可燃冰研究現(xiàn)狀及商業(yè)化開采瓶頸

付亞榮

中國石油華北油田公司

可燃冰，學(xué)名天然氣水合物，是分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中，由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類似冰狀的結(jié)晶物質(zhì)。2017年5月10日中國在南海神狐海域水深1 266 m海底以下203～277 m成功實(shí)現(xiàn)開發(fā)難度最大的泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物可控開采［1］。經(jīng)過近20年的努力，取得了天然氣水合物勘查開發(fā)理論、技術(shù)、工程、裝備的自主創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了歷史性突破［2］。英國科學(xué)家普德斯特里早在1778年開始研究可燃冰形成的溫度和壓力條件［3］，但沒有引起足夠的重視，1810年首次在戴維的實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)可燃冰［4］；一直困惑人們的油氣管道和加工設(shè)備冰狀固體堵塞物，到1934年才知道是可燃冰［5］。世界上首個可燃冰氣藏商業(yè)開采最成功的案例，發(fā)現(xiàn)于1965年西伯利亞凍土區(qū)的麥索雅哈氣田，1969年其試采總產(chǎn)氣量129×108m3中約47%為可燃冰［6］。目前已在79個國家和地區(qū)發(fā)現(xiàn)了可燃冰。地球上可燃冰儲量約為2×1016m3，是剩余天然氣儲量的128倍，其有機(jī)碳總資源量相當(dāng)于全球已知煤、石油和天然氣碳含量的2倍。約4×107km2的海底探查有可燃冰分布，可供人類使用 1 000 年［7］。

全球?qū)扇急目碧匠掷m(xù)進(jìn)行，2004年7月29—31日第八屆國際天然氣水合物大會，云集了世界各國700多位科學(xué)家，以618篇高質(zhì)量的論文摘要和408篇論文全文，榮居歷屆大會之最［8］。天然氣水合物SⅠ、SⅡ、SH“籠形包合物”結(jié)構(gòu)已被X-Ray、Raman、NMR等實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，其量子穩(wěn)定化能也得到了深入研究［9］。但可燃冰的生成機(jī)理、成藏機(jī)理、遷移途徑及影響其成藏的物理化學(xué)條件還沒有明確的答案，且開采技術(shù)和環(huán)境保護(hù)面臨很多困難。若想可燃冰的未來是“天使”而不是“魔鬼”，還需要多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破。

1 全球可燃冰的分布及勘探開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 可燃冰分布

全球可燃冰主要分布在西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千島海溝、沖繩海槽、日本南海海槽、四國海槽、南海海槽、蘇拉威西海、韓國郁龍盆地、新西蘭北島，大西洋海域的布萊克海臺、墨西哥灣、加勒比海、南美東海岸外陸緣、非洲西西海岸海域，東太平洋海域的中美海槽、北加利福尼亞—俄勒岡濱外、秘魯海槽，印度洋的阿曼海灣，北極的巴倫支海和波弗特海，南極的羅斯海和威德爾海以及黑海和里海等［10］。美國、俄羅斯、加拿大、荷蘭、日本、印度等國對可燃冰勘探的目標(biāo)和范圍含蓋了幾乎所有的海洋陸緣重要潛在區(qū)域和高緯度極地永久凍土帶及南極大陸陸緣地區(qū)［11］，相繼將制定的詳細(xì)發(fā)展路線圖納入國家能源中長期發(fā)展規(guī)劃，依靠地震勘探已探明北極地區(qū)有大量正在形成的可燃冰［12］。

1.2 勘探開發(fā)現(xiàn)狀

1934年美國科學(xué)家在輸氣管道中首次發(fā)現(xiàn)了可燃冰實(shí)體，并提出了Hammer Schmidt方程；1946年，前蘇聯(lián)學(xué)者N.H.斯特里諾夫從理論上認(rèn)為自然界存在天然氣水合物礦藏；1951—1952年Claussen先后確定了Ⅱ型、Ⅰ型天然氣水合物的結(jié)構(gòu)［13］，這標(biāo)志著科學(xué)家的視野中融入自然界存在的氣體水合物。

美國USGS（地質(zhì)調(diào)查局）估計(jì)，美國可燃冰儲量為2.8×1015m3，而 DOE（美國能源部）估計(jì)天然氣儲量為5.24 ×1012m3。20世紀(jì)60年代創(chuàng)立了海洋可燃冰識別地震標(biāo)志——似海底反射層；1981年投入800萬美元制定10年可燃冰研究計(jì)劃；自1988年起每年投入2 000萬美元列入國家能源戰(zhàn)略長遠(yuǎn)計(jì)劃；2001—2007年BP阿拉斯加開發(fā)公司與美國能源部等合作在阿拉斯加北坡Eileen Trend地區(qū)進(jìn)行了可燃冰的開發(fā)和Milne Point地區(qū)的資源鉆探試驗(yàn)，資源擁有量12.6×1012m3，目前美國沒有實(shí)現(xiàn)2015年投入開發(fā)的目標(biāo)，但2012年康菲公司在阿拉斯加陸上北坡凍土區(qū)用CO2置換可燃冰取得了30 d 采出 CH4近 3×104m3的可喜成績［6，14］。

日本自20世紀(jì)70年代末在南海海槽發(fā)現(xiàn)似海底反射層（BSR）后，加大日本周邊海域可燃冰的探測力度，80年代末鉆探獲得可燃冰樣品，地質(zhì)調(diào)查局公布了可滿足日本100多年天然氣需求的擁有約 4.655×1012m3可采儲量的可燃冰［15］。1998年，日本與加拿大聯(lián)合，在高緯度的加拿大西北Mackenziedg三角洲凍土帶，鉆進(jìn)至890～952 m處獲得37 m可燃冰巖心［16］，鉆井井深1 150 m。1995—1999年用于可燃冰基礎(chǔ)研究及重點(diǎn)海域的地球物理調(diào)查和實(shí)驗(yàn)鉆探等投資高達(dá)6 400美元，且獲取了海洋可燃冰樣品，成為世界上首個掌握利用地震探測和物理探測抽取可燃冰的國家［17］。2012年安倍晉三再度上臺后加快推進(jìn)可燃冰商業(yè)開采進(jìn)程，并于同年2月在日本近海進(jìn)行首次商業(yè)性鉆探（如圖1）；2013年3月12日，MH21研究財(cái)團(tuán)利用“地球號”探測船在愛知縣渥美半島附近約1 000 m的海底深處向下鉆探260～330 m到可燃冰層，利用3口監(jiān)測井、1口測試井進(jìn)行世界首次可燃冰海洋生產(chǎn)試驗(yàn)，采用井下電潛泵排液采氣和井下電加熱等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全球首次試采海域可燃冰（圖2）［18］，連續(xù)6 d累計(jì)生產(chǎn)CH4約12×104m3，獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)為以后可燃冰商業(yè)化開采提供了寶貴的研究資料［15］。日本計(jì)劃在2018年開發(fā)出成熟的可燃冰開采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

圖1 日本可燃冰海洋生產(chǎn)試驗(yàn)的鉆井配置［15］Fig.1 The drilling configuration for the combustible ice production test in Japan［15］

圖2 日本海域可燃冰試采井布置［18］Fig.2 Layout of combustible ice test wells in the area of Japan Sea［18］

1972年加拿大麥肯齊三角洲Mallik發(fā)現(xiàn)可燃冰，并于1998年與日本合作進(jìn)行了全球首個陸上凍土區(qū)可燃冰鉆探［6］。2002年加拿大、德國、美國、日本、印度等國50多個科研機(jī)構(gòu)合作對Mallik凍土帶Mallik5L-38井應(yīng)用簡單的熱水循環(huán)系統(tǒng)實(shí)施注熱法試采［18-19］，120 h 采氣量 468 m3，結(jié)束熱水循環(huán)后采氣量48 m3，試采井布置如圖3，試采流程如圖4。這次試采證實(shí)了注熱法開采效率低，很難適應(yīng)規(guī)?；虡I(yè)開采的要求。2008年冬季對Mallik凍土帶項(xiàng)目采用降壓法與注熱法聯(lián)作試采6 d，日產(chǎn)CH4達(dá)到2 000 ～4 000 m3，累積產(chǎn)量13 000 m3，證實(shí)了降壓法在Mallik凍土帶開采可燃冰是可行的，說明降壓法也適合于陸地凍土帶成藏條件較好的可燃冰商業(yè)化開采。但Mallik5L-38井上部為良好的可燃冰儲層，下部為天然氣氣藏，降壓法開采造成可燃冰相變分解所需要的熱量如何供應(yīng)仍是技術(shù)瓶頸。

圖3 加拿大可燃冰試采井布置［18-19］Fig.3 Layout of combustible ice test wells in Canada［18-19］

圖4 加拿大可燃冰試采工藝［19］Fig.4 Combustible ice production test process in Canada［19］

1960年俄羅斯在西西伯利亞凍土地區(qū)麥索雅哈氣田，發(fā)現(xiàn)了首個典型的具有下覆自由氣的可燃冰氣藏［7］；1971年先期采用降壓法、后期結(jié)合CH4O、CaCl2抑制劑對其進(jìn)行商業(yè)性試開采，成為全球首次實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)可燃冰礦體［20］，斷續(xù)開采17年，采出可燃冰（CH4）5.017×109m3；到2004年元旦，麥索雅哈氣田超過50%的產(chǎn)氣量為可燃冰的分解物。2007—2009年俄羅斯在東西伯利亞南部貝加爾湖與比利時、日本合作，進(jìn)行了5次可燃冰開采工藝試驗(yàn)。

印度、韓國分別于2006、2007年獲得了可燃冰實(shí)物樣品，澳大利亞、法國、德國、挪威、阿根廷等國家和部分國際組織也開展了有關(guān)天然氣水合物資源量調(diào)查、環(huán)境安全和開采技術(shù)儲備等工作。

2 中國可燃冰的分布及勘探開發(fā)現(xiàn)狀

2.1 分布情況

中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所與莫斯科大學(xué)合作，1990年開展人工合成可燃冰實(shí)驗(yàn)獲得成功［21］。1999年開始對可燃冰進(jìn)行資源調(diào)查和研究，有中國海洋石油、中國石油、中國石化、中國石油大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)、吉林大學(xué)、中科院廣州天然氣水合物研究中心、國土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京地球物理研究所、青島海洋地質(zhì)研究所、廣州海洋地質(zhì)調(diào)査局等單位從事可燃冰的研究工作［22］。可燃冰資源主要分布在南海北部坡陸［23］、祁連山凍土區(qū)［24］、青海木里凍土區(qū)［25］、珠江口盆地東部海域［26］、青藏高原昆侖山埡口盆地［27］、瓊東南盆地［28］、青藏高原哈拉湖地區(qū)和東北漠河盆地［29］、臺西南盆地［30］、西藏羌塘盆地［31］等。2008年中國可燃冰資源研究專家估算［6，22］，中國可燃冰資源總量 841×1012m3，其中：東海海域3.4×1012m3，南海海域65×1012m3，青藏高原凍土帶12.5×1012m3，東北凍土帶2.8×1012m3。

2.2 勘探開發(fā)現(xiàn)狀

2.2.1 前期資料收集 1985年南海地質(zhì)調(diào)查指揮部金慶煥院士向國內(nèi)學(xué)者提出，全球13%的陸地凍土帶有約1×1015m3的固態(tài)CH4和比大陸凍土帶多100倍的海底固態(tài)CH4將是未來人類重要的能源［32］；1990年采用CH4氣和蒸餾水在室內(nèi)合成外觀、揮發(fā)性和可燃性等與自然界取得的可燃冰樣品具有完全相同特點(diǎn)的合成可燃冰；1992年史斗等人翻譯出版了國內(nèi)系統(tǒng)介紹可燃冰的早期文獻(xiàn)《國外天然氣水合物研究進(jìn)展》；同年吳必豪等對可燃冰進(jìn)行技術(shù)追蹤、收集資料和研究，1995—1997年中科院礦床所與中國地質(zhì)礦產(chǎn)信息研究院合作完成了“西太平洋天然氣水合物找礦前景與方法的調(diào)研”課題，1998年中科院蘭州地質(zhì)所徐永昌、史斗和中國地質(zhì)研究院李巖等學(xué)者分別編譯了有關(guān)可燃冰的專輯［33］。

2.2.2 勘探開發(fā) 1999年中國國土資源部組織啟動可燃冰實(shí)質(zhì)性調(diào)查和研究。2000年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在南海海底發(fā)現(xiàn)了總量估計(jì)相當(dāng)于全國石油總量一半的巨大可燃冰帶，迅速從海底取出了樣品［34］。2002 年正式啟動為期10年的對中國海域可燃冰資源調(diào)查與研究專項(xiàng)，10年間廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在南海北部陸坡區(qū)的西沙海槽、神狐、東沙及瓊東南4個海域，利用4艘調(diào)查船進(jìn)行了25個航次的可燃冰資源調(diào)查與評價，取得了4個突破：（1）發(fā)現(xiàn)了南海北部陸坡可燃冰有利區(qū)；（2）評價了南海北部陸坡可燃冰資源潛力；（3）確定了東沙、 神狐 2 個可燃冰重點(diǎn)目標(biāo)；（4）證實(shí)了中國南海存在可燃冰資源［35］。2003年對外宣布南海和東海是中國可燃冰蘊(yùn)藏量比較豐富的地區(qū)［36］。2004年6月2日中國和德國的26名科學(xué)家乘坐“太陽號”科考船，在南海進(jìn)行了42 d的勘測考察，進(jìn)一步證實(shí)了南海存在每立方米可釋放 164 m3甲烷的的可燃冰［37］。2006年中國決定在未來10年投入8.1億元進(jìn)行“可燃冰”勘探研究［38］。2007年首個可燃冰鉆探航次GMGS-1在南海神狐海域珠江口盆地的珠Ⅱ凹陷鉆探8個站位，在SH2、SH3、SH7站位獲得含可燃冰樣品，SH1、SH5站位未發(fā)現(xiàn)可燃冰，SH4、SH6、SH8站位測井顯示異常但未取得可燃冰樣品［39］，標(biāo)志著中國可燃冰調(diào)查研究水平步入世界先進(jìn)行列，成為繼美國、日本、印度之后第4個通過國家級研發(fā)計(jì)劃獲得可燃冰實(shí)物樣品的國家［40］。

2008年中國在海拔4 062 m的青海省天峻縣木里鎮(zhèn)祁連山南緣永久凍土帶首次發(fā)現(xiàn)并檢測出可燃冰，成為世界上首個在中低緯度凍土層發(fā)現(xiàn)可燃冰的國家，2009年6月在該地區(qū)獲得實(shí)物樣品和一系列原始數(shù)據(jù)，且成功試采100 h［41-42］。2009年10月18日具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、全球第1艘配置有4 000 m級深海水下機(jī)器人“海獅號”、深水多波束測深系統(tǒng)、深水淺地層剖面系統(tǒng)、長排列大容量高分辨率地震采集系統(tǒng)等綜合地質(zhì)地球物理調(diào)查船——“海洋六號”，正式入列中國海洋地質(zhì)調(diào)查［43］；2010年12月國土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局完成的《南海北部神狐海域天然氣水合物鉆探成果報告》通過終審，科研人員在140 km2的鉆探目標(biāo)區(qū)內(nèi)，圈定出11個可燃冰礦體，含礦區(qū)總面積約22 km2，礦層平均有效厚度約20 m，預(yù)測儲量約194×108m3，CH4平均含量98.1%，獲得可燃冰的3個站位的飽和度最高值分別為 25.5%、46%和 43%，是世界上已發(fā)現(xiàn)可燃冰地區(qū)中飽和度含量最高的［44］。2014年中國成功舉辦第八屆國際天然氣水合物大會［6］。

2012年5月“海洋六號”再次深入南海北部1600 m水深的深海區(qū)域，對可燃冰資源進(jìn)行新一輪“精確調(diào)查”［45］。2013年6—9月在珠江口盆地東部海域?qū)嵤┛扇急@探取樣，分3個航段完成了13個站位23口井的地球物理測井及鉆探取心，8個站位的測井曲線有可燃冰異常顯示，5個取心站位取到可燃冰樣品，其中4個站位發(fā)現(xiàn)可視可燃冰，可燃冰以不同形態(tài)分布于海底之下約10m至穩(wěn)定帶之上的不同深度區(qū)間［46］；控制可燃冰分布面積55 km2，控制儲量（10～15）×1010m3［47］。2013 年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在臺西南盆地鉆獲了在中國海洋可燃冰鉆探史上具有里程碑意義的滲漏型和擴(kuò)散型實(shí)物樣品［30］（圖5）。2014年1月在青海省天峻縣聚乎更礦區(qū)首個可燃冰三維勘探項(xiàng)目野外采集工作完成［6］。2012—2015年中國地質(zhì)調(diào)查局在西藏羌塘盆地鴨湖地區(qū)進(jìn)行了3口可燃冰調(diào)查井鉆探，其中2口井鉆遇淺層指示可能存在較好可燃冰成礦氣源的高壓烴類氣體［31］。

圖5 GMGS2-08井鉆獲的可視天然氣水合物樣品［30］Fig.5 Visible sample of natural gas hydrate obtained from Well GMGS2-08［30］

2017年5月18日上午10時許，在距離中國大陸300多公里的中國南海北部神狐海域“藍(lán)鯨一號”海上鉆井平臺，國土資源部部長、黨組書記、國家土地總督察姜大明宣布，中國首次可燃冰試采宣告成功［1-2］；從5月10日到17日15時采出總量 12×104m3，最高日產(chǎn) 3.5×104m3，平均日產(chǎn)超過1.6×104m3，達(dá)到了可燃冰試采平均日產(chǎn)量超過1.2×104m3、連續(xù)生產(chǎn)7 d以上的國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。首次試采的海域有11個礦體、面積128 km2，資源儲存量15×1010m3，相當(dāng)于 1.5×108t石油儲量［48］。截至7月9日14時52分，連續(xù)產(chǎn)氣60 d，累計(jì)產(chǎn)氣超過30.9×104m3，CH4含量最高達(dá)99.5%，獲取科學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 647 萬組［49-50］。

2.2.3 技術(shù)現(xiàn)狀 （1）X射線衍射（XRD）技術(shù)。應(yīng)用于可燃冰結(jié)構(gòu)特征、生成或分解動力學(xué)過程原位觀測以及野外可燃冰樣品鑒定等方面的研究，解決了可燃冰的結(jié)構(gòu)類型鑒別、晶格參數(shù)測量等基本問題；XRD技術(shù)與核磁共振、紅外光譜、X-CT等分析技術(shù)的聯(lián)用，可進(jìn)行可燃冰的沉積物孔隙空間微觀賦存狀態(tài)的原位探測［50-51］。（2）近海底可燃冰地震識別技術(shù)［52］。利用多道高分辨地震數(shù)據(jù)，正演分析近海底存在薄高速層時地震反射速度變化規(guī)律，采用沿層速度分析方法獲取近海底處的速度，進(jìn)而得到海底處可燃冰的分布特征。

3 可燃冰開采技術(shù)現(xiàn)狀

可燃冰開采的實(shí)質(zhì)就是改變可燃冰儲層環(huán)境溫度、壓力使其相平衡得到改變，分解得到CH4。

3.1 熱激發(fā)法

壓力波動不大的可燃冰儲層，利用蒸汽、熱水、熱鹽水等從地面泵入可燃冰儲層或通過電磁、微波依靠管柱使可燃冰儲層溫度增加，促進(jìn)可燃冰分解達(dá)到開采目的（圖 6）［21］。

圖6 熱激發(fā)法開采可燃冰示意圖［21］Fig.6 Schematic thermal stimulation for the exploitation of combustible ice［21］

2002年日本首次在加拿大麥肯齊永久凍土帶成功應(yīng)用熱激發(fā)法開采可燃冰。

3.2 降壓法

調(diào)節(jié)從可燃冰中提取CH4速度來控制儲層壓力的開采方法，低密度鉆井液鉆井或泵出可燃冰儲層下方流體降低壓力（如圖7）。麥索雅哈可燃冰采用抽取儲層下方流體進(jìn)行17年開采獲取30×108m3CH4，但是，只有當(dāng)存在溫度與壓力平衡邊界時，降壓法才具有實(shí)際價值。

圖7 降壓法開采可燃冰示意圖［53］Fig.7 Schematic depressurization method for the exploitation of combustible ice［53］

3.3 化學(xué)抑制劑法

利用鹽水、CH4O、（CH2OH）2等抑制和促進(jìn)可燃冰分解成CH4，可燃冰分解速率與化學(xué)抑制劑排量、濃度、壓力、抑制液溫度、可燃冰與抑制劑注入界面的面積有關(guān)（如圖8）。俄羅斯麥索雅哈氣田5口井注入后平均產(chǎn)量增加了 4 倍，但化學(xué)抑制劑昂貴，商業(yè)價值低，對環(huán)境造成污染。

圖8 化學(xué)抑制劑法開采可燃冰示意圖［54］Fig.8 Schematic chemical inhibitor method for the exploitation of combustible ice［54］

3.4 CO2-CH4 置換法

特定的壓力區(qū)間，用CO2置換可燃冰儲層中的CH4，置換過程釋放出的熱量維持可燃冰的分解反應(yīng)，CO2還能保持可燃冰儲層的相對穩(wěn)定（如圖9）。2012年美國康菲和日本國家油氣和金屬公司首次在阿拉斯加北坡Prudhoe 灣區(qū)現(xiàn)場試驗(yàn)獲得成功。

3.5 雙水平井熱水注入法

系統(tǒng)包括位于可燃冰儲層內(nèi)的垂向距離3～5 m的2口水平井，上、下方水平井用于熱水注入，中間水平井用于生產(chǎn)CH4和H2O（如圖10）。室內(nèi)模擬表明，在非均質(zhì)儲層中的應(yīng)用效果要明顯好于均質(zhì)儲層。

圖9 CO2-CH4 置換法開采可燃冰示意圖［55］Fig.9 Schematic CO2-CH4 exchange method for the exploitation of combustible ice［55］

圖10 雙水平井熱水注入法開采可燃冰示意圖［56］Fig.10 Schematic hot water injection of double horizontal well for the exploitation of combustible ice［56］

3.6 循環(huán)蒸汽激勵法

循環(huán)蒸汽激勵法包括注熱、燜井和生產(chǎn)3個階段，注入井和生產(chǎn)井是同一口井（如圖11）［57］。中國科學(xué)院廣州天然氣水合物研究中心于 2010年對南海北部陸坡中段神狐暗沙東南海域附近SH7站位的可燃冰巖心進(jìn)行模擬研究表明：循環(huán)蒸汽激勵的經(jīng)濟(jì)性較差［58］。

圖11 循環(huán)蒸汽激勵法開采可燃冰示意圖［57］Fig.11 Schematic cyclic steam stimulation for the exploitation of combustible ice［57］

3.7 部分氧化法

2015年Takeshi Komait等人提出通過氧化劑、催化劑和活性鐵粉發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱量來促進(jìn)可燃冰分解（如圖12）。其過程分5個階段：（1）往低溫度可燃冰儲層注入氧化劑和催化劑使溫度上升；（2）活性鐵粉和催化劑發(fā)生反應(yīng)后溫度繼續(xù)升高，可燃冰部分氧化；（3）部分氧化的可燃冰促進(jìn)生產(chǎn)井附近生成的次生可燃冰分解；（4）通過酸和氫氧化劑中和生成的熱量進(jìn)一步促進(jìn)可燃冰的分解；（5）溫度升高和滲透率改變從而提高可燃冰采收率。

圖12 部分氧化法及數(shù)值模擬示意圖［59］Fig.12 Schematic partial oxidation and numerical simulation［59］

3.8 電加熱輔助降壓法

Hideki Minagawa等人2015年提出了將降壓法與電加熱法相結(jié)合形成電加熱輔助降壓法，并通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電加熱輔助降壓法開采可燃冰的可靠性和有效性（如圖13）。

3.9 CO2置換輔助降壓法

2014年Ankit Gupta等學(xué)者提出了在兩口鄰井中分別進(jìn)行CO2置換和降壓法開采可燃冰，消除2種方法各自的局限性，形成連續(xù)置換和生產(chǎn)的循環(huán)過程（如圖14）。

3.10 冷鉆熱采技術(shù)

吉林大學(xué)首創(chuàng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的可燃冰開采技術(shù)［62］，與國際上通用的“被動式保壓保溫取樣”鉆探原理不同，首次提出“主動式降溫冷凍取樣”原理，發(fā)明了鉆井液強(qiáng)化制冷方法、可燃冰孔底快速冷凍取樣方法和高溫脈沖熱激發(fā)開采技術(shù)，解決了陸地凍土帶可燃冰開采問題；隨后，馬喜偉等人［63］對可燃冰鉆井液冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。

圖13 電加熱輔助降壓法開采可燃冰示意圖［60］Fig.13 Schematic electric heating assisted depressurization method for the exploitation of combustible ice［60］

圖14 CO2置換輔助降壓法示意圖開采可燃冰示意圖［61］Fig.14 Schematic CO2 exchange assisted depressurization method for the exploitation of combustible ice［61］

4 中國南海神狐可燃冰試采關(guān)鍵技術(shù)

試采方法是首先在海底的可燃冰上鉆出井眼，然后使用減壓泵對可燃冰減壓，讓天然氣一次分解出來，有控制地將天然氣從可燃冰中直接分解出來，采用的工程技術(shù)創(chuàng)新主要有8項(xiàng)［48］。

（1）窄密度窗口平衡鉆井技術(shù)。通過控制鉆井液密度［64］，成功解決了測井?dāng)?shù)據(jù)采集需要高排量與低排量鉆進(jìn)之間的矛盾和鉆井液密度的合理配值、鉆井安全及地層防漏失的協(xié)調(diào)等一系列難題。

（2）深水淺層井口穩(wěn)定技術(shù)。南海神狐可燃冰處于深水、淺層，儲層穩(wěn)定性差，可燃冰汽化將導(dǎo)致其“封存”海底沉積物將失穩(wěn)，位于海底的井口將會遭到嚴(yán)重破壞［65］，采用了因地制宜的井口穩(wěn)定性增強(qiáng)技術(shù)。

（3）松軟復(fù)雜礦體開發(fā)技術(shù)。南海神狐可燃冰主要屬于粉砂型儲層，滲透性能很差，加之深水、層淺，施工難度加大，創(chuàng)建了綜合解決改善滲透性能、防止淺層汽化，兼顧深水鉆采等一整套綜合開發(fā)技術(shù)。

（4）水力割縫儲層改造技術(shù)。運(yùn)用水力噴射鉆井工藝，合理控制鉆頭水眼噴出的液體流速［66］，進(jìn)行可燃冰儲層的水力割縫，有效改善儲層低滲透性能。

（5）粉砂質(zhì)可燃冰儲層試采防砂技術(shù)［49］。舉升從可燃冰分解出的甲烷氣體時，未固結(jié)的超細(xì)粉砂將隨同氣體一起上升，砂量過多時將會影響出氣，這也是日本2013、2014年兩次試采可燃冰失敗的原因，中國石油與思達(dá)斯易公司共同開發(fā)的粉砂質(zhì)可燃冰儲層試采防砂篩管，驗(yàn)證了防砂思路的科學(xué)性和防砂工藝的有效性。

（6）水合物二次生成預(yù)防技術(shù)。自海底舉升分解出的甲烷氣體至水面過程中，如果有水合物生成，將會堵塞通道，影響甲烷氣體的正常舉升，甚至中斷試采，技術(shù)人員轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)的熱力學(xué)思維模式，自主研發(fā)了可燃冰鉆井動力學(xué)處理劑［49］，成功防止了水合物的二次生成。

（7）完井與測試系統(tǒng)集成技術(shù)。研制成了一整套完井與測試系統(tǒng)集成裝備與技術(shù)，它將當(dāng)前的可燃冰試采需要與長遠(yuǎn)科學(xué)研究需求結(jié)合起來，測得了多項(xiàng)新數(shù)據(jù)，為今后水合物開發(fā)研究提供了大量科學(xué)依據(jù)。

（8）內(nèi)波帶來的大幅垂向運(yùn)動和水面上的瞬間位移會對水面和水下生產(chǎn)設(shè)施造成極大危害［67-68］，對內(nèi)波的發(fā)生季節(jié)、發(fā)生時段、影響區(qū)域和強(qiáng)度等深入分析后，從預(yù)報整片海域，到預(yù)報單點(diǎn)的海流變化，實(shí)現(xiàn)了由“面”到“點(diǎn)”成功地解決了精準(zhǔn)預(yù)報內(nèi)波問題，能夠?qū)崟r監(jiān)測并通過衛(wèi)星實(shí)時回傳數(shù)據(jù)，可以第一時間發(fā)現(xiàn)達(dá)到預(yù)警級別的內(nèi)波，并至少提前6 h發(fā)送預(yù)警信息到“藍(lán)鯨一號”平臺。

5 可燃冰開采的瓶頸

2014年2月2日中國重大基礎(chǔ)研究“南海天然氣水合物富集規(guī)律與開采基礎(chǔ)研究”圍繞可燃冰有關(guān)的成藏條件、成藏過程動力學(xué)、成藏富集規(guī)律等關(guān)鍵科學(xué)取得的重要研究成果和創(chuàng)新性認(rèn)識通過驗(yàn)收，標(biāo)志著中國建立起了可燃冰基礎(chǔ)研究系統(tǒng)理論［69］。但可燃冰勘探開發(fā)理論認(rèn)識、勘探開發(fā)方案及關(guān)鍵技術(shù)、安全環(huán)保、開采成本等方面仍是可燃冰商業(yè)化開發(fā)的瓶頸問題。

5.1 勘探開發(fā)相關(guān)技術(shù)有待完善

目前還沒有一種理論可以科學(xué)全面合理地解釋可燃冰形成的機(jī)理和完整的勘探開發(fā)理論體系，鉆完井技術(shù)處于探索階段，勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)、輸送技術(shù)、儲存技術(shù)等瓶頸需要攻克，高效、經(jīng)濟(jì)的商業(yè)化開采方法的突破還有很長一段距離。

5.2 開采成本偏高

日本從海底的可燃冰中開采1 m3CH4平均成本為46 174日元，折合人民幣2 682元；而美國僅為10日元，折合人民幣0.58元［6］；中國2017年在南海神狐開采1 m3可燃冰高達(dá)200美元，折合人了幣1 323元，按1 m3可燃冰轉(zhuǎn)化為164 m3CH4換算，約相當(dāng)于1 m3CH4平均開采成本8元人民幣［48］，開發(fā)成本是可燃冰資源開發(fā)不得不面對的難題，也是世界各國一再推遲商業(yè)開采時間表的重要原因。

5.3 可燃冰開采是否引發(fā)溫室效應(yīng)

科學(xué)家們研究表明，已探明的全球可燃冰中CH4總量大致是大氣中CH4的3 000～5 000倍，1%的可燃冰釋放出來，與過去人為釋放的約36×108t的甲烷碳相當(dāng)［6，70］。作為短期溫室氣體，CH4比CO2所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)大21倍，其后果將不堪設(shè)想?？扇急V藏即使微小的破壞，甚至自然破壞，將導(dǎo)致CH4氣體大量散失?？扇急虡I(yè)化開發(fā)，從開采技術(shù)出發(fā)更重要的是如何保證井底穩(wěn)定、CH4氣體不泄漏、不引發(fā)溫室效應(yīng)、不破壞生態(tài)環(huán)境等一系列的環(huán)境問題。

5.4 可燃冰可能導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害

可燃冰開采將使其儲層原始應(yīng)力平衡破壞，應(yīng)力釋放和應(yīng)力重新分布成為必然，可燃冰儲層圍巖體的強(qiáng)度、變形、滲透性和穩(wěn)定性等力學(xué)性質(zhì)被擾動，從海底開采1 m3可燃冰將釋放出164 m3左右的CH4和0.8 m3H2O，儲層中驟減的巨大地壓損失極有可能破壞海底環(huán)境的穩(wěn)定和平衡，可燃冰的分解造成大陸坡上沉積物強(qiáng)度和穩(wěn)定性變差，產(chǎn)生崩塌、滑動、海底塌方，甚至引發(fā)海嘯；同時，開采陸緣海邊可燃冰，一旦發(fā)生井噴也將引發(fā)海嘯。

從自然地質(zhì)角度審視，隱藏在海底的可燃冰極有可能導(dǎo)致海床不穩(wěn)定而引發(fā)洪大的海底泥流，嚴(yán)重破壞海底管道和通訊電纜；地震、巖漿活動、斷裂運(yùn)動引起可燃冰分解出的CH4呈氣泡狀上升，對沖部分海水的重力，海底沉積物承壓力減小，誘發(fā)更多可燃冰分解，瞬間造成大量的CH4氣體溢出，在海面上形成強(qiáng)大的渦流和天然氣團(tuán)，此時，在該區(qū)域行駛的船舶 、鉆井設(shè)備迅速沉入海底。甚至有學(xué)者認(rèn)為，百慕大三角區(qū)海域發(fā)生過的過往船只和飛機(jī)神秘失蹤的事件可能與可燃冰擾動有關(guān)?？茖W(xué)家們已發(fā)現(xiàn)可燃冰分解造成的海底滑坡、滑塌和濁流在阿拉斯加北部的 Beaufort海大陸邊緣、美國東海岸等海域發(fā)生。

中國陸地可燃冰分布在具有“水塔 ”之稱、生態(tài)環(huán)境十分脆弱的青藏高原凍土帶，且是世界生態(tài)環(huán)境的敏感地區(qū)之一 。陸地可燃冰開采可能導(dǎo)致凍土層的破壞，引起山崩、地震、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害。

5.5 可燃冰的環(huán)境生物效應(yīng)

開采相對穩(wěn)定的海底可燃冰時，釋放的流體沿泥火山、構(gòu)造面或沉積物裂隙向上運(yùn)移和排放，形成海底冷泉，海底冷泉及其所支持的生態(tài)系統(tǒng)將被打破；物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)所引起的泄漏流體、自生礦物的特征和形成以及周圍海水環(huán)境也將發(fā)生改變［71］。

6 結(jié)論

（1）有望取代煤炭、石油、天然氣的可燃冰的開發(fā)和利用已越來越受到世界各國政府的高度重視。全世界許多國家在海底和陸地凍土帶可燃冰的形成機(jī)理、鉆探和開采關(guān)鍵技術(shù)等方面均取得了長足的進(jìn)展，且有成功開采的案例；但可燃冰成藏條件、成藏過程動力學(xué)、成藏富集規(guī)律、地震和非地震、鉆井、開采、輸送、儲存等勘探開發(fā)理論和技術(shù)仍亟待完善和豐富。

（2）可燃冰商業(yè)化開采面臨的開采成本、溫室效應(yīng)、地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境效應(yīng)等問題應(yīng)謹(jǐn)慎對待。“資源需求”和“環(huán)境安全”之間需要統(tǒng)籌考慮，既要保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境，又要讓可燃冰資源持續(xù)造福子孫。

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