天然氣水合物原位補熱降壓充填開采方法*

李守定 李 曉 王思敬 孫一鳴

(①中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 中國科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點實驗室， 北京 100029， 中國) (②中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院， 北京 100029， 中國) (③中國科學(xué)院大學(xué)， 地球與行星科學(xué)學(xué)院， 北京 100049， 中國)

0 引 言

天然氣水合物(Natural Gas Hydrate)俗稱“可燃冰”，是由水分子和氣體分子(主要為甲烷)在高壓和低溫條件下組成的似冰的、非化學(xué)計量型籠形結(jié)晶化合物，可用CH4·nH2O來表示，升高溫度或降低壓強可使天然氣水合物發(fā)生相變，產(chǎn)出甲烷。天然氣水合物作為非常規(guī)天然氣，廣泛分布在水深超過300im的海洋、湖泊和陸地多年凍土帶沉積物中，資源量非常豐富，全球水合物天然氣資源量約為2×1016m3，(Kvenvolden， 1999)，總含碳量為現(xiàn)有化石燃料(石油、天然氣、煤)的兩倍(Koh et al.，2011)，被公認為未來最有潛力的新型高效清潔替代能源，是全球能源革命的戰(zhàn)略突破口。

天然氣水合物有3種晶胞結(jié)構(gòu)：sI型、sII型和sH型(Sloan， 2003)，多數(shù)情況下為sI型，其密度接近于冰。Boswell(2009)提出了4種不同類型天然氣水合物儲層的資源量金字塔圖(圖 1)，圖中從上到下依次為砂質(zhì)儲層、泥質(zhì)裂隙儲層、海底水合物儲層、泥質(zhì)儲層，可采難度越來越大，資源豐度降低，資源量增大。Collett(2004)結(jié)合天然氣水合物儲層鉆探提出了6種賦存方式：彌散型、結(jié)核型、塊狀、巖脈狀、細脈狀、層狀(圖 2)。

圖 1 天然氣水合物資源分布金字塔圖(Boswell， 2009)Fig. 1 The gas hydrate resource pyramid(Boswell， 2009)

表 1 不同天然氣水合物開采方法試采匯總表(改自Koh et al.， 2016)Table 1 NGH field production summary(modified from Koh et al.， 2016)

圖 2 天然氣水合物賦存類型(Collett， 2004)Fig. 2 Cores of natural gas hydrates(Collett， 2004)

目前，世界上有5個國家進行了共計9次天然氣水合物試采工作，其中陸地凍土區(qū)4次，海域5次。中國、日本、加拿大和美國在試采工程與基礎(chǔ)研究上處于領(lǐng)先地位。陸域試采的代表是加拿大麥肯齊三角洲、美國阿拉斯加北坡天然氣水合物試采，海域試采代表是中國南海神狐海域、日本南海海槽天然氣水合物試采。當前已實施的試采方法主要有：降壓法、熱激法和二氧化碳置換法，相應(yīng)的試采情況如表 1(Dong-Yeun Koh， 2016； 李守定等， 2019； 張旭輝等， 2019； 操秀英， 2020)。在各類開采方法中，試采天然氣產(chǎn)量最高的是降壓法，但所達到的天然氣平均日產(chǎn)量遠遠達不到商業(yè)化開發(fā)的需求，更為高效安全的開采技術(shù)方案成為當前相關(guān)研究領(lǐng)域的重點內(nèi)容。目前關(guān)于開采技術(shù)的研究中，大多關(guān)注開采原理的分析、開采形式的設(shè)計等，缺乏從儲層改造角度開展的試驗研究工作，未能形成有效的增產(chǎn)措施。

中國天然氣水合物資源十分豐富，初步預(yù)測天然氣水合物約1100×108it油當量(海域約800×108it油當量)，相當于中國常規(guī)天然氣資源量的兩倍(自然資源部，2018)。目前我國天然氣供給對外依存度高，產(chǎn)能缺口巨大。在此背景下，突破天然氣水合物開采技術(shù)，早日實現(xiàn)天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化開發(fā)成為重要突破方向。

本文在分析降壓法所面臨的關(guān)鍵瓶頸問題的基礎(chǔ)上，聚焦于天然氣水合物儲層改造手段及開采方案設(shè)計，提出了一種全新的天然氣水合物開采方法——原位補熱降壓充填開采法，重點剖析了該方法的3個基本原理，提出了該方法的開采技術(shù)方案、關(guān)鍵技術(shù)與工藝步驟。

1 天然氣水合物原位補熱降壓充填開采方法

1.1 天然氣水合物降壓法規(guī)?；_采面臨的瓶頸問題

綜合分析天然氣水合物現(xiàn)有開采方法的優(yōu)點與缺點，降壓法是相對經(jīng)濟有效的開采方法(Makogon， 1997; Collette， 2004， Sun et al.，2005)，但是采用降壓法大規(guī)模開發(fā)天然氣水合物面臨3大瓶頸問題：

(1)天然氣水合物分解熱補給緩慢導(dǎo)致產(chǎn)氣效率低。當儲層降壓到一定水平，天然氣水合物分解，大量的分解熱導(dǎo)致儲層溫度降低，瞬時可使局部沉積物溫度降低33i℃(Constantin Cranganu， 2009)，使天然氣水合物分解速率降低，同時可能引發(fā)二次水合物生成，堵塞甲烷運移通道，降低滲透性，使得產(chǎn)氣速率驟降。只有當遠處地層熱量傳導(dǎo)至儲層并提高溫度，二次水合物分解，產(chǎn)氣速率才能回升?？紤]到地層熱傳導(dǎo)過程較緩慢，上述問題的存在影響了降壓法的產(chǎn)氣效率。

(2)天然氣水合物分解可能導(dǎo)致儲層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。海域天然氣水合物賦存在海底沉積物孔隙或裂隙中，由于天然氣水合物在儲層沉積層結(jié)構(gòu)中起支撐或膠結(jié)作用，當其分解形成氣態(tài)的天然氣和液態(tài)水時，沉積物顆粒膠結(jié)骨架弱化，導(dǎo)致水合物沉積層強度降低、地層出砂(Berge et al.， 1999; Yun et al.， 2005; Uchida，2013)，造成儲層變形和井壁失穩(wěn)，進而引起海底沉降甚至誘發(fā)海底滑坡(Bugge， 1987; Bouriak et al.， 2000)。

(3)天然氣水合物儲層滲透率低影響產(chǎn)氣速率。含天然氣水合物沉積層初始滲透率分布在0.01 到數(shù)十毫達西之間(Yoneda et al.， 2019)，在天然氣水合物開采的過程中，孔隙中的固態(tài)天然氣水合物分解為液態(tài)的水和氣態(tài)的甲烷滲流到井筒，孔隙中的有效應(yīng)力增加，沉積物結(jié)構(gòu)變得致密，孔隙度降低，含天然氣水合物沉積層滲透率減小，天然氣水合物保壓樣品測試也獲得了印證(Lu et al.， 2019; Yoneda et al.， 2019)。另外，水合物分解產(chǎn)生的水將改變沉積物孔隙中地層水的礦化度，可能會引起膨脹性黏土礦物膨脹，引起孔隙堵塞降低沉積物的滲透率(Konno et al.， 2015)。

因此，天然氣水合物降壓法規(guī)?；_采需要突破“天然氣水合物分解熱補給”(補熱)、“儲層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性”(保穩(wěn))和“提高儲層滲透率”(增滲)等3個方面的難題。從地層熱傳導(dǎo)“補熱”補給速度慢，限制了產(chǎn)氣速率，必須考慮外界熱量補給，根據(jù)熱激開采法的思想，可以考慮局部加熱和熱流注入的方法。固態(tài)的天然氣水合物分解成液態(tài)的水和氣態(tài)的天然氣，地層沉積物之間原來由固體的天然氣水合物作為膠結(jié)，分解后的水和天然氣被抽取到井口，沉積物之間形成孔隙，不可避免地引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，這種情況與金屬礦或煤礦開采類似，開采后形成采空區(qū)引起地表沉降甚至地表塌陷，因此可以考慮“充填法采礦”的原理來解決天然氣水合物儲層“保穩(wěn)”的問題，即天然氣水合物開采后充填入力學(xué)特性相近的固體，以保持天然氣水合物儲層的穩(wěn)定性。天然氣水合物儲層“增滲”的問題可以借鑒頁巖氣開采核心技術(shù)“水平井水力壓裂”技術(shù)，不僅能增加鉆井接觸儲層的面積，還能提高儲層滲透性，提高天然氣水合物分解的產(chǎn)氣速率。

1.2 天然氣水合物原位補熱降壓充填開采方法的提出

根據(jù)天然氣水合物降壓法規(guī)?；_采面臨的3大瓶頸問題以及問題解決路徑分析，提出了“天然氣水合物原位補熱降壓充填開采方法”，該方法將通過鉆井將氧化鈣(CaO)粉末注入天然氣水合物儲層，鉆井降低壓力后，天然氣水合物(CH4·nH2O)分解產(chǎn)生天然氣和水(H2O)，CaO粉末與H2O迅速反應(yīng)放出大量熱量，補充了天然氣水合物的分解熱，同時，氧化鈣與水反應(yīng)后生成的固態(tài)氫氧化鈣(Ca(OH)2)體積增大，孔隙增大，既填充了天然氣水合物分解后留下的空隙，又提高了儲層的滲透性。該方法能夠有效解決降壓法規(guī)?；_采面臨的“補熱”、“保穩(wěn)”和“增滲”問題。

圖 3 天然氣水合物原位補熱降壓充填開采方法原理圖Fig. 3 Schematics of the method of depressurization and backfilling with in-situ supplemental heata. 海域天然氣水合物地層結(jié)構(gòu)圖； b. 天然氣水合物儲層裂隙注入氧化鈣(CaO)； c. 天然氣水合物儲層降壓引起天然氣 水合物分解，氧化鈣(CaO)與水(H2O)反應(yīng)放熱； d. 反應(yīng)產(chǎn)物氫氧化鈣(Ca(OH)2)充填天然氣水合物分解后的空隙

1.3 天然氣水合物原位補熱降壓充填開采方法原理

天然氣水合物原位補熱降壓充填開采方法，原理如圖 3，圖 3a為海域天然氣水合物地層結(jié)構(gòu)，圖3b為天然氣水合物儲層裂隙中注入氧化鈣(CaO)； 圖3c為天然氣水合物儲層降壓，引起天然氣水合物分解為天然氣和水(H2O)，氧化鈣(CaO)與水(H2O)反應(yīng)放熱，補充了天然氣水合物分解所需的熱量； 圖3d為氧化鈣(CaO)與水(H2O)反應(yīng)產(chǎn)物氫氧化鈣(Ca(OH)2)，發(fā)生了體積膨脹，空隙體積增加，提高了滲透性，既充填了天然氣水合物分解后的空隙，又具有很好的滲透性。天然氣水合物原位補熱降壓充填開采方法主要原理如下：

1.3.1 天然氣水合物降壓分解原理

天然氣水合物原位補熱降壓充填開采方法是基于降壓分解方法，降壓分解法基于天然氣水合物相平衡圖，即將天然氣水合物儲層壓力降低至平衡壓力之下，使水合物發(fā)生分解(式(1))。Kim et al.(1987)提出了壓力驅(qū)動(pressure driving force)水合物分解，認為天然氣水合物分解速率與壓力驅(qū)動力及粒子總表面積成正比。

CH4·nH2O(s)=CH4(g)+nH2O(l)

(1)

1.3.2 天然氣水合物分解原位補熱原理

天然氣水合物分解為天然氣和水屬于吸熱反應(yīng)，根據(jù)不同晶型的天然氣水合物分解需要吸收52～54.49ikJ·mol-1的熱量(Rydzy et al.，2007; Farrell et al.，2010)，以sI型天然氣水合物為例，分解需要吸收54.49ikJ·mol-1的熱量(式(2))； 而氧化鈣(CaO)與水反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，反應(yīng)放熱為64.9ikJ·mol-1(式(3))，因此，將氧化鈣(CaO)注入到儲層，氧化鈣與天然氣水合物分解產(chǎn)生的水反應(yīng)放出的熱量，可以充分地補充天然氣水合物分解需要吸收的熱量。氧化鈣與水在標準狀態(tài)下30imin內(nèi)完全反應(yīng)并放出熱量，反應(yīng)速度與溫度成指數(shù)增長關(guān)系(溫度增加10i℃，反應(yīng)速度增加1倍)，氯化物能夠加快反應(yīng)速度(林宗壽，2014)。因此，氧化鈣水化反應(yīng)放熱速度能夠滿足天然氣水合物分解的需求。

CH4·5.75H2O(s)=CH4(g)+5.75H2O(l)

ΔrHm=+54.49 kJ·mol-1

(2)

CaO(s)+H2O(l)=Ca(OH)2(s)

ΔrHm=-64.9 kJ·mol-1

(3)

以全球5個國家的9次天然氣水合物試采的儲層為例，以1im3i天然氣水合物儲層為研究單元，表 2列出了天然氣水合物分解所需的熱量和提供分解熱所需的氧化鈣質(zhì)量。從表中可以得出，提供1im3儲層中天然氣水合物的分解熱需要15～108ikg氧化鈣，可以產(chǎn)生7～52im3i天然氣。

1.3.3 天然氣水合物分解充填增滲原理

天然氣水合物分解形成天然氣與水，氧化鈣(CaO)與水(H2O)反應(yīng)生成氫氧化鈣(Ca(OH)2)，生成的固相體積增大97.92%，氧化鈣與水反應(yīng)在吸附分散于化學(xué)分散(式(4))的作用下，形成凝聚結(jié)構(gòu)(圖 4)，水擴散層形成阻止離子相互靠近的“楔入力”，隨顆粒沉降靠近，水夾層減薄，范德華引力超過“楔入力”，則粒子結(jié)合，膠體開始凝聚。氧化鈣粒子內(nèi)部吸入擴散層中的水繼續(xù)水化，生成新物質(zhì)，且水夾層厚度減小，粒子熱運動的分子引力超過“楔入力”，

表 2 不同地區(qū)天然氣水合物1￣￣m3儲層完全分解熱量及所需氧化鈣質(zhì)量Table 2 The heat needed for decomposition of the hydrate in 1 m3 reservoir volume and the corresponding demand of CaO in different hydrate system

圖 4 氧化鈣水化形成的凝聚結(jié)構(gòu)與 空隙體積增量效應(yīng)(林宗壽， 2014)Fig. 4 Aggregation structure and void volume increment effect of calcium oxide hydration

粒子黏連，形成凝聚結(jié)構(gòu)(林宗壽， 2014)。這種凝聚結(jié)構(gòu)導(dǎo)致比表面積增大，產(chǎn)生空隙體積增量效應(yīng)，增加了氫氧化鈣滲透性。另外，氫氧化鈣與沉積物中的黏土和砂質(zhì)結(jié)合形成可在潮濕環(huán)境下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的“三合土”，既提高了強度(抗壓強度0.5～1.5iMPa)，又增加了滲透性(55.7～269imD)。

CaO(s)+H2O(l)→Ca(OH)2(l)→Ca2++2OH-

(4)

以1imol的sI型純天然氣水合物(CH4·5.75H2O)為例，天然氣水合物(CH4·5.75H2O)分解前固態(tài)體積為131.489icm3，分解后變?yōu)?03.615icm3液態(tài)水(H2O)和22i371icm3氣態(tài)甲烷(CH4)。在相同分解熱條件下，需要0.84imol氧化鈣(CaO)與水(H2O)反應(yīng)(表 3)，即14.11icm3的固態(tài)氧化鈣(CaO)與15.14icm3的液態(tài)水(H2O)反應(yīng)，生成27.91icm3固態(tài)氫氧化鈣(Ca(OH)2)。等分解熱條件下兩個反應(yīng)發(fā)生后，固態(tài)天然氣水合物轉(zhuǎn)化為氫氧化鈣，反應(yīng)后體積減少78.774%，液態(tài)水和氣態(tài)甲烷被抽取到井口。由此可計算出等反應(yīng)熱條件下，天然氣水合物分解后固態(tài)充填率為21.226%。反應(yīng)體積變化如圖 5。

圖 5 等反應(yīng)熱條件下甲烷水合物(sI)分解與氧化鈣(CaO) 水化反應(yīng)系統(tǒng)體積變化示意圖Fig. 5 The diagram of the volume change of hydrae and CaO before and after reaction confining the reaction heat to 54.49ikJ

固體體積完全充填(充填率100%)條件下， 1imol的sI型純天然氣水合物分解前固態(tài)體積為131.489icm3，分解后變?yōu)?03.615icm3液態(tài)水(H2O)和22i371icm3氣態(tài)甲烷(CH4)。在生成的氫氧化鈣(Ca(OH)2)固態(tài)體積與1imol天然氣水合物固態(tài)體積(131.489icm3)相同的條件下，需要3.957imol氧化鈣(CaO)與水(H2O)反應(yīng)(表 4)，即66.43icm3的固態(tài)氧化鈣(CaO)與71.321icm3的液態(tài)水(H2O)反應(yīng)，生成131.489icm3固態(tài)氫氧化鈣(Ca(OH)2)。兩個反應(yīng)發(fā)生后，固態(tài)天然氣水合物轉(zhuǎn)化為氫氧化鈣，反應(yīng)后固態(tài)體積沒有變化，固態(tài)充填率為100%。氫氧化鈣完全充填原理如圖 6。

表 3 等反應(yīng)熱條件下sI型甲烷水合物分解與氧化鈣水化前后相態(tài)體積變化Table 3 The respective volume change of hydrae and CaO before and after reaction confining the reaction heat to 54.49 kJ

表 4 全固態(tài)充填條件下sI型甲烷水合物分解與氧化鈣水化物質(zhì)的量比例Table 4 The quantity of CaO needed for filling the space generated by the decomposition of 1 mol hydrate

圖 6 氫氧化鈣全固態(tài)充填原理圖Fig. 6 The diagram of the quantity of CaO needed for filling the space generated by the decomposition of 1 mol hydrate

以1 mol的sI型純天然氣水合物(CH4·5.75H2O)為例，定義充填率(FR)為氫氧化鈣體積與天然氣水合物體積之比的百分率； 補熱率(HS)為氧化鈣與水反應(yīng)放出的熱量與天然氣水合物分解熱之比的百分率； 充填率(FR)與補熱率(HS)呈線性關(guān)系(圖 7)，可表達為式(5)。由該關(guān)系可知，氫氧化鈣完全充填天然氣水合物分解留下的空隙的時候，反應(yīng)放熱能夠提供天然氣水合物近5倍的分解熱。

FR=0.2122HS+0.0017

(5)

圖 7 充填率-補熱率關(guān)系曲線Fig. 7 Relationship between filling rate and heat supplement rate

圖 8 天然氣水合物原位補熱降壓充填開采方法示意圖Fig. 8 Schematics of the method of depressurization and backfilling with in-situ supplemental heat

2 天然氣水合物原位補熱降壓充填開采關(guān)鍵技術(shù)

2.1 天然氣水合物原位補熱降壓充填開采技術(shù)方案

根據(jù)天然氣水合物原位補熱降壓充填開采法原理，提出如圖 8的開采技術(shù)方案，核心技術(shù)方案是采用高壓氣體壓裂并將氧化鈣注入儲層，主要技術(shù)方案由3部分組成：水平井鉆完井，高壓粉末-氣體壓裂，降壓開采。

(1)水平井鉆完井。在海域天然氣水合物礦藏區(qū)布設(shè)海上鉆井平臺，進行鉆井施工，鉆井垂直段分別穿過海水和上覆地層，在天然氣水合物儲層中進行鉆井水平段施工，進行鉆井完井。

(2)高壓空氣粉末注入。在鉆井水平段進行射孔施工，在天然氣水合物儲層中形成射孔裂隙； 將高濃度氧化鈣粉末與高壓氣體混合，形成含氧化鈣粉末的高壓氣體，含氧化鈣粉末的高壓氣體通過射孔裂隙注入儲層，儲層沿著射孔裂隙擴展空隙，高壓氣體將氧化鈣粉末攜帶至壓裂空隙中。

(3)降壓開采。停止壓裂施工后，降低鉆井井口壓力，抽取鉆井井筒中的水，天然氣水合物儲層壓裂裂隙中壓力降低，天然氣水合物分解成天然氣與水，水與空隙中氧化鈣反應(yīng)生成氫氧化鈣，釋放大量熱量，補充天然氣水合物分解熱，反應(yīng)后生成的氫氧化鈣與沉積物混合形成了高孔隙的氫氧化鈣填充物，既支撐裂隙穩(wěn)定，又有較好的滲透性，有利于井筒抽水與采氣。

2.2 天然氣水合物原位補熱降壓充填開采關(guān)鍵技術(shù)

天然氣水合物原位補熱降壓充填開采法工藝實現(xiàn)，有3大技術(shù)難點需要突破：鉆井儲層溫壓保持； 氧化鈣充分注入儲層； 井筒砂堵與氣水混合。

鉆井儲層溫壓保持問題。該方法屬于降壓法，天然氣水合物開采鉆進的時候，井壁周邊的地層處于降壓狀態(tài)，儲層中的天然氣水合物可能發(fā)生分解，同時導(dǎo)致井周儲層的變形甚至破壞，因此在鉆井施工過程須解決儲層溫壓保持的難題。

氧化鈣充分注入儲層問題。原位補熱的技術(shù)核心是將氧化鈣注入到儲層，并盡可能地提高氧化鈣與儲層的接觸面積，如果用頁巖氣開采中的水力壓裂技術(shù)壓裂地層并注入氧化鈣，氧化鈣在井口與水混合就發(fā)生了反應(yīng)，不能起到原位補熱并充填的目的，因此須解決氧化鈣注入地層并充分接觸儲層的難題。

井筒砂堵與氣水混合問題。儲層中天然氣水合物降壓分解形成天然氣和水，其中一部分水與氧化鈣反應(yīng)生成氫氧化鈣充填，另一部分與天然氣抽取到井口，在開采過程中，儲層中的黏土礦物和砂質(zhì)仍可能隨天然氣和水運移到井周從而堵塞氣水運移通道，同時井下氣水混合導(dǎo)致氣流運移驅(qū)動壓力降低，影響產(chǎn)氣效率，因此降壓開采過程中須解決井筒砂堵和氣水混合的難題。

解決以上3個技術(shù)難題，需要突破如下3個關(guān)鍵技術(shù)：

2.2.1 控溫壓高速鉆井技術(shù)體系

鉆完井過程將引起壓力降低和溫度變化，為了防止儲層中天然氣水合物分解，需要控制井筒壓力和溫度，盡量減小地層壓力和溫度的波動，達到保護儲層的目的，同時應(yīng)快速完成鉆完井，既降低儲層中水合物分解的風險，又能降低成本。

根據(jù)前人(Hannegan et al.， 2004； Todd et al.， 2006; 光新軍等， 2016)研究，控壓鉆井技術(shù)能夠精確控制井筒環(huán)空壓力分布，解決鉆井液安全密度窗口窄的問題，而且還能夠?qū)矇毫ψ兓龀隹焖夙憫?yīng)，鉆井控壓技術(shù)目前在海洋深井有些應(yīng)用，該技術(shù)在2020年中國海域天然氣水合物第2次試采中已經(jīng)應(yīng)用(操秀英， 2020)。

固井水泥漿凝固時放熱，可能引起井周儲層溫度升高，天然氣水合物分解，因此，低水合熱、高早強、低密度的固井材料是天然氣水合物固井的需求。目前斯倫貝謝等油服公司研發(fā)了凍土層天然氣水合物固井水泥漿，并在日本2013年海域天然氣水合物試采中得到了應(yīng)用(Taoutaou et al.， 2014)。

近年來美國頁巖油氣革命帶來了油氣鉆井技術(shù)的飛速創(chuàng)新，鉆井速度大大提高，適合天然氣水合物水平鉆井的高速鉆井技術(shù)主要有“一趟鉆”技術(shù)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套管鉆井技術(shù)?！耙惶算@”技術(shù)是指用一只鉆頭和一套井下鉆具組合，一次入井鉆完一個開次或一個井段全部進尺的鉆井技術(shù)。2017年貝克休斯公司在美國DJ盆地采用一趟鉆技術(shù)進行了5405im井深的頁巖水平井鉆井，只用了3.5id。斯倫貝謝公司在DJ盆地用了29ih鉆進4609.5im，平均機械鉆速達159.4im·h-1。一趟鉆關(guān)鍵技術(shù)主要有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、高效鉆頭、長壽命螺桿、串聯(lián)雙電池組合和渦輪發(fā)電機、變徑穩(wěn)定器等(劉克強， 2019)； 套管鉆井技術(shù)是指鉆進過程中，直接采用套管(取代鉆桿)向井下傳遞機械能量和水力能量，井下鉆具組合接在套管柱下面，邊鉆進邊下套管，完鉆后套管直接留在井內(nèi)實施固井作業(yè)。近年來，Tesco公司將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)與套管鉆進技術(shù)集成，形成旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套管鉆進技術(shù)，在馬來西亞EWDP-B生產(chǎn)平臺鉆井機械鉆速高達120～180im·h-1，作為海上高速鉆井作業(yè)非常有前景(張?zhí)m江等， 2016)。

2.2.2 高壓空氣粉末注入技術(shù)

將氧化鈣充分注入儲層，需要介質(zhì)將氧化鈣攜帶進入儲層，頁巖氣開采核心技術(shù)水力壓裂技術(shù)可以借鑒，水力壓裂技術(shù)通過高壓大流量壓裂液將頁巖儲層壓裂，并將支撐劑攜入壓裂裂縫中，但是對于氧化鈣，易與水反應(yīng)，現(xiàn)有的水力壓裂技術(shù)因含有水，無法作為攜入介質(zhì)，近年來發(fā)展的頁巖氣無水壓裂技術(shù)，主要是液氮或液態(tài)二氧化碳壓裂，由于標準狀態(tài)下液氮汽化潛熱198.64ikJ·kg-1，二氧化碳汽化潛熱234.85ikJ·kg-1，在井下壓裂的時候?qū)⑽沾罅康臒崃?，引起天然氣水合物儲層降溫，不利于后期降壓開采，因此，現(xiàn)有的頁巖氣水力/無水壓裂技術(shù)均無法適用。

根據(jù)海域天然氣水合物儲層的地質(zhì)賦存特征，提出高壓空氣粉末壓裂注入技術(shù)：天然氣水合物水水平井段采用90°相位角雙排深穿透射孔，在井口將空氣過濾干燥后壓縮，混合氧化鈣粉末，通過地面高壓泵注設(shè)備將空氣粉末泵入井筒，多級分段含氧化鈣粉末高壓空氣壓裂，在高壓流體致裂應(yīng)力與地應(yīng)力的聯(lián)合作用下，人工裂縫在深穿透射孔處起裂擴展延伸，深穿透孔眼-壓裂裂隙-孔隙聯(lián)通形成的多尺度網(wǎng)簇狀空隙，高壓空氣攜帶的氧化鈣粉末充填空隙(圖 9)，井口壓力平穩(wěn)后，井口降壓，開啟電潛泵，開始采氣。

圖 9 水平井射孔高壓氣體注入氧化鈣粉末示意圖Fig. 9 Injection of CaO into fractures by means of high pressure air in a horizontal well

根據(jù)表 2中1im3i天然氣水合物儲層所需氧化鈣質(zhì)量，以中國南海神狐天然氣水合物儲層為例，每立方儲層需要90.11ikg氧化鈣，假設(shè)水平井1個壓裂段長100im，高壓空氣壓裂影響半徑為10im，降壓法采收率為40%，儲層中天然氣水合物分解需要1132it氧化鈣，按照400it·h-1的高壓空氣氧化鈣注入速度，需要2.8個小時。目前氣力輸送在冶金行業(yè)使用非常成熟，特別是高濃度高氣壓輸送技術(shù)也得到了開拓應(yīng)用(劉利生， 2016)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展天然氣水合物儲層氧化鈣粉末高壓空氣注入技術(shù)，具有很強的可行性。

2.2.3 多相流降壓開采技術(shù)

充當儲層膠結(jié)骨架的固態(tài)天然氣水合物分解成氣態(tài)天然氣和液態(tài)水，雖然有氫氧化鈣充填，在充填率不足或者充填不均勻的時候，儲層沉積物黏土和砂可能隨著天然氣和水流動到井筒附近，從而堵塞儲層滲流到井筒的通道，因此，井筒防砂仍然是一個重要問題； 另外，井下存在氣水兩項流，降低天然氣滲流壓力，減小產(chǎn)氣效率，井下氣水分離及抽取是降壓開采另一個重要問題。

井筒防砂技術(shù)主要應(yīng)用在日本兩次試采(2013年， 2017年)和中國一次試采(2017年，南海神狐)井中。2013年日本第1次試采主要采用裸眼礫石充填防砂工藝，采用300im精密篩管+輕質(zhì)陶粒(40～60目)礫石填充的方法，但是地層出砂試采失敗(Yamamoto et al.， 2014)； 2017年日本第2次試采采用的具有保持擋砂性和井壁穩(wěn)定性的井下膨脹(GeoForm)篩管防砂系統(tǒng)獲得成功(杜衛(wèi)剛等， 2019)； 2017年中國第1次海域試采研發(fā)了TD預(yù)充填防砂管技術(shù)獲得成功，預(yù)充填粒徑40～70目(李文龍等， 2019)。適度防砂、防排結(jié)合、排砂為主的理念成為未來防砂技術(shù)的發(fā)展趨勢(杜衛(wèi)剛， 2018)。

井下氣水分離及抽取最早應(yīng)用在2008年加拿大Mallik天然氣水合物二次生產(chǎn)測試，包括電潛泵和離心式氣液分離器等裝置(李楠等， 2016)， 2013年日本第1次試采采用電潛離心泵、封隔器和油管等裝置，電潛泵抽取流體降壓，井下氣液分離，氣體沿中心管柱排出，水經(jīng)節(jié)流管匯抽取到平臺； 第2次試采采用了通徑導(dǎo)流罩分離系統(tǒng)，電潛泵能夠同時抽水和抽氣； 2017年中國南海神狐天然氣水合物試采采用了電潛離心泵和氣舉的流體抽取技術(shù)(杜衛(wèi)剛等， 2019)。

2.3 天然氣水合物原位補熱降壓充填開采工藝步驟

根據(jù)天然氣水合物原位補熱降壓充填法原理與關(guān)鍵技術(shù)，提出海域天然氣水合物開采采用如下主要工藝步驟：

(1)定井位。根據(jù)海域天然氣水合物勘探成果和開發(fā)方案設(shè)計，在天然氣水合物礦藏區(qū)布設(shè)鉆探船或鉆井平臺，選定鉆井井位。

(2)鉆井。鉆井井身結(jié)構(gòu)依據(jù)天然氣水合物儲層地質(zhì)條件設(shè)計。采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套管鉆井或“一趟鉆”等快速鉆井技術(shù)，進行水平井施工，配合鉆進控壓技術(shù)、鉆井液降溫技術(shù)、隨鉆測井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、先進固井材料(低水合熱、高早強、低密度)，在鉆井和固井過程中，縮短鉆井和固井的時間，最大限度保護儲層，降低儲層溫度和壓力波動，減少儲層天然氣水合物分解。

(3)完井。天然氣水合物水平井儲層段采用外加膨脹篩管復(fù)合套管完井，膨脹篩管用于防止儲層出砂，充填粒徑根據(jù)儲層顆粒分布確定，套管用于保護儲層穩(wěn)定； 分段90°相位角雙排深穿透射孔，下入分布式光纖傳感器用于井下溫度、壓力實時監(jiān)測。

(4)注入充填。在天然氣水合物水平井儲層段分段90°相位角雙排深穿透射孔，在井口將空氣過濾干燥后壓縮，混合氧化鈣粉末，通過高壓泵注設(shè)備將空氣粉末泵入井筒，含氧化鈣粉末高壓空氣在井下沿著射孔裂縫擴展延伸，形成的多尺度網(wǎng)簇狀空隙，高壓空氣攜帶的氧化鈣粉末充填進入空隙。高壓空氣壓力依據(jù)儲層壓力設(shè)計，高于儲層壓力5～20iMPa，高壓空氣排量依據(jù)氧化鈣注入速率設(shè)計； 氧化鈣注入速率根據(jù)注入段天然氣水合物儲層孔隙度、飽和度及裂縫延展長度等參數(shù)確定，氧化鈣粒度小于3imm，為水硬性氧化鈣。

(5)降壓采氣。注入充填工藝完成后，下入電潛泵、封隔器，電潛離心泵用于氣水抽取，封隔器實現(xiàn)汽水分離，降低井口壓力，開啟電潛泵，開始采氣。實時監(jiān)控井底溫度壓力，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計、井下溫度壓力、產(chǎn)氣/水速率、出砂數(shù)據(jù)、和監(jiān)測井等數(shù)據(jù)，合理調(diào)整井口壓力，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

(6)重復(fù)注入采氣。當天然氣產(chǎn)氣速率降低，產(chǎn)氣總量達不到設(shè)計產(chǎn)量，可重復(fù)實施注入充填和降壓采氣步驟，提高采氣速率。

3 結(jié)論與建議

天然氣水合物被公認為未來最有潛力的新型高效清潔替代能源，是全球能源革命的戰(zhàn)略突破口。當前代表性的開采方法主要有：降壓法、熱激法和二氧化碳置換法，降壓法是相對經(jīng)濟有效的開采方法，但目前獲得的天然氣平均日產(chǎn)量遠遠達不到商業(yè)化開發(fā)的需求。在分析降壓法規(guī)?；_采面臨的瓶頸問題的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的天然氣水合物開采方法——原位補熱降壓充填開采法，重點剖析了該方法的“降壓分解”、“原位補熱”和“充填增滲”原理，提出了該方法的開采技術(shù)方案、關(guān)鍵技術(shù)與工藝步驟。得出了如下結(jié)論與建議：

(1)天然氣水合物降壓法規(guī)模化開發(fā)面臨3大瓶頸問題：天然氣水合物分解熱補給緩慢導(dǎo)致產(chǎn)氣效率低； 天然氣水合物分解可能導(dǎo)致儲層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)； 天然氣水合物儲層滲透率低影響產(chǎn)氣速率。天然氣水合物降壓法規(guī)?；_發(fā)需要突破“天然氣水合物分解熱補給”(補熱)、“儲層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性”(保穩(wěn))和“提高儲層滲透率”(增滲)等3個方面的難題。

(2)提出了天然氣水合物新的開采方法——原位補熱降壓充填開采法，開采原理包括“降壓分解原理”、“原位補熱原理”和“充填增滲原理”。該方法將通過鉆井將氧化鈣(CaO)粉末注入天然氣水合物儲層，鉆井降低壓力后，天然氣水合物(CH4·nH2O)分解產(chǎn)生天然氣和水(H2O)，氧化鈣(CaO)粉末與水迅速反應(yīng)放出大量熱量，補充了天然氣水合物的分解熱，同時，氧化鈣與水反應(yīng)后生成的固態(tài)氫氧化鈣(Ca(OH)2)體積增大，孔隙增大，既填充了天然氣水合物分解后留下的空隙，又提高了儲層的滲透性。該方法能夠有效地解決降壓法規(guī)模化開采面臨的“補熱”、“保穩(wěn)”和“增滲”問題。

(3)提出了天然氣水合物原位補熱降壓充填開采技術(shù)方案、關(guān)鍵技術(shù)與工藝步驟。原位補熱降壓充填法主要通過“水平井鉆完井”、“高壓空氣粉末注入”和“降壓開采”3個部分實施，針對工藝實現(xiàn)的技術(shù)難點，提出了原位補熱降壓充填開采的3大關(guān)鍵技術(shù)：控溫壓高速鉆井技術(shù)體系、高壓空氣粉末注入技術(shù)和多相流降壓開采技術(shù)，在此基礎(chǔ)上提出了具體的開采工藝步驟。未來需要在氫氧化鈣充填形成的堿性環(huán)境影響和效應(yīng)方面深入研究。

天然氣水合物分解是典型的物理化學(xué)過程，伴隨著復(fù)雜的相變，是開發(fā)難度最大的非常規(guī)天然氣資源，雖然我國海域天然氣水合物第1輪、第2輪試采均取得成功，創(chuàng)造了“產(chǎn)氣總量、產(chǎn)氣時間、日均產(chǎn)氣量”3項紀錄，但距離產(chǎn)業(yè)化開發(fā)還有很長的距離，未來需要加強國際科研合作，深度學(xué)科交叉，研發(fā)變革性技術(shù)，早日實現(xiàn)天然氣水合物綠色安全經(jīng)濟開發(fā)。

致謝：本文在撰寫過程中得到了陳衛(wèi)昌、李關(guān)訪、張召彬、赫建明、董艷輝、鄭博、何鵬飛、武艷芳、毛天橋、楊文成等老師的幫助，在此表示誠摯的謝意。