國外天然氣水合物勘探現(xiàn)狀及我國水合物勘探進展

張永勤

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000）

國外天然氣水合物勘探現(xiàn)狀及我國水合物勘探進展

張永勤

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000）

概述了國外天然氣水合物調(diào)查研究的進展情況,介紹了我國在天然氣水合物調(diào)查研究的歷史、工作過程及目前取得的進展。詳細地介紹了我國陸地永久凍土天然氣水合物鉆探取樣器具、工藝方法、應(yīng)用現(xiàn)狀及鉆探取樣施工取得的成果,提出了我國未來陸地凍土天然氣水合物勘探開發(fā)工作任務(wù)和建議。

天然氣水合物;永久凍土帶;鉆探取樣;開采利用

0 引言

天然氣水合物是由水與氣體分子(以甲烷為主）在低溫高壓及氣體濃度大于其溶解度條件下形成的貌似冰的結(jié)晶狀固體物質(zhì),點燃可燃燒,人們俗稱“可燃冰”,英文簡稱GH(Gas Hydrate）或MH (Methane Hydrate）。人們在實驗室發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)已有200多年的歷史,起初由于能源和環(huán)境沒有對人類生存和發(fā)展構(gòu)成一定的威脅,所以人們對它的存在并沒有給予足夠的重視和關(guān)注。隨著人類發(fā)展對能源需求的不斷增加以及對環(huán)境氣候的不利影響,科技界開始尋找新的可替代石油或天然氣的能源。通過科學(xué)家的多年探索研究發(fā)現(xiàn),天然氣水合物廣泛地存在于海底和陸地永久凍土帶,由于天然氣水合物的特殊生存環(huán)境、可產(chǎn)生自身體積164倍的甲烷氣體、而且單位能量的甲烷燃燒釋放出來的溫室氣體CO2僅為煤炭的1/2。依據(jù)科學(xué)家最新和較為保守的估算,全球海洋和陸地上已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物礦藏所蘊藏的甲烷氣體約為(1～5）×1015m3(1000～5000萬億m3）,超過了全世界天然氣的總儲量,因此,天然氣水合物被認為極有可能成為未來最有遠景的新型凈潔性接替能源,所以引起了世界各國的廣泛關(guān)注。

中國繼2007年于南海北部陸坡發(fā)現(xiàn)海底天然氣水合物之后,又于2008年11月在青藏高原祁連山脈木里地區(qū)永久凍土帶鉆獲了水合物實物樣品。這一發(fā)現(xiàn)突破了陸域天然氣水合物只生存于兩極地區(qū)的永久凍土帶(俄、加美等國的陸域水合物即屬于此）的認識,首次在中緯度地區(qū)的高海拔凍土帶找到了天然氣水合物,具有較大的戰(zhàn)略及科學(xué)研究意義,也為陸域天然氣水合物資源的勘查開發(fā)與環(huán)境研究開啟了新的篇章。

1 國外天然氣水合物勘探現(xiàn)狀

1965年,蘇聯(lián)在西伯利亞的的永久凍土中首次發(fā)現(xiàn)天然產(chǎn)出的天然氣水合物。1971年,美國在其東海岸大陸邊緣利用地震反射剖面發(fā)現(xiàn)了具有水合物標(biāo)志的BSR(擬海底反射層）。20世紀(jì)70年代以來,美國、日本、加拿大、俄羅斯、挪威、德國、印度、巴西等國相繼投入大量資金進行天然氣水合物調(diào)查研究。1979年,國際深海鉆探計劃(DSDP）在大西洋和太平洋中直接發(fā)現(xiàn)了海底天然氣水合物。從此以后,揭開了人類全面進行陸地及海洋天然氣水合物調(diào)查研究的序幕。從2001年開始,美國、加拿大、日本、中國、俄羅斯及印度等國都進一步加大了對水合物資源的勘查調(diào)研究的投資力度,并開始了對水合物開發(fā)工藝的研究和開采試驗。

為了獲得水合物鉆探取樣的施工經(jīng)驗和驗證加拿大Mackenzine凍土區(qū)天然氣水合物異常,1998年,加拿大地質(zhì)調(diào)查局負責(zé)組織,美國、日本參與鉆探施工的名為Mallik2L-38測試井,深度達1150 m,取出部分水合物巖心樣品證實了天然氣水合物的存在,實現(xiàn)了對陸域凍土天然氣水合物認識上的飛躍。

此后,加拿大地質(zhì)調(diào)查局又聯(lián)合德國、印度和I CDP等國家和國際組織,于2002年在該地區(qū)再次進行了Mallik5L-38井鉆探取樣和試開采施工項目,并成功開展了開采試驗。2004年12月,在日本千葉舉行了該項目的階段性成果總結(jié)會。來自項目參與國家及非項目參與國的100多位科學(xué)家參加了成果總結(jié)和學(xué)術(shù)交流會議。為了未來能夠開發(fā)利用陸地凍土天然氣水合物,加拿大地調(diào)局于2007～2008年,又組織有關(guān)國家在Mallik進行了代號Mal-lik 2007及Mallik 2008的開采試驗研究。2007年共進行了17 h的開采試驗,2008年又連續(xù)進行了6天的開采試驗,都采用了降壓開采方法。開采試驗的層段為1093～1105 m。在2008年的6天連續(xù)開采試驗中,平均每天的采氣量為2000 m3。從2004～2008年,加拿大、美國及日本等國家一直在對Mallik凍土水合物進行開采試驗及環(huán)境等方面的研究,并曾相繼發(fā)布幾十份有關(guān)研究進展報告。

20世紀(jì)90年代,美國對阿拉斯加北坡海岸帶永久凍土區(qū)進行了天然氣水合物調(diào)查評價,并實施了鉆探施工。2003年3月31日,Andarko石油公司、Maurer技術(shù)公司和美國能源部開始在阿拉斯加州鉆第一口專門進行天然氣水合物調(diào)查研究井——“熱冰1”井,該井鉆探目的是驗證北極天然氣水合物存在的地質(zhì)學(xué)、地球物理和地球化學(xué)模型。2008年10月,以美國能源部和地質(zhì)調(diào)查局為首的項目組對阿拉斯加北坡進行了大規(guī)模的陸地永久凍土區(qū)天然氣水合物全面綜合的調(diào)查評價及開采試驗研究。鉆探取樣施工進行的資源評價結(jié)果表明,在阿拉斯加北坡陸地永久凍土區(qū),天然氣水合物可能存在的甲烷資源量達85.4萬億立方英尺(85.4Trillion Cu-bic Feet Gas）。在504 ft的水合物層段的巖心采取率為85%,采用的泥漿溫度為華氏30℉。美國在阿拉斯加北坡實施的永久凍土區(qū)天然氣水合物取樣鉆探施工主要借助低溫環(huán)境,采用普通繩索取心施工技術(shù),配合低溫泥漿護心技術(shù)措施。美國地質(zhì)調(diào)查局等有關(guān)機構(gòu)還發(fā)起墨西哥灣及阿拉斯加永久凍土天然氣水合物國際合作項目(Joint Industry Pro-ject）,該項目計劃從2001年到2011年聯(lián)合國內(nèi)外感興趣的企業(yè)及科研機構(gòu),對墨西哥灣海域水合物實施地質(zhì)調(diào)查及鉆探開發(fā)試驗研究,同時還計劃聯(lián)合國內(nèi)外感興趣的企業(yè)及科研機構(gòu)從2011年開始對阿拉斯加進行陸地水合物調(diào)查評價及開采試驗研究,目前正對感興趣的國家、企業(yè)和科研機構(gòu)發(fā)出邀請。

日本是進行水合物調(diào)查研究最積極的國家,從1998年開始,在日本經(jīng)濟貿(mào)易省的領(lǐng)導(dǎo)下,每年投入60億日元,有20多個機構(gòu)200多位科學(xué)家參與天然氣水合物的調(diào)查研究,1999年日本利用美國Transocean Inc.公司管理的JO IDES Resolution深水鉆井船首次在其南海海槽(Nankai Trough）實施海洋天然氣水合物取樣鉆探施工,取得了一定的進展。2004年1月18日～5月18日,日本在其南海槽再次租用美國Transocean Inc.公司的JO IDES Resolu-tion深水鉆井船,在水深2033～772 m進行了世界上最大規(guī)模的海洋水合物取樣鉆探施工,完成了32口水合物鉆探取樣孔,對該海域水合物資源進行了全面調(diào)查評價,并進行了開采試驗研究。

2006年,印度租用美國JO IDES Resolution深水鉆井以及挪威Fugro公司的取樣鉆具完成了21口天然氣水合物取心鉆探井,并取出了天然氣水合物巖心樣品,在印度天然氣水合物勘探方面取得了突破性進展。

迄今,ODP是世界上完成海洋天然氣水合物鉆探取樣調(diào)查評價次數(shù)最多國際機構(gòu),曾先后完成了Leg124、Leg139、Leg141、Leg146、Leg164、Leg196、Leg204及 IODP的Leg311等航次的天然氣水合物鉆探取樣的調(diào)查評價工作。另外,美國、挪威、歐盟等國家也在相關(guān)海域進行了天然氣水合物鉆探取樣調(diào)查評價工作。目前韓國正在進行海洋水合物調(diào)查取樣鉆探施工的準(zhǔn)備工作,預(yù)計2011年進行鉆探取樣施工。

目前在天然氣水合物鉆探取樣技術(shù)方面,在海域,除了具有滿足深水鉆探施工的鉆井船外,在取樣及取樣工藝方面,要求取樣鉆具要盡可能地保持水合物的原始狀態(tài),因此,國內(nèi)外一些專業(yè)機構(gòu)在不斷研發(fā)鉆探取樣過程中可以保持水合物原始狀態(tài)的保溫保壓取樣鉆具(PTCS）。在水合物發(fā)現(xiàn)與識別方面,在海洋,人們通過海底擬反射層(BSR）初步判定海底是否有可能存在天然氣水合物,但在陸域永久凍土區(qū),人們還沒有一種找到一種較準(zhǔn)確的確定水合物是否存在或水合物異常的方法。

最新得到的有關(guān)信息表明,美國、加拿大及日本原計劃2015～2016年對其本土的天然氣水合物進行商業(yè)開采,但目前由于資源量及開采技術(shù)還存在一些技術(shù)問題,所以商業(yè)開采的時間可能要向后推遲。美國和加拿大可能要推遲到2025年左右。

目前在天然氣水合物調(diào)查研究方面取得最終突破的技術(shù)環(huán)節(jié)之一是開發(fā)出能鉆獲并保持水合物樣品原始狀態(tài)的鉆具及施工技術(shù)。多年來國外許多機構(gòu)相繼開展天然氣水合物鉆探取樣鉆具的研究,除了日本與美國合作開發(fā)的保壓保溫取心系統(tǒng)(Pres-sure&Temperature Coring System—PTCS）鉆具外,目前在天然氣水合物保壓取心鉆具研究取得進展的還有ODP的ODP-PCS及深海鉆探計劃的DSDPPCB保壓取心鉆具、美國Christensen公司的PCB保壓取心鉆具、美國PCBBl保壓取心鉆具、ESSOPCB保壓取心鉆具、挪威Fugro公司的FPC保壓取心鉆具、歐盟的HRC保壓取心鉆具等。目前上述保壓取心鉆具有的看到實際應(yīng)用情況的報道,有的沒有實際應(yīng)用情況的報道,但從實際應(yīng)用的效果看,都不十分理想。

經(jīng)過一些國家和國際機構(gòu)的不斷努力,迄今在地球上層先后發(fā)現(xiàn)了130多處天然氣水合物成礦點,為人類不斷探索和開發(fā)利用新型接替能源提供新的希望。全球有可能存在天然氣水合物及已經(jīng)鉆取水合物樣品的分布圖如圖1所示。

圖1 全球可能有水合物存在及已經(jīng)鉆取水合物樣品的分布圖

2 中國天然氣水合物調(diào)查研究現(xiàn)狀及進展

中國在水合物的室內(nèi)研究及海上和陸地調(diào)查方面起步較晚,20世紀(jì)90年初才開始關(guān)注國外有關(guān)的報道和研究成果,并由中國科學(xué)院蘭州地質(zhì)所和中國石油大學(xué)等單位率先開始水合物實驗室合成研究工作。1995年,在中國大洋協(xié)會、地質(zhì)礦產(chǎn)部和國家科委的支持下,中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所曾先后在南海、東海和太平洋國際海底開展了天然氣水合物的調(diào)查研究工作,并發(fā)現(xiàn)了一系列與天然氣水合物有關(guān)的地球化學(xué)和自生礦物異常標(biāo)志。在中國地質(zhì)調(diào)查局的資助下,1999年10月,廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在我國南海海域開始了一系列有關(guān)天然氣水合物地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)調(diào)查,在神狐等有關(guān)海洋發(fā)現(xiàn)了重要的地球物理標(biāo)志——BSR及其他異常標(biāo)志,顯示出良好的尋找天然氣水合物的前景。2007年5月,中國地質(zhì)調(diào)查局租用挪威Fu-gro公司的深水鉆井船及取樣工藝方法在我國南海北部神狐海域?qū)嵤┝酥袊状魏Ｑ筇烊粴馑衔镢@探取樣調(diào)查評價工作,使我國海洋天然氣水合物調(diào)查取得了突破性進展。

2000年,在國土資源部的資助下,中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所在國內(nèi)第一個開始天然氣水合物保壓取心鉆具研發(fā),2001年,又在國家“十五”“863”項目的資助下,進行了不同結(jié)構(gòu)海洋天然氣水合物保壓取樣鉆具及施工工藝的研究。曾先后開發(fā)出了提鉆保壓取心鉆具和繩索打撈不提鉆保壓取心鉆具,在電子致冷、蓄能器壓力補償及球閥關(guān)閉取樣管等結(jié)構(gòu)方面進行了試驗研究和有益的探索,并對所試制的鉆具樣機在室內(nèi)和陸地地?zé)峋M行了可行性試驗。在陸地700多米深的地?zé)峋M行鉆探取樣試驗證明,結(jié)構(gòu)原理及各機構(gòu)是可行的,為進一步完善水合物保真取樣鉆具及我國未來鉆探取樣施工應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。因此,“十一五”“863”計劃繼續(xù)支持研發(fā)和完善天然氣水合物保真取樣鉆具。

3 中國陸地永久凍土帶天然氣水合物鉆探技術(shù)研究及進展

3.1 中國凍土分布及形成天然氣水合物的條件

我國是世界上永久凍土分布面積第三大國,約占世界永久凍土面積的10%,凍土總面積約210萬km2,主要分布在我國青藏高原、西部高原和東北大小興安嶺(參見圖2）。其中青藏高原永久凍土區(qū)面積占世界永久凍土面積的7%,大約占我國永久凍土區(qū)面積的60%～70%。青藏高原永久凍土屬于高海拔和較低緯度地區(qū),其分布特點是:緯度越高,永久凍土分布的最低海拔線越低;緯度越低,多年凍土分布的最低海拔線越高。青藏高原中部高原分布的最低海拔線達4500 m以上,向北分布的最低海拔線隨緯度的增高而降低,向南分布的最低海拔線隨緯度的降低而增高。雖然青藏高原的南緣緯度很低,但在終年積雪、海拔很高的山頂部也有永久凍土的存在。青藏高原永久凍土層的厚度隨海拔和緯度的不同而變化,高原中部永久凍土層最厚,向北隨海拔的降低而減薄,向南因緯度的降低而減薄。

圖2 中國凍土類型及其分布

青藏高原除上述地區(qū)之外,沿青藏鐵路永久凍土的分布:北至昆侖山,南至安多以南,永久凍土層呈大面積整體式分布。在南、北接近整體或多年凍土分布的邊緣地帶兼有島狀融區(qū),昆侖山以北,安多以南為多島狀永久凍土帶。在垂直分布上,青藏高原永久凍土層與季節(jié)凍土層大多是銜接的。青藏高原永久凍土總體分布有3個低溫中心,青藏鐵路穿過2個低溫中心,其溫度值低于-6℃。上述3個低溫中心的分布與凍土分布具有密切聯(lián)系。除了青藏高原外,我國東北地區(qū)的漠河盆地也具備形成天然氣水合物的溫壓條件。漠河地區(qū)的年平均氣溫最低,地溫梯度最低(1.6℃/100 m）,凍土最發(fā)育,有充足的氣源,是東北凍土區(qū)天然氣水合物成礦條件最好的地區(qū)。圖3為漠河盆地鉆取的冰層巖心樣品。

圖3 漠河盆地鉆取的冰層巖心樣品

根據(jù)收集和掌握的地質(zhì)資料,2004年中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所向中國地質(zhì)調(diào)查局提出了“陸地永久凍土天然氣水合物鉆探技術(shù)研究”的地質(zhì)調(diào)查項目,2005年該項目得以批準(zhǔn)立項并正式實施,其項目編號為科[2005]018-02。

3.2 陸地永久凍土天然氣水合物鉆探技術(shù)研究

根據(jù)項目任務(wù)書研究內(nèi)容及目的要求,項目組針對所掌握的國內(nèi)外水合物鉆探技術(shù)、鉆具結(jié)構(gòu)及我國陸地永久凍土區(qū)的地質(zhì)地理環(huán)境、水合物的物化特性等開始了有關(guān)計算、鉆具結(jié)構(gòu)的設(shè)計及鉆具和輔助器具的試制加工、鉆探施工方案的研究及制定等全面工作。

3.2.1 陸地永久凍土帶取樣鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計、試制

根據(jù)加拿大及美國等在陸地永久凍土帶實施天然氣水合物取樣鉆探施工資料及經(jīng)驗,結(jié)合我國祁連山脈地區(qū)的地質(zhì)地理情況,確定了以繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)方式為主體的鉆具基本結(jié)構(gòu)及其施工工藝。為了盡可能取出保持水合物原始狀態(tài)的水合物層段樣品,參考國外水合物保壓取心鉆具結(jié)構(gòu),以保壓為主,保溫為輔的總體思路。考慮到鉆進施工中地層復(fù)雜可能存在孔壁不穩(wěn)定等因素,鉆探施工中途有可能換徑,所以鉆具結(jié)構(gòu)尺寸初步考慮3個規(guī)格,即第一種規(guī)格的鉆桿可以作為第二規(guī)格的套管。根據(jù)鉆探施工的主要目的、目標(biāo)區(qū)的地層情況、保壓鉆具的復(fù)雜程度及可靠性等,為了能確保完成鉆探施工和取出所期望的水合物樣品,除了研制保壓鉆具外,還研制了3種特殊規(guī)格的繩索打撈快速取樣鉆具,以確保取樣鉆探施工的實施,以便對所發(fā)現(xiàn)的陸地凍土區(qū)的異常現(xiàn)象進行驗證。所研發(fā)的保壓鉆具及繩索打撈鉆具鉆頭外徑完全一致,即在同一鉆孔內(nèi)可以互換使用。

3.2.2 保壓鉆具結(jié)構(gòu)的思考與確定

根據(jù)加拿大Mallik及美國Alaska陸地永久凍土層天然氣水合物取心鉆探施工所采用的鉆具結(jié)構(gòu)形式及施工經(jīng)驗,水合物取心鉆具的結(jié)構(gòu)決定采用主動保壓和被動保溫方式,并采取繩索打撈不提鉆取心。從鉆具的結(jié)構(gòu)以及巖心進入巖心容納管的方式看,經(jīng)過分析,最佳的保壓方式是利用球閥旋轉(zhuǎn)封閉巖心容納管的下端面,實踐證實,只有球閥封閉方式占用的空間最小。從球閥的結(jié)構(gòu)原理看,要想關(guān)閉球閥,必須將球閥轉(zhuǎn)動90°,要想使球閥的中空球體轉(zhuǎn)動90°,必須給球體轉(zhuǎn)軸施加一定的轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過分析,在多種給球體轉(zhuǎn)軸施加轉(zhuǎn)矩的方式中,齒輪齒條方式是比較簡單可行的。隨著鉆進的進行,在巖心裝滿巖心容納管后,利用繩索打撈裝置提拉內(nèi)管總成的矛頭,首先使鉆具內(nèi)彈卡鉗收縮,以便將穿過球閥并到達鉆頭內(nèi)臺階的巖心卡簧座上行到球閥球體上端一定距離,隨著卡簧座的上行,齒條開始受到鉆具的軸向力,并帶動齒輪開始轉(zhuǎn)動,當(dāng)球閥球體轉(zhuǎn)動90°后,齒條上與齒輪嚙合的齒剛好走完,隨著打撈裝置提升,齒條繼續(xù)上行,但齒輪并不轉(zhuǎn)動,所以球閥封住巖心容納管的下端。此時再繼續(xù)提升打撈裝置,鉆具的外彈卡鉗開始收縮,整個鉆具的內(nèi)管總成即被提出鉆桿外到達地表,即完成取心鉆進和打撈過程。曾在室內(nèi)對兩種規(guī)格的保壓取心鉆具進行了試驗,成功率達到了95%,保持壓力可以達到10 MPa。野外現(xiàn)場的保壓取心鉆具如圖4所示。

圖4 繩索打撈保壓取心鉆具內(nèi)管總成齒輪齒條關(guān)閉球閥機構(gòu)

3.2.3 保壓取心鉆具的尺寸確定及試制

在鉆具徑向結(jié)構(gòu)尺寸的確定方面,從既滿足科學(xué)研究要求又能結(jié)合實際生產(chǎn)應(yīng)用出發(fā),首先根據(jù)取心直徑、球閥關(guān)閉機構(gòu)最小允許尺寸、可能得到的地質(zhì)巖心鉆探常用管材直徑、地質(zhì)巖心鉆機的鉆進能力等現(xiàn)實情況,從鉆具結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)的難易程度看,鉆具徑向尺寸越大,各功能的實現(xiàn)及可靠性就越容易實現(xiàn),目前國外水合物保壓取樣鉆具的徑向尺寸都在220 mm以上,根據(jù)目前我國地質(zhì)鉆探管材規(guī)格,從上一級鉆桿內(nèi)徑可以作為下級鉆桿套管的考慮,確定了“127、108 mm二種規(guī)格保壓保溫取心鉆具。從結(jié)構(gòu)分析和實際加工試制情況看,如果小規(guī)格保壓鉆具在各個功能和可靠性方面都較好實現(xiàn),那么大直徑保壓鉆具更容易實現(xiàn)。室內(nèi)試驗證明,所選擇的上述兩種規(guī)格鉆具的功能和可靠性都能夠較理想實現(xiàn),為下一步海洋天然氣水合物取樣鉆具改進和完善提供重要參考。根據(jù)對上述2種規(guī)格鉆具的室內(nèi)試驗,將保壓取樣鉆具徑向尺寸提高到168 mm,鉆具的各機構(gòu)和動作及可靠性就可十分可靠地實現(xiàn)。目前正在試制168 mm規(guī)格鉆具。保壓取心鉆具的關(guān)鍵是球閥關(guān)閉的可靠性和密封性能,在相同取心直徑的情況下,徑向尺寸越大,球閥關(guān)閉機構(gòu)動作就更容易實現(xiàn)。

3.3 陸地永久凍土帶天然氣水合物鉆進工藝的研究與應(yīng)用

陸地永久凍土帶天然氣水合物取心鉆具及其鉆探施工工藝研究是國內(nèi)巖心鉆探全新的鉆具和技術(shù)方法,尤其是在海拔4200 m施工環(huán)境下,再加之施工地層極為復(fù)雜,軟硬互層、破碎不穩(wěn)定,所以施工難度較大。因此,鉆具及鉆探施工工藝要在保證鉆進的同時,還要盡可能保證取出真實的地質(zhì)樣品,特別是有水合物異常的地層,能夠保持完整或真實的巖心樣品。所以,取心鉆具及施工工藝的研究除了具有常規(guī)取心鉆探的特點外,還必須從鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆頭切削刃類型及唇面結(jié)構(gòu)、鉆壓、回轉(zhuǎn)速度、泥漿性能及循環(huán)量、泥漿溫度、取心方式、回次進尺等進行認真的考慮。尤其是泥漿要具有耐低溫及護壁保心的性能。根據(jù)施工前對該地區(qū)地層資料的收集及以往凍土層取心鉆探施工遇到的困難,地層破碎、坍塌及遇水膨脹、泥質(zhì)頁巖及油頁巖地層進尺極慢等是鉆探施工過程中最關(guān)鍵的工藝難題。要想取得較好的鉆探取樣效果,必須保證泥漿具有良好穩(wěn)定孔壁和冷卻巖心以及對鉆頭具有較好刻取性能起到積極的輔助作用。為了滿足陸地凍土天然氣水合物鉆探取樣技術(shù)研究及地質(zhì)調(diào)查取樣實際需要,在工藝研究及施工方案中采取了綜合鉆探取樣技術(shù),將保壓取樣鉆具及常規(guī)繩索快速取心技術(shù)方法結(jié)合起來,以滿足地質(zhì)鉆探取樣要求為主要目的。

2008年10月18日,經(jīng)過多年的研究和精心準(zhǔn)備,我國第一口陸地久凍土帶天然氣水合物科學(xué)鉆探施工井在海拔4200 m的青海木里地區(qū)正式開鉆,施工現(xiàn)場見圖5。鉆探施工過程中,曾先后采用了所研制的保壓鉆具及繩索取心鉆具。保壓鉆具在應(yīng)用過程中雖然能能夠取出巖心,但孔徑的限制使得鉆具的球閥密封結(jié)構(gòu)難度較大,再加上要求泥密度大、粘度高及含砂量較高,使的鉆具的密封可靠性受到一定影響。為了完成鉆探施工并能夠?qū)ふ姨烊粴馑衔?所以主要采用特制的大直徑繩索取心鉆具。

圖5 中國第一口陸地永久凍土帶水合物DK-1科學(xué)鉆探試驗孔開鉆典禮

尤其是泥漿要具有耐低溫及護壁保心的性能。根據(jù)施工前對該地區(qū)地層資料的收集及以往煤田取心鉆探施工遇到的困難,地層破碎、坍塌及遇水膨脹、泥質(zhì)頁巖及油頁巖地層進尺極慢等是鉆探施工過程中最關(guān)鍵的工藝難題。要想取得較好的鉆探效果,必須保證泥漿具有良好穩(wěn)定孔壁和冷卻巖心以及鉆頭具有較好刻取效果的性能,為此,專門配制了水合物低溫鹽水泥漿,初步泥漿性能如表1。

表1 不同低溫泥漿體系配方及性能控制

上述泥漿雖然在低溫狀態(tài)下具有良好的流動性,但抑制泥頁巖及破碎地層不夠可靠。

在2008年的鉆探取樣施工過程中,曾在133.5～135.5 m、142.9～147.7 m、165.3～165.5 m三個層段發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物,并取出了人們所期望的水合物巖心樣品(如圖6所示）,為我國進一步開展陸地永久凍土天然氣水合物調(diào)查評價提供非常有價值的信息。

圖6 鉆探施工取出的水合物樣品在現(xiàn)場試燃

為了進一步證實該地區(qū)水合物的存在及獲得更多具有說服力的水合物樣品,決定2009年繼續(xù)實施取樣鉆探施工。針對2008年鉆探取樣施工中遇到的技術(shù)難題,項目組從鉆具結(jié)構(gòu)、泥漿性能、取心方法、鉆頭唇面形式、鉆孔結(jié)構(gòu)等進行了認真準(zhǔn)備。首先,采用美國百瑞得公司(Baroid）的泥漿材料配合國產(chǎn)抗鹽高聚物配置低溫高性能泥漿。泥漿配方為:蘇打0.5～1.0 kg/m3;膨潤土(QU IK-GEL）8～24 kg/m3;頁巖/粘土穩(wěn)定劑(EZMUD GOLD）0.75～1.0 kg/m3;KCl 180 kg/m3;抗絮凝劑三聚磷酸鈉0.25 kg/m3;抗鹽共聚物1.0%～3%。泥漿初期性能為:密度1.06～1.14 g/cm3;漏斗粘度23～26 s;凝固點-2℃;泥皮厚度1.5 mm;失水量6～7 mL。由于鉆進過程中受地下水、巖粉等影響,泥漿的性能在不斷發(fā)生變化,所以要時刻觀測泥漿的性能以便及時調(diào)整。由于本次采用的泥漿具有良好的穩(wěn)定孔壁、抑制泥巖及油頁巖膨脹等性能,使得鉆孔較穩(wěn)定和破碎地層取心效果較好。在鉆頭結(jié)構(gòu)方面,由于泥巖及油頁巖地層塑性較大,孕鑲鉆頭鉆進速度較慢,所以采用特制唇面的大水口及帶底噴水眼復(fù)合片金剛石鉆頭。在鉆具及取心方面,采用1.5 m短巖心管、半合管及PV透明三層襯管的技術(shù)措施,取得了能夠觀察到較原始結(jié)構(gòu)的巖心樣品。2009年6月16日,在孔深133 m取出了具有水合物異常的巖心樣品(圖7）。

圖7 DK-2孔取出的水合物樣品及試燃

3.4 陸地永久凍土天然氣水合物取樣施工及取得成果

本項目的重要成果是尋找到了陸地凍土天然氣水合物異常區(qū)域,開發(fā)了為凍土帶進行水合物取樣鉆探施工的鉆具、工藝方法、取樣技術(shù)等,摸索總結(jié)了陸地永久凍土帶施工經(jīng)驗。施工的實踐證明,陸地凍土天然氣水合物鉆探取樣施工采用繩索取心鉆探工藝、采用大直徑鉆具(巖心直徑91～95 mm）、低溫泥漿(0～2℃）、短回次進尺(1～1.5 m）等技術(shù),完全可高效低成本地滿足鉆探取樣施工需求。利用本項目研究成果實施鉆探取樣施工,并發(fā)現(xiàn)獲取了天然氣水合物樣品,使我國凍土區(qū)天然氣水合物地質(zhì)調(diào)查評價及水合物取樣鉆探技術(shù)取得重大突破,為我國進一步開展凍土區(qū)天然氣水合物調(diào)查研究及相關(guān)地學(xué)研究指引了方向并奠定了良好的基礎(chǔ),同時也充分證明了課題組前期的地質(zhì)資料收集與信息研究、野外踏勘及鉆探取樣工作是真實可靠的,鉆具的研究與設(shè)計制造、工藝方法的研究、施工方案研究及鉆探施工準(zhǔn)備工作是可行實用的,所以該項目的初期成果是非常明顯的。2009年在2008年的基礎(chǔ)上,實施了DK-2、DK-3及DK-4鉆孔施工,并取得了水合物樣品和發(fā)現(xiàn)水合物異常,經(jīng)過青島海洋地質(zhì)研究所水合物測試中心測試鑒定,證實了甲烷水合物的真實存在,該成果得到了黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人及部、局領(lǐng)導(dǎo)肯定和贊揚。該成果的取得對我國實施陸地水合物調(diào)查研究、勘探開發(fā)試驗,特別是海洋天然氣水合物的勘探開發(fā)及新能源的勘探具有十分重要意義。2010年,曾先后在祁連山木里地區(qū)和東北漠河地區(qū)實施了陸地凍土天然氣水合物取樣鉆探取樣施工,目前在祁連山的2個取樣鉆探孔已經(jīng)完成,漠河盆地鉆探取樣施工正在進行當(dāng)中。同時還在木里地區(qū)進行了水合物開采試驗研究,開采鉆探施工正在進行當(dāng)中。目前我國陸地凍土帶天然氣水合物的調(diào)查研究及取樣鉆探技術(shù)研究已達到國際先進水平,引起了國際同行的關(guān)注和好評,并同美國、加拿大、俄羅斯等有關(guān)凍土水合物研究機構(gòu)建立了聯(lián)系,并達成相關(guān)合作意向。

4 中國未來天然氣水合物調(diào)查評價鉆探取樣技術(shù)研究的方向及建議

通過幾年對海洋及陸地永久凍土帶天然氣水合物保真取樣鉆具及鉆探取樣施工技術(shù)的研究,收集和掌握了國外在海洋及陸地永久凍土天然氣水合物取樣鉆探施工的信息,對水合物的真實物性有了全面了解,特別是水合物的“自保護效應(yīng)”。天然氣水合物的“自保護效應(yīng)”對進行水合物鉆探取樣施工及工藝器具與方法確定具有重要的作用。由于天然氣水合物具有“自保護效應(yīng)”,所以在水合物的鉆探取樣施工不要把問題復(fù)雜化,不要把水合物的物化性能神秘化。實際上,由于水合物的“自保護效應(yīng)”,在鉆探取樣過程中,水合物實物樣品并不像鞭炮和其他易燃氣體一樣,在自然狀態(tài)下立刻分解釋放。如果把水合物的特性神秘化和復(fù)雜化,必將使水合物的調(diào)查評價取樣施工復(fù)雜化,制約了我國水合物調(diào)查評價和勘探開發(fā)的進度。因為,保溫保壓取樣鉆具的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,制造難度大,可靠性較低,實際上,不用保壓取樣鉆具也可以滿足調(diào)查評價取樣要求,即采取綜合鉆探取樣方法,比如低溫泥漿和繩索打撈快速取樣鉆探法,采用低溫泥漿和雙壁鉆桿閉路反循環(huán)“實時”取樣采氣結(jié)合測井等綜合技術(shù)措施。美國、加拿大及我國祁連山陸地永久凍土層天然氣水合物鉆探取樣都沒有采用保壓取樣鉆具,而且都可以鉆獲滿足地質(zhì)取樣要求的水合物樣品。中國在天然氣水合物鉆探技術(shù)方面應(yīng)注重簡單實用且能滿足地質(zhì)取樣要求的綜合鉆探取樣技術(shù)。為了探索新的取樣方法,吉林大學(xué)曾進行了孔底冷凍取樣技術(shù)的研究,目前取得了一定進展。為未來開采利用做好技術(shù)儲備,中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所等正在進行現(xiàn)場開采試驗研究,已試制出降壓和電及太陽能加熱地下增溫的綜合開采設(shè)備和技術(shù)方法,即將在祁連山陸地凍土水合物發(fā)現(xiàn)區(qū)進行試驗。

盡管目前我國陸地凍土天然氣水合物取樣鉆探技術(shù)取得一定進展,但在專用設(shè)備及施工效率和成本方面還不盡理想,特別是陸地及海洋天然氣水合物取樣鉆探施工專用設(shè)備方面目前還是空白,在海洋天然氣水合物鉆探技術(shù)及施工設(shè)備方面,我們在取樣鉆具研究方面取得一定進展,但海洋鉆探設(shè)備方面和國外相差較遠,目前我國還沒有超過千米深水鉆井作業(yè)船,無法滿足深水天然氣水合物鉆探取樣施工要求。在地質(zhì)探測方面,我國在海洋水合物調(diào)查評價方面取得一定進展,像地球物理、地球化學(xué)等方面都取得一定科研成果,但在陸地凍土天然氣水合物調(diào)查評價方面,我國還沒有找到一種較有效的技術(shù)方法發(fā)現(xiàn)凍土區(qū)水合物異常和標(biāo)志。目前的鉆探施工區(qū)域及鉆孔位置的確定,并不是由于地質(zhì)探測技術(shù)確定的,完全根據(jù)以往其他礦種鉆探施工提供的異常和地質(zhì)資料,推斷某些凍土帶可能存在水合物異常,從而較盲目地采用鉆探取樣方法加以驗證。因此,為了推進我國海洋及陸地天然氣水合物調(diào)查評價的進程,我國除了完善和優(yōu)化現(xiàn)有取樣鉆具和施工技術(shù)外,要加速天然氣水合物鉆探施工設(shè)備的開發(fā)研究,首先要加速陸地永久凍土帶天然氣水合物地質(zhì)探測和識別技術(shù)的研究,為布置鉆探取樣施工驗證提供更準(zhǔn)確信息,要加速水合物鉆探測井技術(shù)的研究,目前我國還沒有專門水合物測井技術(shù)手段。要開展水合物分布特征及異常標(biāo)志研究、資源量計算方法的研究。為了未來開發(fā)利用,要加強水合物開采方法及環(huán)境監(jiān)測和保護技術(shù)的研究。

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Exploration Current Status of the Gas Hydrate Abroad and the Progress of the Gas Hydrate in China

ZHANG Yong-qin(The Institute of Exploration Techniques,CAGS,Langfang Hebei 065000,China）

This paper outlines the progress of the gas hydrate survey research abroad,and introduces the history,working process and some progress of the gas hydrate survey in China.And some drilling and sampling tools,drilling technologies, application status and drilling achievement for the gas hydrate in the permafrost are introduced in details and the task of the exploration and development and some opinionsof the gas hydrate in the permafrost in the future are presented in the paper. Key words:gas hydrate;the permafrost land;drilling sampling;mining and using

TD87;P634

:A

:1672-7428(2010）10-0001-08

2010-09-10

張永勤(1960-）,男(漢族）,山東人,中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所新技術(shù)一室主任、教授級高級工程師,中國地質(zhì)科學(xué)院第一批科技創(chuàng)新基地成員、國土資源部專家?guī)斐蓡T、全國專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員、科技部咨詢專家,從事探礦工程技術(shù)研究工作,河北省廊坊市金光道77號,zyqiet@cniet.com。