湯曉勇 陳俊文 郭艷林 梁法春 王 馳

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院， 山東 青島 266580

0 前言

天然氣水合物(可燃冰)是由水分子和氣體分子(烴類為主)在合適的溫度壓力作用下形成的類冰狀化合物,主要分布在深海的沉積物或陸域永久凍土層中,具有非化學(xué)計(jì)量性、相平衡特性、籠體結(jié)構(gòu)的特殊穩(wěn)定性、自保護(hù)特性等性質(zhì)。形成水合物的氣體組分包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷以及它們的同系物等烴類氣體和少數(shù)非烴類氣體,這些氣體分子存在于由水分子構(gòu)成的籠形空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)。由于形成天然氣水合物的烴類物質(zhì)主要是甲烷(含量>99%),因此通常又稱甲烷水合物[1]。

可燃冰中蘊(yùn)含了巨大的天然氣資源,1 m3可燃冰相當(dāng)于160～180 m3(標(biāo)準(zhǔn))的天然氣,以此估算,全球可燃冰礦藏中儲(chǔ)藏了約1.8×1016～2.1×1016m3天然氣資源,其總量相當(dāng)于全球已探明常規(guī)化石燃料總碳量的2倍,因此可燃冰有望改善現(xiàn)有以煤炭、石油等非清潔能源主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu),目前對(duì)可燃冰的研究受到了世界各國(guó)的高度重視。

1 可燃冰開采技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前已經(jīng)提出的可燃冰開采方法較多,具有代表性的包括降壓法、注熱法、置換法、化學(xué)抑制劑注入等。由于生產(chǎn)條件的限制,可燃冰開采研究尚主要集中在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面。

1.1 降壓法

降壓法是通過抽取地下水或氣舉等手段使水合物儲(chǔ)層壓力降低,當(dāng)水合物壓力降至平衡壓力以下時(shí)會(huì)自發(fā)地發(fā)生分解,從而實(shí)現(xiàn)水合物的開采。降壓法開采見圖1，由于其操作相對(duì)簡(jiǎn)單,并且可以相對(duì)快速地促使大量天然氣水合物分解,該方法被認(rèn)為是最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的可燃冰開采方法。同時(shí),需要注意的是,降壓法開采過程中容易引起儲(chǔ)層溫度過低,從而引發(fā)結(jié)冰或者水合物二次生成的現(xiàn)象,造成滲透路徑的堵塞,影響開采效率,因此需考慮合理手段予以緩解。

1.1.1 降壓法室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

Yousif M H和Sloan E D[2-3]利用Berea砂巖的巖心作為載體生成了天然氣水合物，并進(jìn)行了降壓分解實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證了在巖心內(nèi)生成的天然氣水合物分布均勻且穩(wěn)定，分解過程中存在較為明顯的分解前緣；水合物分解速度受分解壓差和分解過程中的驅(qū)動(dòng)力影響，且呈現(xiàn)正相關(guān)規(guī)律。

Kono H O[4]等人在實(shí)驗(yàn)溫度273.5 K，壓力范圍6.8～13.6 MPa的情況下，對(duì)不同粒徑多孔介質(zhì)中水合物的生成和降壓分解過程進(jìn)行了研究。通過減壓法測(cè)量分離速率，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)了動(dòng)力學(xué)解離速率方程和反應(yīng)順序。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可以通過控制沉積物的性質(zhì)來調(diào)節(jié)解離速率，并推導(dǎo)了反應(yīng)速率方程。

Hong Huifang[5]使用實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)具有下伏氣的水合物藏進(jìn)行降壓分解實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)了地層性質(zhì)、操作條件和動(dòng)力學(xué)行為等對(duì)分解的影響。

Lee J等人[6]用長(zhǎng)30.4 cm,直徑3.81 cm,孔隙度31%的Berea巖心生成水合物,并依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出了降壓幅度與水合物分解的關(guān)系。

馮自平等人[7]通過對(duì)多孔介質(zhì)中水合物的降壓分解模擬實(shí)驗(yàn)初步建立了降壓分解的數(shù)學(xué)模型。

李淑霞等人[8]利用模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)包含水合物的沉積物體系進(jìn)行降壓實(shí)驗(yàn),得出了降壓分解影響因素。

Taewoong A等人[9]在實(shí)驗(yàn)中利用25 cm泥層和 50 cm 的砂層來進(jìn)行泥沙混合層的模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)對(duì)飽和度為50%的甲烷水合物進(jìn)行降壓分解,結(jié)果表明產(chǎn)水先于產(chǎn)氣且氣體擴(kuò)散會(huì)加速水的流動(dòng)。

由此可見,前人通過實(shí)驗(yàn)對(duì)水合物的生成過程以及降壓法開采水合物的影響因素進(jìn)行了較為深入的研究,揭示出分解壓差、降壓幅度、水合物孔隙率等因素均會(huì)影響開采速率,并形成了水合物分解速率的計(jì)算公式。后續(xù)還需對(duì)提高降壓法開采速率和防治降壓開采過程中可能出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)、儲(chǔ)層變形等問題展開研究。

1.1.2 降壓法數(shù)值模擬研究

Burshears[10]在前人研究的基礎(chǔ)上建立了用于具有下伏氣藏特點(diǎn)的天然氣水合物的降壓開采模型，建立了對(duì)應(yīng)的溫度分布和邊界條件約束，并對(duì)孔隙介質(zhì)中的流體流動(dòng)進(jìn)行描述。研究成果揭示了該種生產(chǎn)方式下的產(chǎn)量規(guī)律、水合物分解特征等問題。

Yousif M H等人[11]基于等溫降壓過程，建立了多孔介質(zhì)中水合物分解和分解產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)模型，以質(zhì)量流量作為各種狀態(tài)表征值，實(shí)現(xiàn)了地層中水合物、天然氣和原態(tài)水的飽和度分布模擬，同時(shí)可用于開發(fā)過程中天然氣、分解水的時(shí)域流量分析。模擬結(jié)果接近實(shí)驗(yàn)下的Berea巖心結(jié)果。

陳科等人[12]以均一孔隙度為前提，建立了包含分解區(qū)、水合物區(qū)和分解完全區(qū)的水合物降壓分解模型，考慮了氣相和水相的流動(dòng)和水合物分解過程熱力學(xué)交換問題。對(duì)分解前緣的壓力、溫度變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)，揭示了分解區(qū)、水合物區(qū)和分解完全區(qū)的溫降比對(duì)規(guī)律和水合物飽和度分布規(guī)律。

白玉湖等人[13]建立了開采下伏氣的水合物藏降壓開采模型，綜合考慮了氣-水-水合物-冰相多相滲流過程、水合物分解動(dòng)力學(xué)過程、水合物相變過程、冰-水相變過程、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、滲透率變化等對(duì)水合物分解的影響，亦基于模型分析了降壓過程中下伏氣、水合物藏中溫壓變化規(guī)律和飽和度特征，提出了下伏氣的開采可有效延長(zhǎng)水合物藏的開采時(shí)間和提高產(chǎn)量。

Shahbazi A[14]建立了包含氣、水、水合物、冰的三維水合物藏降壓開采模型。該模型綜合考慮了降壓開采中基于介質(zhì)熱傳導(dǎo)和氣水滲流的水合物分解動(dòng)力學(xué)、水合物二次形成等問題，可以較為精確地實(shí)現(xiàn)第三類水合物藏的開采模擬。

周小玲等人[15]利用Masuda滲透率模型,通過對(duì)水合物儲(chǔ)層降壓分解的數(shù)值模擬,獲得了不同時(shí)間點(diǎn)儲(chǔ)層中流體的分布情況以及分解過程中溫度和壓力的變化情況。

從降壓法開采模擬報(bào)道來看，對(duì)降壓法的數(shù)值模擬研究通常以Kim-Bishnoi動(dòng)力學(xué)模型描述水合物相變過程，熱力學(xué)條件、地層壓力變化、地層滲透性等是模擬中的主要考慮因素。

目前,Mallik凍土區(qū)、日本Nankai海槽、以及我國(guó)南海海域水合物的現(xiàn)場(chǎng)試采均采用了降壓法,證明了其在水合物開采方面的可行性和適用性。

1.2 注熱法

注熱法是通過某種方式提高水合物儲(chǔ)層溫度,使其高于水合物存在的平衡溫度而使水合物分解。注熱法開采見圖2,表1列舉了常見注熱法及其優(yōu)缺點(diǎn)。

注熱過程中消耗的熱量主要用于儲(chǔ)層巖石升溫、水合物孔隙間流體升溫、水合物分解吸收以及外界傳熱;在這一過程中,除了水合物分解吸熱以外,其他熱量的損失存在浪費(fèi)問題,同時(shí)因?yàn)閮?chǔ)層中巖石的存在以及孔隙流體導(dǎo)熱率的限制,熱量的傳播范圍十分有限,難以到達(dá)離生產(chǎn)井較遠(yuǎn)的位置。種種原因?qū)е伦衢_采的效率一般較低,在目前已知的現(xiàn)場(chǎng)開采過程中,注熱法很少單獨(dú)使用,一般配合其他開采方式,作為誘發(fā)水合物儲(chǔ)層前期快速分解的手段。

圖2 注熱法開采示意圖

表1 不同注熱開采方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

Tab.1 Advantages and disadvantages of different thermal injection mining methods

方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)注入熱流體簡(jiǎn)單可循環(huán)利用效率低電磁加熱加熱迅速、易于控制需要大量的能量來源且設(shè)備復(fù)雜微波加熱易于控制、通過波導(dǎo)管傳輸缺乏大功率磁控管太陽(yáng)能加熱高效、清潔、無(wú)污染易受氣候變化影響

1.2.1 注熱法室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

唐良廣等人[16-18]通過改變注熱水速率和溫度研究水合物分解過程的產(chǎn)氣產(chǎn)水規(guī)律,得出注水溫度與分解產(chǎn)氣速度的大小無(wú)關(guān)但會(huì)影響達(dá)到最大產(chǎn)氣速度的時(shí)間。同時(shí)還研究了影響開采能量效率的外部因素以及水合物自身因素。

Pang W X等人[19]在10 L的反應(yīng)釜中進(jìn)行了注熱水法開采實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中水合物處于0.1 MPa的封閉釜內(nèi),隨后向釜內(nèi)注入熱水誘發(fā)水合物分解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了注水溫度、注水量、壓力對(duì)分解過程的影響,證實(shí)了注熱對(duì)低壓狀態(tài)下水合物分解的促進(jìn)作用。

黃瑞[20]通過注熱水驅(qū)替實(shí)驗(yàn)對(duì)不同飽和度、不同初始溫度的水合物注熱水開采進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出了在不同情況下的最佳注熱水速度、溫度和時(shí)間。

通過實(shí)驗(yàn)研究,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)水合物飽和度、注熱水溫度、注熱水速率以及環(huán)境壓力等因素都會(huì)對(duì)注熱開采過程中水合物的分解效率和產(chǎn)氣率產(chǎn)生影響,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)高壓環(huán)境有助于熱水向儲(chǔ)層內(nèi)部運(yùn)移,但也會(huì)引發(fā)壓力聚集,導(dǎo)致水合物分解區(qū)生成次生水合物。

1.2.2 注熱法數(shù)值模擬研究

McGuire P L[21]模擬研究了通過注入熱水或蒸汽從水合物沉積物中生產(chǎn)天然氣的兩種方法，并探討了水力壓裂和減壓作為水合物氣體生產(chǎn)技術(shù)的可行性，同時(shí)還描述了適用于水合物儲(chǔ)層的水力壓裂技術(shù)。

Selim M S等人[22]提出了一種多孔介質(zhì)在熱刺激下的水合物分解模型。該模型將分解視為邊界處產(chǎn)生了氣體和水。該邊界將含有氣體和水的分解區(qū)與含有水合物的未分解區(qū)分開。推導(dǎo)了守恒方程的相似解，可用于數(shù)值計(jì)算。針對(duì)模擬飽和蒸汽和熱水熱刺激的兩種情況，給出了模擬過程中的熱通量，溫度曲線和氣體壓力分布。

Moridis G J等人[23-24]建立了水合物分解的平衡模型和動(dòng)力學(xué)模型,可以針對(duì)降壓法、注熱法、化學(xué)抑制劑注入法進(jìn)行模擬。Moridis G J提出對(duì)于1類水合物藏單獨(dú)降壓開采即可,Ⅱ類水合物藏可以利用下伏自由水進(jìn)行注熱開采,Ⅲ類水合物藏需要降壓和注熱聯(lián)合開采。

唐良廣等人[25]基于推導(dǎo)的熱力作用下水合物地層溫度分布，發(fā)展了評(píng)價(jià)熱力法開采天然氣水合物的熱效率和能量效率的模型。

李淑霞等人[26]基于水合物藏?zé)崃﹂_采的機(jī)理，建立了數(shù)學(xué)模型并編制了軟件，對(duì)影響水合物藏注熱開采效果的參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。研究結(jié)果表明，分解前緣移動(dòng)速度和累積產(chǎn)氣量主要受孔隙度、注熱溫度、初始水合物飽和度、水合物藏初始溫度、分解區(qū)導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的影響，而未分解區(qū)的熱力學(xué)參數(shù)對(duì)注熱開采影響不大。

由于注熱開采過程涉及的物理量較多,相關(guān)的相變、傳熱傳質(zhì)問題較為復(fù)雜,目前還沒有一個(gè)模型能夠?qū)⑺械淖兞堪趦?nèi),但通過之前的研究,已經(jīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中得出的影響因素進(jìn)行了驗(yàn)證,并對(duì)注熱開采的能量效率問題進(jìn)行了優(yōu)化。2002在加拿大Mallik地區(qū)開展的試采表明，注熱法的熱量滲透率較低,損失較大,但可作為防止井筒水合物堵塞的輔助方法。如果可以解決熱量損失大、能源利用率低的問題,注熱法還是擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1.3 置換法

置換法是利用了CO2或比甲烷更容易形成水合物的流體將甲烷置換出來,其開采原理見圖3。置換過程中釋放的熱量可以促進(jìn)水合物分解并驅(qū)使擴(kuò)散的氣體填充到地層孔隙中。置換過程不牽扯相變,因此較為安全,同時(shí)可以將溫室氣體封存海底,緩解陸地的溫室效應(yīng)。故該方法提出后引起了相關(guān)研究人員極大的興趣。但研究后發(fā)現(xiàn)該方法置換效率不高,置換所需條件較為苛刻,同時(shí)CO2容易滲透到開采井中,帶來新的分離問題。目前置換法的商業(yè)應(yīng)用較少,但一直是研究熱門。

圖3 置換法開采示意圖Fig.3 Schematic diagram of displacement mining method

置換法的設(shè)想最初由Ebinuma T[27]在1993年提出,1996年Ohgaki證明了向CH4水合物體系中加入CO2依然可以建立新的平衡體系,論證了置換法的可行性。

Hirohama S等人[28]在274 K、4～5 MPa狀態(tài)下使用液態(tài)CO2實(shí)施甲烷水合物的置換實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果：CH4在液態(tài)CO2中的逸度低于初始水合物中的逸度水平，同時(shí)CO2的逸度遠(yuǎn)高于初始形成的CO2水合物；產(chǎn)生的CO2水合物可能會(huì)影響CH4、CO2以及H2O的物質(zhì)傳遞，降低開采效率。

Ota M等人[29]采用液態(tài)CO2進(jìn)行CH4水合物置換開采實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)壓力在3.2 MPa以上時(shí),甲烷回收率隨壓力增加而增加,當(dāng)壓力增大到6 MPa時(shí),甲烷回收率趨于穩(wěn)定,不再隨壓力增大而變化。Ota M認(rèn)為置換過程甲烷回收率與CO2相態(tài)環(huán)境以及壓力有關(guān),液態(tài)CO2的置換率更高。

周薇等人[30]改變CO2的注入壓力研究了置換開采過程CH4水合物的置換率以及置換速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)CO2注入壓力在3.97～4.84 MPa時(shí)，CH4置換率與置換速率隨著CO2注入壓力而增大。

李遵照等人[31]考察了壓力為2.8 MPa和3.25 MPa，溫度在271.2～276.1 K范圍內(nèi)的CO2氣體置換開采過程。結(jié)果表明,溫度對(duì)置換速率有明顯影響,尤其當(dāng)溫度在冰點(diǎn)以上時(shí),置換溫度升高可顯著提高置換開采速率。

閆素貞[32]采用煙氣置換CH4實(shí)驗(yàn),研究不同濃度CO2-N2在不同壓力和溫度條件下的置換過程。結(jié)果顯示，煙氣在相同溫度和壓力下,CO2濃度越高,置換效率越高。

目前主要是采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)置換法開采進(jìn)行研究,環(huán)境壓力對(duì)置換效率的影響規(guī)律。在數(shù)值模擬方面的研究主要集中在置換法的開采機(jī)理上,對(duì)于置換過程涉及到的傳質(zhì)現(xiàn)象以及本構(gòu)模型的建立還較為欠缺。目前常用的置換方式有兩種,第一種為從一個(gè)井口注入CO2,并從另一個(gè)井口對(duì)甲烷氣體進(jìn)行抽取;第二種為從一個(gè)井口注入CO2,閉井一段時(shí)間以供CO2和甲烷氣體充分置換,隨后再進(jìn)行甲烷氣體的抽取。如何提高置換效率和置換速率將是該方法的最大挑戰(zhàn)。

1.4 化學(xué)抑制劑注入法

化學(xué)抑制劑注入法通過向水合物礦藏中注入化學(xué)試劑,破壞連接水合物分子間的氫鍵同時(shí)改變水合物存在的相平衡條件,促進(jìn)水合物分解[33],其開采原理見圖4。經(jīng)驗(yàn)證,該方法可以提高天然氣產(chǎn)量,在開采初期可以很低的能量注入即實(shí)現(xiàn)水合物的分解。但是抑制劑價(jià)格較昂貴,經(jīng)濟(jì)性較差[34-35],同時(shí)抑制劑對(duì)地下水和海洋生態(tài)環(huán)境都會(huì)帶來不良的影響,所以該方法的使用受到了限制。

研究人員通過實(shí)驗(yàn)對(duì)化學(xué)抑制劑注入法進(jìn)行了研究,Kawamura T等人[33]將甲醇溶液注入水合物巖芯中并記錄水合物分解過程。實(shí)驗(yàn)中改變了甲醇溶液濃度和溫度參數(shù),得出了水合物分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

Sira J H等人[36]研究了乙二醇(ethylene glycol)和甲醇(methanol)溶液注入后的水合物分解特征和開采規(guī)律。研究結(jié)果表明，水合物分解的瞬時(shí)速率是抑制劑濃度、抑制劑注入速率、壓力、抑制劑溶液溫度和水合物與抑制劑界面(接觸)面積的函數(shù)。

Fan Shuanshi等人[37]同樣進(jìn)行了注入乙二醇(ethylene glycol)分解水合物實(shí)驗(yàn)，得出了分解速度與乙二醇注入速度以及試劑濃度的關(guān)系，且較高的乙二醇濃度下，分解所需的能量更低。

可燃冰礦藏存在的特殊地質(zhì)環(huán)境,要求抑制劑不僅可以破壞水合物的相平衡條件,同時(shí)需要兼具穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。此外對(duì)海洋環(huán)境的影響以及開采過程的投入產(chǎn)出比也是研發(fā)人員關(guān)心的重點(diǎn)?，F(xiàn)已研制出的新型水合物抑制劑理論上可以實(shí)現(xiàn)以更低的濃度達(dá)到誘發(fā)水合物分解的效果,在室內(nèi)這驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試采方面具有極大潛力。

1.5 固態(tài)流化法

固態(tài)流化開采是近幾年提出的新型水合物開采方法,對(duì)非成巖類型的可燃冰具有很高的開采效率。該方法的開采原理:利用采掘設(shè)備直接開掘固態(tài)可燃冰,隨后將水合物沉積物粉碎成小顆粒,再與海水通過密閉的立管輸送至海洋平臺(tái),在海上平臺(tái)對(duì)獲得的水合物固體或漿體進(jìn)行后處理,見圖5[38]。該方法實(shí)現(xiàn)了原位固態(tài)開發(fā),降低了可燃冰分解引起工程地質(zhì)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),也在一定程度避免了溫室效應(yīng)。

圖5 固態(tài)流化法開采示意圖Fig.5 Schematic diagram of solid fluidization mining method

我國(guó)南海海域可燃冰埋深淺,膠結(jié)度弱,易于碎化,非常符合固態(tài)流化法的使用條件,故此法提出后引起了國(guó)內(nèi)許多學(xué)者的研究興趣。2015年4月,西南石油大學(xué)成立了世界首個(gè)“海洋非成巖天然氣水合物固態(tài)流化開采實(shí)驗(yàn)室”[39],該實(shí)驗(yàn)室可開展大體積固態(tài)水合物制備、開采設(shè)備破巖能力評(píng)級(jí)、水合物流化攜巖能力評(píng)價(jià)、水合物管輸過程模擬、水合物分解及流變規(guī)律研究。據(jù)報(bào)道,2017年5月,我國(guó)在南海北部首次利用固態(tài)流化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了試采,獲得氣體81 m3,純度高達(dá)99.8%。這一現(xiàn)場(chǎng)試采證明了固態(tài)流化法在開采淺層非成巖可燃冰的可行性。

在數(shù)值模擬研究方面，周守為等人[38]針對(duì)深水淺層非成巖天然氣水合物開展了一系列的鉆采、開發(fā)和舉升規(guī)律研究。

1.6 組合開采法

目前，水合物開采過程傾向于將兩種或多種方法相結(jié)合,這種聯(lián)合開采法一般以降壓法為主并輔以其他方法,從而提高開采效率、安全性以及適用性。常用的聯(lián)合開采方法有Sasaki K等人[40]提出的雙水平井熱水注入法,部分氧化法[41-42],Minagawa H[43]提出的電加熱輔助降壓法,Gupta A等人[44]提出的CO2置換輔助降壓法以及張旭輝等人[45]提出的機(jī)械-熱聯(lián)合開采法等。

2 可燃冰礦藏試采現(xiàn)狀

可燃冰因其蘊(yùn)藏的巨大潛能,受到了各個(gè)國(guó)家的重視。中、日、美、加、韓、印、俄羅斯以及部分歐盟國(guó)家均開展了大量水合物研究工作。其中中、日、美、加四國(guó)依托其國(guó)內(nèi)豐富的水合物礦藏資源實(shí)施了現(xiàn)場(chǎng)試開采活動(dòng),取得了豐富的成果。

2.1 國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)試采案例

2.1.1 加拿大現(xiàn)場(chǎng)試采

加拿大是最早開展水合物礦藏現(xiàn)場(chǎng)試采的國(guó)家。2002年初,加拿大聯(lián)合10余個(gè)國(guó)家機(jī)構(gòu)在麥肯齊三角洲永凍帶地區(qū)開展了Mallik水合物試采工程。該工程共布設(shè)3口井,其中Mallik3L-38、Mallik4L-38為觀測(cè)井,負(fù)責(zé)對(duì)生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控,Mallik5L-38為生產(chǎn)試驗(yàn)井,負(fù)責(zé)取心、測(cè)井及試開采實(shí)驗(yàn)。3月上旬,通過向水合物層注入熱KCl聚合物沖洗液實(shí)施開采,試開采過程持續(xù) 5 d,產(chǎn)出甲烷470 m3,日均產(chǎn)出94 m3[46]。

2007年和2008年,加拿大在早期布設(shè)的Mallik2L-38試驗(yàn)井中利用降壓法再次成功從水合物礦藏中持續(xù)穩(wěn)定地采出水合物,開采分別持續(xù)12.5 h和6.8 d,分別產(chǎn)出甲烷氣體830 m3和13 000 m3。

2.1.2 美國(guó)現(xiàn)場(chǎng)試采

美國(guó)早在20世紀(jì)60年代就開始了可燃冰的研發(fā)工作,提出了“似海底反射層”作為可燃冰地帶地震識(shí)別標(biāo)識(shí),獲得業(yè)界的廣泛應(yīng)用。2011年,美國(guó)在阿拉斯加北坡順利完成了IgnikSikumi#1試驗(yàn)井鉆井和完井作業(yè),首次采用CO2-CH4置換法實(shí)現(xiàn)可燃冰開采,并借助井內(nèi)噴射泵輔助降低儲(chǔ)層壓力,促進(jìn)水合物分解。2012年2月15-18日,向地層注入了798 823 m3含有化學(xué)示蹤劑的CO2/N2混合氣體,加入N2是為了增強(qiáng)氣體與自然界甲烷水合物的置換作用。整個(gè)試開采工程持續(xù)了38 d,其中正式生產(chǎn)30 d,8 d的時(shí)間用于修理地面分離器,更換噴射泵等維護(hù)工作。在38 d的試驗(yàn)階段,共生產(chǎn)了甲烷28 317 m3[47]。

本次試采證明了CO2置換法的開采速率雖與注熱法、降壓法相比還處于較低水平,但該方法對(duì)儲(chǔ)層的初始?jí)毫Α囟鹊葪l件敏感性不高,因而適應(yīng)性更加廣泛。同時(shí),置換法在開采過程中產(chǎn)生的廢水較少,不僅更加環(huán)保也減少了廢水?dāng)y砂沖刷套管及井下設(shè)備的幾率。

2.1.3 日本現(xiàn)場(chǎng)試采

2013年,日本決定實(shí)施水合物試采工程,這也是可燃冰開采歷史上第一次海域可燃冰試采工程。本次開采使用降壓法,并采用礫石填充的防砂措施。3月12日,生產(chǎn)井成功排氣,但由于開采過程中礫石的移動(dòng)導(dǎo)致了篩網(wǎng)的損壞,大量砂土進(jìn)入生產(chǎn)井通道導(dǎo)致堵塞,開采持續(xù)6 d后被迫終止。在6 d的開采過程中共產(chǎn)出甲烷氣體120 000 m3。

為解決出砂問題,日本于2017年再一次啟動(dòng)水合物試采工程。5月,日本開始在南海海域進(jìn)行施工,首先使用了先期膨脹GeoForm篩管進(jìn)行防砂,但由于測(cè)試效果不佳,后期改用了井下膨脹GeoForm篩管,防砂效果明顯,隨后實(shí)現(xiàn)了24 d連續(xù)不間斷開采,共計(jì)產(chǎn)出甲烷氣體240 000 m3[48]。

日本的海域可燃冰試采工程說明了海域可燃冰的開采過程的出砂問題較陸域可燃冰更為嚴(yán)重,如果可以有效解決出砂問題,海域可燃冰將有著非常廣泛的利用前景。

2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)試采案例

我國(guó)對(duì)可燃冰的研究始于20世紀(jì)80年代,當(dāng)前在可燃冰勘探、試采等方面均取得重要進(jìn)展。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局于2011年和2016年在祁連山凍土區(qū)進(jìn)行了兩次陸域可燃冰試采試驗(yàn),并于2017年5在南海神狐海域組織實(shí)施了一次海域可燃冰試采,開啟了我國(guó)可燃冰資源利用的序幕。

2011年9月,運(yùn)用降壓加熱結(jié)合的方法對(duì)祁連山地區(qū)水合物礦藏實(shí)施了第一次試采。試采采用了單井直井方案[49],生產(chǎn)過程持續(xù)101 h,產(chǎn)氣95 m3。本次試采產(chǎn)氣時(shí)間較短,產(chǎn)氣量較低,但證實(shí)了降壓試采工藝、控制監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)在成巖儲(chǔ)層中應(yīng)用的可行性,為陸域試驗(yàn)試采模擬技術(shù)積累了經(jīng)驗(yàn)。2016年10月,提出了“山”字形水平對(duì)接井的開采方法,并成功應(yīng)用于第二次試采試驗(yàn)[49]。本次試采主要應(yīng)用降壓的方法并將3口試驗(yàn)井在地下相互連通,從而保證降壓作用的作用區(qū)域更廣。在23 d的時(shí)間里,采出甲烷氣體1 078 m3。

2017年,在我國(guó)南海神狐海域由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開展了我國(guó)首次海域可燃冰試采試驗(yàn)。試采以降壓法為核心,開采連續(xù)出氣60 d,累計(jì)產(chǎn)氣量超過30×104m3,最高日產(chǎn)3.5×104m3[50],多項(xiàng)指標(biāo)打破了試采工程的最高紀(jì)錄。

2.3 當(dāng)前試采技術(shù)評(píng)價(jià)

迄今為止,各國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了多次水合物礦藏實(shí)地試采工作。每次試采的成功都表示人類在可燃冰的商業(yè)開采之路上又前進(jìn)了一步,但也應(yīng)該意識(shí)到距離徹底實(shí)現(xiàn)商采并使普通居民真正使用上可燃冰礦藏中的天然氣資源還面臨很多挑戰(zhàn)。此外,甲烷作為溫室效應(yīng)強(qiáng)烈的溫室氣體,應(yīng)采取可靠的措施保障開發(fā)過程可控，把開采過程中的環(huán)境問題放在首要位置考慮。此外,當(dāng)前的各種水合物開采方法都面臨成本過高的問題,這要求進(jìn)一步完善儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù),優(yōu)化水合物開采工藝,研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)裝備,通過技術(shù)創(chuàng)新降低開采成本,為最終的商業(yè)化積累經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)論與展望

本文對(duì)當(dāng)前水合物開采過程所涉及的開采方法從原理、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模型研究現(xiàn)狀等方面進(jìn)行了評(píng)述,對(duì)每種方法的優(yōu)缺點(diǎn),研究過程中的經(jīng)驗(yàn)及問題以及未來研究的重點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)。此外對(duì)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)實(shí)施的水合物試開采活動(dòng)進(jìn)行了介紹。目前,世界范圍內(nèi)包括中國(guó)、加拿大、美國(guó)、日本共四個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)試采,上文所闡述的五種方法在試采過程中均有所利用。試采結(jié)果表明,在當(dāng)前的技術(shù)條件下,降壓法是使用范圍最廣、性價(jià)比較高的方法。

總體來講,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)可燃冰的開發(fā)仍處于初步探索階段,尤其針對(duì)儲(chǔ)量豐富的海域可燃冰,受儲(chǔ)層特性、環(huán)境條件、開發(fā)經(jīng)驗(yàn)等影響,尚需開展大量的基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)研究工作,以實(shí)現(xiàn)安全、高效開發(fā)。