張 煒， 邵明娟， 田黔寧

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)圖書館，北京 100083)

日本海域天然氣水合物開發(fā)技術(shù)進(jìn)展

張 煒1,2， 邵明娟1,2， 田黔寧1,2

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)圖書館，北京 100083)

為了深入了解日本在海域天然氣水合物試采過程中獲得的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，給我國(guó)天然氣水合物的開發(fā)提供借鑒和參考，系統(tǒng)介紹了日本第二次海域天然氣水合物試采過程，并對(duì)日本2次試采技術(shù)和存在的問題進(jìn)行了比較分析，歸納和總結(jié)了日本在天然氣水合物試采方面的主要技術(shù)進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，日本在2次天然氣水合物試采過程中均遇到了出砂等技術(shù)問題，在鉆井完井、防砂、人工舉升、監(jiān)測(cè)和原位測(cè)試等技術(shù)方面仍存在顯著不足。結(jié)合日本在海域天然氣水合物開發(fā)技術(shù)上取得的進(jìn)步和不足，提出了統(tǒng)一協(xié)調(diào)研發(fā)工作、形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的開發(fā)設(shè)備體系和建立具有針對(duì)性的勘查與試采規(guī)范等建議。

非常規(guī)能源；天然氣水合物；試采技術(shù)；日本

天然氣水合物的研究歷程主要可以分為4個(gè)階段：第一階段是始于19世紀(jì)初的實(shí)驗(yàn)室合成研究階段，第二階段是始于20世紀(jì)30年代的管道及相關(guān)設(shè)備防堵塞研究階段，第三階段是始于20世紀(jì)60年代的自然界中天然氣水合物賦存證實(shí)階段，第四階段是始于20世紀(jì)90年代的天然氣水合物資源勘查與試采階段[1]。其中，天然氣水合物試采的目的主要是發(fā)展相關(guān)科學(xué)理論、完善相關(guān)技術(shù)方法和積累相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，以最終實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。天然氣水合物試采涉及鉆探技術(shù)、完井技術(shù)、防砂技術(shù)、人工舉升技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)和原位測(cè)試技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，盡管很多技術(shù)可利用或借鑒常規(guī)油氣開采技術(shù)，但需要根據(jù)天然氣水合物的自身特性及其所賦存儲(chǔ)層的特性進(jìn)行改進(jìn)或重新研發(fā)[2]。截至目前，僅有日本和中國(guó)實(shí)施了海域天然氣水合物試采，其中中國(guó)于2017年3月底至7月底在南海神狐海域進(jìn)行了首次試采，在產(chǎn)氣時(shí)長(zhǎng)和總產(chǎn)氣量等方面優(yōu)于日本的2次試采。盡管如此，由于日本在天然氣水合物試采相關(guān)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用方面起步較早，具有較豐富的成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)，因此，筆者對(duì)日本天然氣水合物試采技術(shù)及存在的問題進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的總結(jié)分析，以期為我國(guó)天然氣水合物的開發(fā)提供借鑒和參考。

1 《日本天然氣水合物開發(fā)計(jì)劃》概況

日本周邊海域蘊(yùn)藏有大量的天然氣水合物，而天然氣水合物作為今后的清潔能源備受關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣水合物資源的開發(fā)利用，日本積極推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，尋求更為經(jīng)濟(jì)的鉆探和開采方式，確保長(zhǎng)期和穩(wěn)定的能源供給[3]，并制定了《日本天然氣水合物開發(fā)計(jì)劃》，具體目標(biāo)為[3-4]：1)明確日本周邊海域內(nèi)天然氣水合物的賦存情況和特性；2)推測(cè)賦存有天然氣水合物的海域里甲烷氣體的資源量；3)在海域中選擇具有開發(fā)前景的天然氣水合物資源區(qū)域，并對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)；4)在選定的天然氣水合物資源區(qū)域進(jìn)行試采；5)開發(fā)相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采；6)確立開發(fā)體系，注意環(huán)境保護(hù)。

為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，設(shè)定了3個(gè)階段，依次推進(jìn)研發(fā)，各階段的主要目標(biāo)為[3-4]：1)第一階段(2001—2008財(cái)年)，推進(jìn)基礎(chǔ)研究(勘探技術(shù)等)，選擇資源區(qū)域作為海域試采的對(duì)象，通過陸上試采的實(shí)施進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證等；2)第二階段(2009—2015財(cái)年)，推進(jìn)基礎(chǔ)研究(生產(chǎn)技術(shù)等)，在日本近海區(qū)域?qū)嵤┖Ｉ显嚥傻龋?)第三階段(2016—2018財(cái)年)，開發(fā)相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采，開展經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和環(huán)境影響評(píng)價(jià)等。

2 日本第二次海域天然氣水合物試采的部署與實(shí)施進(jìn)展

在第一次海域試采中，對(duì)海底下部的天然氣水合物進(jìn)行了6 d的連續(xù)生產(chǎn)，并取得了如下成果：1)驗(yàn)證了海域天然氣水合物開發(fā)的可能性；2)明確了由于出砂導(dǎo)致不能繼續(xù)生產(chǎn)和其他在進(jìn)行長(zhǎng)期生產(chǎn)中可能面臨的問題。第二次海域試采的主要目的是針對(duì)第一次海域試采中明確的技術(shù)問題(出砂、井下氣水分離和長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)等)制定解決方案，在實(shí)際場(chǎng)地驗(yàn)證解決方案的有效性，并通過驗(yàn)證工作獲取長(zhǎng)期試采和未來商業(yè)化所需的儲(chǔ)層響應(yīng)數(shù)據(jù)[5]。

第二次海域試采由日本石油、天然氣和金屬礦產(chǎn)資源機(jī)構(gòu)(JOGMEC)負(fù)責(zé)整體監(jiān)督管理，分別委托Schlumberger公司和Aker Solution公司負(fù)責(zé)井下設(shè)備和修井立管的設(shè)計(jì)、制造和作業(yè)等工作，Bake Hughes公司負(fù)責(zé)防砂裝置的設(shè)計(jì)和制造，Schlumberger公司負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)井測(cè)量設(shè)備的開發(fā)[6]。截至目前，第二次天然氣水合物試采的總體情況為：2016年5月9日至6月13日，利用“地球號(hào)”深海鉆探船鉆探完成了1口地質(zhì)調(diào)查井、2口監(jiān)測(cè)井和2口生產(chǎn)井；2017年4月7日，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(METI)宣布“地球號(hào)”從清水港出發(fā)駛往第二渥美海丘開始進(jìn)行第二次海域試采的準(zhǔn)備工作[7]，宣告日本啟動(dòng)新一次海域試采，預(yù)期穩(wěn)定生產(chǎn)約一個(gè)月[5,8]；2017年5月4日，開始從水深1 000.00 m的海底下部350.00 m的含天然氣水合物儲(chǔ)層中產(chǎn)氣[9]。2017年5月15日，由于大量地層砂進(jìn)入第一口生產(chǎn)井內(nèi)，決定臨時(shí)中斷產(chǎn)氣試驗(yàn)，在為期12 d的產(chǎn)氣試驗(yàn)中產(chǎn)氣量3.5×104m3[10]。2017年6月6日，METI宣布完成第二口生產(chǎn)井的切換作業(yè)，并于6月5日確認(rèn)產(chǎn)氣，計(jì)劃連續(xù)產(chǎn)氣至6月下旬[11]。

3 2次海域試采技術(shù)對(duì)比分析

相較于第一次海域試采，第二次海域試采主要在站位選擇、井位部署、生產(chǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、井下設(shè)備、修井立管系統(tǒng)、防砂裝置、降壓生產(chǎn)過程、監(jiān)測(cè)等方面有所不同，下面介紹具體實(shí)施情況。

3.1站位選擇

第二次試采的目的之一是驗(yàn)證第一次試采中遇到的技術(shù)問題的解決措施，所以選擇了與第一次試采的實(shí)施站位和條件相近的場(chǎng)地(第二渥美海丘附近)[6]，并根據(jù)前期地質(zhì)調(diào)查井所獲隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的評(píng)估結(jié)果，考慮預(yù)期的產(chǎn)氣層段、薄互層單元的厚度以及頂面與側(cè)向密封能力等因素，最終從距離渥美半島西南約80km海域的2處候選場(chǎng)地(場(chǎng)地1和場(chǎng)地2)中選擇場(chǎng)地2作為試采場(chǎng)地，該場(chǎng)地在第一次試采站位東南約100m處[5,12-13]。

3.2井位部署

計(jì)劃部署1口地質(zhì)調(diào)查井、2口監(jiān)測(cè)井和2口生產(chǎn)井，其中2口生產(chǎn)井配備有不同防砂裝置交替產(chǎn)氣，在發(fā)生故障時(shí)可通過切換井來繼續(xù)實(shí)施試采[6]。

2016年5月9日至6月13日鉆探完成1口地質(zhì)調(diào)查井、2口監(jiān)測(cè)井和2口生產(chǎn)井(僅鉆至含天然氣水合物沉積層上部)，計(jì)劃在2017年完成2口生產(chǎn)井儲(chǔ)層井段的鉆井施工，并在完井后進(jìn)行試采[5]。

在前期鉆探中，利用地質(zhì)調(diào)查井隨鉆測(cè)井(LWD)資料確定了最終試采場(chǎng)地的天然氣水合物富集帶和含水層等地層的地質(zhì)情況；監(jiān)測(cè)井中安裝了溫度和壓力傳感器，在井口安裝了輸出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)備，2口監(jiān)測(cè)井中的1口井鉆穿天然氣水合物富集帶，另外1口井鉆進(jìn)富集帶即停鉆；2口生產(chǎn)井均鉆至天然氣水合物富集帶正上方，待2017年進(jìn)行產(chǎn)氣層段鉆探、固井和防砂裝置安裝等作業(yè)[5]。

3.3生產(chǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在第一次試采中，不管出于緊急情況還是事先計(jì)劃，當(dāng)處于斷開狀態(tài)時(shí)，都沒有設(shè)計(jì)留在井下的設(shè)備，因此無法重新進(jìn)行連接。由于當(dāng)時(shí)沒有可靠的插拔連接器，所以要收回全部的井下設(shè)備并重新連接電纜，然后再重新下水，因此最少需要10d左右的作業(yè)時(shí)間；另外，在使用帶防噴器的管道切斷裝置時(shí)，很難預(yù)測(cè)回收作業(yè)所需要的時(shí)間。因此，根據(jù)實(shí)際設(shè)備情況，在給定的預(yù)算及作業(yè)時(shí)間內(nèi)，不可能重新進(jìn)行試采[6]。

第二次試采時(shí)采用與第一次試采相同的帶動(dòng)力定位系統(tǒng)的鉆探船。為了降低緊急切斷及計(jì)劃斷開的概率，對(duì)包括井下設(shè)備和修井立管系統(tǒng)的整個(gè)試采系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)[6]，即使出現(xiàn)計(jì)劃斷開的情況，也可以盡快恢復(fù)試采作業(yè)。

3.3.1井下設(shè)備

重新評(píng)估井下系統(tǒng)和套管結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，第一次試采中井下壓力難以控制的原因是井筒內(nèi)多處橫截面積變小，導(dǎo)致氣體和水的流速較快，無法實(shí)現(xiàn)更為有效的重力分離[5]。因此，第二次試采時(shí)設(shè)計(jì)了更可靠的氣水分離系統(tǒng)，在確保井下環(huán)空暢通的同時(shí)，提高氣水分離效率[5]；此外，簡(jiǎn)化了井下設(shè)備，以降低發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。與第一次試采相同，繼續(xù)利用電潛泵進(jìn)行井下降壓，并針對(duì)降壓控制問題，要求電潛泵在抽氣的同時(shí)也能抽水[5]。

3.3.2修井立管系統(tǒng)

第一次試采使用“地球號(hào)”深海鉆探船和防噴器，該鉆探船可鉆至海底以下幾千米的深度。然而，其質(zhì)量超過300t，下放和上提設(shè)備要花費(fèi)大量的時(shí)間(僅安裝環(huán)節(jié)就需要4d)，作業(yè)負(fù)荷較大，斷開、重新安裝以及切換作業(yè)非常困難[6]。因此，第二次試采時(shí)采用質(zhì)量較輕(約120t)、更便于重新安裝和切換作業(yè)和允許更大船偏距的修井立管系統(tǒng)，主要由立(套)管、緊急中斷套裝(EDP)和防噴裝置(WCP)等構(gòu)成(見圖1)[5-6]。其中，立管選擇壁厚最厚且強(qiáng)度最大的φ244.5mmAPIQ125套管作為生產(chǎn)管線，EDP和WCP作為防噴器可以中斷或緊急切斷作業(yè)(見圖2)[6]。

3.4防砂裝置

第一次試采作業(yè)時(shí)的生產(chǎn)井采取礫石充填防砂措施，但出現(xiàn)了出砂現(xiàn)象，導(dǎo)致第六天不得不終止試采，分析認(rèn)為礫石移動(dòng)損壞了篩網(wǎng)，導(dǎo)致出砂。因此，第二次試采決定采用不會(huì)發(fā)生礫石移動(dòng)以及使用了抗變形和腐蝕(磨損)的形狀記憶高分子材料的GeoFORM防砂系統(tǒng)，并加入了珠形金屬嵌入物[6]。2口生產(chǎn)井使用2種不同型號(hào)的GeoFORM防砂系統(tǒng)：一種是作業(yè)較簡(jiǎn)單、污染較小、不存在不膨脹風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)先膨脹GeoFORM防砂系統(tǒng)，但存在不能有效封堵的風(fēng)險(xiǎn)；另一種是能保證封堵效果的預(yù)先不膨脹GeoFORM防砂系統(tǒng)，但作業(yè)較復(fù)雜，污染較大，存在不能膨脹的風(fēng)險(xiǎn)[12]。

3.5降壓生產(chǎn)過程

第二次試采計(jì)劃首先在安裝了預(yù)先膨脹的GeoFORM防砂系統(tǒng)的生產(chǎn)井進(jìn)行試采，一旦試采情況不理想，就改用安裝了井下膨脹的GeoFORM防砂系統(tǒng)的生產(chǎn)井。為了降低生產(chǎn)井儲(chǔ)層周圍的流速和壓力梯度，采取分步降壓的方法。

3.6溫度壓力監(jiān)測(cè)

第二次試采對(duì)生產(chǎn)井進(jìn)行井下實(shí)時(shí)溫度壓力監(jiān)測(cè)，在井下安裝10個(gè)由Schlumberger公司開發(fā)的WellWatcherExtend傳感器，其中3個(gè)安裝在泵的周圍，監(jiān)測(cè)管道內(nèi)流體的溫度和壓力；7個(gè)安裝在產(chǎn)氣層段，測(cè)量不同深度的氣水比，并利用一對(duì)雙絞線纜傳輸數(shù)據(jù)[12]。

圖1 修井立管系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of workover riser system

圖2 用于修井作業(yè)的立管和防噴裝置Fig.2 Riser and blowout preventer used for workover operation

第一次試采時(shí)僅對(duì)監(jiān)測(cè)井進(jìn)行了溫度監(jiān)測(cè)，第二次試采時(shí)增加了壓力監(jiān)測(cè)，從試采前一年至試采后半年持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。井底到井口之間的所有層段都安裝分布式溫度傳感器(DTS)；只在天然氣水合物富集帶集中安裝具有多個(gè)傳感器的電阻溫度裝置(RTD)和具有多個(gè)壓力計(jì)的壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

此外，將對(duì)海底溶解甲烷濃度的變化以及海底變形實(shí)施環(huán)境監(jiān)測(cè)[14]。為了了解試采前后的地層物性變化情況，除利用生產(chǎn)井和監(jiān)測(cè)井進(jìn)行監(jiān)測(cè)和測(cè)量(溫度和壓力監(jiān)測(cè)、測(cè)井)外，還將利用海底電纜開展四分量地球物理監(jiān)測(cè)[5]。

4 結(jié)論與建議

1) 天然氣水合物開發(fā)是一項(xiàng)綜合性的、跨多學(xué)科的工作，涵蓋陸地和海洋，涉及基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用技術(shù)和工程技術(shù)，日本2次海域試采表明其目前仍然未形成可確保穩(wěn)定產(chǎn)氣的天然氣水合物開發(fā)技術(shù)體系。我國(guó)應(yīng)充分發(fā)揮政府機(jī)構(gòu)、企業(yè)、科研院所和高校的優(yōu)勢(shì)，協(xié)調(diào)一致開展天然氣水合物開發(fā)技術(shù)研究工作，搶占天然氣水合物開發(fā)技術(shù)的“制高點(diǎn)”。

2) 建議對(duì)日本2次海域試采中嚴(yán)重影響產(chǎn)氣的出砂問題開展針對(duì)性研究，通過室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)時(shí)觀察出砂現(xiàn)象并分析其出砂機(jī)制；開發(fā)數(shù)值模擬器預(yù)測(cè)和解釋出砂現(xiàn)象；研發(fā)松散地層的固化防砂技術(shù)，確保地層流體流動(dòng)性的同時(shí)提高地層強(qiáng)度。

3) 應(yīng)加強(qiáng)天然氣水合物相關(guān)技術(shù)設(shè)備與儀器的研發(fā)，形成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的天然氣水合物開發(fā)設(shè)備體系。

4) 為了規(guī)范我國(guó)的天然氣水合物勘查與開發(fā)，應(yīng)針對(duì)我國(guó)具體的天然氣水合物賦存特征和地質(zhì)條件，制定儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、資源量評(píng)價(jià)、場(chǎng)地(站位)優(yōu)選、鉆井完井和監(jiān)測(cè)等方面的勘查與試采流程。

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[編輯 滕春鳴]

TechnicalProgressofaPilotProjecttoProduceNaturalGasHydrateinJapaneseWaters

ZHANGWei1, 2,SHAOMingjuan1, 2,TIANQianning1, 2

(1.GeoscienceDocumentationCenter,ChinaGeologicalSurvey,Beijing,100083,China;2.NationalGeologicalLibraryofChina,Beijing,100083,China)

In order to fully rounded understanding experience and lessons gained during Japan’s offshore hydrate production tests and providing the necessary references for the hydrate research and development(R&D)in China,the paper systematically introduced Japan’s second offshore hydrate production test,compared and analyzed the technologies and problem of two production tests,and summarized the development of main production technologies in Japan.Research showed that technical problems such as sand production occurred in two production tests,and there were still significant deficiencies in several aspects, including drilling and completion,sand control,artificial lift,monitoring and in situ test.Combined with Japan’s progress and deficiencies in offshore gas hydrate development technologies,some suggestions were put forward,such as to closely coordinate R&D,to form a development device system with independent intellectual property rights,and to develop the specifications for exploration and pilot production tests.

unconventional energy;methane hydrate;pilot production technology;Japan

P618.13

A

1001-0890(2017)05-0098-05

10.11911/syztjs.201705017

2017-05-02；改回日期2017-09-04。

張煒(1981—)，男，黑龍江哈爾濱人，2004年獲東北林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)學(xué)士學(xué)位，2007年獲中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境科學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，2011年獲中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)水文學(xué)與水資源專業(yè)博士學(xué)位，高級(jí)工程師，主要從事地質(zhì)科技與資源戰(zhàn)略研究工作。E-mail：zhangwei@cgl.org.cn。

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局二級(jí)項(xiàng)目“地學(xué)情報(bào)綜合研究與產(chǎn)品研發(fā)”(編號(hào)：121201015000150002)部分研究?jī)?nèi)容。