歐芬蘭，于彥江，寇貝貝，陳靚

1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天然氣水合物工程技術(shù)中心，廣州 510075

2. 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510075

3. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075

天然氣水合物（簡(jiǎn)稱水合物）主要是由天然氣分子與水分子在符合相平衡的特定壓力和溫度條件下形成的類冰結(jié)晶狀固體物質(zhì)，其主要發(fā)育在特定的地理背景下，如海洋深水沉積地層和陸地永久凍土層[1-2]。水合物屬于低能源密度資源，理想狀態(tài)下每單位體積的水合物可以釋放出164 單位體積天然氣和0.8 單位體積水，其燃燒熱值是煤炭的10 倍，普通天然氣的2～5 倍[3]。與傳統(tǒng)能源相比，水合物燃燒后的主要產(chǎn)物是二氧化碳和水，不會(huì)生成有害氣體和雜質(zhì)，且生成相同能量的情況下，只會(huì)產(chǎn)生一半體積的二氧化碳，具有綠色無(wú)污染的燃燒特征。據(jù)早期研究估算，全球水合物蘊(yùn)含的天然氣資源量約為2.0×1016m3[4-5]，其燃燒所能獲得的熱量值是現(xiàn)有所有傳統(tǒng)油氣（煤、石油、天然氣）熱量值的兩倍。隨著水合物資源量估算研究的發(fā)展，雖然估算的資源量值迅速下降，估計(jì)全球水合物資源量約為3.0×1015m3[6-7]，但也仍比常規(guī)天然氣或頁(yè)巖氣資源量值高出一個(gè)數(shù)量級(jí)[8]。其中，全球海域水合物資源儲(chǔ)量相比凍土水合物資源儲(chǔ)量要高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)[9]。因此，水合物被譽(yù)為21 世紀(jì)最有開(kāi)發(fā)價(jià)值和前景的清潔能源，并有望改善目前非清潔能源占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)的能源架構(gòu)[10-12]。尤其是目前全球各國(guó)都處于能源需求量劇增的快速發(fā)展階段，急需發(fā)展新型能源來(lái)減輕對(duì)傳統(tǒng)油氣的需求，天然氣水合物商業(yè)化開(kāi)發(fā)成為各國(guó)爭(zhēng)相開(kāi)展的研究重點(diǎn)[13-15]。

然而，如何將水合物從地層中安全、高效、經(jīng)濟(jì)的開(kāi)采出來(lái)，仍然存在很多技術(shù)難題。不論從能源形態(tài)、賦存狀態(tài)或者開(kāi)采方式等方面進(jìn)行對(duì)比，水合物和傳統(tǒng)油氣都存在本質(zhì)區(qū)別。傳統(tǒng)油氣在儲(chǔ)層中的相態(tài)和開(kāi)采到地面的相態(tài)一致，且開(kāi)采后不會(huì)影響該儲(chǔ)層的地層性質(zhì)，不易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。水合物則是一種相態(tài)不穩(wěn)定的化合物，主要存在于高壓低溫儲(chǔ)層環(huán)境中，并以固體形態(tài)存在，在水合物開(kāi)采過(guò)程中，相平衡條件破壞后會(huì)伴隨著水合物相態(tài)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象發(fā)生，從固相分解成氣相和液相。而水合物賦存在沉積地層中，作為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)對(duì)地層起到支撐的作用，如果開(kāi)采不當(dāng)而導(dǎo)致其大量分解，就會(huì)破壞海洋深水沉積地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，引發(fā)井噴、地層失穩(wěn)塌陷[16]以及大量甲烷氣體釋放等危害[17-18]，嚴(yán)重威脅海洋生態(tài)環(huán)境和開(kāi)采人員人身安全[10,19-21]。

近20 年來(lái)，世界上共有5 個(gè)國(guó)家開(kāi)展了水合物試采，分別是俄羅斯、加拿大、美國(guó)、日本和中國(guó)，試采的地區(qū)也從最初的陸地永久凍土區(qū)逐漸向海域地區(qū)發(fā)展[22-24]。然而多數(shù)水合物開(kāi)采方法仍處于概念和實(shí)驗(yàn)研究階段，沒(méi)有形成一套完整的開(kāi)采理論。“裝備安全、生產(chǎn)安全和環(huán)境安全”作為制約水合物安全高效開(kāi)采的3 大技術(shù)挑戰(zhàn)尚未實(shí)現(xiàn)根本性突破，距離水合物資源商業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的研究道路。雖然隨著試采技術(shù)的發(fā)展，試采項(xiàng)目的連續(xù)產(chǎn)氣時(shí)間、最高日產(chǎn)量和累計(jì)總產(chǎn)量都具有很明顯的提升。但是，現(xiàn)有的水合物開(kāi)采方法和技術(shù)在試采項(xiàng)目中獲得的產(chǎn)氣量，與國(guó)際上認(rèn)可的天然氣商業(yè)化開(kāi)發(fā)工業(yè)氣流標(biāo)準(zhǔn)仍存在相當(dāng)大的差距[25]。從各國(guó)的試采結(jié)果來(lái)看，大多都存在生產(chǎn)效率低、產(chǎn)量下降快、地層出砂嚴(yán)重、水合物二次生成等問(wèn)題，還很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的開(kāi)采[26]。而且由于試采時(shí)間短，回避了長(zhǎng)期開(kāi)采水合物大面積分解后可能面臨的潛在地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。目前開(kāi)展的幾次試采，主要考慮工程操作的簡(jiǎn)便性和經(jīng)濟(jì)性，大多以降壓法為主要的開(kāi)采方式。但是以降壓法為核心理念的開(kāi)采技術(shù)的單井產(chǎn)氣量瓶頸明顯，制約了水合物資源商業(yè)化發(fā)展進(jìn)程，迫切需要以增加產(chǎn)能、降低成本、確保長(zhǎng)期和安全生產(chǎn)為指導(dǎo)，在現(xiàn)有技術(shù)方法基礎(chǔ)上進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展開(kāi)采技術(shù)，建立完整的開(kāi)采理論，才能實(shí)現(xiàn)水合物資源商業(yè)化開(kāi)采。結(jié)合水合物開(kāi)采的發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)有開(kāi)采方法都存在各自的局限性，采用單一開(kāi)采方法無(wú)法滿足水合物商業(yè)化開(kāi)采要求，未來(lái)必將圍繞如何以多種開(kāi)采方法聯(lián)合應(yīng)用為核心來(lái)推進(jìn)水合物商業(yè)化進(jìn)程。

此外，水合物藏的成藏體系是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，不同的控制因素會(huì)導(dǎo)致不同水合物藏的形成特性，如地質(zhì)條件、溫壓條件、氣體來(lái)源、運(yùn)移情況等都是水合物成藏的關(guān)鍵要素。一般通過(guò)強(qiáng)調(diào)某一方面因素對(duì)水合物成藏的影響，從而進(jìn)行多種水合物藏的類型區(qū)分。根據(jù)地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)、組成、儲(chǔ)層等特性不同，水合物賦存類型可以從地理?xiàng)l件、物質(zhì)組成、產(chǎn)出狀態(tài)和充填方式等方面進(jìn)行歸類；根據(jù)水合物形成的物質(zhì)供給來(lái)源、地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和氣源等分類因素不同，可以對(duì)水合物成藏模式開(kāi)展多方面的研究；根據(jù)水合物儲(chǔ)層的沉積物類型、水合物飽和度和地層圈閉結(jié)構(gòu)等地質(zhì)特征，可以從宏觀地質(zhì)特征對(duì)水合物藏進(jìn)行分類分析。不同的水合物藏，其成因機(jī)理、分布規(guī)律和成藏條件都各不相同，然而這些因素對(duì)開(kāi)采方案設(shè)計(jì)、施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估、開(kāi)采成本控制和能否進(jìn)行商業(yè)化開(kāi)采等方面起到?jīng)Q定性影響[27]。因此，作者認(rèn)為在對(duì)某水合物藏進(jìn)行開(kāi)采之前，應(yīng)當(dāng)對(duì)該水合物藏的賦存類型、成藏模式、儲(chǔ)層特性等地質(zhì)特征進(jìn)行深入勘探和研究分析，并最終判斷該水合物藏是否具有開(kāi)采價(jià)值。之后在現(xiàn)有開(kāi)采技術(shù)條件下，綜合考慮開(kāi)采方法選擇、開(kāi)采成本控制以及開(kāi)采施工安全等問(wèn)題，從而優(yōu)選出最適宜該水合物藏的開(kāi)采方案。

1 全球水合物的海陸資源分布

全世界約有27%的陸地和90%的海洋都屬于水合物可能存在的區(qū)域，且海洋天然氣水合物無(wú)論從資源量?jī)?chǔ)量、開(kāi)采價(jià)值和存在區(qū)域面積等方面都遠(yuǎn)超陸地天然氣水合物。目前，已有30 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)對(duì)水合物沉積層進(jìn)行了調(diào)查和研究，并在70 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)探測(cè)到230 多處區(qū)域存在天然氣水合物[8,28-29]，如圖1 所示[30]。為了更直 觀地認(rèn)識(shí)目前勘探發(fā)現(xiàn)的全世界主要陸地凍土和海域水合物資源的分布狀態(tài)，對(duì)全球主要海陸水合物分布帶進(jìn)行總結(jié)，如表1 所示[31]。

表1 全世界主要的陸地凍土和海域水合物分布帶[31]Table 1 Major marine and land gas hydrate distribution zones in the world[31]

圖1 世界上存在水合物資源的區(qū)域[30]Fig.1 Regions with gas hydrate resources in the world[30]

在自然條件下，地層需要具有充足的氣源、氣體運(yùn)移通道和孔隙水、低溫高壓等特定地質(zhì)條件，沉積物中才能實(shí)現(xiàn)水合物的生成和穩(wěn)定存在，因此，水合物最有可能存在于永久凍土地區(qū)和主動(dòng)或者被動(dòng)大陸邊緣海底沉積層[43]。

永久凍土層的溫度常年處于極低狀態(tài)，凍土層某深度段地層系統(tǒng)的高壓低溫環(huán)境為水合物的生成和穩(wěn)定存在提供了條件。目前，世界上主要勘探發(fā)現(xiàn)的凍土帶水合物藏主要分布在加拿大、美國(guó)和俄羅斯北極陸坡地區(qū)，這些區(qū)域常年氣溫低，形成了很厚的永久凍土帶。水合物穩(wěn)定區(qū)域頂界位于地面以下約200～300 m 的凍土層內(nèi)，根據(jù)不同區(qū)域地?zé)岷涂紫端}度的不同，底部邊界深度會(huì)有所變化，一般都處于500～1 200 m 范圍內(nèi)[44]。

在海洋或內(nèi)陸湖的深水區(qū)域也存在水合物，但是內(nèi)陸湖不能形成富集的厚水合物儲(chǔ)層，而海洋中具備更好的水合物生成條件，如大洋邊緣板塊的匯聚帶、主動(dòng)和被動(dòng)大陸邊緣隆起帶、島嶼海底斜坡地帶、深海平原、海底泥火山活動(dòng)區(qū)和海底滑塌區(qū)等區(qū)域[45]。目前，世界上主要勘探發(fā)現(xiàn)的海底水合物藏主要分布在中國(guó)南海、日本南海、印度沿海、美國(guó)墨西哥灣、韓國(guó)東海等海域，在海底地層構(gòu)造和板塊活動(dòng)作用下，這些區(qū)域具備非常利于水合物大規(guī)模富集成藏的條件。水合物一般存在于海水水深大于300 m，海床厚度1 000 m 范圍內(nèi)的海底沉積物中[46]。

雖然大量研究成果表明全球水合物資源潛能巨大，且廣泛分布在世界大部分海洋深水海域和永久凍土沉積地層中，但并不是所有水合物資源都是可以開(kāi)采的，而且這些資源賦存于不同儲(chǔ)集類型中，分布不平均。水合物資源和常規(guī)油氣資源具有相似性，一些具有開(kāi)采價(jià)值的儲(chǔ)集類型往往蘊(yùn)藏量較少，而另一些具有生產(chǎn)挑戰(zhàn)性的儲(chǔ)集類型往往蘊(yùn)藏量較多，根據(jù)這一特征，Boswell R[7]提出“天然氣水合物資源金字塔”概念的資源分布圖，如圖2 所示，位于金字塔頂端位置為高品質(zhì)砂巖水合物，具有高飽和度、較好的滲透性等特征，該類型水合物開(kāi)采前景高，但是儲(chǔ)量相對(duì)較少；位于金字塔中間位置為海底砂巖和非砂巖水合物，具有高飽和度、一定滲透性等特征，該類型水合物借助于勘查技術(shù)的突破，大量原來(lái)不能開(kāi)采的資源已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)采；位于金字塔底部位置為海底泥巖水合物，具有低飽和度、不具滲透性等特征，該類型水合物儲(chǔ)量巨大，但是開(kāi)采難度大，不易實(shí)現(xiàn)開(kāi)采，需要更多更新的科學(xué)技術(shù)突破，將是未來(lái)提高開(kāi)采技術(shù)和開(kāi)采經(jīng)濟(jì)性的重要研究方向[47-49]。

圖2 天然氣水合物資源金字塔及主要地層類型[50]Fig.2 Pyramid of natural gas hydrate resources and main stratigraphic types[50]

2 水合物賦存類型、成藏模式及儲(chǔ)層分類

2.1 水合物賦存類型

水合物結(jié)晶的形成與該區(qū)域地理位置的沉積環(huán)境、氣體組分和來(lái)源、地溫梯度、流體組成和運(yùn)移等因素密切相關(guān)，其成長(zhǎng)速度受該區(qū)域地層沉積物顆粒形狀和體積、孔隙度和滲透率等多方面因素的影響。根據(jù)地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)、組成、儲(chǔ)層等特性不同，對(duì)水合物賦存類型識(shí)別的研究可以歸類為多種不同類型，如地理?xiàng)l件、物質(zhì)組成、產(chǎn)出狀態(tài)和充填方式等[51]。本文主要對(duì)不同類型和特征的水合物藏的開(kāi)采方法適用性進(jìn)行分析，并優(yōu)選出最佳的開(kāi)采方法，故著重對(duì)影響開(kāi)采方法選擇的賦存類型進(jìn)行分析。

2.1.1 水合物產(chǎn)出狀態(tài)分類

根據(jù)水合物的地質(zhì)特征，結(jié)晶在沉積層中的產(chǎn)狀不同，現(xiàn)有各個(gè)研究學(xué)者對(duì)水合物產(chǎn)出狀態(tài)進(jìn)行分類，Malone[52]對(duì)沉積層水合物的膠結(jié)性質(zhì)進(jìn)行研究，并將水合物產(chǎn)狀分為良好分散狀水合物、塊狀水合物、層狀水合物和結(jié)核狀水合物。Uchida[53]對(duì)加拿大Mackenzie 三角洲的水合物巖芯進(jìn)行取樣，并進(jìn)行了X 射線斷層掃描技術(shù)研究，進(jìn)一步將沉積層水合物細(xì)分為散粒狀水合物、孔隙狀水合物、扁平狀水合物、脈絡(luò)狀水合物、節(jié)理狀水合物和層狀水合物。Collett[54]提出“天然氣水合物油氣系統(tǒng)”概念，詳細(xì)分析了不同產(chǎn)出狀態(tài)水合物在地層中的存在位置，以及實(shí)際鉆取到的水合物巖芯實(shí)物圖，如圖3 所示。

圖3 不同天然氣水合物系統(tǒng)的組成原理[55]a. 水合物充填脈狀網(wǎng)，b. 大的水合物透鏡體，c. 在海洋砂中顆粒充填水合物，d. 大的海底丘，e. 在海洋黏土中孔隙充填水合物，f. 在陸地北極地區(qū)砂巖或礫巖中孔隙充填水合物。Fig.3 Occurrence of different gas hydrate systems[55]a. networks of hydrate-filled veins, b. massive hydrate lenses, c. grain-filling methane hydrate in marine sands, d. massive sea-floor mounds, e. grain-filling methane hydrate in marine clays, f. grain-filling methane hydrate in onshore Arctic sands/conglomerates.

因此，在宏觀角度上，水合物在多孔沉積物中的產(chǎn)出狀態(tài)可以分為塊狀、結(jié)節(jié)狀、層狀、脈狀和彌散狀。塊狀和結(jié)節(jié)狀水合物是指水合物以塊狀和結(jié)節(jié)狀生長(zhǎng)，并伴隨有少量砂巖土顆粒的大型水合物結(jié)構(gòu)，如中國(guó)南海神狐海域[56]；層狀和脈狀水合物是指水合物生長(zhǎng)并填充于沉積物裂縫中，通常存在于陸地近?；蛘邇鐾恋貐^(qū)，如中國(guó)祁連山永久凍土帶[57]；彌散狀水合物是指水合物以細(xì)碎狀分散于沉積物顆粒孔隙之間，海洋沉積物中水合物多為這種類型。塊狀、結(jié)節(jié)狀、層狀和脈狀水合物通常存在于淺斷裂隙、沉積物層間薄弱帶、海底表面等局部區(qū)域位置，粒徑大于正常沉積物孔隙，可從鉆取得到的原位水合物巖芯中觀測(cè)到其存在位置。而彌散狀水合物通常存在于微米納米級(jí)孔隙的沉積物中，水合物顆粒尺寸小且零星分布，無(wú)法用肉眼觀察。

2.1.2 水合物充填方式分類

隨著水合物原位鉆取得到的巖芯增多，研究人員根據(jù)水合物實(shí)際樣品情況，按照水合物在沉積物中的充填方式對(duì)水合物進(jìn)行分類。Jian-chun Dai[58]根據(jù)分析儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)建立模型，將水合物歸納為兩大類6 種微觀結(jié)構(gòu)模式（圖4）。第一大類是沉積物顆粒作為包含物，而水合物以作為沉積層的巖石骨架形式存在，包括水合物在顆粒接觸點(diǎn)的位置上以膠結(jié)顆粒形式存在（圖4a）、水合物以包裹顆粒的外部包殼形式存在（圖4b）、水合物以作為顆粒間承重的雜基形式存在（圖4c）以及水合物以包裹體的形式均勻分布在作為基質(zhì)的沉積物顆粒周圍（圖4e）。第二大類是在沉積層的孔隙裂縫中，水合物以作為孔隙填充物的模式存在，包括水合物以孔隙填充物的形式存在（圖4d）和水合物以結(jié)核或者裂縫填充物的形式存在（圖4f）。

圖4 水合物在儲(chǔ)層中的賦存類型[58]a. 顆粒接觸點(diǎn)處的膠結(jié)物，b. 顆粒包殼，c. 承重雜基，d. 孔隙填充物，e. 水合物包裹體，f. 結(jié)核或裂隙填充物。Fig.4 Types of hydrate occurrence in reservoirs[58]a. cement at contacts, b. grain coating, c. supporting matrix, d. pore filling,e. matrix and inclusions, f. nodules/fracture-filling.

Holland[59]依據(jù)各國(guó)關(guān)于水合物的勘查報(bào)告，進(jìn)一步將6 種水合物微觀結(jié)構(gòu)模式分為孔隙充填型和裂隙充填型水合物。孔隙充填型是指水合物在微觀孔隙中，占據(jù)顆粒間的孔隙流體空間而形成，并作為非承重類的孔隙填充物或者作為承重類的顆粒固定框架形式存在（圖4a-d）。該類型水合物的形成主要是受到儲(chǔ)層孔隙流體中有機(jī)碳總含量的限制，其成藏氣體主要來(lái)源于原地生物成因和地層深處上涌的甲烷氣體。甲烷氣體在流通性較好的沉積物中富集，成藏的水合物儲(chǔ)層一般都具有較高的滲透性，但是由于不同區(qū)域的沉積物的滲透率和孔隙度等物理性質(zhì)都不相同，造成不同區(qū)域形成的水合物飽和度分布差別較大，如俄羅斯麥索雅哈氣田[50]、美國(guó)阿拉斯加北坡凍土帶[37]、加拿大麥肯齊三角洲盆地[60]、中國(guó)祁連山永久凍土帶[61]、中國(guó)南海神狐海域[62]、美國(guó)布萊克海脊[63]、美國(guó)墨西哥灣[64]、日本南海海槽[65]。

裂隙充填型是指水合物在海底裂隙中，占據(jù)顆粒原有空間而形成（圖4f）。該類型水合物形成主要是地層深處的烴類氣體沿著斷裂、滑塌及褶皺等孔隙構(gòu)造向上滲透過(guò)程中，在適宜的溫壓條件下聚集生成水合物，其成藏氣體主要來(lái)源于底層的氣體滲漏現(xiàn)象。水合物一般存在于海底表面或淺層，受流體活動(dòng)的影響，故分布區(qū)域不集中。主要充填于斷裂地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)相關(guān)的裂縫中，形態(tài)由裂縫的形態(tài)決定，由于裂縫的成因是沉積層受到超壓氣體或者流體作用下破裂生成，因此，水合物可能以包括塊狀、結(jié)核狀、層狀或者脈絡(luò)狀等各種不規(guī)則形態(tài)存在[66-67]，如韓國(guó)郁陵盆地[68]、印度近海[69]。

2.2 水合物的成藏模式

水合物的成因非常復(fù)雜，不同的控制因素會(huì)導(dǎo)致不同的成藏地質(zhì)模式。研究學(xué)者對(duì)水合物的成藏模式進(jìn)行了多方面的研究討論，主要圍繞水合物形成的物質(zhì)供給來(lái)源、地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和氣源3 個(gè)分類依據(jù)開(kāi)展研究[55,70-71]。

以水合物藏的物質(zhì)供給來(lái)源為分類依據(jù)，可以分為靜態(tài)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[72-73]。其中，靜態(tài)系統(tǒng)可以細(xì)分為：冷卻作用-低溫模式是指水合物可以在氣藏、含水層或者凍結(jié)層內(nèi)形成，以分散的形式存在于巖石縫隙或與已存在的氣藏共生；擠壓作用-海侵模式是指游離氣和水在受到擠壓作用后，隨著地層壓力不斷增大而逐漸形成水合物；氣體豐度增大-成巖作用模式是指生物氣豐度溶解于孔隙水中并不斷增加，當(dāng)氣體彈性達(dá)到水合物形成的平衡壓力時(shí)生成水合物。該模式特征是不存在外界物質(zhì)的供給，只是地層自身系統(tǒng)變化形成，如中國(guó)祁連山凍土帶[74-75]、俄羅斯麥索雅哈氣田[76]、美國(guó)阿拉斯加北坡凍土帶[77]、加拿大麥肯齊三角洲盆地[78-79]。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可以細(xì)分為：滲流模式是指含氣體的滲流處于水合物相平衡穩(wěn)定區(qū)域時(shí)，流體中的氣體達(dá)到過(guò)飽和而生成水合物；泥火山作用模式是指賦存在經(jīng)受快速沉降作用的沉積地層，水合物大量富集且埋深較淺；沉降模式是指在崩塌沉降重力流作用下，水合物在重力構(gòu)造發(fā)育的陡峭陸坡區(qū)域生成；巖塊位移模式是指含氣藏的巨大陸地發(fā)生移位而沉降到較深海域中生成水合物。改模式特征是受地質(zhì)運(yùn)動(dòng)作用的影響，水合物相平衡穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行物質(zhì)交換并形成水合物，如中國(guó)南海神狐海域[80-81]、日本南海海槽[82-83]、韓國(guó)Ulleung 盆地[84]、印度Krishna-Godavari 盆地[85-86]。

以水合物藏的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境為分類依據(jù)，可以分為成巖型成藏地質(zhì)模式、構(gòu)造型成藏模式和復(fù)合型成藏模式[63,87-89]。其中，成巖型成藏地質(zhì)模式主要受沉積因素控制水合物形成與分布，在富碳沉積區(qū)，水合物生成和沉積作用同步進(jìn)行，使水合物在垂向上相平衡區(qū)域富集，如麥索雅哈氣田、阿拉斯加北坡凍土帶、麥肯齊三角洲盆地等；構(gòu)造型成藏模式主要受地質(zhì)構(gòu)造作用是指在被動(dòng)陸緣、海底泥火山或滑塌體沉積等地質(zhì)區(qū)域，當(dāng)含有過(guò)飽和氣體的流體或深部氣源向上運(yùn)移至淺部水合物相平衡地層而形成水合物，如布萊克海脊、日本南海海槽、墨西哥灣、里海等。復(fù)合型成藏模式同時(shí)受到成巖作用和構(gòu)造作用控制，其成藏氣來(lái)源于斷裂活動(dòng)或底辟構(gòu)造流體、孔隙流體運(yùn)移和淺層生物氣，水合物形成在滲透性相對(duì)高的沉積物中，如印度Krishna-Godavari 盆地及Andaman 群島附近海域。

以水合物藏的氣源為分類依據(jù)，可以分為成生物甲烷成因模式和熱解甲烷成因模式[90-91]。其中，生物甲烷成因模式是指生物作用形成的甲烷氣體，運(yùn)移到水合物相平衡穩(wěn)定區(qū)域而形成水合物，如祁連山凍土區(qū)、南海北部盆地等；熱解甲烷成因模式是指熱解形成的甲烷氣體通過(guò)通道上移到水合物相平衡穩(wěn)定區(qū)域而形成水合物，如墨西哥灣、加勒比海、黑海、北阿拉斯加、馬更些三角洲等。

2.3 水合物的儲(chǔ)層分類

根據(jù)水合物儲(chǔ)層的沉積物類型、水合物飽和度和地層圈閉結(jié)構(gòu)等地質(zhì)特征，可以從宏觀地質(zhì)特征對(duì)水合物藏進(jìn)行分析。Moridis[92]根據(jù)開(kāi)采難易程度，按照從易到難的順序?qū)⑺衔飪?chǔ)層分為4 大類（圖5）。

圖5 水合物的Moridis 儲(chǔ)層分類[92]Fig.5 The classification of hydrate reservoirs[92]

（1）I 類水合物是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最容易開(kāi)采的水合物類型，由上部水合物層和下部游離氣水混合層組成，通過(guò)釋放下部游離氣水混合層來(lái)使得地層壓力下降，就可以促使上部水合物層進(jìn)行分解。此外，在水合物分解之前的開(kāi)采初期就可以直接抽取甲烷氣體，產(chǎn)氣潛能巨大，最具商業(yè)開(kāi)采價(jià)值，分布區(qū)域如俄羅斯Messoyakha 氣田[93]、美國(guó)阿拉斯加北坡凍土帶[33]、加拿大Mallik 地區(qū)[94]、中國(guó)南海北部陸坡[95-96]等。

（2）II 類水合物是由上部水合物層和下部自由水層組成，與I 類水合物的構(gòu)造相似，儲(chǔ)層下部有水的存在，容易進(jìn)行降壓處理，為破壞相平衡條件激發(fā)水合物分解提供了優(yōu)勢(shì)條件，易實(shí)現(xiàn)開(kāi)采。I 類和II 類水合物都屬于高飽和度水合物富儲(chǔ)層，是水合物資源開(kāi)采最主要的類型，分布區(qū)域如墨西哥灣區(qū)域[97-98]、日本Nankai 海槽[99]等。

（3）III 類水合物是由上部水合物層和下部無(wú)流體層組成，上部水合物層具有較高的滲透率和較高的水合物飽和度，分布區(qū)域如中國(guó)祁連山凍土帶[100-101]、韓國(guó)Ulleung 盆地[102]、以及印度Krishna-Godavari 盆地[103]等。

（4）IV 類水合物是指儲(chǔ)層中零散分布的水合物，該水合物具有滲透率低和飽和度極低的特點(diǎn)，雖然在全球水合物儲(chǔ)量中占據(jù)很高的比例，但是很難對(duì)其進(jìn)行開(kāi)采，不具備商業(yè)開(kāi)采價(jià)值[35]。

3 水合物的開(kāi)采方法

水合物勘探開(kāi)采涉及眾多研究領(lǐng)域，水合物資源的分解相變使其開(kāi)采難度高于常規(guī)油氣能源，開(kāi)采技術(shù)更為復(fù)雜。迄今為止全球范圍內(nèi)還未實(shí)現(xiàn)真正意義上商業(yè)化大規(guī)模水合物資源開(kāi)采，世界各國(guó)對(duì)水合物資源開(kāi)采還未形成一套完整的理論和技術(shù)體系，距離商業(yè)化實(shí)用價(jià)值還存在很大一段距離[104-105]。

隨著近年來(lái)水合物開(kāi)采技術(shù)和開(kāi)發(fā)裝備研發(fā)水平的提升，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者基于實(shí)際試采工程、室內(nèi)數(shù)值和實(shí)驗(yàn)?zāi)M等方式，開(kāi)展了大量水合物開(kāi)采方法研究，主要可以歸類為“原位分解采氣”和“原位破碎抽取”兩大開(kāi)采技術(shù)框架[25]。

3.1 原位分解采氣開(kāi)采技術(shù)框架開(kāi)采方法

目前，水合物開(kāi)采技術(shù)以傳統(tǒng)的海底原位分解采氣為主流，其基本原理旨在改變水合物儲(chǔ)層的賦存條件，破壞水合物的穩(wěn)定狀態(tài)，促使儲(chǔ)層中的水合物就地分解成天然氣和水，之后采用舉升設(shè)備將天然氣開(kāi)采至地面?；谏鲜鲈硖岢龅拈_(kāi)采方法，國(guó)際上公認(rèn)的包括有降壓法、熱激法、化學(xué)抑制劑注入法、置換法及上述方法的聯(lián)合應(yīng)用模式，這些開(kāi)采方法已經(jīng)分別在多次凍土和海域試采工程中得到驗(yàn)證。

3.1.1 降壓法

降壓法是一種通過(guò)泵作用抽取地下水或者人工氣舉的方式來(lái)降低儲(chǔ)層壓力至相平衡壓力之下，從而破壞水合物原有的平衡條件來(lái)促使其分解的開(kāi)采方法[106-107]，開(kāi)采原理如圖6 所示。降壓法的開(kāi)采操作相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低且能量效率較高，其最大優(yōu)點(diǎn)在于不需要昂貴的連續(xù)激發(fā)工序，其降壓過(guò)程主要通過(guò)抽取地層流體或開(kāi)采水合物儲(chǔ)層下伏游離氣來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)流體或游離氣的提取速度控制儲(chǔ)層的壓力，相應(yīng)地控制水合物的分解效果，被公認(rèn)為目前最具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值開(kāi)采方式，適用于長(zhǎng)期開(kāi)采水合物藏[108-109]。但是，在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，如果采用降壓法，存在制約水合物開(kāi)采產(chǎn)能的三大瓶頸問(wèn)題，限制了該方法在大規(guī)模水合物資源開(kāi)采中的應(yīng)用。

圖6 降壓法示意圖Fig.6 The schematic diagram of depressurization method

第一個(gè)瓶頸問(wèn)題是儲(chǔ)層的降壓效率，即降壓能否在地層中得到有效的擴(kuò)散和保持。水合物儲(chǔ)層的滲透性是影響產(chǎn)氣的重要因素，當(dāng)?shù)貙訚B透性很差時(shí)，降壓導(dǎo)致的壓差不能在地層中實(shí)現(xiàn)大范圍的擴(kuò)散，只能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)井筒周邊局部范圍壓力下降，該情況下水合物儲(chǔ)層分解區(qū)域很小，開(kāi)采效率很低。當(dāng)?shù)貙訚B透性過(guò)高時(shí)，壓差迅速擴(kuò)散而難以維持，該情況下導(dǎo)致抽取設(shè)備需高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，若設(shè)備能力不足則無(wú)法實(shí)現(xiàn)降壓[26,110]。第二個(gè)瓶頸問(wèn)題是儲(chǔ)層的持續(xù)產(chǎn)氣，當(dāng)水合物儲(chǔ)層降壓到一定程度，水合物開(kāi)始分解，由于水合物分解過(guò)程需要消耗大量地層熱量，容易導(dǎo)致儲(chǔ)層溫度過(guò)低，從而引發(fā)局部區(qū)域結(jié)冰或者水合物二次生成現(xiàn)象，易造成滲透路徑的堵塞，影響長(zhǎng)期開(kāi)采效率[8]。第三個(gè)瓶頸問(wèn)題是儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，水合物賦存在儲(chǔ)層沉積物孔隙中起到支撐或膠結(jié)作用，隨著水合物的大量分解，沉積物顆粒膠結(jié)骨架弱化，導(dǎo)致水合物儲(chǔ)層強(qiáng)度降低，出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、儲(chǔ)層變形和產(chǎn)砂量較大等現(xiàn)象，從而引發(fā)地層的沉降或者塌陷等地質(zhì)問(wèn)題[111]。20 世紀(jì)60 年代末，在俄羅斯西西伯利亞西北部的Messoyakha 氣田，研究人員發(fā)現(xiàn)該氣田上方的凍土層存在水合物，應(yīng)用降壓法對(duì)水合物儲(chǔ)層進(jìn)行開(kāi)采，并在后期注入甲醇、氯化鈣等化學(xué)抑制劑進(jìn)行結(jié)合開(kāi)采[88,112]。該水合物沉積層的孔隙度為16%～38%，絕 對(duì) 滲 透 率 為(10～1 000) ×10-3μm2，地 溫 梯 度為4.2 ℃/100 m，水合物飽和度為20%，水合物分解提高了氣田的開(kāi)采氣量，保障了長(zhǎng)期持續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)氣速率，截止到2005 年1 月，據(jù)估算有6.9×109m3天然氣是由水合物分解產(chǎn)出[113]。

2013 年和2017 年，在南海渥美半島—志摩半島附近海域，日本分別進(jìn)行了兩次水合物試采工程，應(yīng)用降壓法對(duì)水深1 000 m，埋深約300～350 m 的水合物儲(chǔ)層進(jìn)行了試采工作。第一次試采工程總時(shí)長(zhǎng)6 天，總共產(chǎn)氣約12 萬(wàn)m3，其中最高日產(chǎn)氣為2.5 萬(wàn)m3；第二次試采工程分別在兩口井中進(jìn)行開(kāi)采，試采總時(shí)長(zhǎng)36 天，總共產(chǎn)氣約23.5 萬(wàn)m3[114-115]。但都由于存在嚴(yán)重的出砂現(xiàn)象，導(dǎo)致生產(chǎn)管柱磨損和堵塞，最終中斷試采[116]。

2017 年和2020 年，在中國(guó)南海神狐海域，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局分別開(kāi)展了兩次水合物試采工程，應(yīng)用降壓法對(duì)水深約1 000～1 700 m、埋深約201～278 m、厚度約77 m 的水合物儲(chǔ)層進(jìn)行試采工作。該海域水合物主要為擴(kuò)散型泥質(zhì)粉砂型水合物，具有甲烷含量高、沉積物粒徑小、未固結(jié)以及滲透率低等特點(diǎn)，被世界公認(rèn)為最難開(kāi)采的水合物儲(chǔ)層類型。該儲(chǔ)層溫度為13～14 ℃，孔隙率約0.5，水合物飽和度約0.4，泥質(zhì)粉砂沉積物顆粒平均粒徑約12 μm，滲透率為(2～5) ×10-3μm2，水合物儲(chǔ)層密度約為1 800 kg/m3。第一次試采工程總時(shí)長(zhǎng)為60 d，累積產(chǎn)氣量3.09×105m3[23,117-119]。第二次試采工程總時(shí)長(zhǎng)為30 d，總產(chǎn)氣量為86.14×104m3，日均產(chǎn)氣為2.87×104m3，是首次試采日均產(chǎn)氣量的5.57 倍[12,71,120]。

3.1.2 熱激法

熱激法是采用直接對(duì)水合物儲(chǔ)層進(jìn)行供熱或加熱的方式，使得水合物儲(chǔ)層溫度高于相平衡條件，從而促使水合物進(jìn)行分解的開(kāi)采方法。通過(guò)注入熱流體或加熱地層所產(chǎn)生的溫度和速率來(lái)控制儲(chǔ)層的水合物分解速率，自主調(diào)節(jié)產(chǎn)氣量，且注入的熱量可以為水合物分解過(guò)程提供熱源，保持地層整體的溫度，防止在開(kāi)采過(guò)程中水合物的二次生成現(xiàn)象，開(kāi)采原理如圖7 所示。與降壓法固定的技術(shù)手段不同，研究學(xué)者對(duì)熱激法的機(jī)理和技術(shù)手段的研究呈現(xiàn)出多樣性的特征，主要可以概括為以下兩大類型：一是熱流體循環(huán)型，從外界通過(guò)生產(chǎn)管柱向儲(chǔ)層內(nèi)部注入熱水、熱鹽水、熱蒸汽、或上層溫暖海水[121-122]，同時(shí)構(gòu)建流體循環(huán)加熱回路，實(shí)現(xiàn)邊注熱邊開(kāi)采的循環(huán)開(kāi)采模式。但是，由于水合物導(dǎo)熱系數(shù)較低，且導(dǎo)熱率隨著溫度升高而降低，該方式容易造成大量的熱能浪費(fèi)，具有顯著的高能耗和低效率缺點(diǎn)[123-124]。二是井下加熱型，通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)加熱、自生熱物質(zhì)充填或綠色能源加熱等方式，直接對(duì)地層進(jìn)行加熱來(lái)提高儲(chǔ)層內(nèi)部的溫度，促使水合物分解的方法[125-128]。，采用電能驅(qū)動(dòng)電磁或微波加熱可以不受地層結(jié)構(gòu)和環(huán)境影響，減少熱流體輸送過(guò)程中的熱損耗[129]。采用自生熱物質(zhì)充填加熱，將銨鹽、亞硝酸鹽、氧化鈣等物質(zhì)注入儲(chǔ)層，遇水溶解后劇烈放熱，可以有效補(bǔ)充儲(chǔ)層熱量，并同時(shí)生成固態(tài)顆粒物充填地層孔隙，起到穩(wěn)固地層的效果[130-131]。采用地層自身熱源的加熱方式，通過(guò)向深層地?zé)醿?chǔ)層注入海水，海水吸收地?zé)岷笱h(huán)至上部水合物儲(chǔ)層，可以有效節(jié)約能源并防止地層污染[132]。

圖7 熱激法示意圖Fig.7 The schematic diagram of thermal stimulation method

總體而言，熱激法最主要缺點(diǎn)在于，其供給熱量不僅用于提供水合物相變分解所需熱能，還消耗于儲(chǔ)層沉積物和孔隙間流體升溫，以及上下邊界層散熱，存在大量的熱量損失。此外，熱激法還存在井下供熱設(shè)備復(fù)雜，安裝維護(hù)工程方案不完善等問(wèn)題。單獨(dú)采用熱激法開(kāi)采水合物具有效率低、耗能高、投入費(fèi)用高、經(jīng)濟(jì)效益低等缺點(diǎn)，因此在實(shí)際開(kāi)采中，熱激法多用于協(xié)助其他開(kāi)采方式，起到短期誘發(fā)水合物快速分解或補(bǔ)充地層熱能的作用。

2002 年和2008 年，在加拿大Mallik 地區(qū)，由加拿大、美國(guó)、日本等多個(gè)國(guó)家聯(lián)合設(shè)計(jì)，且有200 多位科學(xué)家參與的大型國(guó)際合作項(xiàng)目“Mallik 2002”和“Mallik 2008”的兩次水合物試采工程，分別應(yīng)用熱激法和降壓與注熱聯(lián)合法的開(kāi)采方式對(duì)永久凍土層埋深為420～480 m、厚度約40 m 的水合物儲(chǔ)層進(jìn)行試采工作。該永久凍土水合物儲(chǔ)層巖性主要為砂巖，并夾雜少量頁(yè)巖，其中孔隙度為16%～38%，滲透率平均值為125×10-3μm2，含水飽和度平均值為40%?！癕allik 2002”項(xiàng)目應(yīng)用熱水循環(huán)的熱激法進(jìn)行開(kāi)采，約80 ℃的熱流體沿著生產(chǎn)管柱輸送至下部?jī)?chǔ)層，對(duì)開(kāi)采段進(jìn)行加熱后返回地表，并再次進(jìn)行加熱實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)利用。試采期間總產(chǎn)氣量為468 m3，“Mallik 2008”項(xiàng)目應(yīng)用降壓與注熱聯(lián)合法進(jìn)行開(kāi)采，試采總時(shí)長(zhǎng)6 d，天然氣產(chǎn)量達(dá)到2 000～4 000 m3/d，總共產(chǎn)氣約13 000 m3[133]。

3.1.3 化學(xué)抑制劑注入法

化學(xué)抑制劑注入法通過(guò)注入化學(xué)抑制劑，如甲醇、乙醇、乙二醇、鹽水等來(lái)改變儲(chǔ)層水合物穩(wěn)定存在的相平衡條件[134]，使得儲(chǔ)層穩(wěn)定體系破壞，水合物由于平衡條件失穩(wěn)開(kāi)始分解，開(kāi)采原理如圖8所示。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠有效降低初始能量輸入，且作用速度較快，可以在短時(shí)間內(nèi)提高產(chǎn)氣率[135-136]。但是，只有化學(xué)抑制劑擴(kuò)散到的區(qū)域才有作用，只適用于儲(chǔ)層滲透率大的水合物藏。此外，化學(xué)抑制劑注入法最大的缺點(diǎn)是化學(xué)抑制劑的費(fèi)用昂貴，且水合物分解產(chǎn)生的水會(huì)稀釋化學(xué)抑制劑，進(jìn)而降低化學(xué)抑制劑的效果，并且化學(xué)抑制劑會(huì)對(duì)地下水和海洋生態(tài)環(huán)境造成污染、用量大且無(wú)法循環(huán)回收導(dǎo)致利用率低，同時(shí)儲(chǔ)層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，會(huì)阻礙化學(xué)抑制劑在儲(chǔ)層的擴(kuò)散，所以不適合長(zhǎng)期或者大區(qū)域范圍內(nèi)使用[31]。

圖8 化學(xué)抑制劑注入法示意圖Fig.8 The schematic diagram of chemical inhibitor injection method

化學(xué)抑制劑注入法的效果受到抑制劑種類、濃度、溫度、速率和系統(tǒng)壓力等多方面影響，并嚴(yán)重依賴于水合物儲(chǔ)層的傳質(zhì)能力。不論從經(jīng)濟(jì)性、安全性或有效性等方面進(jìn)行考慮，化學(xué)抑制劑注入法都難以滿足開(kāi)采水合物藏的技術(shù)要求，大多數(shù)應(yīng)用于短期增產(chǎn)措施或防止水合物二次生成造成管道堵塞，如俄羅斯Messoyakha 氣田在后期注入甲醇、氯化鈣等化學(xué)抑制劑進(jìn)行結(jié)合開(kāi)采，使其產(chǎn)量明顯增加；如美國(guó)阿拉斯加永凍層水合物中進(jìn)行過(guò)注入化學(xué)抑制劑實(shí)驗(yàn)，其在移動(dòng)相邊界方面具有很好成效，具有較好的開(kāi)采效果。

3.1.4 置換法

置換法是通過(guò)注入比甲烷更容易生成水合物的氣體到儲(chǔ)層，將原儲(chǔ)層中甲烷水合物中的甲烷分子置換出來(lái)的方法[137-138]，開(kāi)采原理如圖9 所示。已有的研究成果表明相比于甲烷分子，CO2分子和水分子在更低地層溫壓條件下就可以生成更穩(wěn)定的CO2水合物[139]，且在置換形成CO2水合物的過(guò)程中釋放出更多能量，可以為甲烷水合物的分解提供所需能量，不需要外界注入激發(fā)能量就可以自發(fā)進(jìn)行。置換法最大的優(yōu)點(diǎn)在于置換過(guò)程中不存在相變，CO2分子直接從水合物籠形孔穴中置換出甲烷分子，避免水合物分解導(dǎo)致水合物儲(chǔ)層穩(wěn)定性破壞風(fēng)險(xiǎn)。置換釋放熱量促使其余甲烷水合物分解，并驅(qū)動(dòng)CO2分子擴(kuò)散到地層孔隙中置換出更多甲烷分子[140-141]。置換法不僅可以在開(kāi)采過(guò)程中維護(hù)水合物儲(chǔ)層穩(wěn)定性，保持地層物理、力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定不變，降低開(kāi)采和地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，還可以對(duì)溫室CO2氣體實(shí)現(xiàn)地層封存維持生態(tài)環(huán)境平衡，具有能源開(kāi)采和環(huán)境保護(hù)雙重利益[142]。

圖9 置換法示意圖Fig.9 The schematic diagram of substitution method

阻礙CO2置換法進(jìn)一步發(fā)展和工程實(shí)踐的關(guān)鍵因素是置換效率低和置換反應(yīng)速率慢。一方面是由于水合物中甲烷分子不能完全被CO2分子取代，CO2分子更愿意取代水合物大孔穴中甲烷分子，而小孔穴中甲烷分子很難被置換出來(lái)，從而導(dǎo)致置換效率低。另一方面是由于水合物相中甲烷分子和CO2分子存在傳質(zhì)障礙[143-144]，最初在表層置換形成的CO2水合物起到屏障作用，阻礙CO2分子繼續(xù)滲入甲烷水合物內(nèi)部，導(dǎo)致后期置換反應(yīng)難以進(jìn)行，從而導(dǎo)致置換反應(yīng)速率慢。此外，置換法受儲(chǔ)層沉積物和周邊環(huán)境條件影響較大，置換條件相對(duì)較為苛刻。

為解決單一CO2置換法置換效率低的問(wèn)題，研究學(xué)者提出采用CO2-N2或CO2-H2混合氣體進(jìn)行置換反應(yīng)，CO2分子置換出大孔穴中甲烷分子，N2或H2分子具有較小的尺寸，更容易置換出小孔穴中甲烷分子，從而大幅提高置換法的開(kāi)采效率[145-146]，為置換法研究開(kāi)辟了新途徑。2012 年，在美國(guó)阿拉斯加Prudhoe Bay Unit 地區(qū)，康菲石油公司開(kāi)展了名為“Ignik Sikumi 現(xiàn)場(chǎng)試采”的水合物試采工程，應(yīng)用CO2-CH4置換法和降壓法聯(lián)合的開(kāi)采方式對(duì)埋深650 m，厚度20 m 的水合物儲(chǔ)層進(jìn)行了試采工作，初步驗(yàn)證了置換法的可行性[147]。該海域水合物儲(chǔ)層的沉積物類型為砂質(zhì)多孔介質(zhì)，其中沉積物孔隙度為40%，絕對(duì)滲透率為1 000 ×10-3μm2，水合物飽和度為70%，試采總時(shí)長(zhǎng)30 d，總共產(chǎn)氣2.4 萬(wàn)m3，其中日最高產(chǎn)氣量為5 000 m3[31,148-149]。

3.2 原位破碎抽取開(kāi)采技術(shù)框架的開(kāi)采方法

中國(guó)研究學(xué)者針對(duì)南海海域水合物儲(chǔ)層具有埋藏淺、飽和度高、無(wú)致密蓋層、非成巖、易于破碎的特點(diǎn)[150]，提出原位破碎抽取開(kāi)采方法，其中最具代表的開(kāi)采方法包括固態(tài)流化法和機(jī)械-熱聯(lián)合開(kāi)采法。該類型開(kāi)采技術(shù)的基本原理旨在采用特殊機(jī)械設(shè)備將固態(tài)塊狀水合物在海底進(jìn)行機(jī)械破碎，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛鲃?dòng)性的碎屑漿液，并在人工舉升過(guò)程中進(jìn)行水合物碎屑分解采氣，剩余地層泥漿海底原位排出。

3.2.1 固態(tài)流化法

固態(tài)流化法通過(guò)海底采礦設(shè)備直接在儲(chǔ)層對(duì)水合物進(jìn)行開(kāi)采，將混有水合物的儲(chǔ)層沉積物進(jìn)行顆粒粉碎并制漿，通過(guò)礦漿泵輸送進(jìn)密封的管道回路送至海面。在管道輸送過(guò)程中，隨著水深發(fā)生變化，含水合物顆粒的漿液處于壓力低于和溫度高于相平衡條件的環(huán)境下，導(dǎo)致水合物開(kāi)始分解，之后通過(guò)密封管道舉升到地面回收系統(tǒng)中進(jìn)行氣體分離[151-152]，開(kāi)采原理如圖10 所示。

圖10 固態(tài)流化法示意圖[156]Fig.10 The schematic diagram of solid fluidization method[156]

固態(tài)流化法是中國(guó)研究學(xué)者針對(duì)南海海域滲漏型水合物埋藏淺、分布集中的特點(diǎn)，結(jié)合深海采礦技術(shù)提出的一種現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用水合物開(kāi)采方法。其優(yōu)點(diǎn)是在儲(chǔ)層原位挖掘固態(tài)水合物，可以防止地層塌陷、甲烷泄漏等現(xiàn)象。利用管道回路輸送途中的自然溫壓變化來(lái)有序控制水合物分解，不存在井底出砂、水合物分解失控等問(wèn)題[153-154]。固態(tài)流化法的缺點(diǎn)是技術(shù)難度高、費(fèi)用昂貴和能量利用效率不高，更適用于淺層水合物富集區(qū)域開(kāi)發(fā)，且管道回路中氣液固多相流動(dòng)復(fù)雜多變，對(duì)管道的安全控制要求非常高。此外，水合物分解后分離出的砂石直接排放到海床，需要確保砂石不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)或濁流等災(zāi)害，否則會(huì)嚴(yán)重破壞該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境。

2017 年，在中國(guó)南海北部荔灣，中海油的“海油石油708”深水工程勘察船在水深1 310 m 的南海北部荔灣海域處，應(yīng)用固態(tài)流化法對(duì)位于117～196 m的水合物儲(chǔ)層進(jìn)行了試采工作。該海域水合物儲(chǔ)層巖性主要為粉砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，儲(chǔ)層孔隙度平均值為43%，含水合物飽和度平均值為40%，試采期間共獲得氣體81 m3，其中甲烷氣體含量達(dá)到99.2%～99.8%[155]。

3.2.2 機(jī)械-熱聯(lián)合開(kāi)采法

機(jī)械-熱聯(lián)合開(kāi)采法通過(guò)機(jī)械挖掘設(shè)備將水合物儲(chǔ)層中的水合物進(jìn)行粉碎處理，形成小尺寸的水合物顆粒，之后與一定溫度下的海水進(jìn)行摻混，順著管道混合運(yùn)輸至分解倉(cāng)進(jìn)行水合物相變分解，分解得到氣體通過(guò)生產(chǎn)管道輸出收集，剩余沉積物顆粒就地分離回填[156]，開(kāi)采原理如圖11 所示。其與固態(tài)流化法相比較，最大特點(diǎn)是不需要將所有水合物混合物都舉升到海平面進(jìn)行分解，而是在適當(dāng)高度將水合物完全分解，進(jìn)行分離后，只有氣體輸送到海平面，其余地層固體顆?；靥钪恋貙?，可以有效降低能耗和施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 機(jī)械-熱聯(lián)合開(kāi)采法示意圖[158]Fig.11 The schematic diagram of mechanical-thermal method[158]

機(jī)械-熱聯(lián)合開(kāi)采法在充分考慮中國(guó)水合物藏地質(zhì)特征而提出一個(gè)全新的概念模型，用于克服傳統(tǒng)開(kāi)采方法受限于熱傳導(dǎo)、水合物分解率、地層滲透等物理效應(yīng)而導(dǎo)致開(kāi)采效率慢的問(wèn)題。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于采用機(jī)械挖掘水合物儲(chǔ)層，不受分解范圍的限制，可提供滿足商業(yè)化開(kāi)采需求的開(kāi)采速率。充分利用海水的巨大熱能，采用泵送方式向上輸送水合物的過(guò)程中，海水熱能不斷給水合物相變分解提供能量，使開(kāi)采效率大幅提升。合理利用氣體膨脹做功產(chǎn)生的大量能量，將其轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，用于滿足水下機(jī)械作業(yè)、注海水動(dòng)能或水合物混合物的泵送提升所需要的能量[157-158]。

目前，對(duì)于機(jī)械-熱聯(lián)合開(kāi)采法這一種新的開(kāi)采方法設(shè)想，其可行性還需要深入研究，仍存在很多需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，包括管道中水合物多相流的狀態(tài)分析、小顆粒水合物分解熱動(dòng)力學(xué)特征、安全合理的水下機(jī)械挖掘方式、多組分混合物的分離和回填恢復(fù)方式、降低地層擾動(dòng)和維持地層穩(wěn)定性等。

3.3 不同開(kāi)采方法適用范圍

降壓法開(kāi)采水合物在開(kāi)采工藝上具有相對(duì)成熟和固定的技術(shù)手段，最適宜兩種類型水合物藏的開(kāi)采，一種是水合物層上部蓋層和下伏底層都是非滲透層的水合物藏。另一種是水合物層的上部蓋層是非滲透層，而水合物層下伏具有大量游離氣或自由水的I 類和II 類水合物藏。從世界各國(guó)開(kāi)展的幾次水合物試采效果來(lái)看，降壓法是相對(duì)經(jīng)濟(jì)有效的開(kāi)發(fā)方法，是目前水合物藏開(kāi)采的主要方法。

熱激法主要適用于協(xié)助其他開(kāi)采方式，起到短期誘發(fā)水合物快速分解或補(bǔ)充地層熱能的作用。其中，電能驅(qū)動(dòng)加熱方式對(duì)水合物與沉積物顆粒相互膠結(jié)的孔隙充填型水合物藏，以及具有下部自由水層的II 類水合物藏進(jìn)行開(kāi)采具有更好效果。自生熱物質(zhì)充填方式適用于水合物在地層中作為巖石骨架的水合物藏，可以達(dá)到補(bǔ)充熱能、穩(wěn)定地層和增加滲透性的開(kāi)采效果。

化學(xué)抑制劑注入法存在環(huán)境污染、成本昂貴且開(kāi)采效率低等缺點(diǎn)，已經(jīng)基本排除大范圍應(yīng)用于商業(yè)化開(kāi)采的可能性。

置換法在反應(yīng)機(jī)理和實(shí)施技術(shù)方面具有可行性，但是受限于現(xiàn)在的研究水平，其對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)具有很大局限性，但是從安全環(huán)保的角度考慮，置換法是非常不錯(cuò)的開(kāi)采方法，特別是對(duì)于疏松不穩(wěn)定水合物藏和巖石骨架水合物藏起到很好的地層穩(wěn)定支撐作用，具有廣闊的研究前景。

固態(tài)流化法是一種新的開(kāi)發(fā)思路，水合物相變分解在可控的管道內(nèi)進(jìn)行，可以較好地解決水合物開(kāi)采過(guò)程中的安全穩(wěn)定問(wèn)題，開(kāi)采適用的水合物藏類型目標(biāo)性較強(qiáng)，更適合對(duì)淺層水合物富集區(qū)域的水合物藏進(jìn)行開(kāi)采。

機(jī)械-熱聯(lián)合開(kāi)采法相對(duì)于其他水合物開(kāi)采方法，具有很高的開(kāi)采效率，更適合用于水合物分布集中、儲(chǔ)量大的未成巖的水合物藏。淺層富集的水合物藏具有巨大的資源潛力，必將推動(dòng)研究學(xué)者繼續(xù)深入研究，推進(jìn)機(jī)械-熱聯(lián)合開(kāi)采法的發(fā)展。

4 不同類型水合物藏適用的開(kāi)采方法

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的水合物開(kāi)采方法進(jìn)行分析對(duì)比可知，單一的開(kāi)采方法均存在一定的局限，采用單一開(kāi)采方法無(wú)法解決水合物開(kāi)采過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題，聯(lián)合各項(xiàng)開(kāi)采方法實(shí)現(xiàn)聯(lián)合開(kāi)采技術(shù)，并不斷研究新的開(kāi)采方法，建立完整的水合物開(kāi)采技術(shù)體系將會(huì)是未來(lái)水合物開(kāi)采的研究重點(diǎn)。本文基于現(xiàn)有開(kāi)采方法，分別從賦存類型、成藏模式和儲(chǔ)層分類3 個(gè)方面以影響水合物藏的開(kāi)采方法選擇的角度進(jìn)行分類，對(duì)不同類型水合物藏的最佳適用的開(kāi)采方法進(jìn)行選擇分析；之后以世界上主要的水合物勘探區(qū)的水合物藏為例，對(duì)不同水合物勘探區(qū)的水合物藏的地層類型、賦存類型、成藏模式以及適用的開(kāi)采方法進(jìn)行總結(jié)。

水合物在地層中的賦存類型可以分為：水合物作為填充物、水合物作為巖石骨架兩種類型。由于填充物類型存在的水合物不是地層穩(wěn)固的受力點(diǎn)，在開(kāi)采分解后，地層的巖石骨架仍然保持完整，地層穩(wěn)定不易發(fā)生坍塌，在開(kāi)采結(jié)束后可充填其他物質(zhì)來(lái)進(jìn)一步穩(wěn)固地層。因此，填充物類型的水合物藏適合采用降壓法進(jìn)行開(kāi)采，由于降壓法開(kāi)采需要利用到儲(chǔ)層自身的熱能來(lái)為水合物分解提供能量，如果需要進(jìn)行大規(guī)模水合物藏開(kāi)采，則需要消耗大量熱能，儲(chǔ)層自身熱能不足以用于供能，這就會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層溫度下降，二次生成水合物堵塞孔隙和管道。因此，采用降壓法作為主要的開(kāi)采方法，并聯(lián)合熱激法來(lái)刺激水合物分解，為地層提供能量。巖石骨架類型存在的水合物是地層穩(wěn)固的受力點(diǎn)，一旦水合物開(kāi)始分解，就會(huì)影響地層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，易發(fā)生地層塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，相比之下其開(kāi)采難度較大。巖石骨架類型的水合物藏適合采用置換法進(jìn)行開(kāi)采，通過(guò)注入CO2或者其他比甲烷更容易生成水合物的氣體，在不分解水合物的狀態(tài)下，置換出甲烷分子并保持水合物的固相，產(chǎn)出甲烷氣體的同時(shí)生成新的水合物。開(kāi)采過(guò)程中不破壞儲(chǔ)層的巖石骨架，確保地層的安全穩(wěn)定。因此，巖石骨架類型的水合物藏適合采用置換法進(jìn)行開(kāi)采。

水合物在地層中的成藏模式可以分為：成巖型、構(gòu)造型和復(fù)合型的三種水合物成藏模式類型。成巖型的水合物藏通常在富碳沉積區(qū)或常規(guī)油氣藏共存，主要受到沉積因素控制，氣源多為原位生成。該類型的水合物藏多出現(xiàn)在陸地凍土區(qū)域，天然氣不易外泄且儲(chǔ)層具有相對(duì)高的滲透性，采用降壓法開(kāi)采，可以有效對(duì)整個(gè)水合物藏進(jìn)行低壓傳遞。因此，成巖型的水合物藏適合采用降壓法作為主要的開(kāi)采方法，并聯(lián)合熱激法來(lái)刺激儲(chǔ)層水合物分解，為地層提供能量。構(gòu)造型的水合物藏多出現(xiàn)在海域中，如被動(dòng)陸緣的盆地、海隆和海臺(tái)脊部、海底氣煙囪、泥火山和泥底辟、大型海底滑坡等區(qū)域。該類型水合物藏成藏原因多與地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)、深層氣體滲透和地層氣體擴(kuò)散有關(guān)，地層的滲透率高，因此在開(kāi)采過(guò)程中的首要任務(wù)是確保水合物分解氣體不發(fā)生地層散失，故選擇置換法、固態(tài)流化法或機(jī)械-熱聯(lián)合開(kāi)采法作為主要的開(kāi)采方法。復(fù)合型的水合物藏同時(shí)受到成巖作用和構(gòu)造作用控制，其成藏氣來(lái)源于斷裂活動(dòng)或底辟構(gòu)造流體、孔隙流體運(yùn)移和淺層生物氣，水合物形成于滲透性相對(duì)高的沉積物。該類型水合物藏key 采用降壓法為主要開(kāi)采方式，并結(jié)合具有鞏固地層作用的置換法或者充填支撐材料的方式進(jìn)行開(kāi)采。

水合物在地層中的儲(chǔ)層分類可以分為：I、II 類滲透率高的水合物藏和III 類滲透率低的水合物藏兩種類型（其中IV 類水合物藏由于水合物分布零散，滲透率和飽和度都很低，因此不適合作為開(kāi)采區(qū)域，不予討論）。I、II 類水合物藏為水合物層下部存在游離氣層或水層，屬于最易開(kāi)采的水合物藏類型，通過(guò)鉆穿至氣水層，可以有效控制儲(chǔ)層的壓力，調(diào)節(jié)水合物分解速率。I 類和II 類水合物都屬于高飽和度的水合物富集儲(chǔ)層，具有滲透率高、產(chǎn)氣潛能巨大等特點(diǎn)，適合采用操作相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低且能量效率較高的降壓法進(jìn)行開(kāi)采。通過(guò)結(jié)合熱激法來(lái)為儲(chǔ)層提供足夠的熱量來(lái)源，就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期開(kāi)采，最具商業(yè)開(kāi)采價(jià)值。III 類水合物藏為水合物層儲(chǔ)藏在非滲透巖層中，下部不存在氣水層。該類型水合物藏儲(chǔ)層的滲透率一般不高，如果采用降壓法開(kāi)采，鉆孔面積小，分解區(qū)域狹窄而導(dǎo)致產(chǎn)氣率低。因此，適合先采用熱激法或者化學(xué)抑制劑注入法來(lái)刺激儲(chǔ)層分解，擴(kuò)大儲(chǔ)層的分解界面后再采用降壓法進(jìn)行開(kāi)采。

世界上越來(lái)越多國(guó)家對(duì)水合物存在的區(qū)域進(jìn)行勘探，多處研究區(qū)都取得了水合物實(shí)物樣品。在自然界中的水合物藏是一個(gè)復(fù)雜的體系，其特征是由賦存類型、成藏模式、儲(chǔ)層和地質(zhì)條件等多方面因素共同決定。不同類型的水合物藏適用的開(kāi)采方法也各不相同，陸地凍土水合物如俄羅斯麥索雅哈氣田、美國(guó)阿拉斯加北坡凍土帶和加拿大麥肯齊三角洲盆地，其水合物儲(chǔ)層巖性以砂巖為主，水合物一般充填于砂巖孔隙中不作為地層受力巖石骨架。水合物飽和度較高，且儲(chǔ)層位于穩(wěn)定帶邊界附近，溫壓條件的改變即可以造成水合物大量分解。因此，采用降壓法為主的開(kāi)采效果最好；而中國(guó)祁連山永久凍土帶由于其儲(chǔ)層巖性主要為滲透率較低的泥巖和粉砂巖，水合物以塊狀、層狀等夾雜在地層裂縫中，具有支撐地層的作用。因此需要考慮水合物大量分解后地層穩(wěn)定性問(wèn)題，故采用降壓法為主，并結(jié)合置換法的開(kāi)采效果最好；海域水合物如中國(guó)南海神狐海域、美國(guó)布萊克海脊、美國(guó)墨西哥灣、日本南海海槽、韓國(guó)郁陵盆地和印度近海，其水合物儲(chǔ)層巖性多為泥沙質(zhì)，沉積物顆粒較細(xì)，孔隙度都相對(duì)較高，水合物大量分解后，容易出現(xiàn)地層失穩(wěn)和天然氣擴(kuò)散等問(wèn)題。因此，采用置換法為主，并結(jié)合降壓法的開(kāi)采效果最好；此外，熱激法和化學(xué)抑制劑注入法適合作為輔助開(kāi)采方法，其中熱激法用于為地層補(bǔ)充能量，促進(jìn)水合物的分解。而化學(xué)抑制劑注入法用于短暫刺激儲(chǔ)層或解除水合物二次生成的堵塞問(wèn)題。固態(tài)流化法和機(jī)械-熱聯(lián)合開(kāi)采法主要適用于淺層富集的水合物藏，該類型的開(kāi)采效果最好。全球主要的水合物勘探區(qū)水合物藏的儲(chǔ)層巖性、賦存類型、成藏模式和主要開(kāi)采方法總結(jié)如表2 所示。

表2 全世界主要的水合物勘探區(qū)水合物藏的特征和主要開(kāi)采方法Table 2 Characteristics and main mining methods of hydrate reservoirs in major hydrate exploration areas around the world

5 結(jié)論和展望

（1）天然氣水合物成藏體系是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，水合物形成的溫壓條件、氣源、氣體運(yùn)移、地質(zhì)構(gòu)造等都是水合物成藏的重要因素，各因素之間的相互影響共同決定著水合物藏的特征。本文先綜合性的對(duì)水合物在自然界中的賦存類型、成藏模式和儲(chǔ)層分類進(jìn)行詳細(xì)分類分析，分別按照水合物產(chǎn)出狀態(tài)和填充方式對(duì)水合物的賦存類型進(jìn)行分類，水合物是否作為地層穩(wěn)固的受力點(diǎn)是影響開(kāi)采方法選擇的主要因素；按照水合物形成的物質(zhì)供給來(lái)源、地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和氣源對(duì)水合物的成藏模式進(jìn)行分類，天然氣是否容易發(fā)生地層散失是影響開(kāi)采方法選擇的主要因素；同時(shí)，從宏觀地質(zhì)特征，按照I 類、II 類、III 類、IV 類對(duì)水合物的儲(chǔ)層進(jìn)行分類，水合物沉積層下部是否存在游離氣水層是影響開(kāi)采方法選擇的主要因素。

（2）本文對(duì)現(xiàn)有水合物開(kāi)采方法進(jìn)行了技術(shù)框架歸類，對(duì)各開(kāi)采方法的基本原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展瓶頸問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析，并結(jié)合全球已開(kāi)展的水合物試采項(xiàng)目的試采成效，詳細(xì)分析了各開(kāi)采方法的發(fā)展現(xiàn)狀，并總結(jié)了各開(kāi)采方法的適用范圍，指出不同開(kāi)采方法最適宜開(kāi)采的水合物藏類型。制定不同類型水合物藏的開(kāi)采技術(shù)方案需要結(jié)合該地區(qū)的地質(zhì)特征，對(duì)水合物藏的賦存類型、成藏模式、開(kāi)采區(qū)域范圍、水合物資源儲(chǔ)量、水合物飽和度、沉積物的物理化學(xué)特性、地層的溫度、壓力和滲透率等進(jìn)行深入的分析研究。本文結(jié)合上述對(duì)不同水合物藏的賦存類型、成藏模式和儲(chǔ)層分類的分析，之后從主要影響水合物藏開(kāi)采方法選擇的角度，對(duì)不同類型水合物藏的最佳適用開(kāi)采方法進(jìn)行選擇分析，并以世界上主要的水合物勘探區(qū)的水合物藏為例進(jìn)行了具體的分析。

（3）目前降壓法、熱激法、化學(xué)抑制劑注入法、置換法、固態(tài)流化法和機(jī)械-熱聯(lián)合開(kāi)采法等單一的開(kāi)采方法都難以滿足水合物商業(yè)化開(kāi)采的要求，未來(lái)必將進(jìn)行多開(kāi)采方法聯(lián)合來(lái)促進(jìn)水合物開(kāi)采的產(chǎn)能提升。同時(shí)要努力推進(jìn)水合物開(kāi)采新方法和新技術(shù)的研發(fā)，既要考慮工程實(shí)施的可行性、經(jīng)濟(jì)性和開(kāi)采效率等，也要綜合考慮水合物藏的地質(zhì)特征和儲(chǔ)層特性等各方面條件，實(shí)現(xiàn)水合物的科學(xué)理論突破和技術(shù)設(shè)備研發(fā)，制定合適的開(kāi)采方案并最終實(shí)現(xiàn)水合物商業(yè)化開(kāi)發(fā)。