南海可燃冰開采環(huán)境安全評價與數(shù)據(jù)采集監(jiān)測方案

趙 奎，賀保衛(wèi)，崔海朋，韓兵兵*

(1.中船重工第716研究所，連云港 222002；2.青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，青島 266061)

可燃冰是在一定溫度和壓力條件下，主要由天然氣和水分子生成白色致密的結(jié)晶固體[1-3]。目前，超過90%的可燃冰儲存于海底地層內(nèi)，其總量是全球已探明的煤、石油和天然氣總量將近2倍[4-6]?？扇急哂袃α控S富、能量密度高、燃燒熱值高以及燃燒清潔等特點，現(xiàn)已被國際公認(rèn)為石油、天然氣之后的重要替代性能源和未來戰(zhàn)略能源[7-8]。

可燃冰的鉆采過程中，水合物的分解不可避免。作業(yè)層內(nèi)局部溫度壓力的改變、固井水泥反應(yīng)散熱、可燃冰儲層溫度壓力改變等都可能引起可燃冰失穩(wěn)分解，由此改變沉積層物理特性，導(dǎo)致突發(fā)性海洋災(zāi)害。若無試采階段環(huán)境風(fēng)險完整有效的辨識、評估與等級劃分以及成熟、安全的開采技術(shù)作為支撐，一旦進(jìn)入商業(yè)開采階段引發(fā)環(huán)境災(zāi)害，后果將不堪設(shè)想[9]。為此，美國研究了可燃冰系統(tǒng)受到自然環(huán)境影響和生產(chǎn)相關(guān)變化誘導(dǎo)的變化規(guī)律，確定了可燃冰商業(yè)開采的可行性并評估可燃冰在全球氣候循環(huán)中的作用[10]。日本制定了《海洋能源與礦產(chǎn)資源開發(fā)計劃》，提出完成砂層型可燃冰商業(yè)化技術(shù)儲備及可燃冰商業(yè)性開發(fā)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境評價[11]。中國廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局根據(jù)可燃冰區(qū)地形地貌特征、地質(zhì)特征、可燃冰儲層特征，合理設(shè)計井位及降壓方案。高大統(tǒng)[12]與劉超[13]分析了可燃冰試采階段所面臨的環(huán)境挑戰(zhàn)，歸納了可燃冰開發(fā)的環(huán)境風(fēng)險制度需求。趙衡等[14]總結(jié)了中國可燃冰開發(fā)過程中面臨環(huán)境風(fēng)險等方面的問題，從預(yù)防措施和政策管理兩個方面提出對策，為解決中國可燃冰開發(fā)中如何處理資源和環(huán)境提供了參考。

為保證可燃冰安全試采，必須建立可靠的環(huán)境風(fēng)險因素安全評價體系，對鉆采前、鉆采中、鉆采后進(jìn)行全方位的安全監(jiān)測評價，為開采技術(shù)優(yōu)化提供實時數(shù)據(jù)支持?，F(xiàn)結(jié)合南海海域可燃冰試采的具體特點，運用故障模式、影響和危害性分析法(failure mode, effects and criticality analysis，F(xiàn)MECA)，研究可燃冰試采階段的環(huán)境安全評價與數(shù)據(jù)采集監(jiān)測體系，實際試采表明，該體系具有科學(xué)性、合理性，對該海域可燃冰商業(yè)化安全鉆采具有工程借鑒和實用價值。

1 環(huán)境安全評價

可燃冰試采環(huán)境風(fēng)險主要包含地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險、氣候變化風(fēng)險、海洋生態(tài)風(fēng)險[15]?？扇急鳛榉腔瘜W(xué)計量、類冰的固體化合物也被稱之為籠狀化合物，內(nèi)部氣體分子和水分子間通過范德華力相互作用，如圖1所示。

圖1 可燃冰籠狀化合物模型

目前，可燃冰試采環(huán)境安全評價尚未積累充足的風(fēng)險實例以供計算、分析，風(fēng)險發(fā)生的可能性多以工程經(jīng)驗進(jìn)行估計，難以達(dá)到定量化分析的水平。利用FMECA方法，以故障影響或后果為目標(biāo)，建立環(huán)境安全評價體系，主要包括風(fēng)險等級劃分與風(fēng)險因素識別。

1.1 風(fēng)險等級劃分

依據(jù)《故障模式、影響及危害性分析指南》，將可燃冰開采的危險有害因素風(fēng)險級別劃分為四類。風(fēng)險發(fā)生概率等級、風(fēng)險程度等級、風(fēng)險可預(yù)測程度等級如表1～表3所示。

表1 風(fēng)險發(fā)生概率等級

表2 風(fēng)險發(fā)生程度等級

表3 風(fēng)險可預(yù)測程度等級

1.2 風(fēng)險因素識別

風(fēng)險因素辨識主要包括物質(zhì)風(fēng)險識別和工藝過程風(fēng)險識別兩部分。根據(jù)南海海域可燃冰試采工藝特點，將環(huán)境風(fēng)險辨識劃分為建設(shè)過程、生產(chǎn)過程、后期跟蹤過程。具體情況如表4～表8所示。

表4 建設(shè)過程鉆井階段環(huán)境風(fēng)險辨識

表5 生產(chǎn)過程鉆采階段環(huán)境風(fēng)險辨識

表6 生產(chǎn)過程開采階段環(huán)境風(fēng)險辨識

表7 生產(chǎn)過程儲運階段環(huán)境風(fēng)險辨識

表8 后期跟蹤過程環(huán)境風(fēng)險辨識

2 安全監(jiān)測方案

目前，尚無任何一種常用監(jiān)測方法能完全響應(yīng)可燃冰儲層的變化，針對南海某海域?qū)嶋H地質(zhì)情況，整合優(yōu)化設(shè)計并改進(jìn)多種地質(zhì)勘探方法，提出氣、水、砂“三位一體”的立體監(jiān)測網(wǎng)，如圖2所示，綜合分析氣、水、砂產(chǎn)出特性，構(gòu)建可燃冰環(huán)境監(jiān)測體系。

圖2 南海某海域可燃冰試采立體監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 氣體泄漏監(jiān)測

氣體泄漏監(jiān)測時，在海底布設(shè)多功能監(jiān)測站，采用廣角高清視頻攝像頭，實時監(jiān)測可燃冰分解時，甲烷沿誘發(fā)裂縫泄漏時產(chǎn)生的氣泡。此外，海底監(jiān)測站采用基于膜技術(shù)的甲烷原位傳感器、溫度傳感器、鹽度傳感器與海流儀可以直接對探測到的甲烷泄露發(fā)出警報。

2.2 可燃冰儲層動態(tài)變化監(jiān)測

針對該海域的海底地形特點，運用三維全光纖4C-OBC時移地震監(jiān)測系統(tǒng)，覆蓋在以生產(chǎn)井為中心的1 km×1 km區(qū)域，4分量傳感器的站位間距設(shè)計為25 m，相鄰平行測線的橫向間距則為50 m，有效纜長約為20 km，傳感器站位總數(shù)為800個，如圖 3所示。

圖3 海底監(jiān)測設(shè)施布設(shè)位置平面圖

2.3 井下環(huán)境監(jiān)測

針對可燃冰試采時井下環(huán)境監(jiān)測，在海底監(jiān)測井間布設(shè)電纜，通過分布式光纖溫度傳感器，對從井底到井口的整個井段進(jìn)行溫度監(jiān)控；通過含水合物層布設(shè)電阻率溫度傳感器，實時監(jiān)測試采過程中可燃冰分解峰位值；通過溫度-壓力計實時精確測量選定深度上的溫度壓力條件，使井中溫度保持在最小作業(yè)溫度狀態(tài)以防止水合物二次生成，確保井底低壓狀態(tài)基本穩(wěn)定，促進(jìn)可燃冰持續(xù)鉆采。

3 不同海域數(shù)據(jù)采集監(jiān)測

通過氣、水、砂“三位一體”的立體監(jiān)測網(wǎng)實際監(jiān)測(圖4)，結(jié)合南海海域可燃冰礦藏特性分布及重要富集區(qū)分析，對南海各海域可燃冰富集區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集對比，如表9所示。

根據(jù)開采潛力原則，對比表9各海域數(shù)據(jù)綜合分析如下。

(1)瓊東南盆地具有良好的氣源條件，為可燃冰的形成提供了良好的條件，地?zé)釛l件優(yōu)異。

(2)臺西南盆地起源條件、地?zé)釛l件、沉積條件均適合可燃冰的生成及穩(wěn)定存在，可作為可燃冰鉆采的重點靶區(qū)。

圖4 實際海域數(shù)據(jù)采集監(jiān)測

(3)神狐海域具有良好的地質(zhì)條件，其中氣源條件生烴潛力巨大；地?zé)釛l件非常適合可燃冰的生成和穩(wěn)定存在；較高的沉積速率易生成欠壓實區(qū)，具有良好的流體運移條件和儲集空間。

(4)西沙海槽沉積物中具有較高的甲烷濃度，沉積條件較好，具有較高的沉積速率，含砂率適中，具有一定的開采潛力。

4 結(jié)論

首先采用FMECA方法，基于南?？扇急_采特點，建立了可燃冰環(huán)境安全評價體系；其次，針對南海海域地形地勢特點，設(shè)計并建立了“三位一體”的數(shù)據(jù)監(jiān)測方案，并將其用于南海各海域?qū)嶋H數(shù)據(jù)采集過程中，取得良好效果，結(jié)論如下。

(1)基于南海海域?qū)嶋H特點，建立了可燃冰試采時環(huán)境安全評價體系，該體系補(bǔ)充完善了海上能源鉆采風(fēng)險辨識評估體系，能夠在定性分析的基礎(chǔ)上，定量分析可燃冰試采時的環(huán)境風(fēng)險量級。

(2)設(shè)計優(yōu)化并建立了可燃冰鉆采時數(shù)據(jù)采集監(jiān)測方案，為保證可燃冰安全高效鉆采提供了實時數(shù)據(jù)支持。

(3)對比南海各海域監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合氣源條件、地?zé)釛l件及沉積條件，認(rèn)為現(xiàn)階段神狐海域的可燃冰鉆采更具有商業(yè)價值。

表9 不同海域數(shù)據(jù)采集對比