神狐海域天然气水合物研究新进展

刘建辉，李占东，赵佳彬

(东北石油大学海洋油气工程学院，黑龙江 大庆 163318 )

0 引言

天然气水合物又称“可燃冰”，是水和天然气气体分子在高压低温条件下形成的一种类冰状晶体物质[1-2]，常以甲烷水合物为主，其分子结构见图1。它广泛分布于深海及永久冻土带[3-5]，尽管水合物全球储量估算各有不同，但普遍认为水合物所蕴含的碳含量是化石能源的2倍之多。由于其储量大和高效无污染等特点极有可能改变现有能源结构，成为未来引领社会发展的新兴清洁能源。

图1 甲烷水合物分子结构示意图Fig.1 Schematic chart of molecular structure of methane hydrate

据现有资料报道，天然气水合物的开采方法主要有降压法、注热法、添加抑制剂法和置换法[6-8]，其中前三种方法是通过破坏水合物的相平衡使之分解进行天然气生产(图2)。置换法是将CO2气体与水合物中的天然气气体分子置换，以形成更稳定的CO2水合物，从而进行水合物的开发生产。但普遍认为，降压法是最有可能成为未来水合物高效开发的手段[9-11]。

图2 甲烷水合物相平衡破坏示意图Fig.2 Sketch diagram of the phase equilibrium destroying of methane hydrate

天然气水合物由于自身独特的物化性质使其不同于其他非常规能源的生产，且无论采用何种开发方式，开采过程中极易发生储层坍塌、天然气泄漏、井筒堵塞等问题。我国对于水合物的理论研究与实地勘探采样工作相对其他发达国家起步较晚，但是得益于国家经济的迅速发展以及“强海战略”的有力实施，逐步实现了水合物开发研究从“追赶”到“并跑”再到“领跑”的巨大飞越。

1 国外水合物勘探试采情况

随着世界对能源的需求与日俱增以及传统化石能源的日渐匮乏，天然气水合物这种非常规能源的安全高效生产引起了各国学者的广泛关注。进入21世纪以来，水合物相关研究进入高速发展阶段，美国、日本等国家纷纷开展了可燃冰钻探项目(表1)，进行水合物的勘探与开发，竞争十分激烈，并取得了一些令人瞩目的成就。

表1 国际上可燃冰钻探项目Table 1 International drilling project of combustible ice

2002年，加、日、德、美、印五国联合制定Mallik计划，在加拿大麦肯齐三角洲采用注热法进行水合物试采。本次试采共持续5天，累计产气量463 m3。虽然生产效率低，但是作为全球首次水合物开采试验，具有非常重大的意义。

2007年，Mallik项目重启，本次试采采用降压与注热联合开采方法，由于出砂导致生产持续1.5天，累计产气量830 m3；2008年，采用降压法继续进行Mallik水合物试采，此次使用了防砂网，连续生产6天，累产气量达到1.3万立方米。

2012年，美国能源部、ConocoPhillips公司、日本国家石油天然气和金属公司、挪威Bergen大学合作，运用CO2置换法与降压法联合开采阿拉斯加北坡天然气水合物。本次试采持续1个月，累计产气2.4万立方米，结果证明置换法开采效率低，且生产的CH4气体中存在一定量的CO2。

2013年，日本在南海海槽进行世界上首次海洋水合物试采。本次试采采用降压法，但同样由于出砂问题只生产了6天，累计产气量11.9万立方米。

2 神狐海域水合物勘探试采情况

南海作为我国近海中最大最深的海区，资源极其丰富且战略意义重大。由于广泛分布天然气水合物[12-13]，成为我国海域水合物勘探研究与试验生产的重要战略场地。21世纪以来，我国为摸清南海水合物具体分布情况，探索水合物开采技术，开展了一系列勘探工作(表2)。

表2 我国南海天然气水合物勘探试采历程Table 2 The exploration and mining test of natural gas hydrate in South China Sea

在调查勘探资料的坚实基础上，选定位于南海北部陆缘的神狐海域作为两次水合物工业化试采区域(图3)。

推行厂务公开，就是要保证职工的知情权、参与权与监督权，依靠职工办企业，尊重职工的首创精神，体现以人为本的管理理念，切实尊重和体现职工主人翁地位。厂务公开也是一号煤矿贯彻落实科学发展观的具体表现，是其凝心聚力谋发展的重要举措与有效手段，在推进一号煤矿建立自我约束机制、实现民主管理方面发挥了积极的作用。

图3 神狐海域水合物试采位置图Fig.3 Location map of hydrate mining trial in Shenhu area

2.1 神狐海域水合物第一轮试采

2017年5月10日，中国地质调查局组织开展海域水合物初次工业化试采工作。本次试采海水深度为1266 m，水合物藏位于海底表面以下203～277 m[17]，具体开采数据见表3。

表3 神狐海域水合物第一轮试采数据

本次试采针对的是我国目前主要的储集类型且开采难度最大的泥质粉砂型水合物[18]。在为期60天的试采过程中，未出现地层坍塌、环境污染、天然气泄露等意外情况，稳产时间全球之最。第一轮试采成功表明我国在天然气水合物理论研究、关键技术、装备研制、管理体系、事故防控等方面取得了突破性进展。

本次试采采用固态流化法，但是该方法直接通过采掘破碎水合物层来获得固体水合物碎屑，经过一系列处理后又将残余泥沙回填到采空区，将对海底表层地貌以及生物造成巨大破坏，难以修复；该方法需要消耗巨大能量将采掘出的水合物碎屑举升到海面上加工处理，且为期两个月的试采共获得近31万立方米天然气，开采效率低。该工艺是否可以成为神狐海域天然气水合物开发的有力手段仍需要进一步论证。

2.2 神狐海域水合物第二轮试采

2019年10月，中国地质调查局组织开展我国海域水合物第二轮工业化试采。本次试采海水深度为1225 m，水合物藏位于海底表面以下237～304 m。2020年2月17日点火开始试采，3月18日圆满结束[19]，整个过程历时150余天。

本轮试采连续产气30天，累产气量86.14万立方米，是第一轮的2.8倍；日均产气量2.87万立方米，是第一轮的5.57倍。

本次作业是世界上首次采用水平井钻采技术进行水合物试采，累产气量与日均产气量均全球第一[20]，不仅使我国向水合物绿色商业化开采迈出了坚实一步，同时增强了我国海洋能源开发利用的综合能力。

3 神狐海域天然气水合物模拟研究

3.1 储层地质特征研究

神狐海域的地质作用非常复杂[21]。水合物分解、流体运移、胶结破坏、砂粒流动等水合物开发过程致使储层的地质特征和力学性质发生一系列变化，有可能导致海床滑坡、坍塌等事故发生(图4)。为安全有效地开采水合物，必须充分认识水合物储层的地质特性。

图4 水合物分解导致海底滑坡示意图Fig.4 Schematic map of submarine landslide caused by hydrate decomposition

学者们采用不同的模拟手段，从多种角度出发对神狐海域水合物储层的力学特性和地层变化进行了研究分析。关进安等[22]开展三轴力学实验，研究了神狐海域含水合物沉积物应力特性，实验表明甲烷水合物沉积物的力学强度随实验围压增加、温度降低而逐渐增大，且沉积物在高压低温条件下更易显现出弹塑性力学特性。万义钊等[23]通过数值模拟手段，对神狐海域水合物储藏降压开采条件下储层的力学稳定性和变形特征展开了研究，结果表明储层沉降量与降压幅度、绝对渗透率成正相关关系，且开采过程中孔隙压力降低更易使储层发生剪切破坏，并认为60天的降压开采不会使神狐海域水合物储层发生剪切破坏。胡高伟等[24]将实测孔压静力触探结果与室内实验数据结合，分析了神狐海域水合物上覆层的不排水抗剪强度，结果表明该参数随储层深度的增加而增大。孙嘉鑫[25]采用数值模拟手段，对神狐海域水合物储层的物性特征、应力应变、地层沉降等储层动态响应特征展开了深入研究，发现持续降低生产压力并不能实现有效增产，反而会使井周地层出现应力集中加剧储层沉降变形风险。袁益龙等[26]通过考虑水合物开采过程中相变、传热、流动、岩土变形耦合作用，研究了直井降压开采对神狐海域水合物地层与生产井井壁力学稳定性的影响规律，结果表明开采初期是地层发生沉降的主要时期，井壁周围是地层沉降最严重的区域，且水合物的分解加大了储层沉降变形的风险。孙可明等[27]基于ABAQUS功能模块，分析了注热开采对水合物储层沉降变形的影响规律，研究结果表明，水合物上覆盖层的变形与破坏主要归因于超静孔隙压力增大；温度越高，水合物储层塑性变形的影响范围越大。公彬等[28]应用有限元分析方法，针对不同开发方案所引起的水合物储层沉降变形进行了分析研究，结果表明水合物储层强度降低主要源于生产时排水，地层沉降主要位于生产井周围。刘锋等[29]基于神狐海域水合物钻获区地质资料，采用极限平衡法，分析了水合物不同程度分解条件下失稳坡脚的变化规律，研究表明斜坡失稳坡脚与水合物分解程度成负相关关系，较大坡脚的储层斜坡在同等条件下率先滑坡。

对于神狐海域水合物储藏地质特性的研究，研究者主要采用三轴力学实验和数值模拟方法。通过考虑不同因素(表4)，对储层的变形、沉降、滑坡、应力应变等进行了一系列模拟研究，取得了重要进展。但是目前研究者大多只采用了部分现场测试结果，模拟结果无法真实、全面地反映神狐海域储层实际情况，且建立的力学模型大多未涉及储层复杂应力状态以及水合物二次生成的影响。

表4 不同研究者储层地质模拟考虑因素Table 4 Factors to be considered in reservoir geology modeling by different researchers

3.2 水合物开采模拟

天然气水合物的开采不同于其他传统化石能源，其开采过程涉及传质传热、水合物相变、多相渗流、地层变形等多种物理化学效应，难以直观描述不同开发方案对水合物储藏内部的影响过程及其生产效果。数值模拟软件功能的日益强大以及算法的不断成熟，给水合物储层开采研究提供了强有力的分析手段。刘丽强等[30]基于TOUGH+HYDRATE模型，研究了神狐海域水合物藏采用直井降压开采时储层内部气体运移过程与产气规律，研究表明井筒压力设置为12.46 MPa时获得的累产气量最大；此外，利用LH-OAT分析方法评价了19个水合物储层参数的敏感性[31]，指出Stone指数、绝对渗透率等参数对CH4气体的累产量最为敏感。李淑霞等[32]利用数值模拟手段，探究了神狐海域水合物储藏降压开采的生产动态，认为在神狐海域水合物藏实际开采过程中，至少将降压幅度设置为初始压力的一半，且采用较快的压降速度[33]。王蕊等[34]利用CMG-STARS软件模拟了降压与注热联合开采下神狐海域水合物藏的生产动态，建议在实际生产时将井底压力设为2 MPa～3 MPa，并采用最快的降压速度。李刚等[35-36]通过借助TOUGH+HYDRATE软件，进行了神狐海域水合物藏单一水平井热吞吐法和降压法开发模拟，研究结果表明这两种开采方法均不适用于神狐海域水合物开采。苏正等[37]通过简化水合物藏注热开采模型，研究了单一直井注热开发神狐海域水合物藏的应用效果，结果表明神狐海域水合物不宜采用直井注热开采方式；此外，利用TOUGH+HYDRATE软件模拟结果表明单一直井降压开采方式在神狐海域同样不可行[38]。苏正等[39]还指出热激发开采神狐海域水合物效率低，且在降压与热激发联合开采方案中，水合物分解主要是受降压的影响。何斌等[40]通过借助TOUGH+HYDRATE软件，探究了神狐海域天然气水合物藏在不同水平井井数降压与降压联合注热开采时的生产效果，模拟结果指出，双水平井均采用降压开采的生产效果优于上水平井降压、下水平井注热的联合开采方式。刘佳丽[41]通过考虑数值模拟的综合产能评价方法和经济评价的相关指标，指出降压法是最适合神狐海域水合物藏的开采方法。胡立堂等[42]利用pT+H软件，模拟了水平井单纯注热与注热降压联合开采两种方式下的水合物开发效果，认为联合开采方案才是神狐海域水合物开发的优选方案，而王振[43]认为降压联合注热吞吐最佳。李刚等[44]通过考虑水合物“二次生成”效应，指出联合开采方式可以有效阻止单纯降压开采后期二次水合物的生成，使开发过程更加顺利。申志聪等[45]借助TOUGH+HYDRATE软件，模拟研究了“上层水合物、下层游离气”储层类型不同井型降压开采的生产效果，结果表明采用直井开发水合物藏时易导致二次水合物合成，生产过程受阻，而水平井开采能够有效抑制二次水合物的生成，因此认为水平井降压开采是未来水合物藏高效开发的最佳方案。夏志增[46]在算法优化的基础上，研究了神狐海域非均质水合物储层分段水平井注热吞吐开发的生产动态，模拟结果显示该开采方法可以获得较大的产气速率且能量利用率高，在神狐海域具有较高的应用价值。

4 结语

通过以上综述研究，对于神狐海域天然气水合物研究现状，总体可以概述如下：

1)近年来，各国加大了天然气水合物高效开发的技术探索，其中美、日等国率先进行勘探开发，但出砂问题是制约持续开采的主要原因。

2)我国从1999年开始对南海水合物资源进行多轮次勘探调查，并于2017年与2020年成功试采神狐海域天然气水合物，但面临开发效率低、无法大规模商业化开采的问题。

3)国内针对神狐海域储层地质力学特性研究较多，对于水合物开采过程中砂体颗粒运移的机理研究则较少，且尚未建立神狐海域特定地质条件下水合物安全开采的相关指标；水合物开采动态数值模型多考虑储层的物性特征，对水合物的二次生成以及本身具有的特性则考虑不足，模型具有一定的局限性；多位研究学者对各种开采方法进行了适应性评价，但由于考虑重点不同，尚未形成统一结论。

当前所取得的研究成果距离水合物大规模绿色开采仍有较大差距，尚有必要根据目前模拟研究中存在的问题与不足继续开展进一步的深入研究。