淺談海域天然氣水合物開采方法及風險控制

摘?要：中國于2017年5月10日～7月9日在南海神狐海域成功實施天然氣水合物試采，相較于美、日等國家，此次試采實現了持續產氣時間最長、產氣總量最大等世界記錄，意義重大。本文重點介紹了降壓開采法、熱激法、CO2置換法、化學抑制劑注入法、固體開采法及聯合開采法等海域天然氣水合物開采方法，并對開采過程可能面臨的惡劣天氣災害、地質災害和設備損壞等風險和預防控制措施進行了探討。

關鍵詞：海域天然氣水合物;開采方法;風險控制

天然氣水合物（Natural?Gas?Hydrate，簡稱Gas?Hydrate）又被稱作“可燃冰”，是由水（H2O）和天然氣（CH4）在高壓（>10MPa）、低溫（<0℃）條件下混合形成的穩定固態晶體化合物（CH4·n（H2O）），其在外觀形態似“冰”狀，遇火即可燃燒，充分燃燒后主要產生CO2和H2O，是世界上公認的21世紀新型替代清潔能源。天然氣水合物廣泛分布于世界各地的陸地凍土帶和深海海底，儲量巨大。由于研究時間較短，目前水合物開發僅處于試開采階段，全球僅有前蘇聯、美國、加拿大、日本和中國等少數國家掌握了相關開采技術。天然氣水合物開采方法較多，且開采過程中會伴隨各種地質災害和環境風險，因此采用何種方法并預防風險成為世界各國研究的熱點。

一、天然氣水合物開采方法

由于天然氣水合物形成的復雜性和特殊性，傳統常規能源的開采方法無法完全移植過來，因此需要根據研究新型技術以保證開采效率和環境穩定性，目前，世界上較常用的天然氣水合物開采方法主要包括降壓開采法、熱激法、CO2置換法、化學抑制劑注入法、固體開采法以及根據不同環境擇優選擇多種開采組合的聯合開采法。

（一）降壓開采法

降壓開采法的工作原理是通過維持原有溫度的條件下，降低天然氣水合物賦存區附近的地層壓力，破壞水合物所處的穩定狀態，進而達到促使水合物分解的目的。該方法在開采過程中沒有熱量損失，可通過控制地層壓力進而控制天然氣水合物的提取速度，具有經濟可行的特點。我國南海神狐海域天然氣水合物試采所采用的就是降壓開采法。該方法需要地層溫度、壓力處于長期穩定平衡環境，且隨著水合物分解帶走大量熱能造成周圍環境溫度降低會影響產氣效率，嚴重時會出現局部結冰阻塞氣層而導致開采中斷。

（二）熱激法

熱激法的工作原理與降壓開采法類似，均是通過打破水合物賦存區的穩定狀態進而促使水合物分解，該方法的原理是在維持賦存區原有地層壓力的前提下，通過向地層內部輸入熱性液體（熱水）或氣體（水蒸氣），亦或利用設備傳導電磁、微波、太陽能等直接對水合物賦存區加熱，提升其周圍環境溫度，達到破壞水合物的穩定狀態、促進水合物分解的目的。該方法優點是可以實現采用循環系統不斷注熱，作用時間快，效果明顯，但由于在輸入過程中熱能損失非常大，導致其熱效率極低，而采用電磁、微波、太陽能等方式雖然容易控制作業，但所需設備較多，工序復雜，容易受惡劣天然環境影響，因此，熱激法目前在各國試采過程中采用率較低。

（三）CO2置換法

CO2置換法的工作原理是利用在同等特定溫壓條件下，CO2氣體相較于CH4氣體更容易與H2O結合生產水合物的特性，使CO2置換天氣水合物賦存區的CH4分子，進而釋放氣態天然氣的方法。該方法具有有高開采速率、高穩定性的優點，同時大量消耗CO2氣體還有助于緩解全球氣候變暖，弱化溫室效應，具有一舉兩得的效果，但由于開采過程需要大量CO2氣體儲備，且需要碳吸附劑等復雜吸附材料和特殊設備，不僅開采過程氣體轉化效率低，而且開采成本巨大，這大大限制了這種開采方法的推廣和使用。因此，當前如何通過新型技術大力提高氣體的轉換效率，是整個學術界研究的重點問題之一，一旦發現能大幅促進兩種氣體轉換的新型催化材料，市場前景將非常廣闊。目前，該方法在美國阿拉斯加凍土地帶水合物賦存區已經得到了一定程度的應用。

（四）化學抑制劑注入法

化學抑制劑注入法的工作原理是通過利用專用設備向天然氣水合物賦存區注入相應的化學抑制劑（如甲醇、乙醇等醇類以及鹽水等），以此來降低維持天然氣水合物穩定的相平衡條件，從而改變水合物賦存區的溫度壓力條件，當無法滿足維持水合物固體狀態所需的溫度和壓力條件后，固態天然氣水合物便會分解成氣態，進而達到水合物開采的目的。該方法目前僅國外部分國家在開采現場使用過，國內尚處于實驗室分析階段，主要因為化學抑制劑的制造費用非常高，會大幅度提高水合物的開采成本，同時，過低的轉化效率和開采過程的環境污染問題都是阻礙化學抑制劑注入法推廣使用的主要原因。

（五）固體開采法

固體開采法的工作原理是利用部分采礦工藝手段開采固體水合物，而后采用參照傳統吸揚式采礦系統方法特制的流體提升裝置將固體天然氣水合物由深海區提升至淺海區，同時利用提升過程中的溫度（上升）和壓力（下降）條件變化促使固體天然氣水合物自然氣化并收集，由于該方法的關鍵在于水力提升系統，因此也被稱作“水力提升法”。該方法充分利用海水的溫度梯度和壓力變化，提高了固體水合物的分解效率，分解過程對環境基本無污染，但水力提升系統需要外界持續提供能量，同時，在開采過程中由于地層失穩容易發生海底滑坡等地質災害，對作業設備及開采平臺等的穩定性都是巨大考驗。

（六）聯合開采法

由于上述天然氣水合物開采方法均存在不同程度的缺陷或弊端，而海域天然氣水合物開采工作又是一個涉及多風險的龐大工程，目前來看，隨著對能源需求的加大及對商業化開采緊迫性的不斷提高，單一的開采方法已不能滿足現今的開采要求。近年來，隨著技術手段的進步，針對不同開采區域和開采環境而衍生出兩種或三種開采方法的組合，本文統稱為聯合開采法，主要包括機械-熱聯合法、熱激輔助降壓法、CO2輔助降壓法等。聯合開采法的應用和創新，需要在實踐過程中不斷進行借鑒和改進，且需要根據開采現場監測數據實時調整。

二、天然氣水合物開采風險及控制預防

海域天然氣水合物開采周期較長，開采設備復雜，因此，在開采過程中會伴隨著各種開采風險，主要包括惡劣天氣災害風險、地質災害風險和設備損壞風險等;每一種風險的發生都會造成嚴重的開采事故，并伴隨著相應的環境污染，嚴重時會造成天然氣水合物泄漏，對海洋環境的破壞是無法估量的。

（一）惡劣天氣災害風險

影響海上天然氣水合物開采的惡劣天氣災害主要包括臺風、海霧及災害性波浪等。臺風是發生在熱帶或副熱帶海域的低壓系統，攜帶巨大的能量和破壞力，最大風速可達60m/s，臺風過境會對開采平臺造成巨大的影響，我國南海神狐海域可燃冰試采期間便經受過臺風“苗柏”考驗;海霧是海面上的一種水汽凝結現象，海霧的產生會降低船舶海上通行的能見度，增加開采平臺的碰撞風險;災害性波浪是由臺風、熱帶氣旋、寒潮等天氣引起并在強風作用下形成的，波浪波高可達6m以上，例如1979年11月“渤海2號”石油鉆井平臺遭遇災害性海浪沉沒于渤海中部，說明其對開采平臺的影響應引起足夠重視。

（二）地質災害風險

與海上石油鉆探相同，在水合物開采過程中也會伴隨著相應的地質災害風險，主要包括海底滑坡、海底地震、海嘯及淺地層流體失穩等。海底滑坡是指海底松散沉積物發生擾動后在重力作用下沿海底面向下滑動的現象，主要包括碎屑流、顆粒流和濁流等，其攜帶的高速重力沉積物流對海底平臺樁基具有破壞性作用;海底地震是海底板塊斷裂釋放應力而引起海底劇烈震動，震級較大的海底地震會引起海嘯，海嘯的發生對海上平臺的破壞是毀滅性的;淺地層流體失穩包括淺水流和淺層氣，淺水流是在鉆穿淺海底超壓砂層后導致巨大水壓力釋放形成的，高速噴出的淺水流射入開采孔會導致平臺損壞或井塌事故，淺層氣亦具有高壓性質，其釋放過程中會大幅降低地層強度，對開采平臺的穩定性維持是巨大挑戰。

（三）設備損壞風險

設備損壞風險是在海上開采平臺及附屬設備設計、制造和維護過程中產生的設備疲勞老化等損壞風險，由于開采平臺遠離陸地，一旦發生設備損壞，修復難度大，周期長，不僅會影響開采效率，同時對作業平臺上的人員生命安全也是巨大威脅。

（四）風險控制及預防

從資源與能源角度來說，天然氣作為21世紀的新型替代能源已經是全球認可的大趨勢，對中國來說，南海賦存的豐富水合物資源對于緩解目前國內能源緊缺和環境污染問題意義重大，因此，我國加快海域天然氣水合物的商業化勢在必行，但由于水合物組成氣體甲烷是一種比二氧化碳更強的溫室氣體，同等體積的甲烷氣體比二氧化碳的溫室效應強21倍，一旦開采泄漏，對全球氣候環境的影響是難以估量的，如何在開采過程中預防泄漏風險和開采事故，是擺在全球水合物開采研究工作者面前的難題。

借鑒我國南海神狐海域天然氣水合物試的成功經驗，本文認為，天然氣水合物開采風險控制和預防措施需要從前期安全評估、開采過程現場監測與環境評價以及完井處置等三個方面入手。前期安全評估主要通過利用在開采區多年調查的基礎地質資料及工程地質資料進行綜合分析，多次邀請行業內頂級專家對安全性進行詳細論證，不斷優化開采方案，建立由開采單位主要負責人領導的應急處置小組，確保在水合物開采過程中任何事故均可迅速應對;開采過程現場實時監測主要利用水下機器人及各種監測傳感器對海底地層變形、儲層穩定性、海水甲烷溶解量、海洋底氣生物反應等進行全過程實時監測，同時對開采區附近海水理化因子進行定期監測，并結合開采前的背景值對開采環境影響進行評價，爭取將環境風險處于可控范圍之內;完井作為水合物開采結束的最后工序，極易在井口逆向重新形成固態水合物，需要引起高度重視，目前可通過水下熱交換裝置對進口加熱以及ROV設備水下定點機械清理等方式完成。

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基金項目：中國地質調查局項目（DD20190232;DD20190583;DD20190584）資助

作者簡介：陳靜（1991-），女，漢族，碩士，助理工程師，主要從事天然氣水合物地球化學測試分析、國內外水合物開采現狀及戰略研究。