可燃冰研究现状及商业化开采瓶颈

付亚荣

付亚荣. 可燃冰研究现状及商业化开采瓶颈[J]. 石油钻采工艺, 2018, 40(1): 68-80. doi: 10.13639/j.odpt.2018.01.012
引用本文: 付亚荣. 可燃冰研究现状及商业化开采瓶颈[J]. 石油钻采工艺, 2018, 40(1): 68-80. doi: 10.13639/j.odpt.2018.01.012
FU Yarong. Research status of combustible ice and the bottleneck of its commercial exploitation[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2018, 40(1): 68-80. doi: 10.13639/j.odpt.2018.01.012
Citation: FU Yarong. Research status of combustible ice and the bottleneck of its commercial exploitation[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2018, 40(1): 68-80. doi: 10.13639/j.odpt.2018.01.012

可燃冰研究现状及商业化开采瓶颈

doi: 10.13639/j.odpt.2018.01.012
详细信息
    作者简介:

    付亚荣(1965-),1987年毕业于重庆石油学校油田应用化学,主要从事油气田开发技术研究与应用工作,高级工程师。通讯地址:(052360)河北省辛集市华北油田第五采油厂。电话:0317-2742299。E-mail:cy5_fyr@petrochina.com.cn

  • 中图分类号: TE132.1

Research status of combustible ice and the bottleneck of its commercial exploitation

图(14)
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-15
  • 刊出日期:  2018-01-20

可燃冰研究现状及商业化开采瓶颈

doi: 10.13639/j.odpt.2018.01.012
    作者简介:

    付亚荣(1965-),1987年毕业于重庆石油学校油田应用化学,主要从事油气田开发技术研究与应用工作,高级工程师。通讯地址:(052360)河北省辛集市华北油田第五采油厂。电话:0317-2742299。E-mail:cy5_fyr@petrochina.com.cn

  • 中图分类号: TE132.1

摘要: 可燃冰作为世界公认的清洁高效的能源,吸引了各国政府的关注和资金投入。调研了国内外可燃冰分布情况及美国、日本、俄罗斯、加拿大等国家对可燃冰的勘探开发现状,分析了国内外海底、陆地冻土带可燃冰试采案例,介绍了中国可燃冰开发方案的研究、开采关键技术形成及成功试采的过程,对中国南海神狐可燃冰试采应用的8项创新技术进行了剖析,阐述了可燃冰的9种不同开采方式的原理及适用储层,指出可燃冰商业化开采面临开采成本、温室效应、地质灾害、环境效应等问题。提出可燃冰的开采应谨慎对待,“资源需求”和“环境安全”之间需要统筹考虑,既要保护人类赖以生存的环境,又要让可燃冰资源持续造福子孙。

English Abstract

付亚荣. 可燃冰研究现状及商业化开采瓶颈[J]. 石油钻采工艺, 2018, 40(1): 68-80. doi: 10.13639/j.odpt.2018.01.012
引用本文: 付亚荣. 可燃冰研究现状及商业化开采瓶颈[J]. 石油钻采工艺, 2018, 40(1): 68-80. doi: 10.13639/j.odpt.2018.01.012
FU Yarong. Research status of combustible ice and the bottleneck of its commercial exploitation[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2018, 40(1): 68-80. doi: 10.13639/j.odpt.2018.01.012
Citation: FU Yarong. Research status of combustible ice and the bottleneck of its commercial exploitation[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2018, 40(1): 68-80. doi: 10.13639/j.odpt.2018.01.012
  • 可燃冰,学名天然气水合物,是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中,由天然气与水在高压低温条件下形成的类似冰状的结晶物质。2017年5月10日中国在南海神狐海域水深1 266 m海底以下203~277 m成功实现开发难度最大的泥质粉砂型天然气水合物可控开采[1]。经过近20年的努力,取得了天然气水合物勘查开发理论、技术、工程、装备的自主创新,实现了历史性突破[2]。英国科学家普德斯特里早在1778年开始研究可燃冰形成的温度和压力条件[3],但没有引起足够的重视,1810年首次在戴维的实验室发现可燃冰[4];一直困惑人们的油气管道和加工设备冰状固体堵塞物,到1934年才知道是可燃冰[5]。世界上首个可燃冰气藏商业开采最成功的案例,发现于1965年西伯利亚冻土区的麦索雅哈气田,1969年其试采总产气量129× 108 m3中约47%为可燃冰[6]。目前已在79个国家和地区发现了可燃冰。地球上可燃冰储量约为2× 1016 m3,是剩余天然气储量的128倍,其有机碳总资源量相当于全球已知煤、石油和天然气碳含量的2倍。约4× 107 km2的海底探查有可燃冰分布,可供人类使用1 000年[7]

    全球对可燃冰的勘探持续进行,2004年7月29—31日第八届国际天然气水合物大会,云集了世界各国700多位科学家,以618篇高质量的论文摘要和408篇论文全文,荣居历届大会之最[8]。天然气水合物SⅠ、SⅡ、SH“笼形包合物”结构已被X-Ray、Raman、NMR等实验所证实,其量子稳定化能也得到了深入研究[9]。但可燃冰的生成机理、成藏机理、迁移途径及影响其成藏的物理化学条件还没有明确的答案,且开采技术和环境保护面临很多困难。若想可燃冰的未来是“天使”而不是“魔鬼”,还需要多项关键技术的突破。

    • 全球可燃冰主要分布在西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本南海海槽、四国海槽、南海海槽、苏拉威西海、韩国郁龙盆地、新西兰北岛,大西洋海域的布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海、南美东海岸外陆缘、非洲西西海岸海域,东太平洋海域的中美海槽、北加利福尼亚—俄勒冈滨外、秘鲁海槽,印度洋的阿曼海湾,北极的巴伦支海和波弗特海,南极的罗斯海和威德尔海以及黑海和里海等[10]。美国、俄罗斯、加拿大、荷兰、日本、印度等国对可燃冰勘探的目标和范围含盖了几乎所有的海洋陆缘重要潜在区域和高纬度极地永久冻土带及南极大陆陆缘地区[11],相继将制定的详细发展路线图纳入国家能源中长期发展规划,依靠地震勘探已探明北极地区有大量正在形成的可燃冰[12]

    • 1934年美国科学家在输气管道中首次发现了可燃冰实体,并提出了Hammer Schmidt方程;1946年,前苏联学者N. H.斯特里诺夫从理论上认为自然界存在天然气水合物矿藏;1951—1952年Claussen先后确定了Ⅱ型、Ⅰ型天然气水合物的结构[13],这标志着科学家的视野中融入自然界存在的气体水合物。

      美国USGS(地质调查局)估计,美国可燃冰储量为2.8× 1015 m3,而DOE(美国能源部)估计天然气储量为5.24 × 1012 m3。20世纪60年代创立了海洋可燃冰识别地震标志——似海底反射层;1981年投入800万美元制定10年可燃冰研究计划;自1988年起每年投入2 000万美元列入国家能源战略长远计划;2001—2007年BP阿拉斯加开发公司与美国能源部等合作在阿拉斯加北坡Eileen Trend地区进行了可燃冰的开发和Milne Point地区的资源钻探试验,资源拥有量12.6× 1012 m3,目前美国没有实现2015年投入开发的目标,但2012年康菲公司在阿拉斯加陆上北坡冻土区用CO2置换可燃冰取得了30 d采出CH4近3× 104 m3的可喜成绩[6, 14]

      日本自20世纪70年代末在南海海槽发现似海底反射层(BSR)后,加大日本周边海域可燃冰的探测力度,80年代末钻探获得可燃冰样品,地质调查局公布了可满足日本100多年天然气需求的拥有约4.655× 1012 m3可采储量的可燃冰[15]。1998年,日本与加拿大联合,在高纬度的加拿大西北Mackenziedg三角洲冻土带,钻进至890~952 m处获得37 m可燃冰岩心[16],钻井井深1 150 m。1995— 1999年用于可燃冰基础研究及重点海域的地球物理调查和实验钻探等投资高达6 400美元,且获取了海洋可燃冰样品,成为世界上首个掌握利用地震探测和物理探测抽取可燃冰的国家[17]。2012年安倍晋三再度上台后加快推进可燃冰商业开采进程,并于同年2月在日本近海进行首次商业性钻探(如图 1);2013年3月12日,MH21研究财团利用“地球号”探测船在爱知县渥美半岛附近约1 000 m的海底深处向下钻探260~330 m到可燃冰层,利用3口监测井、1口测试井进行世界首次可燃冰海洋生产试验,采用井下电潜泵排液采气和井下电加热等技术,实现全球首次试采海域可燃冰(图 2[18],连续6 d累计生产CH4约12× 104 m3,获得的监测数据为以后可燃冰商业化开采提供了宝贵的研究资料[15]。日本计划在2018年开发出成熟的可燃冰开采技术,实现商业化生产。

      图  1  日本可燃冰海洋生产试验的钻井配置[15]

      Figure 1.  The drilling configuration for the combustible ice production test in Japan[15]

      图  2  日本海域可燃冰试采井布置[18]

      Figure 2.  Layout of combustible ice test wells in the area of Japan Sea[18]

      1972年加拿大麦肯齐三角洲Mallik发现可燃冰,并于1998年与日本合作进行了全球首个陆上冻土区可燃冰钻探[6]。2002年加拿大、德国、美国、日本、印度等国50多个科研机构合作对Mallik冻土带Mallik5L-38井应用简单的热水循环系统实施注热法试采[18-19],120 h采气量468 m3,结束热水循环后采气量48 m3,试采井布置如图 3,试采流程如图 4。这次试采证实了注热法开采效率低,很难适应规模化商业开采的要求。2008年冬季对Mallik冻土带项目采用降压法与注热法联作试采6 d,日产CH4达到2 000 ~4 000 m3,累积产量13 000 m3,证实了降压法在Mallik冻土带开采可燃冰是可行的,说明降压法也适合于陆地冻土带成藏条件较好的可燃冰商业化开采。但Mallik5L-38井上部为良好的可燃冰储层,下部为天然气气藏,降压法开采造成可燃冰相变分解所需要的热量如何供应仍是技术瓶颈。

      图  3  加拿大可燃冰试采井布置[18-19]

      Figure 3.  Layout of combustible ice test wells in Canada[18-19]

      图  4  加拿大可燃冰试采工艺[19]

      Figure 4.  Combustible ice production test process in Canada[19]

      1960年俄罗斯在西西伯利亚冻土地区麦索雅哈气田,发现了首个典型的具有下覆自由气的可燃冰气藏[7];1971年先期采用降压法、后期结合CH4O、CaCl2抑制剂对其进行商业性试开采,成为全球首次实现商业化开发可燃冰矿体[20],断续开采17年,采出可燃冰(CH4)5.017× 109 m3;到2004年元旦,麦索雅哈气田超过50%的产气量为可燃冰的分解物。2007—2009年俄罗斯在东西伯利亚南部贝加尔湖与比利时、日本合作,进行了5次可燃冰开采工艺试验。

      印度、韩国分别于2006、2007年获得了可燃冰实物样品,澳大利亚、法国、德国、挪威、阿根廷等国家和部分国际组织也开展了有关天然气水合物资源量调查、环境安全和开采技术储备等工作。

    • 中国科学院兰州冰川冻土研究所与莫斯科大学合作,1990年开展人工合成可燃冰实验获得成功[21]。1999年开始对可燃冰进行资源调查和研究,有中国海洋石油、中国石油、中国石化、中国石油大学、中国地质大学、吉林大学、中科院广州天然气水合物研究中心、国土资源部天然气水合物重点实验室、北京地球物理研究所、青岛海洋地质研究所、广州海洋地质调査局等单位从事可燃冰的研究工作[22]。可燃冰资源主要分布在南海北部坡陆[23]、祁连山冻土区[24]、青海木里冻土区[25]、珠江口盆地东部海域[26]、青藏高原昆仑山垭口盆地[27]、琼东南盆地[28]、青藏高原哈拉湖地区和东北漠河盆地[29]、台西南盆地[30]、西藏羌塘盆地[31]等。2008年中国可燃冰资源研究专家估算[6, 22],中国可燃冰资源总量841× 1012 m3,其中:东海海域3.4× 1012 m3,南海海域65× 1012 m3,青藏高原冻土带12.5× 1012 m3,东北冻土带2.8× 1012 m3

    • 1985年南海地质调查指挥部金庆焕院士向国内学者提出,全球13%的陆地冻土带有约1× 1015 m3的固态CH4和比大陆冻土带多100倍的海底固态CH4将是未来人类重要的能源[32];1990年采用CH4气和蒸馏水在室内合成外观、挥发性和可燃性等与自然界取得的可燃冰样品具有完全相同特点的合成可燃冰;1992年史斗等人翻译出版了国内系统介绍可燃冰的早期文献《国外天然气水合物研究进展》;同年吴必豪等对可燃冰进行技术追踪、收集资料和研究,1995—1997年中科院矿床所与中国地质矿产信息研究院合作完成了“西太平洋天然气水合物找矿前景与方法的调研”课题,1998年中科院兰州地质所徐永昌、史斗和中国地质研究院李岩等学者分别编译了有关可燃冰的专辑[33]

    • 1999年中国国土资源部组织启动可燃冰实质性调查和研究。2000年广州海洋地质调查局在南海海底发现了总量估计相当于全国石油总量一半的巨大可燃冰带,迅速从海底取出了样品[34]。2002年正式启动为期10年的对中国海域可燃冰资源调查与研究专项,10年间广州海洋地质调查局在南海北部陆坡区的西沙海槽、神狐、东沙及琼东南4个海域,利用4艘调查船进行了25个航次的可燃冰资源调查与评价,取得了4个突破:(1)发现了南海北部陆坡可燃冰有利区;(2)评价了南海北部陆坡可燃冰资源潜力;(3)确定了东沙、神狐2个可燃冰重点目标;(4)证实了中国南海存在可燃冰资源[35]。2003年对外宣布南海和东海是中国可燃冰蕴藏量比较丰富的地区[36]。2004年6月2日中国和德国的26名科学家乘坐“太阳号”科考船,在南海进行了42 d的勘测考察,进一步证实了南海存在每立方米可释放164 m3甲烷的的可燃冰[37]。2006年中国决定在未来10年投入8.1亿元进行“可燃冰”勘探研究[38]。2007年首个可燃冰钻探航次GMGS-1在南海神狐海域珠江口盆地的珠Ⅱ凹陷钻探8个站位,在SH2、SH3、SH7站位获得含可燃冰样品,SH1、SH5站位未发现可燃冰,SH4、SH6、SH8站位测井显示异常但未取得可燃冰样品[39],标志着中国可燃冰调查研究水平步入世界先进行列,成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划获得可燃冰实物样品的国家[40]

      2008年中国在海拔4 062 m的青海省天峻县木里镇祁连山南缘永久冻土带首次发现并检测出可燃冰,成为世界上首个在中低纬度冻土层发现可燃冰的国家,2009年6月在该地区获得实物样品和一系列原始数据,且成功试采100 h[41-42]。2009年10月18日具有完全自主知识产权、全球第1艘配置有4 000 m级深海水下机器人“海狮号”、深水多波束测深系统、深水浅地层剖面系统、长排列大容量高分辨率地震采集系统等综合地质地球物理调查船——“海洋六号”,正式入列中国海洋地质调查[43];2010年12月国土资源部广州海洋地质调查局完成的《南海北部神狐海域天然气水合物钻探成果报告》通过终审,科研人员在140 km2的钻探目标区内,圈定出11个可燃冰矿体,含矿区总面积约22 km2,矿层平均有效厚度约20 m,预测储量约194× 108 m3,CH4平均含量98.1%,获得可燃冰的3个站位的饱和度最高值分别为25.5%、46%和43%,是世界上已发现可燃冰地区中饱和度含量最高的[44]。2014年中国成功举办第八届国际天然气水合物大会[6]

      2012年5月“海洋六号”再次深入南海北部1 600 m水深的深海区域,对可燃冰资源进行新一轮“精确调查” [45]。2013年6—9月在珠江口盆地东部海域实施可燃冰钻探取样,分3个航段完成了13个站位23口井的地球物理测井及钻探取心,8个站位的测井曲线有可燃冰异常显示,5个取心站位取到可燃冰样品,其中4个站位发现可视可燃冰,可燃冰以不同形态分布于海底之下约10 m至稳定带之上的不同深度区间[46];控制可燃冰分布面积55 km2,控制储量(10~15)× 1010 m3 [47]。2013年广州海洋地质调查局在台西南盆地钻获了在中国海洋可燃冰钻探史上具有里程碑意义的渗漏型和扩散型实物样品[30]图 5)。2014年1月在青海省天峻县聚乎更矿区首个可燃冰三维勘探项目野外采集工作完成[6]。2012—2015年中国地质调查局在西藏羌塘盆地鸭湖地区进行了3口可燃冰调查井钻探,其中2口井钻遇浅层指示可能存在较好可燃冰成矿气源的高压烃类气体[31]

      图  5  GMGS2-08井钻获的可视天然气水合物样品[30]

      Figure 5.  Visible sample of natural gas hydrate obtained from Well GMGS2-08[30]

      2017年5月18日上午10时许,在距离中国大陆300多公里的中国南海北部神狐海域“蓝鲸一号”海上钻井平台,国土资源部部长、党组书记、国家土地总督察姜大明宣布,中国首次可燃冰试采宣告成功[1-2];从5月10日到17日15时采出总量12× 104 m3,最高日产3.5× 104 m3,平均日产超过1.6× 104 m3,达到了可燃冰试采平均日产量超过1.2× 104 m3、连续生产7 d以上的国标标准。首次试采的海域有11个矿体、面积128 km2,资源储存量15× 1010 m3,相当于1.5× 108 t石油储量[48]。截至7月9日14时52分,连续产气60 d,累计产气超过30.9× 104 m3,CH4含量最高达99.5%,获取科学试验数据647万组[49-50]

    • (1)X射线衍射(XRD)技术。应用于可燃冰结构特征、生成或分解动力学过程原位观测以及野外可燃冰样品鉴定等方面的研究,解决了可燃冰的结构类型鉴别、晶格参数测量等基本问题;XRD技术与核磁共振、红外光谱、X-CT等分析技术的联用,可进行可燃冰的沉积物孔隙空间微观赋存状态的原位探测[50-51]。(2)近海底可燃冰地震识别技术[52]。利用多道高分辨地震数据,正演分析近海底存在薄高速层时地震反射速度变化规律,采用沿层速度分析方法获取近海底处的速度,进而得到海底处可燃冰的分布特征。

    • 可燃冰开采的实质就是改变可燃冰储层环境温度、压力使其相平衡得到改变,分解得到CH4

    • 压力波动不大的可燃冰储层,利用蒸汽、热水、热盐水等从地面泵入可燃冰储层或通过电磁、微波依靠管柱使可燃冰储层温度增加,促进可燃冰分解达到开采目的(图 6[21]

      图  6  热激发法开采可燃冰示意图[21]

      Figure 6.  Schematic thermal stimulation for the exploitation of combustible ice[21]

      2002年日本首次在加拿大麦肯齐永久冻土带成功应用热激发法开采可燃冰。

    • 调节从可燃冰中提取CH4速度来控制储层压力的开采方法,低密度钻井液钻井或泵出可燃冰储层下方流体降低压力(如图 7)。麦索雅哈可燃冰采用抽取储层下方流体进行17年开采获取30× 108 m3 CH4,但是,只有当存在温度与压力平衡边界时,降压法才具有实际价值。

      图  7  降压法开采可燃冰示意图[53]

      Figure 7.  Schematic depressurization method for the exploitation of combustible ice[53]

    • 利用盐水、CH4O、(CH2OH)2等抑制和促进可燃冰分解成CH4,可燃冰分解速率与化学抑制剂排量、浓度、压力、抑制液温度、可燃冰与抑制剂注入界面的面积有关(如图 8)。俄罗斯麦索雅哈气田5口井注入后平均产量增加了4倍,但化学抑制剂昂贵,商业价值低,对环境造成污染。

      图  8  化学抑制剂法开采可燃冰示意图[54]

      Figure 8.  Schematic chemical inhibitor method for the exploitation of combustible ice[54]

    • 特定的压力区间,用CO2置换可燃冰储层中的CH4,置换过程释放出的热量维持可燃冰的分解反应,CO2还能保持可燃冰储层的相对稳定(如图 9)。2012年美国康菲和日本国家油气和金属公司首次在阿拉斯加北坡Prudhoe湾区现场试验获得成功。

      图  9  CO2-CH4置换法开采可燃冰示意图[55]

      Figure 9.  Schematic CO2-CH4 exchange method for the exploitation of combustible ice[55]

    • 系统包括位于可燃冰储层内的垂向距离3~5 m的2口水平井,上、下方水平井用于热水注入,中间水平井用于生产CH4和H2O(如图 10)。室内模拟表明,在非均质储层中的应用效果要明显好于均质储层。

      图  10  双水平井热水注入法开采可燃冰示意图[56]

      Figure 10.  Schematic hot water injection of double horizontal well for the exploitation of combustible ice[56]

    • 循环蒸汽激励法包括注热、焖井和生产3个阶段,注入井和生产井是同一口井(如图 11[57]。中国科学院广州天然气水合物研究中心于2010年对南海北部陆坡中段神狐暗沙东南海域附近SH7站位的可燃冰岩心进行模拟研究表明:循环蒸汽激励的经济性较差[58]

      图  11  循环蒸汽激励法开采可燃冰示意图[57]

      Figure 11.  Schematic cyclic steam stimulation for the exploitation of combustible ice[57]

    • 2015年Takeshi Komait等人提出通过氧化剂、催化剂和活性铁粉发生氧化反应产生热量来促进可燃冰分解(如图 12)。其过程分5个阶段:(1)往低温度可燃冰储层注入氧化剂和催化剂使温度上升;(2)活性铁粉和催化剂发生反应后温度继续升高,可燃冰部分氧化;(3)部分氧化的可燃冰促进生产井附近生成的次生可燃冰分解;(4)通过酸和氢氧化剂中和生成的热量进一步促进可燃冰的分解;(5)温度升高和渗透率改变从而提高可燃冰采收率。

      图  12  部分氧化法及数值模拟示意图[59]

      Figure 12.  Schematic partial oxidation and numerical simulation[59]

    • Hideki Minagawa等人2015年提出了将降压法与电加热法相结合形成电加热辅助降压法,并通过室内模拟实验证实了电加热辅助降压法开采可燃冰的可靠性和有效性(如图 13)。

      图  13  电加热辅助降压法开采可燃冰示意图[60]

      Figure 13.  Schematic electric heating assisted depressurization method for the exploitation of combustible ice[60]

    • 2014年Ankit Gupta等学者提出了在两口邻井中分别进行CO2置换和降压法开采可燃冰,消除2种方法各自的局限性,形成连续置换和生产的循环过程(如图 14)。

      图  14  CO2置换辅助降压法示意图开采可燃冰示意图[61]

      Figure 14.  Schematic CO2 exchange assisted depressurization method for the exploitation of combustible ice[61]

    • 吉林大学首创具有自主知识产权的可燃冰开采技术[62],与国际上通用的“被动式保压保温取样”钻探原理不同,首次提出“主动式降温冷冻取样”原理,发明了钻井液强化制冷方法、可燃冰孔底快速冷冻取样方法和高温脉冲热激发开采技术,解决了陆地冻土带可燃冰开采问题;随后,马喜伟等人[63]对可燃冰钻井液冷却系统进行了改进。

    • 试采方法是首先在海底的可燃冰上钻出井眼,然后使用减压泵对可燃冰减压,让天然气一次分解出来,有控制地将天然气从可燃冰中直接分解出来,采用的工程技术创新主要有8项[48]

      (1)窄密度窗口平衡钻井技术。通过控制钻井液密度[64],成功解决了测井数据采集需要高排量与低排量钻进之间的矛盾和钻井液密度的合理配值、钻井安全及地层防漏失的协调等一系列难题。

      (2)深水浅层井口稳定技术。南海神狐可燃冰处于深水、浅层,储层稳定性差,可燃冰汽化将导致其“封存”海底沉积物将失稳,位于海底的井口将会遭到严重破坏[65],采用了因地制宜的井口稳定性增强技术。

      (3)松软复杂矿体开发技术。南海神狐可燃冰主要属于粉砂型储层,渗透性能很差,加之深水、层浅,施工难度加大,创建了综合解决改善渗透性能、防止浅层汽化,兼顾深水钻采等一整套综合开发技术。

      (4)水力割缝储层改造技术。运用水力喷射钻井工艺,合理控制钻头水眼喷出的液体流速[66],进行可燃冰储层的水力割缝,有效改善储层低渗透性能。

      (5)粉砂质可燃冰储层试采防砂技术[49]。举升从可燃冰分解出的甲烷气体时,未固结的超细粉砂将随同气体一起上升,砂量过多时将会影响出气,这也是日本2013、2014年两次试采可燃冰失败的原因,中国石油与思达斯易公司共同开发的粉砂质可燃冰储层试采防砂筛管,验证了防砂思路的科学性和防砂工艺的有效性。

      (6)水合物二次生成预防技术。自海底举升分解出的甲烷气体至水面过程中,如果有水合物生成,将会堵塞通道,影响甲烷气体的正常举升,甚至中断试采,技术人员转换传统的热力学思维模式,自主研发了可燃冰钻井动力学处理剂[49],成功防止了水合物的二次生成。

      (7)完井与测试系统集成技术。研制成了一整套完井与测试系统集成装备与技术,它将当前的可燃冰试采需要与长远科学研究需求结合起来,测得了多项新数据,为今后水合物开发研究提供了大量科学依据。

      (8)内波带来的大幅垂向运动和水面上的瞬间位移会对水面和水下生产设施造成极大危害[67-68],对内波的发生季节、发生时段、影响区域和强度等深入分析后,从预报整片海域,到预报单点的海流变化,实现了由“面”到“点”成功地解决了精准预报内波问题,能够实时监测并通过卫星实时回传数据,可以第一时间发现达到预警级别的内波,并至少提前6 h发送预警信息到“蓝鲸一号”平台。

    • 2014年2月2日中国重大基础研究“南海天然气水合物富集规律与开采基础研究”围绕可燃冰有关的成藏条件、成藏过程动力学、成藏富集规律等关键科学取得的重要研究成果和创新性认识通过验收,标志着中国建立起了可燃冰基础研究系统理论[69]。但可燃冰勘探开发理论认识、勘探开发方案及关键技术、安全环保、开采成本等方面仍是可燃冰商业化开发的瓶颈问题。

    • 目前还没有一种理论可以科学全面合理地解释可燃冰形成的机理和完整的勘探开发理论体系,钻完井技术处于探索阶段,勘探开发关键技术、输送技术、储存技术等瓶颈需要攻克,高效、经济的商业化开采方法的突破还有很长一段距离。

    • 日本从海底的可燃冰中开采1 m3 CH4平均成本为46 174日元,折合人民币2 682元;而美国仅为10日元,折合人民币0.58元[6];中国2017年在南海神狐开采1 m3可燃冰高达200美元,折合人了币1 323元,按1 m3可燃冰转化为164 m3 CH4换算,约相当于1 m3 CH4平均开采成本8元人民币[48],开发成本是可燃冰资源开发不得不面对的难题,也是世界各国一再推迟商业开采时间表的重要原因。

    • 科学家们研究表明,已探明的全球可燃冰中CH4总量大致是大气中CH4的3 000~5 000倍,1%的可燃冰释放出来,与过去人为释放的约36× 108 t的甲烷碳相当[6, 70]。作为短期温室气体,CH4比CO2所产生的温室效应大21倍,其后果将不堪设想。可燃冰矿藏即使微小的破坏,甚至自然破坏,将导致CH4气体大量散失。可燃冰商业化开发,从开采技术出发更重要的是如何保证井底稳定、CH4气体不泄漏、不引发温室效应、不破坏生态环境等一系列的环境问题。

    • 可燃冰开采将使其储层原始应力平衡破坏,应力释放和应力重新分布成为必然,可燃冰储层围岩体的强度、变形、渗透性和稳定性等力学性质被扰动,从海底开采1 m3可燃冰将释放出164 m3左右的CH4和0.8 m3 H2O,储层中骤减的巨大地压损失极有可能破坏海底环境的稳定和平衡,可燃冰的分解造成大陆坡上沉积物强度和稳定性变差,产生崩塌、滑动、海底塌方,甚至引发海啸;同时,开采陆缘海边可燃冰,一旦发生井喷也将引发海啸。

      从自然地质角度审视,隐藏在海底的可燃冰极有可能导致海床不稳定而引发洪大的海底泥流,严重破坏海底管道和通讯电缆;地震、岩浆活动、断裂运动引起可燃冰分解出的CH4呈气泡状上升,对冲部分海水的重力,海底沉积物承压力减小,诱发更多可燃冰分解,瞬间造成大量的CH4气体溢出,在海面上形成强大的涡流和天然气团,此时,在该区域行驶的船舶、钻井设备迅速沉入海底。甚至有学者认为,百慕大三角区海域发生过的过往船只和飞机神秘失踪的事件可能与可燃冰扰动有关。科学家们已发现可燃冰分解造成的海底滑坡、滑塌和浊流在阿拉斯加北部的Beaufort海大陆边缘、美国东海岸等海域发生。

      中国陆地可燃冰分布在具有“水塔”之称、生态环境十分脆弱的青藏高原冻土带,且是世界生态环境的敏感地区之一。陆地可燃冰开采可能导致冻土层的破坏,引起山崩、地震、水土流失等地质灾害。

    • 开采相对稳定的海底可燃冰时,释放的流体沿泥火山、构造面或沉积物裂隙向上运移和排放,形成海底冷泉,海底冷泉及其所支持的生态系统将被打破;物质之间的化学反应所引起的泄漏流体、自生矿物的特征和形成以及周围海水环境也将发生改变[71]

    • (1)有望取代煤炭、石油、天然气的可燃冰的开发和利用已越来越受到世界各国政府的高度重视。全世界许多国家在海底和陆地冻土带可燃冰的形成机理、钻探和开采关键技术等方面均取得了长足的进展,且有成功开采的案例;但可燃冰成藏条件、成藏过程动力学、成藏富集规律、地震和非地震、钻井、开采、输送、储存等勘探开发理论和技术仍亟待完善和丰富。

      (2)可燃冰商业化开采面临的开采成本、温室效应、地质灾害、环境效应等问题应谨慎对待。“资源需求”和“环境安全”之间需要统筹考虑,既要保护人类赖以生存的环境,又要让可燃冰资源持续造福子孙。

参考文献 (71)

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