天然气水合物开发可能导致的风险

王浩，王继平

（1.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318；2.大庆油田勘探开发研究院地质试验研究室，黑龙江大庆163712）

天然气水合物开发可能导致的风险

王浩，王继平

（1.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318；2.大庆油田勘探开发研究院地质试验研究室，黑龙江大庆163712）

天然气水合物，也被称为“可燃冰”，具高能量密度，燃烧污染小，分布广泛，储量大，可成为传统的化石能源代替能源。从对天然气水合物的概述入手，论述了海域天然气水合物开发对海洋石油工程,大气环境和海洋生物产生的以及潜在的影响，陆域冻土带天然气水合物开发对环境可能产生的影响，以及天然气水合物和环境的相互影响。

海洋工程灾害；天然气水合物；地质灾难；寰球气候

天然气水合物是在低温高压状况下，由烃类气体与水分子构成的一种非化学计量型的、外观似冰的笼形晶体[1]。因其外表特征似冰且可燃，故俗称可燃冰。水合物晶体中水分子形成的构形为立体点阵，气体分子则补于点阵的空穴中，如图1所示。由于空穴中气体分子的无序分布，所以没有固定化学式，其化学式表示为M·n H2O，M代表烃类气体分子，n为水分子数。在标况（0℃，1 atm）下，1体积CH4·n H2O分解可产生164体积的CH4气体。因此，天然气水合物是一种能量密度高，绿色环保的潜在资源。

图1 天然气水合物立体点阵图Fig.1 Three-dimensional lattice picture of natural gas hydrate

1 天然气水合物概述

基于天然气水合物相平衡理论，其形成和存留须具备4个条件：较低温度、较高压力、烃类气体和丰富的水。从形成条件推理，形成天然气水合物可能性最大的两类地区是：①高纬度的陆地（永久冻土带）和大陆架；②海底。

关于天然气水合物资源量问题一直存在争议，大体可分为三个时期[2]：20世纪70年代至80年代早（1017～1018m3），80年代晚期至90年代早期（1016m3），20世纪90年代晚期至今（1014～1015m3）。当前各国科学家一致接受的资源储量是2×1016m3，折算为有机碳资源，约为所有化石能源含碳量总和的2倍。

综上，天然气水合物能量密度高，燃烧后污染小，分布广，储量大，应用前景好。

2 天然气水合物可能导致的风险

2.1 海域天然气水合物开发对海洋石油的潜在风险

随着深水油气田的开发，海域天然气水合物在钻采过程中可能引起诸多问题，如大规模海洋地质灾、海洋工程灾害、环境灾难等[3]。在钻采过程中引入温度和压力扰动，一方面可能使稳定状态的水合物分解产生气体和水；另一方面，地层内气体也可能在管线和井筒内形成水合物。

（1）天然气水合物可引起井控事故

水合物可堵塞压井管汇和节流管汇。Baker等人记录了两起由天然气水合物造成的停钻事例[4]：水深350 m，泥线温度7℃的加利福尼亚州海疆事故；水深945 m，泥线温度4℃的墨西哥湾海疆事故。

在钻井过程中，闸板防喷器靠压力关闭，未设密封垫片，气体和水合物可进入腔内，其中气体可形成水合物。这些已有和形成的水合物将阻止闸板再次打开。现在采用的防喷器设计不能避免水合物的影响[5]。

（2）天然气水合物能改变钻井液性质

钻井时，气体能在水基钻井液中形成水合物，消耗其中水分，降低其携岩能力，造成重晶石沉淀堵塞环空形成卡钻。泥浆中的水合物在上返时，所处压力逐渐减小，会迅速分解，引起压力的波动，较易引起井涌或甚是井喷。泥浆中高含量气体可以降低环空压力，进一步促进水合物分解，使井喷和井壁失稳更加加剧。水合物的形成也会增大油基泥浆流变参数，从而改变泥浆整体性能。

（3）天然气水合物可改变井壁稳定性

一方面，在水合物分解区，流体的超压流动和产生的气体会使沉积物粘结强度变差。井眼的打开将改变其周围温度和压力，导致水合物分解。当起粘结或基质支柱作用的固态水合物分解时，产生的水将增加井眼地层的含水率，降低储层介质的有效应力，削弱颗粒粘结强度，致使井壁不稳定乃至坍塌；产生的气体会影响泥浆的流变性和相对密度，加剧井壁不稳定。另一方面，水合物储层和泥浆间存在传质和传热效应，即泥浆向井周储层渗透和水合物的分解，它们的复合作用将使井眼周围基质孔隙水压力上升，有效应力降低，造成井壁力学失稳。井壁失稳会损坏套管，扩大井径，从而引起大量问题，如钻杆柱弯曲、固井质量更差、冲洗井眼难度增大、封隔器不易封牢、井下作业工具难下等。

（4）天然气水合物可造成井周下降

天然气水合物的分解会破坏海底和近地表的稳定性，减弱区间和破坏面将沿天然气通道产生，这将造成海底设施的不稳定，从而影响环境。

若含水合物区域的水合物分解，地层将丧失承载力，海底地基将沉陷。若井径扩大，该井段套管被压扁或防喷器或井口装置失去支撑发生倾斜，井内压将失控，可能引起井喷。

（5）天然气水合物可导致固井问题

水合物分解引发的井径扩大，会使井壁泥浆切面强度下降。在生产过程中，水合物可在环空中形成，其分解可能会损坏内部套管。

北非深水区的经验表明，水泥的水化热会引起水合物的分解。通常采用冷冻套管方法可部分解决此问题，此外还需考虑以下几方面：

①套管程序。

②套管规格。

③固井方法。

④固井材料的选择。

2.2 海域天然气水合物开发对环境的影响

（1）海域天然气水合物开发对大气环境的影响

甲烷与二氧化碳一样，也是温室气体，产生的温室效应是同质量气态CO2的20多倍。圈闭在海洋和大陆水合物中的甲烷含量约是大气中甲烷含量的三千倍，因此，水合物中的甲烷释放将对大气组分造成强烈影响，从而改变全球气候。甲烷的温室效应致使环球气温越来越高，储层中天然气水合物分解，如此往复形成恶性循环，强烈影响全球气温。

目前，难以确定天然气水合物在气候和环境变化方面所扮演的角色。

一方面，有学者认为天然气水合物是气候和环境变化的加速剂。以往研究表明，在近20万年里大气中甲烷量与地球气温是密切耦合的。当环境发生变化，如温度波动、海平面变化、压力扰动、构造活动、沉积盆地迁移等时，会影响天然气水合物的稳定，甚至破坏水合物层[6]。海洋水合物中甲烷的释放（如图2）,将会改变海水溶解碳组分或甲烷的大气浓度,一旦规模变大,会给全球气候带来灾难性影响。

图2 天然气从海底天然气水合物中的逸出Fig.2 The evolution of natural gas from natural gas hydrate in seabed

另一方面，有学者指出在气候和环境变化过程中，天然气水合物的角色是稳定剂。研究表明，对甲烷逸出率的影响可不考虑海底压力变化；温度造成海底甲烷逸出率的最大变化不足10%，也许不会显示在大量的大气甲烷量波动数据中。另外，水合物分解产生的甲烷会被海水大量溶解，残余甲烷经历氧化作用，在透光带之下的深海底（水深大于200 m）和一定温压条件下会形成碳酸盐岩沉积和自生生物系统。因此，与海洋沉积物中水合物分解有关的温室气体逸出对全球气候变化的贡献可能是有限的。

（2）海域天然气水合物开发对海洋生物的影响

海底天然气水合物分解所释放的甲烷的向上运移过程分为两部分：沉积物中的运移和海水中的运移。

①在沉积物中向上运移时，游离态及分解产生的甲烷若遇到适合的温压条件会重新生成水合物；剩余的甲烷气体继续上移，在与硫酸盐发生化学反应后，一部分甲烷形成二氧化碳进入上部水体，另一部分沉淀出碳酸盐矿物，在沉积物中形成固体或最终形成蛤床等自生生物群落。这一过程可消耗90%的甲烷，但如果沉积物中的硫酸盐和氧气含量较少或甲烷总量较多，仍会有甲烷上移进入水体。

②进入海水中的甲烷将向两个方向发展：其一，在氧含量充足的水体中，大部分甲烷被氧化成二氧化碳，部分生成二氧化碳又可溶解碳酸盐矿物。此过程的化学反应式如下：

图3 天然气水合物多方面全方位环境效应示意图[6]Fig.3 Omnibearing environmental effect scheme of natural gas hydrate

研究表明，天然气水合物分解是减少海水中氧含量的罪魁祸首，而海洋生物灭绝的直接原因是海洋缺氧[7-11]。其二，未被消耗的甲烷和二氧化碳继续上移，部分二氧化碳在靠近表层水时，可被浮游植物转化为氧气；剩余甲烷和二氧化碳借助水柱抵达大气圈。抵达大气圈的二氧化碳和甲烷继续被消耗，部分二氧化碳被陆地植物转化成氧气。综上，当水合物缓慢分解时，通过长时间的式（1）的反应，大量甲烷在第一过程被消耗逸出量较少；当水合物不可控地大规模分解时，会导致大量甲烷气体进入大气中。

综上，以图3概括天然气水合物诸多方面全方位的环境效应。

2.3 冻土天然气水合物采出对环境的影响

陆域天然气水合物形成于冻土带，其上没有巨厚的海水覆盖，在分解释放过程中没有甲烷的溶解和生物化学氧化作用。当分解释放的甲烷泄露时，若运移通道具有良好连通，抵达大气圈的甲烷量几乎等于分解释放的甲烷量。所以，不可低估永冻带天然气水合物排出甲烷的量及其气候影响效应。

在海外，1976-2006年间，北极地区平均气温上升了4℃；1985-2006年间，阿拉斯加育空河地区气温约上升3.2℃。专家警告：整个北极地区和格陵兰岛的冰层正在退缩。这将极大转变极地生态系统的各方面，如海洋运输、矿产资源开发、多年冻土层以及人类和动植物生存环境等。据报告，甲烷异常区从2003年起越来越多。其中，西伯利亚陆上冻土带融化的河水和海底永冻层下水合物层的融化，导致了海水中的甲烷异常。

在国内，我国是中低纬度国家中高原冰川最多样丰富的。表1给出了我国多年冻土分布下限的海拔高度和西部现代冰川雪线。

表1 我国多年冻土分布下限的海拔高度和西部现代冰川雪线Table1 The atitude of permafrost lower limit in china and westen modern snowline

对青藏高原冰川的研究，主要认识归纳如下：20世纪60年代以前，大多数冰川处于退缩状况；60年代至70年代初，大半冰川呈稳定或前进状况；20世纪70年代，三分之二的冰川处在退缩状况；从70年代起，大部分冰川以退缩为主。青藏高原水合物找矿远景区在广大冻土区内，其发育和完整保留是保持高原生态平衡的基础。但开发过程中的人类工程活动，如厂房建设、公路修建、管道铺设等，将使得多年冻土逐渐退化，促进沙漠化的发展，植物种类减少，小型啮齿类动物潜入。

此外，水合物冻土层融化，将释放巨量CO2,加速全球气候变暖。起支撑作用的水合物被开发，将引起地层压力亏空，引发地陷等地质灾害，进一步造成冻土退化，加速环境破坏。

3 总结

毋庸置疑，天然气水合物资源对人类有着十分重要的能源意义，但对其进行的开发利用具有两面性。一方面，从能源方面考虑，天然物水合物资源储量巨大，主要成分是甲烷，燃烧后污染小，分布范围广，可能成为传统化石能源的一种替代能源。另一方面，从环境方面考虑，当赋存条件因各类因素发生变化时，天然气水合物也许会失稳和无序、不可控释放，这有可能引发深水地质灾难或更变寰球气温，致使剧烈的环境效应。故而，开发天然气水合物时，态度须极度审慎，尽全力减少并消除天然气水合物开发利用对环境造成的影响。

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Possible Risks in Development of Natural Gas Hydrate

WANG Hao，WANG Ji-ping
（1.EOR Key Laboratory of Ministry of Education,Northeast Petroleum University,Heilongjiang Daqing 163318，China；2.Daqing Oilfield Company E﹠D Research Institute,Heilongjiang Daqing 163712，China）

Natural gas hydrate,also called flammable ice,has high energy density,low combustion pollution,extensive distribution and large reserves,so it may become a substitute for conventional fossil energy.In this paper,starting with the summary of natural gas hydrate,existing and potential effects of marine gas hydrate development on offshore oil engineering,atmosphere environment and halobios were discussed as well as possible effect of land permafrost gas hydrate development on environment and the interaction between gas hydrate and environment.

Oceaneering disaster;Natural gas hydrate;Geological disaster;Global climate

TE 624

A

1671-0460（2017）03-0485-04

2016-11-12

王浩（1989-），男，黑龙江省大庆市人，在读硕士研究生，现就读于东北石油大学油气田开发工程专业，研究方向：提高采收率原理与技术。E-mail：wanghaolaojiang@163.com。