海洋天然氣水合物降壓開采裝備現狀與技術探討

基金項目：中國石油天然氣集團有限公司項目“適應南海北部天然氣水合物的叢式多分支水平井組鉆采技術和裝置研究及試驗”（2021DJ4903）；中國石油天然氣集團有限公司關鍵核心技術攻關項目“水下采油樹關鍵部件國產化研制”（2021ZG14）。

在南海神狐海域采用降壓法成功實施了2次天然氣水合物試采，在深水淺軟地層水合物鉆采技術上取得了多項重大技術突破，但仍面臨單井產量低、開采配套裝備復雜及經濟適用性弱等問題。為了配套神狐海域第3次降壓法試采開采方案，系統梳理了降壓法開采技術對開采裝備的影響因素，對比分析了常規油氣開采的水下采油樹結構適應性，提出了一套適用于深水天然氣水合物開采的水下臥式采氣樹關鍵技術理論；形成的“一體式”集成化采氣樹本體、雙穿越結構水下穿越器、失效安全型液控水下閥門及驅動器、復合電液控制系統等技術，可滿足海洋天然氣水合物開發裝備質量輕、水合物二次結冰封堵干預、井下作業工況監測和遠程控制等要求。所得結果可為海洋天然氣水合物長期穩定、可控開采的配套裝備開發提供借鑒。

神狐海域；海洋天然氣水合物；降壓開采；關鍵技術與裝備；水下采氣樹

Current Status and Techniques of Equipment for

Depressurization Exploitation of Marine Gas Hydrate

Wan Chunyan^1，2 Zhang He’en³ Li Lei¹ Chen Caihu^1，2 Gao Yan¹ Di Jianwei³ Zhu Yuxin¹

（1.CNPC Baoji Oilfield Machinery Co.， Ltd.; 2.CNPC National Petroleum Drilling Equipment Engineering Technology Research Center Company Limited; 3.CNPC Offshore Engineering Co.， Ltd.）

The China Geological Survey has successfully implemented two natural gas hydrate production tests in the Shenhu sea area using depressurization method， achieving multiple major breakthroughs in drilling and production technologies of hydrate in deepwater shallow soft formations. However， there are still problems such as low single well production， complex exploitation supporting equipment and weak economic applicability. In order to support the exploitation plan of the third depressurization production test in the Shenhu Sea area， the influential factors of depressurization exploitation technique on exploitation equipment were systematically sorted out. The adaptability of subsea Christmas tree structure for conventional oil and gas exploitation was compared and analyzed， and a set of key technical theories for subsea horizontal Christmas tree suitable for deepwater gas hydrate exploitation was proposed. The technologies such as “integrated” Christmas tree body， dual crossing structure subsea crossing device， fail safe hydraulic control subsea valve and driver， and composite electrohydraulic control system were formed， which can meet the requirements of lightweight equipment for the development of marine gas hydrate， secondary icing and plugging intervention of hydrate， downhole operation condition monitoring and remote control. The research results provide reference for the development of supporting equipment for long-term stable and controllable exploitation of marine gas hydrates.

Shenhu sea area; marine gas hydrate; depressurization exploitation; key technologies and equipment; subsea christmas tree

0 引 言

天然氣水合物是天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結晶物質。當前，全球天然氣水合物潛在資源總量為（1～5）×10¹⁵" m^3［1-2］，主要存在于海底和陸地永凍土區域，其中海洋天然氣水合物約占天然氣水合物總量的97% ，因其儲量大、能量高、清潔環保等優點，被公認為最具潛力的接替能源^［3-5］。據預測，我國南海深水區天然氣水合物潛在資源量達（643～772）億t油當量 ^［6-7］。2016年，我國在神狐海域多次證實存在超千億方儲量規模的天然氣水合物礦藏^［4，8］，并鎖定該海域為天然氣水合物鉆探試采示范區。

按規劃，我國擬在2025年前在南海神狐海域淺軟地層進行天然氣水合物降壓法第3次試采，2030年在該海域實現年產天然氣10×10⁸" m³，根據該規劃需安裝60～100口生產井、水下采氣樹和若干生產管匯^［9］。水下采氣樹是海洋油氣開采水下生產系統的核心設備，是天然氣水合物進入商業化開采的前提條件，研究開發適合深水天然氣水合物開采的水下采氣樹系統已迫在眉睫。南海神狐海域天然氣水合物降壓法開采的研究與部分技術在水合物試采工程試驗中的應用，證實降壓法開采最有可能成為未來水合物高效開發的手段。但全球針對水合物開采的專用水下采氣樹及其關鍵部件的研發尚處于起步階段。

為此，筆者基于神狐海域天然氣水合物第3次生產性試采工藝及配套裝備需求，圍繞長時間可持續、風險可控和安全高效的試采目標，分析降壓法開采工藝及技術對開采裝備的需求和影響因素，重點研究水下采氣樹系統開發的關鍵技術，以期支撐天然氣水合物開采裝備的國產化開發。

1 海域天然氣水合物降壓開采及裝備

1.1 降壓開采技術

降壓法開采是利用天然氣水合物礦藏極易受外界溫度、壓力影響而分解的特性，通過降低水合物儲層壓力以打破海底水合物相平衡狀態，促使其分解和氣液分離后，經水下井控裝備及輸氣管進行開采的方式^［10］。伴隨著天然氣水合物資源試采開發力度的不斷加大，針對神狐海域天然氣水合物降壓法開采的研究有了長足的發展。周守為院士團隊^［3，11］提出以天然氣水合物所在區域的整個地質背景作為研究對象，推動天然氣水合物、淺層氣及常規油氣等多氣源綜合勘探與立體開發研究、核心技術攻關和重大裝備研制（見圖1）。“多氣合采”的開采工藝更為復雜，對其開采裝備的功能完整性和性能可靠性提出了更高的要求。黎偉等^［12-14］圍繞降壓法開采開展了熱源輸入、井身結構及開采技術和裝置的基礎理論和數值模擬研究，并進行了室內物理模擬和試驗，對天然氣水合物試采提供了理論支撐。王旱祥等^［15］結合南海神狐海域天然氣水合物實際工況，開發了天然氣水合物井下氣液分離裝置試驗樣機，以提升氣液分離效率。馬小飛^［16］對與神狐海域開發環境相似，且已成功運行多年的荔灣3-1氣田的開發模式進行對比分析，以期為試采實施工藝設計和裝備更新提供借鑒。以上針對海域天然氣水合物降壓開采的理論研究、數值模擬和對比分析的成果對降壓試采工藝設計和裝備開發有參考價值，但尚不成熟，還需在實際試采實施和工程應用中進一步驗證其可行性。

1.2 海注天然氣水合物試采狀況

天然氣水合物的產業化開發可分為試采技術驗證、探索性試采、試驗性試采、生產性試采和商業開采5個階段^［4］。截至目前，全球僅中國和日本開展了5次海洋天然氣水合物試采工作^［17-18］。日本的2次試采初步驗證了降壓開采海洋天然氣水合物的技術可行性，其實施方案為圖2所示的垂直井身結構系統。相比2013年的第1次試采，2017年的第2次試采改進了水氣分離布局和防砂系統，但仍因井底出砂問題嚴重而被迫停止^［5，19］。

2017年中海油基于雙層管雙梯度開采技術，在荔灣海域成功實施了非成巖天然氣水合物固態流化法試采，該方法存在鉆井液漏失和雙層管可靠輸送等技術難題^［10］。中國地質調查局在神狐海域超過1 200 m水深的淺軟地層實施了2次降壓法試采，首次試采采用垂直井結構的開采方案，是全球首次對極細粒泥質粉砂儲層類型的成功試采，使得開發位于水合物資源“金字塔”塔基且資源量巨大的細粒儲層中的水合物成為可能^［6，20］。2020年第2次試采采用水平井的井身結構（見圖3），實現了試采施工作業理論、技術、工程和裝備的自主創新，以及從“探索性試采”向“試驗性試采”的重大跨越^［21］，為后續生產性試采和規模化開發奠定了基礎。

1.3 海洋天然氣水合物試采配套裝備

隨著海洋天然氣水合物試采工作的實施和技術推進，海洋鉆探裝備、生產儲運裝備、環境監測裝備和其他海上作業與輔助裝備等天然氣水合物開發裝備也同步開發和應用。但是，由于試采頻率和規模的限制，以及試采階段主要圍繞工藝技術和試驗驗證開展，目前裝備多以適用于海洋油氣開發的鉆井平臺和鉆完井管柱改裝而成。表1為5次海洋試采的配套裝備。

試采裝備的選擇和設置與試采區域儲層特性和試采方法緊密相關。天然氣水合物的降壓法開采基于常規油氣開采經驗提出，但兩者又存在差異。首先，常規油氣開采是儲層區壓力自然釋放的主動開采，而天然氣水合物開采是將水合物井下分離后人工舉升的被動開采；其次，降壓法開采過程中水合物的大面積分解，容易造成海底軟土地基承載力不夠而引起弱固地層沉降和井口失穩^［22-24］。并且，錯綜復雜的生產因素和地質因素^［25］導致水合物開采過程伴隨不同程度的水合物二次生成和出砂問題。防砂處理和保持井口穩定是實現可控開采的前提。神狐海域第2次試采時，引入了吸力錨井口穩定裝置和新型旁通預充填篩管防砂裝置，并進行了工程應用可行性驗證 ^{［21，26］}，有效降低鉆井和開采過程中井口下沉傾斜和管道出砂封堵的風險。

2 降壓法開采水下生產系統需求分析

降壓法開采水合物是一個復雜的變化過程，要維持良好的井下開采環境，需實時監控現場環境、井下溫度壓力變化和出砂情況，還要采取井下熱源補償、電潛泵流量調節、化學藥劑注入等措施對井下進行干預。從表1和圖3可以看出：2020年的降壓法試采，在泥線以上采用 “半潛式鉆井平臺+鉆桿+防噴器+吸力錨式井口穩定裝置”，形成了海水隔離屏障、獨立的產出物輸送通道和更加牢靠的井口支撐裝置；在泥線下方采用“電潛泵+氣液分離器+防砂篩管+連續管”的組合方式構成了井下分離舉升、預填充防砂和產出氣輸送的功能模塊；構建的井下-海底-水體-海面“四位一體”的環境監測體系對包括自海床至海平面海水體的甲烷含量進行全方位環境監測。然而，對比常規水下油氣開發的典型配套裝備，該套海洋水合物開采裝備缺少將產氣通道和排水注入通道集成，且具備井口及井下多類數據實時采集、閥門開關控制、故障顯示和分析控制功能的水下采氣樹及控制系統。因此，第3次降壓法開采裝備的開發將重點圍繞建立持續穩定、可控開采的水下井口裝置、水下采氣樹及控制的集成系統，以滿足提高試采產量和系統可靠性、降低開采成本的目的。

3 天然氣水合物水下采氣樹

3.1 天然氣水合物水下采氣樹功能要求

天然氣水合物水下采氣樹系統（見圖4）應包括井口連接器、生產閥門組、環空旁通閥門組、生產管柱懸掛器、閥門驅動器等功能模塊，以實現支撐產氣管柱質量，密封井下產氣管道與井口之間的環形空間，而閥門及驅動器的開關穩定性和密封可靠性及其性能驗證試驗研究是開發水下采氣樹的關鍵技術之一^［27］。同時，水下采氣樹系統還需配備水下控制模塊（SCM），以實時檢測和反饋溫度、壓力、含水體積分數和出砂量等油氣井參數，控制產出氣或井下注入介質流動方向。水下采氣樹系統是直接影響水下井口裝置結構、水下生產井組布局及井組井間管匯控制的核心裝備，其模塊集成度、功能完備程度和性能可靠性成為天然氣水合物是否能可控、穩定試采的關鍵因素。

3.2 天然氣水合物水下采氣樹特點

用于天然氣水合物開采的水下采氣樹具有以下特點。

（1）設計水深大。前期的探測數據顯示，可開采的天然氣水合物主要存在于水深1 000 m以上的海域。南海神狐海域天然氣水合物開發先導試驗區的作業水深為1 000～1 500 m，已屬于深水的范疇，因此用于水合物開發的水下采氣樹應在遠程對中導向結構、水下控制響應速度、緊急斷開功能的設計時考慮深水適應性。

（2）穿越結構復雜。水下采氣樹集井下加熱設備和電潛泵的強電電纜、井下出砂量數據采集及防砂控制、溫度壓力數據采集和化學藥劑注入等穿越結構為一體，使得油管懸掛器、采氣樹帽和采氣樹本體之間的穿越種類和數量繁多，且外部界面和接口結構復雜。而濕式電接頭和液壓接頭等穿越接頭的結構形式直接影響其安裝本體通徑的大小和穿越裝置的布局。同時，穿越接頭的連接可靠性，以及斷開后如何在水下進行快速回接是穿越裝置開發的重點。

（3）低溫影響和封堵問題。天然氣水合物在開采過程中氣化吸熱會造成系統降溫，而且水下采氣樹周圍所處的海洋環境溫度也較低，因此水下閘閥和液壓連接器等關鍵部件要考慮低溫影響。同時，天然氣水合物井下分離后的天然氣攜帶少量水氣和細小沙土雜質，而水下采氣樹內部流道存在彎頭和變徑結構，在這種低溫度、特殊游離氣體分子和變化壓力的組合條件下，極易引起水合物二次生成和聚集，導致流道堵塞^［28］，變化過程如圖5所示。為了降低水下采氣樹內部流道天然氣水合物二次生成封堵風險，通過溫度、壓力耦合的流道保障分析和溫壓場動態精細表征，在生產通道易堵位置注入足量的熱源和水合物抑制劑^［29］，干預水合物二次生成及堵塞過程，以保障水下采氣樹正常運行。

（4）開采氣體腐蝕性小、壓力不高。常規油氣中的高含量含硫物質會腐蝕流道、閥板閥座等結構，影響承壓和密封能力。而天然氣水合物主要成分為甲烷，無H₂S等腐蝕性介質，純凈度高，生產流道無需防腐處理。并且天然氣水合物在井下經降壓分解后分離，分離形成的天然氣壓力不高。因此對水下采氣樹主體結構的承載要求較低，可適當減少壁厚以減輕質量。

4 水下采氣樹開發

4.1 水下采氣樹結構型式

水下采氣樹按生產主閥的布局和油管懸掛器的安裝位置不同，分為立式和臥式2種結構型式。臥式結構的水下采氣樹更適用于天然氣水合物的開采，理由如下：①臥式采氣樹的油管懸掛器坐放于水下采氣樹本體內，可滿足穿越結構水下濕式連接的需求；②大通徑的油管懸掛器更利于產出氣的排出，進而提升產量，也易于強電穿越接頭的布局；③無需取回油管柱和采氣樹就可進行連續管作業或修井作業，工作效率高；④水下采氣樹通過連接器與水下井口進行連接和密封，水下井口的通道內部無需設置密封和承載臺階，與常規水下井口的適配性更強。

由于天然氣水合物的特殊性，水下采氣樹的總體方案可突破常規海洋油氣開采水下采油樹的框架型式，將水下井口裝置和水下防噴器組進行一體化創新設計，形成功能配套齊全、輕量化的專用水下生產系統。

4.2 水下采氣樹設計

天然氣水合物水下采氣樹的設計需關注以下6個問題。

（1）水下采氣樹本體集成設計。水下井口及支撐裝置對承載質量敏感度高，將生產主閥和生產翼閥與采氣樹本體集成為一體，可減少模塊數量和中間連接，降低泄漏風險，減小水合物采氣樹尺寸及質量。

（2）高密度穿越結構設計。雙穿越結構的水平貫穿裝置可實現水下采氣樹具備更多數量的井下信息采集和遠程控制功能，同時滿足光纜、電纜和液壓管纜的集成和井下穿越需求。影響油管懸掛器結構的最大因素為電潛泵（ESP）電接頭的穿越和布局，目前強電接頭有分體式和整體式2種結構形式。分體濕式電接頭尺寸與常規液壓接頭相近，可沿油管懸掛器周向分布（見圖6），不影響其中心通道結構和尺寸；整體濕式電接頭整體尺寸較大，適用于主通道為偏心結構的油管懸掛器（見圖7）。

（3）大承載式水下連接器設計。深水連接器利用液壓驅動鎖緊機構運動實現遠程鎖緊和解鎖，井口連接器是甲烷氣體流出井口之上的第一道關卡，液壓連接器通徑及外部環境的變化，容易發生水合物二次生成而引起液壓系統失效。因此連接器上還應設置緊急脫離機構，實現突發情況下水下采氣樹的緊急斷開和撤離。

（4）水下采氣樹管道設計。水下采氣樹的產氣通道由一系列的直管、帶盲管段、T型分支管和彎管結構組成。針對流道內流場轉捩最為復雜的T型管和盲管段，通過模擬分析流場、尋找流動規律、優化流道長度及流體拐彎阻抗，減少內部管路封堵風險，也為流道內設置加熱源和化學藥劑注入位置提供理論依據。

（5）失效安全型液控水下閥門及驅動器設計。開關平穩、可靠性高的雙向平板閘閥滿足閥門雙向密封的要求，水下采氣樹生產主閥和環空主閥的驅動器為液壓驅動，并配有失壓自動復位機構和水下機器人（ROV）遠程操作接口，以協助解決水合物關斷控制過程中因水合物堵塞而無法關閉到位的問題。目前，國產化的水下液壓閘閥及驅動器已在結構設計、材料攻關、試驗驗證等方面完成了技術攻關^［30］，還需結合天然氣水合物開采需求，對密封件、閥體材料進行低溫適應性分析，并調整相應的試驗方法及流程。

（6）水下控制模塊設計。天然氣水合物開采過程應保證生態環境和井下作業環境的安全穩定。水下采氣樹控制模塊（SCM）是水下采氣樹的“大腦”，復合電液控制方式響應時間快、水下監測參數多，適用于水合物開采井下監測點位多、邏輯關系復雜的水下控制。水下控制系統可實時監測井下作業工況，并及時對井下進行干預，維持穩定的作業環境。水下復合電液控制系統與已成功應用的“四位一體”環境監測系統相結合，形成外部生態環境和井內作業工況實時監測的數字化全覆蓋開采模式，并為天然氣水合物的安全生產和運行智能管理奠定基礎。

5 結論與認識

（1）2017年和2020年南海神狐海域天然氣水合物的2次成功試采，在降壓法開采工藝和配套裝備開發關鍵技術攻關方面積累了寶貴的經驗和豐富的資料，但仍因缺少1套可以實現海洋天然氣水合物長期穩定、可控開采的水下生產系統裝備體系，而面臨開發效率低、無法大規模商業化開采的問題。

（2）與常規油氣生產用水下采氣樹不同，適用于天然氣水合物開采的水下采氣樹具有設計水深大、穿越結構復雜、低溫特性和二次封堵風險大等特點。結合海洋天然氣水合物降壓法開采工藝需求，水下采氣樹推薦選擇臥式結構，并將生產主閥和環空主閥采氣樹本體集成，雙穿越結構的水下穿越器可以滿足井下信息采集和遠程控制穿越需求；井口連接器和液壓驅動器在材料選擇上需考慮低溫特性，管道和主體模塊上除了布局注入化學介質或熱原接口進行解堵干預外，還應設置應急處理機構應對水合物二次結冰封堵。

（3）深海天然氣水合物的降壓開采是一個復雜、多變的過程，尚處在全面探索階段，通過梳理降壓法開采技術對開采裝備的影響因素，開展適用于天然氣水合物開采的專用水下采氣樹及控制系統對比分析，以及對水下采氣樹開發關鍵技術的深入研究，有助于建立集成度高、系統性強和長期穩定的水下開采裝備，實現海洋天然氣水合物全生命周期安全、可控的開采目標。

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第一作者簡介：萬春燕，女，高級工程師，生于1983年，2011年畢業于四川大學機械設計專業，獲碩士學位，現從事海洋石油工程裝備技術研究工作。地址：（610052）四川省成都市。電話：（028）68967615。email：wancy2011@163.com。