天然气水合物的开发技术优化方案

自20世纪60年代以来，世界上有近百个国家和地区都发现了天然气水合物。目前，各国对于天然气水合物的开发利用都寄予很大期望。2002年，日本、加拿大、美国、德国、印度共同展开研究活动，在加拿大首先实现了从地下的天然气水合物层向地表输送甲烷气体。美国把天然气水合物作为国家发展的战略能源，将“甲烷水合物研究与资源开发利用”列入国家发展长远计划，要求2010年达到计划目标，2015年进行商业性试采。目前，研究天然气水合物资源量及勘探开发技术的国家主要有美国、英国、德国、加拿大、俄罗斯、日本、印度、韩国、中国等，各个国家都相继投入了大量的资金进行天然气水合物的资源特征、生产开发、对环境的影响、安全性和海底稳定性等方面的研究。

（1）天然气水合物的开发历程 天然气水合物的开发大致经历了实验室研究、管道堵塞及防治、资源调查与开发利用四个阶段。自1979年国际深海钻探计划（DSDP）在中美海槽的钻孔岩心中发现了海底的天然气水合物后，水合物成为许多国家和部分国际组织关注的热点，当时的美国、苏联、日本、德国、加拿大、英国、挪威等国以及大洋钻探计划（ODP）、综合大洋钻探计划（IODP）进行了大量调查研究，在世界各地直接或间接地发现了大量天然气水合物产地。2002年，美国、日本、加拿大、德国、印度合作，成功地从加拿大马更些冻土区Mallik 5L-38的1200m深的水合物层中分离出甲烷并予以回收，并获得了较好的天然气水合物成矿条件和找矿前景，由此进入到天然气水合物开发利用阶段。目前，世界各国都在大力开展天然气水合物的开发利用研究，预计在2020年前后能实现陆上冻土区水合物的商业性开发，2030～2050年前后有望实现海底水合物的商业性开发。我国对天然气水合物的开发较晚，广州海洋地质调查局于1999年启动“奋斗五号”调查船，在西沙海槽开展高分辨率多道地震调查，开启了中国天然气水合物调查的处女航，调查结果表明西沙海槽存在多段典型的BSR标志。2002年，我国政府正式设立《我国海域天然气水合物资源调查与评价》国家专项，加上2000～2001年的专项预研究项目，广州海洋地质调查局在南海北部陆坡完成了数十航次的地质、地球物理和地球化学调查，开展了浅层剖面、地质地球化学取样、海底摄像、热流测量等调查工作。

（2）天然气水合物的勘探技术 目前，天然气水合物的勘探技术主要有以下几种：

1）似海底反射层（BSR）。海洋沉积物中存在天然气水合物的最直接证据是具有异常地震反射层，其位于海底之下几百米处与海底地形近于平行，这种异常地震反射层为似海底反射层（BSR），现已证实BSR代表海底沉积物中天然气水合物稳定带基底。但是，由于在冰胶结永冻层地震波传播速度与水合物层相当，因而BSR技术不能用于对永久冻土区的天然气水合物进行勘探。

2）钻孔取心资料。钻孔取心资料是证明地下天然气水合物存在的最直观和最直接的方法之一。目前已经在墨西哥湾、布莱克海岭等地取到了天然存在的含气水合物岩心。用于研究的天然气水合物样品通常取自钻杆岩心或用活塞式取样器、恒压取样器采集的海底样品。

3）测井方法。测井方法是在天然气水合物勘探中继地震反射法和钻孔取心法之后又一有效手段。该法在鉴定特殊层含气水合物时需具备四个条件：①具有高的电阻率（大约是水电阻率的50倍以上）；②短的声波传播时间（约比水低131μs/m）；③在钻探过程中有明显的气体排放（气体的体积分数为50‰～100‰）；④必须在有两口或多口钻井区（仅在布井密度高的地区）。

（3）天然气水合物的开采技术 由于天然气水合物呈固态，不会像石油开采那样自喷流出，因此天然气水合物的大规模商业开采面临着许多困难。首先，若将天然气水合物从海底一块块搬出，在从海底到海面的运送过程中甲烷就会快速挥发，导致大量温室气体的排放，给大气造成巨大危害，并且由于天然气水合物在常温、常压环境下极易分解，在运送过程中会迅速变成一滩水；其次，天然气水合物经常作为沉积物的胶结物存在，其形成和分解能够影响沉积物的强度，进而诱发海底滑坡等地质灾害的发生；再次，目前技术条件下开采成本过高，且很难保证井底稳定，使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。所以说，和石油、天然气相比，天然气水合物不易开采和运输，世界上至今还没有完美的开采方案。

目前，天然气水合物的开采方法主要有三类：热激发法、化学试剂法、减压法。

1）热激发法（图5-5）。热激发法是将蒸气、热水、热盐水或其他热流体从地面泵入水合物地层，也可采用开采重油时使用的火驱法或利用钻柱加热器。概而言之，只要能促使温度上升达到水合物分解的方法都可称为热激发法。热激发法的主要问题是会造成大量的热损失，效率很低，特别是在永久冻土区，即使利用绝热管道，永冻层也会降低传递给储集层的有效热量。为了提高热激发法的效率，人们研究出井下装置加热技术，例如井下电磁加热方法，即在垂直（或水平）井中沿井的延伸方向在紧邻水合物带的上下（或水合物层内）放入不同的电极，再通以交变电流使其生热直接对储层进行加热。储层受热后压力降低，通过膨胀产生气体。电磁热还很好地降低了流体的粘度，促进了气体的流动。

2）化学试剂法（图5-6）。化学试剂法是将盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等可以改变水合物形成的相平衡条件、降低水合物稳定温度的化学试剂从井孔泵入，从而引起水合物的分解。化学试剂法具有降低初始能源输入的优点，但较热激发法作用缓慢，且费用太昂贵。由于大洋中水合物的压力较高，因而不宜采用此方法。

(www.xing528.com)

图5-5 热激发法开采原理图

图5-6 化学试剂法开采原理图

3）减压法（图5-7）。减压法是指通过降低压力而引起天然气水合物稳定的相平衡曲线的移动，从而达到促使水合物分解的目的。该法一般是通过在一水合物层之下的游离气聚集层中“降低”天然气压力或形成一个天然气“囊”（由热激发或化学试剂作用人为形成），与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水。开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法，另外通过调节天然气的提取速度可以达到控制储层压力的目的，进而达到控制水合物分解的效果。减压法最大的特点是不需要昂贵的连续激发，因而其可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。但是，单使用减压法开采天然气是很慢的。

4）驱替法（图5-8）。驱替法是用CO₂置换开采，通过形成CO₂水合物放出的热量来分解天然气水合物。此法可使用工业排放的CO₂。

图5-7 减压法开采原理图

图5-8 驱替法开采原理图

5）综合法。从以上各方法的优缺点来看，单一地使用某一种方法来开采天然气水合物是不经济的，只有结合不同方法的优点才能达到对水合物的有效开采，例如用热激发法分解天然气水合物，而用降压法提取游离气体。