天然氣水合物開發研究方向的思考與建議*

周守為 李清平 呂 鑫 龐維新 付 強

(1.中國海洋石油集團有限公司 北京 100010； 2.天然氣水合物國家重點實驗室 北京 100028;3.中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

1 天然氣水合物開發研究進展

天然氣水合物作為21世紀替代煤炭、石油和天然氣的新型潔凈能源資源被全世界廣泛關注，被認為是未來最具商業開發前景的戰略資源之一[1]。目前全球有5個國家進行了共計8次的天然氣水合物試采工作，尤其是2017年5月中國南海神狐海域試采以30.9×104m3的累計產氣量和60 d的持續產氣時間創下了世界紀錄[2]。但水合物資源開采過程中涉及的儲層內部水合物相變規律，氣水多相滲流并伴隨氣水砂運移及外部環境傳熱過程還未完全探明，同時開采過程中因砂質膠結水合物分解帶來沉積層力學特性變化仍是導致水合物安全開采的主要問題之一。因此，實現水合物安全、高效、經濟開采仍然有許多瓶頸需要突破。

天然氣水合物的研究發展經歷了組成結構研究、熱力學模型測定和動力學研究等3個階段，如圖1所示。1810年，氯氣水合物在實驗室中第1次被人工合成，開啟了水合物研究歷史[3]。直到20世紀50年代，Stackelberg[4-5]和Claussen[6-7]首次確定了Ⅰ型和Ⅱ型水合物結構是由小分子氣體和水分子在低溫高壓條件下形成的籠型晶體，使得水合物的研究進入快速發展階段。1958年，Waals和Platteeuw[8]提出了基于統計熱力學的水合物熱力學模型，開啟了對水合物熱力學性質、賦存條件的研究。1965年，前蘇聯在開發了麥索雅哈氣田的同時,首次發現自然界中存在的天然氣水合物藏，引起了工業界的廣泛關注，并于1968年[9]進行了水合物的首次成功試采，但試采過程中出現的產氣量低、水合物管道堵塞等突出問題阻礙了水合物開采的進一步發展，由此水合物開采過程中儲層內部的相變規律等問題引起了科學家的興趣。

圖1 天然氣水合物研究發展歷程Fig.1 Research history of natural gas hydrate

1993年第一屆天然氣水合物大會的召開象征著水合物研究進入全面發展階段，水合物研究的基本格局已經形成。由于天然氣水合物具有重要的戰略意義和巨大的經濟價值，世界各國均將天然氣水合物開發列入國家重點發展戰略。日本、加拿大、美國先后于1998年、2002年和2012年開展了本國水合物的試采。美國和日本等發達國家率先制訂了全面的天然氣水合物研究發展計劃，并從能源儲備戰略角度考慮，相繼開展了本國專屬經濟區和國際海底區域內的調查研究、資源評價和有關天然氣水合物的基礎與應用研究[10-11]，內容包括天然氣水合物的成藏機理、勘探技術、開采技術、利用技術、環境影響等。

從開采方式角度來看，日本在Nankai海槽附近于2013年、2017年均采用了降壓開采方式，但都由于井筒內部砂堵嚴重造成出砂堵塞而中斷產氣試驗，因此儲層井筒內多相多組分運移機制以及出砂機制與防控技術成為當前研究突破方向。2017年，我國也在南海神狐海域試采階段利用了降壓開采方式，但并未出現明顯砂堵現象。早在凍土區域的早期開采場地試驗中，加拿大Mallik在2002年采用了注熱的開采方式，但產氣效率較低，大量分解氣滯留在儲層內部，而在2008年采用了降壓的方法，但由于環境熱源供應不足，出現了結冰二次生成現象。總之，當前水合物現場試驗通常采用的天然氣水合物開采方法主要還是以降壓為主[1,12]。

2015年9月，中國海油在國內首次完全依靠自主研制的全套裝備成功獲取海洋天然氣水合物樣品(圖2)，并于2017年5月完全依托自主工藝、自主研制的裝備在水深1 310 m、埋深117～196 m處，首次在全球采用深水勘察船實施海洋非成巖天然氣水合物固態流化試采獲得成功[11]，從而為天然氣水合物開發提供了新的思路。

圖2 2015年9月中國海油利用自主研制裝備成功獲取海洋天然氣水合物樣品Fig.2 Succesfully obtained marine samples of natural gas hydrate with independently developed equipment by CNOOC in September,2015

2 研究方向分析與思考

2.1 研究方向分析

根據第九屆世界水合物大會(ICGH9)和第十一屆世界水合物開發大會(FIERYICE-11)等相關資料，世界各國對天然氣水合物的研究方向主要集中在以下方面：

1) 儲層基礎物性研究方向主要集中在天然氣水合物結構特征、天然氣水合物地球物理表征、含天然氣水合物沉積物物理特性[7-8]、天然氣水合物界面現象、天然氣水合物動力學特征[9- 10]、天然氣水合物分子模擬[11]、天然氣水合物生產流動保障、天然氣水合物分離與儲存。

2) 開發研究方向主要集中在天然氣水合物開采過程中黏土對砂的可壓縮性和滲透率的影響(主要研究機構為路易斯安那州立大學)、水合物礦場的地質力學和流體耦合模擬(主要研究機構為德州農工大學)、天然氣水合物開發過程中水合物顆粒在儲層中的流動特性多尺度試驗研究(主要研究機構為美國德州大學奧斯汀分校)。

3) 環境保護研究方向主要集中在天然氣水合物海底滲漏“噴口”室內模擬與現場觀察(主要研究機構為美國德州農工大學、美國地質調查局)、美國大西洋邊緣天然氣水合物系統中甲烷釋放引發海洋酸化和大氣排放的特征(主要研究機構為美國羅切斯特大學、美國地質調查局)、電磁法表征天然氣水合物礦床及與水合物分解相關的導電率變化(主要研究機構為美國加州大學、美國勞倫斯伯克利國際實驗室)。

此外，世界天然氣水合物勘探/試采研究范圍很廣，深淺不一，從1965年西伯利亞凍土帶到2017年南海海洋勘探試采以來已歷經半個多世紀，雖有進展，但總體緩慢，主要受地緣政治形勢變化、世界經濟放緩、美國頁巖氣革命等影響。

2.2 研究方向思考

針對當前全球天然氣水合物研究方向的分析，認為在以下幾個方面需要重點關注：

1) 針對勘探和地質方面的研究，其核心是從水合物的特征特性入手，就水合物而“水合物”，如注重水合物的成因、結構、基礎物性和水合物樣品的力學特征等參數，需要把更多的地質研究聯系到實際的工業應用開采方面。

2) 針對經濟性定量標準方面的研究，目前天然氣水合物已探明儲量巨大，但是能夠持續產氣且水合物資源密度大的水合物藏(水合物的甜點富集區)在量化評價上無統一標準，天然氣水合物的甜點富集區表征、天然氣水合物豐度定量也無統一表示。因此，水合物開采的經濟性定量標準制定不僅依賴于水合物開采技術的突破，更重要的是需要更多的、全面的現場及勘探數據。

3) 針對開采方法方面的研究，目前水合物開采方法主要借鑒油氣田的開采，水合物獨特的熱力學特性和開采過程中的相變行為使得水合物在管道開采過程中需要異于油氣開采的防治措施。傳統油氣開采主要是直接開采，開采過程中石油或天然氣處于穩定狀態。但天然氣水合物與之不同，在開采過程中由于溫度升高或壓力降低使得水合物分解發生相變，形成天然氣、水、儲層砂石三相混合物堵塞管道，并且由于熱力學不穩定性使得混合物易在水合物管道中重新形成新的水合物而導致產氣降低、管道堵塞。因此，應該更加細化二者之間存在的差別，進而能更好地借鑒傳統油氣田開發手段。圖3是日本科學家關于天然氣水合物開發的試采井網示意圖[13]，這也是把天然氣水合物藏的開發當成油氣田開發思路的另一種表現。

4) 針對開發安全和環保方面的研究，目前一般僅專注于水合物本身分解后天然氣所產生的溫室效應、地質滑坡、環境影響的理論分析和模擬實驗，沒有與開發工程相結合，更沒有針對不同開發模式所引起的安全環保風險研究及模擬實驗，因此需要進行詳細探討。例如，采用降壓法開采海洋天然氣水合物時，如果上覆泥砂層很薄，氣化的天然氣向上逃逸，氣體流動具有不確定性，既可能沿著生產管線流動，也可能從井筒外向海底溢出，應開展對安全生態的影響評價；如果水合物礦體膠結疏松，多為泥質粉砂，因天然氣水合物分解后大量出砂，應考慮砂體流化后的處理措施以及生產過程中的防砂措施；天然氣水合物因降壓而在地層氣化，應開展地層中無支撐力的大型空間(地質垮塌)的評估。此外，深海非成巖天然氣水合物固態流化開采方法還面臨以下問題：大規模海底采掘對海底生態的影響未知；規模采掘天然氣水合物后，雖有部分泥砂回填[11](圖4)，但上覆泥砂層對海底環境的影響未知。

圖3 日本天然氣水合物試采井網[13]Fig.3 Natural gas hydrate test well network in Japan[13]

圖4 深海非成巖天然氣水合物固態流化法泥砂回填示意圖[11]Fig.4 Schematic diagram of solid-state fluidization method in deep-sea and nondiagenetic natural gas hydrate for backfilling of mud and sand[11]

3 幾點建議

3.1 將天然氣水合物礦體整個地質背景作為研究對象

不僅要研究水合物層本身，還要將天然氣水合物礦體形成的整個地質背景作為研究對象，進行系統研究。常規油氣田的研究包括儲層的整個地質背景，不僅要研究儲層，還要研究油層下的水層，分析生、儲、蓋層的組合關系以及在油氣開發過程中的相互關系。如圖5所示，將天然氣水合物整個地質背景作為研究對象[14]，除了研究天然氣水合物儲層外，還應包括：①水合物層上覆泥砂層的厚度、膠結程度、密度、粒度分布；②自由氣層的厚度、氣含量、粒度分布、膠結程度、孔隙度、滲透率；③自由氣下伏地層的厚度、膠結程度、密度、粒度分布；④開采過程中各層之間壓力場、溫度場、流場的動態變化關系。

3.2 從開發角度將天然氣水合物藏分成成巖和非成巖兩大類，并細分為6級

目前對于天然氣水合物的分類主要按照天然氣水合物賦存方式、地質環境及氣源等分類方法。2014年在印度海德拉巴召開的第九屆世界天然氣水合物開發大會上，筆者第1次提出將天然氣水合物分為成巖天然氣水合物和非成巖天然氣水合物兩大類。2018年在中國成都召開的第十一屆世界水合物開發大會上，又進一步將其細分為6級。天然氣水合物巖石骨架的成巖級別是儲層預測和目標評價的重要根據。從開發角度，建議引入成巖水合物和非成巖水合物的概念，以巖石骨架的穩定程度為主要依據，重點考慮是否成巖、巖石骨架結構是否穩定、顆粒粒徑及膠結方式等因素，將天然氣水合物細分成6級(表1)。

圖5 天然氣水合物礦體地質背景系統層位圖[12]Fig.5 Natural gas hydrate ore body geological background system horizon map[12]

表1 天然氣水合物藏分類Table 1 Classification of natural gas hydrates

3.3 加強天然氣水合物、淺層氣、常規油氣等三氣合采研究

從目前發現的天然氣水合物樣品分析中可以看出，天然氣水合物藏下均有自由氣和淺層氣，在天然氣水合物附近常伴有常規氣田(圖6)，3種氣源可能往往來自共同的烴源巖。以荔灣3-1氣田開發為例[15](圖7)，從地震剖面上看，水合物下面存在淺層氣，與該氣田相隔僅10 km；若采用1套生產工程設施體系開發，既可充分利用資源，又能聯合開發3種氣體(天然氣水合物、淺層氣、常規氣)。因此，有必要研究采用1套工程設施實現三氣合采，在工程設計、開發方案和生產流程方面共同考慮，這可能是早期實現商業性開發的有效途徑。

圖6 三氣同源示意圖Fig.6 Three-gas homology diagram

圖7 荔灣3-1氣田開發示意圖[15]Fig.7 Schematic diagram of the development of the LW 3-1 gas field[15]

3.4 同時研究開發天然氣水合物及下覆淺層氣

淺層氣是天然氣水合物開發潛在的危險。某國外石油公司在鉆井過程中鉆遇天然氣水合物層后發生淺層氣泄漏，如圖8所示。淺層氣體一部分上返，一部分進入海水中，對工程作業產生極大風險，但如何開采幾乎未見相關報道。

圖8 鉆井過程中天然氣水合物層淺層氣泄漏Fig.8 Shallow gas leakage of natural gas hydrate layer during drilling

淺層氣同時也是潛在的資源，應把它作為重要的研究對象。深海天然氣水合物藏下部常有淺層氣(自由氣)，如圖9所示,水合物儲存區一般位于水深300 m以上、海床下1 000 m以內的范圍。

3.5 針對不同開發模式開展對應的環保措施研究

現階段的環保措施研究往往采用實驗室模擬水合物生成再氣化的方式開展，然而不同類型的天然氣水合物需采取不同的開發模式(表2)，不同的開發模式所采用的開采技術、裝備和環境保護要求等存在較大差異，因此建議開展與開發模式相對應的環境保護措施研究。

圖9 中國南海某天然氣水合物井地震反演Fig.9 Seismic inversion of a natural gas hydrate well in the South China Sea

表2 不同天然氣水合物類型的開發方式Table 2 Development methods of different gas hydrate types

3.6 加大天然氣水合物富集區描述和豐度定量表征相關技術研究

天然氣水合物在地層富存狀態條件下存在大量裂縫及脈絡狀紋路，構成水合物賦存的較大空間，如圖10所示。圖10中基質滲透率僅為0.6～0.9 mD,采用隨鉆測井法、氯離子濃度法和電阻率法核算的天然氣飽和度為30%～45%，而從開發角度看，富集在縫隙和脈絡中的天然氣水合物對于產量貢獻起著關鍵作用。建議加大天然氣水合物富集區描述方法研究，并根據不同天然氣水合物的類型，依據天然氣水合物本身孔隙結構和基礎物性，建立天然氣水合物豐度定量表征方法。在此基礎上，找到具有商業開采價值的天然氣水合物富集區甜點。

圖10 中國南海天然氣水合物取樣樣品CT分析圖像Fig.10 CT analysis image of natural gas hydrate samples in the South China Sea

4 結束語

海洋天然氣水合物開發在基礎理論研究和開采方法、裝備、運營模式等各個方面都面臨巨大挑戰，通過對天然氣水合物開發研究現狀及方向的研究和思考，提出了未來天然氣水合物研究方向的幾點建議，以期早日實現天然氣水合物的大規模商業性開發，為人類的持續能源供給做出貢獻。