左汝強(qiáng)， 李 藝

(1.國土資源部，北京 100812； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 3.《探礦工程(巖土鉆掘工程)》編輯部，北京 100037)

美國阿拉斯加北坡永凍帶天然氣水合物研究和成功試采

左汝強(qiáng)1， 李 藝2，3

(1.國土資源部，北京 100812； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 3.《探礦工程(巖土鉆掘工程)》編輯部，北京 100037)

阿拉斯加北坡(ANS)永凍帶蘊(yùn)藏著豐富的天然氣水合物資源，該地區(qū)是美國天然氣水合物研究開發(fā)的特定目標(biāo)之一。自1970’年代起，美國先后研發(fā)的PCB和PCS天然氣水合物保壓取心器應(yīng)用于DSDP、ODP、IODP和ANS。第一口旨在研究阿拉斯加天然氣水合物的熱冰1井于2004年初完成。該井雖然沒有鉆遇到水合物層位，但是許多新開發(fā)的技術(shù)，如北極鉆井平臺、移動式巖心實驗室、智慧鉆井等成功地獲得了應(yīng)用。艾爾伯特山1號研究井于2007年2月順利地鉆至914 m,全井取心率85%，并進(jìn)行了測井和運(yùn)用組合地層動態(tài)測量儀對井下壓力測試，完成了全部預(yù)期研究目標(biāo)。對“自然產(chǎn)生的”和由“油氣鉆采工業(yè)誘發(fā)的”與水合物相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了研究，后者主要分為3類，即穿越天然氣水合物鉆探、穿越天然氣水合物深部油氣開采及開采天然氣水合物的生產(chǎn)。對天然氣水合物，特別是運(yùn)用CO2-CH4置換法開采水合物的理論和實驗室的研究，在美國許多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和大學(xué)有成效地進(jìn)行了許多年。2012年5月,康菲公司與日本國家油氣與金屬公司(JOGMEC)以及美國能源部(DOE)合作，運(yùn)用CO2-CH4置換法，圓滿地完成了Ignik Sikumi #1井的天然氣水合物試采。在38天返排期間氣體生產(chǎn)的30天內(nèi)，累積生產(chǎn)甲烷氣體約28317 m3(100萬scf)。該項試采工程結(jié)果表明，CO2-CH4置換法是天然氣水合物開采重要而有效的方法之一，它可在較大程度上減少對環(huán)境的污染和破壞。

天然氣水合物；凍土帶；保壓取心鉆具；地質(zhì)災(zāi)害；天然氣水合物試采；CO2-CH4置換法；產(chǎn)氣率;累積產(chǎn)氣量;氣體返排;阿拉斯加北坡

0 引言

美國是世界上天然氣水合物(以下簡稱“水合物”)蘊(yùn)藏地域最廣、資源最豐富的國家之一，同時也是能源需求大國與全球科技強(qiáng)國。阿拉斯北坡(ANS，Alaska North Slope)加永凍帶蘊(yùn)藏著豐富的天然氣水合物資源。1983年，在美國能源部資助下，美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)和蘇聯(lián)地質(zhì)部聯(lián)合對阿拉斯加州已知水合物氣藏的資源潛能進(jìn)行了評價。2000年，ANS水合物被能源部列入六個由工業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)聯(lián)合研發(fā)的項目之中[1]。之后，又作為特定的水合物的調(diào)查與開發(fā)目標(biāo)之一。2004年，在美國能源部組織領(lǐng)導(dǎo)下，實施了阿拉斯加第一口水合物調(diào)查研究井——熱冰 1井。2007年，又在阿拉斯加北坡鉆探了艾爾伯特山1號水合物探井。與此同時，美國在天然氣水合物保壓取心鉆具、水合物相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害等方面開展了大量的研究；在開采理論方面，從微觀到宏觀多尺度對天然水合物儲層及其特性進(jìn)行了理論和實驗研究。在對CO2-CH4置換法進(jìn)行大量深入室內(nèi)實驗的基礎(chǔ)上，于2012年，在阿拉斯加 Ignik Sikumi#1井,運(yùn)用CO2-CH4置換法成功地完成了水合物的第一次試采工程。這是繼2008年加拿大Mallik天然氣水合物采用降壓法試采成功[2]之后，美國運(yùn)用創(chuàng)新的CO2-CH4置換法實施水合物試采的工程項目。

1 美國天然氣水合物保壓取心鉆具的研發(fā)和應(yīng)用

水合物保壓取心技術(shù)是水合物勘查技術(shù)體系中最重要的部分，對天然氣水合物的賦存狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)查評價，對于水合物試采生產(chǎn)井井位的選擇，以及對生產(chǎn)井內(nèi)開采儲層井段位置的確定，都起著決定性的作用。

水合物賦存于海底深部和陸域永凍層中，在低溫(0～10 ℃)及高壓(大于10 MPa)的條件下形成。在水合物鉆探中，為取得高保真水合物樣品，必須采用保壓取心器，若附帶保溫功能則更佳。美國從1973年起，先后研發(fā)并應(yīng)用了兩種水合物保壓取心裝置：PCB保壓取心器和PCS保壓取心系統(tǒng)。

1.1 PCB保壓取心器(Pressure Core Barrel)[3]

1973年研發(fā)出PCBⅠ型保壓取心器,于深海鉆探計劃(DSDP)及黑海進(jìn)行了試驗。此后又先后研發(fā)出PCBⅡ和PCBⅢ型。PCBⅢ型保壓取心器簡要結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 PCBⅢ型保壓取心器結(jié)構(gòu)示意圖(應(yīng)用于DSDP)

其保壓取心過程如下：當(dāng)鉆頭進(jìn)入水合物儲層后，通過鎖緊于鉆具的球閥中央圓孔，水合物巖心進(jìn)入巖心管(左圖)；當(dāng)巖心管裝滿巖心后，借助沖洗液壓力通過拉桿拉動球閥兩側(cè)的偏心軸，轉(zhuǎn)動球閥，使球閥關(guān)閉(右圖)，且球閥組合件與鉆具脫離，用繩索取心裝置提上保壓巖心樣品。圖2為PCBⅡ型保壓取心器球閥組合件部分結(jié)構(gòu)。PCB的蓄能器是用于補(bǔ)償球閥關(guān)閉時產(chǎn)生的體積變化，以及向上提升保壓取心器過程中內(nèi)外壓差增大時，引起樣品流體(分解出的甲烷氣和水等)向外滲漏泄壓。

圖2 PCBⅡ型保壓取心器球閥組合件部分結(jié)構(gòu)[3]

PCB三種型號從1973—1980年約8年時間，先在DSDP的44、47、62等航次進(jìn)行海試，因故障頻出，效果甚差。直到1980年，PCBⅢ型在DSDP 76航次533站位應(yīng)用時，才獲得第一次基本成功。在該站位水深3184 m,海底深度152～399 m的沉積物中下井試驗5次。其中3次采取到原位壓力(27.5～32.3 MPa)的巖心；第2次取到巖心但幾乎無壓；第4次因減壓閥堵塞，取上巖心壓力只有10.3 MPa。這次PCBⅢ型保圧取心器保壓取心成功率為60%。此后，PCBⅢ型取心器還在DSDP 84和96航次中運(yùn)用過。

1.2 PCS保壓取心系統(tǒng)(Pressure Core System)[4]

自1985年啟動的大洋鉆探計劃(ODP)研發(fā)了PCS保壓取心系統(tǒng)(圖 3)。

圖3 PCS保壓取心系統(tǒng)(應(yīng)用于ODP、IODP)

通過簡化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計、提高性能，PCS保壓取心系統(tǒng)對PCB的改進(jìn)提高主要有以下幾個方面。

(1)PCB每個回次下井取樣提上退出巖心后，需將球閥組合件等內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆卸、清洗、調(diào)整，需2～5 h;而PCS清理、調(diào)整則非常簡便。

(2)PCB保壓性能指標(biāo)不大于35 MPa；PCS提高至70 MPa(實際也未能達(dá)到)。

(3)PCB同一回次能取幾段巖心，可取巖心長度6 m，巖心直徑57.8 mm,但多出故障；PCS改為每回次只取一段巖心，長度86 cm，巖心直徑42 mm,提高了工作可靠性。

(4)PCB只能與回轉(zhuǎn)取心器(RCB)井底組合聯(lián)合使用;PCS則可和更多類型的取心器，如超前式取心器(APC)、伸縮式取心器(XCB)井底組合聯(lián)合使用，擴(kuò)展了功能等。

ODP 164航次(1995年)在美國布萊克海嶺，運(yùn)用PCS保壓取心系統(tǒng)取出的保壓水合物樣品見圖4[5]。該巖心樣品尺寸約為?50 mm×140 mm，表層糊有薄層鄰近的灰色粘土漿泥，其上白色斑點為水合物分解后形成氣泡的反光。此后，PCS取心系統(tǒng)曾應(yīng)用于ODP 124、139、141、146等航次。2005年，在綜合大洋鉆探計劃IODP 311航次中，運(yùn)用了PCS保壓取心系統(tǒng)。歐盟于2000年研發(fā)成功的FPC高壓沖擊取樣器和HRC高壓回轉(zhuǎn)取心器，也在該航次中對水合物進(jìn)行多次保壓取樣。筆者對PCS、FPC、HRC三種保壓取心器在IODP 311航次中共計43次下井取心原始記錄[6]統(tǒng)計分析，應(yīng)用效果列于表1。由表1可見，3種保壓取心器的保壓取心成功率依次為67%、22%和40%。

圖4 ODP 164航次在美國布萊克海嶺運(yùn)用PCS取出的水合物樣品

取樣器取心次數(shù)取心成功次數(shù)取心成功率/%保壓成功次數(shù)保壓成功率/%PCS2420831667FPC9777222HRC10660440總計433376.7(平均)2251.2(平均)

2012年6月，日本深部地球勘查中心(CDEX)研發(fā)的第三代 Hybrid PCS保壓取樣器，在南海海槽5次下井取樣試驗[7]。其中2次保壓取心失敗，此次海試，保壓取樣成功率也只有60%。

由上可見，美國PCS保壓取心系統(tǒng)與歐盟兩種、日本一種水合物保壓取心器相比，其總體技術(shù)性能(可靠性、保壓指標(biāo))略為高些。PCS保壓取心系統(tǒng)除在ODP和IODP許多水合物勘查航次中運(yùn)用外，還在美國“國家水合物研究開發(fā)計劃”項目四大海域，以及阿拉斯加永凍帶水合物的勘查和試采中廣泛應(yīng)用。

1.3 美國運(yùn)輸部(ODT)批準(zhǔn)的運(yùn)輸用水合物保壓巖心壓力容器

1.3.1 用途

該運(yùn)輸用保壓巖心壓力容器[8]由德克薩斯農(nóng)業(yè)與機(jī)械大學(xué)研發(fā)(圖5)，提供ODP(特別是204水合物調(diào)查航次)，用于將“決心號”鉆探船在海域提取的完整水合物保壓巖心予以保存，盡量保持其原位壓力、溫度、結(jié)構(gòu)和外形等，借助該壓力容器，能夠?qū)r心保壓地轉(zhuǎn)運(yùn)到陸上遠(yuǎn)處的專業(yè)實驗室。

1.3.2 技術(shù)參數(shù)

圖5 美國運(yùn)輸部批準(zhǔn)的運(yùn)輸用水合物保壓巖心壓力容器

2 2003—2004年阿拉斯加北坡第一口水合物研究井 ——熱冰 1井項目實施[9]

2.1 熱冰 1井(Hot Ice #1 well)的目標(biāo)任務(wù)

(1)研究評價該地區(qū)水合物的形成與賦存，確定水合物儲層潛在的可采收天然氣量與可能的生產(chǎn)率。

(2)對研發(fā)的永凍帶水合物的鉆探和取樣設(shè)備、器具以及技術(shù)、方法進(jìn)行試驗。

2.2 項目參加機(jī)構(gòu)

參加項目的機(jī)構(gòu)有：美國能源部(US DOE)國家能源技術(shù)實驗室(NETL, National Energy Technology Laboratory)；Maurer Technology Inc.，Noble鉆井公司分公司；阿納達(dá)科石油公司(Anadarko Petroleum Corporation)；Noble工程和開發(fā)公司，Noble鉆井公司分公司；阿拉斯加大學(xué)安克雷奇分校(University of Alaska, Anchorage)；美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)；勞倫斯-伯克利國家實驗室(LBNL, Lawrence Berkeley National Laboratory)；Schulumberger公司；包爾森地球物理公司(Paulsson Geophysical Services)。

2.3 熱冰 1井位置與設(shè)計井深

熱冰1井位置距Kuparuk河油田中心以南20英里(1英里=1.609 km，下同)，普拉德霍灣40英里。計劃完井深度792 m(2600 ft)。

2.4 北極鉆井平臺(Arctic Drilling Plaform)的設(shè)計應(yīng)用

鑒于在北極地區(qū)鉆探作業(yè)的時間受限，只能在地表牢固凍結(jié)期間的12月至次年4月內(nèi)進(jìn)行，為此專門設(shè)計了北極鉆井平臺(圖6)。

圖6 北極鉆井平臺(Anadarco公司提供)

2.4.1 北極鉆井平臺的結(jié)構(gòu)

由16個輕質(zhì)鋁合金模塊固定在一起。每個模塊安裝在凍結(jié)于地表凍土層的鋼腿上。另外5個相互聯(lián)接牢固的模塊形成一個平臺，作為鉆探設(shè)備的基礎(chǔ)，鋼腿支撐鉆井平臺距地面3.66 m(12 ft)。

北極鉆井平臺的兩個部分具有足夠大的面積，可容納鉆機(jī)、泥漿泵、現(xiàn)場巖心分析實驗室與其它附屬設(shè)施，以及40名技術(shù)和操作人員的生活區(qū)。

2.4.2 北極鉆井平臺的優(yōu)點

這種設(shè)計的優(yōu)點是盡量減少對生態(tài)敏感的北極地區(qū)環(huán)境的影響，并可以延長鉆探施工作業(yè)的時間。(1)鉆探設(shè)備四周保證足夠的空氣流通循環(huán)；(2)夏季陽光可照射到鉆井平臺之下永凍土的草地，保護(hù)環(huán)境；(3)鋼腿相對細(xì)而短，所插入的孔洞易于回填，對地面擾動很??；(4)鉆井平臺無需在地面建造臨時冰墊，也不需要大的卵礫石鋪墊鉆探設(shè)備基礎(chǔ)，免于對地表環(huán)境破壞。

2.5 鉆進(jìn)、取心與測井

2.5.1 鉆進(jìn)過程

采用DynaTec 1500型礦山鉆機(jī)，能鉆進(jìn)硬巖，且體積小適于安裝于北極鉆井平臺上。

熱冰 1井于2003年3月31日開孔，在4月第一周內(nèi)順利鉆進(jìn)。運(yùn)用-5 ℃(23 ℉)的低溫沖洗液，防止巖心融化分解。于4月中旬鉆穿永凍層底界到427 m深度，后遭遇非季節(jié)性北極地區(qū)氣溫升高，試驗井于4月21日停鉆。

在停鉆期間，進(jìn)行了兩項工作：一項是分析研究采取的巖心和測井?dāng)?shù)據(jù)；另一項是試驗北極鉆井平臺。

2004年初繼續(xù)向下部鉆進(jìn)，于681.3和683.8 m出現(xiàn)輕微重油顯示。至2004年2月7日鉆至設(shè)計終孔深度792 m,其中鉆至地質(zhì)上推測的水合物儲層下界約100 m，但未直接鉆到水合物儲層。

2.5.2 取心

對熱冰1井全井連續(xù)取心，運(yùn)用繩索取心系統(tǒng)快速取心。2003年4月鉆進(jìn)上部含冰永凍帶至427 m，巖心采取率約95%。2004年鉆進(jìn)下部未凍結(jié)的松散沉積物(428～701 m),巖心采取率達(dá)到94.5%。在取心過程中，運(yùn)用Sandia國家實驗室提供的儀器監(jiān)測井下靜水壓力和泥漿溫度。

2.5.3 測井

在鉆進(jìn)過程中，運(yùn)用新型與傳統(tǒng)測井儀器相結(jié)合，以測量熱冰 1井中儲層的孔隙度和水飽和度等數(shù)據(jù)，以確定天然氣水合物的性質(zhì)。

2.6 移動式巖心測試實驗室及現(xiàn)場分析

移動式巖心測試實驗室安裝于鉆井平臺上，靠近鉆機(jī)和孔口。對采取于水合物儲層的巖心分析測試有兩種方式。

2.6.1 整段(6 in)(1 in=25.4 mm，下同)巖心測試

整段巖心放置于 -5 ℃的組合裝置中測試，包括伽馬射線、白光攝像、IR溫度和速度測量。Schulumberger公司提供CMR儀器用于核磁共振測量。地質(zhì)描述也是將巖心置于冷槽中進(jìn)行。

2.6.2 1 in巖心測試

取新鮮、清潔、干燥的巖樣，在限定的應(yīng)力條件下，測量孔隙度和滲透性、電阻率與熱導(dǎo)性。

配備一個限定應(yīng)力、溫度和壓力受控制的巖心核磁共振系統(tǒng)，對水合物(巖心)不同的分解階段作核磁共振測量。收集水合物分解出的氣體，按不同時間分解的體積，計算出水合物分解的速率。運(yùn)用四極物質(zhì)分析儀測試水合物分解出的氣體成分。將所有巖心的測量數(shù)據(jù)存儲于計算數(shù)據(jù)庫中，以備將來使用。

2.6.3 輕便高分辨率X射線CT掃描儀

X射線CT掃描儀運(yùn)用于巖心測量，能夠獲得對礦物成分、地層結(jié)構(gòu)等更為精細(xì)的認(rèn)識。此前美國水合物調(diào)查都是將巖心送到醫(yī)院的人體CT掃描儀去測試(印度雇用“決心號”鉆探船海域水合物取樣，也是將水合物巖心送到新德里大醫(yī)院去作CT掃描)。這不但麻煩費(fèi)時，更重要的是水合物保壓樣品經(jīng)長途運(yùn)送，到醫(yī)院測試時早已失去其原位性質(zhì)和形態(tài)。為此，美國勞倫斯-伯克利國家實驗室(LBNL)在國家能源技術(shù)實驗室(NETL)的支持下，研發(fā)了輕便式X射線CT掃描儀。

(1)輕便式X射線CT掃描儀的頻繁運(yùn)用[10]。

該輕便式X射線CT掃描儀因質(zhì)量輕(比醫(yī)用儀器減少80%質(zhì)量)，體積小(約相當(dāng)于家用冰箱尺寸)，圖像分辨率高等優(yōu)點，研發(fā)成功后，隨即安裝于“決心號”鉆探船內(nèi)(圖7)，參加2002年下半年的ODP 204航次(美國西北海域)任務(wù)。回來后就安裝至移動式巖心測試實驗室中，運(yùn)往阿拉斯加北坡熱冰1井試驗現(xiàn)場，執(zhí)行2003年試驗測試任務(wù)。至同年秋天，此CT掃描儀又再登“決心號”鉆探船，執(zhí)行ODP最后210航次(加拿大東南海域)測試任務(wù)。然后又返回阿拉斯加熱冰 1井，繼續(xù)執(zhí)行熱冰1井下半部井段巖心測試任務(wù)。

圖7 用于水合物測試的輕便式X射線CT掃描儀

用該輕便式X射線CT掃描儀對阿拉斯加熱冰1井全部390段巖心中的1/2進(jìn)行了CT掃描。圖8為熱冰 1井中深度210.9 m(693.5 ft)一段巖心運(yùn)用CT掃描儀的掃描圖像。左右兩幅試樣圖像是成垂直正交的巖心薄片，揭示了該地層沉積環(huán)境、砂巖層理以及水合物冰狀透鏡體等。右側(cè)曲線圖顯示了水合物冰狀透鏡體比周圍細(xì)砂巖密度低，約為1.3 g/cm3。

(2)輕便式X射線CT掃描儀的主要技術(shù)參數(shù)。

質(zhì)量：200 kg;外形尺寸:1.37 m×0.61 m×2.03 m;測量最大巖心尺寸:?15 mm×95 mm;測量方式：沿巖心軸線旋轉(zhuǎn)；成像速度：A, 10 min/m(低分辯率模式)，B, 30 min/m(高分辯率模式)；電源：65 W,45～130 kV, 0.5 mA。

圖8 熱冰1井中一段巖心運(yùn)用輕便式X射線CT掃描儀的圖像

2.7 智慧鉆井(Smart Dilling)系統(tǒng)

運(yùn)用Noble工程和開發(fā)公司(Noble Engineering and Development Corporation)的DrillSmart(鉆進(jìn)智慧)和DrillGraph(鉆探作圖)技術(shù)，將從鉆井施工現(xiàn)場各個傳感器采集到的數(shù)據(jù)，傳送到網(wǎng)絡(luò)上，以及遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場的休斯敦等地該項目各參加機(jī)構(gòu)。

2.8 Rolligon高寒地域大型通用地形運(yùn)輸車

Rolligon通用地形運(yùn)輸車(圖9)配置了大型圓筒狀輪胎，可防止在凍土層或冰面道路面上打滑或下陷，且能夠快速行駛。運(yùn)用此載重卡車可將鉆井平臺模塊與鉆探器材等運(yùn)送到熱冰1試驗工地。鉆井平臺也可用直升飛機(jī)運(yùn)輸。

圖9 Rolligon高寒地域大型通用地形運(yùn)輸車

2.9 熱冰1井水合物試驗項目的評價

熱冰1井雖然沒有直接鉆遇到水合物儲層，但是通過鉆探、取心、測井與測試分析，獲得了對該地區(qū)水合物形成與賦存的進(jìn)一步認(rèn)識，對于確定水合物儲層潛在的可采收天然氣量與可能的生產(chǎn)率取得了大量數(shù)據(jù)。另一方面，對所研發(fā)用于永凍帶水合物鉆探和取樣的優(yōu)良鉆探設(shè)備(如北極鉆井平臺)、儀器(如輕便式X射線CT掃描儀)以及相關(guān)技術(shù)、方法進(jìn)行了試驗應(yīng)用。

3 2007年艾爾伯特山1井(Mount Albert #1)水合物試采項目實施[11]

3.1 艾爾伯特山1井任務(wù)目標(biāo)

該研究項目預(yù)算420萬美元，目標(biāo)是準(zhǔn)確的提供地層水合物儲量數(shù)據(jù)，以便為長期生產(chǎn)測試作出決定。工程期限22天，實施鉆進(jìn)、取心、測井及孔內(nèi)測試等工作。

3.2 項目參加機(jī)構(gòu)

BP勘探阿拉斯加公司(BPXA,施工單位)、美國能源部、USGS、ASRC工程服務(wù)公司、俄勒崗州立大學(xué)、RPS-APA能源公司、Ryder Scott公司及Interpretation服務(wù)公司等。

3.3 鉆探、取心、測井

選用Doyon 14型鉆機(jī)。2007年2月3日開鉆，18日完成。開孔12in；后下9in表層套管；采用低溫油基泥漿鉆進(jìn)；連續(xù)取心至760 m；取心后擴(kuò)孔，并鉆進(jìn)到914 m(3000 ft)。

電纜測井：核磁共振、雙極聲波、電阻率掃描、裸井電子成像，以及先進(jìn)的地球化學(xué)測井等。運(yùn)用組合式地層動態(tài)測試儀(MDT)(13 h)獲儲層壓力響應(yīng)數(shù)據(jù)。

運(yùn)用Reed Hycalog繩索取心鉆具，連續(xù)取心至760 m深度。在155 m厚含水合物細(xì)砂巖、含水頁巖等地層中巖心采取率達(dá)85%，巖心直徑76 mm。巖心在現(xiàn)場處理，分樣及保存250個子樣品，進(jìn)行巖石學(xué)、地球化學(xué)、微生物學(xué)及熱力學(xué)等測試分析。并在液氮中，或充有甲烷的壓力容器中儲存11個樣品，以便將來研究。

3.4 科學(xué)與工程成果

3.4.1 科學(xué)成果

鉆穿兩個水平水合物儲層：D單元14 m厚和C單元16 m厚，兩層水合物飽和度為60%～75%。

3.4.2 工程技術(shù)成果

艾爾伯特山1井為優(yōu)質(zhì)鉆孔，主要取得如下工程技術(shù)成果：

(1)首次運(yùn)用組合動態(tài)地層測量儀(MDT)進(jìn)行降壓裸井測試；

(2)首次運(yùn)用繩索取心技術(shù)，取心率達(dá)85%；

(3)采用由M-ISWACO提供的礦物配制的低溫泥漿。

3.5 艾爾伯特山1井水合物試采項目評價

該項目實施證明，由USGS組織、研發(fā)應(yīng)用的水合物勘探方法、技術(shù)是有效的。此次鉆井試驗是天然氣水合物科學(xué)調(diào)查的一大進(jìn)步。

4 美國和加拿大對油氣鉆采與天然氣水合物相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的研究

美國阿拉斯加北坡與加拿大麥肯齊三角洲Mallik都位于北極圈內(nèi)，于北冰洋波弗特海岸邊，而且彼此相距不遠(yuǎn)。在這片廣闊的永凍帶與相鄰海域的大陸架都蘊(yùn)藏著豐富的水合物礦藏。從21世紀(jì)初開始，兩國都先后啟動了加強(qiáng)陸海水合物調(diào)查，并首先在陸上永凍帶試采天然氣水合物[2]。但是，無論是在陸地岸邊或是海域大陸架，開采水合物與深部常規(guī)油氣，都面臨著由于鉆采活動誘發(fā)水合物分解導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。

水合物引起地質(zhì)災(zāi)害可分為兩個方面，即“自然產(chǎn)生的”地質(zhì)災(zāi)害和“油氣工業(yè)誘發(fā)的”地質(zhì)災(zāi)害。

4.1 “自然產(chǎn)生的”地質(zhì)災(zāi)害

海底滑坡和塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，在過去通常被認(rèn)為是由于地震、火山爆發(fā)、風(fēng)暴波和沉積物快速堆積，以及海底坡體過陡等自然因素引發(fā)的。但是近年來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，海床及其下部水合物的分解是引起海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的另一重要原因。

引起海底水合物分解有諸多因素。但是海平面的變化和全球氣候變暖則是兩個最重要的因素。當(dāng)海平面下降后，海底水合物儲層壓力降低，促使水合物分解，釋放氣體，使水合物穩(wěn)定帶(HSZ,Hydrate Stable Zone)從膠結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌錃鉅顟B(tài),沉積物固結(jié)強(qiáng)度降低從而引起滑坡或坍塌(圖10)[12]。但是，近若干年來的趨勢是全球氣候變暖，引起北冰洋等區(qū)域冰的融解，使海平面上升。海水上升淹沒海岸會引起近岸永凍層，與海底排氣孔道產(chǎn)生熱應(yīng)力并向周圍傳播熱量，使水合物分解，造成地層不穩(wěn)定，引起海底滑坡或塌陷。而氣候變暖則將直接促使海水溫度升高，“暖”的海水淹沒海岸含水合物的永凍帶，以及升高溫度的海底都會促使水合物儲層的分解，引起滑坡或海底沉降。而且，水合物分解產(chǎn)生的甲烷氣體將對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響，增強(qiáng)溫室效應(yīng)等。

4.2 “油氣工業(yè)引起的”與水合物相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害[13]

圖10 海底水合物分解誘發(fā)的滑坡

圖11展示了由油氣鉆采工業(yè)引起的與水合物相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害。圖右部分陸域永凍區(qū)表示美國阿拉斯加北坡和加拿大的麥肯齊三角洲，圖左海域部分則表示為北冰洋。這一類地質(zhì)災(zāi)害主要分為3類，分別表述如下。

4.2.1 海底油氣開采基礎(chǔ)設(shè)施的災(zāi)害

安置于海底的油氣生產(chǎn)和運(yùn)輸設(shè)施，如油氣管線等可傳遞各種應(yīng)力，特別是熱量，可傳導(dǎo)至淺部設(shè)施底基。若這種設(shè)施安置于海底表層水合物(如固結(jié)性海床地層有排孔道的小丘)之上，則水合物將發(fā)生分解，導(dǎo)致沉積物性質(zhì)的變化，或海底物質(zhì)移動，就可能破壞這些設(shè)施。通過在油氣資源開發(fā)前實施淺層環(huán)境災(zāi)害調(diào)查(例如，參見Gharib et al., 2008)，探測出較大海底水合物的賦存狀態(tài)，則可以減輕或避免災(zāi)害的發(fā)生。

4.2.2 穿越水合物儲層實施鉆探

天然氣水合物，如遊離氣體和過壓含水砂巖在深水和具有厚的永凍層陸地，被認(rèn)為會引起鉆探災(zāi)害。雖然已經(jīng)在世界上深水可能有水合物的地層中，鉆進(jìn)了數(shù)千口井(Smith et al., 2005)，但據(jù)報告稱，只發(fā)生過少數(shù)的和規(guī)模小的鉆探事故 (Nimblett et al.,2005)。美國墨西哥灣水合物聯(lián)合工業(yè)項目(GOM JIP)所做的工作已證明，認(rèn)真地對鉆井液溫度進(jìn)行控制，足以降低在低飽和度、水合物聚集的頁巖中穿越實施鉆探引起水合物分解的風(fēng)險(Birchwood et al., FITI. v.8)。同樣，若能有效地探測到海床水合物小丘和含厚層水合物的下部砂巖，也可以運(yùn)用現(xiàn)有的淺層災(zāi)害評估方法減少或避免風(fēng)險。

北極地區(qū)已經(jīng)發(fā)生過與水合物相關(guān)的少量的井控事故。最著名的是1992年發(fā)生于阿拉斯加的Cirque #1井的事故。那次施工中，在尚未安置淺井套管之前，對來自井下更深儲層的油氣所采取的控制措施，就未能阻止較淺含水合物地層的分解(Collett and Dallimore,2002)。后來，運(yùn)用了能夠安全鉆井的鉆探方案才得以有效處置。在淺水的北極大陸架鉆井，由于永凍層和水合物因近年來海平面上升引起大陸架的淹沒，將要求控制類似的地質(zhì)災(zāi)害。在北極和深水施工環(huán)境，一旦鉆進(jìn)至含水合物地層井段，必須下套管、注水泥。一般水泥會引起附加熱應(yīng)力，需采用低熱水化的水泥可以減少災(zāi)害(Collett and Dallimore,2002)。

圖11 “油氣鉆采工業(yè)誘發(fā)的”與水合物相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害的位置和特征[13]

4.2.3 穿越淺部水合物儲層開采深部(常規(guī))油氣

成功的深水或北極的勘探井，應(yīng)該是能夠使得深部長期開采的熱的油氣流體，通過被水合物沉積層所包圍的鉆井淺部井段。這樣開采深部(常規(guī))油氣會產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致淺層水合物儲層的分解，以及沉積層物理性質(zhì)的變化，包括強(qiáng)度降低。在某些情況下，會發(fā)生應(yīng)變，導(dǎo)致套管可能損壞(Moridis and Kowalsky,2007)，或者形成氣體泄漏到套管之外的通道。馬來西亞近年來海上油氣開發(fā)，運(yùn)用保壓巖心和測井?dāng)?shù)據(jù)校正數(shù)字模型表明，由油氣生產(chǎn)井發(fā)散的熱傳導(dǎo)，將會在低飽和度、含水合物的粘土儲層內(nèi)形成水合物分解的前沿，能夠在具有30年生產(chǎn)周期的6口叢式井的中心向外擴(kuò)展60～90 m(Hadley et al.,2008)。采取措施如隔離井眼可減輕但不能消除災(zāi)害。關(guān)于穿越淺部水合物儲層開采深部(常規(guī))油氣產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)，對地質(zhì)災(zāi)害影響的問題還有待進(jìn)一步研究。

4.2.4 實施水合物儲層的生產(chǎn)開采

沒有進(jìn)行過水合物的野外生產(chǎn)試驗，就很難對水合物儲層的地質(zhì)力學(xué)反應(yīng)、水合物的分解和氣體生產(chǎn)有真正的認(rèn)識和了解。對海洋水合物唯一的生產(chǎn)災(zāi)害很可能發(fā)生于相對淺的生產(chǎn)層位。這些水合物儲層在其原有狀態(tài)下通常是非常不穩(wěn)定的，而且其上面還覆蓋著相對軟的、非固結(jié)的泥質(zhì)沉積物。因此，由于水合物的開采將會造成地質(zhì)災(zāi)害，包括由于沉積物運(yùn)動、海底不穩(wěn)定、地面沉降及氣體運(yùn)移引起的井眼坍塌，或滑坡。

應(yīng)加強(qiáng)對計劃中的水合物開采在試驗之前、期間及之后的基本準(zhǔn)備與監(jiān)測研究 (Nagakubo et al., 2010, FITI, v.10, Iss.3)，認(rèn)真實驗，以及運(yùn)用地質(zhì)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行先導(dǎo)性水合物生產(chǎn)模擬試驗。

5 美國實驗室水合物研究及CO2-CH4置換法試采的實驗研究

5.1 從微觀到宏觀尺度對天然氣水合物的理論和實驗研究[14]

幾十年以來，美國等國家的研究者已經(jīng)能夠?qū)Χ喾N不同尺度、相互獨立的水合物建立起模型與模擬系統(tǒng)。但是，能夠?qū)@些多個時間和空間尺度模型之間建立聯(lián)系的探索研究，只是在近年才開始進(jìn)行的。幾年來，在國家能源技術(shù)實驗室(NETL)、匹茲堡大學(xué)(University of Pittsburgh)和西弗吉尼亞大學(xué)(West Virginia University)以及其它研究機(jī)構(gòu)，開始從微觀分子水平建模到宏觀自然界水合物系統(tǒng)，以及水合物的回收率等問題展開了深入的研究。參與部分研究工作的還有NETL的先進(jìn)能源供給研究所(IAES，Institute for Advanced Energy Solutions)。

水合物儲層的性質(zhì)由氣體(如CH4、CO2等)和水分子以及主體介質(zhì)之間的相互作用來控制。而自然界水合物儲層在垂直深度上賦存達(dá)數(shù)十米，在水平方向上則延伸達(dá)幾公里(圖12)。在過去許多年，已經(jīng)對水合物分子級的尺度建立模型(MLM, Molecule Level Modeling)方面做了許多研究，圖13表示CO2水合物分子級模擬(a)，與在水合物穩(wěn)定帶的理想化孔隙中水合物-液相形態(tài)(b)[15]。在納米和分子的尺度，可以利用分子建模來估算水合物的關(guān)鍵參數(shù)，例如熱膨脹、等溫壓性、熱導(dǎo)性，及大尺度模型中必要的水合物分解速率。這些模型可以延伸到相關(guān)的真實的自然界狀況，如沉積物的組成和孔隙度，并在不同詳細(xì)的程度上，與儲層模擬模型綜合集成起來，運(yùn)用儲層模型計算提出時間超過10年的水合物生產(chǎn)方案。

圖12從微觀分子到宏觀自然界儲層多種尺度的水合物研究[14]

圖13 水合物分子級模擬示意

5.2 CO2-CH4置換法試采水合物從設(shè)想到實驗

2007—2008年加拿大Mallik 2L-38試驗井運(yùn)用降壓法并輔以井內(nèi)加熱，實施水合物試采獲得了很大的成功[2]。但是，對于大規(guī)模的商業(yè)性生產(chǎn)水合物的經(jīng)濟(jì)實用性，以及減少和防止地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險，仍還是存在很大的不確定性。

與此同時，有些科學(xué)家對另一種將CO2注進(jìn)水合物進(jìn)行生產(chǎn)的方法進(jìn)行了探索研究。CO2-CH4置換法開采水合物的設(shè)想首先是由日本學(xué)者提出的。1986年， K. Ohgaki等第一次提出這個設(shè)想；1998年，S. Nakano等進(jìn)行了CO2置換水合物CH4的實驗。2001年，美國學(xué)者Smith等對CO2置換多孔介質(zhì)中水合物的CH4進(jìn)行了可行性分析。此后，美國若干國家實驗室與大學(xué)和石油公司聯(lián)合，積極地多次開展水合物CO2-CH4置換法的實驗室研究。

5.3 運(yùn)用CO2和水的微乳化液置換水合物中甲烷的實驗研究

5.3.1 項目實施單位

美國西北太平洋國家實驗室(PNNL,Pacific Northwest National Laboratory)、阿拉斯加大學(xué)費(fèi)爾班克分校與ASRC能源服務(wù)公司。阿拉斯加北極能源技術(shù)開發(fā)實驗室(Arctic Energy Technology Development Laboratory, Alaska)也參與了這方面的研究工作。

5.3.2 項目實施過程和效果[16]

2003年，以McGrail為首的科學(xué)團(tuán)隊使用微乳化液注入技術(shù)，進(jìn)行實驗室規(guī)模的強(qiáng)化氣體水合物采收率(EGHR，Enhanced Gas Hydrate Recovery)的模擬研究(圖14)。在蘭色管腔內(nèi)(21℃, 1000 psi)放置含有甲烷水合物的砂巖圓柱樣品，將配比為1∶2的CO2和水在15 ℃時形成的微乳化液，注入初始溫度為2 ℃的含水合物的砂巖柱內(nèi)(圖14a，高速攝像照片)。從砂巖試樣的出口處獲取甲烷氣體樣品，運(yùn)用色譜分析儀進(jìn)行分析。結(jié)果是，在所采取的氣體中并不包含CO2，而只有甲烷。圍繞砂巖圓柱樣品安置了許多熱電偶，用以跟蹤溫度變化。在終止注入微乳化液之后，溫度降低回到原來的控制點，直到大約4 h之后觀察到溫度突然升高(此種化學(xué)置換反應(yīng)是放熱的)。這就表明，在砂巖樣品內(nèi)已經(jīng)生成了CO2水合物，CO2-CH4的置換過程已順利完成。圖14(b)為CO2-CH4置換過程完成之后砂巖圓柱局部樣品的放大照片，此時砂巖樣品顆粒間的空隙充填了CO2水合物。

圖14 運(yùn)用CO2和水的乳化液置換水合物甲烷的實驗

這項早期實驗室的研究結(jié)果是極其令人鼓舞的，但顯然仍有大量的補(bǔ)充工作要繼續(xù)去做，以進(jìn)一步證明這種置換方法，特別是還需要在水合物的儲層規(guī)模中試驗，以評估這種方法的經(jīng)濟(jì)潛力。阿拉斯加北坡( ANS)已被證實具有豐富的水合物資源，運(yùn)用這種置換方法進(jìn)行水合物生產(chǎn)試驗似乎是理想的。而且其附近還具有潛在的CO2資源，并已經(jīng)建有(或正計劃建設(shè))的基礎(chǔ)設(shè)施可將生產(chǎn)的甲烷天然氣運(yùn)往市場。

5.4 砂巖樣品首先生成水合物再注入CO2氣體和水置換水合物甲烷的實驗研究[17]

5.4.1 項目實施單位

挪威卑爾根大學(xué)(University of Bergen)和康菲(ConocoPhillips)石油公司。

5.4.2 項目實施過程和效果

從2002年起，上述兩機(jī)構(gòu)就進(jìn)行了多次的實驗合作，在康菲公司巴爾特萊斯維爾(Bartlesville)技術(shù)中心的磁共振成像(MRI， Magnetic Resonance Imaging)實驗室進(jìn)行。

試驗起初的設(shè)計是將一段Bentheim砂巖巖心從中間劈分兩半，嵌進(jìn)4 mm厚的高密度聚甲醛(POM，polyoxymethylene)的襯片(圖15)，以增加水合物生成的附著和運(yùn)用CO2置換的有效表面。這塊POM襯片提供作為收集水合物分解后釋放出甲烷的的收集器。這種試驗方法以后曾多次運(yùn)用于水合物生成和生產(chǎn)性試驗。

圖15 用于生成水合物的砂巖巖心與收集CO2置換出的甲烷的POM襯片

放置砂巖試驗樣品的容器由充滿FluorinertTM的循環(huán)系統(tǒng)來冷卻。合成水合物的甲烷氣和水，與用以置換甲烷的CO2氣體，通過一套高精密泵輸送入這個試驗巖心樣品的容器內(nèi)。

試驗分兩個階段進(jìn)行。首先，在容器內(nèi)破開砂巖巖心的試驗樣品上生成水合物，然后注入CO2從水合物中置換出甲烷，由POM襯片附著收集。

具體實驗過程與效果運(yùn)用磁共振成像(MRI)儀器顯示，參見圖16(a)—(d)。在將容器內(nèi)溫度冷卻至4 ℃的期間內(nèi)，(a)顯示，在注入甲烷氣和水一段時間之后，在巖心上已形成了大量水合物(綠色)；(b)顯示，當(dāng)注入CO2和水之后一段時間，在巖心的一端孔隙中僅剩下尚未起反應(yīng)的水，并在襯片中和巖心端部留下CO2置換出的甲烷(藍(lán)色)；(c)顯示，再過去較長一段時間后，襯片上藍(lán)色甲烷圖像逐步增強(qiáng)；(d)表明，從滲透著水合物的砂巖巖心中被置換出的甲烷已經(jīng)聚滿在襯片上了。

這項試驗證明，CO2-CH4置換法實施水合物生產(chǎn)在原理和實際上是可行的。挪威卑爾根大學(xué)和康菲公司后來又做過許多此類試驗，如在細(xì)粒未固結(jié)砂巖和細(xì)砂巖中運(yùn)用CO2置換水合物CH4的試驗。

圖16運(yùn)用MRI儀器顯示砂巖樣品首先生成水合物再以CO2置換出甲烷的實驗效果

5.5 CO2-CH4置換法理論和實驗研究的成果和認(rèn)知

天然氣水合物可認(rèn)為是一類主-客體(Host-Gust)材料,水分子(主體分子)形成一種空間點陣(籠形)結(jié)構(gòu)，氣體分子(客體分子)則充填于點陣間的空穴之中。由于客體分子在空隙中的分布是無序的，不同條件下晶體中的客體分子與主體分子的比例是不同的，因而水合物沒有確定的化學(xué)分子式，是一種非化學(xué)計量的化合物，可用 M·nH2O表示。M代表水合物中的氣體分子(客體分子)，n為水合指數(shù)(即水分子數(shù))。常規(guī)天然氣的成分，如CH4、C2H6等及其同系物，以及CO2、N2、H2S等都可以形成單種或多種的水合物。[18]

單純的甲烷(CH4)和CO2，以及它們的混合物可形成 I型結(jié)構(gòu)的水合物(Sloan, 1998, Lee et al., 2003)。CO2-CH4置換法發(fā)生的驅(qū)動過程，是由于在水合物籠形結(jié)構(gòu)中，CO2和水的結(jié)合比CH4具有更大的化學(xué)親和力，它很容易地將CH4從水合物中“擠出”，取而代之，轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2水合物。

由康菲公司-卑爾根大學(xué)團(tuán)隊，以及美國其它研究機(jī)構(gòu)所開展的多年工作，已經(jīng)表明在多孔介質(zhì)的地質(zhì)條件下，通過置換法的實驗和建模成果 (Graue et al.,2006; Stevens et al.,2008)證明這種新方法是具有應(yīng)用前景的，并總結(jié)出CO2-CH4置換法對于水合物生產(chǎn)的潛力和優(yōu)越性，以及存在的挑戰(zhàn)和問題。

5.5.1 CO2-CH4置換法水合物生產(chǎn)的潛力和優(yōu)越性[19]

(1)為水合物開采提供一種運(yùn)用CO2對甲烷置換的新方法。當(dāng)水合物生產(chǎn)區(qū)域附近具有CO2資源時，則開采的條件在經(jīng)濟(jì)上和運(yùn)作上更為有利，美國阿拉斯加北坡即具備這個條件。

(2)運(yùn)用CO2-CH4置換法可以減少或免除生產(chǎn)廢水。運(yùn)用降壓法(以及熱注入法)生產(chǎn)水合物，除分解出甲烷氣體產(chǎn)品外，還會從水合物儲層中產(chǎn)生較多數(shù)量的水[2](圖17)[14]。這些廢水必須從生產(chǎn)井中抽取并排除，這既需要增加設(shè)備和費(fèi)用，也要考慮環(huán)境保護(hù)。而在CO2-CH4置換法的生產(chǎn)過程中，水仍然主要地保留在儲層內(nèi)作為新形成CO2水合物的組分。

圖17 甲烷水合物分解為水與甲烷氣的分子模擬

(3)提高水合物儲層的地質(zhì)力學(xué)穩(wěn)定性。淺層水合物儲層具有較差的固結(jié)性，而水合物可提供與地層結(jié)合的機(jī)械完整性。在運(yùn)用減壓法生產(chǎn)甲烷天然氣時，儲層轉(zhuǎn)變?yōu)樯傲：涂障稓怏w。生產(chǎn)過程或許會導(dǎo)致儲層壓實，并使其上部覆蓋層沉降。而運(yùn)用CO2-CH4置換法生產(chǎn)時，則可保持水合物儲層物質(zhì)的完整性和固結(jié)性，從而保持其地質(zhì)力學(xué)的穩(wěn)定性。

(4)可提高水合物開采的持續(xù)性及減少附近區(qū)域鉆井的堵塞。模擬研究表明，運(yùn)用減壓法水合物生產(chǎn)是吸熱的，對周圍會產(chǎn)生冷卻效應(yīng)，由此會產(chǎn)生兩種弊端。一是儲層溫度下降阻礙水合物繼續(xù)分解，將降低甲烷的采收率和生產(chǎn)持續(xù)性；二是降溫將在地層中生成甲烷水合物或水-冰，造成地層孔隙充填，引起附近區(qū)域的井眼堵塞。這就降低了地層的滲透性，也使生產(chǎn)的持續(xù)性和采收率下降。初步研究結(jié)果表明，具有吸熱和放熱兩種反應(yīng)并存的CO2-CH4置換法不會出現(xiàn)冷卻現(xiàn)象。因為在CO2-CH4置換法生產(chǎn)水合物的過程中，CO2形成水合物所釋放的熱量57.98 kJ/mol(Nagayev,1978)，大于CH4從水合物中分解吸收的熱量54.49 kJ/mol(Rueff,1988)，剩余的熱量將有利于甲烷水合物分解的持續(xù)進(jìn)行。

(5)可在更加廣泛范圍的地質(zhì)條件下進(jìn)行水合物生產(chǎn)。運(yùn)用減壓法生產(chǎn)時，投入更多的能量用以對儲層降低壓力和提升溫度，以促進(jìn)淺層儲層的分解。然而，CO2-CH4置換法卻可能對于儲層的壓力和溫度等初始條件敏感性不高，要求不大。因此，這種方法能夠應(yīng)用到更加廣泛初始條件的水合物儲層中。

5.5.2 CO2-CH4置換法水合物生產(chǎn)的挑戰(zhàn)和問題

(1)CO2在水合物儲層中的傳輸能力。

CO2注入水合物儲層后將遇到自由水以及甲烷水合物，通過置換過程形成的CO2水合物將進(jìn)一步降低儲層的滲透性及CO2繼續(xù)注入的滲進(jìn)能力。初步實驗結(jié)果顯示，在運(yùn)用置換法過程中測量到的儲層滲透性的數(shù)值是保持不變的。但是，這是一項需要繼續(xù)研究的關(guān)鍵問題。

(2)應(yīng)擴(kuò)大和定量化在多孔介質(zhì)中的實驗。

實驗和建模工作需要擴(kuò)展到更大的規(guī)模，以評估作為多孔介質(zhì)參數(shù)(如顆粒和孔隙尺寸、沉積物固結(jié)程度、礦物學(xué)與巖層水地球化學(xué))之函數(shù)的置換速率。繼續(xù)研究的重點是適應(yīng)于阿拉斯加北坡水合物的壓力溫度條件下的試驗。還需要更多地研究和掌握在更大空間的范圍內(nèi)，CO2能夠滲透進(jìn)入含甲烷水合物儲層的可能速率。

(3)甲烷氣的采收效率。

鑒于在生產(chǎn)井開采區(qū)域儲層內(nèi)，運(yùn)用降壓法理論上消耗95%或更多的水合物， CO2將只置換籠形結(jié)構(gòu)中較大的CH4。理論上水合物生產(chǎn)的置換效率為64% (Lee et al.,2003)。在5個地點注入CO2置換CH4的生產(chǎn)方案(White和 McGrail,2008)表明，雖然這種研究結(jié)果尚需進(jìn)一步驗證，但是這個置換效率還是可以期望相對快些的。其它方面的研究表明，運(yùn)用混合氣體(如CO2+N2)注入水合物儲層，能夠?qū)⒓淄椴墒章曙@著提升到85% (Park et al.,2006)。

(4)開展野外規(guī)模CO2-CH4置換法水合物生產(chǎn)的可行性試驗。

需要進(jìn)一步實施水合物開發(fā)工程與野外規(guī)模的試采，以確定野外現(xiàn)場試采方案，包括：鉆井類型、井位布置與間隔、完井方法與儲層控制參數(shù)，等等。最后的試驗研究成果將運(yùn)用到阿拉斯加首次(預(yù)期2010年初，實際上延遲到2011/2012年)水合物試采工程計劃的實施中去。

5.6 美國政府積極支持科學(xué)研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)參與水合物的研究和開發(fā)

美國早就制訂了國家水合物研究和開發(fā)計劃，國會通過了“甲烷水合物研究和開發(fā)2000法令”(The Methane Hydrate Research and Development Act of 2000)。至2005年8月，布什總統(tǒng)簽署“能源政策2005法令”(Energy Policy Act of 2005)，又將上述“甲烷水合物研究和開發(fā)2000法令”延長至2010年，以加強(qiáng)美國領(lǐng)導(dǎo)和組織水合物的調(diào)查研究和開發(fā)。因此，美國許多國家級科學(xué)研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)有機(jī)會參與水合物的研究開發(fā)。至2006年，美國參加水合物研發(fā)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的分布參見圖18。[20]

圖18 美國參與水合物研發(fā)項目的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)(2006年)

除上述提及美國參加水合物研究的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)外，還有其它若干研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)參加。其中國家實驗室有勞倫斯-伯克利國家實驗室(LBNL, Lawrence Berkeley National Laboratory)、橡樹嶺國家實驗室(ORNL, Oak Ridge National Laboratory)、洛斯-阿拉莫斯國家實驗室(LANL, Los Alamos National Laboratory)、愛達(dá)荷能源與環(huán)境國家實驗室(IEENL, Idaho Energy and Environment National Laboratory)與布魯克黑文國家實驗室(BNL, Brookhaven National Laboratory)等，以及美國著名的SCRIPPS及Woods Hole兩所海洋研究所(DSDP、ODP與IODP重要參與機(jī)構(gòu))。美國許多大學(xué)(如Texas Aamp;M University、科羅拉多礦業(yè)學(xué)院、紐約州立大學(xué)、阿拉斯加大學(xué)兩個分校等)也都積極參加了水合物的研究開發(fā)工作。

美國從事水合物研究開發(fā)的人員，除科學(xué)家、工程師、教授、高級技工外，還有一批學(xué)生力量。能源部認(rèn)為“學(xué)生是我們未來能源的基礎(chǔ)，將把新的思想和視角帶進(jìn)能源工業(yè)”。于是2005年，美國能源部和國家能源技術(shù)實驗室(NETL)為促進(jìn)水合物的研究和開發(fā)，啟動一項新的獎學(xué)金，資助博士和碩士研究生，為博士后研究提供職位。美國國家科學(xué)院( NAS，The National Academy of Sciences)和NETL聯(lián)合創(chuàng)建和管理這項獎學(xué)金。至今，受益于此項獎學(xué)金從事水合物研發(fā)的學(xué)生人數(shù)已達(dá)數(shù)百人，遍及全美許多大學(xué)。

美國能源部國家能源技術(shù)實驗室(NETL)是美國水合物調(diào)查研究與試采的重要力量，早在2002年就參與了加拿大Mallik的水合物試采項目。該實驗室具備較強(qiáng)的水合物實驗設(shè)施和能力。其水合物的研究室主要從事水合物建模、計算、熱力學(xué)性質(zhì)和動力學(xué)性質(zhì)等4個方面的研究[21]。水合物熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)主要是對人工合成水合物樣品和現(xiàn)場樣品進(jìn)行測試研究。NETL試驗用人工合成水合物樣品是在其1 mL、40 mL、1 L以及15 L的水合物試驗觀察室中形成的，圖19為NETL的15 L高圧水合物合成試驗觀察室[22]。圖20為在1 L合成小室中制成的水合物樣品。

圖19 美國NETL實驗室15 L高壓水合物合成試驗觀察室

圖20 美國NETL實驗室1 L合成小室中制成的水合物樣品

6 阿拉斯加北坡 Ignik Sikumi #1井運(yùn)用CO2-CH4置換法水合物試采成功

6.1 項目參加國家與機(jī)構(gòu)

美國能源部(DOE)、康菲石油公司與日本國家石油、天然氣與金屬公司(JOGMEC)等。

6.2 2011年Ignik Sikumi #1試驗井鉆井、完井作業(yè)及成果[23]

6.2.1 鉆井與井下安裝作業(yè)

6.2.1.1 鉆探施工

2011年4月5日，Nordic-Calista #3型鉆機(jī)運(yùn)抵試驗井臨時冰墊工地(500 ft×500 ft，參見圖21)。4月9日開鉆，上部井段采用水基泥漿鉆進(jìn)并隨鉆測井(LWD)，直至1482 ft深度；下10in表層套管、注水泥；進(jìn)行壓力測試。下部鉆進(jìn)運(yùn)用低溫油基泥漿并繼續(xù)隨鉆測量，直至水合物儲層。于4月17日鉆至2597 ft(1 ft=304.8 mm，下同)深度(圖22)。

圖21 阿拉斯加北坡Ignik Sikumi #1井水合物試采工地(據(jù)CONOCOPHILLPS)

圖22 Ignik Sikumi #1試驗井井身結(jié)構(gòu)與井下器具安置

生產(chǎn)套管外套有三層管(灰色)提供CO2/N2及其它流體通過。

共有兩個水合物儲層(黃色)：D含水合物砂巖儲層，628～644 m；C含水合物砂巖儲層，683～693 m。

井深791.6 m(2597 ft)，?114.3 mm(4.5 in)生產(chǎn)套管。

6.2.1.2 測井

進(jìn)行整套常規(guī)電纜測井，包括伽瑪射線、電阻率、高分辯率密度、中子孔隙度、油基泥漿成像、組合磁共振、聲掃描儀及鉆孔電阻率掃描儀等。

6.2.1.3 井下繩索壓力測試

運(yùn)用Schlumberger公司的快速壓力測量器(XPT, Express Pressure Tool )和組合式地層動態(tài)測量儀(MDT)，對試驗井實施一系列的短期壓力測試。

6.2.1.4 安置井下整套儀器錐形套管柱

包括井下溫度和壓力表(3只，橙色)，以及連續(xù)分布式溫度傳感器(DTS)光纜(褐色)。在灌注水泥作業(yè)期間，這些儀器均發(fā)揮監(jiān)測功能。至4月25日，完成上述各項工作。

6.2.1.5 試驗井上段安裝作業(yè)

包括井下安置化學(xué)材料注入軸(藍(lán)色)和氣舉心軸(綠色)等作業(yè)。此后試驗井懸置著，等待2012年進(jìn)行水合物生產(chǎn)試驗。

6.2.2 2011年Ignik Sikumi #1試驗井階段成果

(1)圓滿完成Ignik Sikumi #1試驗井鉆井和完井作業(yè)任務(wù)，為2012年水合物正式試采做好準(zhǔn)備。

(2)鉆探和電纜測井?dāng)?shù)據(jù)表明，發(fā)現(xiàn)Ignik Sikumi #1試驗井下部4個預(yù)期的含水合物的水平砂巖層段。主要的試采目標(biāo)為Sagavanirktok上部“C”砂巖層(井深2240～2274 ft )，含有34 ft (10.4 m)厚高水合物飽和度的清純、高孔隙度的砂巖；第二個試采目標(biāo)是其上部的層位“D”砂巖層(2060～2114 ft),包含49 ft (15 m)水合物飽和度稍低的略帶泥質(zhì)的砂巖；此外，較淺的“E”砂巖層(1920～1954 ft)和更深的“下部C”砂巖層(2278～2362 ft)都分別含有不同飽和度的水合物。

6.3 2012年Ignik Sikumi #1試驗井水合物試采工程圓滿成功[24]

該試驗井水合物試采主要運(yùn)用CO2-CH4置換法(參見圖23)，并藉助井內(nèi)噴射泵輔助降低儲層壓力，促進(jìn)水合物的分解，實施甲烷氣體生產(chǎn)。

圖23 CO2-CH4置換法水合物開采示意

6.3.1 水合物試采工程前的準(zhǔn)備工作

Ignik Sikumi #1試驗井水合物的正式試采工程始于2011年12月。

2012年1—2月期間，康菲公司在工地安裝CO2/N2置換法生產(chǎn)試驗所需設(shè)備的定位和安裝，將注入泵、氣罐和測量儀表與試驗井井口相連接，并重新循環(huán)流體以確認(rèn)生產(chǎn)試驗井機(jī)械上的整體功能；然后將CO2(23%)和N2(77%)的混合物注入井內(nèi)以替換原有流體；為防止破壞鋪設(shè)固定于套管外側(cè)上的壓力/溫度測量儀和光纜，運(yùn)用陀螺測斜儀定向地將射孔器下放至井內(nèi)[25]，按6 in的間隔在30 ft套管的生產(chǎn)井段射孔；將濾砂網(wǎng)(圖24)下至射孔井段，以防止生產(chǎn)過程中砂粒進(jìn)入井內(nèi)。

圖24 防止地層砂粒進(jìn)入生產(chǎn)試驗井的防砂網(wǎng)

6.3.2 向Ignik Sikumi #1試驗井下注入CO2/N2混合氣體

2月15—28日，將798823 m3(28210000 ft3)含有少量化學(xué)示蹤劑的CO2/N2混合氣體，成功地注入地層。正如本文上述5.5.2(3)中曾提到，CO2/N2混合氣體要比單純CO2更能增強(qiáng)CO2與自然界甲烷水合物的置換作用。操作中緩慢而平穩(wěn)地提高注入速率，未發(fā)現(xiàn)地層壓裂。一旦注入混合氣體達(dá)到計劃用量，關(guān)井并重新布置施工現(xiàn)場，以實施水合物試采甲烷氣體返排作業(yè)。

6.3.3 Ignik Sikumi #1試驗井水合物試采

(1)3月4日，打開試驗井，在其自身能量作用下，產(chǎn)出氣體混和物約1天半時間；安裝井下噴射泵。

(2)以后7天內(nèi)，通過泵出井中的流體，使射孔井段的壓力降低，從水合物儲層中抽吸出流體，便實現(xiàn)了水合物生產(chǎn)。在此期間，Ignik Sikumi #1井以變化較大的速率生產(chǎn)出甲烷氣體和水(圖25)。此外，試采作業(yè)逐漸減緩，停歇了2天修理地面氣水分離器的閥門。

圖25 2012年阿拉斯加Ignik Sikumi #1井水合物試采期間氣體產(chǎn)出曲線

(3)3月15日，以降低甲烷水合物穩(wěn)定性為目的的噴射輔助生產(chǎn)重新開始。在此生產(chǎn)試驗期間，儲層水合物成功地開始分解，氣體生產(chǎn)率猛增。生產(chǎn)繼續(xù)2天半之后，關(guān)井以減緩在輸送甲烷氣體管線中形成冰塞，同時更換降低井下壓力的噴射泵。

(4)3月23日，生產(chǎn)試驗重新開始，Ignik Sikumi #1井連續(xù)生產(chǎn)氣體19天，圖26為生產(chǎn)出的甲烷氣體在夜空中燃燒。連續(xù)試采直至4月11日最后關(guān)井。此后，對生產(chǎn)試驗井封閉并廢棄。

總之，在這38天的試驗階段的30天生產(chǎn)時間內(nèi)，總共累積生產(chǎn)甲烷氣體28317 m3(1000 mcf，圖25中暗紅線),平均日產(chǎn)氣量944 m3(藍(lán)線)。

圖26 阿拉斯加Ignik Sikumi #1井水合物試采的甲烷氣體在夜空燃燒

7 總結(jié)與建議

(1)美國是世界上水合物資源最豐富的國家之一，同時也是能源需求大國與科技強(qiáng)國。美國水合物調(diào)查研究不僅局限其本土，而如同其政治、軍事一樣，具有“全球戰(zhàn)略”，它積極參與其它國家和地區(qū)的水合物調(diào)查，如加拿大、中美海域、印度、韓國等，并與日本簽訂合作協(xié)議。美國政府至少有7個機(jī)構(gòu)(能源部DOE、地質(zhì)調(diào)查局USGS、礦產(chǎn)管理局MMS、海軍研究辦公室海軍研究實驗室NRL、土地管理局BLM、國家海洋和大氣管理局NOAA和國家科學(xué)基金會NSF)參與統(tǒng)籌協(xié)調(diào)天然氣水合物研發(fā)事務(wù)。

美國有許多國家實驗室、研究中心和大學(xué)，以及石油企業(yè)參加天然氣水合物的研究開發(fā)。鑒于水合物的研發(fā)直到市場化的長期性、艱巨性，任重道遠(yuǎn)，美國能源部專設(shè)獎學(xué)金，積極培養(yǎng)和準(zhǔn)備未來的水合物研發(fā)人才。除海域水合物試采技術(shù)外，在水合物研究和調(diào)查評價綜合實力方面，從基礎(chǔ)理論、實驗?zāi)M，到三維地震測量、保壓取樣、以及水合物保壓狀態(tài)下的測試分析技術(shù)(GHASTLI、PCCT、IPTC等)，美國處于國際領(lǐng)先水平。

(2)阿拉斯加北坡Ignik Sikumi #1井天然氣水合物試采項目是在美國能源部領(lǐng)導(dǎo)下，由能源部及其能源技術(shù)國家實驗室(NETL)組織實施，有美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)、西弗吉尼亞大學(xué)等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)參加，由康菲石油公司負(fù)責(zé)工程施工，并聯(lián)合曾參加過加拿大Mallik水合物試采工程的日本國家石油、天然氣和金屬公司(JOGMEC)，運(yùn)用創(chuàng)新的CO2-CH4置換法成功地實施了水合物試采。至此，美國與日本和加拿大并駕齊驅(qū)，成為世界上在陸域永凍帶試采水合物技術(shù)領(lǐng)先的國家。

(3)阿拉斯加北坡Ignik Sikumi #1井天然氣水合物試采工程表明，CO2-CH4置換法應(yīng)用于水合物開采，其氣體生產(chǎn)率和工程經(jīng)濟(jì)性尚需進(jìn)一步研究提高。2012年美國在阿拉斯加運(yùn)用CO2-CH4置換法試采日產(chǎn)氣量約為944 m3，比2008年加拿大Mallik運(yùn)用降壓法試采日產(chǎn)氣量1912 m3[2]要低。其客觀因素可分析為，產(chǎn)氣率可因不同地域水合物的地質(zhì)條件，如水合物類型、豐富程度、飽和度，以及地層孔隙度、滲透率等儲多參數(shù)的差異而不同，現(xiàn)尚不宜僅以此兩次試采效果對兩種試采方法產(chǎn)氣率的優(yōu)劣下結(jié)論。但是，美國阿拉斯加2012年的水合物試采，是首次運(yùn)用CO2-CH4置換法,工程施工中所運(yùn)用的方法、技術(shù)、工藝以及設(shè)備、器材等方面，對于提高氣體生產(chǎn)率肯定還有許多值得改進(jìn)提高之處。

至于試采工程經(jīng)濟(jì)性，CO2-CH4置換法要消耗大量化學(xué)材料(CO2、N2)，而且在地面需要安置相應(yīng)特殊設(shè)備(如運(yùn)用CT連續(xù)管裝置更換井內(nèi)流體)，這就將增加施工成本。但是，對于某些己查明附近具有CO2資源的水合物開采工地，就地取材，就可以使開采成本大為降低。而阿拉斯加北坡的水合物開采恰恰具備這個條件。

(4)CO2-CH4置換法開采水合物具有多方面優(yōu)越性。

①CO2與水有更強(qiáng)的化學(xué)親和力，置換法是CO2分子將CH4分子從水合物中“排擠”出去，取而代之，與水結(jié)合生成更加穩(wěn)定的CO2水合物。這就將減少或免除生產(chǎn)廢水，既減少環(huán)境污染，又減少廢水處理工序和費(fèi)用。更重要的是，在水合物開采過程中及之后，更加穩(wěn)定的儲層將顯著地降低海底滑坡與塌陷，以及甲烷氣體大量泄漏的可能性。

② 減少或免除生產(chǎn)廢水的另一優(yōu)點，是可以明顯地降低儲層中砂粒受水沖刷或攜帶進(jìn)入生產(chǎn)套管的機(jī)率，能夠減少井內(nèi)故障與井下設(shè)備器具的維修，從而可以保障較高的生產(chǎn)效率，以及氣體生產(chǎn)的持久性。阿拉斯加首次在Ignik Sikumi #1井水合物試采持續(xù)時間達(dá)30天，即體現(xiàn)了CO2-CH4置換法的這一優(yōu)點。

③CO2-CH4置換法具有吸熱和放熱兩種化學(xué)反應(yīng)并存的特點，CO2形成水合物所釋放的熱量大于CH4從甲烷水合物分解吸收的熱量，則總的效應(yīng)是釋放熱量。這種剩余熱量就相當(dāng)于熱注入法向生產(chǎn)井內(nèi)儲層增加熱量，促進(jìn)甲烷水合物的繼續(xù)分解，從而有利于增強(qiáng)水合物開采的持續(xù)性，提高氣體開采的產(chǎn)量。

④CO2-CH4置換法還具有因?qū)τ谒衔飪拥膲毫?、溫度等初始條件敏感性不高、要求不大，因而可在更加廣泛的地質(zhì)條件下實施水合物生產(chǎn)。這種方法還具有減少水合物開采工地附近其它鉆井堵塞等優(yōu)點。

(5)分布于世界各地天然氣水合物的類型、地質(zhì)賦存條件、地形地理狀況等多種多樣，而且國際上和各國對不同水合物開采礦區(qū)的環(huán)境要求的嚴(yán)格程度也是各不相同。所以，各國在調(diào)查并開采水合物時，難免會遇到水合物蘊(yùn)藏既十分豐富，但地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性又很大的地(海)域。在這種情況下，開采水合物方法的唯一選擇，也許就是選用CO2-CH4置換法了。因此，在目前作為簡便、經(jīng)濟(jì)的降壓法已多次成功應(yīng)用于水合物開采的情況下，仍需“兩(多)手準(zhǔn)備”，應(yīng)該加強(qiáng)CO2-CH4置換法在基礎(chǔ)理論、實驗?zāi)M研究，特別是野外水合物生產(chǎn)試驗，成功地掌握CO2-CH4置換法，以滿足未來的需要。

[1] USGS Leads United States Effort in Mallik Well. Announcement[J]Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter,Vol.2, Iss.1. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[2] 左汝強(qiáng)，李藝.加拿大Mallik陸域永凍帶天然氣水合物成功試采回顧[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2017，44(8):1-12.

[3] Design and Operation of a Wireline Pressure Core Barrel. DSDP Development Engineering Technical Report No.16. SCRIPPS Institution of Oceanography, University of California at San Diego. http://www.deepseadrilling.org.

[4] Pressure Core Sampler(PCS), Coring Methods, Engineering and Science Operations, http://www.odp.legacy.org.

[5] ODP Leg164. Preliminary Report. http://www.odp.tamu.edu/.

[6] Cascadia Margin Gas Hydrates. IODP Expedition 311 Preliminary Report, IODP Publication. http://www.iodp.org.

[7] Y. Kubo, Y. Mizuguchi, F. Inagaki, and K. Yamamoto. A new hybrid pressure-coring system for the drilling vessel Chikyu. Scientific Drilling, Volume,17,2014. http://www.sci-dril.net17/37/2014/.

[8] Larry Obee, John Firth, Texas Aamp;M University.US DOT APPROVES PRESSURE VESSELS FOR TRANSPORTATION OF PRESSURIZED HYDRATE CORE. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter, Vol.3,Iss.3. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[9] HOT ICE #1: FIRST DEDICATED HYDRATE RESEARCH WELL IN ALASKA Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter, Vol.3, lss. 2. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[10] Barry Freifeld. YOU SEE ICE-WE SEE GAS HYDRATES. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter, Vol.3,Iss.4. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[11] The “Mount Elbert” Science Team. Alaska North Slope Successful Cores, Logs and Tests Gas-hydrate-bearing Reservoirs. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter. Vol.7,Iss.1. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[12] Beaudoin,Y.C.,Waite,W., Boswell,R.and Dallimore,S.R.(eds), 2014. Frozen Heat: A UNEP Globlal Outlook on Methane Gas Hydrates. United Nations Environment Programme. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[13] Ray Boswell , Tim Collett , Scott Dallimore , et al. Geohazards Associated with Naturally-Occurring Gas Hydrate. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter. Vol.12,Iss.1.http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[14] Brian Anderson, Kenneth Jordon. The Role of Molecular Level Modeling in Gas Hydrate studies. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter. Vol.9,Iss.2. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[15] Alan Rempel, Julia Irizarry, Brandon Vanderbeek, et al. Hydrate Evolution in Responce to Ongoing Environmental Shifts. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter Vol.17,lss.1. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[16] Pete McGrail, Tao Zhu,Bob Hunter. NEW METHOD MAY HOLD PROMISE FOR GAS HYDRATE PRODUCTION AND CARBON SEQUESTRATION. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter. Vol.5,Iss. 1. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[17] ConocoPhillips University of Bergen Hydrates Team. Laboratory InvestIgatIon of Hydrate ProductIon tHrougH CO2-CH4excHan. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter， Vol.8,lss.4. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[18] 陳月明，李淑霞，郝永卯，等.天然氣水合物開采理論與技術(shù)[M].山東東營：中國石油大學(xué)出版社，2011.

[19] Helen Farrell, Ray Boswell, James Howard, et al. CO2-CH4exchange in natural Gas Hydrate Reservoirs: Potential and Challenges. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter， Vol.10,Iss.1. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[20] DOE Announces New Fellowship program Dedicated to methane Hydrate Rearch. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter， Vol.6,Iss. 2. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[21] [美] T.科利特，A.約翰遜，C.納普，R.博斯維爾.天然氣水合物——能源資源潛力及相關(guān)地質(zhì)風(fēng)險[M].北京：石油工業(yè)出版社，2012.

[22] Charles E. Taylor. LARGE-VOLUME, HIGH-PRESSURE VIEW CELL HELPS FILL GAPS IN UNDERSTANDING OF METHANE HYDRATE BEHAVIOR. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter， Vol.4,Iss.3. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[23] David, Schoerbek, Ray Boswell. Ignik Sikumi #1， Gas Hydrate Test Well， Successfully Installed on the Alaska North Slope. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter， Vol.11,Iss.1. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[24] Exchange Trial Project Team. Ignik Sikumi Gas Hydrate Field Trial Completed. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter， Vol. 12, 1. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[25] 2012 Ignik Sikumi Gas Hydrat Field Trail. Gas Hydrate. www// nets.doe.gov/research/oil-and-gas.

[26] Field data from 2011/2012 ConocoPhilllps-JOGMEC-DOE IgnIk Sikumi Gas Hydrate Field Trial Now Available. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter，Vol.13.Iss.1. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

[27] 曾繁彩，楊勝雄，張光學(xué)，等.天然氣水合物資源勘探開發(fā)戰(zhàn)略研究[M].北京：地質(zhì)出版社，北京，2013.

[28] Bp-doe cooperative alaska gas hydrate research project Update. Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter，Vol.6.Iss.1. http://www.netl.doe.gov/research/oil-and-gas.

致謝：本文大部分參考文獻(xiàn)取自美國能源部(DOE,US)下屬國家能源技術(shù)實驗室(NETL)所辦 “冰中之火-氣體水合物通訊”(Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter)期刊。該NETL為美國水合物研究和開發(fā)的的重要機(jī)構(gòu)，參與組織并實際參加過美國及加拿大等國家的水合物調(diào)查評價和水合物試采工程。其“Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter”期刊廣泛、及時地刊載世界各國，特別是美國天然氣水合物研究、調(diào)查和試采活動，其內(nèi)容具體、翔實，圖文并茂。本文參考了該期刊2002—2017年期間約20篇文章，以及其他相關(guān)文獻(xiàn)(DSDP、ODP、IODP等)。在本文撰寫結(jié)束之際，筆者對美國NETL的Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter期刊及其各相關(guān)文章的作者，以及其他國內(nèi)外參考文獻(xiàn)的網(wǎng)站、書籍的作者和譯者表示深切的謝意。

TheResearchandSuccessfulProductionTestforNGHinAlaskaNorthSlope，USA

ZUORu-qiang1,LIYi2,3

(1.The Ministry of Land and Resources of the People’s Republic of China, Beijing 100812, China; 2.The Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang Hebei 065000, China; 3.Editorial Board of Exploration Engineering, Beijing 100037, China)

Alaska North Slope(ANS) permafrost zone is rich in hydrate resource, where is one of the specified targets for hydrate Ramp;D in USA. The PCB and PCS pressure core samplers for NGH in USA have been respectively developed and applied in DSDP、 ODP、 IODP and ANS since 1970’s. Hot Ice #1 well, the first dedicated hydrate research well in Alaska, was completed in early 2004. Newly developed Arctic Drilling Platform, Mobile Core Lab, Smart Drilling etc. were successful deploied in the research well despite of missing the hydrate layer. Mt. Elbert #1 research well was smoothly drilled(to 914m), cored(recovery 85%), logged and downhole pressure tested with MDS in February 2007. This science program successfully achieved all of its objectives. Naturally occurring geohazards and “Industrial” gas hydrate-related geohazards were studied, the latter can be categorized mainly as follows: Drilling through GH, Producing through GH and Producing from GHgeohazards. The theoretical and lab studied of NGH , especially for hydrate production with CO2-CH4exchange technology, have been effectively executed for decades by many academic centers and universities in USA. In May, 2012, ConocoPhillips, in a cooperative effort with the JOGMEC and the U.S. DOE, successfully completed Ignik Sikumi #1 well gas hydrate production test using CO2-CH4exchange method in ANS. Overall, the well produced for 30 days during the 38-day flow-back period, with cumulative gas production approaching one million scf (28317m3). The test result shows that CO2-CH4exchange for NGH production is one of the most important and effective methods, which can greatly mitigate environmental pollution and damage。

natural gas hydrate(NGH); permafrost zone; pressure core tool; geohazards; NGH production test; CO2-CH4exchange method; gas production rate;cumulative produced gas; gas flow-back; Alaska North Slope(ANS)

2017-09-08

左汝強(qiáng)，男，漢族，1941年生，國土資源部咨詢研究中心原咨詢委員，教授級高級工程師，探礦工程專業(yè)，北京市海淀區(qū)北三環(huán)中路77號24樓1003室(100088),zrq1941@sina.com。

TE37；P634

A

1672-7428(2017)10-0001-17