可燃冰開發及試采技術發展現狀綜述

湯曉勇 陳俊文 郭艷林 梁法春 王 馳

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院， 山東 青島 266580

0 前言

天然氣水合物(可燃冰)是由水分子和氣體分子(烴類為主)在合適的溫度壓力作用下形成的類冰狀化合物,主要分布在深海的沉積物或陸域永久凍土層中,具有非化學計量性、相平衡特性、籠體結構的特殊穩定性、自保護特性等性質。形成水合物的氣體組分包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷以及它們的同系物等烴類氣體和少數非烴類氣體,這些氣體分子存在于由水分子構成的籠形空腔結構內。由于形成天然氣水合物的烴類物質主要是甲烷(含量>99%),因此通常又稱甲烷水合物[1]。

可燃冰中蘊含了巨大的天然氣資源,1 m3可燃冰相當于160～180 m3(標準)的天然氣,以此估算,全球可燃冰礦藏中儲藏了約1.8×1016～2.1×1016m3天然氣資源,其總量相當于全球已探明常規化石燃料總碳量的2倍,因此可燃冰有望改善現有以煤炭、石油等非清潔能源主導的能源結構,目前對可燃冰的研究受到了世界各國的高度重視。

1 可燃冰開采技術研究現狀

目前已經提出的可燃冰開采方法較多,具有代表性的包括降壓法、注熱法、置換法、化學抑制劑注入等。由于生產條件的限制,可燃冰開采研究尚主要集中在室內實驗和數值模擬兩方面。

1.1 降壓法

降壓法是通過抽取地下水或氣舉等手段使水合物儲層壓力降低,當水合物壓力降至平衡壓力以下時會自發地發生分解,從而實現水合物的開采。降壓法開采見圖1，由于其操作相對簡單,并且可以相對快速地促使大量天然氣水合物分解,該方法被認為是最具經濟價值的可燃冰開采方法。同時,需要注意的是,降壓法開采過程中容易引起儲層溫度過低,從而引發結冰或者水合物二次生成的現象,造成滲透路徑的堵塞,影響開采效率,因此需考慮合理手段予以緩解。

1.1.1 降壓法室內實驗研究

Yousif M H和Sloan E D[2-3]利用Berea砂巖的巖心作為載體生成了天然氣水合物，并進行了降壓分解實驗。驗證了在巖心內生成的天然氣水合物分布均勻且穩定，分解過程中存在較為明顯的分解前緣；水合物分解速度受分解壓差和分解過程中的驅動力影響，且呈現正相關規律。

Kono H O[4]等人在實驗溫度273.5 K，壓力范圍6.8～13.6 MPa的情況下，對不同粒徑多孔介質中水合物的生成和降壓分解過程進行了研究。通過減壓法測量分離速率，從實驗結果推導了動力學解離速率方程和反應順序。通過實驗發現，可以通過控制沉積物的性質來調節解離速率，并推導了反應速率方程。

Hong Huifang[5]使用實驗裝置對具有下伏氣的水合物藏進行降壓分解實驗，檢驗了地層性質、操作條件和動力學行為等對分解的影響。

Lee J等人[6]用長30.4 cm,直徑3.81 cm,孔隙度31%的Berea巖心生成水合物,并依據實驗結果得出了降壓幅度與水合物分解的關系。

馮自平等人[7]通過對多孔介質中水合物的降壓分解模擬實驗初步建立了降壓分解的數學模型。

李淑霞等人[8]利用模擬開采實驗裝置,對包含水合物的沉積物體系進行降壓實驗,得出了降壓分解影響因素。

Taewoong A等人[9]在實驗中利用25 cm泥層和 50 cm 的砂層來進行泥沙混合層的模擬實驗,實驗對飽和度為50%的甲烷水合物進行降壓分解,結果表明產水先于產氣且氣體擴散會加速水的流動。

由此可見,前人通過實驗對水合物的生成過程以及降壓法開采水合物的影響因素進行了較為深入的研究,揭示出分解壓差、降壓幅度、水合物孔隙率等因素均會影響開采速率,并形成了水合物分解速率的計算公式。后續還需對提高降壓法開采速率和防治降壓開采過程中可能出現的井壁失穩、儲層變形等問題展開研究。

1.1.2 降壓法數值模擬研究

Burshears[10]在前人研究的基礎上建立了用于具有下伏氣藏特點的天然氣水合物的降壓開采模型，建立了對應的溫度分布和邊界條件約束，并對孔隙介質中的流體流動進行描述。研究成果揭示了該種生產方式下的產量規律、水合物分解特征等問題。

Yousif M H等人[11]基于等溫降壓過程，建立了多孔介質中水合物分解和分解產物運動模型，以質量流量作為各種狀態表征值，實現了地層中水合物、天然氣和原態水的飽和度分布模擬，同時可用于開發過程中天然氣、分解水的時域流量分析。模擬結果接近實驗下的Berea巖心結果。

陳科等人[12]以均一孔隙度為前提，建立了包含分解區、水合物區和分解完全區的水合物降壓分解模型，考慮了氣相和水相的流動和水合物分解過程熱力學交換問題。對分解前緣的壓力、溫度變化進行了預測，揭示了分解區、水合物區和分解完全區的溫降比對規律和水合物飽和度分布規律。

白玉湖等人[13]建立了開采下伏氣的水合物藏降壓開采模型，綜合考慮了氣-水-水合物-冰相多相滲流過程、水合物分解動力學過程、水合物相變過程、冰-水相變過程、熱傳導、熱對流、滲透率變化等對水合物分解的影響，亦基于模型分析了降壓過程中下伏氣、水合物藏中溫壓變化規律和飽和度特征，提出了下伏氣的開采可有效延長水合物藏的開采時間和提高產量。

Shahbazi A[14]建立了包含氣、水、水合物、冰的三維水合物藏降壓開采模型。該模型綜合考慮了降壓開采中基于介質熱傳導和氣水滲流的水合物分解動力學、水合物二次形成等問題，可以較為精確地實現第三類水合物藏的開采模擬。

周小玲等人[15]利用Masuda滲透率模型,通過對水合物儲層降壓分解的數值模擬,獲得了不同時間點儲層中流體的分布情況以及分解過程中溫度和壓力的變化情況。

從降壓法開采模擬報道來看，對降壓法的數值模擬研究通常以Kim-Bishnoi動力學模型描述水合物相變過程，熱力學條件、地層壓力變化、地層滲透性等是模擬中的主要考慮因素。

目前,Mallik凍土區、日本Nankai海槽、以及我國南海海域水合物的現場試采均采用了降壓法,證明了其在水合物開采方面的可行性和適用性。

1.2 注熱法

注熱法是通過某種方式提高水合物儲層溫度,使其高于水合物存在的平衡溫度而使水合物分解。注熱法開采見圖2,表1列舉了常見注熱法及其優缺點。

注熱過程中消耗的熱量主要用于儲層巖石升溫、水合物孔隙間流體升溫、水合物分解吸收以及外界傳熱;在這一過程中,除了水合物分解吸熱以外,其他熱量的損失存在浪費問題,同時因為儲層中巖石的存在以及孔隙流體導熱率的限制,熱量的傳播范圍十分有限,難以到達離生產井較遠的位置。種種原因導致注熱開采的效率一般較低,在目前已知的現場開采過程中,注熱法很少單獨使用,一般配合其他開采方式,作為誘發水合物儲層前期快速分解的手段。

圖2 注熱法開采示意圖

表1 不同注熱開采方法的優缺點對比表

Tab.1 Advantages and disadvantages of different thermal injection mining methods

方法優點缺點注入熱流體簡單可循環利用效率低電磁加熱加熱迅速、易于控制需要大量的能量來源且設備復雜微波加熱易于控制、通過波導管傳輸缺乏大功率磁控管太陽能加熱高效、清潔、無污染易受氣候變化影響

1.2.1 注熱法室內實驗研究

唐良廣等人[16-18]通過改變注熱水速率和溫度研究水合物分解過程的產氣產水規律,得出注水溫度與分解產氣速度的大小無關但會影響達到最大產氣速度的時間。同時還研究了影響開采能量效率的外部因素以及水合物自身因素。

Pang W X等人[19]在10 L的反應釜中進行了注熱水法開采實驗。實驗過程中水合物處于0.1 MPa的封閉釜內,隨后向釜內注入熱水誘發水合物分解。實驗結果驗證了注水溫度、注水量、壓力對分解過程的影響,證實了注熱對低壓狀態下水合物分解的促進作用。

黃瑞[20]通過注熱水驅替實驗對不同飽和度、不同初始溫度的水合物注熱水開采進行了實驗研究,得出了在不同情況下的最佳注熱水速度、溫度和時間。

通過實驗研究,已經發現水合物飽和度、注熱水溫度、注熱水速率以及環境壓力等因素都會對注熱開采過程中水合物的分解效率和產氣率產生影響,同時也發現高壓環境有助于熱水向儲層內部運移,但也會引發壓力聚集,導致水合物分解區生成次生水合物。

1.2.2 注熱法數值模擬研究

McGuire P L[21]模擬研究了通過注入熱水或蒸汽從水合物沉積物中生產天然氣的兩種方法，并探討了水力壓裂和減壓作為水合物氣體生產技術的可行性，同時還描述了適用于水合物儲層的水力壓裂技術。

Selim M S等人[22]提出了一種多孔介質在熱刺激下的水合物分解模型。該模型將分解視為邊界處產生了氣體和水。該邊界將含有氣體和水的分解區與含有水合物的未分解區分開。推導了守恒方程的相似解，可用于數值計算。針對模擬飽和蒸汽和熱水熱刺激的兩種情況，給出了模擬過程中的熱通量，溫度曲線和氣體壓力分布。

Moridis G J等人[23-24]建立了水合物分解的平衡模型和動力學模型,可以針對降壓法、注熱法、化學抑制劑注入法進行模擬。Moridis G J提出對于1類水合物藏單獨降壓開采即可,Ⅱ類水合物藏可以利用下伏自由水進行注熱開采,Ⅲ類水合物藏需要降壓和注熱聯合開采。

唐良廣等人[25]基于推導的熱力作用下水合物地層溫度分布，發展了評價熱力法開采天然氣水合物的熱效率和能量效率的模型。

李淑霞等人[26]基于水合物藏熱力開采的機理，建立了數學模型并編制了軟件，對影響水合物藏注熱開采效果的參數進行了敏感性分析。研究結果表明，分解前緣移動速度和累積產氣量主要受孔隙度、注熱溫度、初始水合物飽和度、水合物藏初始溫度、分解區導熱系數和熱擴散系數的影響，而未分解區的熱力學參數對注熱開采影響不大。

由于注熱開采過程涉及的物理量較多,相關的相變、傳熱傳質問題較為復雜,目前還沒有一個模型能夠將所有的變量包含在內,但通過之前的研究,已經對實驗過程中得出的影響因素進行了驗證,并對注熱開采的能量效率問題進行了優化。2002在加拿大Mallik地區開展的試采表明，注熱法的熱量滲透率較低,損失較大,但可作為防止井筒水合物堵塞的輔助方法。如果可以解決熱量損失大、能源利用率低的問題,注熱法還是擁有非常廣闊的應用前景。

1.3 置換法

置換法是利用了CO2或比甲烷更容易形成水合物的流體將甲烷置換出來,其開采原理見圖3。置換過程中釋放的熱量可以促進水合物分解并驅使擴散的氣體填充到地層孔隙中。置換過程不牽扯相變,因此較為安全,同時可以將溫室氣體封存海底,緩解陸地的溫室效應。故該方法提出后引起了相關研究人員極大的興趣。但研究后發現該方法置換效率不高,置換所需條件較為苛刻,同時CO2容易滲透到開采井中,帶來新的分離問題。目前置換法的商業應用較少,但一直是研究熱門。

圖3 置換法開采示意圖Fig.3 Schematic diagram of displacement mining method

置換法的設想最初由Ebinuma T[27]在1993年提出,1996年Ohgaki證明了向CH4水合物體系中加入CO2依然可以建立新的平衡體系,論證了置換法的可行性。

Hirohama S等人[28]在274 K、4～5 MPa狀態下使用液態CO2實施甲烷水合物的置換實驗，實驗結果：CH4在液態CO2中的逸度低于初始水合物中的逸度水平，同時CO2的逸度遠高于初始形成的CO2水合物；產生的CO2水合物可能會影響CH4、CO2以及H2O的物質傳遞，降低開采效率。

Ota M等人[29]采用液態CO2進行CH4水合物置換開采實驗研究,實驗結果顯示，當壓力在3.2 MPa以上時,甲烷回收率隨壓力增加而增加,當壓力增大到6 MPa時,甲烷回收率趨于穩定,不再隨壓力增大而變化。Ota M認為置換過程甲烷回收率與CO2相態環境以及壓力有關,液態CO2的置換率更高。

周薇等人[30]改變CO2的注入壓力研究了置換開采過程CH4水合物的置換率以及置換速率。實驗結果顯示，當CO2注入壓力在3.97～4.84 MPa時，CH4置換率與置換速率隨著CO2注入壓力而增大。

李遵照等人[31]考察了壓力為2.8 MPa和3.25 MPa，溫度在271.2～276.1 K范圍內的CO2氣體置換開采過程。結果表明,溫度對置換速率有明顯影響,尤其當溫度在冰點以上時,置換溫度升高可顯著提高置換開采速率。

閆素貞[32]采用煙氣置換CH4實驗,研究不同濃度CO2-N2在不同壓力和溫度條件下的置換過程。結果顯示，煙氣在相同溫度和壓力下,CO2濃度越高,置換效率越高。

目前主要是采用室內實驗方法對置換法開采進行研究,環境壓力對置換效率的影響規律。在數值模擬方面的研究主要集中在置換法的開采機理上,對于置換過程涉及到的傳質現象以及本構模型的建立還較為欠缺。目前常用的置換方式有兩種,第一種為從一個井口注入CO2,并從另一個井口對甲烷氣體進行抽取;第二種為從一個井口注入CO2,閉井一段時間以供CO2和甲烷氣體充分置換,隨后再進行甲烷氣體的抽取。如何提高置換效率和置換速率將是該方法的最大挑戰。

1.4 化學抑制劑注入法

化學抑制劑注入法通過向水合物礦藏中注入化學試劑,破壞連接水合物分子間的氫鍵同時改變水合物存在的相平衡條件,促進水合物分解[33],其開采原理見圖4。經驗證,該方法可以提高天然氣產量,在開采初期可以很低的能量注入即實現水合物的分解。但是抑制劑價格較昂貴,經濟性較差[34-35],同時抑制劑對地下水和海洋生態環境都會帶來不良的影響,所以該方法的使用受到了限制。

研究人員通過實驗對化學抑制劑注入法進行了研究,Kawamura T等人[33]將甲醇溶液注入水合物巖芯中并記錄水合物分解過程。實驗中改變了甲醇溶液濃度和溫度參數,得出了水合物分解動力學參數。

Sira J H等人[36]研究了乙二醇(ethylene glycol)和甲醇(methanol)溶液注入后的水合物分解特征和開采規律。研究結果表明，水合物分解的瞬時速率是抑制劑濃度、抑制劑注入速率、壓力、抑制劑溶液溫度和水合物與抑制劑界面(接觸)面積的函數。

Fan Shuanshi等人[37]同樣進行了注入乙二醇(ethylene glycol)分解水合物實驗，得出了分解速度與乙二醇注入速度以及試劑濃度的關系，且較高的乙二醇濃度下，分解所需的能量更低。

可燃冰礦藏存在的特殊地質環境,要求抑制劑不僅可以破壞水合物的相平衡條件,同時需要兼具穩定的化學性質。此外對海洋環境的影響以及開采過程的投入產出比也是研發人員關心的重點。現已研制出的新型水合物抑制劑理論上可以實現以更低的濃度達到誘發水合物分解的效果,在室內這驗和現場試采方面具有極大潛力。

1.5 固態流化法

固態流化開采是近幾年提出的新型水合物開采方法,對非成巖類型的可燃冰具有很高的開采效率。該方法的開采原理:利用采掘設備直接開掘固態可燃冰,隨后將水合物沉積物粉碎成小顆粒,再與海水通過密閉的立管輸送至海洋平臺,在海上平臺對獲得的水合物固體或漿體進行后處理,見圖5[38]。該方法實現了原位固態開發,降低了可燃冰分解引起工程地質的災害風險,也在一定程度避免了溫室效應。

圖5 固態流化法開采示意圖Fig.5 Schematic diagram of solid fluidization mining method

我國南海海域可燃冰埋深淺,膠結度弱,易于碎化,非常符合固態流化法的使用條件,故此法提出后引起了國內許多學者的研究興趣。2015年4月,西南石油大學成立了世界首個“海洋非成巖天然氣水合物固態流化開采實驗室”[39],該實驗室可開展大體積固態水合物制備、開采設備破巖能力評級、水合物流化攜巖能力評價、水合物管輸過程模擬、水合物分解及流變規律研究。據報道,2017年5月,我國在南海北部首次利用固態流化技術實現了試采,獲得氣體81 m3,純度高達99.8%。這一現場試采證明了固態流化法在開采淺層非成巖可燃冰的可行性。

在數值模擬研究方面，周守為等人[38]針對深水淺層非成巖天然氣水合物開展了一系列的鉆采、開發和舉升規律研究。

1.6 組合開采法

目前，水合物開采過程傾向于將兩種或多種方法相結合,這種聯合開采法一般以降壓法為主并輔以其他方法,從而提高開采效率、安全性以及適用性。常用的聯合開采方法有Sasaki K等人[40]提出的雙水平井熱水注入法,部分氧化法[41-42],Minagawa H[43]提出的電加熱輔助降壓法,Gupta A等人[44]提出的CO2置換輔助降壓法以及張旭輝等人[45]提出的機械-熱聯合開采法等。

2 可燃冰礦藏試采現狀

可燃冰因其蘊藏的巨大潛能,受到了各個國家的重視。中、日、美、加、韓、印、俄羅斯以及部分歐盟國家均開展了大量水合物研究工作。其中中、日、美、加四國依托其國內豐富的水合物礦藏資源實施了現場試開采活動,取得了豐富的成果。

2.1 國外現場試采案例

2.1.1 加拿大現場試采

加拿大是最早開展水合物礦藏現場試采的國家。2002年初,加拿大聯合10余個國家機構在麥肯齊三角洲永凍帶地區開展了Mallik水合物試采工程。該工程共布設3口井,其中Mallik3L-38、Mallik4L-38為觀測井,負責對生產過程實時監控,Mallik5L-38為生產試驗井,負責取心、測井及試開采實驗。3月上旬,通過向水合物層注入熱KCl聚合物沖洗液實施開采,試開采過程持續 5 d,產出甲烷470 m3,日均產出94 m3[46]。

2007年和2008年,加拿大在早期布設的Mallik2L-38試驗井中利用降壓法再次成功從水合物礦藏中持續穩定地采出水合物,開采分別持續12.5 h和6.8 d,分別產出甲烷氣體830 m3和13 000 m3。

2.1.2 美國現場試采

美國早在20世紀60年代就開始了可燃冰的研發工作,提出了“似海底反射層”作為可燃冰地帶地震識別標識,獲得業界的廣泛應用。2011年,美國在阿拉斯加北坡順利完成了IgnikSikumi#1試驗井鉆井和完井作業,首次采用CO2-CH4置換法實現可燃冰開采,并借助井內噴射泵輔助降低儲層壓力,促進水合物分解。2012年2月15-18日,向地層注入了798 823 m3含有化學示蹤劑的CO2/N2混合氣體,加入N2是為了增強氣體與自然界甲烷水合物的置換作用。整個試開采工程持續了38 d,其中正式生產30 d,8 d的時間用于修理地面分離器,更換噴射泵等維護工作。在38 d的試驗階段,共生產了甲烷28 317 m3[47]。

本次試采證明了CO2置換法的開采速率雖與注熱法、降壓法相比還處于較低水平,但該方法對儲層的初始壓力、溫度等條件敏感性不高,因而適應性更加廣泛。同時,置換法在開采過程中產生的廢水較少,不僅更加環保也減少了廢水攜砂沖刷套管及井下設備的幾率。

2.1.3 日本現場試采

2013年,日本決定實施水合物試采工程,這也是可燃冰開采歷史上第一次海域可燃冰試采工程。本次開采使用降壓法,并采用礫石填充的防砂措施。3月12日,生產井成功排氣,但由于開采過程中礫石的移動導致了篩網的損壞,大量砂土進入生產井通道導致堵塞,開采持續6 d后被迫終止。在6 d的開采過程中共產出甲烷氣體120 000 m3。

為解決出砂問題,日本于2017年再一次啟動水合物試采工程。5月,日本開始在南海海域進行施工,首先使用了先期膨脹GeoForm篩管進行防砂,但由于測試效果不佳,后期改用了井下膨脹GeoForm篩管,防砂效果明顯,隨后實現了24 d連續不間斷開采,共計產出甲烷氣體240 000 m3[48]。

日本的海域可燃冰試采工程說明了海域可燃冰的開采過程的出砂問題較陸域可燃冰更為嚴重,如果可以有效解決出砂問題,海域可燃冰將有著非常廣泛的利用前景。

2.2 國內現場試采案例

我國對可燃冰的研究始于20世紀80年代,當前在可燃冰勘探、試采等方面均取得重要進展。中國地質調查局于2011年和2016年在祁連山凍土區進行了兩次陸域可燃冰試采試驗,并于2017年5在南海神狐海域組織實施了一次海域可燃冰試采,開啟了我國可燃冰資源利用的序幕。

2011年9月,運用降壓加熱結合的方法對祁連山地區水合物礦藏實施了第一次試采。試采采用了單井直井方案[49],生產過程持續101 h,產氣95 m3。本次試采產氣時間較短,產氣量較低,但證實了降壓試采工藝、控制監測等關鍵技術在成巖儲層中應用的可行性,為陸域試驗試采模擬技術積累了經驗。2016年10月,提出了“山”字形水平對接井的開采方法,并成功應用于第二次試采試驗[49]。本次試采主要應用降壓的方法并將3口試驗井在地下相互連通,從而保證降壓作用的作用區域更廣。在23 d的時間里,采出甲烷氣體1 078 m3。

2017年,在我國南海神狐海域由中國地質調查局開展了我國首次海域可燃冰試采試驗。試采以降壓法為核心,開采連續出氣60 d,累計產氣量超過30×104m3,最高日產3.5×104m3[50],多項指標打破了試采工程的最高紀錄。

2.3 當前試采技術評價

迄今為止,各國已經進行了多次水合物礦藏實地試采工作。每次試采的成功都表示人類在可燃冰的商業開采之路上又前進了一步,但也應該意識到距離徹底實現商采并使普通居民真正使用上可燃冰礦藏中的天然氣資源還面臨很多挑戰。此外,甲烷作為溫室效應強烈的溫室氣體,應采取可靠的措施保障開發過程可控，把開采過程中的環境問題放在首要位置考慮。此外,當前的各種水合物開采方法都面臨成本過高的問題,這要求進一步完善儲層評價技術,優化水合物開采工藝,研發關鍵技術裝備,通過技術創新降低開采成本,為最終的商業化積累經驗。

3 結論與展望

本文對當前水合物開采過程所涉及的開采方法從原理、室內實驗、數值模型研究現狀等方面進行了評述,對每種方法的優缺點,研究過程中的經驗及問題以及未來研究的重點進行了系統性總結。此外對國內外已經實施的水合物試開采活動進行了介紹。目前,世界范圍內包括中國、加拿大、美國、日本共四個國家實現了現場試采,上文所闡述的五種方法在試采過程中均有所利用。試采結果表明,在當前的技術條件下,降壓法是使用范圍最廣、性價比較高的方法。

總體來講,目前國內外對可燃冰的開發仍處于初步探索階段,尤其針對儲量豐富的海域可燃冰,受儲層特性、環境條件、開發經驗等影響,尚需開展大量的基礎研究和實驗研究工作,以實現安全、高效開發。