趙克斌 孫長青 吳傳芝

中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所

天然氣水合物作為潛力巨大的未來新能源，成為近20多年來油氣工業(yè)界的研究熱點。自2002年以來，已在加拿大馬更些三角洲、美國阿拉斯加北坡區(qū)、中國青藏高原等凍土區(qū)以及日本南海海槽與中國南海北部等海域開展了10余次天然氣水合物試采實踐。最近，美國正聯(lián)合日本在阿拉斯加北坡區(qū)開展凍土區(qū)天然氣水合物中長期試采研究，印度孟加拉灣和美國墨西哥灣深水區(qū)天然氣水合物試采研究也已提上日程。鑒于此，筆者梳理了天然氣水合物試采實踐中所采用的主要技術(shù)方法，總結(jié)了近年探索中的天然氣水合物開發(fā)新技術(shù)，以期為天然氣水合物開發(fā)技術(shù)研究提供參考。

1 天然氣水合物試采技術(shù)

現(xiàn)階段天然氣水合物試采實踐所采用的技術(shù)方法主要包括加熱法、降壓法與二氧化碳置換法，試采井主要為單一直井［1］。

1.1 單一直井加熱開采技術(shù)

單一直井加熱開采技術(shù)是最早嘗試的天然氣水合物試采技術(shù)。該技術(shù)于2002年用于加拿大馬更些三角洲Mallik 5L-38井天然氣水合物試采作業(yè)。在鉆至目標(biāo)天然氣水合物藏后，采用循環(huán)注入熱流體方式促進(jìn)天然氣水合物原地分解；同時，在試采井兩邊各鉆1口觀測井，用于實時觀測試采過程中天然氣水合物分解前緣推進(jìn)與產(chǎn)氣情況［2-5］。

Mallik 5L-38井采用了如圖1所示的閉合回路設(shè)計，實現(xiàn)了對注入流體的持續(xù)加熱與循環(huán)利用，保證了注入天然氣水合物藏的熱流體溫度始終保持在80℃以上。在該井生產(chǎn)套管內(nèi)部與井壁兩側(cè)各安裝了一套分布式溫度傳感系統(tǒng)，以便監(jiān)測試采過程中天然氣水合物分解情況。熱流體經(jīng)?42.1 mm循環(huán)管從井口注入到試采井中，通過射孔孔眼進(jìn)入天然氣水合物藏；天然氣水合物受熱分解產(chǎn)生的氣、水流體連同注入的熱流體一起，經(jīng)熱流體循環(huán)管和生產(chǎn)油管之間的環(huán)空間隙返回地表；在井口先后經(jīng)過高壓分離器和低壓分離器實現(xiàn)氣體和液體的分離，從而獲得天然氣水合物分解出的甲烷氣體；分離出的液體經(jīng)常壓熱交換器冷卻、泥漿輸送泵加壓之后，再經(jīng)高壓加熱器加熱到所需溫度并重新注入井下，完成天然氣水合物藏循環(huán)加熱試采流程(圖1)。

1.2 單一直井降壓開采技術(shù)

單一直井降壓開采技術(shù)是最常用的天然氣水合物試采技術(shù)，在加拿大馬更些地區(qū)、日本南海海槽、我國南海北部神狐海域等地天然氣水合物試采實踐中均有應(yīng)用。筆者以日本南海海槽天然氣水合物降壓試采為例，對單一直井降壓開采天然氣水合物技術(shù)加以說明。

圖1 加拿大馬更些三角洲Mallik 5L-38井水合物注熱開采流程示意圖［2, 4］Fig.1 Schematic process of heat-injection hydrate recovery of Well Mallik 5L-38 in the Mackenzie delta of Canada

日本南海海槽區(qū)于2013年和2017年先后2次進(jìn)行了天然氣水合物降壓試采實踐。2013年共鉆4口井，包括1口試采井、2口溫度監(jiān)測井與1口取心井。試采井除安裝了井下溫壓傳感器和分布式溫度傳感系統(tǒng)之外，還安裝有電潛泵、電加熱器、氣液分離系統(tǒng)以及化學(xué)試劑注入管線等，同時采用了裸眼礫石充填防砂完井技術(shù)。降壓試采過程中，通過電潛泵抽取地層流體，將壓力降至天然氣水合物相平衡壓力之下，促使天然氣水合物分解為天然氣體和水。通過井下加熱器對井筒中天然氣水合物分解產(chǎn)出流體進(jìn)行加熱，降低了井筒天然氣水合物二次形成的風(fēng)險；通過化學(xué)試劑注入管注入甲醇，進(jìn)一步抑制了井筒天然氣水合物二次形成；采用井下氣液分離系統(tǒng)對氣、水流體進(jìn)行分離［6-8］。但因試采中出現(xiàn)了嚴(yán)重的出砂現(xiàn)象，導(dǎo)致試采井通道堵塞，試采研究被迫終止。

2017年，采用改進(jìn)的開發(fā)技術(shù)開展了南海海槽新一輪天然氣水合物試采實踐。針對2013年天然氣水合物試采中的出砂問題，研制了具有形狀記憶功能的新型多孔聚合物防砂材料，并集成了一種由形狀記憶聚合物材料、優(yōu)質(zhì)篩管與金屬珠嵌件組合而成的三重防砂裝置(圖2)。本次鉆試采井和觀測井各2口，目的之一是驗證新研制防砂材料的有效性。2口試采井分別對2種使用方式下防砂材料的性能進(jìn)行了驗證研究，其中AT1-P3井完井防砂裝置安裝了預(yù)先充分膨脹的聚合物防砂材料；AT1-P2井完井防砂裝置安裝的聚合物材料未經(jīng)事先激活，需要在井下通過活化液進(jìn)行現(xiàn)場激活［9-10］。研究結(jié)果表明，AT1-P3井降壓試采作業(yè)持續(xù)了大約12 d，仍因出砂嚴(yán)重而終止；AT1-P2井降壓試采過程未出現(xiàn)出砂問題，但井筒出現(xiàn)了天然氣水合物二次生成現(xiàn)象，在降壓試采作業(yè)持續(xù)大約24 d后終止。

圖2 日本南海海槽第2次天然氣水合物試采完井裝置示意圖［9］Fig.2 Schematic well completion device for the second production test of natural gas hydrate in the Nankai trough of Japan

1.3 單一直井二氧化碳置換開采技術(shù)

迄今為止二氧化碳置換開采技術(shù)僅在美國阿拉斯加北坡區(qū)I?nik Sikumi 1井進(jìn)行了應(yīng)用性研究，通過注入CO2“置換”出天然氣(甲烷)水合物中的甲烷氣體。但由于二氧化碳置換作用較為緩慢，為了提高開采效率，借鑒了稠油油藏吞吐開采技術(shù)，采用“氣體注入—燜井—采氣”循環(huán)方式進(jìn)行了天然氣水合物開采試驗。

I?nik Sikumi 1井采用了復(fù)式套管柱，并在井筒上部安裝有注熱管柱。通過變徑套管柱將井筒直徑最終轉(zhuǎn)變?yōu)?14.30 mm，而后進(jìn)行射孔、注入流體與回采試驗。在變徑套管柱外部安裝有分布式光纖測溫系統(tǒng)，在井筒下部安裝有3組可在地面讀數(shù)的溫壓計。緊鄰測溫光纖安裝有電纜線，用于傳輸井下溫壓計測得的溫度和壓力數(shù)據(jù)。在油管外部安裝了3條?19.05 mm管柱，其中2條為開口管，便于上部井筒環(huán)空中流體循環(huán)與注熱，用于控制注入流體溫度；另一條?19.05 mm管柱與化學(xué)劑注入閥相連接，用于向井筒注入CO2與N2的混合氣體［11］(圖3)。

1.4 其他天然氣水合物試采技術(shù)

圖3 美國阿拉斯加北坡天然氣水合物二氧化碳置換法試采井完井設(shè)計［11］Fig.3 Well completion design of the production test well of natural gas hydrate by carbon dioxide replacement method in the north slope of Alaska, America

除了主流的單一直井試采技術(shù)之外，近年還探索了其他一些天然氣水合物開發(fā)技術(shù)，包括多井、定向井開發(fā)技術(shù)以及固態(tài)流化開采技術(shù)等。

2016年在我國青藏高原祁連山凍土帶采用“山”字型水平對接井進(jìn)行了天然氣水合物試采研究，共鉆3口井，包括1口試采井和2口水平井。其中試采井用于降壓與采氣，水平井主要用于注熱。2口水平井分別位于試采井兩側(cè)。當(dāng)2口水平井與試采井在目標(biāo)天然氣水合物層完成對接之后，通過試采井抽取地層流體使天然氣水合物層壓力降至平衡壓力以下，促使天然氣水合物分解；同時通過水平井注入熱流體，對天然氣水合物層進(jìn)行加熱，進(jìn)一步促進(jìn)天然氣水合物分解［12-13］，最后經(jīng)試采井采出天然氣水合物分解所產(chǎn)生的天然氣。2020年，我國南海北部神狐海域天然氣水合物第2次試采也采用了水平井開采技術(shù)。試采井采用三開井身結(jié)構(gòu)，在目標(biāo)天然氣水合物層采用?244.5 mm套管完井，通過降低天然氣水合物層壓力促進(jìn)天然氣水合物原地分解，取得了較好的開采效果［14］。

此外，天然氣水合物固體開采法近年也有所發(fā)展。天然氣水合物固體開采法是直接采集天然氣水合物固體，通過海面或岸上處理基地對天然氣水合物進(jìn)行控制性分解采氣的一種天然氣水合物開采方法。近年，傳統(tǒng)的天然氣水合物固體開采法已發(fā)展成為固態(tài)流化開采法，并在我國南海北部荔灣海域采用該開采方法進(jìn)行了天然氣水合物試采研究。在試采井鉆達(dá)目標(biāo)天然氣水合物藏之后，通過井底射流方式將天然氣水合物破碎至細(xì)小顆粒［15］，然后將混有天然氣水合物顆粒的混合物漿體導(dǎo)入到密閉的氣-液-固多相舉升管道內(nèi)，輸送到海面處理設(shè)施進(jìn)行氣、液分離，從而獲得天然氣水合物分解氣［16］。

2 探索中的天然氣水合物開發(fā)技術(shù)

最近10多年來，新型天然氣水合物開發(fā)技術(shù)研究較為活躍，在天然氣水合物藏原位加熱、地?zé)醿崮芾靡约艾F(xiàn)有油氣開發(fā)技術(shù)移植與改進(jìn)等方面進(jìn)行了大量探索，提出了新型天然氣水合物開發(fā)技術(shù)方案。

2.1 基于原位加熱的天然氣水合物開發(fā)技術(shù)

天然氣水合物藏原位加熱有助于減少井口注熱所面臨的熱能損失問題，是加熱開采技術(shù)的改進(jìn)方向之一。天然氣水合物藏原位加熱開采技術(shù)主要包括兩大類：一是基于向天然氣水合物層注入反應(yīng)物的原位生熱技術(shù)；二是基于水平井循環(huán)注熱的原位加熱技術(shù)。

俄羅斯研究者曾提出多種天然氣水合物層原位生熱與原位加熱技術(shù)［17］。其中比較有代表性的一項技術(shù)為放射性物質(zhì)原位生熱法。通過水平分支井將放射性廢液注入到天然氣水合物藏之下的地層，在天然氣水合物藏下方形成放射性廢液儲集區(qū)。利用放射性物質(zhì)衰變反應(yīng)持續(xù)不斷地產(chǎn)生熱量，對上部天然氣水合物藏進(jìn)行持續(xù)加熱。此外，還有研究者提出向目標(biāo)天然氣水合物藏注入液態(tài)酸和堿溶液，利用酸堿中和反應(yīng)產(chǎn)生的熱量對天然氣水合物進(jìn)行原位加熱［18］。近年來，我國有研究者提出將納米鋁粉持續(xù)噴射到天然氣水合物層，利用納米鋁粉燃燒釋放的熱量對天然氣水合物進(jìn)行原位加熱［19］。

多井、水平井循環(huán)注熱是另一種比較有影響的天然氣水合物原位加熱開采技術(shù)。根據(jù)俄羅斯研究者提出的技術(shù)實施方案［17］，開采井與注熱井鉆至目標(biāo)天然氣水合物藏之后均改為水平井，然后進(jìn)行對接；地面安裝的采氣設(shè)備與注熱設(shè)備分別與開采井與注熱井相連接(圖4)。其中采氣設(shè)備用于從天然氣水合物藏中采出氣、水流體并進(jìn)行氣、水分離，注熱設(shè)備用于對循環(huán)流體進(jìn)行加熱并重新注入天然氣水合物藏。

2.2 基于地?zé)醿崮芾玫奶烊粴馑衔镩_發(fā)技術(shù)

利用地?zé)醿﹂_采天然氣水合物研究主要集中于天然氣水合物藏下方干熱巖熱能利用方面，近年水熱型地?zé)醿υ谔烊粴馑衔镩_采中的應(yīng)用研究也有所推進(jìn)。

圖4 多井—水平井原位加熱開采天然氣水合物技術(shù)示意圖［17］Fig.4 Technical sketch of producing natural gas hydrate by the in-situ heating of multi-well and horizontal well

利用干熱巖熱能開采海洋天然氣水合物，技術(shù)思路是首先向天然氣水合物藏下方的干熱巖層打注水井，通過壓裂向干熱巖層注入海水，海水在干熱巖層受到加熱之后，再抽至天然氣水合物藏進(jìn)行加熱［20］。最近新提出的一種利用干熱巖熱能開采天然氣水合物的鉆完井技術(shù)方案采用的井組結(jié)構(gòu)包括1口注入/采熱井和1口生產(chǎn)井(圖5)［21-22］。注入井鉆至天然氣水合物藏之下的干熱巖層之中，并在干熱巖層與天然氣水合物層中分別布置1口水平分支井，在天然氣水合物層內(nèi)的水平分支跟端上部安裝有封隔器。生產(chǎn)井鉆至天然氣水合物層段轉(zhuǎn)為水平井，生產(chǎn)井水平井段布置于注入井在天然氣水合物層內(nèi)的水平分支井下部且與之互相平行。通過注入井向干熱巖層注入流體進(jìn)行加熱，然后將高溫流體泵抽至上部天然氣水合物藏，對天然氣水合物進(jìn)行加熱；再由生產(chǎn)井采出天然氣水合物分解所產(chǎn)生的天然氣。

近年來，在利用水熱型地?zé)崮荛_采天然氣水合物方面也有所研究，提出的開采技術(shù)方案如圖6所示［23］，包括1口連通井和2口生產(chǎn)井。其中連通井鉆穿天然氣水合物藏并鉆至深部的地?zé)醿Γ⒃谔烊粴馑衔锊嘏c地?zé)醿畏謩e射孔；2口生產(chǎn)井分別位于連通井兩側(cè)，完井于天然氣水合物藏之內(nèi)(圖6)。

圖5 新近提出的利用干熱巖熱能開采海底水合物的井組結(jié)構(gòu)與實施方案［21-22］Fig.5 Well group structure and implementation scheme of the new proposal of producing subsea hydrate by using hot dry rock energy

圖6 利用水熱型地?zé)醿崮茏粤髯⑷敕ㄩ_采海底水合物技術(shù)方案［23］Fig.6 Technical scheme of producing subsea hydrate by means of the flowing injection of hydrothermal geothermal storage energy

天然氣水合物開采過程分為2個階段。第1階段僅對天然氣水合物藏進(jìn)行常規(guī)降壓開采，通過在連通井天然氣水合物藏底部井筒安裝封隔器，將降壓作用局限在天然氣水合物藏之內(nèi)。隨著壓力的降低，連通井筒近旁的天然氣水合物會快速分解，所產(chǎn)天然氣經(jīng)生產(chǎn)井和連通井采出。由于水合物分解屬于吸熱反應(yīng)，因此隨著天然氣水合物的分解，天然氣水合物藏溫度會不斷下降，使得天然氣水合物分解速率與產(chǎn)氣量持續(xù)降低。當(dāng)產(chǎn)氣量降低到一定數(shù)值，開始啟動第2開采階段即利用地?zé)崮荛_采階段。將天然氣水合物藏底部的封隔器移至水合物藏頂部，使連通井轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏淖峋Ｔ趬毫Σ畹淖饔孟?，下部地?zé)醿χ械臒崃黧w會自動流入連通井，并經(jīng)連通井射孔處進(jìn)入天然氣水合物藏之中，從而對天然氣水合物進(jìn)行加熱，促使天然氣水合物分解出甲烷氣體。

2.3 基于油氣開發(fā)技術(shù)移植的天然氣水合物開發(fā)技術(shù)

在提高天然氣水合物開采效率的探索研究中，引入常規(guī)油氣開發(fā)技術(shù)并加以改進(jìn)也是一個重要方面?，F(xiàn)階段，單井注水吞吐法、井網(wǎng)開采法以及蒸汽輔助重力驅(qū)油等技術(shù)，在天然氣水合物開發(fā)技術(shù)研究中都有借鑒。

天然氣水合物開發(fā)研究中采用的吞吐技術(shù)大多與加熱開采法配合使用，以“注熱—燜井—采氣—注熱”循環(huán)方式對天然氣水合物進(jìn)行開采［24］。采用熱吞吐技術(shù)可增加天然氣水合物受熱時間，使熱流體在天然氣水合物藏中充分?jǐn)U散，可提高天然氣水合物分解效率與產(chǎn)氣量。

天然氣水合物五點井網(wǎng)開采法主要探索了“4口注熱井+1口開采井”［25］與“1口注熱井+4口開采井”［26］兩種模式。為了使熱激發(fā)效應(yīng)與減壓效應(yīng)能夠集中發(fā)揮作用，天然氣水合物井網(wǎng)開采方案中的注入井與開采井通常均完井于天然氣水合物藏的同一層段。最近還提出了一種天然氣水合物井網(wǎng)開采優(yōu)化方案，即將五點井網(wǎng)作為1個井群，在多個井群中間部位部署1口總開采井。每個井群的開采井均與總開采井相連通，各井群區(qū)天然氣水合物分解所產(chǎn)生的天然氣與地層流體經(jīng)由總開采井采出［27］。

此外，近年天然氣水合物開采技術(shù)方案中還引入了作為重油開采有效技術(shù)的蒸汽輔助重力驅(qū)油技術(shù)與油頁巖地下轉(zhuǎn)化技術(shù)，并針對天然氣水合物產(chǎn)氣特征提出了技術(shù)改進(jìn)建議［28-29］。

2.4 基于開采產(chǎn)物利用的天然氣水合物開發(fā)技術(shù)

近年，還探索了基于天然氣水合物開采產(chǎn)物利用的天然氣水合物循環(huán)開采技術(shù)。其技術(shù)思路主要是利用天然氣水合物所產(chǎn)甲烷氣體的燃燒產(chǎn)物或化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，對天然氣水合物藏進(jìn)行開采。

日本研究者最近提出了一種利用天然氣水合物開采產(chǎn)物循環(huán)開采天然氣水合物的技術(shù)方案［30］。該技術(shù)方案通過利用甲烷燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w與熱能，對天然氣水合物進(jìn)行二氧化碳置換開采。開采系統(tǒng)由采氣系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和二氧化碳回收與注入系統(tǒng)4部分組成。首先采用降壓法經(jīng)采氣系統(tǒng)采出天然氣水合物分解所產(chǎn)生的甲烷，發(fā)電系統(tǒng)通過燃燒甲烷氣體產(chǎn)生電能，實現(xiàn)天然氣的工業(yè)利用；同時，熱管理系統(tǒng)回收發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱能，二氧化碳回收與注入系統(tǒng)則回收甲烷燃燒產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w。然后，將回收的二氧化碳?xì)怏w溶于海水，制成二氧化碳與海水混合物；再利用回收的熱能對溶有二氧化碳?xì)怏w的海水混合物進(jìn)行加熱，并經(jīng)注入系統(tǒng)注入到天然氣水合物藏之中，促進(jìn)天然氣水合物分解產(chǎn)氣。所產(chǎn)天然氣采出后經(jīng)燃燒產(chǎn)生電能，同時產(chǎn)生二氧化碳和熱能；利用熱能加熱二氧化碳水溶液并重新注入天然氣水合物藏，實現(xiàn)天然氣水合物的循環(huán)開采。

我國研究者還提出了利用低溫固體氧化物燃料電池開采天然氣水合物的技術(shù)方案。其技術(shù)思路是首先經(jīng)降壓等途徑促進(jìn)天然氣水合物分解，并將所產(chǎn)甲烷氣體輸送到低溫固體氧化物燃料電池陽極，同時從地面向電池陰極泵入空氣，經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能以及二氧化碳和水；然后利用二氧化碳對天然氣水合物進(jìn)行置換開采［31-32］。

近年，也有研究者提出可借鑒煤炭地下氣化技術(shù)理念開采天然氣水合物。通過在天然氣水合物層鉆平行水平井組，擴(kuò)大天然氣水合物開采面積，并形成氣體、水和泥沙混合流體的流動通道；同時，將大功率“高壓火焰噴射器”集成到井筒之中，通過燃燒甲烷形成高溫高壓氣流，用于大規(guī)模沖蝕、加熱天然氣水合物層，促進(jìn)天然氣水合物大面積分解［33］。

3 結(jié)論與認(rèn)識

(1)經(jīng)過數(shù)十年的研究，天然氣水合物開采技術(shù)獲得了不斷完善，但改進(jìn)空間仍然巨大。加熱法、降壓法與二氧化碳置換法等主要開采技術(shù)已在天然氣水合物試采實踐中獲得應(yīng)用，并成功地從天然氣水合物藏中采出甲烷氣體。但天然氣水合物試采研究還面臨諸多技術(shù)難題，如天然氣水合物分解前緣的有效推進(jìn)、開采井井筒防砂、井筒天然氣水合物二次生成等，都影響著天然氣水合物試采實踐持續(xù)性與產(chǎn)氣量。在天然氣水合物資源實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的征途中，天然氣水合物開采技術(shù)的完善與改進(jìn)將會是一個長期持續(xù)的研究方向。

(2)在天然氣水合物開發(fā)井井型與布井方案方面進(jìn)行了積極的探索，促進(jìn)了天然氣水合物藏開發(fā)技術(shù)的發(fā)展。除了目前主流的單一直井，多井、水平井以及井網(wǎng)開采方式都有所探索。采用多井對接、水平井以及五點井網(wǎng)開發(fā)天然氣水合物，可有效增加天然氣水合物分解面積，提高天然氣水合物開采效率。因此這些鉆井技術(shù)在天然氣水合物開發(fā)中的應(yīng)用研究應(yīng)得到進(jìn)一步加強。

(3)天然氣水合物開發(fā)井相關(guān)配套技術(shù)與采氣持續(xù)性保障技術(shù)研究也取得了明顯進(jìn)展。分布式光纖測溫系統(tǒng)、溫壓傳感器、井下信號傳輸電纜等在天然氣水合物開發(fā)技術(shù)研究中獲得了廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)了對天然氣水合物分解過程動態(tài)行為及其潛在影響的實時監(jiān)控。井下氣液分離技術(shù)獲得了不斷改進(jìn)，現(xiàn)已能夠在井下實現(xiàn)天然氣水合物分解產(chǎn)物的氣、液分離。針對現(xiàn)階段影響天然氣水合物試采持續(xù)性的井筒砂堵問題，通過研制新型防砂材料、集成新型防砂裝置、控制降壓幅度等途徑，在井筒防砂方面也取得了明顯成效。

(4)新型天然氣水合物開發(fā)技術(shù)探索呈現(xiàn)出比較活躍的態(tài)勢，特別是基于天然氣水合物藏原地加熱與水合物藏下方地?zé)醿崮芾?，提出了多種天然氣水合物開發(fā)鉆完井技術(shù)方案。此外，移植現(xiàn)有油氣開發(fā)技術(shù)并加以改進(jìn)、利用天然氣水合物藏開采產(chǎn)物對天然氣水合物進(jìn)行循環(huán)開采，也成為近年探索天然氣水合物開發(fā)技術(shù)的重要內(nèi)容。但從總體上看，新近提出的這些天然氣水合物開發(fā)技術(shù)，基本還處于實驗?zāi)M和理論可行性研究狀態(tài)，用于自然界天然氣水合物藏開采的效果還有待驗證。