海域天然氣水合物自入式開采裝置及其可行性研究

吳學震，葉鴻宇，蔣宇靜，李大勇，姜杰，王剛，公彬

(1.福州大學土木工程學院，福建福州，350116；2.日本長崎大學工學研究科，日本長崎，852-8521；3.中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院，山東青島，266580；4.山東科技大學礦山災害預防控制國家重點實驗室(培育)，山東青島，266590)

天然氣水合物分布廣泛、資源量豐富，是現有天然氣、煤炭和石油全球儲量的2 倍[1]，被認為是未來的重要能源之一。截至目前，全球有40 多個國家和地區開展了關于天然氣水合物的研究與勘探，天然氣水合物的開采已成為當前世界科技創新的前沿。

在世界范圍內進行海域天然氣水合物試采的案例均采用鉆井開采法，國際首次海洋天然氣水合物試采作業是由日本于2013年在Nankai 海槽開展的，日產量約20 000 m3/d，但因第6天突然井底出現嚴重出砂問題而終止。2017年，日本在相同海域進行了第二次試采，但同樣由于井底嚴重出砂問題，而被迫切換至第二口開采井[2]。我國同一時期在南海神狐海域，首次實施海域天然氣水合物試采作業，采用降壓法開采配合水力割縫方法對儲層進行改造，有效提高了試采產量[3]；同年，我國在南海北部荔灣3站位，依托“海洋石油708”深水工程勘察船，利用自主研制技術、工藝和裝備實施鉆井固態流化法開采，原設計獲取氣體100 m3，實際獲得81 m3[4]。2020年我國在神狐海域采用水平鉆井技術進行了第二次降壓試采，實現連續產天然氣30 d，共計產出天然氣約8.614×105m3[5]。上述試采工程都為實現海域天然氣水合物商業化開采提供了寶貴經驗。然而，從全球水合物試采停產原因來看，由于在作業過程中井筒周圍天然氣水合物分解會導致儲層強度大幅度下降，在巨大的地應力作用下地層大量出砂，井筒失穩或破壞，長期開采存在較大挑戰。此外，基于鉆井技術的開采方法，需要使用深海鉆井船等重型裝備，使得目前開采成本遠高于采出的天然氣價值，產業化開采仍存在較大瓶頸。

對于新型開采裝置和方法的研究，徐海良等[6]提出了通過下放海底的采掘車對水合物進行切割和破碎成塊狀，再將其運送至海上平臺后分解的絞吸式開采法。宋震等[7]借鑒刨煤機刨削采煤過程，參照拉刀結構特點提出一種新的拉削開采新裝置，其實質也是機械開采形式的一種拓展。張旭輝等[8]提出了機械-熱聯合開采法，將破碎成小顆粒后的水合物在輸送管道中與一定溫度的海水摻混分解后，再將土顆粒分離后回填海底，能夠減少因土層采空所造成的安全隱患。周守為等[4]進一步總結出固態流化開采方法，并進行了現場試開采。黎偉等[9]提出一種基于蓋頂降壓式海底淺/表層的開采裝置，將蓋頂收集罩外殼覆蓋在區域沉積層上方，錨定機構鉆入沉積層使得密閉擋板插入泥床，隔絕外部海水形成密閉空間后進行區域內降壓開采。

這些相關研究多數還只適用于淺/表層，但以新的裝置載體替代了目前使用最為廣泛的井筒載體，為天然氣水合物提供了新的開采思路：實現海域天然氣水合物產業化開采，可能并非要像開采石油或頁巖氣一樣，一味使用井筒作為載體“鉆”到底，導致深海鉆井作業成本過高，采用新的載體或許能夠起到事半功倍的效果。因此，針對現有開采實例中鉆井成本高、井筒易坍塌和防砂結構易破壞等一系列難題，本文作者依照海域天然氣水合物通常賦存于黏土質粉砂或淤泥質沉積物中的特點，提出一種新型自入式開采裝置(self-entry exploitation device，簡稱SEED)及開采方法，以期為海域天然氣水合物開采提供新思路。

1 自入式開采裝置工藝原理

1.1 理念來源

目前，國際上普遍認可的天然氣水合物開采方法主要有降壓法、注熱法、置換法和抑制劑法以及它們之間的聯合應用。其本質原理都是通過一定的物理化學手段促使原位狀態的天然氣水合物分解為氣-水兩相，如圖1所示[10]。其中降壓法是通過將水合物儲層壓力降低到水合物平衡壓力以下，進而破壞水合物的平衡狀態，促使水合物分解，其操作簡單且經濟、高效，被認為是實現海域天然氣水合物商業化開采的最佳途徑[11]。

圖1 天然氣水合物相態圖[10]Fig.1 Natural gas hydrate phase diagram[10]

在我國完成的南海天然氣水合物第二次降壓試采中，用于深海錨泊的吸力錨在維護井口穩定方面發揮了關鍵作用[5]。魚雷錨[12]是另一種重要的深海錨泊結構(如圖2所示)，依靠自重沉貫至海床一定深度以提供錨泊力，其貫入地層的機理為新型天然氣水合物開采裝置進入儲層提供了啟示。因此，將魚雷錨的貫入原理運用于天然氣水合物開采，把降壓開采設備置于其中，可形成一種全新的開采系統。

圖2 魚雷錨實物及安裝示意圖Fig.2 Torpedo anchor and installation diagram

對于地層種類，我國南海海域天然氣水合物主要賦存于未固結成巖的粉砂、黏土質粉砂、粉砂質黏土等沉積物中，甚至直接暴露于海底，如圖3所示，而魚雷錨主要適用于黏土、粉土以及砂質地層，因此，地層條件基本相似。對于儲層深度，我國南海海域天然氣水合物儲層埋深較淺且無致密蓋層，主要存在于海底以下幾十米到300 m[13-14]。而就魚雷錨目前的運用而言，在巴西Campos盆地Marlim油田、Albacora油田(貫入深度為錨長的1.5～2.4倍)和挪威西海岸的北海Gj?a油田(貫入深度為錨長的1.9～2.4倍)[15-17]等地已完成用于固定海底的柔性管線的錨固安裝。美國軍方的GBU-57A/B鉆地彈(彈長僅為6.2 m，直徑為0.8 m，質量為13.6 t，結構和外形與魚雷錨相似)，能夠在單純依靠重力下落的情況下，對一般加固混凝土的鉆深可達60 m[18]。

圖3 南海神狐海域沉積物顆粒粒度特征(修改自文獻[3，14])Fig.3 Characteristics of sediment particle size in Shenhu area,South China Sea(modified from Refs.[3,14])

魚雷錨對水深增加的敏感性較低，不需要特殊的水下設備或大型施工船，在超深水域應用無任何限制[16]。因此，結合海域天然氣水合物儲層特征和魚雷錨的貫入特性，設計出新型自入式開采裝置。該裝置依靠重力貫入儲層，再通過內置降壓設備進行天然氣水合物開采。

1.2 新型開采裝置原理

新型開采系統主要由海上處理平臺、錨纜系統、輸送管道和自入式開采裝置等組成[19]，如圖4所示。其中，海上處理平臺為傳統海上平臺或船只，用于搭載和控制開采設備以及對收集的氣體進行處理；錨纜系統通過纜繩連接海上處理平臺和自入式開采裝置，輸送管道用于收集開采出的水和天然氣。自入式開采裝置整體為與魚雷錨形狀類似的結構體，可攜帶開采設備進入儲層。

圖4 自入式開采方法整體示意圖Fig.4 Overall schematic diagrams of self-entry exploration method

自入式開采裝置內部構造如圖5所示。開采裝置的主要核心包括以下幾部分。

圖5 自入式開采裝置內部構造Fig.5 Internal structures of self-entry exploration device

1)自入式結構體。外形類似于魚雷形狀，由預制鋼結構組成，尾部連接錨纜系統和輸送管道，內部設置有空腔，開孔管壁允許氣、液進入空腔，并保護防砂裝置不被地層壓力和流體沖蝕破壞。整個結構在下落的過程中主要依靠重力產生較大速度，從而沖擊進入天然氣水合物儲層。

2)氣液舉升系統。主要由舉升動力裝置及氣液分離器組成，能夠將空腔中的液體和氣體舉升來降低空腔內部壓力，進而降低周圍地層壓力，促進天然氣水合物分解。待天然氣和水在壓差作用下通過防砂裝置進入空腔時，實現天然氣水合物開采。

3)防砂裝置。可以使用防砂篩網、防砂篩管、機械篩管、礫石防砂層或柔性織物防砂材料層等，允許液體和氣體進入空腔的同時過濾泥砂。

4)中心重塊。可以大幅增強主體構件質量，可根據實際工況選擇是否使用。

上述內容僅列出整個開采系統的核心部分，在實際運用過程中，還應包括緩沖減震裝置、監測控制裝置等配套設施。此外，該裝置主要針對深水淺層水合物開采，初步考慮以100 m內的儲層深度為佳，裝置長度只需30～80 m。考慮到裝置的幾何尺寸對于施工運輸的影響，實際試采中可以選擇分段制作、現場組裝的方案。

自入式開采裝置的生產流程主要包括：1)選定開采區域，配置好開采裝置。2)在海床上側一定距離處釋放自入結構體，攜帶氣液舉升系統和防砂裝置等設備沖擊貫入天然氣水合物儲層。3)通過氣液舉升系統將空腔中的液體舉升，空腔內部壓力降低，進而引起周圍地層壓力降低，促使周圍地層中的天然氣水合物分解。4)分解形成的水和天然氣在壓差作用下通過防砂裝置進入空腔后，將液體舉升到海底或者海上處理平臺，氣體舉升至海上處理平臺，完成開采作業。5)當一定范圍內天然氣水合物開采完成或者產氣效率降低到一定值以后，通過纜繩將位于儲層中的自入結構體拉出，進而實現回收或轉移到新的開采區域繼續開采。由于不存在井筒，主體結構貫入或者拔出后周圍地層可以自動回填，主體結構所在的區段是封閉的，因此，暫時不考慮封井作業，后期根據需要可通過管線進行注漿封閉。

新型開采方法的可行性分析包括2 個關鍵點：一是自入式開采裝置能否依靠重力沖擊順利到達天然氣水合物儲層位置；二是基于自入式開采裝置的預制鋼結構而實現的大幅度降壓能否顯著提高開采效率。

2 自入式開采裝置貫入儲層規律研究

參考現有魚雷錨貫入數值模擬研究，通過建立數值模型研究自入式開采裝置沖擊貫入儲層深度的規律和特征。首先通過有限元軟件ABAQUS，依照BRAND?O 等[16]等現場試驗研究建立數值模型，將模擬結果與現場結果以及KIM 等[20]的模擬結果進行對比，驗證本文數值模擬方法的有效性。進而輸入神狐海域地層參數，并通過改變開采裝置尺寸等參數，研究貫入深度變化規律和關鍵影響因素。

2.1 數值模型的建立與驗證

由于結構體高速貫入海底會引起土體網格的大變形，導致在分析計算時網格嚴重畸變而終止運算，故本文針對此大變形問題采用了耦合歐拉-拉格朗日方法(CEL)。該方法結合了拉格朗日方法和歐拉方法的優點，通過計算其歐拉體積分數(EVF)來跟蹤歐拉材料通過網格的流動[21]。

考慮到模型的對稱性，采用1/4 模型進行計算，如圖6所示。將土體建立為歐拉體，視為不排水條件，采用基于Tresca屈服準則的理想彈塑性模型，并在土體上表面預留空區域用來捕捉土體表面的變化，魚雷錨放置在海床表面，通過施加初速度模擬實際中的沖擊速度。由于魚雷錨相對于土體的變形可以忽略不計，故而將其設置為剛體，同時對與魚雷錨相近的土體進行網格加密，以保證計算的準確度，其他參數參考KIM 模型[20](見表1)。

圖6 魚雷錨貫入數值模型圖Fig.6 Torpedo anchor accommodation numerical models

表1 魚雷錨數值模型主要參數Table 1 Main parameter of torpedo anchor numerical model

模擬結果如圖7所示。從圖7可知：KIM模擬所得的最終貫入深度為35.7 m[20]，擬合曲線最終貫入深度為32.8 m，與KIM 結果較為接近，同時BRAND?O 等[16]的現場魚雷錨貫入測試結果為35.2 m，其貫入深度也與本文的結果相似。本模型未考慮應變軟化和應變率的影響，土體抗剪強度處于較高的狀態，導致最終沉貫深度偏低，因此，本文采用的數值模擬方法具有較高可靠性。

圖7 貫入深度數值模擬結果對比Fig.7 Comparison of numerical simulation results of penetration depth

2.2 自入式結構體貫入模擬

考慮自入式結構體直徑和長度的影響，對貫入深度的變化規律進行分析，以驗證其沖擊貫入儲層的可行性。有別于傳統魚雷錨，自入式結構體因其體積有較大變化，其質量大幅提升，但平均密度采用偏低的值6.5 t/m3作為對貫入深度的保守預測。為防止邊界效應，將模型沿寬度方向設置為20d(d為魚雷錨直徑)，深度方向取7l(l為魚雷錨長度)。

由于自入式結構體在實際下落中還存在纜繩和管線的影響，所以，本文繞流阻力系數取值采用t98魚雷錨在現場實驗中的閾值速度進行反算確定[20]。盡管采用這樣的方法使該值相對偏大，但確保了貫入深度預測的保守性。

自入式結構體在海水貫入階段中的運動方程為

式中：m為結構體質量，kg；G為自入式結構體自重，kN；Fw為浮力，kN；FD為阻力，kN。

式中：ρw為海水密度，kg/m3；ρs為自入式結構體密度，t/m3；VS為自入式結構體體積，m3；CD為繞流阻力系數；Ap為正向投影面積，m2。

當結構體加速度a等于0時，將式(1)代入式(4)可得自入式結構體最終沖擊速度[22]：

此外，考慮到實際作業中，結構體所需貫入儲層的攜帶開采裝置部分僅為整體的1/5～1/3；并且由于土層厚度大所需劃分網格數多，為優化計算，上覆層和儲層參數參考神狐海域W18/19 站位[14,23]，具體參數見表2。

表2 自入式結構體貫入模擬主要參數Table 2 Main parameter of self-entry structure penetration simulation

貫入模擬結果如圖8所示。通過對不同幾何條件的自入式結構體貫入模擬，可以得出隨著結構體直徑和長度的增大，質量也隨之增大，使得沖擊能量增大，貫入深度增加，貫入深度為結構體長度l的1.2～2.4 倍，最深可達370 m，而海域天然氣水合物主要存在于海底以下幾十米到300 m。在實際生產中，可根據勘探資料調整結構體的長度和直徑以及控制釋放高度，進而調整沖擊速度來適應不同的儲層條件，以此達到預期的作業深度。此外，因為自入式開采裝置的貫入原理與魚雷錨的貫入原理類似，其結構有著較高的強度和剛度，同樣也適用于黏土、粉土以及砂質等非成巖地層。

圖8 自入式結構體貫入深度變化規律Fig.8 Change law of penetration depth of self-entry structure

3 自入式開采裝置產氣特性研究

CMG-STARS是一款油藏數值模擬軟件，可以利用儲層地質資料、場地開采以及實驗數據，通過數值分析對天然氣水合物產氣特性進行預測。首先建立傳統鉆井降壓法數值模型，并與日本Nankai 海槽水合物試采數據對比以驗證該方法的有效性，然后建立自入式開采裝置的開采數值模型，預測其在該海域的產氣情況，從而評價自入式開采裝置的開采潛力。建立的模型假設條件如下：

1)考慮三相(氣相、水相、固相)四組分(自由氣組分、分解氣組分、水組分、水合物組分)。其中，氣相僅含甲烷氣體，把水合物作為固相來處理；

2)只考慮氣、液兩相流動，且流體滲流符合達西定律；

3)地層均質，即孔隙度、滲透率為常數；

4)忽略氣體的擴散和氣體在水中的溶解；

5)考慮熱傳導、熱對流以及水合物分解吸熱；

6)考慮巖石的壓縮性和流體的可壓縮性[24-25]。

3.1 傳統鉆井降壓法數值模型建立與可靠性驗證

2013年3 月在日本東部Nankai海槽成功完成世界上第一個海域水合物開采試驗，試開采為期6 d，但最后因井底大量出砂而終止[26]。試開采場地共鉆探了4口井，其中AT1-P作為降壓開采井，試采區水深約為1 000 m，天然氣水合物賦存于海底以下約300 m的砂質地層中，儲層厚約為60 m，產層厚約為35 m，初始滲透率范圍為(0.01～10)×10-3μm2，絕對滲透率(0.01～2 000)×10-3μm2。本文參照FUJII等[27]綜合分析多個測井和巖心實驗的測試結果，建立開采模型，具體參數取值如表3所示。

表3 日本Nankai海槽試采數值模擬模型參數Table 3 Numerical simulation model parameters for trial exploration in Nankai Trough,Japan

通過STARS 模塊，得出所建立模型的產氣特性，并將其與實際開采過程中的產氣特性[28-29]相對比，從而驗證該模型的準確性。計算模擬出的產氣速率以及實際產氣速率如圖9所示。試采開始時，井中水被抽出，井底壓力逐漸降低到4.5 MPa，致使周圍地層壓力也大幅下降，水合物迅速分解，井口產氣速率急劇上升。3 d 后，在實際生產中逐漸出現出砂問題，井底壓力已不足以使水合物進一步分解，實際速率開始小于模擬速率。在為期6 d的開采作業中，模擬產氣速率與實際產氣速率的波動程度存在差異，但平均值基本相等，可認為該模擬方式具有較高可靠性。

圖9 日本Nankai海槽產氣模擬結果對比Fig.9 Comparison of gas production simulation results in Nankai Trough,Japan

3.2 新型開采裝置試采模型建立與產氣效率對比

自入式開采裝置在貫入儲層后的開采原理與傳統的鉆井降壓開采原理類似，只是貫入(鉆井)到儲層的方式不同，據此建立如圖10所示三維模型，其他模型參數如表4所示。有別于傳統鉆井法的是，自入式開采裝置主體由預制鋼結構組成，能夠實現大幅度降壓，而傳統井筒主要由素混凝土構成(目前在嘗試采用鋼制筒)，所能夠承受的壓差較小。

圖10 自入式開采裝置方法模型Fig.10 Self-entry exploration device method model

表4 自入式開采裝置方法模型主要參數Table 4 Main parameters of self-entry exploration device method model

通過數值模擬計算，自入式開采裝置在降壓至1 MPa 和2 MPa 時，產氣特征曲線如圖11所示。從圖11可見：在降壓為1 MPa 和2 MPa 時，前6 d 的平均開采速率分別為1.39×105m3/d 和9.84×104m3/d，與現場應用的傳統方式(開采壓力為4.5 MPa)相比，總產能共提升了6～14 倍。新型方法由于速率快，使得距離儲層較近的水合物迅速分解，且曲線波動相對較大，在開采速率峰值過后，速率下降幅度要比傳統方法的大。此外，在為期2 a的開采周期中，自入式開采裝置的開采速率均比傳統方式的高，由于受限于模型大小與邊界效應，因此，開采后期速率相差較小。總體來看，自入式開采裝置能夠顯著提升開采效率。

圖11 日本Nankai海槽自入式開采裝置產氣特征曲線Fig.11 Gas production characteristic curve of self-entry exploration device in Nankai Trough,Japan

4 討論與思考

上述論證主要從裝置的基本原理、貫入儲層規律和產氣效率3個核心部分進行可行性研究。鉆井方法與新型方法對照如表5所示[30-31]。與傳統鉆井法(主要針對素混凝土井)開采方式相比，新型方法具有以下優勢：1)在施工過程中不需要深海鉆井船，而是采用自主貫入安裝方式，運輸方便，工期短，可顯著降低天然氣水合物開采成本；2)裝置主體采用預制鋼結構，避免了在地層壓力作用下易損壞坍塌問題，可實現極限降壓開采；同時還增強了對防砂裝置的保護，有效緩解了出砂問題；3)根據儲層的埋深，可以通過調整開采裝置重量來控制貫入位置，適用于淺層和深層開采，也可以實現分層開采，并且由于其直徑較大，在儲層的開采作用范圍有所增大；4)在開采作業完成時，可以進行拉拔回收，重復使用，從而進一步降低開采成本。

表5 鉆井方法與新型方法對照Table 5 Comparison of drilling methods and new methods

然而，新型的開采裝置會帶來以下問題。

1)裝置未達到預期位置。參照魚雷錨的貫入模式，相對于鉆井法存在一定的不確定性。但在實地開采前，都會對開采區域進行詳細的勘察，根據所得到的資料對自入式結構體的質量、長徑比和下落高度進行調整，從而使其貫入至預期位置。此外，后續還可以采取振動下沉、適量拔出等輔助措施對其貫入后位置進行調整。

2)貫入后內置設備受損。在貫入過程中會產生較大的沖擊能量對裝置產生影響，不過由于內置設備處于鋼殼體內部，受到沖擊力較小，可設置緩沖防沖擊裝置，以及通過特殊加固提高抗沖擊能力。

3)沖擊過程導致儲層失穩。在新型開采裝置沖擊進入儲層過程中，地層壓力增加不利于水合物分解，沖擊過程中在海底產生的熱量也有限，而水合物分解需要降壓或者持續性熱量輸入，因此，預計沖擊過程不會誘發天然氣水合物大規模分解。

4)開采裝置貫入和回收過程對環境的影響。水合物儲層及其上覆沉積物受裝置貫入和拔出影響，其物理、化學和生物性質會發生改變。與現有方法一樣，在施工作業中都會引發地層應力變化、誘發水合物局部分解以及可能破壞海底環境等問題，這有待進一步研究。

5 結論

1)提出了自入式開采裝置，并對其工藝原理、開采步驟和有益效果進行了闡述。其主要工作流程是：在開采區域海床上側釋放自入結構體沖擊貫入天然氣水合物儲層；然后通過氣液舉升系統，將空腔中的液體舉升，引起周圍地層壓力降低，促使天然氣水合物分解；分解形成的水和天然氣在壓差作用下通過防砂裝置進入空腔后，舉升至海上處理平臺，完成開采作業；根據需要可將自入結構體拉出回收再利用。

2)采用ABAQUS 軟件建立三維沉貫模型，以南海神狐海域地質情況為例，模擬不同規格的自入式結構體的沉貫特性，證實貫入海床深度隨開采裝置的長度和直徑增加而增大，最大貫入深度達370 m，與大部分海域儲層埋深相符。

3)通過CMG-STARS 軟件建立三維開采模型，與日本Nankai 海槽水合物試采的傳統方式相比，在實現大幅度降壓的情況下，新型開采裝置的開采效率提升了6～14倍。

4)新型自入式開采裝置具有結構強度大、開采效率高、適用范圍廣及作業成本低等優點，可顯著降低天然氣水合物開采成本，提升開采效益。此外，本文提出的新方法也帶來了諸多問題，如新型裝置貫入過程及采空后可能引發的環境問題、貫入引發的沖擊能量對內部裝置和儲層的影響問題、特殊情況下裝置未達到預期位置的后續人工調整問題等，這有待進一步研究。