南海可燃冰開采環境安全評價與數據采集監測方案

趙 奎，賀保衛，崔海朋，韓兵兵*

(1.中船重工第716研究所，連云港 222002；2.青島杰瑞工控技術有限公司，青島 266061)

可燃冰是在一定溫度和壓力條件下，主要由天然氣和水分子生成白色致密的結晶固體[1-3]。目前，超過90%的可燃冰儲存于海底地層內，其總量是全球已探明的煤、石油和天然氣總量將近2倍[4-6]。可燃冰具有儲量豐富、能量密度高、燃燒熱值高以及燃燒清潔等特點，現已被國際公認為石油、天然氣之后的重要替代性能源和未來戰略能源[7-8]。

可燃冰的鉆采過程中，水合物的分解不可避免。作業層內局部溫度壓力的改變、固井水泥反應散熱、可燃冰儲層溫度壓力改變等都可能引起可燃冰失穩分解，由此改變沉積層物理特性，導致突發性海洋災害。若無試采階段環境風險完整有效的辨識、評估與等級劃分以及成熟、安全的開采技術作為支撐，一旦進入商業開采階段引發環境災害，后果將不堪設想[9]。為此，美國研究了可燃冰系統受到自然環境影響和生產相關變化誘導的變化規律，確定了可燃冰商業開采的可行性并評估可燃冰在全球氣候循環中的作用[10]。日本制定了《海洋能源與礦產資源開發計劃》，提出完成砂層型可燃冰商業化技術儲備及可燃冰商業性開發的經濟和環境評價[11]。中國廣州海洋地質調查局根據可燃冰區地形地貌特征、地質特征、可燃冰儲層特征，合理設計井位及降壓方案。高大統[12]與劉超[13]分析了可燃冰試采階段所面臨的環境挑戰，歸納了可燃冰開發的環境風險制度需求。趙衡等[14]總結了中國可燃冰開發過程中面臨環境風險等方面的問題，從預防措施和政策管理兩個方面提出對策，為解決中國可燃冰開發中如何處理資源和環境提供了參考。

為保證可燃冰安全試采，必須建立可靠的環境風險因素安全評價體系，對鉆采前、鉆采中、鉆采后進行全方位的安全監測評價，為開采技術優化提供實時數據支持?，F結合南海海域可燃冰試采的具體特點，運用故障模式、影響和危害性分析法(failure mode, effects and criticality analysis，FMECA)，研究可燃冰試采階段的環境安全評價與數據采集監測體系，實際試采表明，該體系具有科學性、合理性，對該海域可燃冰商業化安全鉆采具有工程借鑒和實用價值。

1 環境安全評價

可燃冰試采環境風險主要包含地質災害風險、氣候變化風險、海洋生態風險[15]?？扇急鳛榉腔瘜W計量、類冰的固體化合物也被稱之為籠狀化合物，內部氣體分子和水分子間通過范德華力相互作用，如圖1所示。

圖1 可燃冰籠狀化合物模型

目前，可燃冰試采環境安全評價尚未積累充足的風險實例以供計算、分析，風險發生的可能性多以工程經驗進行估計，難以達到定量化分析的水平。利用FMECA方法，以故障影響或后果為目標，建立環境安全評價體系，主要包括風險等級劃分與風險因素識別。

1.1 風險等級劃分

依據《故障模式、影響及危害性分析指南》，將可燃冰開采的危險有害因素風險級別劃分為四類。風險發生概率等級、風險程度等級、風險可預測程度等級如表1～表3所示。

表1 風險發生概率等級

表2 風險發生程度等級

表3 風險可預測程度等級

1.2 風險因素識別

風險因素辨識主要包括物質風險識別和工藝過程風險識別兩部分。根據南海海域可燃冰試采工藝特點，將環境風險辨識劃分為建設過程、生產過程、后期跟蹤過程。具體情況如表4～表8所示。

表4 建設過程鉆井階段環境風險辨識

表5 生產過程鉆采階段環境風險辨識

表6 生產過程開采階段環境風險辨識

表7 生產過程儲運階段環境風險辨識

表8 后期跟蹤過程環境風險辨識

2 安全監測方案

目前，尚無任何一種常用監測方法能完全響應可燃冰儲層的變化，針對南海某海域實際地質情況，整合優化設計并改進多種地質勘探方法，提出氣、水、砂“三位一體”的立體監測網，如圖2所示，綜合分析氣、水、砂產出特性，構建可燃冰環境監測體系。

圖2 南海某海域可燃冰試采立體監測系統

2.1 氣體泄漏監測

氣體泄漏監測時，在海底布設多功能監測站，采用廣角高清視頻攝像頭，實時監測可燃冰分解時，甲烷沿誘發裂縫泄漏時產生的氣泡。此外，海底監測站采用基于膜技術的甲烷原位傳感器、溫度傳感器、鹽度傳感器與海流儀可以直接對探測到的甲烷泄露發出警報。

2.2 可燃冰儲層動態變化監測

針對該海域的海底地形特點，運用三維全光纖4C-OBC時移地震監測系統，覆蓋在以生產井為中心的1 km×1 km區域，4分量傳感器的站位間距設計為25 m，相鄰平行測線的橫向間距則為50 m，有效纜長約為20 km，傳感器站位總數為800個，如圖 3所示。

圖3 海底監測設施布設位置平面圖

2.3 井下環境監測

針對可燃冰試采時井下環境監測，在海底監測井間布設電纜，通過分布式光纖溫度傳感器，對從井底到井口的整個井段進行溫度監控；通過含水合物層布設電阻率溫度傳感器，實時監測試采過程中可燃冰分解峰位值；通過溫度-壓力計實時精確測量選定深度上的溫度壓力條件，使井中溫度保持在最小作業溫度狀態以防止水合物二次生成，確保井底低壓狀態基本穩定，促進可燃冰持續鉆采。

3 不同海域數據采集監測

通過氣、水、砂“三位一體”的立體監測網實際監測(圖4)，結合南海海域可燃冰礦藏特性分布及重要富集區分析，對南海各海域可燃冰富集區的數據進行采集對比，如表9所示。

根據開采潛力原則，對比表9各海域數據綜合分析如下。

(1)瓊東南盆地具有良好的氣源條件，為可燃冰的形成提供了良好的條件，地熱條件優異。

(2)臺西南盆地起源條件、地熱條件、沉積條件均適合可燃冰的生成及穩定存在，可作為可燃冰鉆采的重點靶區。

圖4 實際海域數據采集監測

(3)神狐海域具有良好的地質條件，其中氣源條件生烴潛力巨大；地熱條件非常適合可燃冰的生成和穩定存在；較高的沉積速率易生成欠壓實區，具有良好的流體運移條件和儲集空間。

(4)西沙海槽沉積物中具有較高的甲烷濃度，沉積條件較好，具有較高的沉積速率，含砂率適中，具有一定的開采潛力。

4 結論

首先采用FMECA方法，基于南?？扇急_采特點，建立了可燃冰環境安全評價體系；其次，針對南海海域地形地勢特點，設計并建立了“三位一體”的數據監測方案，并將其用于南海各海域實際數據采集過程中，取得良好效果，結論如下。

(1)基于南海海域實際特點，建立了可燃冰試采時環境安全評價體系，該體系補充完善了海上能源鉆采風險辨識評估體系，能夠在定性分析的基礎上，定量分析可燃冰試采時的環境風險量級。

(2)設計優化并建立了可燃冰鉆采時數據采集監測方案，為保證可燃冰安全高效鉆采提供了實時數據支持。

(3)對比南海各海域監測數據，綜合氣源條件、地熱條件及沉積條件，認為現階段神狐海域的可燃冰鉆采更具有商業價值。

表9 不同海域數據采集對比