天然氣水合物開(kāi)發(fā)要探求更經(jīng)濟(jì)途徑
——訪北京大學(xué)工學(xué)院教授、我國(guó)天然氣水合物首次試采工程首席科學(xué)家盧海龍

□ 本刊記者 許帆婷

如果將來(lái)天然氣水合物實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)發(fā)，可能含游離氣的這種儲(chǔ)層類型能最先實(shí)現(xiàn)突破。

訪談?wù)呙罕R海龍，北京大學(xué)工學(xué)院、海洋研究院教授，北京天然氣水合物國(guó)際研究中心主任，“千人計(jì)劃”國(guó)家特聘專家，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“李四光學(xué)者”，20多年來(lái)致力于天然氣水合物的基礎(chǔ)理論及調(diào)查和開(kāi)發(fā)利用有關(guān)研究，曾長(zhǎng)期在日本和加拿大從事相關(guān)研究工作。他是我國(guó)首次天然氣水合物試采工程的首席科學(xué)家，提出的“地層流體抽取法”（流體抽取-相態(tài)控制法）對(duì)試采成功起了關(guān)鍵性作用。

2017年5月，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在南海神狐海域進(jìn)行了首次天然氣水合物試采，連續(xù)試氣點(diǎn)火60天，累計(jì)產(chǎn)氣30.9萬(wàn)立方米，平均日產(chǎn)氣5151立方米。這標(biāo)志著我國(guó)海域天然氣水合物研究取得歷史性突破。2017年11月，我國(guó)宣布天然氣水合物為第173個(gè)獨(dú)立礦種，為今后的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。

海域天然氣水合物在我國(guó)的開(kāi)發(fā)利用前景如何，首次海域試采過(guò)程克服了哪些技術(shù)和工程難題，天然氣水合物的商業(yè)化開(kāi)發(fā)還需要突破哪些瓶頸？近日，本刊記者采訪了北京大學(xué)工學(xué)院教授、我國(guó)天然氣水合物首次試采工程首席科學(xué)家盧海龍。

目前天然氣水合物試采最大問(wèn)題是出砂

記者：據(jù)有關(guān)方面評(píng)估，天然氣水合物在全球的儲(chǔ)量很大。美國(guó)、日本等國(guó)家多年來(lái)一直在探索開(kāi)發(fā)利用模式。天然氣水合物為什么那么難開(kāi)采，面臨哪些技術(shù)困難？

盧海龍：與常規(guī)能源相比，天然氣水合物的能量密度相對(duì)較低。雖然儲(chǔ)量大、分布范圍廣，但單位體積的能量密度不如常規(guī)油氣高。此外，天然氣水合物在不同類型沉積物中的飽和度也是不同的。在粗砂巖中飽和度能達(dá)到90%以上，而在粉砂質(zhì)或黏土質(zhì)等細(xì)粒沉積物中飽和度就非常低，只有5%左右。目前國(guó)外天然氣水合物試采，都是在粗砂型的儲(chǔ)層進(jìn)行。

日本是世界上在調(diào)查研究天然氣水合物方面比較積極的國(guó)家。他們與加拿大合作，在加拿大北極地區(qū)與日本南海海槽儲(chǔ)層沉積物類型相似的馬利克進(jìn)行了3次陸上試生產(chǎn)。第一次試采在2001年冬天到2002年，采用加熱法，5天時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)了不到500立方米天然氣，效率比較低。加熱法的思路就被放棄了。第二次試采在2005年冬天到2006年，采用降壓法生產(chǎn)，但由于沒(méi)有考慮到出砂問(wèn)題，試采開(kāi)始后不久就因?yàn)槌錾岸伦∩a(chǎn)管道，無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。第三次試采在2007年冬天到2008年，采用了一些防砂辦法，試采進(jìn)行了6天，最好的瞬時(shí)產(chǎn)量折合日產(chǎn)量有4000～5000立方米，與加熱法相比算是比較理想的。

此后，日本和美國(guó)合作又在阿拉斯加用二氧化碳置換法進(jìn)行了一次試采，生產(chǎn)效果不理想。這樣經(jīng)過(guò)幾次陸上試采，發(fā)現(xiàn)降壓法相對(duì)來(lái)說(shuō)比較可行。2013年3月，世界上首次海域天然氣水合物試采在日本南海海槽進(jìn)行，共進(jìn)行了6天，單井日產(chǎn)穩(wěn)定在2萬(wàn)立方米，雖然與商業(yè)化開(kāi)發(fā)還有差距，但從試采來(lái)說(shuō)還是比較可觀的。這次試采讓世界其他國(guó)家對(duì)天然氣水合物的開(kāi)發(fā)再次看到希望。

后來(lái)日本的試采也是因?yàn)槌錾埃绊懥松a(chǎn)的繼續(xù)進(jìn)行。目前天然氣水合物試采遇到的最大問(wèn)題就是出砂，導(dǎo)致生產(chǎn)不能長(zhǎng)期進(jìn)行。

記者：有分析認(rèn)為，天然氣水合物的開(kāi)發(fā)利用容易導(dǎo)致不可控制的地質(zhì)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，您怎么看？

盧海龍：有人認(rèn)為天然氣水合物開(kāi)采過(guò)程會(huì)導(dǎo)致甲烷大規(guī)模泄漏，實(shí)際上這是比較難發(fā)生的。因?yàn)槲覀冊(cè)谠嚥蛇^(guò)程中需要人為干預(yù)才能把它從地層中抽取出來(lái)。比如采用降壓法生產(chǎn)，當(dāng)人為干預(yù)存在時(shí)，儲(chǔ)層壓力降低導(dǎo)致水合物分解而釋放出天然氣；一旦停止干預(yù)，儲(chǔ)層壓力恢復(fù)，水合物就變得穩(wěn)定而不再繼續(xù)分解，也就不再出氣了。總體來(lái)講，這是個(gè)可控的過(guò)程。還有，我們?yōu)榱税踩a(chǎn)，從試采準(zhǔn)備階段就采取了各種措施（試采地點(diǎn)環(huán)境基線調(diào)查、工程調(diào)查和安全評(píng)估等），試采過(guò)程中也做了相當(dāng)嚴(yán)密的防護(hù)。

另外，天然氣水合物開(kāi)采會(huì)不會(huì)造成地層滑坡？在大規(guī)模生產(chǎn)的時(shí)候確實(shí)有這種風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)樗衔锓纸夂蟮貙訒?huì)形成脆弱層，在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，具有一定坡度和工程地質(zhì)條件的地層有可能被誘發(fā)滑坡，這在地質(zhì)歷史中也是發(fā)生過(guò)的。為了防止這個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，我們?cè)谏a(chǎn)之前先進(jìn)行了模擬，開(kāi)展了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，優(yōu)選了試采地點(diǎn)。

這次試采為天然氣水合物開(kāi)發(fā)蹚出了一條新路

記者：去年我國(guó)在南海的天然氣水合物試采，不僅在海域水合物試采研究中第一次實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣，而且也是世界首次成功實(shí)施泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物藏安全可控開(kāi)采試驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)攻克了哪些技術(shù)難點(diǎn)？

盧海龍：最初中國(guó)也想找飽和度比較高的粗砂層，但經(jīng)過(guò)十幾年的調(diào)查，還沒(méi)有找到像日本那樣的粗砂層儲(chǔ)層。中國(guó)南海海域的天然氣水合物儲(chǔ)層屬于黏土質(zhì)粉砂類型，水合物的飽和度相對(duì)較低、滲透率低，這樣產(chǎn)能也就相對(duì)比較低，是比較難開(kāi)發(fā)的類型。

天然氣水合物的儲(chǔ)層類型大致可以分兩種，一種是水合物儲(chǔ)層下面有游離氣層，但更多的是水合物儲(chǔ)層下面沒(méi)有游離氣的。這次試采，在設(shè)計(jì)時(shí)有幾口井是針對(duì)單純水合物儲(chǔ)層的，有一口井是針對(duì)有游離氣儲(chǔ)層的。但是受南海試采作業(yè)的時(shí)間窗口所限，最后只實(shí)施了對(duì)水合物層下有游離氣儲(chǔ)層類型的試采。有人質(zhì)疑我們的試采，認(rèn)為生產(chǎn)的天然氣并不完全來(lái)自水合物分解，還有相當(dāng)多的游離氣被采出來(lái)。這種質(zhì)疑可以理解，但水合物的開(kāi)發(fā)方法必須建立在對(duì)水合物儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上。上覆的水合物儲(chǔ)層和緊接其下的游離氣層同為天然氣水合物系統(tǒng)的一部分；從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，通過(guò)抽取游離氣使得上覆的天然氣水合物變得不穩(wěn)定而發(fā)生分解，從而實(shí)現(xiàn)從水合物儲(chǔ)層生產(chǎn)天然氣，這是公認(rèn)的一種生產(chǎn)方法。此外，對(duì)游離氣的抽取不但可以使水合物變得不穩(wěn)定，也可以彌補(bǔ)一部分高成本。因此，如果將來(lái)天然氣水合物實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)發(fā)，可能含游離氣的這種儲(chǔ)層類型能最先實(shí)現(xiàn)突破。

這次試采為天然氣水合物的開(kāi)發(fā)蹚出了一條新路。過(guò)去的勘探往往尋找砂質(zhì)儲(chǔ)層，這種黏土質(zhì)粉砂層從來(lái)都不考慮開(kāi)發(fā)，但是在世界上水合物藏中，這種類型是占比最大的。這次試采以后大家觀念可能會(huì)發(fā)生變化。所以我們?cè)嚥沙晒哂泻艽蟮囊饬x，對(duì)天然氣水合物的開(kāi)發(fā)具有很大的促進(jìn)作用。

記者：首次試采之前，工程團(tuán)隊(duì)是如何勘查、準(zhǔn)備的，如何評(píng)估這次試采的可行性？

盧海龍：在試采之前，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局做了詳細(xì)的地質(zhì)勘查工作。在尋找試采地點(diǎn)時(shí)有幾個(gè)方面需要考慮：首先，水合物藏要有一定規(guī)模，適合較長(zhǎng)時(shí)間的試生產(chǎn)。其次，雖然找不到粗砂層，但儲(chǔ)層的滲透率最好盡量高一些。試采前對(duì)幾個(gè)類型的儲(chǔ)層做數(shù)值模擬和儲(chǔ)量評(píng)估。再次，在施工之前，還要做工程勘查。有的儲(chǔ)層條件雖然很好，但工程地質(zhì)條件可能不太適合生產(chǎn)，比如在一個(gè)大坡上設(shè)立井架就可能不穩(wěn)，試采容易發(fā)生工程事故，還有比如儲(chǔ)層上面地層的斷層較多，可能會(huì)使地層不穩(wěn)定，也不適合生產(chǎn)。因此，在試采之前，我們做了一系列勘查準(zhǔn)備，包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、工程準(zhǔn)備、硬件采購(gòu)等，有些硬件設(shè)備還需要專門(mén)定制。我們從2016年初開(kāi)始，只有1年左右的準(zhǔn)備時(shí)間，時(shí)間非常緊張。

有針對(duì)性的創(chuàng)新才更經(jīng)濟(jì)高效

記者：生產(chǎn)的工具設(shè)備是自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)嗎？

盧海龍：有相當(dāng)一部分設(shè)備不是自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，是石油工程中常用的。創(chuàng)新不能盲目，應(yīng)該有針對(duì)性。天然氣水合物目前還處在試生產(chǎn)階段，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)很少，光憑想象設(shè)計(jì)的儀器設(shè)備不一定有效。現(xiàn)有的設(shè)備已經(jīng)經(jīng)過(guò)油氣工業(yè)多年檢驗(yàn)和改進(jìn)，在性能等各方面是比較成熟的。在試驗(yàn)開(kāi)發(fā)前就研發(fā)、在試采時(shí)盲目試驗(yàn)新的設(shè)備，除了研發(fā)成本，還承擔(dān)很高的出海和作業(yè)成本，一旦研發(fā)的裝備無(wú)效，將造成數(shù)以億計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失。使用現(xiàn)有的裝備，是最經(jīng)濟(jì)的方式。當(dāng)然，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)備的問(wèn)題，同時(shí)為了提高能效和安全性，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)甚至研發(fā)新的設(shè)備，這時(shí)的研發(fā)才是有針對(duì)性的，成本會(huì)相對(duì)比較低，效率也會(huì)更高。經(jīng)過(guò)這次試采后，我們就非常清楚哪些設(shè)備在哪些方面需要改進(jìn)，哪些設(shè)備需要研發(fā)，哪些技術(shù)需要繼續(xù)創(chuàng)新。在下次試采時(shí)，就會(huì)做得更好。

記者：在首次試采過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)前期沒(méi)有預(yù)料到的情況嗎，你們是如何研究解決的？

盧海龍：在施工過(guò)程中的確碰到一些沒(méi)有預(yù)想到的問(wèn)題，也很擔(dān)心這些問(wèn)題是否會(huì)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生影響。但最后這些問(wèn)題都找到辦法解決了。比如預(yù)計(jì)第一口井生產(chǎn)兩個(gè)星期，但是后來(lái)生產(chǎn)了兩個(gè)月，所以需要對(duì)后續(xù)試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整。

在南海的作業(yè)時(shí)間是有窗口期的，為了安全考慮，一般在臺(tái)風(fēng)較多的7月之前需要完成作業(yè)。即使這樣，試采期間還是遇到了躲不過(guò)去的臺(tái)風(fēng)。大部分臺(tái)風(fēng)都是在菲律賓附近洋面形成，然后移動(dòng)到我國(guó)南海，如果預(yù)測(cè)到有臺(tái)風(fēng)靠近，就需要停止生產(chǎn)，關(guān)停拔管，把平臺(tái)開(kāi)到臺(tái)風(fēng)路線以外去躲避，等臺(tái)風(fēng)過(guò)去以后再進(jìn)行回插。

中國(guó)首次海域天然氣水合物試采使用的鉆井平臺(tái)“藍(lán)鯨1號(hào)”。視覺(jué)中國(guó) 供圖

但是試采時(shí)遇到的那次臺(tái)風(fēng)，是在平臺(tái)附近生成的，我們沒(méi)有時(shí)間躲避。那一次，前幾天附近海面特別平靜，像鏡子一樣沒(méi)有一點(diǎn)波浪。經(jīng)常出海的人都知道，可能有臺(tái)風(fēng)要來(lái)了。忽然，臺(tái)風(fēng)就生成了，中心正好經(jīng)過(guò)試采平臺(tái)。因?yàn)闆](méi)有時(shí)間躲避，只好硬扛。所幸平臺(tái)比較新、自重大，有動(dòng)力定位系統(tǒng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定。即便如此，臺(tái)風(fēng)還是把電泵的電纜刮斷了。雖然后來(lái)采取了臨時(shí)補(bǔ)救措施，但還是影響了產(chǎn)量。

記者：日本和中國(guó)連續(xù)試采天然氣水合物成功后，許多國(guó)家對(duì)天然氣水合物的商業(yè)化生產(chǎn)重燃信心，并制定了時(shí)間表。比如中國(guó)希望在2030年前能實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的商業(yè)化開(kāi)發(fā)。您認(rèn)為要進(jìn)入商業(yè)化開(kāi)發(fā)還需要解決哪些問(wèn)題？

盧海龍：天然氣水合物的商業(yè)化開(kāi)發(fā)不單單是技術(shù)問(wèn)題。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，這次試采已經(jīng)成功地生產(chǎn)出天然氣，表明已經(jīng)初步具有這項(xiàng)技術(shù)。再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研發(fā)，比如再有10年左右的時(shí)間，天然氣水合物開(kāi)采的技術(shù)就相對(duì)比較成熟了。

商業(yè)化開(kāi)發(fā)一定要有利可圖，因此除了技術(shù)，還面臨成本問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)發(fā)，首先必須達(dá)到一定的產(chǎn)能。比如在這次試采的海區(qū)，需要一天生產(chǎn)幾十萬(wàn)甚至100萬(wàn)立方米天然氣才能勉強(qiáng)覆蓋成本。這次試生產(chǎn)每天產(chǎn)能只有幾千立方米，高一點(diǎn)也就一兩萬(wàn)立方米，距離商業(yè)化開(kāi)發(fā)要求還比較遠(yuǎn)。所以今后研發(fā)的第一目標(biāo)要增加產(chǎn)能，第二目標(biāo)是降低生產(chǎn)成本，這就需要研發(fā)一系列新技術(shù)。

考慮到與傳統(tǒng)油氣相比，天然氣水合物能量密度相對(duì)低、開(kāi)發(fā)成本高的特點(diǎn)，可能含有游離氣層的天然氣水合物儲(chǔ)層類型會(huì)最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)發(fā)，因?yàn)橛坞x氣的開(kāi)發(fā)可以彌補(bǔ)水合物本身開(kāi)發(fā)的高成本，而且給了水合物儲(chǔ)層響應(yīng)的時(shí)間。但這種類型的天然氣水合物儲(chǔ)層比較少，在我國(guó)南海分布也不是很普遍，第一次試采選的幾個(gè)井位只有一個(gè)井位是這種儲(chǔ)層類型。

經(jīng)過(guò)第一次試驗(yàn)后，我們對(duì)天然氣水合物的開(kāi)發(fā)有了更深的認(rèn)識(shí)。為實(shí)現(xiàn)水合物的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，需要有目的、有針對(duì)性地進(jìn)行創(chuàng)新。下一次試采的時(shí)間正在規(guī)劃，在不久的將來(lái)，我們?cè)俅蜗蛱烊粴馑衔镩_(kāi)發(fā)進(jìn)軍，屆時(shí)將會(huì)試驗(yàn)應(yīng)用研發(fā)的一些新技術(shù)。