陆地天然气水合物资源及开发技术

周佳　陆惟　唐婧

摘 要：天然气水合物是在海底和中高纬度的陆地永久冻土带广泛存在的一种资源，因为其巨大的资源潜力而逐渐发展为研究领域中的热点内容。同时，形成天然气水合物的过程可以实现对于纯水资源的富集作用，加上不同性质的气体所形成的水合物温压情况存在差异，导致对于天然气水合物资源的利用和开发研究得到了一定程度的发展。本文将对天然气水合物的结构特点进行分析，并借此展开对于水合物开发现实意义的研究，发现资源开发过程中存在的问题，并提出常用的水合物开发技术，以供相关人士参考。

关键词：陆地;天然气水合物资源;开发

1 我国陆地天然气水合物资源开发现状

天然气水合物是一种新型的清洁能源，由于储量的丰富性展现出极大的发展潜力，已经逐步成为全球能源竞争的重要抓手。我国天然气水合物资源的含量十分丰富，仅仅在南海北部陆坡区域的水合物远景资源量就已经达到了数百亿吨。针对水合物进行产业化开发，可以有效减缓能源的供需冲突，促进能源消费结构的优化，让能源战略安全和生态文明建设得到全面保障。

进入新世纪以来，我国就提高了对于水合物资源的关注，经过多年的努力，我国在水合物基础科学、勘查与试采关键技术、成藏理论、环境效应及储层物性等不同领域都得到了一定程度的发展，加快了我国水合物产业化的进程。我国地质调查局早在2002年就开始了对于水合物资源的陆地研究，在冻土层地区进行了地质、地质钻探、地球化学、试采、地球物理等一系列工作。并于2008年发现了水合物的实物样品，该样品出自木里地区的永久冻土带，同时，我国在2011年和2016年针对这一区域展开了试采工作，并搭建了祁连山水合物长期观测基地。即使这两次试采的产量不高，但是，其中所采用的直井和水平对接井技术都为我国开展海域水合物试采贡献了十分珍贵的实践经验。

总体而言，我国的水合物勘测开发技术已经取得了一定的进展，并且在世界范围内具有较为领先的优势，实现了从试采到商业开发阶段的过渡。为实现从试验性试采到生产性试采的阶段性突破，需要我们积极探索可以突破开采瓶颈的问题，通过科学的开采技术和规范的开采理念，推动我国水合物开发的发展[1]。

2 陆地天然气水合物资源的潜力

在世界范围内存在以下永久冻土区域：俄罗斯欧洲北部、美国阿拉斯加北部斜坡、格陵兰和南极冰川覆盖层下部、中国青藏高原以及西伯利亚和远东、加拿大马更些三角洲。上述冻土区域的总面积可达全球陆地总面积的27%，其中冻结层的厚度最高可以达到2000m左右，多集中于700～1000m。

针对有资料记载的全球陆上天然气水合物资源实施统计，发现其资源总量从22万亿方到1110万亿方左右不等，通常包含以下区域：北极群岛、东西伯利亚、青藏高原冻土带、阿拉斯加北斜坡、麦肯齐河三角洲等。不同地区之间的区间值存在较大的差异，由此可见，当下的陆地天然气水合物资源并未得到有效开发和利用。

我国青藏高原地区的冻土层分布通常较为广泛，并且受到气候条件和地形的多重影响。该冻土层主要在羌塘地区、定日--岗巴高山区、金山--祁连山地区及昌都地区发育。其中羌塘地区的冻土资源广泛，是该地区冻土层的构成主体。该地区的冻土层总面积可达1400000km2，其厚度在10～175m不等，厚度最高的位置可达700m，年均气温约为-4～0℃左右。由于受到维度和海拔高度的限制，导致该地区的冻土层地温梯度约为11～33℃/km，至于冻土层下方的沉积层，其地温梯度约为28～51℃/km。无论是在青藏高原还是在藏北羌塘盆地，都拥有充足的天然气水合物资源，具有十分广泛的资源潜力[2]。

3 陆地天然气水合物开发技术

相比于海上工作，在陆地上的工作难度较小，因此，永冻区的天然气水合物引起了人们的广泛关注。天然气水合物资源的本质是由天然气体和水构成的一种具有亚稳定形态的矿物，在一定的温压条件下，天然气水合物层中的天然气体、固态水合物和水都呈现出一种平衡状态，由于天然气水合物的温压条件较为稳定，使得水合物得以被安全保存。在天然气开采过程中，可以借助人为的温压条件改变破坏天然气水合物的平衡状态，以促进天然气的分解[3]。以下为当前阶段陆地天然气水合物的常用开发技术：

3.1 热激发法

热激发开采法是借助热流体，如蒸汽、热盐水、热水等物质渗透进地面泵入水合物底层，或者借助重油开采过程中所使用火驱法和钻柱加热器实施水合物开采。总而言之，该种方法的一个典型特点就是将温度提升到水合物分解的温度，是当前阶段研究较为广泛的一种陆上天然气水合物开采技术。无论是注入蒸气、热盐水和热水等流体物质，还是井下电磁加热，亦或是微波加热，以上技术都得到了一定程度的发展，让热利用效率得到了切实提升。在热开采的过程通常采用局部加热的方法，可以更好地适用于水合物层较为密集的区域，也即水合物藏，在该范围内实施开采，如果存在厚度较高的夹层，就不能使用这种方法实施水合物开采[4]。

3.2 减压开采法

借助壓力的降低，将水合物的曲线进行转变，以保持良好的稳定状态，让水合物实现分解。针对水合物资源下面的游离气体实施开采，可以有效降低储层的压力，不需要采取昂贵的手段进行连续多次的激发，在众多现存的水合物开采技术中具有十分重要的位置，其发展前景非常光明，有机会成为日后进行天然气水合物资源开采的重要手段。然而，使用减压开采法的形式，对于水合物藏的性质提出了一定的要求，例如，需要在水合物藏的下方保持游离气层的存在，如果其下方不含有游离气层，就不能运用减压法的手段予以开采。同时，需要在天然气水合物藏位于温压平衡带的边界位置时，适当降低水合物层的分解，将其所需的压强降到最低。通过减压法的形式进行开采具有一定的经济性，例如，针对麦索雅哈气田天然气水合物藏进行开发时使用的就是这一手段。

3.3 化学法

化学法是借助化学试剂，如盐水、丙三醇、乙二醇、甲醇、乙醇等试剂，将其经由井口投入水合物储层泵，以改变天然气水合物所建立的相平衡条件，让水合物的稳定温度得到切实降低，以促进水合物的分解。使用化学试剂法需要有大量的资金投入，并且见效较慢，因此并未在开发实践中得到广泛运用，只是在小范围内进行了尝试。

3.4 二氧化碳置换法

相比于甲烷水合物，CO2具有更加稳定的性质，因此可以采用CO2置换法进行水合物的开发。将CO2注入到水合物储层中，将其中的甲烷进行置换，并予以开采。采用这种手段，可以有效保障水合物沉积层的完整性，降低由于水合物开采所造成的海洋地质灾害的风险，同时还可以将产生的CO2进行封存，有效避免了温室效应[5]。

4 结束语

尽管我国在天然气水合物这一领域的研发起步很晚，但是已经取得了良好的成果。随着研究的逐步推进，我国提高了在天然气水合物资源研发领域的投入，在全体科研人员的协同努力下，我国的天然气开发技术必将取得进一步的发展。而在当前阶段，我国主要采取热激发法、化学法和减压法和二氧化碳置换法等手段进行天然气水合物资源的开发，其中整合减压法和热激发法是目前最为经济的一种开发手段，至于其他更加经济高效的手段还需要展开进一步的研究。

参考文献：

[1]何枭.海洋天然气水合物和油气一体化勘探开发机理和关键工程技术国际态势分析[J].高科技与产业化，2020， 287（04）：40-51.

[2]吴传芝，赵克斌，孙长青，等.天然气水合物基本性质与主要研究方向[J].非常规油气，2018，05（04）：92-99.

[3]王国荣，钟林，刘清友，等.基于双层管双梯度深海油气及水合物开发技术研究[J].海洋工程装备与技术，2019， 06（S1）：225-233.

[4]王淑玲，孙张涛.全球天然气水合物勘查试采研究现状及发展趋势[J].海洋地质前沿，2018，34（07）：24-32.

[5]贾童，王鑫炎，商一杰.天然气水合物开采技术对比与展望[J].自然科学，2019，07（05）：398-405.

作者简介：

周佳（1987- ），汉族，籍贯：四川江油，学历：大学本科，目前职称：工程师，研究方向：油气田开发。