天然气水合物原位补热降压充填开采方法*

李守定 李 晓 王思敬 孙一鸣

(①中国科学院地质与地球物理研究所， 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室， 北京 100029， 中国) (②中国科学院地球科学研究院， 北京 100029， 中国) (③中国科学院大学， 地球与行星科学学院， 北京 100049， 中国)

0 引 言

天然气水合物(Natural Gas Hydrate)俗称“可燃冰”，是由水分子和气体分子(主要为甲烷)在高压和低温条件下组成的似冰的、非化学计量型笼形结晶化合物，可用CH4·nH2O来表示，升高温度或降低压强可使天然气水合物发生相变，产出甲烷。天然气水合物作为非常规天然气，广泛分布在水深超过300im的海洋、湖泊和陆地多年冻土带沉积物中，资源量非常丰富，全球水合物天然气资源量约为2×1016m3，(Kvenvolden， 1999)，总含碳量为现有化石燃料(石油、天然气、煤)的两倍(Koh et al.，2011)，被公认为未来最有潜力的新型高效清洁替代能源，是全球能源革命的战略突破口。

天然气水合物有3种晶胞结构：sI型、sII型和sH型(Sloan， 2003)，多数情况下为sI型，其密度接近于冰。Boswell(2009)提出了4种不同类型天然气水合物储层的资源量金字塔图(图 1)，图中从上到下依次为砂质储层、泥质裂隙储层、海底水合物储层、泥质储层，可采难度越来越大，资源丰度降低，资源量增大。Collett(2004)结合天然气水合物储层钻探提出了6种赋存方式：弥散型、结核型、块状、岩脉状、细脉状、层状(图 2)。

图 1 天然气水合物资源分布金字塔图(Boswell， 2009)Fig. 1 The gas hydrate resource pyramid(Boswell， 2009)

表 1 不同天然气水合物开采方法试采汇总表(改自Koh et al.， 2016)Table 1 NGH field production summary(modified from Koh et al.， 2016)

图 2 天然气水合物赋存类型(Collett， 2004)Fig. 2 Cores of natural gas hydrates(Collett， 2004)

目前，世界上有5个国家进行了共计9次天然气水合物试采工作，其中陆地冻土区4次，海域5次。中国、日本、加拿大和美国在试采工程与基础研究上处于领先地位。陆域试采的代表是加拿大麦肯齐三角洲、美国阿拉斯加北坡天然气水合物试采，海域试采代表是中国南海神狐海域、日本南海海槽天然气水合物试采。当前已实施的试采方法主要有：降压法、热激法和二氧化碳置换法，相应的试采情况如表 1(Dong-Yeun Koh， 2016； 李守定等， 2019； 张旭辉等， 2019； 操秀英， 2020)。在各类开采方法中，试采天然气产量最高的是降压法，但所达到的天然气平均日产量远远达不到商业化开发的需求，更为高效安全的开采技术方案成为当前相关研究领域的重点内容。目前关于开采技术的研究中，大多关注开采原理的分析、开采形式的设计等，缺乏从储层改造角度开展的试验研究工作，未能形成有效的增产措施。

中国天然气水合物资源十分丰富，初步预测天然气水合物约1100×108it油当量(海域约800×108it油当量)，相当于中国常规天然气资源量的两倍(自然资源部，2018)。目前我国天然气供给对外依存度高，产能缺口巨大。在此背景下，突破天然气水合物开采技术，早日实现天然气水合物产业化开发成为重要突破方向。

本文在分析降压法所面临的关键瓶颈问题的基础上，聚焦于天然气水合物储层改造手段及开采方案设计，提出了一种全新的天然气水合物开采方法——原位补热降压充填开采法，重点剖析了该方法的3个基本原理，提出了该方法的开采技术方案、关键技术与工艺步骤。

1 天然气水合物原位补热降压充填开采方法

1.1 天然气水合物降压法规模化开采面临的瓶颈问题

综合分析天然气水合物现有开采方法的优点与缺点，降压法是相对经济有效的开采方法(Makogon， 1997; Collette， 2004， Sun et al.，2005)，但是采用降压法大规模开发天然气水合物面临3大瓶颈问题：

(1)天然气水合物分解热补给缓慢导致产气效率低。当储层降压到一定水平，天然气水合物分解，大量的分解热导致储层温度降低，瞬时可使局部沉积物温度降低33i℃(Constantin Cranganu， 2009)，使天然气水合物分解速率降低，同时可能引发二次水合物生成，堵塞甲烷运移通道，降低渗透性，使得产气速率骤降。只有当远处地层热量传导至储层并提高温度，二次水合物分解，产气速率才能回升。考虑到地层热传导过程较缓慢，上述问题的存在影响了降压法的产气效率。

(2)天然气水合物分解可能导致储层结构失稳。海域天然气水合物赋存在海底沉积物孔隙或裂隙中，由于天然气水合物在储层沉积层结构中起支撑或胶结作用，当其分解形成气态的天然气和液态水时，沉积物颗粒胶结骨架弱化，导致水合物沉积层强度降低、地层出砂(Berge et al.， 1999; Yun et al.， 2005; Uchida，2013)，造成储层变形和井壁失稳，进而引起海底沉降甚至诱发海底滑坡(Bugge， 1987; Bouriak et al.， 2000)。

(3)天然气水合物储层渗透率低影响产气速率。含天然气水合物沉积层初始渗透率分布在0.01 到数十毫达西之间(Yoneda et al.， 2019)，在天然气水合物开采的过程中，孔隙中的固态天然气水合物分解为液态的水和气态的甲烷渗流到井筒，孔隙中的有效应力增加，沉积物结构变得致密，孔隙度降低，含天然气水合物沉积层渗透率减小，天然气水合物保压样品测试也获得了印证(Lu et al.， 2019; Yoneda et al.， 2019)。另外，水合物分解产生的水将改变沉积物孔隙中地层水的矿化度，可能会引起膨胀性黏土矿物膨胀，引起孔隙堵塞降低沉积物的渗透率(Konno et al.， 2015)。

因此，天然气水合物降压法规模化开采需要突破“天然气水合物分解热补给”(补热)、“储层结构稳定性”(保稳)和“提高储层渗透率”(增渗)等3个方面的难题。从地层热传导“补热”补给速度慢，限制了产气速率，必须考虑外界热量补给，根据热激开采法的思想，可以考虑局部加热和热流注入的方法。固态的天然气水合物分解成液态的水和气态的天然气，地层沉积物之间原来由固体的天然气水合物作为胶结，分解后的水和天然气被抽取到井口，沉积物之间形成孔隙，不可避免地引起结构失稳，这种情况与金属矿或煤矿开采类似，开采后形成采空区引起地表沉降甚至地表塌陷，因此可以考虑“充填法采矿”的原理来解决天然气水合物储层“保稳”的问题，即天然气水合物开采后充填入力学特性相近的固体，以保持天然气水合物储层的稳定性。天然气水合物储层“增渗”的问题可以借鉴页岩气开采核心技术“水平井水力压裂”技术，不仅能增加钻井接触储层的面积，还能提高储层渗透性，提高天然气水合物分解的产气速率。

1.2 天然气水合物原位补热降压充填开采方法的提出

根据天然气水合物降压法规模化开采面临的3大瓶颈问题以及问题解决路径分析，提出了“天然气水合物原位补热降压充填开采方法”，该方法将通过钻井将氧化钙(CaO)粉末注入天然气水合物储层，钻井降低压力后，天然气水合物(CH4·nH2O)分解产生天然气和水(H2O)，CaO粉末与H2O迅速反应放出大量热量，补充了天然气水合物的分解热，同时，氧化钙与水反应后生成的固态氢氧化钙(Ca(OH)2)体积增大，孔隙增大，既填充了天然气水合物分解后留下的空隙，又提高了储层的渗透性。该方法能够有效解决降压法规模化开采面临的“补热”、“保稳”和“增渗”问题。

图 3 天然气水合物原位补热降压充填开采方法原理图Fig. 3 Schematics of the method of depressurization and backfilling with in-situ supplemental heata. 海域天然气水合物地层结构图； b. 天然气水合物储层裂隙注入氧化钙(CaO)； c. 天然气水合物储层降压引起天然气 水合物分解，氧化钙(CaO)与水(H2O)反应放热； d. 反应产物氢氧化钙(Ca(OH)2)充填天然气水合物分解后的空隙

1.3 天然气水合物原位补热降压充填开采方法原理

天然气水合物原位补热降压充填开采方法，原理如图 3，图 3a为海域天然气水合物地层结构，图3b为天然气水合物储层裂隙中注入氧化钙(CaO)； 图3c为天然气水合物储层降压，引起天然气水合物分解为天然气和水(H2O)，氧化钙(CaO)与水(H2O)反应放热，补充了天然气水合物分解所需的热量； 图3d为氧化钙(CaO)与水(H2O)反应产物氢氧化钙(Ca(OH)2)，发生了体积膨胀，空隙体积增加，提高了渗透性，既充填了天然气水合物分解后的空隙，又具有很好的渗透性。天然气水合物原位补热降压充填开采方法主要原理如下：

1.3.1 天然气水合物降压分解原理

天然气水合物原位补热降压充填开采方法是基于降压分解方法，降压分解法基于天然气水合物相平衡图，即将天然气水合物储层压力降低至平衡压力之下，使水合物发生分解(式(1))。Kim et al.(1987)提出了压力驱动(pressure driving force)水合物分解，认为天然气水合物分解速率与压力驱动力及粒子总表面积成正比。

CH4·nH2O(s)=CH4(g)+nH2O(l)

(1)

1.3.2 天然气水合物分解原位补热原理

天然气水合物分解为天然气和水属于吸热反应，根据不同晶型的天然气水合物分解需要吸收52～54.49ikJ·mol-1的热量(Rydzy et al.，2007; Farrell et al.，2010)，以sI型天然气水合物为例，分解需要吸收54.49ikJ·mol-1的热量(式(2))； 而氧化钙(CaO)与水反应属于放热反应，反应放热为64.9ikJ·mol-1(式(3))，因此，将氧化钙(CaO)注入到储层，氧化钙与天然气水合物分解产生的水反应放出的热量，可以充分地补充天然气水合物分解需要吸收的热量。氧化钙与水在标准状态下30imin内完全反应并放出热量，反应速度与温度成指数增长关系(温度增加10i℃，反应速度增加1倍)，氯化物能够加快反应速度(林宗寿，2014)。因此，氧化钙水化反应放热速度能够满足天然气水合物分解的需求。

CH4·5.75H2O(s)=CH4(g)+5.75H2O(l)

ΔrHm=+54.49 kJ·mol-1

(2)

CaO(s)+H2O(l)=Ca(OH)2(s)

ΔrHm=-64.9 kJ·mol-1

(3)

以全球5个国家的9次天然气水合物试采的储层为例，以1im3i天然气水合物储层为研究单元，表 2列出了天然气水合物分解所需的热量和提供分解热所需的氧化钙质量。从表中可以得出，提供1im3储层中天然气水合物的分解热需要15～108ikg氧化钙，可以产生7～52im3i天然气。

1.3.3 天然气水合物分解充填增渗原理

天然气水合物分解形成天然气与水，氧化钙(CaO)与水(H2O)反应生成氢氧化钙(Ca(OH)2)，生成的固相体积增大97.92%，氧化钙与水反应在吸附分散于化学分散(式(4))的作用下，形成凝聚结构(图 4)，水扩散层形成阻止离子相互靠近的“楔入力”，随颗粒沉降靠近，水夹层减薄，范德华引力超过“楔入力”，则粒子结合，胶体开始凝聚。氧化钙粒子内部吸入扩散层中的水继续水化，生成新物质，且水夹层厚度减小，粒子热运动的分子引力超过“楔入力”，

表 2 不同地区天然气水合物1￣￣m3储层完全分解热量及所需氧化钙质量Table 2 The heat needed for decomposition of the hydrate in 1 m3 reservoir volume and the corresponding demand of CaO in different hydrate system

图 4 氧化钙水化形成的凝聚结构与 空隙体积增量效应(林宗寿， 2014)Fig. 4 Aggregation structure and void volume increment effect of calcium oxide hydration

粒子黏连，形成凝聚结构(林宗寿， 2014)。这种凝聚结构导致比表面积增大，产生空隙体积增量效应，增加了氢氧化钙渗透性。另外，氢氧化钙与沉积物中的黏土和砂质结合形成可在潮湿环境下结构稳定的“三合土”，既提高了强度(抗压强度0.5～1.5iMPa)，又增加了渗透性(55.7～269imD)。

CaO(s)+H2O(l)→Ca(OH)2(l)→Ca2++2OH-

(4)

以1imol的sI型纯天然气水合物(CH4·5.75H2O)为例，天然气水合物(CH4·5.75H2O)分解前固态体积为131.489icm3，分解后变为103.615icm3液态水(H2O)和22i371icm3气态甲烷(CH4)。在相同分解热条件下，需要0.84imol氧化钙(CaO)与水(H2O)反应(表 3)，即14.11icm3的固态氧化钙(CaO)与15.14icm3的液态水(H2O)反应，生成27.91icm3固态氢氧化钙(Ca(OH)2)。等分解热条件下两个反应发生后，固态天然气水合物转化为氢氧化钙，反应后体积减少78.774%，液态水和气态甲烷被抽取到井口。由此可计算出等反应热条件下，天然气水合物分解后固态充填率为21.226%。反应体积变化如图 5。

图 5 等反应热条件下甲烷水合物(sI)分解与氧化钙(CaO) 水化反应系统体积变化示意图Fig. 5 The diagram of the volume change of hydrae and CaO before and after reaction confining the reaction heat to 54.49ikJ

固体体积完全充填(充填率100%)条件下， 1imol的sI型纯天然气水合物分解前固态体积为131.489icm3，分解后变为103.615icm3液态水(H2O)和22i371icm3气态甲烷(CH4)。在生成的氢氧化钙(Ca(OH)2)固态体积与1imol天然气水合物固态体积(131.489icm3)相同的条件下，需要3.957imol氧化钙(CaO)与水(H2O)反应(表 4)，即66.43icm3的固态氧化钙(CaO)与71.321icm3的液态水(H2O)反应，生成131.489icm3固态氢氧化钙(Ca(OH)2)。两个反应发生后，固态天然气水合物转化为氢氧化钙，反应后固态体积没有变化，固态充填率为100%。氢氧化钙完全充填原理如图 6。

表 3 等反应热条件下sI型甲烷水合物分解与氧化钙水化前后相态体积变化Table 3 The respective volume change of hydrae and CaO before and after reaction confining the reaction heat to 54.49 kJ

表 4 全固态充填条件下sI型甲烷水合物分解与氧化钙水化物质的量比例Table 4 The quantity of CaO needed for filling the space generated by the decomposition of 1 mol hydrate

图 6 氢氧化钙全固态充填原理图Fig. 6 The diagram of the quantity of CaO needed for filling the space generated by the decomposition of 1 mol hydrate

以1 mol的sI型纯天然气水合物(CH4·5.75H2O)为例，定义充填率(FR)为氢氧化钙体积与天然气水合物体积之比的百分率； 补热率(HS)为氧化钙与水反应放出的热量与天然气水合物分解热之比的百分率； 充填率(FR)与补热率(HS)呈线性关系(图 7)，可表达为式(5)。由该关系可知，氢氧化钙完全充填天然气水合物分解留下的空隙的时候，反应放热能够提供天然气水合物近5倍的分解热。

FR=0.2122HS+0.0017

(5)

图 7 充填率-补热率关系曲线Fig. 7 Relationship between filling rate and heat supplement rate

图 8 天然气水合物原位补热降压充填开采方法示意图Fig. 8 Schematics of the method of depressurization and backfilling with in-situ supplemental heat

2 天然气水合物原位补热降压充填开采关键技术

2.1 天然气水合物原位补热降压充填开采技术方案

根据天然气水合物原位补热降压充填开采法原理，提出如图 8的开采技术方案，核心技术方案是采用高压气体压裂并将氧化钙注入储层，主要技术方案由3部分组成：水平井钻完井，高压粉末-气体压裂，降压开采。

(1)水平井钻完井。在海域天然气水合物矿藏区布设海上钻井平台，进行钻井施工，钻井垂直段分别穿过海水和上覆地层，在天然气水合物储层中进行钻井水平段施工，进行钻井完井。

(2)高压空气粉末注入。在钻井水平段进行射孔施工，在天然气水合物储层中形成射孔裂隙； 将高浓度氧化钙粉末与高压气体混合，形成含氧化钙粉末的高压气体，含氧化钙粉末的高压气体通过射孔裂隙注入储层，储层沿着射孔裂隙扩展空隙，高压气体将氧化钙粉末携带至压裂空隙中。

(3)降压开采。停止压裂施工后，降低钻井井口压力，抽取钻井井筒中的水，天然气水合物储层压裂裂隙中压力降低，天然气水合物分解成天然气与水，水与空隙中氧化钙反应生成氢氧化钙，释放大量热量，补充天然气水合物分解热，反应后生成的氢氧化钙与沉积物混合形成了高孔隙的氢氧化钙填充物，既支撑裂隙稳定，又有较好的渗透性，有利于井筒抽水与采气。

2.2 天然气水合物原位补热降压充填开采关键技术

天然气水合物原位补热降压充填开采法工艺实现，有3大技术难点需要突破：钻井储层温压保持； 氧化钙充分注入储层； 井筒砂堵与气水混合。

钻井储层温压保持问题。该方法属于降压法，天然气水合物开采钻进的时候，井壁周边的地层处于降压状态，储层中的天然气水合物可能发生分解，同时导致井周储层的变形甚至破坏，因此在钻井施工过程须解决储层温压保持的难题。

氧化钙充分注入储层问题。原位补热的技术核心是将氧化钙注入到储层，并尽可能地提高氧化钙与储层的接触面积，如果用页岩气开采中的水力压裂技术压裂地层并注入氧化钙，氧化钙在井口与水混合就发生了反应，不能起到原位补热并充填的目的，因此须解决氧化钙注入地层并充分接触储层的难题。

井筒砂堵与气水混合问题。储层中天然气水合物降压分解形成天然气和水，其中一部分水与氧化钙反应生成氢氧化钙充填，另一部分与天然气抽取到井口，在开采过程中，储层中的黏土矿物和砂质仍可能随天然气和水运移到井周从而堵塞气水运移通道，同时井下气水混合导致气流运移驱动压力降低，影响产气效率，因此降压开采过程中须解决井筒砂堵和气水混合的难题。

解决以上3个技术难题，需要突破如下3个关键技术：

2.2.1 控温压高速钻井技术体系

钻完井过程将引起压力降低和温度变化，为了防止储层中天然气水合物分解，需要控制井筒压力和温度，尽量减小地层压力和温度的波动，达到保护储层的目的，同时应快速完成钻完井，既降低储层中水合物分解的风险，又能降低成本。

根据前人(Hannegan et al.， 2004； Todd et al.， 2006; 光新军等， 2016)研究，控压钻井技术能够精确控制井筒环空压力分布，解决钻井液安全密度窗口窄的问题，而且还能够对井筒压力变化做出快速响应，钻井控压技术目前在海洋深井有些应用，该技术在2020年中国海域天然气水合物第2次试采中已经应用(操秀英， 2020)。

固井水泥浆凝固时放热，可能引起井周储层温度升高，天然气水合物分解，因此，低水合热、高早强、低密度的固井材料是天然气水合物固井的需求。目前斯伦贝谢等油服公司研发了冻土层天然气水合物固井水泥浆，并在日本2013年海域天然气水合物试采中得到了应用(Taoutaou et al.， 2014)。

近年来美国页岩油气革命带来了油气钻井技术的飞速创新，钻井速度大大提高，适合天然气水合物水平钻井的高速钻井技术主要有“一趟钻”技术和旋转导向套管钻井技术。“一趟钻”技术是指用一只钻头和一套井下钻具组合，一次入井钻完一个开次或一个井段全部进尺的钻井技术。2017年贝克休斯公司在美国DJ盆地采用一趟钻技术进行了5405im井深的页岩水平井钻井，只用了3.5id。斯伦贝谢公司在DJ盆地用了29ih钻进4609.5im，平均机械钻速达159.4im·h-1。一趟钻关键技术主要有旋转导向、高效钻头、长寿命螺杆、串联双电池组合和涡轮发电机、变径稳定器等(刘克强， 2019)； 套管钻井技术是指钻进过程中，直接采用套管(取代钻杆)向井下传递机械能量和水力能量，井下钻具组合接在套管柱下面，边钻进边下套管，完钻后套管直接留在井内实施固井作业。近年来，Tesco公司将旋转导向技术与套管钻进技术集成，形成旋转导向套管钻进技术，在马来西亚EWDP-B生产平台钻井机械钻速高达120～180im·h-1，作为海上高速钻井作业非常有前景(张兰江等， 2016)。

2.2.2 高压空气粉末注入技术

将氧化钙充分注入储层，需要介质将氧化钙携带进入储层，页岩气开采核心技术水力压裂技术可以借鉴，水力压裂技术通过高压大流量压裂液将页岩储层压裂，并将支撑剂携入压裂裂缝中，但是对于氧化钙，易与水反应，现有的水力压裂技术因含有水，无法作为携入介质，近年来发展的页岩气无水压裂技术，主要是液氮或液态二氧化碳压裂，由于标准状态下液氮汽化潜热198.64ikJ·kg-1，二氧化碳汽化潜热234.85ikJ·kg-1，在井下压裂的时候将吸收大量的热量，引起天然气水合物储层降温，不利于后期降压开采，因此，现有的页岩气水力/无水压裂技术均无法适用。

根据海域天然气水合物储层的地质赋存特征，提出高压空气粉末压裂注入技术：天然气水合物水水平井段采用90°相位角双排深穿透射孔，在井口将空气过滤干燥后压缩，混合氧化钙粉末，通过地面高压泵注设备将空气粉末泵入井筒，多级分段含氧化钙粉末高压空气压裂，在高压流体致裂应力与地应力的联合作用下，人工裂缝在深穿透射孔处起裂扩展延伸，深穿透孔眼-压裂裂隙-孔隙联通形成的多尺度网簇状空隙，高压空气携带的氧化钙粉末充填空隙(图 9)，井口压力平稳后，井口降压，开启电潜泵，开始采气。

图 9 水平井射孔高压气体注入氧化钙粉末示意图Fig. 9 Injection of CaO into fractures by means of high pressure air in a horizontal well

根据表 2中1im3i天然气水合物储层所需氧化钙质量，以中国南海神狐天然气水合物储层为例，每立方储层需要90.11ikg氧化钙，假设水平井1个压裂段长100im，高压空气压裂影响半径为10im，降压法采收率为40%，储层中天然气水合物分解需要1132it氧化钙，按照400it·h-1的高压空气氧化钙注入速度，需要2.8个小时。目前气力输送在冶金行业使用非常成熟，特别是高浓度高气压输送技术也得到了开拓应用(刘利生， 2016)，在此基础上发展天然气水合物储层氧化钙粉末高压空气注入技术，具有很强的可行性。

2.2.3 多相流降压开采技术

充当储层胶结骨架的固态天然气水合物分解成气态天然气和液态水，虽然有氢氧化钙充填，在充填率不足或者充填不均匀的时候，储层沉积物黏土和砂可能随着天然气和水流动到井筒附近，从而堵塞储层渗流到井筒的通道，因此，井筒防砂仍然是一个重要问题； 另外，井下存在气水两项流，降低天然气渗流压力，减小产气效率，井下气水分离及抽取是降压开采另一个重要问题。

井筒防砂技术主要应用在日本两次试采(2013年， 2017年)和中国一次试采(2017年，南海神狐)井中。2013年日本第1次试采主要采用裸眼砾石充填防砂工艺，采用300im精密筛管+轻质陶粒(40～60目)砾石填充的方法，但是地层出砂试采失败(Yamamoto et al.， 2014)； 2017年日本第2次试采采用的具有保持挡砂性和井壁稳定性的井下膨胀(GeoForm)筛管防砂系统获得成功(杜卫刚等， 2019)； 2017年中国第1次海域试采研发了TD预充填防砂管技术获得成功，预充填粒径40～70目(李文龙等， 2019)。适度防砂、防排结合、排砂为主的理念成为未来防砂技术的发展趋势(杜卫刚， 2018)。

井下气水分离及抽取最早应用在2008年加拿大Mallik天然气水合物二次生产测试，包括电潜泵和离心式气液分离器等装置(李楠等， 2016)， 2013年日本第1次试采采用电潜离心泵、封隔器和油管等装置，电潜泵抽取流体降压，井下气液分离，气体沿中心管柱排出，水经节流管汇抽取到平台； 第2次试采采用了通径导流罩分离系统，电潜泵能够同时抽水和抽气； 2017年中国南海神狐天然气水合物试采采用了电潜离心泵和气举的流体抽取技术(杜卫刚等， 2019)。

2.3 天然气水合物原位补热降压充填开采工艺步骤

根据天然气水合物原位补热降压充填法原理与关键技术，提出海域天然气水合物开采采用如下主要工艺步骤：

(1)定井位。根据海域天然气水合物勘探成果和开发方案设计，在天然气水合物矿藏区布设钻探船或钻井平台，选定钻井井位。

(2)钻井。钻井井身结构依据天然气水合物储层地质条件设计。采用旋转导向套管钻井或“一趟钻”等快速钻井技术，进行水平井施工，配合钻进控压技术、钻井液降温技术、随钻测井、旋转导向、先进固井材料(低水合热、高早强、低密度)，在钻井和固井过程中，缩短钻井和固井的时间，最大限度保护储层，降低储层温度和压力波动，减少储层天然气水合物分解。

(3)完井。天然气水合物水平井储层段采用外加膨胀筛管复合套管完井，膨胀筛管用于防止储层出砂，充填粒径根据储层颗粒分布确定，套管用于保护储层稳定； 分段90°相位角双排深穿透射孔，下入分布式光纤传感器用于井下温度、压力实时监测。

(4)注入充填。在天然气水合物水平井储层段分段90°相位角双排深穿透射孔，在井口将空气过滤干燥后压缩，混合氧化钙粉末，通过高压泵注设备将空气粉末泵入井筒，含氧化钙粉末高压空气在井下沿着射孔裂缝扩展延伸，形成的多尺度网簇状空隙，高压空气携带的氧化钙粉末充填进入空隙。高压空气压力依据储层压力设计，高于储层压力5～20iMPa，高压空气排量依据氧化钙注入速率设计； 氧化钙注入速率根据注入段天然气水合物储层孔隙度、饱和度及裂缝延展长度等参数确定，氧化钙粒度小于3imm，为水硬性氧化钙。

(5)降压采气。注入充填工艺完成后，下入电潜泵、封隔器，电潜离心泵用于气水抽取，封隔器实现汽水分离，降低井口压力，开启电潜泵，开始采气。实时监控井底温度压力，根据生产设计、井下温度压力、产气/水速率、出砂数据、和监测井等数据，合理调整井口压力，实现连续稳定生产。

(6)重复注入采气。当天然气产气速率降低，产气总量达不到设计产量，可重复实施注入充填和降压采气步骤，提高采气速率。

3 结论与建议

天然气水合物被公认为未来最有潜力的新型高效清洁替代能源，是全球能源革命的战略突破口。当前代表性的开采方法主要有：降压法、热激法和二氧化碳置换法，降压法是相对经济有效的开采方法，但目前获得的天然气平均日产量远远达不到商业化开发的需求。在分析降压法规模化开采面临的瓶颈问题的基础上，提出了一种全新的天然气水合物开采方法——原位补热降压充填开采法，重点剖析了该方法的“降压分解”、“原位补热”和“充填增渗”原理，提出了该方法的开采技术方案、关键技术与工艺步骤。得出了如下结论与建议：

(1)天然气水合物降压法规模化开发面临3大瓶颈问题：天然气水合物分解热补给缓慢导致产气效率低； 天然气水合物分解可能导致储层结构失稳； 天然气水合物储层渗透率低影响产气速率。天然气水合物降压法规模化开发需要突破“天然气水合物分解热补给”(补热)、“储层结构稳定性”(保稳)和“提高储层渗透率”(增渗)等3个方面的难题。

(2)提出了天然气水合物新的开采方法——原位补热降压充填开采法，开采原理包括“降压分解原理”、“原位补热原理”和“充填增渗原理”。该方法将通过钻井将氧化钙(CaO)粉末注入天然气水合物储层，钻井降低压力后，天然气水合物(CH4·nH2O)分解产生天然气和水(H2O)，氧化钙(CaO)粉末与水迅速反应放出大量热量，补充了天然气水合物的分解热，同时，氧化钙与水反应后生成的固态氢氧化钙(Ca(OH)2)体积增大，孔隙增大，既填充了天然气水合物分解后留下的空隙，又提高了储层的渗透性。该方法能够有效地解决降压法规模化开采面临的“补热”、“保稳”和“增渗”问题。

(3)提出了天然气水合物原位补热降压充填开采技术方案、关键技术与工艺步骤。原位补热降压充填法主要通过“水平井钻完井”、“高压空气粉末注入”和“降压开采”3个部分实施，针对工艺实现的技术难点，提出了原位补热降压充填开采的3大关键技术：控温压高速钻井技术体系、高压空气粉末注入技术和多相流降压开采技术，在此基础上提出了具体的开采工艺步骤。未来需要在氢氧化钙充填形成的碱性环境影响和效应方面深入研究。

天然气水合物分解是典型的物理化学过程，伴随着复杂的相变，是开发难度最大的非常规天然气资源，虽然我国海域天然气水合物第1轮、第2轮试采均取得成功，创造了“产气总量、产气时间、日均产气量”3项纪录，但距离产业化开发还有很长的距离，未来需要加强国际科研合作，深度学科交叉，研发变革性技术，早日实现天然气水合物绿色安全经济开发。

致谢：本文在撰写过程中得到了陈卫昌、李关访、张召彬、赫建明、董艳辉、郑博、何鹏飞、武艳芳、毛天桥、杨文成等老师的帮助，在此表示诚挚的谢意。