全球首次近海甲烷水合物試采：從選址到實施

張 煒，邵明娟，王銘晗，田黔寧

(1.中國地質調查局地學文獻中心，北京 100083；2.中國地質圖書館，北京 100083)

礦業縱橫

全球首次近海甲烷水合物試采：從選址到實施

張 煒1,2，邵明娟1,2，王銘晗1,2，田黔寧1,2

(1.中國地質調查局地學文獻中心，北京 100083；2.中國地質圖書館，北京 100083)

日本作為最早建立國家級甲烷水合物研發計劃的國家之一，對水合物的關注可追溯至20世紀80年代，并于2013年成功完成了全球首次近海甲烷水合物試采。基于對日本從首次近海甲烷水合物試采的選址到實施的整個過程的總結和分析，進一步明確了水合物從資源調查到現場試采，再到最終商業化開發利用將是一個長期的過程，要面臨經濟、環境和技術等多諸多方面的挑戰。因此，針對中國的水合物研發工作，就加強政府支持力度、重視基礎科學研究和技術研發、加快陸上和海上試采、調動企業積極性、關注環境和地質災害風險、加強多方合作、促進國際交流和合作等方面提出了一些建議供參考。

天然氣水合物；試采；日本；研發

自20世紀80年代以來，一系列的深海考察發現海洋中賦存有資源潛力極其巨大的甲烷水合物，并認為在未來其可能成為一種能源來源，因此受到了世界各國的廣泛關注，從而開啟了針對甲烷水合物的資源勘查和研發工作(圖1)[1]。

日本作為最早建立國家級甲烷水合物研發計劃的國家之一，對水合物的關注可追溯至20世紀80年代。1992年，Krason在日本東京舉辦的第29屆國際地質大會上，展示了全球從北極地區到大陸邊緣的甲烷水合物的分布，并指出日本近海的南海海槽可能含有0.42萬億～4.2萬億m3的甲烷，這取決于水合物層的厚度(1～10 m)[2]。日本石油委員會1994年的咨詢報告建議將日本周邊深水甲烷水合物視為潛在的國內油氣資源對待，應對其進行資源評價[3]。為響應這一報道，日本通商產業省(MITI)即現在的經濟產業省(METI)設計了一口以

圖1 南海海槽東部鉆探和地震調查的位置[2]

“南海海槽”命名的勘探測試井，作為日本政府于1995年啟動的國內石油天然氣資源開發第八個五年計劃的一部分[3]。MITI通過1996年對日本南海海槽的地球物理勘查以及基于1998年在加拿大馬更些三角洲的甲烷水合物研究井的鉆探結果與1999年開展的“南海海槽”測試井(6口井)的完成，首次確認了甲烷水合物在海洋砂質沉積層中的賦存[4]。2001年7月19日，METI正式發布了《日本甲烷水合物開發計劃》，其主要目的是針對甲烷水合物中甲烷的經濟開發和利用所遇到的各種問題尋找解決方案[5]。該計劃共分三個階段具體實施：第一階段(2001～2008財年)：開展針對勘探、基本特性和實驗室調查的基礎研究與開發，選擇甲烷水合物資源區并估算其資源量，通過陸上試驗證實生產方法；第二階段(2009～2015財年)：開展針對生產和環境影響評價的基礎研究與開發，通過近海試采證實生產方法；第三階段(2016～2018財年)：開發用于商業生產的技術，從經濟和環境的角度開展詳細的評價。為了具體實施《日本甲烷水合物開發計劃》，日本石油、天然氣和金屬礦產資源機構(JOGMEC)，日本產業技術綜合研究所(AIST)、日本工程振興協會(ENAA)等多家機構聯合成立了日本甲烷水合物資源開發研究聯盟(以下簡稱MH21聯盟)。

1 全球首次近海甲烷水合物試采概述

1.1 勘探選區與資源評價

1.1.1 勘探選區

普遍認為似海底反射層(BSR)的存在是含甲烷水合物層分布的標志。因此，南海海槽東部的2D/3D地震反射數據被認為是圈定目標區中含甲烷水合物帶的良好指示(圖2)[2]。METI于2004年鉆探的“東海沖-熊野灘”勘探測試井群揭示了BSR與由測井數據估算得到的甲烷水合物穩定帶的底界一致。

然而，鉆井結果表明BSR解釋具有一定的局限性。在大多數區域，圈定的含甲烷水合物帶的底界與甲烷水合物穩定帶的底界一致。在某些區域，部分含甲烷水合物帶可能分布于甲烷水合物穩定帶的底界之外的地方。

此外，BSR的存在無法指示甲烷水合物富集度或儲層厚度，因為它只反映了與含甲烷水合物帶和游離氣帶之間阻抗差有關的有限地球物理特性。圖3示出了3口井的地震反射數據實例。盡管井A、井B和井C中有類似的BSR出現，但井A和井B處BSR之上的電阻率測井曲線并不像井C一樣具有高電阻率帶[2]。

JOGMEC通過對南海海槽東部甲烷水合物的研究，將含甲烷水合物帶劃分為兩類：①甲烷水合物富集帶；②除甲烷水合物富集帶以外的含甲烷水合物帶，并開發了一套用于圈定甲烷水合物富集帶的最優解釋流程。該流程包括了對以下4個標志的評估和綜合：①BSR；②濁積砂層序列；③強地震反射體；④相對較高的層速度[6]。通過該流程在南海海槽東部選取了10多個甲烷水合物富集帶，并成功估算了它們的沉積層體積[2]。

1.1.2 資源評價

JOGMEC利用圖4所示的流程基于之前獲取的2D/3D地震調查數據和鉆井數據，通過概率統計評價了南海海槽東部的甲烷水合物所含的原地甲烷氣資源量。評價區域內的原地甲烷氣總資源量的估算中間值為1.13 萬億m3。之前選出的10多個具遠景的甲烷水合物富集帶的原地總資源量為0.57萬億m3。敏感性分析表明凈-總厚度比和甲烷水合物飽和度較其他參數具有更高的敏感性，它們對進一步的詳細分析很重要[7]。

圖2 南海海槽東部鉆探和地震調查的位置[2]

圖3 BSR分布中的電阻率和地震成像[2]

1.1.3 試采站位選擇

2013年初，基于現有的井控、地層溫壓條件、含甲烷水合物層的物性及其之上的富泥質蓋層的存在，JOGMEC將“β”甲烷水合物富集帶選為全球首次近海試采的靶區，位于第二渥美海丘(Daini-Atsumi Knoll)的北坡，覆蓋面積約12萬km2，水深為857～1 405 m(圖5)[8]。這次試采的主要目標是掌握原位條件下甲烷水合物分解的特性，最終目的是驗證“降壓技術”作為一種從近海含甲烷水合物沉積層中商業開采天然氣的可行性。

通過精細3D地震反射數據的解釋結果、井間對比分析結果以及海底深度測量結果的結合，JOGMEC最終決定在AT1站位開展試采(圖6)[8]。2012年鉆探完成的2口監測井(AT1-MC和MT1)確定該處的甲烷水合物富集帶是累積總厚度為60m的薄層濁積層，由其上段的舌形體型層序和下段的河道砂層序構成，且表明上段的橫向連續性良好，可作為理想的試采儲層[7]。

圖4 南海海槽東部甲烷水合物資源評價的流程圖[7]

圖5 全球首次近海試采場地的位置及其傾向測線的地震剖面[8]

1.2 試采的實施

1.2.1 前期準備階段

2011年，MH21聯盟利用日本海洋研究開發機構(JAMSTEC)擁有的深海鉆探船“地球號”(Chikyu)開展了以海底穩定性和井建設為目標的地質災害調查[9]。2012年，又利用“地球號”鉆了2口監測井(AT1-MC、AT1-MT1)和生產井(AT1-P)的上段(圖7)[9]。在鉆探作業過程中，開展了多組地球物理測井，以獲取可控制降壓作業中甲烷水合物物理響應的地質和巖石物理數據，如孔隙度、甲烷水合物飽和度以及滲透率。與此同時，在監測井中安裝了溫度傳感設備，即分布式溫度傳感器(DTS)電纜以及電阻式溫度檢測器(RTD)，以通過長期測量來分析地層中的甲烷水合物分解和熱流量[10]。

2012年6月和7月，MH21聯盟使用Hybrid PCS保壓取芯設備對AT1-MC井中的甲烷水合物富集帶地層進行了取芯。該設備的優勢是僅通過改變內巖芯管就可以兼容綜合大洋發現計劃(IODP)的其他取芯工具，如液壓活塞取芯器(HPCS)、擴展擊打取芯器(EPCS)和超前鞋取芯器(ESCS)[11]。另一個優勢是Hybrid PCS的高壓釜可以連接到PCATS(保壓巖芯綜合測試系統)，從而實現在船上進行測試分析，且可使巖芯樣品轉移到壓力容器中，以便在原位壓力下進行取樣[11]。

此次保壓取芯和分析工作表明，Hybrid PCS的總收獲率為69%，獲取的巖芯樣品包括砂層和粉砂層，樣品質量較1999年和2004年航次所獲樣品有顯著提高，從而改善了對用于推斷原位條件的測井數據的校準[12-13]。

此外，MH21聯盟在海底安裝了可開展四分量地震勘探和時移地震勘探的具陣列地震檢波器的海底電纜，以及可開展環境影響調查的甲烷泄漏傳感器和海床變形傳感器(測斜儀和高精度壓力傳感器)。MH21聯盟還針對出現的井和地層的巖土力學影響，以及由此可能產生的井完整性問題、出砂、沉積物失穩或滲透率變化、地層破壞等方面，開展了對沉積物和井建設的巖土力學研究。

1.2.2 試采作業階段

2013年2月，“地球號”重新進入試采站位，先鉆了一個直徑為12.25英寸的井段，再安裝一個直徑9.625英寸且重量為47磅/英尺的套管并進行固井，最后鉆一個直徑為8.5英寸的井段至海底以下330 m。防噴器、套管和8.5英寸井筒采用常規井筒清洗設備進行了清洗。2013年3月，“地球號”利用裸眼井礫石充填對甲烷水合物產氣層段實施了完井[9,14]。

在海面系統和井下系統最終連接且對設備進行壓力測試后，“地球號”于2013年3月12日早晨啟動了電動潛水泵(ESP)，以從井孔中抽水。船上作業人員先在儲水裝置中檢測到了甲烷氣體，后于ESP作業開始后的幾個小時在儲氣裝置中發現了明顯的氣流。如圖8所示，當井底壓力達到約5 MPa時，開始從周圍地層吸收熱量，形成了穩定的氣體流量和水流量。在穩定生產階段，大氣條件下的產氣率近2萬m3/d，產水率近200 m3/d。

圖6 試采位置的選擇過程以及鉆前活動后的鉆井分布[8]

圖7 試采井的簡圖[9]

圖8 降壓作業的概念圖[9]

2013年3月18日(即試采的第六天)早晨，在明顯的出砂后，作業人員觀察到產水率突然增加。此時，井下壓力立刻升高且產氣停止。由于很難處理這一出砂現象，MH21聯盟決定停止此次流量測試，并開始壓井作業。通過從生產管泵入水來驅替ESP之上的采集管線中的氣體和砂，使壓力恢復至靜水壓力條件。由于生產井充填有砂，所以無法回收井下生產設備。總出砂量超過30 m3[9]。

MH21聯盟對試采表現和結果的分析表明，產氣率和產水率均高于數值模擬結果的預期。井下和海面生產系統的總體表現優良，但電纜的部分連接問題給實時監測和電感應加熱器(使甲烷水合物重新形成的風險降至最低)的使用帶來了不便。AT1-MT和AT1-MC井中的實時、長期溫度監測作業成功監測到了甲烷水合物富集帶某些位置的溫度下降，且與深度相關。基于降溫情況，可知甲烷水合物的分解前緣已到達距離生產井約25 m處的監測井，但是，仍需要進一步的數值模擬研究來量化分解的水合物的體積[9-10]。

2 日本甲烷水合物開發計劃第三階段實施方案概述

根據《日本海洋能源與礦產資源開發計劃》，日本將于2016～2018財年在其周邊海域進行時間較長的海上試采。在試采過程中，需要有針對性地開發相關技術，并對相應的各種問題的解決方案進行驗證，以此實現長期穩定的氣體生產，進而實現甲烷水合物商業化開發的目標。

因此，MH21聯盟正在組織編制《甲烷水合物開發計劃》第三階段的實施方案，在總結已有工作的基礎上，確定需要開展的研發項目的內容以及截至2018財年的項目成果，如第二次近海試采、長期陸上試采等[15]。其中，MH21聯盟已于2016年5月啟動了在第二渥美海丘的第二次近海試采前期鉆探作業，該項工作計劃鉆探初步調查井、生產井和監測井，預期于6月中旬完成相關作業[16]。第二次近海試采的主要目的是驗證第一次近海試采中出現的明顯技術問題的解決方法(圖9)，其次是利用試采結果判斷實施長期試采的必要性[17]。

第二次近海試采將對整個試驗系統進行改進，重點是井下設備、防砂裝置和監測設備。在第一次近海試采中，由于礫石移動的緣故，導致篩網被破壞，進而導致出砂事故的發生。因此，在第二次近海試采中，將不使用礫石充填，取而代之的是具有較好抗腐蝕和抗機械破壞性能的裝置[17]。

圖9 第二次近海試采的實施體系[17]

3 思考和啟示

我國自1999年實施海域天然氣水合物調查以來，先后在南海北部、沖繩海槽以及管轄外海域發現了天然氣水合物賦存標志，初步圈定了天然氣水合物的分布范圍，查明了其資源分布狀況[18-19]。2015年9月1日，中國地質調查局在南海北部神狐海域順利完成了我國第三次海域天然氣水合物鉆探航次(GMGS3)，鉆探、測井、取芯、取樣以及船上分析測試工作所獲的大量數據和樣品表明，在神狐海域天然氣水合物分布較廣，且該區天然氣水合物層具有厚度大、飽和度高、I型和II型天然氣水合物共存的特征，資源潛力巨大[20]。此外，這一航次通過鉆探取芯落實2個大型天然氣水合物礦體，為中國地質調查局2017年在南海首次試采天然氣水合物提供了可選擇的重要參考靶區[21]。

我國的水合物研發工作應從美國、日本等甲烷水合物研發工作開展較早、較好的國家借鑒經驗，基于此本文提出了以下不成熟的建議僅供參考。

1)盡管甲烷水合物中的天然氣資源潛力極其巨大，但因地質條件(如溫度、壓力)和賦存形式(固相水合物)的特殊以及潛在的安全和環境問題等，在短時間內很難實現經濟和社會效益，這就需要政府長期而穩定的政策和資金支持，以國有企業、研究機構和高校等為依托，扎實、全面、深入地開展甲烷水合物的相關科學研究和技術研發工作。

2)重視基礎科學研究和技術研發，加大政策和資金的支持力度，如甲烷水合物的基本物理化學性質(結構形態、熱力學性質、力學性質)及其測試技術和方法、勘探方法(成藏機理、地震響應特征、測井識別特征、地球化學特征、生物學特征)、資源量評價方法、取樣和分析技術(非保溫保壓取樣技術、保溫保壓取樣技術)、開采方法。

3)建立具自主知識產權的甲烷水合物生產模擬器，在開展深入細致的勘探工作和獲取大量可用的水合物儲層特性的基礎上，針對甲烷水合物富集帶開展生產模擬預測研究工作，從而與其他方法相結合來綜合評價和選取可優先開展試采的場地。

4)我國應盡快開展陸上或海上試采工作。盡管真正意義上的商業開發尚需時日，但基于研究、發展、示范及推廣(RDD&D)的原則，試驗性項目的開展對提高理論上的認識，驗證和改進數值模擬模型，綜合利用多種開采方法，針對試采過程中遇到的問題進行改進，示范相關技術、方法和設備儀器，根據不同地質條件及水合物賦存情況摸索和確定最優的生產方案等各環節至關重要且不可或缺。

5)我國的甲烷水合物開發應調動企業的積極性，目前國外已開展的水合物試采項目均有企業的參與甚至是主導，如美國康菲石油公司和雪佛龍公司、日本石油、天然氣和金屬礦產資源機構、英國石油公司，韓國國家石油公司、以及印度石油和天然氣有限公司等，政府部門應在資金、政策、統籌和資源共享等方面給予協助。

6)盡管甲烷水合物的開發利用對滿足人類的能源需求有著重要的意義，但也不應忽略水合物開發可能造成的環境和地質災害問題，應首先確定可能產生的主要風險因素，如甲烷泄漏、地面(海底)沉降、海底滑坡等，然后針對不同的地質條件建立更可靠的環境和地質災害風險評價方法，最后根據可能的環境和地質災害風險制定作業規范和應對措施。

7)甲烷水合物研發是一項綜合性的工作，涉及物理、化學、熱力學、地質、地球物理、油氣工程等多個學科，涵蓋陸地和海洋，這就需要像美國、日本一樣在國家級甲烷水合物研發計劃的制定和實施中發揮相關政府機構的優勢，統一協調甲烷水合物的研發工作。

8)積極參與甲烷水合物領域的國際性研發計劃或項目，與相關政府機構、企業、學術機構等建立長期穩定的聯系，一方面追蹤和分享國外最新研究成果，另一方面加強學習與積累技術研發和項目管理等方面的先進經驗。

[1] Beaudoin Y C, Dallimore S R, Boswell R. Frozen heat: A UNEP global outlook on methane gas hydrates[M]. United Nations Environment Programme，2014.

[2] Saeki T, Fujii T, Inamori T, et al. Extraction of methane hydrate concentrated zone for resource assessment in the eastern Nankai Trough, Japan[C]. Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA, 5-8 May, 2008.

[3] Tsuji Y, Ishida H, Nakamizu M, et al. Overview of the MITI Nankai Through wells: A milestone in the evaluation of methane hydrate resources[J]. Resource Geology, 2004, 54(1): 3-10.

[4] Collett T S. Energy resource potential of natural gas hydrates[J]. AAPG Bulletin, 2002, 86(11): 1971-1992.

[5] Nagakubo S, Arata N, Yabe I, et al. Environmental impact assessment study on Japan’s methane hydrate R&D program[J]. Fire in the Ice, 2010,10(3):4-11.

[6] 劉玉山, 祝有海, 吳必豪. 海洋天然氣水合物勘探與開采研究進展[J]. 海洋地質前沿,2013,29(6):23-31.

[7] Fujii T, Saeki T, Kobayashi T, et al. Resource assessment of methane hydrate in the eastern Nankai Through[C]. Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA, 5-8 May, 2008.

[8] Fujii T, Noguchi S, Takayama T, et al. Site selection and formation evaluation at the 1st offshore methane hydrate production test site in the eastern Nankai Through[C]. 75th EAGE Conference & Exhibition incorporating SPE EUROPEC 2013, London, UK, 10-13 June, 2013.

[9] Yamamoto K, Terao Y, Fujii T, et al. Operational overview of the first offshore production test of methane hydrates in the Eastern Nankai Trough[C]. Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA, 5-8 May 2014.

[10] Kanno T, Takekoshi M, Wang X, et al. In-situ temperature measurement of gas hydrate dissociation during the world-first offshore production test[C]. Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA, 5-8 May 2014.

[11] Yamamoto K, Inada N, Kubo S, et al. A pressure coring operation and on-board analyses of methane hydrate-bearing samples[C]. Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA, 5-8 May，2014.

[12] Yamamoto K. Overview and introduction: Pressure core-sampling and analyses in the 2012-2013 MH21 offshore test of gas production from methane hydrates in the eastern Nankai Trough[J]. Marine and Petroleum Geology，2015,66:296-309.

[13] Inada N, Yamamoto K. Data report: Hybrid Pressure Coring System tool review and summary of recovery result from gas-hydrate related coring in the Nankai Project[J]. Marine and Petroleum Geology，2015,66:323-345.

[14] Terao Y, Duncan M, Hay B, et al. Deepwater methane hydrate gravel packing completion results and challenges[C]. Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA, 5-8 May，2014.

[15] フェーズ3実行計畫案の作成について[EB/OL]. http://www.meti.go.jp/committee/summary/0004108/pdf/029_05_00.pdf.

[16] 第2回メタンハイドレート海洋産出試験の事前掘削作業開始について[EB/OL]. [2016-05-12]. http://www.jogmec.go.jp/news/release/news_06_000127.html.

[17] 第2回海洋産出試験の計畫[EB/OL]. http://www.meti.go.jp/committee/summary/0004108/pdf/029_06_00.pdf.

[18] 張樹林. 中國海域天然氣水合物勘探研究新進展[J]. 新能源,2008,28(1):154-158.

[19] 鄧希光, 吳廬山, 付少英, 等. 南海北部天然氣水合物研究進展[J]. 海洋學研究, 2008, 26(2): 67-74.

[20] 神狐海域天然氣水合物鉆探成果顯著[EB/OL]. [2016-03-28]. http://www.hydz.cn/showinfo-4592.html.

[21] 神狐海域鉆探發現大型天然氣水合物礦體[EB/OL]. [2016-03-28]. http://www.hydz.cn/showinfo-4591.html.

First offshore methane hydrate production test in the world: from site selection to implementation

ZHANG Wei1,2, SHAO Mingjuan1,2, WANG Minghan1,2, TIAN Qianning1,2

(1. Geoscience Documentation Center, China Geological Survey, Beijing 100083, China; 2. National Geological Library of China, Beijing 100083, China)

Japan’s interest in methane hydrate can be traced back to the 1980s, as one of the earliest countries developing national gas hydrate research and development program, and successfully completed the first offshore production test in the world. Based on summary and analysis of the production test process from site selection to implementation, it is further definite that from resource survey to field test and then to commercial exploitation is a long term process, facing challenges from many aspects, such as economy, environment and technology. Therefore, for hydrate research and development efforts in China, some suggestions are provided in terms of strengthening government supports, paying attention to basic scientific research and technological development, accelerating onshore and offshore production tests, mobilizing the enthusiasm of enterprises, focusing environmental and geohazard risks, strengthening multi-party collaboration, promoting international communication and corporation, etc.

natural gas hydrate; production test; Japan; research and development

2016-06-17

中國地質調查項目“地學情報綜合研究與產品研發”資助(編號：1212010115000150002)；中國地質調查項目“世界海洋地質調查情報分析與研究”資助(編號：GZH201500211)

張煒(1981-)，中國地質調查局地學文獻(中國地質圖書館)中心高級工程師，水文學與水資源(原水文地質)專業博士，主要從事地學情報研究，E-mail：zhangwei@cgl.org.cn。

P618.13

A

1004-4051(2017)02-0143-09