吳西順，張百忍，張 煒，王燕東，孫張濤，邵明娟

（1. 中國地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心，北京 100083；2. 中國地質(zhì)圖書館，北京 100083；3. 中國國土資源經(jīng)濟(jì)研究院，河北 廊坊065201）

天然氣水合物開采技術(shù)進(jìn)展*

吳西順1,2?，張百忍1,2，張 煒1,2，王燕東3，孫張濤1,2，邵明娟1,2

（1. 中國地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心，北京 100083；2. 中國地質(zhì)圖書館，北京 100083；3. 中國國土資源經(jīng)濟(jì)研究院，河北 廊坊065201）

本文對天然氣水合物開采技術(shù)現(xiàn)狀和進(jìn)展進(jìn)行分析，歸納出6類天然氣水合物開采方法和3種關(guān)鍵技術(shù)。鑒于天然氣水合物開采的環(huán)境風(fēng)險因素，本文綜合了國內(nèi)外最新研究成果，深入分析風(fēng)險機(jī)理和綜合風(fēng)險模式。從經(jīng)濟(jì)和社會角度闡述了天然氣水合物成為一種可供人類使用的新能源所面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，指出天然氣水合物的社會價值仍有賴于業(yè)界與公眾交流新知的能力和水平，提倡通過科學(xué)鉆采試驗深刻理解水合物的特性以及與能源資源、生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害和全球氣候變化的關(guān)系，提出“安全開采”和“有效開采”是圍繞水合物的兩個核心問題。

天然氣水合物；開采技術(shù)；關(guān)鍵技術(shù)；環(huán)境影響

0 引 言

天然氣水合物作為能源礦產(chǎn)的研究已經(jīng)進(jìn)行了將近50年。1965年，前蘇聯(lián)首次在西西伯利亞永久凍土帶發(fā)現(xiàn)了世界上第一處天然氣水合物礦床麥索亞哈氣田，5年后開始商業(yè)化開采[1]。1970年，深海鉆探計劃（DSDP）在美國東部大陸邊緣布萊克海臺進(jìn)行實施，在取心過程中發(fā)現(xiàn)冰冷巖心冒氣時間長達(dá)數(shù)小時，當(dāng)時海洋地質(zhì)學(xué)家非常不解，實際上氣泡是由水合物分解形成的[2]。1971年，美國學(xué)者Stoll等[3]在深海鉆探中發(fā)現(xiàn)海洋天然氣水合物并首次正式提出“天然氣水合物”這一概念。自此，全球掀起了大規(guī)模研究、調(diào)查和勘探天然氣水合物的熱潮。當(dāng)前美國、日本和韓國等國家都已經(jīng)制定了天然氣水合物專項研究計劃。然而，目前還沒有任何一個國家能夠?qū)嵤┨烊粴馑衔锏纳虡I(yè)規(guī)模開采，其原因可能主要是開采過程存在環(huán)境安全和經(jīng)濟(jì)成本等問題。

在俄羅斯麥索亞哈（Messoyakha）天然氣水合物氣田、加拿大麥肯齊（Mackenzie）天然氣水合物儲層、美國阿拉斯加北坡[4]以及近期日本南海海槽開展的開采試驗工作[5]證實了天然氣水合物開采的可行性。目前，加拿大麥肯齊凍土層和日本南海海槽的試采都已獲得重大進(jìn)展。當(dāng)今各國都在積極投入對天然氣水合物開采技術(shù)的研究，主要的活動和計劃如圖1。其中，日本和美國分別計劃于2018和2019年開始商業(yè)化開采[6]。

自1995年以來，越來越多的海洋科學(xué)鉆探航次專門用于圈定天然氣水合物賦存地點以及更深地理解地質(zhì)條件對其產(chǎn)狀的控制。其中最著名的是大洋鉆探計劃（ODP）164、204航次和綜合大洋鉆探計劃（IODP）311航次[7]。

圖1 世界主要天然氣水合物計劃及活動Fig. 1 World major gas hydrate program plan and activity

2012年，美國能源部（DOE）能源技術(shù)國家實驗室（NETL）與海洋規(guī)劃協(xié)會（COL）合作發(fā)起了一項新的“天然氣水合物野外研究計劃”，希望鉆探活動能夠?qū)μ烊粴馑衔镅芯科鸬揭I(lǐng)作用。該計劃沿美國大陸邊緣實施，有助于界定和實現(xiàn)未來海洋鉆探、取心、測井、測試以及分析，以科學(xué)評價水合物礦床的地質(zhì)產(chǎn)狀、區(qū)域環(huán)境和相關(guān)特征。為達(dá)此目的，COL組建了“天然氣水合物工程科研團(tuán)隊”，成員來自學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和政府部門。該科研團(tuán)隊與COL和DOE于2013年6月在華盛頓特區(qū)舉行了天然氣水合物業(yè)界研討會（MHCW）。研討會的關(guān)鍵目標(biāo)之一是提出解決一項或幾項具體挑戰(zhàn)和問題的科學(xué)鉆探計劃[8]。目前的天然氣水合物研究主要集中在以下幾個方面：（1）查清控制天然氣水合物賦存和穩(wěn)定性的地質(zhì)參數(shù)；（2）評價圈閉在各種天然氣水合物儲層中的天然氣儲量；（3）分析水合物生產(chǎn)甲烷的過程和特點；（4）識別并預(yù)測天然氣水合物對環(huán)境和氣候（自然和人為）的影響；（5）分析天然氣水合物對油氣鉆井安全的影響。雖然還有許多問題尚待解決，但是多數(shù)科學(xué)家仍然相信可以準(zhǔn)確定位水合物并安全采收甲烷。

1 天然氣水合物開采方法研究現(xiàn)狀

1.1 概況

天然氣水合物研究計劃已在美國、日本、中國、韓國、印度和加拿大等國家提出和實施，并取得了多項重要進(jìn)展。世界上最重要的現(xiàn)場生產(chǎn)測試項目是加拿大麥肯齊河三角洲Mallik地區(qū)和美國阿拉斯加北坡Eileen儲層以及日本南海海槽。日本近海進(jìn)行了世界首次天然氣水合物開采生產(chǎn)試驗。業(yè)界對天然氣水合物的興趣還涉及如何評價與水合物有關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害等重要方面。

為了生產(chǎn)甲烷氣，首先必須將甲烷從水合物結(jié)構(gòu)中釋放出來。通常建議的采收方法一般是通過將儲層加熱到水合物形成溫度之上，將熱力學(xué)抑制劑如甲醇或乙二醇注入到儲層使水合物失穩(wěn)，或?qū)訅毫档偷狡胶庀嘀?，進(jìn)行原位天然氣水合物分解或“融解”。最近一些研究表明，也可以利用二氧化碳置換水合物冰晶中的甲烷分子達(dá)到釋放甲烷同時封存二氧化碳的目的?？傮w而言，天然氣水合物的傳統(tǒng)開采方法包括注熱法、降壓法、注化學(xué)試劑法以及以上方法的聯(lián)用。新型的開采方法主要有氣體置換法、固體開采法等（如圖2）。

圖2 天然氣水合物開采方法示意圖[4]Fig. 2 Recovery methods of gas hydrate[4]

1.2 注熱法

注熱法是注入加熱流體或直接利用電磁技術(shù)加熱來提高水合物儲層內(nèi)溫度，引起水合物分解。一般具有能耗大，熱利用效率較低的缺陷。但是，目前德國水合物項目SUGAR II已經(jīng)研制出成熟的節(jié)能型燃?xì)獯呋訜嵩O(shè)備[9]（如圖3）。該法經(jīng)歷了直接注入流體加熱、火驅(qū)法加熱、井下電磁加熱以及微波加熱等階段，可實現(xiàn)循環(huán)注熱，且作用方式較快。加熱方式的不斷改進(jìn)促進(jìn)了熱激發(fā)開采法的發(fā)展，但這種方法至今尚未很好地解決熱利用效率較低的問題，而且只能局部加熱，因此尚有待進(jìn)一步完善[10]。

圖3 德國SUGAR逆流熱交換反應(yīng)器[9]Fig. 3 Thermal exchange reactor in Germany SUGAR[9]

1.3 降壓法

降壓法是降低儲層壓力促使水合物分解，不需要連續(xù)激發(fā)，成本較低，適合大面積開采。如果該法和注熱法結(jié)合使用將更具應(yīng)用前景。減壓途徑主要有兩種：①采用低密度泥漿鉆井達(dá)到減壓目的；②當(dāng)天然氣水合物層下方存在游離氣或其他流體時，通過泵壓抽出下方的游離氣或其他流體來降低儲層壓力。減壓開采法不需要連續(xù)激發(fā)，成本較低，適合大面積開采，尤其適用于存在下伏游離氣層的情況，是傳統(tǒng)開采方法中最有前景的一種技術(shù)。但其對天然氣水合物藏的性質(zhì)有特殊的要求，只有當(dāng)天然氣水合物藏位于溫壓平衡邊界附近時，減壓開采法才具有經(jīng)濟(jì)可行性[10]。

1.4 注化學(xué)試劑法

注化學(xué)試劑法是向天然氣水合物層中注入鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化學(xué)試劑，破壞其相平衡條件，促使水合物分解。但所需的化學(xué)試劑成本較高，對天然氣水合物層的作用緩慢，還可能帶來一些環(huán)境問題[10]，故不適合長期或大規(guī)模使用。目前對這種方法投入的研究相對較少。

1.5 氣體置換法氣體置換法又稱氣舉法，是指注入如二氧化碳等氣體以置換天然氣水合物中的甲烷，觸發(fā)甲烷氣體擴(kuò)散。但這種方法受到水合物儲層滲透性的制約，如果結(jié)合水力壓裂進(jìn)行儲層改造其效果可能更佳。

1.6 其他新技術(shù)

固體開采法最初是直接采集海底固態(tài)天然氣水合物，然后將其拖至淺水區(qū)進(jìn)行控制性分解，后來該方法發(fā)展成混合泥漿開采法。其開采的具體步驟是，首先讓天然氣水合物原地分解為氣液混合相，同時采集混有氣、液、固態(tài)的混合泥漿，然后將泥漿導(dǎo)入海面作業(yè)船或生產(chǎn)平臺予以處理，進(jìn)行徹底分解獲取天然氣。這方面，韓國在2014年設(shè)計了專門運輸水合物的船舶并系統(tǒng)考察了過程風(fēng)險[11]。

早在2004年5月，中國科學(xué)院就與中海油簽訂合作框架協(xié)議，確立“天然氣水合物開采與輸運過程實驗?zāi)M與理論分析”項目，以期取得這方面關(guān)鍵技術(shù)的突破。該項目具體由中科院廣州能源所和中海油石油研究中心深水工程重點實驗室承擔(dān)。2007年完成開采和運輸?shù)哪M試驗，并取得了三方面的成果：（1）開發(fā)出新型組合抑制劑，其價格比國外低，引導(dǎo)時間延長3倍以上；（2）通過模擬研究，獲得了天然氣水合物分解、動態(tài)變化過程的重要實驗數(shù)據(jù)，確定了開采過程中的關(guān)鍵控制因素；（3）開發(fā)了天然氣水合物開采過程數(shù)值模擬源程序，提交了專利及軟件著作權(quán)申請[14]。2012年，中國石油大學(xué)（華東）啟動了海洋油氣工程與裝備研發(fā)平臺建設(shè)，在現(xiàn)有研究條件的基礎(chǔ)上，新建三個子試驗平臺：天然氣水合物儲層開采安全模擬綜合實驗系統(tǒng)、海洋裝備結(jié)構(gòu)耐久性與完整性綜合測試系統(tǒng)、海洋采油與井控設(shè)備試驗平臺補充系統(tǒng)，為我國海洋石油裝備的研制、生產(chǎn)、檢測提供試驗、評價等支撐條件，加快海洋石油裝備產(chǎn)業(yè)化步伐[15]。截至2013年底，蛟龍?zhí)栆言谥袊虾?、東太平洋、西北太平洋等海域執(zhí)行過73次下潛任務(wù)，進(jìn)行多次科研作業(yè)，而其中的一項重要任務(wù)就是重點考察“冷泉”（天然氣水合物的海底出口）[16]。

目前天然氣水合物開采主要以降壓法為主，配合注熱法、注化學(xué)試劑法聯(lián)用。在俄羅斯Messoyakha天然氣水合物氣田、加拿大Mackenzie 天然氣水合物氣田和近期日本南海海槽開展的開采工作已經(jīng)證實了該方法的可行性。

2 天然氣水合物開采技術(shù)試驗進(jìn)展

目前各國常見的開采技術(shù)包括降壓開采法、注熱開采法、置換法等。2001年，加拿大首次通過注熱式開采法生產(chǎn)出天然氣，但開采過程中消耗的能量超過獲得的熱能，入不敷出；氣體置換法反應(yīng)速度太慢；注入試劑法又成本偏貴。2012年，美國阿拉斯加北坡普拉德霍（Prudhoe）灣區(qū)的Ignik Sikumi現(xiàn)場生產(chǎn)測試檢驗了儲層CO2-CH4置換的潛力[12]。日本2013年采用降壓法在海上提取出甲烷，開采成本較低，但仍存在技術(shù)問題。

2.1 Mallik計劃

為了證實利用降壓法可使天然氣水合物在相當(dāng)長一段時間內(nèi)持續(xù)分解以及利用所獲數(shù)據(jù)改進(jìn)生產(chǎn)模擬器的準(zhǔn)確性，日本石油天然氣與金屬礦產(chǎn)資源機(jī)構(gòu)（JOGMEC）和加拿大自然資源部（NRCan）委托加拿大極光學(xué)院（Aurora College）于2007年冬和2008年3月，分兩個階段在Mallik實施了第二次陸上水合物生產(chǎn)測試。其中第一階段約12.5 h的降壓生產(chǎn)共獲至少830 m3的天然氣，第二階段近6天（139 h）的降壓生產(chǎn)共開采天然氣達(dá)1.3萬m3。結(jié)果證實，降壓法在短期生產(chǎn)中有效，但仍存在技術(shù)問題。

2.2 阿拉斯加北坡計劃

2012年5月2日，美國能源部（DOE）前部長朱棣文宣布，由DOE、美國康菲石油公司、JOGMEC共同在美國阿拉斯加北坡普拉德霍（Prudhoe）灣區(qū)開展的Ignik Sikumi現(xiàn)場天然氣水合物生產(chǎn)測試圓滿完成。這是首個設(shè)計研究天然氣水合物儲層CO2-CH4置換潛力的現(xiàn)場試驗工程。準(zhǔn)備完成后，在2月15日至28日約有6 000 m3含有少量化學(xué)示蹤劑的CO2（23%）和N2（77%）被成功注入地層。3月4日，井被重新打開開始生產(chǎn)混合氣體，4月11日由于設(shè)備問題封井，實際生產(chǎn)時間為30天。整個生產(chǎn)周期總產(chǎn)氣約為28 300 m3。目前，DOE已發(fā)布了此次現(xiàn)場試驗的測井和生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)，所有的研究人員和公眾都可以獲取這些數(shù)據(jù)用于分析和評估。

2.3 南海海槽計劃

2013年1月底，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省自然資源與能源廳（ANRE）開始為天然氣水合物生產(chǎn)測試做準(zhǔn)備，旨在通過分解海底天然氣水合物從渥美半島至志摩半島海域開采天然氣。3月12日，在METI的資助下，JOGMEC開始了全球首次海上天然氣水合物生產(chǎn)測試，為商業(yè)化開發(fā)做技術(shù)準(zhǔn)備?！暗厍蛱枺–hiyu）”深海鉆探船當(dāng)天就從水合物儲層中采出天然氣。試驗基本按預(yù)定計劃展開，但3月18日下午2點左右，ANRE宣布停止試驗，主要出于兩方面原因：（1）抽水泵臨時出現(xiàn)故障，無法正常產(chǎn)氣，且在當(dāng)天凌晨出現(xiàn)產(chǎn)砂現(xiàn)象；（2）天氣預(yù)報試驗海域?qū)⒂袠O端惡劣天氣。ANRE在完成封井和數(shù)據(jù)采集后，將對本次試驗結(jié)果進(jìn)行深入的調(diào)查和分析工作。主要數(shù)據(jù)為：持續(xù)生產(chǎn)天然氣近6 d，累積產(chǎn)氣量近12萬m3，日平均產(chǎn)氣量約2萬m3[13]。

2014年11月6日，JOGMEC與美國能源部國家能源技術(shù)研究所就開發(fā)新一代能源可燃冰（天然氣水合物）在東京簽署備忘錄，雙方將在阿拉斯加進(jìn)行開采技術(shù)合作研究，力爭實現(xiàn)商業(yè)化開采。JOGMEC理事長河野博文、美國能源部首席助理副部長史密斯、日經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)相宮澤洋一與美駐日大使卡羅琳·肯尼迪均出席。計劃從2015年開始于美國阿拉斯加州北部，在地質(zhì)勘探基礎(chǔ)上，尋找利于商業(yè)化的開采方式，研究將持續(xù)五年。

3 天然氣水合物開采中的關(guān)鍵問題

關(guān)于天然氣水合物的開采，本文圍繞3個核心問題來進(jìn)行討論：第一，海域水合物鉆采應(yīng)采用的最優(yōu)方法；第二，決定采收率的最關(guān)鍵水合物儲層參數(shù)；第三，評價采收經(jīng)濟(jì)性所需的最低采收率和最短持續(xù)時間。

3.1 優(yōu)化海洋水合物鉆采方法

為了準(zhǔn)備未來的現(xiàn)場生產(chǎn)測試，研究人員需要更多的信息，包括：（1）大范圍的儲層地質(zhì)（水合物在世界各地區(qū)的分布）和小范圍的儲層地質(zhì)（在各儲層中的賦存與分布）；（2）天然氣水合物儲層的屬性與特性表征；（3）實驗室測定的各種天然氣水合物儲層對生產(chǎn)的響應(yīng)以及生產(chǎn)建模的量化數(shù)據(jù)；（4）最終影響天然氣水合物資源開采潛力的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)因素。目前的現(xiàn)場測試和實驗室觀察的量化模型尚需進(jìn)一步完善。

有幾次現(xiàn)場試驗按照上述方法進(jìn)行生產(chǎn)，然而所有測試持續(xù)時間都很有限，從6 d至25 d不等。一般情況下，這些試驗屬于半技術(shù)性半概念性證實，無法評價短期資源的經(jīng)濟(jì)可行性。因此，目前需持續(xù)時間更長的生產(chǎn)開采測試，通過嚴(yán)格測試多種生產(chǎn)技術(shù)來研究天然氣水合物生產(chǎn)甲烷氣的可行性。

3.2 關(guān)鍵儲層參數(shù)描述

控制常規(guī)天然氣藏液相流動的參數(shù)通常有滲透性、相對滲透率、流體分布、孔隙率和油氣飽和度。天然氣水合物的存在增加了儲層流動的復(fù)雜性。天然氣必須先從水合物晶格中釋放才能從儲層流入生產(chǎn)井。利用降壓法生產(chǎn)甲烷氣是通過把水合物儲層的壓力降低到穩(wěn)定條件以下。影響減壓效果和控制水合物分解效率的關(guān)鍵因素可能包括含水合物儲層的固有滲透率和相對滲透率以及儲層內(nèi)熱傳遞特征。制約產(chǎn)量的關(guān)鍵參數(shù)是儲層內(nèi)的相對滲透率以及儲層內(nèi)的傳導(dǎo)和對流（即熱量是如何傳播的）。因此，在理想情況下，目前從水合物儲層生產(chǎn)甲烷氣是在溫度較高的高滲透率砂巖儲層進(jìn)行（即深水環(huán)境和海底以下的較深部位）。

3.3 生產(chǎn)測試的基本要求

2013年3月，JOGMEC公司在南海海槽進(jìn)行了為期6天的天然氣水合物生產(chǎn)測試。該次測試證實了從海域水合物儲層生產(chǎn)甲烷氣的技術(shù)可行性。但該次生產(chǎn)測試的平均日產(chǎn)量僅約為20 000 m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及常規(guī)天然氣藏的商業(yè)化產(chǎn)量，相差了兩個數(shù)量級。而且，值得注意的是，天然氣水合物測試井的初始產(chǎn)量是比較低的。由于天然氣水合物的飽和度一般比較高，在水合物原位分解和生產(chǎn)的初始階段，儲層的相對滲透率會非常低。計算機(jī)模擬表明，可能需要數(shù)年的時間才能達(dá)到最高產(chǎn)量。因此，特別需要進(jìn)行較長時間（持續(xù)1～5年）的測試，對水合物生產(chǎn)甲烷氣體的商業(yè)可行性進(jìn)行研究。如此長期的生產(chǎn)試驗最好是接近現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和終端用戶以使產(chǎn)出的氣體不是白白燃燒掉。

4 水合物開采的環(huán)境影響

雖然人們對海洋天然氣水合物的賦存、分布和特征的理解取得了巨大的進(jìn)步，但是對水合物在能源資源、地質(zhì)災(zāi)害和對氣候變化的影響方面認(rèn)識尚不全面。為了推動這些問題的研究并得到解決，需要更好地整合相關(guān)工作，進(jìn)行必要的科學(xué)鉆探和井孔測試，但是在這之前應(yīng)認(rèn)清所面臨的重要科學(xué)性問題和技術(shù)性挑戰(zhàn)[17]。

考慮從水合物中生產(chǎn)甲烷等天然氣，首先需要解決兩個問題：一是可采天然氣水合物的賦存條件；二是水合物開采產(chǎn)生的環(huán)境后果。對于前一個問題，人們已經(jīng)基本上認(rèn)識清楚了。然而，第二個問題尚未完全弄清楚。初步的結(jié)論是如果采用適當(dāng)?shù)姆椒ê图夹g(shù)，不但不會造成嚴(yán)重危害，而且還有助于人們獲得更清潔、更經(jīng)濟(jì)的巨量能源。目前，人們正在對方法和技術(shù)進(jìn)行積極探索。目前，大家的觀點和意見并不完全一致，正處于摸索和研究階段。但是，對于可能的風(fēng)險模式，人們獲得了基本的認(rèn)識，如圖4所示，在天然氣水合物的鉆采過程中可能會出現(xiàn)三種主要風(fēng)險，即氣滲出（gas release）、氣泄漏（gas leakage）和套管坍塌（collapsed casing）[18]。

圖4 水合物鉆采風(fēng)險機(jī)理Fig. 4 Risk mechanism of gas hydrate drilling

海洋天然氣水合物的現(xiàn)場研究計劃圍繞所確定的與天然氣水合物賦存相關(guān)的最重要科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)來制定。美國的計劃主要側(cè)重于制定科學(xué)鉆探活動的框架性，因為該科學(xué)鉆探活動可以獲取應(yīng)對上述挑戰(zhàn)所需的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息。計劃中所列舉的挑戰(zhàn)和問題可以歸納為4類：（1）天然氣水合物資源評價和全球碳循環(huán)；（2）天然氣水合物開采的挑戰(zhàn)；（3）與天然氣水合物有關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害；（4）建模、實驗和現(xiàn)場設(shè)施的要求與整合。上述問題主要專注于理解如下問題：自然環(huán)境下天然氣水合物的產(chǎn)狀和地層穩(wěn)定性的地質(zhì)控制因素（這會影響其作為一種經(jīng)濟(jì)型能源資源的潛力大?。?，天然氣水合物與潛在地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系，以及天然氣水合物對全球氣候變化的潛在影響?？傮w來看，天然氣水合物的研究需要開發(fā)并整合新的建模技術(shù)、實驗技術(shù)和現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)及協(xié)議。

科學(xué)鉆探對于研究自然界中的天然氣水合物系統(tǒng)是一種非常有用的手段。美國的海洋天然氣水合物現(xiàn)場研究計劃描述并建議了一系列科學(xué)鉆探計劃，作為全球性組織良好的科研努力的一部分，有助于解答如下8個天然氣水合物面臨的科學(xué)性問題和技術(shù)性挑戰(zhàn)[4]：（1）全球碳循環(huán)的充分參數(shù)化；（2）天然氣水合物在砂巖儲層中的富集：資源評價與全球碳循環(huán)；（3）全球碳循環(huán)的高通量背景；（4）天然氣水合物系統(tǒng)對穩(wěn)定帶上界外擾動的響應(yīng)；（5）天然氣水合物富集區(qū)滑坡的區(qū)域條件；（6）天然氣水合物活動引致的地質(zhì)災(zāi)害的表征；（7）天然氣水合物開采引致的地質(zhì)災(zāi)害；（8）天然氣水合物對自然界擾動的響應(yīng)。

迄今為止的大量鉆探實踐表明，天然氣水合物的存在增加了周邊沉積物儲層的機(jī)械強(qiáng)度。相反，如果天然氣水合物分解會釋放出游離氣和孔隙水，將會大大降低沉積物的地質(zhì)力學(xué)穩(wěn)定性。這種機(jī)械強(qiáng)度的下降是天然氣水合物造成許多地質(zhì)災(zāi)害問題的基本出發(fā)點。與天然氣水合物有關(guān)的海洋地質(zhì)災(zāi)害一般包括兩種。第一種是人為地質(zhì)災(zāi)害（operational geohazards），是由人類鉆采活動引發(fā)（圖5）。相較于大多數(shù)常規(guī)油氣藏，天然氣水合物發(fā)生在相對較淺的深度。鉆孔或鋪設(shè)海底管線等設(shè)施可能會加熱淺部儲層而使水合物分解，降低周邊沉積物的強(qiáng)度而導(dǎo)致海底位移（如滑坡）。第二種是完全來自地質(zhì)過程自然發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害。天然氣水合物的存在造成的最重要兩種類型地質(zhì)災(zāi)害是普遍存在的陸坡失穩(wěn)和甲烷氣滲出。雖然這兩個問題受到媒體的特別關(guān)注，但準(zhǔn)確的信息比較難以獲得，而且關(guān)于地質(zhì)條件對水合物形成、賦存和穩(wěn)定性的影響，人們的認(rèn)識還在不斷發(fā)展變化。

綜上所述，科學(xué)鉆探已經(jīng)為人類理解天然氣水合物的形成和賦存做出了卓越貢獻(xiàn)，并將繼續(xù)對增進(jìn)理解天然氣水合物的原位特性發(fā)揮重要作用。各種生產(chǎn)測試研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物造成的相應(yīng)風(fēng)險[19]（圖5）。然而，較長時期以及可能更難以控制的風(fēng)險是由于地層更深、溫度更高的持續(xù)流動流體引起的生產(chǎn)井周圍沉積物的融化和水合物分解以及沉積物中井眼失穩(wěn)的可能性[9]。對于人為地質(zhì)災(zāi)害極其缺乏定量化理解，因為普遍缺乏天然氣水合物系統(tǒng)的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗。對于直接開采天然氣水合物作為一種潛在的資源，相關(guān)的作業(yè)性地質(zhì)災(zāi)害的實際經(jīng)驗就更加缺乏。鑒于這些擔(dān)憂，一些行業(yè)項目主要集中在收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以識別和評估與人類活動引起的天然氣水合物相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害問題的可能范圍。例如，墨西哥灣天然氣水合物聯(lián)合產(chǎn)業(yè)項目成立于2001年，部分研究任務(wù)就是在水合物沉積層鉆井所帶來的有關(guān)危害。研究表明，與海域作業(yè)有關(guān)的淺層天然氣水合物的一些風(fēng)險是可以預(yù)見的，當(dāng)具備足夠的信息時也是可以避免的。但是，更多的是需要了解與各類性質(zhì)天然氣水合物有關(guān)的全部地質(zhì)災(zāi)害。

地質(zhì)災(zāi)害評估項目的鉆探部分還應(yīng)該包括一個全面的地質(zhì)和巖土工程勘察程序，我們可以采用井下測井、保壓取心等地質(zhì)力學(xué)方法來描述地下天然氣水合物儲層。其中，綜合測井?dāng)?shù)據(jù)和取芯數(shù)據(jù)可以描述天然氣水合物的賦存狀況和相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)在特征。重要的是，用于評價地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的科學(xué)鉆探活動必須全方位評估天然氣水合物的各種狀況，從天然海底冷泉到埋藏更深的裂縫充填和孔隙填充型水合物系統(tǒng)，其中可能圈閉了游離氣藏。此外，地質(zhì)力學(xué)鉆探計劃需要評估風(fēng)險的各種潛在因素。例如，能否設(shè)計科考鉆探井或者生產(chǎn)井鉆穿埋藏在海底以下數(shù)百米深的天然氣水合物儲層，以及能否設(shè)計成直接針對天然氣水合物來獲得科學(xué)理解和工程認(rèn)知的科學(xué)鉆探。

圖5 水合物鉆采風(fēng)險綜合模式分析[8]Fig. 5 Comprehensive analysis on risk models of gas hydrate drilling and dissociation[8]

5 結(jié) 語

從經(jīng)濟(jì)角度分析，天然氣水合物仍屬于未來新能源類型。據(jù)日本相關(guān)機(jī)構(gòu)推算，采用減壓法開發(fā)成本相當(dāng)于日本液化天然氣（LNG）進(jìn)口價格的2倍，但隨著規(guī)模擴(kuò)大及技術(shù)進(jìn)步，成本有望下降70%以上。美國能源部的資料也顯示，目前的天然氣水合物開采成本平均高達(dá)200 $/m3，相當(dāng)于每立方米天然氣的成本在1 $ 以上，遠(yuǎn)高于頁巖氣[20]。因此，本文認(rèn)為降低天然氣水合物開采成本有賴于儲層表征技術(shù)和工藝成熟程度。

在具體發(fā)展路線上，正如美國海洋領(lǐng)袖聯(lián)盟（COL）基于先前的工作而推薦的關(guān)鍵項目，利用所有可能的交流渠道來發(fā)布和分享經(jīng)鉆探活動證實的有關(guān)天然氣水合物在能源資源、地質(zhì)災(zāi)害和全球氣候變化等領(lǐng)域作用的數(shù)據(jù)和信息。同時，需要全球范圍地監(jiān)督天然氣水合物的科研活動并通過同行評議過程以及正確使用已發(fā)表的述評和辯駁材料來有效處理一些誤導(dǎo)性信息。科學(xué)鉆采目前尚需要在鉆探和檢測技術(shù)上取得新的關(guān)鍵性進(jìn)步。特殊的鉆探系統(tǒng)和技術(shù)，如保壓取心系統(tǒng)、井下測量工具、鉆具組合、先進(jìn)的電纜測井以及隨鉆測井技術(shù)，應(yīng)得到繼續(xù)的推進(jìn)和擴(kuò)展，方能適應(yīng)水合物開采的特殊環(huán)境。

科學(xué)鉆采活動和開采試驗將為我們?nèi)嫔羁汤斫馓烊粴馑衔锏奶匦砸约芭c能源資源、地質(zhì)災(zāi)害或全球氣候變化的關(guān)系做出巨大貢獻(xiàn)。其中主要涉及兩個問題：安全開采和有效開采。由于自然界中的天然氣水合物本身對環(huán)境安全存在諸多隱患，若放任其自然釋放不但會造成資源浪費恐更危及氣候問題。因此，“安全開采”這一新能源將有利于人類文明的發(fā)展。另一個是“有效開采”，水合物開采的經(jīng)濟(jì)成本必須建立在“安全開采”的基礎(chǔ)上，根據(jù)各類試采數(shù)據(jù)，優(yōu)選和優(yōu)化相關(guān)技術(shù)。環(huán)境安全問題一旦解決，再加以有效控制，天然氣水合物開采將成為現(xiàn)實可利用的綠色新能源。中國在這方面應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，提示世界情報的收集和處理能力。

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New Developments in Gas Hydrate Recovery Technology

WU Xi-shun1,2, ZHANG Bai-ren1,2, ZHANG Wei1,2, WANG Yan-dong3, SUN Zhang-tao1,2, SHAO Ming-juan1,2
(1. GEO-Documentation Center, China Geological Survey, Beijing 510640, China； 2. China Geological Library, Beijing 100083, China；3. Chinese Academy of Land and Resource Economics, Hebei Langfang 065201)

This paper analyzed the drilling technology and the latest developments of gas hydrate recovery and classified six kinds of recovery methods and three kinds of key technologies of gas hydrate. In view of environmental risk factors, the latest research results at home and abroad were took into account to analyze the risk mechanism and integrated risk model of gas hydrate drilling. The economic and social value of gas hydrate as a new kind of energy for challenges and opportunities were described. The authors argued that the social value still depends on the capacity and level of the industry in communicating new knowledge with the public, including to comprehensively learn the features of gas hydrate and relationship with energy resources, ecosystem and environment, geohazards, and global climate changing. This paper finally concluded with “safely utilization” and “effective utilization” as two core issues of gas hydrate.

gas hydrate； drilling technology； key technology； environmental impacts

TK0；P67

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.03.010

2095-560X（2015）03-0218-08

吳西順（1975-），男，博士，副研究員，研究方向為礦產(chǎn)資源潛力評價、非常規(guī)能源、海洋地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域。

2015-01-02

2015-03-26

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價專項項目（1212011220914）；國家海洋地質(zhì)信息服務(wù)體系建設(shè)項目（GZH201500211）

? 通信作者：吳西順，E-mail：wuxishun2010@163.com.