南海含天然气水合物沉积物降压开采研究进展

吴浩泽

(汕头大学 土木与环境工程系，广东 汕头 515000)

0 前 言

天然气水合物是全球新能源发展的焦点，其大规模开发可保障我国能源安全和发展。南海北部陆坡深水区是国际上公认的天然气水合物开采潜力较好的地区，南海含水合物沉积物为黏土质粉砂型。其被认为是水合物储量最大，而开采难度也最大的水合物储层[1]。南海神狐海域是我国试采的主要靶区，我国于2017年首次在该海域采用单竖直井降压法进行试采。2020年3月，我国采用单水平井降压法。第二次水合物试采同样在该海域顺利完成，标志着已经进入“实验性试开采”的阶段。

目前，进行过天然气水合物试生产的国家主要采用降压法、热刺激法和置换法，而降压法因其开采成本低、效率相对较高，因而被认为是商业开采最具潜力的方法。但是，降压法会导致有效应力的增加和储层的竖向变形，可能导致沉降等灾害。因此，研究水合物降压开采的影响非常重要。同时，由于海域水合物开采过程涉及复杂的温度场、渗流场、应力场和变形场耦合(THMC)，建立多场耦合模型可以准确模拟水合物开采过程，并对可能发生的储层沉降等灾害进行分析和预测。本文拟在对南海黏土质粉砂型水合物沉积物的赋存状态、力学性质及降压开采研究现状进行综述的基础上，给出相应的研究方向和意义。

1 南海水合物勘探及水合物赋存特征

南海天然气水合物主要分布于北部陆坡的神狐海域、东沙海域、琼东南海域，水深约为1 000 m。广州海洋地质调查局曾多次在此区域勘探，均已取样并确认。南海水合物主要赋存于未固结成岩的粉砂、粉质黏土和其他沉积物中。在南海的一些冷泉区，水合物甚至直接裸露在海底。神狐海域储层多粉砂质黏土和富含有孔虫等古生物化石的黏土质粉砂。沉积物粒径主要在4～63 μm，中值粒径在8～16 μm[2]。东沙海域水合物储层为粉砂质黏土，并含有生物碎屑灰岩沉积物，粒径大多小于20 μm[3]。琼东南海域水合物储层以粉砂质黏土为主，少量为黏土质粉砂[4]。

我国几次海上钻探及试采的结果表明，神狐海域的水合物呈分散状和厚层状交替发育，分布在海底以下几十米至几百米，岩芯扫描还发现有孔虫中也含有水合物。东沙海域水合物多呈块状、结核状、脉状，填充在细粒沉积物中，深部也有分散状水合物。GMGS5航次水合物勘探表明，琼东南海域水合物通常呈结核状、脉状、厚层状、薄层状和分散状填充在粉砂质黏土中[3]。

2 南海含水合物沉积物力学特性研究

在进行水合物的大规模开采之前，需要评估水合物储层在开采过程中的力学稳定性，例如海底沉降和海底滑坡。为了全面了解南海含天然气水合物沉积物的力学特性，需要研究其强度、变形和固结性质等力学特性，进而建立本构模型。

2.1 含天然气水合物沉积物制样

水合物沉积物的物理力学性质具有较强的区域性特征，原位水合物沉积物样品主要通过钻孔取芯获得。但水合物多赋存在深海海底沉积物中，因此难以原位获取岩芯，且取芯后不易保存原位状态。因此所获得的实验数据无法真实反映沉积物的力学性质。因此，对含水合物沉积物物理力学性能的研究，多是在实验室对人工合成含水合物沉积物进行力学试验。但是，在样品制备过程中必须考虑所研究区的地质条件和水合物赋存特征。目前实验室制备样品所采用的方法主要有溶解气体法、部分饱和法、混合样品制备法、冰种子法等[5]。溶解气体法合成水合物需要较长的时间，且水合物在生成过程中易造成管路堵塞。部分饱和法生成的水合物在沉积物中多是以胶结型结构存在。冰会在混合样品制备法生成的含水合物沉积物中生成，冰的存在会影响含水合物沉积物的力学性能。不同的水合物样品制备方法和其他实验条件会导致不同的水合物赋存状态，这是造成不同研究结果横向可比性较差的主要原因。

2.2 含天然气水合物沉积物力学性质试验

对含水合物沉积物力学性质的试验主要集中在含水合物沉积物的抗剪强度特性和含水合物沉积物的剪胀特性上。以前的研究主要集中在含水合物砂沉积物上，近年来研究的热点逐渐聚焦南海黏土质沉积物。石要红等[6]制备海底粉质黏土沉积物并进行了三轴压缩试验，分析水合物分解前后的应力-应变曲线和抗剪强度特征。发现含水合物粉质黏土沉积物与含水合物砂沉积物存在显著差异，其应变强化特性较为明显，并且应力-应变曲线具有明显的弹塑性破坏形式。杨周洁等[7]配置了泥质粉细砂，其级配与南海北部沉积物相似。研究了不同饱和度下的含水合物沉积物在不同围压下的三轴剪切试验。结果表明，有效围压的增加会导致初始泊松比的降低，当水合物饱和度变化时，内摩擦角基本不变。

由于难以获得原位天然气水合物沉积物，因此在相同的实验条件下，使用与南海地区含水合物沉积物具有相似级配的高岭土进行测试是完全可行的。然而，目前的主要问题是，从定量的角度来看，对含水合物沉积物的三轴力学参数的测量很难达成共识，不同的实验方法得到的结果可能是矛盾的。因此，有必要建立含水合物沉积物三轴试验的统一规范。

2.3 含天然气水合物沉积物本构模型

近年来，含天然气水合物沉积物本构模型不断发展，主要是基于常规土力学的本构模型。主要有弹性本构模型、弹塑性本构模型和损伤统计本构模型。尽管非线性的Ducan-Chang模型可以合理地预测沉积物刚度和强度的力学行为，但它不能描述在加载和卸载过程中沉积物的体积变化。临界状态弹塑性模型具有良好的适用性，主要基于剑桥模型进行改进。损伤统计本构模型在考虑水合物分解及赋存方面也显示出良好的适用性。目前，含水合物沉积物的本构模型已取得一定进展，但对实验结果的模拟并不是特别全面。以往研究的沉积物多为砂，对于南海黏土质粉砂的研究较少，有必要建立适合南海含天然气水合物沉积物的本构模型，然后建立更为广泛适用的本构模型来分析水合物开采中的海底沉降和海底滑坡等海域灾害。

3 南海水合物降压开采过程研究

在现有的天然气水合物开采方法中，大多通过改变天然气水合物的温度和压力条件来达到开采目的。降压法因为其高效、经济、无需连续激发成为最具吸引力的水合物藏开采方法。研究水合物降压开采的方法有现场试采、室内试验以及数值模拟。目前，只有少数几个国家进行了海域水合物的试采，现场试采难度大、成本高，无法进行深入研究。室内试验有助于理解水合物降压开采原理，定性分析水合物降压开采过程。但限于试验规模，无法全面了解生产规模的水合物生产潜力及开采影响。数值模拟已被应用于研究不同开采方式下生产规模的水合物藏长期分解特性及开采规律。但仍需要实际试采数据以及实验数据去校正数值模型，使其可以更好地描述水合物的开采过程，并为水合物开采防灾优化提供可靠的参考。

3.1 南海水合物降压开采试验

室内试验可以为南海水合物生产提供一定的参考，因为它们具有与实际生产相似的产气规律。为了探明降压开采过程中降压幅度和饱和度等因素对水合物分解过程的影响，在实验室模拟了试采现场的条件，并进行降压分解试验。然而，由于室内试验研究规模与南海现场降压开采有较大差异，这将导致试验的产气速率、产气时间等与南海现场试验开采的参数存在较大差异。此外，这会影响室内试验结果对南海水合物现场开采的理论参考意义，但可以为校准水合物数值模型提供参考。后续需研制大型水合物降压开采模拟装置，探明实验室开采中的尺寸效应，使试验结果对南海水合物试采具有可靠的理论参考。

3.2 南海水合物降压开采数值模拟

Feng等[8]利用东沙GMGS2-16站水合物钻井公布的数据，采用数值模拟技术进行了单水平井降压、双水平井降压和双水平井热吞吐联合降压方案的试验。研究结果表明，降压和热吞吐相结合的方法采气效果最佳，Feng还指出开采过程中的产水问题亟待解决。万义钊等[9]建立了水合物降压开采的多场耦合模型，对单一竖井进行了三维降压模拟，发现储层渗透性和降压幅度对地层变形的影响较为显著。

目前已有的研究结果表明：南海泥质粉砂型水合物储层渗透率低是导致开采井产气量低的主要原因，多井联合开采可以显著提高总产气量，保证稳定产气量。为了满足南海水合物商业化开采的产气量要求，目前最佳的开采方法是利用水平井网降压开采。具体的开采设计参数需要根据钻井成本、水合物层渗透率、预计的生产周期、井场总的产气量等因素确定。降压开采时，孔隙流体被不断从开采井中抽出，有效应力逐渐增大。水合物分解导致水合物胶结作用减弱，同时还有气和水产出，因此可能会发生生产井出砂、海底沉降和滑坡等灾害。加拿大、日本等在天然气水合物试采过程中都曾因水合物大量出砂而停止开采。通过数值模拟，可以模拟降压开采过程中产生的沉降、出砂和滑坡，确保实际开采中的安全性。

4 结 论

1)为了进一步完善我国南海含水合物沉积物的原位钻采取样技术，需要克服深海高压作业、低温保温、密封保压等方面遇到的技术难点。同时还要考虑到南海环境的要求以及南海海底沉积物主要为黏土的这一特点，保护钻采设备以及注意对原位样品的保温保压。

2)为了更加准确地研究南海含水合物沉积物的力学性质，制备的水合物沉积物样品应具有与原位沉积物具有相似的级配。同时选择合适的水合物生成方法，使制备的含水合物沉积物的物理力学性能与原位含水合物沉积物接近。建立其力学本构模型，并为后续的数值模拟提供研究基础。

3)我国实际试开采和数值模拟表明，水平井比竖直井更加有利于南海天然气水合物的开采。针对水合物降压开采过程中可能出现的海底沉降、滑坡、生产井出砂等问题，均是涉及热-水-力-化的耦合过程，建立符合实际开采过程的多场耦合模型，可为后续商业开采提供指导，优化开采过程。

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