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極地天然氣水合物勘探開發(fā)現(xiàn)狀及對中國的啟示

2014-03-08 02:56:00王平康祝有海趙越劉建民張旭輝
極地研究 2014年4期
關鍵詞:極地凍土水合物

王平康 祝有海 趙越 劉建民 張旭輝

(1中國地質調查局油氣資源調查中心,北京100029;2中國地質科學院礦產資源研究所,北京100037;3中國地質科學院地質力學研究所,北京100081;4中國科學院力學研究所,北京100190)

0 引言

天然氣水合物是由具有相對較低分子質量的氣體(如甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮氣等)在一定溫度和壓力條件下與水形成的一種內含籠形結構的固態(tài)類冰狀物質。自然界中,它所包含的氣體分子多以甲烷為主(90%),也被稱為甲烷水合物,俗稱“可燃冰”。天然氣水合物具有巨大的儲氣能力,單位體積的天然氣水合物,在常溫常壓下,可以釋放出150—180單位體積的天然氣[1]。天然氣水合物作為一種新型能源,主要賦存于南北極和青藏高原永久凍土帶、海底沉積地層和一些深水湖泊底部沉積物中[2-6],據(jù)不完全統(tǒng)計,迄今為止全球已經累計發(fā)現(xiàn)超過220個天然氣水合物礦點[7]。據(jù)估算,全球海洋與陸地上天然氣水合物礦藏所蘊藏的甲烷氣體約7.4×104Gt[8],遠超過了全世界已知的天然氣總儲量[9]。天然氣水合物因其能量密度高、分布廣、規(guī)模大、埋藏淺,被視為21世紀的一種潛在能源[10]。

極地天然氣水合物分布于南北極大陸及其毗鄰海域的沉積物(巖)中,與廣泛分布的永久凍土帶密切相關[1],資源潛力巨大。據(jù)統(tǒng)計,目前已在北極和南極地區(qū)分別發(fā)現(xiàn)19處和5處天然氣水合物礦點(圖1)。勘探和研究結果表明,極地天然氣水合物儲層類型主要為富砂沉積物儲層[1,10],能提供天然氣水合物高濃度聚集所需的儲集滲透性,最可能實現(xiàn)遠景勘探和商業(yè)利用[11]。由于北極和南極地區(qū)特殊的地理位置以及將來不可避免的全球能源危機,極地天然氣水合物已被極地國家視為一種重要的戰(zhàn)略性能源。目前,環(huán)北冰洋國家如美國、加拿大、俄羅斯等都加大了對北極地區(qū)天然氣水合物資源勘查和研究力度,并開始進行水合物開發(fā)工藝研究和開采試驗,而且非極地國家如日本、韓國等業(yè)已積極地以國際合作形式參與其中。近年來,極地天然氣水合物研究在成藏理論、勘查技術和試采裝備等方面取得了一系列突破性進展,而真正實現(xiàn)天然氣水合物商業(yè)化開采僅是一個時間問題。隨著全球氣候變暖,北冰洋海冰加速融化和航道開通,北極地區(qū)蘊藏的豐富資源都將從潛在利益變成現(xiàn)實利益,各國的權益紛爭也將愈演愈烈。中國雖不屬于極地國家,但在2007和2008年,分別在南海北部海域和青藏高原凍土區(qū)成功鉆獲天然氣水合物實物樣品[6,12],實現(xiàn)了中國海陸域天然氣水合物找礦的重大突破,使得中國成為目前世界上在中低緯度地區(qū)唯一擁有海底和陸上凍土區(qū)天然氣水合物資源的國家,因此,在立足和發(fā)揮中國海陸域天然氣水合物資源優(yōu)勢的同時,如何參與極地天然氣水合物研究和開發(fā),以及提升中國在極地國際事務中的地位和話語權,已成為中國極地戰(zhàn)略所面臨的新機遇和挑戰(zhàn)。

圖1 全球天然氣水合物分布及極地和中國主要的天然氣水合物研究區(qū)(據(jù)文獻[6,12-14],修改)Fig.1.Globalmap of recovered and inferred gas hydrate and themain research areas for gas hydrate in Polar Regions and China(modified from[6,12-14])

1 極地天然氣水合物勘探開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 極地天然氣水合物分布及資源潛力

地球兩極地區(qū)存在大面積的永久凍土層,具有天然氣水合物形成的溫度和壓力條件。通常認為,在北極地區(qū)有利于凍土和天然氣水合物形成的熱條件從上新世(約 1.88 Ma)開始持續(xù)至今[4,15]?,F(xiàn)今北半球大約20%的陸地面積被凍土所覆蓋,Collet等[1,9]依據(jù)美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)的凍土數(shù)據(jù)描繪了北半球陸上連續(xù)永久凍土和殘留的海底永久凍土帶的可能范圍(圖2A),指出陸上和近岸的天然氣水合物僅能存在于與其密切聯(lián)系的永久凍土帶中,因此永久凍土帶的分布范圍也就指示了陸上和近岸天然氣水合物存在的可能區(qū)域[1]。鉆探取樣、鉆孔測井和地球物理調查研究表明,北極陸上天然氣水合物主要聚集于俄羅斯、美國阿拉斯加和加拿大的永久凍土區(qū),其中主要包括西西伯利亞盆地及俄羅斯北部一些永凍區(qū)[2,9,13,16]、北美阿拉斯加北坡[1]、加拿大馬更些三角洲和北極群島[17-18]。除此之外,在挪威斯瓦爾巴群島和挪威島也有可能存在天然氣水合物[19]。在永久凍土區(qū),天然氣水合物可能存在于地下130—2 000 m深度范圍[1]。北極海洋天然氣水合物分布除受有利的低溫底層水體影響外,還受大陸坡、陸?。ㄉ钏E_)等地形和地質構造單元控制,Max和Lowrie[20]依據(jù)地質構造單元劃分出三級水合物分布有利區(qū),其中介于500—3 000 mbsf間的大陸坡為一級有利區(qū),低于3 000 mbsf的深海區(qū)為二級有利區(qū)(例如加拿大海盆、弗蘭格爾深海平原、巴倫支海-拉普帖夫海海嶺、阿爾法海嶺盆地)和覆有沉積物的活動轉換帶或活動海嶺為三級有利區(qū)。Grantz等[21]和 Kvenvolden等[22]認為阿拉斯加波弗特海北部陸架外緣、陸坡和陸隆上部的海底之下有廣泛的水合物聚集,海底之下300—700 m處存在明顯的地球物理BSR標志。挪威西北巴倫支海的熊島盆地[23-25]和斯匹茲卑爾根地區(qū)[26]海底發(fā)現(xiàn)強反射的BSR,推測存在天然氣水合物。Соловьев[27]指出東西伯利亞海、拉普帖夫海、喀拉海、巴倫支海和楚克奇海等北冰洋邊海均為天然氣水合物存在的有利地區(qū)(圖2A)。

南極大陸是聯(lián)合古陸不斷裂離后的殘余產物,其大陸邊緣多為非活動型大陸邊緣,但在南極半島附近海域,由于古菲尼斯板塊的不斷俯沖,形成了以南設得蘭海溝為代表的活動型大陸邊緣[28]。南極陸緣發(fā)育有十余個中新生代沉積盆地[29-30],大多盆地具有時顯的裂谷盆地特征,是在張性構造環(huán)境下發(fā)育形成的,下伏的深大斷裂可以保證來自深部的熱能供給,為有機質轉變?yōu)榧淄榈葻N類的過程中起著催化劑的作用[31],同時,這些盆地大多被新生界冰川沉積所覆蓋[32],以及具有比其他大陸陸架坡折帶較深的水深(300—900 m)[33],具備天然氣水合物形成的溫壓條件。南極地區(qū)天然氣水合物調查和研究始于20世紀70年代,McIver[34]首次報道了南極陸緣存在天然氣水合物的信息。依據(jù)海洋地質、地球物理BSR和地球化學調查資料,推測天然氣水合物則可能主要存在于南設得蘭陸緣[35-39]、南極半島的太平洋陸緣[40-42]、羅斯海陸緣[34,43-45]、威爾克斯地陸緣[46-48]、普里茲灣陸緣[49-50]、里瑟-拉森海陸緣[51-52]和南奧克尼群島東南陸緣[53-54]。新近,王力峰等[31]根據(jù)天然氣水合物的熱穩(wěn)定性,利用國際地熱委員會數(shù)據(jù)庫資料,修正計算了天然氣水合穩(wěn)定帶底界深度的計算參數(shù),初步分析了南極陸緣盆地的天然氣水合物資源潛力并圈定出了天然氣水合物分布的有利分布區(qū)(圖2B)。Wadham等[55]依據(jù)南極冰川下的環(huán)境實驗數(shù)據(jù),利用模擬方法證實南極沉積海盆中具有甲烷水合物積累的潛能,計算結果顯示南極地區(qū)天然氣水合物資源量可能與新近北極凍土區(qū)的評估值在同一數(shù)量級。南極大陸95%以上的面積常年為巨厚的冰雪所覆蓋,同樣具備天然氣水合物形成的溫壓條件,但目前尚未發(fā)現(xiàn)有指示陸上天然氣水合物存在的報道。

圖2 極地天然氣水合物有利分布地區(qū).A—北極.深藍和淺藍色區(qū)分別指示陸上連續(xù)永久凍土帶和近??赡軞埓鎯鐾翈?,也是天然氣水合物存在的有利分布地區(qū),黃色區(qū)是海洋天然氣水合物存在的有利分布地區(qū),凍土帶分布資料引自文獻[1],北極海域天然氣水合物存在的有利分布區(qū)數(shù)據(jù)引自文獻[20,27];B—南極.黃色區(qū)是陸緣天然氣水合物存在的有利分布地區(qū),水合物分布資料引自文獻[31]Fig.2.Favorable geographical distribution for the accumulation of gas hydrates in the Polar Regions A—Arctic:dark blue and light blue areas indicate onshore continuous permafrost and offshore possible relic permafrost,respectively;the permafrostareasmay be favorable for the accumulation ofgas hydrates;yellow areas indicate the favorable area for the accumulation of gas hydrate in marine;source of permafrost data from[1]and source of gas hydrate distribution data from[20,27].B—Antarctic:yellow areas indicate the favorable area for the accumulation of gas hydrate in antarcticmargins;source of gas hydrate distribution data from[31]

極地天然氣水合物研究和勘查程度相比海洋水合物較為薄弱,盡管有關極地天然氣水合物礦藏的規(guī)模和資源量數(shù)據(jù)不是很多,但從已有估算結果來看,其資源量亦是非常巨大的(表1)。以美國阿拉斯加北坡為例,最新評估結果顯示阿拉斯加北坡未探明的技術可采天然氣水合物資源量介于(0.71—4.47)×1012m3,平均估算為 2.42×1012m3[1]。據(jù)美國能源部能源信息署資料,按照當前美國的能源消費速率,阿拉斯加北坡的水合物中的天然氣資源可滿足1億普通美國家庭10年對天然氣供熱的能源需求。極地如此規(guī)模巨大的天然氣水合物資源量,對未來極地國家的能源政策和其國內的能源供需關系將會產生重要影響。

表1 極地主要地區(qū)天然氣水合物礦藏資源量評估Table 1.Gas hydrate resource estimate in Polar Regions

1.2 極地國家天然氣水合物勘探開發(fā)現(xiàn)狀

自1970—1972年在極地多年凍土區(qū)獲取天然氣水合物實物樣品以來,科學家就開始對多年凍土區(qū)天然氣水合物的地質成因、地球物理和地球化學勘探方法、資源評估對氣候變化和環(huán)境的影響和天然氣水合物開采進行了研究[60]。距今,極地多年凍土區(qū)天然氣水合物研究有近50年的歷史,俄羅斯西伯利亞盆地的麥索雅哈氣田、加拿大馬更些三角洲和美國阿拉斯加北坡已成為目前極地凍土區(qū)天然氣水合物勘探開發(fā)和國際關注程度較高的三大地區(qū)。

1.2.1 俄羅斯麥索雅哈(Messoyakha)氣田

俄羅斯麥索雅哈氣田是凍土區(qū)水合物進行天然氣開采的第一個實例,是目前世界上唯一一個與深部天然氣田聯(lián)合的水合物商業(yè)化開采氣田。該氣田位于西西伯利亞的北部(圖2),毗鄰麥索雅哈河,在葉尼塞河入海口附近的北極圈地帶。該礦田在西西伯利亞的克拉通盆地內,其本身是一個12.5 km×19 km的大背斜,覆蓋面積達237 km2,凍土層厚度為420—480 m。地質資料顯示,麥索雅哈氣田的天然氣水合物礦藏儲層為伏于第四系沉積物之下的中侏羅統(tǒng)、白堊系-古新世的砂質粘土巖沉積,屬于Dolgan組的上部,構造圈閉的水合物層厚度約為84 m;孔隙度為16%—38%,平均為25%;殘余水飽和度為29%—50%,平均為40%;滲透率為10—1 000 mD,平均為125 mD;儲層溫度為8—12℃,壓力為7.8 MPa;孔隙水鹽度<15‰;氣體組成中甲烷含量為98.6%,乙烷含量為0.1%,丙烷含量為0.1%,二氧化碳含量為 0.5%,氮氣含量為 0.7%[7]。

麥索雅哈氣田于1969—2005年間,半連續(xù)采用注入化學劑法、降壓法以及兩種方法相結合進行天然氣水合物開發(fā)生產。其中采用降壓法開采試驗(圖3),保證了水合物長期的分解,并取得了較好的效果。具體可分為以下五個階段:第一階段(1969—1971年),該氣田儲層壓力尚未降到水合物的穩(wěn)定條件之下,開采的天然氣全部來自于下部的游離氣層;第二階段(1972—1975年),開采過程中的儲層壓力超過了單純開采游離氣所預測的儲層壓力,壓力偏移表明天然氣水合物開始分解,有部分天然氣產自于水合物層;第三階段(1976—1977年),產氣量絕大部分來自于水合物層;第四階段(1978—1981年),產氣量逐年下降,并最終停產,且隨著水合物層的持續(xù)分解,儲層壓力開始回升;第五階段(1982年以后),氣田開始轉入適度采氣階段,其產氣量主要來自于水合物層[61]。到2005年1月,麥索雅哈氣田生產的天然氣為12.6×109m3,其中6.9×109m3是隨儲層壓力降低水合物分解所產生的[7]。

麥索雅哈氣田天然氣水合物礦藏的開發(fā)有效地促進和推動了全球針對天然氣水合物的研究。該氣田的成功開采不僅證實天然氣水合物礦藏的存在,而且首次證明水合物商業(yè)化開發(fā)是真正可能的。同時,這種成功的天然氣水合物開采方法也表明通過先開采天然氣水合物層之下的游離氣層,使得儲層壓力降低,導致作為蓋層的水合物層分解并釋放出甲烷氣體,再經現(xiàn)有管道回收這些氣體在技術上是完全可行的,而且在這里降壓法生產無需增加投資,是非常經濟的,使得麥索雅哈氣田成為全球唯一商業(yè)性開采天然氣水合物的實例[62]。

圖3 麥索雅哈天然氣水合物礦藏儲層壓力和產量以時間為函數(shù)的變化圖[7]Fig.3.Production-reservoir pressure on development of Messoyakha gas hydrate deposit[7]

1.2.2 加拿大馬更些三角洲

馬更些三角洲位于加拿大西北部的永久凍土帶,是廣義的波弗特海-馬更些盆地的重要組成部分,是加拿大重要的油氣分布區(qū)域之一[63]。在地質構造上,該地區(qū)屬于北美大陸陸緣,是晚白堊世海底擴張形成的加拿大盆地和波弗特海的大陸邊緣。波弗特海陸坡馬更些三角洲的沉積層主要為快速沉積的陸源碎屑砂巖,含豐富的有機質。馬更些三角洲多年凍土區(qū)Mallik研究井位于加拿大西北部波弗特海沿岸(圖2),是目前世界上天然氣水合物研究井最密集的研究區(qū),天然氣水合物研究歷史超過30年。1970—1972年通過Mallik L-38鉆井記錄和鉆孔堵塞證實和發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物存在的證據(jù)[64]。1980—1990年間對該地區(qū)天然氣水合物資源進行調查和評估,開展了145個鉆孔調查,其中25個(17%)鉆孔證實了天然氣水合物的存在[65],天然氣水合物主要發(fā)育在多年凍土層下300—700 m深度范圍內,在92 GSC Taglu鉆孔中發(fā)現(xiàn)了在多年凍土層間發(fā)育有天然氣水合物[66]。1998年由加拿大地質調查局和日本國家石油公司(JNOC)牽頭,美國地質調查局、美國能源部、工業(yè)部門、高校以及政府研究機構參與,在Mallik L-38研究井場地開展了科學與工程聯(lián)合研究,并鉆取了Mallik 2L-38研究井,證實了該井存在5層水合物,初步估算Mallik區(qū)水合物的資源量相當于1.1億立方米的天然氣。隨后又完鉆 Mallik 3L-38,Mallik 4L-38和 Mallik 5L-38井[10]。研究結果顯示,Mallik區(qū)富含水合物的砂巖層埋深為890—1 106m,某些地層的厚度超過30 m,局部層位水合物飽和度高達80%[67]。

馬更些三角洲凍土帶水合物開發(fā)試驗計劃(Mallik計劃)是天然氣水合物開采技術試驗中最成功的?!癕allik 2002”項目主要目的在于評估天然氣水合物的生產潛力,以注熱法為主,并對短期降壓法進行了嘗試,取得了大量的現(xiàn)場試開采資料,由日本、加拿大、美國等多國50多個研究機構的200多位科學家參加。該項目在日本石油資源勘探公司施工的Mallik 5L-38天然氣水合物生產研究井(Mallik 3L-38和Mallik 4L-38觀測井)進行開發(fā)試生產,試圖通過降壓法和加熱法的短期試生產來證實從天然氣水合物中生產天然氣的可行性。由于試生產的目的是觀測水合物的原位響應及其生產模擬提供必不可少的技術參數(shù),因此這次試驗并未考慮商業(yè)可行性。試生產結果顯示,經過123.65 h的熱流循環(huán)后,總共生產出516 m3的天然氣[68]??梢姡瑔为毜募訜岱ɑ蚪祲悍ň苁顾衔锇l(fā)生分解并釋放出天然氣,但沉積物類型、水合物飽和度及其離水合物相平衡點的遠近程度均影響著水合物的生產過程[63]。同時生產工作中所使用的簡單熱水循環(huán)系統(tǒng)(圖4)的井底設備以及地面設備簡單可靠,在井底可以維持相對穩(wěn)定的溫度和壓力條件。雖然天然氣水合物分解后,地層中的水氣滲流會對熱量傳播有所貢獻,但由于分解范圍小,滲透性小,天然氣水合物分解所需能量主要以熱傳導的方式在天然氣水合物地層中傳播。由于這是控制性的短期試生產而不是長期試生產,這次試生產的總產出量相對較小,但這為以后長期試生產直至最終的開發(fā)奠定了基礎。進一步的模擬結果表明,由于水合物分解的吸熱效應和熱傳導過程中的消耗作用,簡單的垂直鉆孔熱開發(fā)方案似乎并不是將來大規(guī)模生產的有效方法。同樣,由于Mallik地區(qū)水合物層之下并不存在游離氣,單純的垂直鉆孔降壓法也不是可行的方法[63]。

圖4 Mallik 5L-38井天然氣水合物注熱法試生產循環(huán)流程示意圖[68]Fig.4.Schematic diagram of the gas production via thermal stimulation from Mallik 5L-38 gas hydrate production research well[68]

圖5 Mallik 2L-38井天然氣水合物降壓法試開采示意圖[70-71]Fig.5.Schematic diagram of the gas production via depressurization from Mallik 2L-38 gas hydrate production research well[70-71]

“Mallik 2007”項目起始于 2006年,終止于2008年,也稱作“Mallik 2006—2008”項目,主要目的在于采用降壓法對天然氣水合物進行較長期的試開采工作,并監(jiān)測試開采過程中天然氣水合物的地層響應,獲得了豐富的試開采和監(jiān)測資料,由日本石油、天然氣與金屬公司(JOGMEC)、加拿大自然資源部和Aurora學院負責執(zhí)行。該項目在Mallik 2L-38井的基礎上,改進后用于降壓法現(xiàn)場試生產,主要目的在于測量和監(jiān)測降壓法試生產過程中陸地環(huán)境(凍土環(huán)境)下天然氣水合物地層的響應。該項目現(xiàn)場試生產采用降壓法(圖5),天然氣水合物分解所需熱量主要來源于水合物地層。天然氣水合物地層的溫度和水合物地層中未分解區(qū)域向水合物地層分解區(qū)域的導熱量控制著天然氣水合物降壓法試生產的產氣量。降壓法試生產的天然氣水合物分解產生的水氣兩相滲流方向與熱傳導方向相同,大大增加了熱傳導的效率,提高了天然氣水合物分解產氣效率。水氣兩相滲流主要受天然氣水合物地層有效滲透率的影響,且隨著天然氣水合物的分解,水合物地層的有效滲透率會不斷增大,不斷提高熱傳導效率。2007年度試生產以降壓法為主、注熱法為輔,經12.5 h,累計生產天然氣830m3[69]。2008年度試生產采用降壓法,經139 h,累計生產天然氣13 000m3,日產氣量為2 000—4 000 m3[70]。降壓法試生產結果表明,水合物中的持續(xù)生產是可以單獨由降壓法實現(xiàn),降壓法具有較高的產生效率,是今后天然氣水合物大規(guī)模商業(yè)化開采的首選方式。在生產方面,降壓法試生產也存在著一些問題,其中最主要的問題是降壓法引起的流沙問題,隨分解產生的水氣滲流運移出來的沙子可能堵塞管道,引起降壓泵的失靈等,其次,降壓法試生產引起的地層溫度的降低也會導致地層水結冰以及分解產氣和水再次形成水合物,減小水合物地層的有效滲透率,降低天然氣水合物分解產氣效率,這些問題還需要繼續(xù)研究,來不斷探索開采天然氣水合物的最優(yōu)化方法。

1.2.3 美國阿拉斯加北坡

20世紀90年代進行的為期5年的調查顯示,美國阿拉斯加北部的普羅德霍灣和庫帕勒克地區(qū)、阿拉斯加北部斜坡區(qū)及其海域都蘊藏豐富的水合物。美國在普羅德霍灣油田和庫帕勒克油田地區(qū)鉆井特征表明,普羅德霍灣存在天然氣水合物/游離氣的情況與俄羅斯的麥索雅哈氣田相似。該地區(qū)天然氣水合物穩(wěn)定帶的上界大約為210—240 m,在普羅德霍灣天然氣水合物穩(wěn)定帶厚度最大超過了1 000 m,平均深度范圍為 210—950 m[57]。1998年由美國地質調查局、加拿大地質調查局以及日本國家石油、天然氣與金屬公司聯(lián)合在該區(qū)開展天然氣水合物研究井和開采試驗計劃。2003—2004年美國能源部資助開展了“Hotice-1”項目,開展多年凍土區(qū)天然氣水合物的室內和現(xiàn)場試驗研究。一個最重要的發(fā)展是于2007年在阿拉斯加北坡的Milne Point地區(qū)施工完成的Mount Elbert天然氣水合物試驗井,位置見圖2。該井在下-中始新統(tǒng)Sagavanirktok組的海相和非海相沉積物中發(fā)現(xiàn)兩個主要的含天然氣水合物層砂層,含水合物層飽和度為60%—75%[72]。利用降壓法對該井進行天然氣水合物生產測試的結果顯示,當井壓高于水合物穩(wěn)定壓力時,原地有效滲透率范圍在0.12—0.17 mD;當井壓降低到水合物穩(wěn)定壓力以下時,孔隙空間中的水合物發(fā)生分解,有效滲透率增加[71]。此次試驗與加拿大Mallik工程一起,首次對天然氣水合物生產技術和觀念進行了合理評估。

2012年,美國能源部和日本國家石油、天然氣與金屬公司以及康菲石油共同合作,利用2011年由康菲石油和美國能源部化石能源局國家能源技術實驗室在普羅德霍灣地區(qū)實施完成的“Ig·nik Sikumi”天然氣水合物試驗井,開展了一項甲烷水合物開采創(chuàng)新技術—利用注入CO2法進行水合物生產。其原理是,在一定的溫度條件下甲烷水合物保持穩(wěn)定所需要的壓力要比CO2水合物更高,在某一特定的壓力范圍內CO2水合物更易于形成并保持穩(wěn)定,而甲烷水合物則會分解。具體手段是向甲烷水合物層注入CO2,CO2氣體就可能與天然氣水合物分解出的水生成CO2水合物,這種作用釋放出的熱量可促使天然氣水合物的分解反應得以持續(xù)進行,甲烷水合物被CO2不斷置換,從而達到釋放和采集甲烷的目的(圖6)。與天然氣水合物試生產注入階段相關的野外試驗開始于2012年2月15日,完成于2月28日。在這期間成功向水合物飽和的砂巖層注入約6 000 m3的CO2和N2混合氣體,累計生產天然氣量約3×104m3[73]。測試結果顯示,這種混合氣能促進天然氣生產,從甲烷水合物中能安全地獲取到穩(wěn)定的天然氣流,同時所獲得的大量數(shù)據(jù)還將被用來分析和測定天然氣水合物儲層中同步CO2存儲效率,而且為評估各種不同的天然氣水合物生產工藝提供了關鍵性的信息。該項試驗的完成,被美國能源部宣稱為一項成功的、史無前例的試驗技術。

2 極地國家天然氣水合物研究開發(fā)政策

圖6 Ig·nik Sikumi井利用注入CO2法進行水合物生產的原理圖Fig.6.Schematic diagram of the gas production via injecting CO2 from Ig·nik Sikumigas hydrate production research well

在極地資源開發(fā)的國際背景下,美國、加拿大和俄羅斯等國家對天然氣水合物作為一種潛在的戰(zhàn)略性能源所持態(tài)度有所不同。天然氣水合物作為未來能源的商業(yè)可行性主要取決于市場上能源,特別是天然氣中長期的供需關系和價格。受全球天然氣需求的快速增長和天然氣儲采比衰減的影響,美國從2000年開始,便制訂了與甲烷水合物有關的未來美國能源政策[74]。進入21世紀以來,天然氣水合物研究已進入開采試驗階段,美國針對本國極地區(qū)域水合物和海洋水合物制定了較為長遠的研究和開發(fā)計劃。從2001—2012年,美國共投入1.27億美元開展與天然氣水合物有關的研究,其中用于水合物特征研究和開采方面的經費分別高達5 400萬美元和5 200萬美元[75]。在未來的10—20年,美國將繼續(xù)進行陸上和海底的試驗開采,在未來的20—30年,將是天然氣水合物進入商業(yè)開采的關鍵時期。從美國2012—2020年的天然氣水合物開發(fā)和研究規(guī)劃(表2)來看,繼續(xù)開展阿拉斯加地區(qū)的天然氣水合物開采試驗研究仍將是美國水合物研究的一個重要方向。當開采技術成熟、設備完備時,美國不排除對該地區(qū)盡早進行工業(yè)開采的可能。

加拿大雖然擁有Mallik凍土區(qū)和Cascadia邊緣海兩大世界上水合物研究最為集中的地方,并在水合物化學結構和物理特征研究領域具有很高的權威性,但與美國相比,加拿大在天然氣水合物作為一種潛在能源方面只有非常小的工業(yè)投資。盡管加拿大在Mallik地區(qū)開展了高質量的天然氣水合物開采試驗(Mallik 2002和Mallik 2007項目),但是對于其沿海和凍土區(qū)仍沒有進行全面的天然氣水合物調查研究,至今沒有國家級的涵蓋實驗室和野外調查研究的天然氣水合物研究和開發(fā)計劃,僅是政府科學家們與高校以及工業(yè)界研究者們開展的一些正式或非正式的合作。一直以來,加拿大對于天然氣水合物開發(fā)預期持相對保守的態(tài)度。面對全球天然氣水合物發(fā)展的新機遇和挑戰(zhàn),2008年,加拿大科學院委員會提出了加拿大政府未來參與水合物研究和開發(fā)的途徑,指出科學研究和有限開發(fā)途徑以及重點針對性研究和開發(fā)途徑雖然存在一些金融風險,但會使加拿大在全球天然氣水合物研究和開發(fā)領域保持較強的競爭力,同時還指出,進行重點針對性研究和開發(fā)天然氣水合物能有效降低未來碳排放,也是北美能源安全更放心的最佳選擇之一[77]。加拿大政府考慮到天然氣水合物商業(yè)潛力存在巨大不確定性和風險,目前提供的財政資金主要用于開展本國天然氣水合物資源勘查,圈定資源分布范圍和評價開采潛力,開展天然氣水合物開發(fā)技術和與開采水合物有關的環(huán)境研究,并進一步評估水合物開發(fā)成本、風險和利益。同時,鼓勵參與更多的國際合作和出口與水合物開發(fā)相關的儀器、鉆探和陸上工藝新技術[77]。新近,在全球持續(xù)的頁巖氣勘探開發(fā)熱潮的背景下,加拿大再次放慢了天然氣水合物研究開發(fā)步伐。2013年3月,加拿大自然資源部宣布中止有關開采甲烷水合物研究方面的財政資金資助,但不包括有關海洋天然氣水合物勘探和與水合物有關的氣候響應研究項目,并預言加拿大下一步將進行一個長期性(6個月—1年)的生產試驗,但具體的進行時間沒有透露??梢?,加拿大對這種潛在商業(yè)化能源的興趣和熱度在逐漸減弱。

表2 美國2012—2020年天然氣水合物研究和開發(fā)計劃[76]Table 2.U.S.gas hydrate research and development planning from 2012 to 2020[76]

俄羅斯是最早發(fā)現(xiàn)和全方位開展天然氣水合物資源調查評價的國家之一。即使當前國內經濟比較困難,仍堅持在巴倫支海、鄂霍茨克海等海域以及貝加爾湖進行天然氣水合物調查研究工作,在凍土區(qū)則多集中于對甲烷氣體釋放的環(huán)境監(jiān)測和效應研究,目前尚沒有公布明確的官方極地天然氣水合物研究和開發(fā)規(guī)劃。新近,俄羅斯在北極、鄂霍次克海、黑海等地區(qū)建立了用于勘探和監(jiān)測水合物的水聲納系統(tǒng),并在鄂霍次克海-日本海域發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。除此而外,俄羅斯、日本和韓國合作在撒哈林斜坡正在開展一項國際性的天然氣水合物研究項目[78]。

3 對中國的啟示和建議

3.1 中國天然氣水合物勘查開發(fā)現(xiàn)狀

自1999年開始,中國先后開展了南海、東海、陸上凍土區(qū)和國際海底區(qū)域天然氣水合物的調查研究,相繼發(fā)現(xiàn)了一系列地質、地球物理和地球化學異常標志[12]。初步調查結果顯示,中國南海、東海和青藏高原、東北漠河凍土區(qū)具備較好的天然氣水合物形成條件和找礦前景,先后在南海北部的神狐、東沙海域和青海祁連山木里凍土區(qū)(圖2)成功鉆獲天然氣水合物樣品,取得了找礦工作的重大突破,并顯示出良好的找礦前景[6,12,79]。據(jù)國土資源部初步測算,2013年在南海北部東沙海域發(fā)現(xiàn)的可燃冰,僅其55 km2內的資源量就達1 500億立方米,相當于陸上一個特大型常規(guī)天然氣田[79]。可見,中國海陸域天然氣水合物資源潛力巨大。近年來,中國在陸域天然氣水合物試采方面也取得了一些重要進展。2011年度,中國地質調查局針對祁連山凍土區(qū)天然氣水合物進行了試采,運用自然降壓法和加熱法進行了首次試采,取得了中國陸上凍土區(qū)水合物試采的重大突破,并初步掌握了試采的關鍵技術。

3.2 啟示和建議

從目前主要極地國家天然氣水合物勘查開發(fā)現(xiàn)狀和相關國家政策來看,美國已將極地天然氣水合物列為一種長期的、具有戰(zhàn)略性的能源,對于未來實現(xiàn)天然氣水合物商業(yè)化生產所持有的熱度最高,阿拉斯加北坡凍土區(qū)的天然氣水合物有可能最先實現(xiàn)商業(yè)化生產。新近在阿拉斯加北坡成功完成的利用CO2置換法進行水合物試開采試驗,雖然比傳統(tǒng)的降壓法、加熱法和化學抑制劑法投資要高,但總體來說,能耗相對較少,而且還屬于一種環(huán)保的綠色開采方式,既實現(xiàn)了天然氣水合物中甲烷氣體生產,又實現(xiàn)了大氣中的碳埋藏。可以預見,當真正實現(xiàn)天然氣水合物商業(yè)化生產時,其開采技術將具有更高的科技含量。由此美國可能會因其開采技術優(yōu)勢再次引領全球掀起一場新能源革命的浪潮。

基于中國天然氣水合物勘查開發(fā)現(xiàn)狀,為防止未來在天然氣水合物商業(yè)化開發(fā)中產生被動以及對于極地天然氣水合物資源的戰(zhàn)略性考慮,中國一方面應堅持海陸域水合物勘查開發(fā)并舉的戰(zhàn)略規(guī)劃長期不變,發(fā)揮中國陸域凍土區(qū)資源和地理優(yōu)勢,加強國際水合物開采技術的交流與合作,加快本土凍土區(qū)水合物的試開采試驗,爭取在開采工藝上有所突破和創(chuàng)新,總結出適用于凍土區(qū)水合物經濟可行的開采方法,進一步為海域天然氣水合物商業(yè)開發(fā)提供經驗和技術。在開采技術方面的自主創(chuàng)新將會成為中國參與極地水合物開發(fā)中的一個很好的介入點。新近,日本在其東南部海域成功實現(xiàn)海底水合物試采就是一個開采技術創(chuàng)新的例子。日本通過長期與加拿大、美國合作在極地凍土區(qū)開展了一系列的試生產試驗,利用學習和積累來的生產經驗,結合本國海域水合物礦藏條件,通過開采技術創(chuàng)新成功的實現(xiàn)了海底水合物的試采,加速了日本實現(xiàn)海洋水合物商業(yè)化開發(fā)進程。目前,日本通過掌握水合物關鍵性開發(fā)技術已成為極地國家未來水合物開采過程中不可或缺的合作伙伴。

另一方面大力鼓勵國內大型油氣公司,通過以合作、參股或并購的形式積極參與極地油氣田開發(fā),為參與未來的天然氣水合物開發(fā)搶占先機。以韓國為例,2011年首次取得北極圈資源的開發(fā)權,并成功收購加拿大能源公司MGM擁有的位于馬更些三角洲地區(qū)的Umiak氣田20%的股份,以此為契機作為其參與開發(fā)北極圈的跳板。2012年,韓國會同加拿大、美國在北極波弗特海的加拿大專屬經濟區(qū),利用韓國“ARAON”號破冰船開展了有關永久凍土層、天然氣水合物分布以及甲烷排放對環(huán)境影響方面的勘探活動,再次為開拓北極圈做準備,并預測在波弗特海能夠穩(wěn)妥推進天然氣水合物等能源資源開發(fā),等實現(xiàn)商業(yè)化生產時將有助于韓國能源企業(yè)參與其中。

再一方面,極地天然氣水合物是以亞穩(wěn)定態(tài)存在于極地凍土區(qū)和海底,其所含的甲烷是全球變暖的一種潛在的重要來源,并且,分解后會產生大量游離氣,增加沉積層的孔隙壓力,降低海底地層的膠結強度,使得含氣沉積層的抗剪強度和承載能力降低,有可能引發(fā)滑坡、地層塌陷等地質災害,成為開發(fā)利用過程中不可忽視的生態(tài)和環(huán)境問題。新近,美國宇航局地球觀測站公布的衛(wèi)星照片顯示,美國阿拉斯加北部北冰洋冰蓋上存在一些裂縫,經研究發(fā)現(xiàn),海洋表面已成為新增甲烷的潛在來源,海水表層的甲烷從這些裂縫釋放到空氣中。因此,中國還應著力加強與環(huán)北冰洋國家合作開展甲烷環(huán)境氣候效應研究,評估未來極地水合物開發(fā)利用過程中可能會引起的環(huán)境影響。

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極地之星
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