海域天然氣水合物吸力筒式開采裝置及方法

吳學震，葉鴻宇，李大勇，蔣宇靜，王 渠

(1. 福州大學 土木工程學院，福建 福州 350116; 2. 中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580; 3. 日本長崎大學 工學研究科，日本 長崎 852-8521; 4. 山東科技大學 礦山災害預防控制國家重點實驗室(培育)，山東 青島 266590)

天然氣水合物(以下稱水合物)是一種清潔的綠色能源，主要蘊藏于海底沉積物和陸地永久凍土層中，可滿足人類未來1 000年的能源需求[1]。在能源短缺和環境問題日益嚴峻的今天，若能夠實現天然氣水合物的大規模開采，將對緩解當前能源危機及改善居住環境具有重要的戰略意義。目前，全球已有多個國家參與天然氣水合物的勘探與開采，但就現有技術條件下，其產能距商業化開采門檻仍然有2～3個數量級的差距[2]。

大量的室內試驗、數值模擬和實地試采結果表明，降壓法、注熱法、置換法、抑制劑法和固態流化法等是實現海域天然氣水合物開采的潛在途徑，其中降壓法被認為是最經濟、最有效的方法，可能是實現海域天然氣水合物商業化開采的最佳途徑[3]。首次海域天然氣水合物試采作業由日本于2013年在Nankai海槽開展，試采因第6天的產砂問題而終止，日產量約19 833 m3/d[4]。2017年，日本在相同海域進行了第二次試采，但同樣由于井底發生嚴重出砂問題而被迫切換至第二口開采井，兩口井的日產量分別為2 917 m3/d和8 333 m3/d[5]；同一時期在我國南海神狐海域，我國首次實施海域天然氣水合物試采作業，采用降壓法開采配合水力割縫方法對儲層進行改造，有效提高了試采產量，達到5 150 m3/d[6]。同年，我國在南海北部荔灣3站位，利用自主研制技術、工藝和裝備成功實施鉆井固態流化法開采，獲得天然氣81 m3[7]。2020年我國在神狐海域完成水平鉆井技術，進行了第二次降壓試采，實現30天連續產氣，共計產出天然氣約8.6×105m3，是最接近商業化開采門檻的一次試驗[8]。這些試采工程均取得了一定的進展，提供了寶貴的經驗。然而，現有試采技術均處于科學試驗階段，其物料、設備和人工的綜合成本仍遠超采集天然氣所創造的價值，要實現天然氣水合物長期、安全、綠色和高效的商業化開發利用目標仍存在著諸多挑戰。

全球90%以上的天然氣水合物賦存于海底黏土質粉砂或淤泥質沉積物中[9]。我國在南海北部陸坡開展的泥質粉砂型天然氣水合物試采獲得成功，證明了賦存于海底黏土質粉砂中的沉積物也具備技術可采性，并且在此試采過程中已經成熟地運用了吸力錨技術，用以提高深水井口的穩定性[8]。吸力錨是重要的深海錨泊基礎之一，廣泛應用于深海平臺、海洋浮動式結構等，具有安裝簡便、使用成本低、施工效率高等優點，主要適用于黏土型地質、細砂或顆粒層，能承受很高的水平和垂向載荷。其主要安裝過程為：通過船用吊機下放至海床，在其自身重力作用下貫入到一定深度，形成密閉空間，然后通過潛水泵向外抽水降低其內部壓力，在內外壓差作用下貫入海床[10-11]。若能將吸力錨的貫入原理運用于海上基礎之外，把天然氣水合物開采設備置于其中，將會產生一種新的開采思路。

對于海域天然氣水合物開采新思路的探索，基于原位分解開采方式，李守定等[12]提出了氧化鈣原位補熱降壓充填方法，通過一系列放熱的化學反應防止水合物二次生成，提升水合物分解速率；黎偉等[13]設計了蓋頂降壓式海底淺/表層的開采裝置，通過收集罩外殼與外部隔絕，形成一個密閉空間，然后進行區域內降壓或降壓—熱激聯合開采。基于固相運輸開采方式，徐海良等[14]設計的海底采掘車，采用絞吸式開采法將水合物切割破碎成塊后運輸至海上平臺；周守為等[7]進一步總結出固態流化開采方法，除了進行過現場鉆井試開采外，對于固態流化開采工具，王國榮等[15]研制了射流破碎工具以適用于儲層較薄的工況；宋震等[16]設計了變截面傘式工具，以實現大規模、大范圍的儲層開采，由于裝置要求剛度過大，又借鑒刨煤機刨削采煤過程，參照拉刀結構特點提出一種新的拉削開采裝置[17]；張旭輝和魯曉兵[18]提出了機械—熱聯合開采法，將破碎成小顆粒后的水合物在輸送管道中與一定溫度的海水摻混分解后收集，有效利用海水的熱能，克服常規開采方法中傳熱及開采效率慢等問題。然而，以目前進展來看，大多對于天然氣水合物“提產降本”的研究，都是以“井筒”和“機械車”或其他構造相對精密的機械設備為載體，搭載相關開采設施進入儲層。“井筒”的運用較為成熟但施工難度大，成本高，以復雜結構井為例，雖然能夠顯著擴大水合物分解面積從而提升產能，但其所帶來的施工成本提升可能要大于提產所帶來的效益；“機械車”或其他構造相對精密的機械設備在深海中對于裝置的剛度要求極大，目前多數仍停留在理論研究階段，以“機械車”為例，在近千米的深海，外界壓力可達到10 MPa左右，若裝置剛度和強度無法滿足要求，小車局部位置容易癟掉或損壞。在先前的研究中，吳學震等[19]提出了一種利用自身重力沖擊貫入儲層的鋼制載體，能夠顯著加大降壓幅度，提升水合物分解效率。

結合海域天然氣水合物降壓開采原理和吸力錨的貫入特性，基于傳統作業方式面臨的深水作業成本高、井筒結構易損壞及長期穩定開采難度大等問題，提出了海域天然氣水合物吸力筒式開采裝置(suction cylinder-type exploitation device，簡稱SCED)，其依靠吸力和重力作用進入儲層，再通過內置開采設備進行降壓開采。吸力筒式開采裝置能實現更大降壓幅度并且擴大水合物分解面積，有望提高原位水合物分解速率。

1 吸力筒式開采裝置開采工藝

1.1 裝置構造

有別于傳統的開采方式，SCED的開采系統主要由海面處理系統、錨纜系統、輸送管道和吸力筒式開采裝置等構成(圖1)，不需深海鉆井船等重型設備，并且根據不同地質條件設計了2種SCED的實施方式(圖2)。整個系統主要核心有：

圖1 吸力筒式開采裝置開采整體示意Fig. 1 Overall schematic diagram of the SCED exploitation

圖2 吸力筒式開采裝置結構Fig. 2 The structure of SCED

1)開采筒。上側封閉、下側不封閉的筒形結構，由預制鋼結構組成，頂部連接纜繩和輸送管道，下側周圍設有空腔、透水構件和防砂裝置等。空腔作為降壓開采的空間；透水構件和防砂裝置允許液體和氣體進入空腔并過濾泥砂。

2)沉貫水泵。設置于開采筒頂板，與筒體內腔連通，用于排出開采筒內的液體或向筒內泵入液體來控制筒體內外壓差，從而實現開采筒下沉或上浮。

3)氣液舉升系統。主要由舉升動力裝置及氣液分離器組成，一端連接空腔，另一端經管路向外輸出，能夠將空腔中的液體舉升來降低空腔內部壓力，進而降低周圍地層壓力，促進天然氣水合物分解并在壓差作用下通過防砂裝置進入空腔，然后進行舉升以實現開采。

4)噴射鉆進系統(備選)。主要由伸縮臂、鉆具、噴射系統和泥漿泵送系統組成，能夠將筒內包空間中的地層破碎成巖屑，通過泥漿泵送系統將巖屑泵送到筒的外部，當開采筒下沉到地層中的預定位置，控制噴射系統射出固化材料，將筒底封閉以形成封底。

1.2 作業流程

開采裝置的第一種形態主要適用于天然氣水合物上覆層或儲層較軟的情況，僅通過吸力和自身重力實現貫入，其空腔設置在開采筒的豎直筒壁外側，防砂裝置覆蓋空腔外側。其主要開采步驟為(圖3)：①選定開采區域，將開采筒下放，扣在海底；②通過水泵將開采筒內的液體向外排出降低筒內壓力，開采筒在內外壓差作用下進入指定深度；③通過氣液舉升系統，將空腔中的液體和/或氣體進行舉升，降低壓力，進而引起周圍地層壓力降低，促使天然氣水合物分解；④分解形成的水和天然氣在壓差作用下通過防砂裝置進入空腔后，舉升到海面處理系統。

圖3 形態一開采示意Fig. 3 Schematic diagram of the first mode of SCED

開采裝置的第二種形態主要適用于天然氣水合物上覆層或儲層較硬和儲層埋深較大的情況，除利用吸力和重力外，還通過噴射鉆進系統輔助實現貫入。其主要開采步驟與第一種形態的區別(圖4)為：在貫入過程中，噴射鉆進系統將內包空間中的地層不斷清出筒外，在開采筒內部形成空腔，防砂裝置設置在開孔處。當開采筒到達儲層后，控制噴射系統射出固化材料將筒底封閉，再通過泥漿泵將空腔內的液體向外排，降低空腔內部壓力，進而引起周圍地層壓力降低，實現天然氣水合物分解和開采。

圖4 形態二開采示意Fig. 4 Schematic diagram of the second mode of SCED

當一定范圍內天然氣水合物開采完成或者產氣效率降低到一定值以后，可以停止氣液舉升，通過向開采筒內泵入水，使開采筒內壓力大于筒外壓力，在壓差作用和錨纜系統上拉作用下，上升到泥線以上，進而將開采筒回收或轉移到新的開采區域繼續開采。以上內容僅列出整個開采系統的核心部分，在實際運用過程中，還應包括動力提供裝置、監測控制裝置等配套設施。

1.3 關鍵點討論

SCED在理論上有著更高的強度和剛度、更簡潔的施工方式和流程及更低廉的作業成本，并期望其能夠具有以下效益：①施工過程不需要使用深海鉆井船等重型設備，SCED通過吸力和重力作用實現自主貫入安裝，施工周期短、成本低；②當天然氣水合物儲層位于較深位置時，可以將SCED在生產制造過程中分為多個預制管節，既方便運輸，又能夠在海面平臺逐節拼裝，從而實現深層貫入和開采；③SCED由預制鋼結構組成，徹底解決傳統混凝土井筒在地層壓力作用下易損壞坍塌等問題，同時還增強了對防砂裝置的保護，減緩了出砂等問題，并且可實現更大幅度的降壓，提高原位開采效率；④SCED進入儲層的筒徑遠遠大于井筒套管施工的井徑，大大增加了天然氣水合物分解面積；⑤在開采作業完成時，可以進行回收和重復利用，進一步降低生產成本。然而，一種新方法的提出必然會帶來諸多潛在問題，扼要分析如下：

1)環境問題。由于新裝置貫入過程中的速度可控，沒有大規模廢液排出，預計不會對海底地質結構、生態環境造成大范圍破壞。

2)沉貫問題。與吸力錨一樣，若儲層深度過大，SCED在貫入過程中同樣要面對“土塞”現象對，最終貫入深度造成影響，對于形態一，可適當增加裝置的長度以抵消土塞造成的影響，而形態二由于增設了噴射鉆進系統，無需考慮“土塞”現象。

3)防砂問題。在現有的防砂技術運用中，日本第一次試采采用裸眼礫石充填防砂工藝，但地層出砂，第二次采用井下膨脹篩管防砂系統取得一定的效果；我國第一次海域試采研發了TD預充填防砂管技術獲得成功，第二次采用新型旁通預充填篩管，發揮了疏防結合的作用。SCED可以視為鋼制套管，筆者認為可以將防砂裝置預制或裝配在套管中。相對于傳統井筒，預制鋼結構可以承受更大的地層應力，避免井壁破壞導致的防砂裝置失效。

4)回收問題。當新裝置尺寸較小時(形態一)，與現有吸力錨類似，讓泵系統反向工作，向筒內注水或氣體，使筒內部壓力大于外部壓力，配合海上平臺錨纜拉拔，利用內外的正壓力差將其頂出泥面。當新裝置尺寸較大時(形態二)，由于其自重非常大，單靠壓差和拉拔作用難以完成回收，此時可以只考慮部分回收。

就現階段而言，SCED的研究關鍵在于：一是能否與吸力錨一樣順利貫入指定位置；二是能否顯著提高開采效率。因此，需要對新裝置的貫入特性和產能提升情況進行分析。

2 吸力筒式開采裝置貫入特性分析

2.1 形態一貫入原理

SCED的沉貫速度與所施加的吸力密切相關，吸力值設置太小會導致其沉貫速度過慢，施工效益降低；吸力值設置太大將產生較高的筒內土塞，裝置不能到達預定位置，且較容易引起儲層內部穩定性破壞，從而無法完成開采[11]。而在我國南海海域實施的3次試采中儲藏狀況主要為砂巖、泥巖和泥質粉砂[6-8]。因此，在考慮SCED形態一的沉貫過程時，由李大勇等[20]研究公式簡化后得：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(4)表示吸力沉貫，左側是吸力和有效自身重力之和，右側為SCED側向摩阻力和端部阻力之和。其中，s為吸力，kPa；hs為吸力沉貫深度，m；α為孔隙水壓力系數；h為總沉貫深度，m。為此，根據區域鉆探數據和SCED的幾何參數，可以計算出沉貫所需的吸力s。

按式(1)～(4)計算本文所采用的兩個SCED案例，假設SCED比預計沉貫深度高2 m(筒高分別為14 m和80 m)，壁厚0.2 m，平均密度6.5 t/m3，SCED自身質量約為410 t和2 350 t。參考神狐海域地質數據[21]，水合物沉積物的內聚力為0.25～0.58 MPa，內摩擦角的范圍為23.98°～26.62°，計算得到沉貫至12 m和78 m大約需要吸力分別為0.37 MPa與2.43 MPa。而s主要由筒內外壓力差形成，我國南海神狐海域的天然氣水合物儲層水深介于900～1 500 m之間，外部壓力可達10 MPa左右，若排水量充足，則可提供非常可觀的吸力。值得一提的是，吸力基礎沉貫與SCED沉貫有所不同，前者需要周圍土體保持一定的強度，即保持土體不被破壞，而SCED沉貫則只需貫入即可，因此無需考慮土體的破壞，可實現更大內外壓差貫入，由于該方案從未有人探索，因此采用上述理論可能偏于保守，具體對上覆層和儲層的擾動有待后續研究。

2.2 形態二貫入原理

SCED的形態二是為天然氣水合物上覆層或儲層較硬和儲層埋深較大的情況設計，除利用吸力和重力外，還可通過噴射鉆進系統輔助實現貫入。在未采用噴射鉆進系統輔助時，其貫入原理與形態一相似，并可根據貫入掘進方式的不同分為2種沉貫方式：一是“先沉后挖”，在無法繼續依靠重力和吸力貫入時，清空內部土體回歸初始狀態，式(1)～(4)中的深度h也初始至0，周而復始，達到預計沉貫位置；二是“邊挖邊沉”，在依靠重力和吸力貫入時，噴射鉆進系統同時進行工作，使得筒內的土體能夠及時排出，可以不斷借助自身重力和較小吸力進行沉貫。

換言之，形態二下的SCED可以看成現有多層套管鉆井法的新模式——鋼制單層套管，由預制鋼結構組成，能夠實現大幅度降壓，提高原位水合物分解速率，而現有工程實例中的井筒主要由高強度混凝土構成，所能夠承受的壓差較小，容易造成井筒坍塌破壞。此外，相比多層套管，SCED有著更大的內部空間允許放置更多更精密的設備和管道，此外還有著較大的半徑，能夠擴大水合物分解面積，進一步促進產能的提升。

3 吸力筒式開采裝置產能分析

相對于傳統的海域天然氣水合物井筒式降壓開采方法，SCED的主要特征在于其由預制鋼結構組成，有著更高的強度和剛度，可實現更大幅度的降壓，且筒徑擴大增加了天然氣水合物分解面積。本節將通過數值模擬方法研究上述因素對于提高天然氣水合物開采效率的影響規律。

3.1 數值模型建立

自2007年起，我國先后在南海完成了多次水合物鉆探航次，取得了豐富的水合物儲層特征數據，得出了水合物商業開發所需具備的儲層特征可能包括：①平均水合物飽和度應超過30%；②平均有效滲透率應大于5×10-3μm2；③水合物以孔隙浸潤為主，平均有效孔隙度大于30%[21]。參照我國南海海域SH-SC4井相關數據[21-22][圖5(a)]，水合物儲層埋深分別為淺表層4～22 m(C1)和深淺層62～98 m(C2)，整體孔隙度為33%～55%，有效滲透率為(0.2～20)×10-3μm2。分別選取兩個儲層(C1和C2)作為參考研究對象，借助CMG STARS軟件建立三維降壓開采數值模型進行研究，通過添加水合物生成、分解反應動力學方程來模擬天然氣水合物的開采，從而得到SCED的產氣特征曲線，并與井筒開采方式對比[23](開采壓力設置為4.5 MPa，井筒半徑0.1 m)，以此來分析SCED產能情況。

圖5 地質模型建立Fig.5 Establishment of geological model

三維模型[圖5(b)]以SCED為中心向外延伸R=300 m，假設條件為：①考慮三相(氣相、水相、固相)四組分(自由氣組分、分解氣組分、水組分、水合物組分)，其中，氣相僅含甲烷氣體，把水合物作為固相來處理；②只考慮氣、液兩相流動，且流體滲流符合達西定律；③儲層非均質，即孔隙度、滲透率、飽和度隨機分布；④忽略氣體的擴散和氣體在水中的溶解；⑤考慮熱傳導、熱對流以及水合物分解吸熱；⑥考慮巖石的壓縮性和流體的可壓縮性[24-25]。具體參數見表1，儲層非均質性情況見圖6。

圖6 儲層非均質性Fig.6 Reservoir inhomogeneity

表1 天然氣水合物開采模型地質參數Tab. 1 Geological parameters of natural gas hydrate exploitation model

通過對多組SCED與單垂直井開采分別在C1和C2儲層對比，以評估SCED產能提升情況，由于SCED相比于傳統鉆井開采方式，由預制鋼結構組成，可承受更大幅度的降壓。此外，相比鉆井多采用多層套管，新型裝置有著較大的半徑，能夠大幅度擴大水合物分解面積，促進產能提升。因此在進行數值模擬時，半徑及開孔處壓力均適當進行了調整，具體案例設置如表2。

表2 案例設置情況表Tab. 2 Case setting table

3.2 模擬結果分析

圖7記錄了SCED在C1和C2儲層與單垂直井的產氣速率Qd和累計產氣量V的變化情況。開采初期，三者的產氣速率都有著較大幅度的提升，新裝置的增速幅度要高于單垂直井開采，并且由于筒底壓力大幅度下降，Qd曲線存在著一定的波動；到了開采前期(約180天)三者的曲線走勢開始分化，SCED的Qd曲線繼續走高，而單垂直井則趨于平緩增速；在開采中期，新裝置(2 MPa)繼續增速，而新裝置(3 MPa)和單垂直井則穩定平緩甚至開始有下降的趨勢；到了開采末期，受限于模型大小和邊界條件，三者均呈穩定緩慢下降趨勢。

為研究開采過程中溫壓場的時空演化特征，選取了筒/井底壓力Pw和溫度Tw的物理場參數變化情況(圖8)。從溫壓變化曲線中可以顯著觀察到，筒/井底壓力于開采初期迅速降低到預期壓降數值左右，在之后的生產中均穩定保持略大于設定數值；而筒/井底溫度變化則由于初期周圍的水合物大量分解吸熱，導致溫度迅速下降，在中期之后，下降的趨勢變緩，但結合圖7來看周圍的低溫一定程度上抑制了水合物的分解。

圖7 產氣特征曲線Fig. 7 Gas production characteristic curve

圖8 溫壓特征曲線Fig.8 Temperature and pressure characteristic curve

據此，可以得出：①新裝置能提升水合物原位分解速率和擴大分解面積，有效提高產能，開采周期內比單垂直井方式提升了2.46～11.69倍；②相比在深層中厚度較大的儲層開采，淺層的儲層厚度較窄，水合物含量較少，采用原位降壓方式產氣速率偏低，采用鉆井法顯得“大動干戈”，SCED施工易，周期短，能夠降低開采成本；③新裝置由預制鋼結構構成，強度大、剛度高，能夠較傳統井式開采實現更大幅度降壓，進而顯著提升開采效率；④開孔段周圍壓力的迅速降低，會使周圍水合物分解速率產生一定的波動，降低幅度越大，波動越明顯；⑤原位降壓水合物開采中，不同的開采壓力都會存在一個“分解臨界帶”，超過這個區域的水合物，被開采的分解率較低，甚至無法被采收；⑥若有一定的熱源供給，將能夠有效減緩后期產氣速率下降的趨勢；⑦儲層的埋深和厚度對產氣速率有著較大的影響，在埋深較淺且厚度較薄的條件下尤為顯著。

此外，實現海域天然氣水合物商業化開采的關鍵，一方面取決于產能，另一方面則取決于天然氣價格。對于海域天然氣水合物商業化開采的標準，以目前的開采成本，國際上普遍將日產量5×105m3作為門檻值[2]。我國2020年在南海完成的水平井降壓開采中，最高日均產能也僅約為商業化開采日均產能門檻的1/17。由于天然氣水合物商業化開采產能門檻值不是一個固定不變的數值，相比當前工程實例中鉆井法開采，若使用上述的開采方式，雖然在模擬的儲層中最高產氣速率為7.7×104m3/d左右，但作業成本將顯著降低，該門檻值也會降低，具有一定的研究價值和工程應用前景。

4 結 語

參考海域天然氣水合物降壓開采原理和吸力錨的貫入特性，提出了兩種形態的吸力筒式開采裝置，可適應不同地質條件，并對其工藝原理、開采步驟、貫入原理和產能提升規律進行了闡述和可行性分析，得出了以下結論：

1)SCED由預制鋼結構組成，有著更高的強度和剛度，可實現更大幅度的降壓，提高原位開采效率。并且進入儲層的筒徑遠遠大于井筒套管施工的井徑，增加了天然氣水合物分解面積。

2)形態一的貫入方式與傳統吸力錨相同，但無需考慮土體的破壞，可實現更大內外壓差貫入。而對于形態二，可根據貫入掘進方式的不同分為“先沉后挖”或是“邊挖邊沉”。換言之可以將其視為鋼制單層套管，配合吸力貫入，并提供更大的設備放置空間。

3)與單垂直井開采相比，SCED產能提升了約2.46～11.69倍，但大幅度的降壓難免會使儲層的溫度急速降低，因此熱源的供給對開采后期有著舉足輕重的作用，未來可考慮增加輔助加熱措施來解決該問題。

本文將吸力錨與降壓設備相結合，形成全新的海域天然氣水合物開采裝置，具有結構強度大、開采半徑大和施工簡便等優勢，有望在現有開采方法的基礎上實現進一步“提產降本”。