換法是將CO2氣體與水合物中的天然氣氣體分子置換，以形成更穩(wěn)定的CO2水合物，從而進(jìn)行水合物的開發(fā)生產(chǎn)。但普遍認(rèn)為，降壓法是最有可能成為未來水合物高效開發(fā)的手段[9-11]。

圖2 甲烷水合物相平衡破壞示意圖Fig.2 Sketch diagram of the phase equilibrium destroying of methane hydrate

天然氣水合物由于自身獨(dú)特的物化性質(zhì)使其不同于其他非常規(guī)能源的生產(chǎn)，且無論采用何種開發(fā)方式，開采過程中極易發(fā)生儲(chǔ)層坍塌、天然氣泄漏、井筒堵塞等問題。我國對(duì)于水合物的理論研究與實(shí)地勘探采樣工作相對(duì)其他發(fā)達(dá)國家起步較晚，但是得益于國家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及“強(qiáng)海戰(zhàn)略”的有力實(shí)施，逐步實(shí)現(xiàn)了水合物開發(fā)研究從“追趕”到“并跑”再到“領(lǐng)跑”的巨大飛越。

1 國外水合物勘探試采情況

隨著世界對(duì)能源的需求與日俱增以及傳統(tǒng)化石能源的日漸匱乏，天然氣水合物這種非常規(guī)能源的安全高效生產(chǎn)引起了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。進(jìn)入21世紀(jì)以來，水合物相關(guān)研究進(jìn)入高速發(fā)展階段，美國、日本等國家紛紛開展了可燃冰鉆探項(xiàng)目(表1)，進(jìn)行水合物的勘探與開發(fā)，競爭十分激烈，并取得了一些令人矚目的成就。

表1 國際上可燃冰鉆探項(xiàng)目Table 1 International drilling project of combustible ice

2002年，加、日、德、美、印五國聯(lián)合制定Mallik計(jì)劃，在加拿大麥肯齊三角洲采用注熱法進(jìn)行水合物試采。本次試采共持續(xù)5天，累計(jì)產(chǎn)氣量463 m3。雖然生產(chǎn)效率低，但是作為全球首次水合物開采試驗(yàn)，具有非常重大的意義。

2007年，Mallik項(xiàng)目重啟，本次試采采用降壓與注熱聯(lián)合開采方法，由于出砂導(dǎo)致生產(chǎn)持續(xù)1.5天，累計(jì)產(chǎn)氣量830 m3；2008年，采用降壓法繼續(xù)進(jìn)行Mallik水合物試采，此次使用了防砂網(wǎng)，連續(xù)生產(chǎn)6天，累產(chǎn)氣量達(dá)到1.3萬立方米。

2012年，美國能源部、ConocoPhillips公司、日本國家石油天然氣和金屬公司、挪威Bergen大學(xué)合作，運(yùn)用CO2置換法與降壓法聯(lián)合開采阿拉斯加北坡天然氣水合物。本次試采持續(xù)1個(gè)月，累計(jì)產(chǎn)氣2.4萬立方米，結(jié)果證明置換法開采效率低，且生產(chǎn)的CH4氣體中存在一定量的CO2。

2013年，日本在南海海槽進(jìn)行世界上首次海洋水合物試采。本次試采采用降壓法，但同樣由于出砂問題只生產(chǎn)了6天，累計(jì)產(chǎn)氣量11.9萬立方米。

2 神狐海域水合物勘探試采情況

南海作為我國近海中最大最深的海區(qū)，資源極其豐富且戰(zhàn)略意義重大。由于廣泛分布天然氣水合物[12-13]，成為我國海域水合物勘探研究與試驗(yàn)生產(chǎn)的重要戰(zhàn)略場地。21世紀(jì)以來，我國為摸清南海水合物具體分布情況，探索水合物開采技術(shù)，開展了一系列勘探工作(表2)。

表2 我國南海天然氣水合物勘探試采歷程Table 2 The exploration and mining test of natural gas hydrate in South China Sea

在調(diào)查勘探資料的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)上，選定位于南海北部陸緣的神狐海域作為兩次水合物工業(yè)化試采區(qū)域(圖3)。

推行廠務(wù)公開，就是要保證職工的知情權(quán)、參與權(quán)與監(jiān)督權(quán)，依靠職工辦企業(yè)，尊重職工的首創(chuàng)精神，體現(xiàn)以人為本的管理理念，切實(shí)尊重和體現(xiàn)職工主人翁地位。廠務(wù)公開也是一號(hào)煤礦貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的具體表現(xiàn)，是其凝心聚力謀發(fā)展的重要舉措與有效手段，在推進(jìn)一號(hào)煤礦建立自我約束機(jī)制、實(shí)現(xiàn)民主管理方面發(fā)揮了積極的作用。

圖3 神狐海域水合物試采位置圖Fig.3 Location map of hydrate mining trial in Shenhu area

2.1 神狐海域水合物第一輪試采

2017年5月10日，中國地質(zhì)調(diào)查局組織開展海域水合物初次工業(yè)化試采工作。本次試采海水深度為1266 m，水合物藏位于海底表面以下203～277 m[17]，具體開采數(shù)據(jù)見表3。

表3 神狐海域水合物第一輪試采數(shù)據(jù)

本次試采針對(duì)的是我國目前主要的儲(chǔ)集類型且開采難度最大的泥質(zhì)粉砂型水合物[18]。在為期60天的試采過程中，未出現(xiàn)地層坍塌、環(huán)境污染、天然氣泄露等意外情況，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間全球之最。第一輪試采成功表明我國在天然氣水合物理論研究、關(guān)鍵技術(shù)、裝備研制、管理體系、事故防控等方面取得了突破性進(jìn)展。

本次試采采用固態(tài)流化法，但是該方法直接通過采掘破碎水合物層來獲得固體水合物碎屑，經(jīng)過一系列處理后又將殘余泥沙回填到采空區(qū)，將對(duì)海底表層地貌以及生物造成巨大破壞，難以修復(fù)；該方法需要消耗巨大能量將采掘出的水合物碎屑舉升到海面上加工處理，且為期兩個(gè)月的試采共獲得近31萬立方米天然氣，開采效率低。該工藝是否可以成為神狐海域天然氣水合物開發(fā)的有力手段仍需要進(jìn)一步論證。

2.2 神狐海域水合物第二輪試采

2019年10月，中國地質(zhì)調(diào)查局組織開展我國海域水合物第二輪工業(yè)化試采。本次試采海水深度為1225 m，水合物藏位于海底表面以下237～304 m。2020年2月17日點(diǎn)火開始試采，3月18日?qǐng)A滿結(jié)束[19]，整個(gè)過程歷時(shí)150余天。

本輪試采連續(xù)產(chǎn)氣30天，累產(chǎn)氣量86.14萬立方米，是第一輪的2.8倍；日均產(chǎn)氣量2.87萬立方米，是第一輪的5.57倍。

本次作業(yè)是世界上首次采用水平井鉆采技術(shù)進(jìn)行水合物試采，累產(chǎn)氣量與日均產(chǎn)氣量均全球第一[20]，不僅使我國向水合物綠色商業(yè)化開采邁出了堅(jiān)實(shí)一步，同時(shí)增強(qiáng)了我國海洋能源開發(fā)利用的綜合能力。

3 神狐海域天然氣水合物模擬研究

3.1 儲(chǔ)層地質(zhì)特征研究

神狐海域的地質(zhì)作用非常復(fù)雜[21]。水合物分解、流體運(yùn)移、膠結(jié)破壞、砂粒流動(dòng)等水合物開發(fā)過程致使儲(chǔ)層的地質(zhì)特征和力學(xué)性質(zhì)發(fā)生一系列變化，有可能導(dǎo)致海床滑坡、坍塌等事故發(fā)生(圖4)。為安全有效地開采水合物，必須充分認(rèn)識(shí)水合物儲(chǔ)層的地質(zhì)特性。

圖4 水合物分解導(dǎo)致海底滑坡示意圖Fig.4 Schematic map of submarine landslide caused by hydrate decomposition

學(xué)者們采用不同的模擬手段，從多種角度出發(fā)對(duì)神狐海域水合物儲(chǔ)層的力學(xué)特性和地層變化進(jìn)行了研究分析。關(guān)進(jìn)安等[22]開展三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究了神狐海域含水合物沉積物應(yīng)力特性，實(shí)驗(yàn)表明甲烷水合物沉積物的力學(xué)強(qiáng)度隨實(shí)驗(yàn)圍壓增加、溫度降低而逐漸增大，且沉積物在高壓低溫條件下更易顯現(xiàn)出彈塑性力學(xué)特性。萬義釗等[23]通過數(shù)值模擬手段，對(duì)神狐海域水合物儲(chǔ)藏降壓開采條件下儲(chǔ)層的力學(xué)穩(wěn)定性和變形特征展開了研究，結(jié)果表明儲(chǔ)層沉降量與降壓幅度、絕對(duì)滲透率成正相關(guān)關(guān)系，且開采過程中孔隙壓力降低更易使儲(chǔ)層發(fā)生剪切破壞，并認(rèn)為60天的降壓開采不會(huì)使神狐海域水合物儲(chǔ)層發(fā)生剪切破壞。胡高偉等[24]將實(shí)測孔壓靜力觸探結(jié)果與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合，分析了神狐海域水合物上覆層的不排水抗剪強(qiáng)度，結(jié)果表明該參數(shù)隨儲(chǔ)層深度的增加而增大。孫嘉鑫[25]采用數(shù)值模擬手段，對(duì)神狐海域水合物儲(chǔ)層的物性特征、應(yīng)力應(yīng)變、地層沉降等儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征展開了深入研究，發(fā)現(xiàn)持續(xù)降低生產(chǎn)壓力并不能實(shí)現(xiàn)有效增產(chǎn)，反而會(huì)使井周地層出現(xiàn)應(yīng)力集中加劇儲(chǔ)層沉降變形風(fēng)險(xiǎn)。袁益龍等[26]通過考慮水合物開采過程中相變、傳熱、流動(dòng)、巖土變形耦合作用，研究了直井降壓開采對(duì)神狐海域水合物地層與生產(chǎn)井井壁力學(xué)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，結(jié)果表明開采初期是地層發(fā)生沉降的主要時(shí)期，井壁周圍是地層沉降最嚴(yán)重的區(qū)域，且水合物的分解加大了儲(chǔ)層沉降變形的風(fēng)險(xiǎn)。孫可明等[27]基于ABAQUS功能模塊，分析了注熱開采對(duì)水合物儲(chǔ)層沉降變形的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明，水合物上覆蓋層的變形與破壞主要?dú)w因于超靜孔隙壓力增大；溫度越高，水合物儲(chǔ)層塑性變形的影響范圍越大。公彬等[28]應(yīng)用有限元分析方法，針對(duì)不同開發(fā)方案所引起的水合物儲(chǔ)層沉降變形進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明水合物儲(chǔ)層強(qiáng)度降低主要源于生產(chǎn)時(shí)排水，地層沉降主要位于生產(chǎn)井周圍。劉鋒等[29]基于神狐海域水合物鉆獲區(qū)地質(zhì)資料，采用極限平衡法，分析了水合物不同程度分解條件下失穩(wěn)坡腳的變化規(guī)律，研究表明斜坡失穩(wěn)坡腳與水合物分解程度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，較大坡腳的儲(chǔ)層斜坡在同等條件下率先滑坡。

對(duì)于神狐海域水合物儲(chǔ)藏地質(zhì)特性的研究，研究者主要采用三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法。通過考慮不同因素(表4)，對(duì)儲(chǔ)層的變形、沉降、滑坡、應(yīng)力應(yīng)變等進(jìn)行了一系列模擬研究，取得了重要進(jìn)展。但是目前研究者大多只采用了部分現(xiàn)場測試結(jié)果，模擬結(jié)果無法真實(shí)、全面地反映神狐海域儲(chǔ)層實(shí)際情況，且建立的力學(xué)模型大多未涉及儲(chǔ)層復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)以及水合物二次生成的影響。

表4 不同研究者儲(chǔ)層地質(zhì)模擬考慮因素Table 4 Factors to be considered in reservoir geology modeling by different researchers

3.2 水合物開采模擬

天然氣水合物的開采不同于其他傳統(tǒng)化石能源，其開采過程涉及傳質(zhì)傳熱、水合物相變、多相滲流、地層變形等多種物理化學(xué)效應(yīng)，難以直觀描述不同開發(fā)方案對(duì)水合物儲(chǔ)藏內(nèi)部的影響過程及其生產(chǎn)效果。數(shù)值模擬軟件功能的日益強(qiáng)大以及算法的不斷成熟，給水合物儲(chǔ)層開采研究提供了強(qiáng)有力的分析手段。劉麗強(qiáng)等[30]基于TOUGH+HYDRATE模型，研究了神狐海域水合物藏采用直井降壓開采時(shí)儲(chǔ)層內(nèi)部氣體運(yùn)移過程與產(chǎn)氣規(guī)律，研究表明井筒壓力設(shè)置為12.46 MPa時(shí)獲得的累產(chǎn)氣量最大；此外，利用LH-OAT分析方法評(píng)價(jià)了19個(gè)水合物儲(chǔ)層參數(shù)的敏感性[31]，指出Stone指數(shù)、絕對(duì)滲透率等參數(shù)對(duì)CH4氣體的累產(chǎn)量最為敏感。李淑霞等[32]利用數(shù)值模擬手段，探究了神狐海域水合物儲(chǔ)藏降壓開采的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，認(rèn)為在神狐海域水合物藏實(shí)際開采過程中，至少將降壓幅度設(shè)置為初始?jí)毫Φ囊话?，且采用較快的壓降速度[33]。王蕊等[34]利用CMG-STARS軟件模擬了降壓與注熱聯(lián)合開采下神狐海域水合物藏的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，建議在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)將井底壓力設(shè)為2 MPa～3 MPa，并采用最快的降壓速度。李剛等[35-36]通過借助TOUGH+HYDRATE軟件，進(jìn)行了神狐海域水合物藏單一水平井熱吞吐法和降壓法開發(fā)模擬，研究結(jié)果表明這兩種開采方法均不適用于神狐海域水合物開采。蘇正等[37]通過簡化水合物藏注熱開采模型，研究了單一直井注熱開發(fā)神狐海域水合物藏的應(yīng)用效果，結(jié)果表明神狐海域水合物不宜采用直井注熱開采方式；此外，利用TOUGH+HYDRATE軟件模擬結(jié)果表明單一直井降壓開采方式在神狐海域同樣不可行[38]。蘇正等[39]還指出熱激發(fā)開采神狐海域水合物效率低，且在降壓與熱激發(fā)聯(lián)合開采方案中，水合物分解主要是受降壓的影響。何斌等[40]通過借助TOUGH+HYDRATE軟件，探究了神狐海域天然氣水合物藏在不同水平井井?dāng)?shù)降壓與降壓聯(lián)合注熱開采時(shí)的生產(chǎn)效果，模擬結(jié)果指出，雙水平井均采用降壓開采的生產(chǎn)效果優(yōu)于上水平井降壓、下水平井注熱的聯(lián)合開采方式。劉佳麗[41]通過考慮數(shù)值模擬的綜合產(chǎn)能評(píng)價(jià)方法和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的相關(guān)指標(biāo)，指出降壓法是最適合神狐海域水合物藏的開采方法。胡立堂等[42]利用pT+H軟件，模擬了水平井單純注熱與注熱降壓聯(lián)合開采兩種方式下的水合物開發(fā)效果，認(rèn)為聯(lián)合開采方案才是神狐海域水合物開發(fā)的優(yōu)選方案，而王振[43]認(rèn)為降壓聯(lián)合注熱吞吐最佳。李剛等[44]通過考慮水合物“二次生成”效應(yīng)，指出聯(lián)合開采方式可以有效阻止單純降壓開采后期二次水合物的生成，使開發(fā)過程更加順利。申志聰?shù)萚45]借助TOUGH+HYDRATE軟件，模擬研究了“上層水合物、下層游離氣”儲(chǔ)層類型不同井型降壓開采的生產(chǎn)效果，結(jié)果表明采用直井開發(fā)水合物藏時(shí)易導(dǎo)致二次水合物合成，生產(chǎn)過程受阻，而水平井開采能夠有效抑制二次水合物的生成，因此認(rèn)為水平井降壓開采是未來水合物藏高效開發(fā)的最佳方案。夏志增[46]在算法優(yōu)化的基礎(chǔ)上，研究了神狐海域非均質(zhì)水合物儲(chǔ)層分段水平井注熱吞吐開發(fā)的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，模擬結(jié)果顯示該開采方法可以獲得較大的產(chǎn)氣速率且能量利用率高，在神狐海域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

通過以上綜述研究，對(duì)于神狐海域天然氣水合物研究現(xiàn)狀，總體可以概述如下：

1)近年來，各國加大了天然氣水合物高效開發(fā)的技術(shù)探索，其中美、日等國率先進(jìn)行勘探開發(fā)，但出砂問題是制約持續(xù)開采的主要原因。

2)我國從1999年開始對(duì)南海水合物資源進(jìn)行多輪次勘探調(diào)查，并于2017年與2020年成功試采神狐海域天然氣水合物，但面臨開發(fā)效率低、無法大規(guī)模商業(yè)化開采的問題。

3)國內(nèi)針對(duì)神狐海域儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)特性研究較多，對(duì)于水合物開采過程中砂體顆粒運(yùn)移的機(jī)理研究則較少，且尚未建立神狐海域特定地質(zhì)條件下水合物安全開采的相關(guān)指標(biāo)；水合物開采動(dòng)態(tài)數(shù)值模型多考慮儲(chǔ)層的物性特征，對(duì)水合物的二次生成以及本身具有的特性則考慮不足，模型具有一定的局限性；多位研究學(xué)者對(duì)各種開采方法進(jìn)行了適應(yīng)性評(píng)價(jià)，但由于考慮重點(diǎn)不同，尚未形成統(tǒng)一結(jié)論。

當(dāng)前所取得的研究成果距離水合物大規(guī)模綠色開采仍有較大差距，尚有必要根據(jù)目前模擬研究中存在的問題與不足繼續(xù)開展進(jìn)一步的深入研究。