天然气水合物开发研究方向的思考与建议*

2019-08-03周守为李清平庞维新

中国海上油气 2019年4期

周守为李清平吕鑫庞维新付强

(1.中国海洋石油集团有限公司北京 100010； 2.天然气水合物国家重点实验室北京 100028;3.中海油研究总院有限责任公司北京 100028)

1 天然气水合物开发研究进展

天然气水合物作为21世纪替代煤炭、石油和天然气的新型洁净能源资源被全世界广泛关注，被认为是未来最具商业开发前景的战略资源之一[1]。目前全球有5个国家进行了共计8次的天然气水合物试采工作，尤其是2017年5月中国南海神狐海域试采以30.9×104m3的累计产气量和60 d的持续产气时间创下了世界纪录[2]。但水合物资源开采过程中涉及的储层内部水合物相变规律，气水多相渗流并伴随气水砂运移及外部环境传热过程还未完全探明，同时开采过程中因砂质胶结水合物分解带来沉积层力学特性变化仍是导致水合物安全开采的主要问题之一。因此，实现水合物安全、高效、经济开采仍然有许多瓶颈需要突破。

天然气水合物的研究发展经历了组成结构研究、热力学模型测定和动力学研究等3个阶段，如图1所示。1810年，氯气水合物在实验室中第1次被人工合成，开启了水合物研究历史[3]。直到20世纪50年代，Stackelberg[4-5]和Claussen[6-7]首次确定了Ⅰ型和Ⅱ型水合物结构是由小分子气体和水分子在低温高压条件下形成的笼型晶体，使得水合物的研究进入快速发展阶段。1958年，Waals和Platteeuw[8]提出了基于统计热力学的水合物热力学模型，开启了对水合物热力学性质、赋存条件的研究。1965年，前苏联在开发了麦索雅哈气田的同时,首次发现自然界中存在的天然气水合物藏，引起了工业界的广泛关注，并于1968年[9]进行了水合物的首次成功试采，但试采过程中出现的产气量低、水合物管道堵塞等突出问题阻碍了水合物开采的进一步发展，由此水合物开采过程中储层内部的相变规律等问题引起了科学家的兴趣。

图1 天然气水合物研究发展历程Fig.1 Research history of natural gas hydrate

1993年第一届天然气水合物大会的召开象征着水合物研究进入全面发展阶段，水合物研究的基本格局已经形成。由于天然气水合物具有重要的战略意义和巨大的经济价值，世界各国均将天然气水合物开发列入国家重点发展战略。日本、加拿大、美国先后于1998年、2002年和2012年开展了本国水合物的试采。美国和日本等发达国家率先制订了全面的天然气水合物研究发展计划，并从能源储备战略角度考虑，相继开展了本国专属经济区和国际海底区域内的调查研究、资源评价和有关天然气水合物的基础与应用研究[10-11]，内容包括天然气水合物的成藏机理、勘探技术、开采技术、利用技术、环境影响等。

从开采方式角度来看，日本在Nankai海槽附近于2013年、2017年均采用了降压开采方式，但都由于井筒内部砂堵严重造成出砂堵塞而中断产气试验，因此储层井筒内多相多组分运移机制以及出砂机制与防控技术成为当前研究突破方向。2017年，我国也在南海神狐海域试采阶段利用了降压开采方式，但并未出现明显砂堵现象。早在冻土区域的早期开采场地试验中，加拿大Mallik在2002年采用了注热的开采方式，但产气效率较低，大量分解气滞留在储层内部，而在2008年采用了降压的方法，但由于环境热源供应不足，出现了结冰二次生成现象。总之，当前水合物现场试验通常采用的天然气水合物开采方法主要还是以降压为主[1,12]。

2015年9月，中国海油在国内首次完全依靠自主研制的全套装备成功获取海洋天然气水合物样品(图2)，并于2017年5月完全依托自主工艺、自主研制的装备在水深1 310 m、埋深117～196 m处，首次在全球采用深水勘察船实施海洋非成岩天然气水合物固态流化试采获得成功[11]，从而为天然气水合物开发提供了新的思路。

图2 2015年9月中国海油利用自主研制装备成功获取海洋天然气水合物样品Fig.2 Succesfully obtained marine samples of natural gas hydrate with independently developed equipment by CNOOC in September,2015

2 研究方向分析与思考

2.1 研究方向分析

根据第九届世界水合物大会(ICGH9)和第十一届世界水合物开发大会(FIERYICE-11)等相关资料，世界各国对天然气水合物的研究方向主要集中在以下方面：

1) 储层基础物性研究方向主要集中在天然气水合物结构特征、天然气水合物地球物理表征、含天然气水合物沉积物物理特性[7-8]、天然气水合物界面现象、天然气水合物动力学特征[9- 10]、天然气水合物分子模拟[11]、天然气水合物生产流动保障、天然气水合物分离与储存。

2) 开发研究方向主要集中在天然气水合物开采过程中黏土对砂的可压缩性和渗透率的影响(主要研究机构为路易斯安那州立大学)、水合物矿场的地质力学和流体耦合模拟(主要研究机构为德州农工大学)、天然气水合物开发过程中水合物颗粒在储层中的流动特性多尺度试验研究(主要研究机构为美国德州大学奥斯汀分校)。

3) 环境保护研究方向主要集中在天然气水合物海底渗漏“喷口”室内模拟与现场观察(主要研究机构为美国德州农工大学、美国地质调查局)、美国大西洋边缘天然气水合物系统中甲烷释放引发海洋酸化和大气排放的特征(主要研究机构为美国罗切斯特大学、美国地质调查局)、电磁法表征天然气水合物矿床及与水合物分解相关的导电率变化(主要研究机构为美国加州大学、美国劳伦斯伯克利国际实验室)。

此外，世界天然气水合物勘探/试采研究范围很广，深浅不一，从1965年西伯利亚冻土带到2017年南海海洋勘探试采以来已历经半个多世纪，虽有进展，但总体缓慢，主要受地缘政治形势变化、世界经济放缓、美国页岩气革命等影响。

2.2 研究方向思考

针对当前全球天然气水合物研究方向的分析，认为在以下几个方面需要重点关注：

1) 针对勘探和地质方面的研究，其核心是从水合物的特征特性入手，就水合物而“水合物”，如注重水合物的成因、结构、基础物性和水合物样品的力学特征等参数，需要把更多的地质研究联系到实际的工业应用开采方面。

2) 针对经济性定量标准方面的研究，目前天然气水合物已探明储量巨大，但是能够持续产气且水合物资源密度大的水合物藏(水合物的甜点富集区)在量化评价上无统一标准，天然气水合物的甜点富集区表征、天然气水合物丰度定量也无统一表示。因此，水合物开采的经济性定量标准制定不仅依赖于水合物开采技术的突破，更重要的是需要更多的、全面的现场及勘探数据。

3) 针对开采方法方面的研究，目前水合物开采方法主要借鉴油气田的开采，水合物独特的热力学特性和开采过程中的相变行为使得水合物在管道开采过程中需要异于油气开采的防治措施。传统油气开采主要是直接开采，开采过程中石油或天然气处于稳定状态。但天然气水合物与之不同，在开采过程中由于温度升高或压力降低使得水合物分解发生相变，形成天然气、水、储层砂石三相混合物堵塞管道，并且由于热力学不稳定性使得混合物易在水合物管道中重新形成新的水合物而导致产气降低、管道堵塞。因此，应该更加细化二者之间存在的差别，进而能更好地借鉴传统油气田开发手段。图3是日本科学家关于天然气水合物开发的试采井网示意图[13]，这也是把天然气水合物藏的开发当成油气田开发思路的另一种表现。

4) 针对开发安全和环保方面的研究，目前一般仅专注于水合物本身分解后天然气所产生的温室效应、地质滑坡、环境影响的理论分析和模拟实验，没有与开发工程相结合，更没有针对不同开发模式所引起的安全环保风险研究及模拟实验，因此需要进行详细探讨。例如，采用降压法开采海洋天然气水合物时，如果上覆泥砂层很薄，气化的天然气向上逃逸，气体流动具有不确定性，既可能沿着生产管线流动，也可能从井筒外向海底溢出，应开展对安全生态的影响评价；如果水合物矿体胶结疏松，多为泥质粉砂，因天然气水合物分解后大量出砂，应考虑砂体流化后的处理措施以及生产过程中的防砂措施；天然气水合物因降压而在地层气化，应开展地层中无支撑力的大型空间(地质垮塌)的评估。此外，深海非成岩天然气水合物固态流化开采方法还面临以下问题：大规模海底采掘对海底生态的影响未知；规模采掘天然气水合物后，虽有部分泥砂回填[11](图4)，但上覆泥砂层对海底环境的影响未知。

图3 日本天然气水合物试采井网[13]Fig.3 Natural gas hydrate test well network in Japan[13]

图4 深海非成岩天然气水合物固态流化法泥砂回填示意图[11]Fig.4 Schematic diagram of solid-state fluidization method in deep-sea and nondiagenetic natural gas hydrate for backfilling of mud and sand[11]

3 几点建议

3.1 将天然气水合物矿体整个地质背景作为研究对象

不仅要研究水合物层本身，还要将天然气水合物矿体形成的整个地质背景作为研究对象，进行系统研究。常规油气田的研究包括储层的整个地质背景，不仅要研究储层，还要研究油层下的水层，分析生、储、盖层的组合关系以及在油气开发过程中的相互关系。如图5所示，将天然气水合物整个地质背景作为研究对象[14]，除了研究天然气水合物储层外，还应包括：①水合物层上覆泥砂层的厚度、胶结程度、密度、粒度分布；②自由气层的厚度、气含量、粒度分布、胶结程度、孔隙度、渗透率；③自由气下伏地层的厚度、胶结程度、密度、粒度分布；④开采过程中各层之间压力场、温度场、流场的动态变化关系。

3.2 从开发角度将天然气水合物藏分成成岩和非成岩两大类，并细分为6级

目前对于天然气水合物的分类主要按照天然气水合物赋存方式、地质环境及气源等分类方法。2014年在印度海德拉巴召开的第九届世界天然气水合物开发大会上，笔者第1次提出将天然气水合物分为成岩天然气水合物和非成岩天然气水合物两大类。2018年在中国成都召开的第十一届世界水合物开发大会上，又进一步将其细分为6级。天然气水合物岩石骨架的成岩级别是储层预测和目标评价的重要根据。从开发角度，建议引入成岩水合物和非成岩水合物的概念，以岩石骨架的稳定程度为主要依据，重点考虑是否成岩、岩石骨架结构是否稳定、颗粒粒径及胶结方式等因素，将天然气水合物细分成6级(表1)。

图5 天然气水合物矿体地质背景系统层位图[12]Fig.5 Natural gas hydrate ore body geological background system horizon map[12]

表1 天然气水合物藏分类Table 1 Classification of natural gas hydrates

3.3 加强天然气水合物、浅层气、常规油气等三气合采研究

从目前发现的天然气水合物样品分析中可以看出，天然气水合物藏下均有自由气和浅层气，在天然气水合物附近常伴有常规气田(图6)，3种气源可能往往来自共同的烃源岩。以荔湾3-1气田开发为例[15](图7)，从地震剖面上看，水合物下面存在浅层气，与该气田相隔仅10 km；若采用1套生产工程设施体系开发，既可充分利用资源，又能联合开发3种气体(天然气水合物、浅层气、常规气)。因此，有必要研究采用1套工程设施实现三气合采，在工程设计、开发方案和生产流程方面共同考虑，这可能是早期实现商业性开发的有效途径。

图6 三气同源示意图Fig.6 Three-gas homology diagram

图7 荔湾3-1气田开发示意图[15]Fig.7 Schematic diagram of the development of the LW 3-1 gas field[15]

3.4 同时研究开发天然气水合物及下覆浅层气

浅层气是天然气水合物开发潜在的危险。某国外石油公司在钻井过程中钻遇天然气水合物层后发生浅层气泄漏，如图8所示。浅层气体一部分上返，一部分进入海水中，对工程作业产生极大风险，但如何开采几乎未见相关报道。

图8 钻井过程中天然气水合物层浅层气泄漏Fig.8 Shallow gas leakage of natural gas hydrate layer during drilling

浅层气同时也是潜在的资源，应把它作为重要的研究对象。深海天然气水合物藏下部常有浅层气(自由气)，如图9所示,水合物储存区一般位于水深300 m以上、海床下1 000 m以内的范围。

3.5 针对不同开发模式开展对应的环保措施研究

现阶段的环保措施研究往往采用实验室模拟水合物生成再气化的方式开展，然而不同类型的天然气水合物需采取不同的开发模式(表2)，不同的开发模式所采用的开采技术、装备和环境保护要求等存在较大差异，因此建议开展与开发模式相对应的环境保护措施研究。

图9 中国南海某天然气水合物井地震反演Fig.9 Seismic inversion of a natural gas hydrate well in the South China Sea

表2 不同天然气水合物类型的开发方式Table 2 Development methods of different gas hydrate types

3.6 加大天然气水合物富集区描述和丰度定量表征相关技术研究

天然气水合物在地层富存状态条件下存在大量裂缝及脉络状纹路，构成水合物赋存的较大空间，如图10所示。图10中基质渗透率仅为0.6～0.9 mD,采用随钻测井法、氯离子浓度法和电阻率法核算的天然气饱和度为30%～45%，而从开发角度看，富集在缝隙和脉络中的天然气水合物对于产量贡献起着关键作用。建议加大天然气水合物富集区描述方法研究，并根据不同天然气水合物的类型，依据天然气水合物本身孔隙结构和基础物性，建立天然气水合物丰度定量表征方法。在此基础上，找到具有商业开采价值的天然气水合物富集区甜点。