淺談海域天然氣水合物開采方法及風(fēng)險(xiǎn)控制

摘?要：中國(guó)于2017年5月10日～7月9日在南海神狐海域成功實(shí)施天然氣水合物試采，相較于美、日等國(guó)家，此次試采實(shí)現(xiàn)了持續(xù)產(chǎn)氣時(shí)間最長(zhǎng)、產(chǎn)氣總量最大等世界記錄，意義重大。本文重點(diǎn)介紹了降壓開采法、熱激法、CO2置換法、化學(xué)抑制劑注入法、固體開采法及聯(lián)合開采法等海域天然氣水合物開采方法，并對(duì)開采過(guò)程可能面臨的惡劣天氣災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害和設(shè)備損壞等風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)防控制措施進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：海域天然氣水合物;開采方法;風(fēng)險(xiǎn)控制

天然氣水合物（Natural?Gas?Hydrate，簡(jiǎn)稱Gas?Hydrate）又被稱作“可燃冰”，是由水（H2O）和天然氣（CH4）在高壓（>10MPa）、低溫（<0℃）條件下混合形成的穩(wěn)定固態(tài)晶體化合物（CH4·n（H2O）），其在外觀形態(tài)似“冰”狀，遇火即可燃燒，充分燃燒后主要產(chǎn)生CO2和H2O，是世界上公認(rèn)的21世紀(jì)新型替代清潔能源。天然氣水合物廣泛分布于世界各地的陸地凍土帶和深海海底，儲(chǔ)量巨大。由于研究時(shí)間較短，目前水合物開發(fā)僅處于試開采階段，全球僅有前蘇聯(lián)、美國(guó)、加拿大、日本和中國(guó)等少數(shù)國(guó)家掌握了相關(guān)開采技術(shù)。天然氣水合物開采方法較多，且開采過(guò)程中會(huì)伴隨各種地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，因此采用何種方法并預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。

一、天然氣水合物開采方法

由于天然氣水合物形成的復(fù)雜性和特殊性，傳統(tǒng)常規(guī)能源的開采方法無(wú)法完全移植過(guò)來(lái)，因此需要根據(jù)研究新型技術(shù)以保證開采效率和環(huán)境穩(wěn)定性，目前，世界上較常用的天然氣水合物開采方法主要包括降壓開采法、熱激法、CO2置換法、化學(xué)抑制劑注入法、固體開采法以及根據(jù)不同環(huán)境擇優(yōu)選擇多種開采組合的聯(lián)合開采法。

（一）降壓開采法

降壓開采法的工作原理是通過(guò)維持原有溫度的條件下，降低天然氣水合物賦存區(qū)附近的地層壓力，破壞水合物所處的穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到促使水合物分解的目的。該方法在開采過(guò)程中沒(méi)有熱量損失，可通過(guò)控制地層壓力進(jìn)而控制天然氣水合物的提取速度，具有經(jīng)濟(jì)可行的特點(diǎn)。我國(guó)南海神狐海域天然氣水合物試采所采用的就是降壓開采法。該方法需要地層溫度、壓力處于長(zhǎng)期穩(wěn)定平衡環(huán)境，且隨著水合物分解帶走大量熱能造成周圍環(huán)境溫度降低會(huì)影響產(chǎn)氣效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部結(jié)冰阻塞氣層而導(dǎo)致開采中斷。

（二）熱激法

熱激法的工作原理與降壓開采法類似，均是通過(guò)打破水合物賦存區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)而促使水合物分解，該方法的原理是在維持賦存區(qū)原有地層壓力的前提下，通過(guò)向地層內(nèi)部輸入熱性液體（熱水）或氣體（水蒸氣），亦或利用設(shè)備傳導(dǎo)電磁、微波、太陽(yáng)能等直接對(duì)水合物賦存區(qū)加熱，提升其周圍環(huán)境溫度，達(dá)到破壞水合物的穩(wěn)定狀態(tài)、促進(jìn)水合物分解的目的。該方法優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)采用循環(huán)系統(tǒng)不斷注熱，作用時(shí)間快，效果明顯，但由于在輸入過(guò)程中熱能損失非常大，導(dǎo)致其熱效率極低，而采用電磁、微波、太陽(yáng)能等方式雖然容易控制作業(yè)，但所需設(shè)備較多，工序復(fù)雜，容易受惡劣天然環(huán)境影響，因此，熱激法目前在各國(guó)試采過(guò)程中采用率較低。

（三）CO2置換法

CO2置換法的工作原理是利用在同等特定溫壓條件下，CO2氣體相較于CH4氣體更容易與H2O結(jié)合生產(chǎn)水合物的特性，使CO2置換天氣水合物賦存區(qū)的CH4分子，進(jìn)而釋放氣態(tài)天然氣的方法。該方法具有有高開采速率、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)大量消耗CO2氣體還有助于緩解全球氣候變暖，弱化溫室效應(yīng)，具有一舉兩得的效果，但由于開采過(guò)程需要大量CO2氣體儲(chǔ)備，且需要碳吸附劑等復(fù)雜吸附材料和特殊設(shè)備，不僅開采過(guò)程氣體轉(zhuǎn)化效率低，而且開采成本巨大，這大大限制了這種開采方法的推廣和使用。因此，當(dāng)前如何通過(guò)新型技術(shù)大力提高氣體的轉(zhuǎn)換效率，是整個(gè)學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一，一旦發(fā)現(xiàn)能大幅促進(jìn)兩種氣體轉(zhuǎn)換的新型催化材料，市場(chǎng)前景將非常廣闊。目前，該方法在美國(guó)阿拉斯加凍土地帶水合物賦存區(qū)已經(jīng)得到了一定程度的應(yīng)用。

（四）化學(xué)抑制劑注入法

化學(xué)抑制劑注入法的工作原理是通過(guò)利用專用設(shè)備向天然氣水合物賦存區(qū)注入相應(yīng)的化學(xué)抑制劑（如甲醇、乙醇等醇類以及鹽水等），以此來(lái)降低維持天然氣水合物穩(wěn)定的相平衡條件，從而改變水合物賦存區(qū)的溫度壓力條件，當(dāng)無(wú)法滿足維持水合物固體狀態(tài)所需的溫度和壓力條件后，固態(tài)天然氣水合物便會(huì)分解成氣態(tài)，進(jìn)而達(dá)到水合物開采的目的。該方法目前僅國(guó)外部分國(guó)家在開采現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)，國(guó)內(nèi)尚處于實(shí)驗(yàn)室分析階段，主要因?yàn)榛瘜W(xué)抑制劑的制造費(fèi)用非常高，會(huì)大幅度提高水合物的開采成本，同時(shí)，過(guò)低的轉(zhuǎn)化效率和開采過(guò)程的環(huán)境污染問(wèn)題都是阻礙化學(xué)抑制劑注入法推廣使用的主要原因。

（五）固體開采法

固體開采法的工作原理是利用部分采礦工藝手段開采固體水合物，而后采用參照傳統(tǒng)吸揚(yáng)式采礦系統(tǒng)方法特制的流體提升裝置將固體天然氣水合物由深海區(qū)提升至淺海區(qū)，同時(shí)利用提升過(guò)程中的溫度（上升）和壓力（下降）條件變化促使固體天然氣水合物自然氣化并收集，由于該方法的關(guān)鍵在于水力提升系統(tǒng)，因此也被稱作“水力提升法”。該方法充分利用海水的溫度梯度和壓力變化，提高了固體水合物的分解效率，分解過(guò)程對(duì)環(huán)境基本無(wú)污染，但水力提升系統(tǒng)需要外界持續(xù)提供能量，同時(shí)，在開采過(guò)程中由于地層失穩(wěn)容易發(fā)生海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)作業(yè)設(shè)備及開采平臺(tái)等的穩(wěn)定性都是巨大考驗(yàn)。

（六）聯(lián)合開采法

由于上述天然氣水合物開采方法均存在不同程度的缺陷或弊端，而海域天然氣水合物開采工作又是一個(gè)涉及多風(fēng)險(xiǎn)的龐大工程，目前來(lái)看，隨著對(duì)能源需求的加大及對(duì)商業(yè)化開采緊迫性的不斷提高，單一的開采方法已不能滿足現(xiàn)今的開采要求。近年來(lái)，隨著技術(shù)手段的進(jìn)步，針對(duì)不同開采區(qū)域和開采環(huán)境而衍生出兩種或三種開采方法的組合，本文統(tǒng)稱為聯(lián)合開采法，主要包括機(jī)械-熱聯(lián)合法、熱激輔助降壓法、CO2輔助降壓法等。聯(lián)合開采法的應(yīng)用和創(chuàng)新，需要在實(shí)踐過(guò)程中不斷進(jìn)行借鑒和改進(jìn)，且需要根據(jù)開采現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整。

二、天然氣水合物開采風(fēng)險(xiǎn)及控制預(yù)防

海域天然氣水合物開采周期較長(zhǎng)，開采設(shè)備復(fù)雜，因此，在開采過(guò)程中會(huì)伴隨著各種開采風(fēng)險(xiǎn)，主要包括惡劣天氣災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)等;每一種風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生都會(huì)造成嚴(yán)重的開采事故，并伴隨著相應(yīng)的環(huán)境污染，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成天然氣水合物泄漏，對(duì)海洋環(huán)境的破壞是無(wú)法估量的。

（一）惡劣天氣災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)

影響海上天然氣水合物開采的惡劣天氣災(zāi)害主要包括臺(tái)風(fēng)、海霧及災(zāi)害性波浪等。臺(tái)風(fēng)是發(fā)生在熱帶或副熱帶海域的低壓系統(tǒng)，攜帶巨大的能量和破壞力，最大風(fēng)速可達(dá)60m/s，臺(tái)風(fēng)過(guò)境會(huì)對(duì)開采平臺(tái)造成巨大的影響，我國(guó)南海神狐海域可燃冰試采期間便經(jīng)受過(guò)臺(tái)風(fēng)“苗柏”考驗(yàn);海霧是海面上的一種水汽凝結(jié)現(xiàn)象，海霧的產(chǎn)生會(huì)降低船舶海上通行的能見(jiàn)度，增加開采平臺(tái)的碰撞風(fēng)險(xiǎn);災(zāi)害性波浪是由臺(tái)風(fēng)、熱帶氣旋、寒潮等天氣引起并在強(qiáng)風(fēng)作用下形成的，波浪波高可達(dá)6m以上，例如1979年11月“渤海2號(hào)”石油鉆井平臺(tái)遭遇災(zāi)害性海浪沉沒(méi)于渤海中部，說(shuō)明其對(duì)開采平臺(tái)的影響應(yīng)引起足夠重視。

（二）地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)

與海上石油鉆探相同，在水合物開采過(guò)程中也會(huì)伴隨著相應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，主要包括海底滑坡、海底地震、海嘯及淺地層流體失穩(wěn)等。海底滑坡是指海底松散沉積物發(fā)生擾動(dòng)后在重力作用下沿海底面向下滑動(dòng)的現(xiàn)象，主要包括碎屑流、顆粒流和濁流等，其攜帶的高速重力沉積物流對(duì)海底平臺(tái)樁基具有破壞性作用;海底地震是海底板塊斷裂釋放應(yīng)力而引起海底劇烈震動(dòng)，震級(jí)較大的海底地震會(huì)引起海嘯，海嘯的發(fā)生對(duì)海上平臺(tái)的破壞是毀滅性的;淺地層流體失穩(wěn)包括淺水流和淺層氣，淺水流是在鉆穿淺海底超壓砂層后導(dǎo)致巨大水壓力釋放形成的，高速噴出的淺水流射入開采孔會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)損壞或井塌事故，淺層氣亦具有高壓性質(zhì)，其釋放過(guò)程中會(huì)大幅降低地層強(qiáng)度，對(duì)開采平臺(tái)的穩(wěn)定性維持是巨大挑戰(zhàn)。

（三）設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)

設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)是在海上開采平臺(tái)及附屬設(shè)備設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生的設(shè)備疲勞老化等損壞風(fēng)險(xiǎn)，由于開采平臺(tái)遠(yuǎn)離陸地，一旦發(fā)生設(shè)備損壞，修復(fù)難度大，周期長(zhǎng)，不僅會(huì)影響開采效率，同時(shí)對(duì)作業(yè)平臺(tái)上的人員生命安全也是巨大威脅。

（四）風(fēng)險(xiǎn)控制及預(yù)防

從資源與能源角度來(lái)說(shuō)，天然氣作為21世紀(jì)的新型替代能源已經(jīng)是全球認(rèn)可的大趨勢(shì)，對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，南海賦存的豐富水合物資源對(duì)于緩解目前國(guó)內(nèi)能源緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題意義重大，因此，我國(guó)加快海域天然氣水合物的商業(yè)化勢(shì)在必行，但由于水合物組成氣體甲烷是一種比二氧化碳更強(qiáng)的溫室氣體，同等體積的甲烷氣體比二氧化碳的溫室效應(yīng)強(qiáng)21倍，一旦開采泄漏，對(duì)全球氣候環(huán)境的影響是難以估量的，如何在開采過(guò)程中預(yù)防泄漏風(fēng)險(xiǎn)和開采事故，是擺在全球水合物開采研究工作者面前的難題。

借鑒我國(guó)南海神狐海域天然氣水合物試的成功經(jīng)驗(yàn)，本文認(rèn)為，天然氣水合物開采風(fēng)險(xiǎn)控制和預(yù)防措施需要從前期安全評(píng)估、開采過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與環(huán)境評(píng)價(jià)以及完井處置等三個(gè)方面入手。前期安全評(píng)估主要通過(guò)利用在開采區(qū)多年調(diào)查的基礎(chǔ)地質(zhì)資料及工程地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，多次邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)頂級(jí)專家對(duì)安全性進(jìn)行詳細(xì)論證，不斷優(yōu)化開采方案，建立由開采單位主要負(fù)責(zé)人領(lǐng)導(dǎo)的應(yīng)急處置小組，確保在水合物開采過(guò)程中任何事故均可迅速應(yīng)對(duì);開采過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要利用水下機(jī)器人及各種監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)海底地層變形、儲(chǔ)層穩(wěn)定性、海水甲烷溶解量、海洋底氣生物反應(yīng)等進(jìn)行全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)開采區(qū)附近海水理化因子進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，并結(jié)合開采前的背景值對(duì)開采環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，爭(zhēng)取將環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)處于可控范圍之內(nèi);完井作為水合物開采結(jié)束的最后工序，極易在井口逆向重新形成固態(tài)水合物，需要引起高度重視，目前可通過(guò)水下熱交換裝置對(duì)進(jìn)口加熱以及ROV設(shè)備水下定點(diǎn)機(jī)械清理等方式完成。

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基金項(xiàng)目：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目（DD20190232;DD20190583;DD20190584）資助

作者簡(jiǎn)介：陳靜（1991-），女，漢族，碩士，助理工程師，主要從事天然氣水合物地球化學(xué)測(cè)試分析、國(guó)內(nèi)外水合物開采現(xiàn)狀及戰(zhàn)略研究。