周守為 李清平 呂 鑫 龐維新 付 強(qiáng)

(1.中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司 北京 100010； 2.天然氣水合物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100028;3.中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

1 天然氣水合物開(kāi)發(fā)研究進(jìn)展

天然氣水合物作為21世紀(jì)替代煤炭、石油和天然氣的新型潔凈能源資源被全世界廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是未來(lái)最具商業(yè)開(kāi)發(fā)前景的戰(zhàn)略資源之一[1]。目前全球有5個(gè)國(guó)家進(jìn)行了共計(jì)8次的天然氣水合物試采工作，尤其是2017年5月中國(guó)南海神狐海域試采以30.9×104m3的累計(jì)產(chǎn)氣量和60 d的持續(xù)產(chǎn)氣時(shí)間創(chuàng)下了世界紀(jì)錄[2]。但水合物資源開(kāi)采過(guò)程中涉及的儲(chǔ)層內(nèi)部水合物相變規(guī)律，氣水多相滲流并伴隨氣水砂運(yùn)移及外部環(huán)境傳熱過(guò)程還未完全探明，同時(shí)開(kāi)采過(guò)程中因砂質(zhì)膠結(jié)水合物分解帶來(lái)沉積層力學(xué)特性變化仍是導(dǎo)致水合物安全開(kāi)采的主要問(wèn)題之一。因此，實(shí)現(xiàn)水合物安全、高效、經(jīng)濟(jì)開(kāi)采仍然有許多瓶頸需要突破。

天然氣水合物的研究發(fā)展經(jīng)歷了組成結(jié)構(gòu)研究、熱力學(xué)模型測(cè)定和動(dòng)力學(xué)研究等3個(gè)階段，如圖1所示。1810年，氯氣水合物在實(shí)驗(yàn)室中第1次被人工合成，開(kāi)啟了水合物研究歷史[3]。直到20世紀(jì)50年代，Stackelberg[4-5]和Claussen[6-7]首次確定了Ⅰ型和Ⅱ型水合物結(jié)構(gòu)是由小分子氣體和水分子在低溫高壓條件下形成的籠型晶體，使得水合物的研究進(jìn)入快速發(fā)展階段。1958年，Waals和Platteeuw[8]提出了基于統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的水合物熱力學(xué)模型，開(kāi)啟了對(duì)水合物熱力學(xué)性質(zhì)、賦存條件的研究。1965年，前蘇聯(lián)在開(kāi)發(fā)了麥索雅哈氣田的同時(shí),首次發(fā)現(xiàn)自然界中存在的天然氣水合物藏，引起了工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并于1968年[9]進(jìn)行了水合物的首次成功試采，但試采過(guò)程中出現(xiàn)的產(chǎn)氣量低、水合物管道堵塞等突出問(wèn)題阻礙了水合物開(kāi)采的進(jìn)一步發(fā)展，由此水合物開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層內(nèi)部的相變規(guī)律等問(wèn)題引起了科學(xué)家的興趣。

圖1 天然氣水合物研究發(fā)展歷程Fig.1 Research history of natural gas hydrate

1993年第一屆天然氣水合物大會(huì)的召開(kāi)象征著水合物研究進(jìn)入全面發(fā)展階段，水合物研究的基本格局已經(jīng)形成。由于天然氣水合物具有重要的戰(zhàn)略意義和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，世界各國(guó)均將天然氣水合物開(kāi)發(fā)列入國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略。日本、加拿大、美國(guó)先后于1998年、2002年和2012年開(kāi)展了本國(guó)水合物的試采。美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家率先制訂了全面的天然氣水合物研究發(fā)展計(jì)劃，并從能源儲(chǔ)備戰(zhàn)略角度考慮，相繼開(kāi)展了本國(guó)專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)和國(guó)際海底區(qū)域內(nèi)的調(diào)查研究、資源評(píng)價(jià)和有關(guān)天然氣水合物的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究[10-11]，內(nèi)容包括天然氣水合物的成藏機(jī)理、勘探技術(shù)、開(kāi)采技術(shù)、利用技術(shù)、環(huán)境影響等。

從開(kāi)采方式角度來(lái)看，日本在Nankai海槽附近于2013年、2017年均采用了降壓開(kāi)采方式，但都由于井筒內(nèi)部砂堵嚴(yán)重造成出砂堵塞而中斷產(chǎn)氣試驗(yàn)，因此儲(chǔ)層井筒內(nèi)多相多組分運(yùn)移機(jī)制以及出砂機(jī)制與防控技術(shù)成為當(dāng)前研究突破方向。2017年，我國(guó)也在南海神狐海域試采階段利用了降壓開(kāi)采方式，但并未出現(xiàn)明顯砂堵現(xiàn)象。早在凍土區(qū)域的早期開(kāi)采場(chǎng)地試驗(yàn)中，加拿大Mallik在2002年采用了注熱的開(kāi)采方式，但產(chǎn)氣效率較低，大量分解氣滯留在儲(chǔ)層內(nèi)部，而在2008年采用了降壓的方法，但由于環(huán)境熱源供應(yīng)不足，出現(xiàn)了結(jié)冰二次生成現(xiàn)象?？傊?dāng)前水合物現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)通常采用的天然氣水合物開(kāi)采方法主要還是以降壓為主[1,12]。

2015年9月，中國(guó)海油在國(guó)內(nèi)首次完全依靠自主研制的全套裝備成功獲取海洋天然氣水合物樣品(圖2)，并于2017年5月完全依托自主工藝、自主研制的裝備在水深1 310 m、埋深117～196 m處，首次在全球采用深水勘察船實(shí)施海洋非成巖天然氣水合物固態(tài)流化試采獲得成功[11]，從而為天然氣水合物開(kāi)發(fā)提供了新的思路。

圖2 2015年9月中國(guó)海油利用自主研制裝備成功獲取海洋天然氣水合物樣品Fig.2 Succesfully obtained marine samples of natural gas hydrate with independently developed equipment by CNOOC in September,2015

2 研究方向分析與思考

2.1 研究方向分析

根據(jù)第九屆世界水合物大會(huì)(ICGH9)和第十一屆世界水合物開(kāi)發(fā)大會(huì)(FIERYICE-11)等相關(guān)資料，世界各國(guó)對(duì)天然氣水合物的研究方向主要集中在以下方面：

1) 儲(chǔ)層基礎(chǔ)物性研究方向主要集中在天然氣水合物結(jié)構(gòu)特征、天然氣水合物地球物理表征、含天然氣水合物沉積物物理特性[7-8]、天然氣水合物界面現(xiàn)象、天然氣水合物動(dòng)力學(xué)特征[9- 10]、天然氣水合物分子模擬[11]、天然氣水合物生產(chǎn)流動(dòng)保障、天然氣水合物分離與儲(chǔ)存。

2) 開(kāi)發(fā)研究方向主要集中在天然氣水合物開(kāi)采過(guò)程中黏土對(duì)砂的可壓縮性和滲透率的影響(主要研究機(jī)構(gòu)為路易斯安那州立大學(xué))、水合物礦場(chǎng)的地質(zhì)力學(xué)和流體耦合模擬(主要研究機(jī)構(gòu)為德州農(nóng)工大學(xué))、天然氣水合物開(kāi)發(fā)過(guò)程中水合物顆粒在儲(chǔ)層中的流動(dòng)特性多尺度試驗(yàn)研究(主要研究機(jī)構(gòu)為美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校)。

3) 環(huán)境保護(hù)研究方向主要集中在天然氣水合物海底滲漏“噴口”室內(nèi)模擬與現(xiàn)場(chǎng)觀察(主要研究機(jī)構(gòu)為美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局)、美國(guó)大西洋邊緣天然氣水合物系統(tǒng)中甲烷釋放引發(fā)海洋酸化和大氣排放的特征(主要研究機(jī)構(gòu)為美國(guó)羅切斯特大學(xué)、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局)、電磁法表征天然氣水合物礦床及與水合物分解相關(guān)的導(dǎo)電率變化(主要研究機(jī)構(gòu)為美國(guó)加州大學(xué)、美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)際實(shí)驗(yàn)室)。

此外，世界天然氣水合物勘探/試采研究范圍很廣，深淺不一，從1965年西伯利亞凍土帶到2017年南海海洋勘探試采以來(lái)已歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)，雖有進(jìn)展，但總體緩慢，主要受地緣政治形勢(shì)變化、世界經(jīng)濟(jì)放緩、美國(guó)頁(yè)巖氣革命等影響。

2.2 研究方向思考

針對(duì)當(dāng)前全球天然氣水合物研究方向的分析，認(rèn)為在以下幾個(gè)方面需要重點(diǎn)關(guān)注：

1) 針對(duì)勘探和地質(zhì)方面的研究，其核心是從水合物的特征特性入手，就水合物而“水合物”，如注重水合物的成因、結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)物性和水合物樣品的力學(xué)特征等參數(shù)，需要把更多的地質(zhì)研究聯(lián)系到實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用開(kāi)采方面。

2) 針對(duì)經(jīng)濟(jì)性定量標(biāo)準(zhǔn)方面的研究，目前天然氣水合物已探明儲(chǔ)量巨大，但是能夠持續(xù)產(chǎn)氣且水合物資源密度大的水合物藏(水合物的甜點(diǎn)富集區(qū))在量化評(píng)價(jià)上無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，天然氣水合物的甜點(diǎn)富集區(qū)表征、天然氣水合物豐度定量也無(wú)統(tǒng)一表示。因此，水合物開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)性定量標(biāo)準(zhǔn)制定不僅依賴于水合物開(kāi)采技術(shù)的突破，更重要的是需要更多的、全面的現(xiàn)場(chǎng)及勘探數(shù)據(jù)。

3) 針對(duì)開(kāi)采方法方面的研究，目前水合物開(kāi)采方法主要借鑒油氣田的開(kāi)采，水合物獨(dú)特的熱力學(xué)特性和開(kāi)采過(guò)程中的相變行為使得水合物在管道開(kāi)采過(guò)程中需要異于油氣開(kāi)采的防治措施。傳統(tǒng)油氣開(kāi)采主要是直接開(kāi)采，開(kāi)采過(guò)程中石油或天然氣處于穩(wěn)定狀態(tài)。但天然氣水合物與之不同，在開(kāi)采過(guò)程中由于溫度升高或壓力降低使得水合物分解發(fā)生相變，形成天然氣、水、儲(chǔ)層砂石三相混合物堵塞管道，并且由于熱力學(xué)不穩(wěn)定性使得混合物易在水合物管道中重新形成新的水合物而導(dǎo)致產(chǎn)氣降低、管道堵塞。因此，應(yīng)該更加細(xì)化二者之間存在的差別，進(jìn)而能更好地借鑒傳統(tǒng)油氣田開(kāi)發(fā)手段。圖3是日本科學(xué)家關(guān)于天然氣水合物開(kāi)發(fā)的試采井網(wǎng)示意圖[13]，這也是把天然氣水合物藏的開(kāi)發(fā)當(dāng)成油氣田開(kāi)發(fā)思路的另一種表現(xiàn)。

4) 針對(duì)開(kāi)發(fā)安全和環(huán)保方面的研究，目前一般僅專(zhuān)注于水合物本身分解后天然氣所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)、地質(zhì)滑坡、環(huán)境影響的理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有與開(kāi)發(fā)工程相結(jié)合，更沒(méi)有針對(duì)不同開(kāi)發(fā)模式所引起的安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)研究及模擬實(shí)驗(yàn)，因此需要進(jìn)行詳細(xì)探討。例如，采用降壓法開(kāi)采海洋天然氣水合物時(shí)，如果上覆泥砂層很薄，氣化的天然氣向上逃逸，氣體流動(dòng)具有不確定性，既可能沿著生產(chǎn)管線流動(dòng)，也可能從井筒外向海底溢出，應(yīng)開(kāi)展對(duì)安全生態(tài)的影響評(píng)價(jià)；如果水合物礦體膠結(jié)疏松，多為泥質(zhì)粉砂，因天然氣水合物分解后大量出砂，應(yīng)考慮砂體流化后的處理措施以及生產(chǎn)過(guò)程中的防砂措施；天然氣水合物因降壓而在地層氣化，應(yīng)開(kāi)展地層中無(wú)支撐力的大型空間(地質(zhì)垮塌)的評(píng)估。此外，深海非成巖天然氣水合物固態(tài)流化開(kāi)采方法還面臨以下問(wèn)題：大規(guī)模海底采掘?qū)５咨鷳B(tài)的影響未知；規(guī)模采掘天然氣水合物后，雖有部分泥砂回填[11](圖4)，但上覆泥砂層對(duì)海底環(huán)境的影響未知。

圖3 日本天然氣水合物試采井網(wǎng)[13]Fig.3 Natural gas hydrate test well network in Japan[13]

圖4 深海非成巖天然氣水合物固態(tài)流化法泥砂回填示意圖[11]Fig.4 Schematic diagram of solid-state fluidization method in deep-sea and nondiagenetic natural gas hydrate for backfilling of mud and sand[11]

3 幾點(diǎn)建議

3.1 將天然氣水合物礦體整個(gè)地質(zhì)背景作為研究對(duì)象

不僅要研究水合物層本身，還要將天然氣水合物礦體形成的整個(gè)地質(zhì)背景作為研究對(duì)象，進(jìn)行系統(tǒng)研究。常規(guī)油氣田的研究包括儲(chǔ)層的整個(gè)地質(zhì)背景，不僅要研究?jī)?chǔ)層，還要研究油層下的水層，分析生、儲(chǔ)、蓋層的組合關(guān)系以及在油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的相互關(guān)系。如圖5所示，將天然氣水合物整個(gè)地質(zhì)背景作為研究對(duì)象[14]，除了研究天然氣水合物儲(chǔ)層外，還應(yīng)包括：①水合物層上覆泥砂層的厚度、膠結(jié)程度、密度、粒度分布；②自由氣層的厚度、氣含量、粒度分布、膠結(jié)程度、孔隙度、滲透率；③自由氣下伏地層的厚度、膠結(jié)程度、密度、粒度分布；④開(kāi)采過(guò)程中各層之間壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。

3.2 從開(kāi)發(fā)角度將天然氣水合物藏分成成巖和非成巖兩大類(lèi)，并細(xì)分為6級(jí)

目前對(duì)于天然氣水合物的分類(lèi)主要按照天然氣水合物賦存方式、地質(zhì)環(huán)境及氣源等分類(lèi)方法。2014年在印度海德拉巴召開(kāi)的第九屆世界天然氣水合物開(kāi)發(fā)大會(huì)上，筆者第1次提出將天然氣水合物分為成巖天然氣水合物和非成巖天然氣水合物兩大類(lèi)。2018年在中國(guó)成都召開(kāi)的第十一屆世界水合物開(kāi)發(fā)大會(huì)上，又進(jìn)一步將其細(xì)分為6級(jí)。天然氣水合物巖石骨架的成巖級(jí)別是儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和目標(biāo)評(píng)價(jià)的重要根據(jù)。從開(kāi)發(fā)角度，建議引入成巖水合物和非成巖水合物的概念，以巖石骨架的穩(wěn)定程度為主要依據(jù)，重點(diǎn)考慮是否成巖、巖石骨架結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定、顆粒粒徑及膠結(jié)方式等因素，將天然氣水合物細(xì)分成6級(jí)(表1)。

圖5 天然氣水合物礦體地質(zhì)背景系統(tǒng)層位圖[12]Fig.5 Natural gas hydrate ore body geological background system horizon map[12]

表1 天然氣水合物藏分類(lèi)Table 1 Classification of natural gas hydrates

3.3 加強(qiáng)天然氣水合物、淺層氣、常規(guī)油氣等三氣合采研究

從目前發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物樣品分析中可以看出，天然氣水合物藏下均有自由氣和淺層氣，在天然氣水合物附近常伴有常規(guī)氣田(圖6)，3種氣源可能往往來(lái)自共同的烴源巖。以荔灣3-1氣田開(kāi)發(fā)為例[15](圖7)，從地震剖面上看，水合物下面存在淺層氣，與該氣田相隔僅10 km；若采用1套生產(chǎn)工程設(shè)施體系開(kāi)發(fā)，既可充分利用資源，又能聯(lián)合開(kāi)發(fā)3種氣體(天然氣水合物、淺層氣、常規(guī)氣)。因此，有必要研究采用1套工程設(shè)施實(shí)現(xiàn)三氣合采，在工程設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)方案和生產(chǎn)流程方面共同考慮，這可能是早期實(shí)現(xiàn)商業(yè)性開(kāi)發(fā)的有效途徑。

圖6 三氣同源示意圖Fig.6 Three-gas homology diagram

圖7 荔灣3-1氣田開(kāi)發(fā)示意圖[15]Fig.7 Schematic diagram of the development of the LW 3-1 gas field[15]

3.4 同時(shí)研究開(kāi)發(fā)天然氣水合物及下覆淺層氣

淺層氣是天然氣水合物開(kāi)發(fā)潛在的危險(xiǎn)。某國(guó)外石油公司在鉆井過(guò)程中鉆遇天然氣水合物層后發(fā)生淺層氣泄漏，如圖8所示。淺層氣體一部分上返，一部分進(jìn)入海水中，對(duì)工程作業(yè)產(chǎn)生極大風(fēng)險(xiǎn)，但如何開(kāi)采幾乎未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

圖8 鉆井過(guò)程中天然氣水合物層淺層氣泄漏Fig.8 Shallow gas leakage of natural gas hydrate layer during drilling

淺層氣同時(shí)也是潛在的資源，應(yīng)把它作為重要的研究對(duì)象。深海天然氣水合物藏下部常有淺層氣(自由氣)，如圖9所示,水合物儲(chǔ)存區(qū)一般位于水深300 m以上、海床下1 000 m以內(nèi)的范圍。

3.5 針對(duì)不同開(kāi)發(fā)模式開(kāi)展對(duì)應(yīng)的環(huán)保措施研究

現(xiàn)階段的環(huán)保措施研究往往采用實(shí)驗(yàn)室模擬水合物生成再氣化的方式開(kāi)展，然而不同類(lèi)型的天然氣水合物需采取不同的開(kāi)發(fā)模式(表2)，不同的開(kāi)發(fā)模式所采用的開(kāi)采技術(shù)、裝備和環(huán)境保護(hù)要求等存在較大差異，因此建議開(kāi)展與開(kāi)發(fā)模式相對(duì)應(yīng)的環(huán)境保護(hù)措施研究。

圖9 中國(guó)南海某天然氣水合物井地震反演Fig.9 Seismic inversion of a natural gas hydrate well in the South China Sea

表2 不同天然氣水合物類(lèi)型的開(kāi)發(fā)方式Table 2 Development methods of different gas hydrate types

3.6 加大天然氣水合物富集區(qū)描述和豐度定量表征相關(guān)技術(shù)研究

天然氣水合物在地層富存狀態(tài)條件下存在大量裂縫及脈絡(luò)狀紋路，構(gòu)成水合物賦存的較大空間，如圖10所示。圖10中基質(zhì)滲透率僅為0.6～0.9 mD,采用隨鉆測(cè)井法、氯離子濃度法和電阻率法核算的天然氣飽和度為30%～45%，而從開(kāi)發(fā)角度看，富集在縫隙和脈絡(luò)中的天然氣水合物對(duì)于產(chǎn)量貢獻(xiàn)起著關(guān)鍵作用。建議加大天然氣水合物富集區(qū)描述方法研究，并根據(jù)不同天然氣水合物的類(lèi)型，依據(jù)天然氣水合物本身孔隙結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)物性，建立天然氣水合物豐度定量表征方法。在此基礎(chǔ)上，找到具有商業(yè)開(kāi)采價(jià)值的天然氣水合物富集區(qū)甜點(diǎn)。

圖10 中國(guó)南海天然氣水合物取樣樣品CT分析圖像Fig.10 CT analysis image of natural gas hydrate samples in the South China Sea

4 結(jié)束語(yǔ)

海洋天然氣水合物開(kāi)發(fā)在基礎(chǔ)理論研究和開(kāi)采方法、裝備、運(yùn)營(yíng)模式等各個(gè)方面都面臨巨大挑戰(zhàn)，通過(guò)對(duì)天然氣水合物開(kāi)發(fā)研究現(xiàn)狀及方向的研究和思考，提出了未來(lái)天然氣水合物研究方向的幾點(diǎn)建議，以期早日實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的大規(guī)模商業(yè)性開(kāi)發(fā)，為人類(lèi)的持續(xù)能源供給做出貢獻(xiàn)。