神狐海域天然氣水合物研究新進展

劉建輝，李占東，趙佳彬

(東北石油大學海洋油氣工程學院，黑龍江 大慶 163318 )

0 引言

天然氣水合物又稱“可燃冰”，是水和天然氣氣體分子在高壓低溫條件下形成的一種類冰狀晶體物質[1-2]，常以甲烷水合物為主，其分子結構見圖1。它廣泛分布于深海及永久凍土帶[3-5]，盡管水合物全球儲量估算各有不同，但普遍認為水合物所蘊含的碳含量是化石能源的2倍之多。由于其儲量大和高效無污染等特點極有可能改變現有能源結構，成為未來引領社會發展的新興清潔能源。

圖1 甲烷水合物分子結構示意圖Fig.1 Schematic chart of molecular structure of methane hydrate

據現有資料報道，天然氣水合物的開采方法主要有降壓法、注熱法、添加抑制劑法和置換法[6-8]，其中前三種方法是通過破壞水合物的相平衡使之分解進行天然氣生產(圖2)。置換法是將CO2氣體與水合物中的天然氣氣體分子置換，以形成更穩定的CO2水合物，從而進行水合物的開發生產。但普遍認為，降壓法是最有可能成為未來水合物高效開發的手段[9-11]。

圖2 甲烷水合物相平衡破壞示意圖Fig.2 Sketch diagram of the phase equilibrium destroying of methane hydrate

天然氣水合物由于自身獨特的物化性質使其不同于其他非常規能源的生產，且無論采用何種開發方式，開采過程中極易發生儲層坍塌、天然氣泄漏、井筒堵塞等問題。我國對于水合物的理論研究與實地勘探采樣工作相對其他發達國家起步較晚，但是得益于國家經濟的迅速發展以及“強海戰略”的有力實施，逐步實現了水合物開發研究從“追趕”到“并跑”再到“領跑”的巨大飛越。

1 國外水合物勘探試采情況

隨著世界對能源的需求與日俱增以及傳統化石能源的日漸匱乏，天然氣水合物這種非常規能源的安全高效生產引起了各國學者的廣泛關注。進入21世紀以來，水合物相關研究進入高速發展階段，美國、日本等國家紛紛開展了可燃冰鉆探項目(表1)，進行水合物的勘探與開發，競爭十分激烈，并取得了一些令人矚目的成就。

表1 國際上可燃冰鉆探項目Table 1 International drilling project of combustible ice

2002年，加、日、德、美、印五國聯合制定Mallik計劃，在加拿大麥肯齊三角洲采用注熱法進行水合物試采。本次試采共持續5天，累計產氣量463 m3。雖然生產效率低，但是作為全球首次水合物開采試驗，具有非常重大的意義。

2007年，Mallik項目重啟，本次試采采用降壓與注熱聯合開采方法，由于出砂導致生產持續1.5天，累計產氣量830 m3；2008年，采用降壓法繼續進行Mallik水合物試采，此次使用了防砂網，連續生產6天，累產氣量達到1.3萬立方米。

2012年，美國能源部、ConocoPhillips公司、日本國家石油天然氣和金屬公司、挪威Bergen大學合作，運用CO2置換法與降壓法聯合開采阿拉斯加北坡天然氣水合物。本次試采持續1個月，累計產氣2.4萬立方米，結果證明置換法開采效率低，且生產的CH4氣體中存在一定量的CO2。

2013年，日本在南海海槽進行世界上首次海洋水合物試采。本次試采采用降壓法，但同樣由于出砂問題只生產了6天，累計產氣量11.9萬立方米。

2 神狐海域水合物勘探試采情況

南海作為我國近海中最大最深的海區，資源極其豐富且戰略意義重大。由于廣泛分布天然氣水合物[12-13]，成為我國海域水合物勘探研究與試驗生產的重要戰略場地。21世紀以來，我國為摸清南海水合物具體分布情況，探索水合物開采技術，開展了一系列勘探工作(表2)。

表2 我國南海天然氣水合物勘探試采歷程Table 2 The exploration and mining test of natural gas hydrate in South China Sea

在調查勘探資料的堅實基礎上，選定位于南海北部陸緣的神狐海域作為兩次水合物工業化試采區域(圖3)。

推行廠務公開，就是要保證職工的知情權、參與權與監督權，依靠職工辦企業，尊重職工的首創精神，體現以人為本的管理理念，切實尊重和體現職工主人翁地位。廠務公開也是一號煤礦貫徹落實科學發展觀的具體表現，是其凝心聚力謀發展的重要舉措與有效手段，在推進一號煤礦建立自我約束機制、實現民主管理方面發揮了積極的作用。

圖3 神狐海域水合物試采位置圖Fig.3 Location map of hydrate mining trial in Shenhu area

2.1 神狐海域水合物第一輪試采

2017年5月10日，中國地質調查局組織開展海域水合物初次工業化試采工作。本次試采海水深度為1266 m，水合物藏位于海底表面以下203～277 m[17]，具體開采數據見表3。

表3 神狐海域水合物第一輪試采數據

本次試采針對的是我國目前主要的儲集類型且開采難度最大的泥質粉砂型水合物[18]。在為期60天的試采過程中，未出現地層坍塌、環境污染、天然氣泄露等意外情況，穩產時間全球之最。第一輪試采成功表明我國在天然氣水合物理論研究、關鍵技術、裝備研制、管理體系、事故防控等方面取得了突破性進展。

本次試采采用固態流化法，但是該方法直接通過采掘破碎水合物層來獲得固體水合物碎屑，經過一系列處理后又將殘余泥沙回填到采空區，將對海底表層地貌以及生物造成巨大破壞，難以修復；該方法需要消耗巨大能量將采掘出的水合物碎屑舉升到海面上加工處理，且為期兩個月的試采共獲得近31萬立方米天然氣，開采效率低。該工藝是否可以成為神狐海域天然氣水合物開發的有力手段仍需要進一步論證。

2.2 神狐海域水合物第二輪試采

2019年10月，中國地質調查局組織開展我國海域水合物第二輪工業化試采。本次試采海水深度為1225 m，水合物藏位于海底表面以下237～304 m。2020年2月17日點火開始試采，3月18日圓滿結束[19]，整個過程歷時150余天。

本輪試采連續產氣30天，累產氣量86.14萬立方米，是第一輪的2.8倍；日均產氣量2.87萬立方米，是第一輪的5.57倍。

本次作業是世界上首次采用水平井鉆采技術進行水合物試采，累產氣量與日均產氣量均全球第一[20]，不僅使我國向水合物綠色商業化開采邁出了堅實一步，同時增強了我國海洋能源開發利用的綜合能力。

3 神狐海域天然氣水合物模擬研究

3.1 儲層地質特征研究

神狐海域的地質作用非常復雜[21]。水合物分解、流體運移、膠結破壞、砂粒流動等水合物開發過程致使儲層的地質特征和力學性質發生一系列變化，有可能導致海床滑坡、坍塌等事故發生(圖4)。為安全有效地開采水合物，必須充分認識水合物儲層的地質特性。

圖4 水合物分解導致海底滑坡示意圖Fig.4 Schematic map of submarine landslide caused by hydrate decomposition

學者們采用不同的模擬手段，從多種角度出發對神狐海域水合物儲層的力學特性和地層變化進行了研究分析。關進安等[22]開展三軸力學實驗，研究了神狐海域含水合物沉積物應力特性，實驗表明甲烷水合物沉積物的力學強度隨實驗圍壓增加、溫度降低而逐漸增大，且沉積物在高壓低溫條件下更易顯現出彈塑性力學特性。萬義釗等[23]通過數值模擬手段，對神狐海域水合物儲藏降壓開采條件下儲層的力學穩定性和變形特征展開了研究，結果表明儲層沉降量與降壓幅度、絕對滲透率成正相關關系，且開采過程中孔隙壓力降低更易使儲層發生剪切破壞，并認為60天的降壓開采不會使神狐海域水合物儲層發生剪切破壞。胡高偉等[24]將實測孔壓靜力觸探結果與室內實驗數據結合，分析了神狐海域水合物上覆層的不排水抗剪強度，結果表明該參數隨儲層深度的增加而增大。孫嘉鑫[25]采用數值模擬手段，對神狐海域水合物儲層的物性特征、應力應變、地層沉降等儲層動態響應特征展開了深入研究，發現持續降低生產壓力并不能實現有效增產，反而會使井周地層出現應力集中加劇儲層沉降變形風險。袁益龍等[26]通過考慮水合物開采過程中相變、傳熱、流動、巖土變形耦合作用，研究了直井降壓開采對神狐海域水合物地層與生產井井壁力學穩定性的影響規律，結果表明開采初期是地層發生沉降的主要時期，井壁周圍是地層沉降最嚴重的區域，且水合物的分解加大了儲層沉降變形的風險。孫可明等[27]基于ABAQUS功能模塊，分析了注熱開采對水合物儲層沉降變形的影響規律，研究結果表明，水合物上覆蓋層的變形與破壞主要歸因于超靜孔隙壓力增大；溫度越高，水合物儲層塑性變形的影響范圍越大。公彬等[28]應用有限元分析方法，針對不同開發方案所引起的水合物儲層沉降變形進行了分析研究，結果表明水合物儲層強度降低主要源于生產時排水，地層沉降主要位于生產井周圍。劉鋒等[29]基于神狐海域水合物鉆獲區地質資料，采用極限平衡法，分析了水合物不同程度分解條件下失穩坡腳的變化規律，研究表明斜坡失穩坡腳與水合物分解程度成負相關關系，較大坡腳的儲層斜坡在同等條件下率先滑坡。

對于神狐海域水合物儲藏地質特性的研究，研究者主要采用三軸力學實驗和數值模擬方法。通過考慮不同因素(表4)，對儲層的變形、沉降、滑坡、應力應變等進行了一系列模擬研究，取得了重要進展。但是目前研究者大多只采用了部分現場測試結果，模擬結果無法真實、全面地反映神狐海域儲層實際情況，且建立的力學模型大多未涉及儲層復雜應力狀態以及水合物二次生成的影響。

表4 不同研究者儲層地質模擬考慮因素Table 4 Factors to be considered in reservoir geology modeling by different researchers

3.2 水合物開采模擬

天然氣水合物的開采不同于其他傳統化石能源，其開采過程涉及傳質傳熱、水合物相變、多相滲流、地層變形等多種物理化學效應，難以直觀描述不同開發方案對水合物儲藏內部的影響過程及其生產效果。數值模擬軟件功能的日益強大以及算法的不斷成熟，給水合物儲層開采研究提供了強有力的分析手段。劉麗強等[30]基于TOUGH+HYDRATE模型，研究了神狐海域水合物藏采用直井降壓開采時儲層內部氣體運移過程與產氣規律，研究表明井筒壓力設置為12.46 MPa時獲得的累產氣量最大；此外，利用LH-OAT分析方法評價了19個水合物儲層參數的敏感性[31]，指出Stone指數、絕對滲透率等參數對CH4氣體的累產量最為敏感。李淑霞等[32]利用數值模擬手段，探究了神狐海域水合物儲藏降壓開采的生產動態，認為在神狐海域水合物藏實際開采過程中，至少將降壓幅度設置為初始壓力的一半，且采用較快的壓降速度[33]。王蕊等[34]利用CMG-STARS軟件模擬了降壓與注熱聯合開采下神狐海域水合物藏的生產動態，建議在實際生產時將井底壓力設為2 MPa～3 MPa，并采用最快的降壓速度。李剛等[35-36]通過借助TOUGH+HYDRATE軟件，進行了神狐海域水合物藏單一水平井熱吞吐法和降壓法開發模擬，研究結果表明這兩種開采方法均不適用于神狐海域水合物開采。蘇正等[37]通過簡化水合物藏注熱開采模型，研究了單一直井注熱開發神狐海域水合物藏的應用效果，結果表明神狐海域水合物不宜采用直井注熱開采方式；此外，利用TOUGH+HYDRATE軟件模擬結果表明單一直井降壓開采方式在神狐海域同樣不可行[38]。蘇正等[39]還指出熱激發開采神狐海域水合物效率低，且在降壓與熱激發聯合開采方案中，水合物分解主要是受降壓的影響。何斌等[40]通過借助TOUGH+HYDRATE軟件，探究了神狐海域天然氣水合物藏在不同水平井井數降壓與降壓聯合注熱開采時的生產效果，模擬結果指出，雙水平井均采用降壓開采的生產效果優于上水平井降壓、下水平井注熱的聯合開采方式。劉佳麗[41]通過考慮數值模擬的綜合產能評價方法和經濟評價的相關指標，指出降壓法是最適合神狐海域水合物藏的開采方法。胡立堂等[42]利用pT+H軟件，模擬了水平井單純注熱與注熱降壓聯合開采兩種方式下的水合物開發效果，認為聯合開采方案才是神狐海域水合物開發的優選方案，而王振[43]認為降壓聯合注熱吞吐最佳。李剛等[44]通過考慮水合物“二次生成”效應，指出聯合開采方式可以有效阻止單純降壓開采后期二次水合物的生成，使開發過程更加順利。申志聰等[45]借助TOUGH+HYDRATE軟件，模擬研究了“上層水合物、下層游離氣”儲層類型不同井型降壓開采的生產效果，結果表明采用直井開發水合物藏時易導致二次水合物合成，生產過程受阻，而水平井開采能夠有效抑制二次水合物的生成，因此認為水平井降壓開采是未來水合物藏高效開發的最佳方案。夏志增[46]在算法優化的基礎上，研究了神狐海域非均質水合物儲層分段水平井注熱吞吐開發的生產動態，模擬結果顯示該開采方法可以獲得較大的產氣速率且能量利用率高，在神狐海域具有較高的應用價值。

4 結語

通過以上綜述研究，對于神狐海域天然氣水合物研究現狀，總體可以概述如下：

1)近年來，各國加大了天然氣水合物高效開發的技術探索，其中美、日等國率先進行勘探開發，但出砂問題是制約持續開采的主要原因。

2)我國從1999年開始對南海水合物資源進行多輪次勘探調查，并于2017年與2020年成功試采神狐海域天然氣水合物，但面臨開發效率低、無法大規模商業化開采的問題。

3)國內針對神狐海域儲層地質力學特性研究較多，對于水合物開采過程中砂體顆粒運移的機理研究則較少，且尚未建立神狐海域特定地質條件下水合物安全開采的相關指標；水合物開采動態數值模型多考慮儲層的物性特征，對水合物的二次生成以及本身具有的特性則考慮不足，模型具有一定的局限性；多位研究學者對各種開采方法進行了適應性評價，但由于考慮重點不同，尚未形成統一結論。

當前所取得的研究成果距離水合物大規模綠色開采仍有較大差距，尚有必要根據目前模擬研究中存在的問題與不足繼續開展進一步的深入研究。