海底天然氣水合物開采的環境安全性探討

李子豐， 韓 杰

（燕山大學石油工程系，河北秦皇島 066004）

世界能源消耗量不斷增長，對環境的影響日益凸顯，對環境保護提出了更高要求。煤炭等常規資源在使用過程中會對大氣環境產生一定影響，進而影響人們的日常生活和身體健康。天然氣水合物作為一種新型清潔能源，如果能夠進行商業化開采并應用于工業生產和日常生活，將會提高人們生活的環境質量。天然氣水合物是天然氣與水在高壓、低溫條件下形成的類似冰狀的結晶物質，因其外觀像冰，遇火可燃燒，所以又被稱為“可燃冰”、“固體瓦斯”或者“氣冰”[1]。天然氣水合物主要埋藏在海洋深水海底地層、大陸永久凍土、島嶼的斜坡地帶、大陸邊緣的隆起處、極地大陸架及內陸湖的深水湖底地層內[1-7]。研究認為，天然氣水合物中碳的總量約為當前已探明所有化石燃料（包括煤、石油和天然氣）中碳總量的2倍[8]。

目前，天然氣水合物的開采還處于勘探、試采和小規模開采階段[9]，進展緩慢的主要原因是對天然氣水合物的開采方式還沒有達成共識，主要是擔心開采過程中天然氣水合物會瞬間大規模氣化，對環境造成災難性的影響。為此，筆者分析了天然氣水合物開采過程中的環境安全問題，從天然氣水合物氣化開采原理、開采實踐等方面探討了天然氣水合物開采的低速性和環境安全性。

1 開采過程中的環境問題

海底天然氣水合物從海底開采出來過程中，可能會破壞海底的穩定性和海洋生態環境等，甚至影響到整個海洋生態系統的平衡和穩定性。目前，開采海底天然氣水合物時人們普遍擔心的主要有海底天然氣水合物瞬間大規模氣化、破壞海洋生態環境、加劇全球變暖、產生海底地質災害等問題。

1）海底天然氣水合物的瞬間大規模氣化。一些學者認為天然氣水合物一旦被開采，將無法控制，會出現天然氣水合物大規模瞬間氣化的情況[10]。具體的認識是：開采天然氣水合物的過程涉及外來工具或能量的介入，天然氣水合物在海底的穩定狀態將被破壞，由介入點開始逐步蔓延擴大，大面積的天然氣水合物受到影響，可能出現瞬間大規模氣化的情況；海底產生的大量氣體，會使海水發生大幅度的波動，產生類似于海底地震的效果。

2）破壞海洋生態環境。在開采天然氣水合物的過程中，部分天然氣會通過海底土壤孔隙向水體中泄露，破壞海洋生態環境。進入海水中的天然氣，在水體中氧氣充分的情況下，大部分會與氧氣反應生成二氧化碳；生成的二氧化碳在海底可以溶解碳酸鹽礦物；沒有反應的天然氣和二氧化碳繼續向上運移，部分二氧化碳在靠近海面時會被海水中的浮游植物轉化為氧氣；剩余的天然氣和二氧化碳會逸出海面進入大氣層。天然氣對海洋生態的破壞主要是對海水中氧氣的消耗，而氧氣被消耗又是導致海洋生物滅絕的直接原因。因此，部分專家學者認為天然氣水合物的開采必將影響到海洋生態平衡，導致部分海洋生物的滅絕[11-12]。

3）加劇全球變暖。一些學者認為天然氣水合物分解產生的天然氣（主要成分是甲烷）與二氧化碳一樣，也是溫室氣體，并且同質量甲烷產生的溫室效應是二氧化碳的20～30倍，因此擔心天然氣水合物開采過程中會有大量天然氣泄露到空氣中，對現有大氣的組成造成惡劣影響，加劇全球變暖，改變全球氣候[11-12]。

4）產生海底地質災害。分析已有試采結果后認為，海底的天然氣水合物增大了附近沉積物儲層的機械強度。如果天然氣水合物分解為游離氣和孔隙水，將會使沉積物儲層的地質力學穩定性大幅度降低[13-15]，而地層巖土強度降低是天然氣水合物開采中可能造成地質災害（如海床塌陷、海底滑坡）的根本原因。

2 主要開采方法的基本原理

天然氣水合物處于穩定狀態的溫度壓力條件是一定的，可由相平衡曲線確定，穩定狀態下的溫度為0～10 ℃，壓力在10 MPa以上。通過應用工程技術措施破壞天然氣水合物的穩定狀態，使其不斷分解，這是目前天然氣水合物開采方法的基本原理。由于天然氣水合物的動力學問題尚未研究清楚，許多開采技術和工藝還只能停留在試驗階段。

2.1 常規開采方法

天然氣水合物以固態形式埋藏在海底儲層中，開采過程中會發生相態的變化，從固體轉變成氣體和水[16]。天然氣水合物的分解熱為54.67 kJ/mol[15]。在井筒中向上流動的同時，隨著壓力的降低，體積膨脹，需要吸熱。對熱量的吸收是天然氣水合物開采中需要重點考慮的因素。目前，天然氣水合物常規開采方法主要有降壓開采、化學劑注入開采和熱力開采[17-25]。

降壓開采法是通過降低天然氣水合物儲層的壓力，使天然氣水合物的相平衡點產生變動，從而使其分解。傳統意義上的降壓方式主要有2種[19]：1）抽出井筒內的液體或降低井筒內液體的密度來降壓；2）泵出天然氣水合物層下方的游離氣體或者其他流體，達到降低天然氣水合物層壓力的目的。降壓開采天然氣水合物時不需要注入太多人工能量，所需要的能量主要是地層內部的熱流。由于沒有人工熱源供熱，只利用地層溫度提供熱量，單一使用降壓法開采天然氣水合物的速度是緩慢的。降壓法對于儲層溫度太低（接近或者低于0 ℃）的天然氣水合物藏并不適用，主要原因是低于0 ℃時水可能以冰的形式存在。冰的存在會對天然氣水合物的氣化以及氣態天然氣的輸送產生一定影響。

化學劑注入法[8]主要是通過向天然氣水合物儲層中注入鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇等化學劑，破壞天然氣水合物分子間的氫鍵，改變溫度和孔隙壓力，使天然氣水合物的相平衡條件發生變化，從而分解為天然氣和水。該方法存在化學藥劑價格昂貴、作用過程比較緩慢、可能造成環境污染的問題。

熱力開采是通過鉆井技術在穩定的天然氣水合物儲集層中安裝管道，利用管道對地層進行加熱，提高管道附近儲集層的溫度，促進天然氣水合物不斷分解。熱力開采法的不足之處是熱損失大，熱效率低。

由以上分析可知，在天然氣水合物開采過程中，熱量的供給是至關重要的因素。在壓力一定的條件下，只有熱量供給充足，天然氣水合物才能不斷分解出氣態天然氣；若熱量供給不足，天然氣產量就會降低；一旦熱量供給停止，將不再分解產生天然氣。

2.2 固態流化法

針對于常規開采方法的不足，周守為、伍開松等人[26-29]提出了海底天然氣水合物固態流化開采方法，基本流程如圖1所示。

圖1 深水淺層非成巖天然氣水合物固態流化開采示意[29]Fig.1 Schematic diagram of solid-state fluidized exploitation of deep-water shallow layer non-diagenetic gas hydrates[29]

該方法的基本原理是：首先利用天然氣水合物在海底溫度和壓力條件下的穩定性，采用機械辦法將地層中的固態天然氣水合物碎化；然后在海底進行分離、分解；最后將分離、分解后的含氣水合物漿體舉升到水面工程船，分離后的固體巖屑排放在海底。具體施工流程為[26]：海洋鉆井鉆至天然氣水合物目的層后，采用鉆桿固井方式固井，并在鉆桿中下入連續油管鉆穿井底鉆頭，再采用噴射短節在井底射流破碎天然氣水合物至細小顆粒，并將天然氣水合物顆粒攜帶出井筒，最后分離出天然氣。固態流化方法在技術上是可行的，但存在著不足，即在開采過程中需要一直進行采礦作業，這與常規的油氣開采有很大區別。對于常規油氣，鉆井完井結束后主要依靠地層的滲流進行開采，后期可能需要人工舉升方式的輔助，但不需要一直對地層進行破碎施工。持續鉆進需要鉆進設備的不斷運行，大大增加了開采成本，導致商業應用前景不太樂觀。

3 開采及環境安全性分析

天然氣水合物的開采過程并不是一個迅速的過程，需要能量的補充和緩慢的氣化。筆者認為，在現有開采水平下，天然氣水合物的開采是低速的、環境是安全的。

3.1 開采速度

3.1.1 氣化界面向外延伸形成低溫區

開采過程中，由于天然氣水合物的氣化和氣態天然氣的膨脹，不斷吸熱，會在開采井附近形成低溫區，并且隨著開采時間增長，低溫區會越來越大，核心區的溫度越來越低（見圖2）。溫度的持續降低和低溫區的不斷擴大，一方面會使天然氣水合物的氣化速度變慢，另一方面會使地層能量傳遞到開采井附近的速度變慢，導致產量逐步降低。2017年，我國在南海進行了天然氣水合物降壓法開采試驗，初期產量很高，后期產量低。截至關井，連續試采60 d，累計產氣量超過30×104m3，平均日產氣量5 000 m3以上，最高日產氣量達3.5×104m3[30]。

圖2 開采過程中井筒附近低溫區示意Fig.2 Schematic diagram of the low temperature zone near wellbore during the exploitation process

3.1.2 氣化速度受地層供熱速度制約

在無人工供熱條件下，采用降壓開采法等方法開采天然氣水合物時，天然氣水合物分解所需熱量只能由地層提供，而地層的導熱系數一般比較小。國內一些學者對黏土、砂土的導熱系數做過相關研究，結果表明，黏土、砂土的導熱系數隨著含水率升高先增大再減小，在含水率為25%左右時達到最大值，黏土、砂土的最大導熱系數分別約為1.543和1.335 W/（m·K）[31-35]。因此，天然地層熱量的供給是一個緩慢的過程，制約了天然氣水合物分解的速度，造成天然氣水合物在降壓開采條件下不會持續高產[36-37]。隨著孔隙壓力的降低，儲層慢慢沉降、壓實，孔隙度和滲透率降低，產量也隨之降低。

3.1.3 大規模氣化、失控風險

天然氣水合物類似一種含天然氣的冰或雪，冰或雪不會出現大規模的突然汽化，只會隨著環境的改變發生緩慢的變化。因此，天然氣水合物也不會出現大規模、失控的氣化。

3.2 環境安全性分析

3.2.1 大規模滲漏風險

天然氣水合物氣化并順利進入井筒的前提條件是井筒內的壓力低于儲層的原始壓力。生產井井筒內產生一個與儲層連通的低壓區，氣化后的天然氣水合物在壓力作用下，主要向井筒內移動，進入海水中的天然氣會由于壓力作用而減少。因此，正常生產時進入海水中的天然氣與開采之前相比只會減少，而不會增加。

3.2.2 海洋生態影響

海底之下天然氣水合物分解后產生的一些流體組分從海底表面溢出，從而形成冷泉，如圖3所示。之所以稱其為冷泉，是因為天然氣水合物分解產生氣態天然氣和氣態天然氣膨脹過程中均需要吸收大量的熱量，從而降低了周圍環境的溫度。同時，由于海底表面溢出的流體中含有甲烷、硫化氫等組分，可為一些海底微生物提供足夠的養分[38]，冷泉區域一般都是深海海底生命比較活躍的地方。與海底其他區域相比，冷泉好像“沙漠中的綠洲”。冷泉周圍能夠形成生物群落，表明地層將熱量傳到氣化界面的速度是很慢的，天然氣水合物在天然能量條件下不會劇烈、迅速地分解，而是緩慢、持續地分解。

天然氣水合物的開采對海洋生物的影響主要體現在以下2方面：

圖3 海底冷泉及生物群落示意Fig.3 Schematic diagram of subsea cold springs and biomes

1）海底冷泉附近存在生物群落，說明天然氣的少量逸出有利于海底生物群落的形成；

2）海水中如果只存在氧氣，而沒有天然氣等有機物質，許多物種將因為缺少食物供給而面臨滅絕。

在海洋生態環境中，只有海水、氧氣和天然氣等均存在的情況下，才能達到一個平衡狀態。天然氣水合物的開采原理決定了泄漏于海水中的天然氣量并不大，有時可能會減少冷泉的氣量，但減少數量有限。因此，現有技術水平下天然氣水合物的低速開采，不會對海洋生態環境產生太大影響。

3.2.3 常規災害

天然氣水合物的開采與其他礦產的開采一樣，都會對環境產生一定的負面作用，如海床塌陷、海底滑坡，均屬于常規災害。由于海底情況的復雜性，此類災害存在一定的不可控性，且是不可避免的，但對環境的危害不大。

4 結 論

1）天然氣水合物作為一種比較清潔的能源，可以安全開采和利用。

2）天然氣水合物在開采過程中由固態轉變為氣態和液態，發生相態變化和氣體體積的膨脹需要大量的熱。受地層供熱速度的制約，天然氣水合物的開采具有低速性。

3）天然氣水合物的開采會對環境產生一定影響，但不會爆發大規模、無控制的氣化，也不會對海洋水體、海洋生態環境和大氣產生嚴重影響，只可能發生海床塌陷、海底滑坡等常規災害。因此，開采天然氣水合物對環境危害不大，可認為是安全的。