天然氣水合物開采技術研究進展及思考

天然氣水合物作為一種儲量巨大的清潔、不可再生能源，其開采價值已引起越來越多的關注。但到目前為止，天然氣水合物的開采方法尚處于概念和實驗研究階段，沒有形成一套完整的天然氣水合物開采理論，距離商業應用也還有很大一段距離。

1810年，英國科學家Davy首次在實驗室發現天然氣水合物，但之后水合物僅作為普通化學物質停留在實驗室研究階段。20世紀60年代，蘇聯學者特羅菲姆科發現天然氣水合物可以以固態形式存在于地殼中，形成穩定礦藏，并由此發現了世界第一個天然氣水合物礦藏——麥索雅哈氣田，開采過程中“偶然”形成了傳統水合物開采方法——降壓法。從此，開啟了水合物作為一種能源形式的開采研究歷程。

許多國家都將天然氣水合物列入國家重點發展戰略，制定了國家級的水合物戰略研究計劃。美國、加拿大近幾年因頁巖氣的迅速發展，水合物的研究進展較慢。俄羅斯很早就開始了天然氣水合物研究，但由于經濟發展緩慢，僅做了少量調查研究，但麥索雅哈氣田被公認為是全球最早的天然氣水合物開采實例，為后續水合物的商業開發積累了寶貴的經驗。日本于2000年開始執行“二十一世紀天然氣水合物研究開發計劃（2001—2016年）”，2002年3月，經濟產業省挑頭成立了推行該計劃的政府和民間機構結合的專門組織“天然氣水合物資源開發研究財團”（也稱“MH21研究財團”），吸引民間企業和大學等團體的研究人員參加天然氣水合物勘探開發等綜合研究，并于2013年1月進行了海上天然氣水合物試采。此外，韓國、印度和澳大利亞也開展了初步研究。

中國水合物研究啟動較晚，1990年才由中國科學院蘭州冰川凍土研究所與莫斯科大學合作，成功進行了天然氣水合物人工合成實驗。此后，先后啟動了973計劃項目、國家863計劃項目研究專項、“十二五”國家科技重大專項、中國工程院自然科學基金重大戰略課題等，具有了一定的水合物研究基礎，并分別于2007年和2013年進行了天然氣水合物現場取樣。目前，研究工作雖取得了一定發展，但整體還落后于日本、美國等發達國家。

本文對目前天然氣水合物的開采原理與方法，以及開采技術的創新發展進行了詳細的介紹，并對各種開采技術進行了深入的分析和思考，總結其創新點，可為中國天然氣水合物開采技術的發展提供借鑒。

1 開采原理、方法

天然氣水合物與傳統能源礦藏在開采相態及能源利用形式上有所不同，煤炭、石油、天然氣從井下采出后利用的是其本身的能量，而水合物在地下是固態，開采后會分解為天然氣和水，發生了相態變化，能量利用形式僅僅是天然氣。目前，天然氣水合物開采是根據其相態的變化來進行開采的，如熱激發法（加熱法）、降壓法、化學抑制劑法及CO₂-CH₄置換法。俄羅斯、美國、日本等發達國家分別采用不同方法進行試采。

1.1 開采原理

天然氣水合物開采的主要方法是通過改變水合物所處環境的溫度、壓力來打破水合物相平衡，從而分解得到天然氣。圖1給出了天然氣水合物相態穩定示意圖。如a點所示，此時a點位于曲線Ⅰ上部的固態水合物區。當水合物層的壓力降低至相平衡壓力以下時，為了保持水合物自身的蒸汽壓，水合物將分解，從而達到開采目的。當水合物層溫度提高到大于相平衡溫度時，水合物獲得分解所需的熱量，從而分解。此外，加入化學試劑可以降低水合物分解溫度且提高水合物的分解壓力，例如圖中加入化學試劑使得天然氣水合物相平衡曲線由曲線Ⅰ移動到曲線Ⅱ，使水合物更易于分解。

1.2 開采方法

基于開采原理，天然氣水合物主要開采方法有：熱激發法（加熱法）、降壓法、化學抑制劑法及CO₂-CH₄置換法。

1.2.1 熱激發法

熱激發法是指在壓力變化不大的情況下，將蒸汽、熱水、熱鹽水或其他熱流體從地面泵入水合物層，或借助電磁、微波通過管柱來加熱提高水合物層的溫度，促進水合物分解進而達到開采目的的方法（圖2a）。2002年日本在加拿大麥肯齊永久凍土帶采用熱激發法首次獲得成功，得到甲烷470m³。此外，一些機構也對利用電磁、微波、太陽能進行加熱的方式進行了研究，其中利用井下電磁加熱的方法可使采收率提高至70%。各種加熱方法的優缺點對比見表1。

相比其他方法，熱激發法具有熱量作用直接迅速、水合物吸熱分解效果明顯、注熱井井口位置可控、對環境影響小、適用于各種類型水合物礦藏開采的優點。但是其熱量損失大，能量利用效率很低，尤其在永久凍土帶天然氣水合物礦藏區，雖然管道保溫層具有保溫作用，但是外界溫度低會消耗熱量（表2）。

1.2.2 降壓法

降壓法是指通過調節天然氣的提取速度來控制儲層壓力進而控制水合物分解的開采方法。通常通過采用低密度鉆井液鉆井，或者當天然氣水合物層下方存在游離氣或其他流體時，通過泵出其水合物層下方的流體來降低儲層壓力，從而實現開采（圖2b）。麥索雅哈水合物氣田即采用了抽取水合物層下方流體的方法進行開采，在17年間共生產約30×10⁸m³天然氣，占氣田總產量的36%。2008年日本聯合加拿大在Mallik地區利用降壓法進行了水合物試采，6天總產氣量為1.3×10⁴m³。2013年日本在愛知縣沿岸海域開展了水合物鉆井和試采測試，共采集到12×10⁴m³氣體。

降壓法具有開采成本較低、不需連續激發、設備簡單、操作便利的優點，適用于開采較大礦藏（表2）。但是，只有當存在溫度與壓力平衡邊界時，降壓法才具有實際價值。

1.2.3 化學抑制劑法

化學抑制劑法是采用甲醇類藥劑（如鹽水、甲醇、乙二醇等）作為天然氣水合物生成的抑制劑和分解的促進劑，使水合物變得易于分解（圖2c）。試驗表明，天然氣水合物分解速率與抑制劑排量、濃度、壓力、抑制液溫度、水合物與抑制劑注入界面的面積有關。俄羅斯麥索雅哈氣田曾在5口氣井中注入了抑制劑，結果使氣體的平均產量增加了4倍。美國在阿拉斯加的永久凍土層水合物中也做過此類試驗，證明了化學抑制劑法能有效地移動相邊界，獲得明顯的氣體采收效果。

化學抑制劑法在開采初期具有能量注入低的特點。但該方法對儲層水合物的分解作用緩慢，分解效率低；化學試劑昂貴，商業價值低；對環境造成污染，危害較大（表2）。

1.2.4 CO₂-CH₄置換法

利用CO₂置換天然氣水合物礦藏中的CH₄，作為生產CH₄和減少CO₂排放量的雙贏方法，目前已得到了深入研究。CO₂-CH₄置換法的機理是在某一特定的壓力范圍內，天然氣水合物會分解，而CO₂水合物則易于形成并保持穩定，且在同等條件下CO₂與水的親和力要大于CH₄與水的親和力，因此在一定溫度和壓力下通過向水合物層注入CO₂氣體可置換出CH₄，置換過程釋放出的熱量可維持天然氣水合物的分解反應（圖2d）。2012年由美國康菲石油公司與日本國家油氣和金屬公司（JOGMEC）共同在美國阿拉斯加北坡Prudhoe灣區開展的首個用于調查研究天然氣水合物礦藏中CO₂-CH₄置換潛力的現場試驗獲得成功。

CO₂-CH₄置換法的置換過程理論上是自發的，CO₂水合物的形成有助于保持地質力學穩定，減少發生邊坡失穩的可能性（表2）。但是形成的CO₂水合物阻礙了CO₂與CH₄水合物之間的進一步接觸，抑制了天然氣水合物的分解。

2 創新技術

隨著近年來對天然氣水合物研究的不斷深入，在對水合物特性及開采經驗等方面有新認識的基礎上，出現了一些創新開采理念：雙水平井熱水注入法、單井熱吞吐法、部分氧化法、電加熱輔助降壓法以及CO₂置換輔助降壓法等。

2.1 熱激發創新

目前研發的熱激發法主要集中于借鑒用于重油、油砂開采的蒸汽輔助重力驅（SAGD）和蒸汽吞吐（CSS）技術。

2.1.1 雙水平井熱水注入法

蒸汽輔助重力驅（Steam Assisted Gravity Drainage，SAGD）技術近幾年在重油、油砂開采中發展迅速，該技術源自于注水采鹽，是由兩口位于油藏底部、距離相近的水平井組成。兩口水平井一口為生產井，一口為注入井，注入井位于生產井上方，蒸汽從注入井中持續注入，再不斷上升，形成蒸汽腔。通過熱傳導、熱油混合加熱周圍冷的原油，從而實現加熱、降黏，通過重力泄油從生產井產出。SAGD技術是目前重油開采最有效的方法。Kyuro Sasaki等在MH21研究財團資助下，于2010年提出了與SAGD類似的雙水平井熱水注入系統來開采天然氣水合物（圖3），并做了相關數值模擬計算。該系統包括位于水合物層內的兩口水平井，垂向距離為3～5m，下方水平井用于熱水注入，上方水平井用于生產天然氣和水。對位于日本的Nankai Trough水合物儲層利用雙水平井熱水注入系統開采進行數值模擬，基礎參數假設為注入熱水溫度85℃，注入速率1000t/d，水平井水平長度為500m，水合物儲層厚度為20m，垂直滲透率為25mD，水平滲透率為100mD，水合物平均飽和度為46%。模擬過程首先在水平井系統內注入熱水并循環，預熱井周圍的儲層90天，之后隨著注入井熱水的不斷注入，熱水腔形成且逐步擴大，上下水平井之間水合物分解，垂向高滲透聯系通道建立，同時熱水腔向下擴展，儲層受熱面積增大，持續生產氣體。

結果表明，采用該系統開采天然氣水合物，兩年之內累計產氣量可達到6×10⁶m³，產量峰值出現在熱水由底部注入井突進到上部生產井時，之后產氣量逐漸降低至一個穩定值，并長期保持穩定。該方法在非均質儲層中的應用效果要明顯好于均質儲層。

2.1.2 單井熱吞吐法

蒸汽吞吐技術，也被稱為循環蒸汽激勵技術（Cyclic Steam Stimulation，CSS），是殼牌石油公司在1960年開采Venezuela項目時意外發現的，目前已經在石油工業中商業化應用。Razai和Kharrat于2009年將蒸汽循環應用于水平井中，稱為水平井循環蒸汽激勵技術（Horizontal Cyclic Steam，HCS）。

Moridis于2008年對在直井中結合使用降壓法和熱激發法的方法進行了數值模擬，證明了其有效性，并同時指出在水平井中結合使用降壓法和熱激發法更有效，可以有效防止“二次水合物”的形成。因此，使用天然氣水合物開采產生的熱水、熱鹵水或者蒸汽，將熱吞吐法與降壓法相結合也成為天然氣水合物開采的一種創新方法。

典型的單井熱吞吐法包括注熱、燜井和生產3個階段，注入井和生產井是同一口井。首先，在注熱階段將高溫蒸汽、熱水或者其他高溫流體注入到水合物層中，升高地層溫度，使水合物發生部分分解，相應地地層壓力也會升高。然后，關閉注入井停止注熱，使注入的熱量充分滲入到儲層中，稱為燜井階段。最后，生產階段，以一定的速度生產氣體和水，其中包括水合物分解產生的氣體和水、注入的熱水以及地層原生水。當產氣速度明顯下降時，開始下一周期的熱吞吐，直到達到商業開采極限。

中國科學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站位的水合物巖心進行了模擬研究，主要在單一井口中周期性交替進行降壓法和熱激發法，促進水合物分解，提高氣體生產速率，其采用的單井的生產管柱開有8個均勻分布的細長槽，用于注熱階段和生產階段的流體流入、產出。與使用常規單水平井同時注入并開采、單井同時內部循環熱水外部開采相比，該設計非常簡單，且從目前的工業水平上來看具有可行性。通過對單井熱吞吐法進行數值模擬研究，發現水合物分解區域集中在開采井周圍圓柱形區域內，在注熱階段和生產階段，水合物持續分解。所注入的熱量部分用于水合物分解吸熱，部分在生產階段隨著氣和水產出，熱效率低，從而證實了單井熱吞吐法的經濟性較差。

2.1.3 部分氧化法

Takeshi Komai等在MH21研究財團資助下于2015年提出了通過部分氧化來強化天然氣水合物開采的方法。該方法通過氧化劑、催化劑和活性鐵粉發生氧化反應產生熱量來促進水合物分解（圖4），水合物分解速度明顯加快。其試驗模擬過程可分為5個階段：①向較低溫度的水合物層中注入氧化劑和催化劑，引起溫度上升；②活性鐵粉和催化劑發生反應，引起溫度進一步升高，使得水合物部分氧化；③部分氧化促進生產井附近生成的次生天然氣水合物分解；④通過酸和氫氧化劑中和生成的熱量進一步促進水合物的分解；⑤溫度的增加和滲透率的改變都會提高水合物采收率。

通過模擬分析，對比研究了有氧化劑和無氧化劑的水合物飽和度、溫度分布，圖5所示為28天注入周期的溫度和水合物飽和度變化。從溫度變化來看，距離井口4m附近溫度持續升高，然后快速降低達到地層溫度，含有氧化劑和鐵粉、催化劑的情況下溫度升高非常明顯；從水合物飽和度來看，由于溫度范圍的影響，有氧化劑和鐵粉水合物有效分解范圍距離井口較遠。

通過長300mm的圓柱砂體進行模擬研究，以y=0點為氧化劑和鐵粉注入點，跟蹤研究水合物分解前端移動x的變化（圖6）。模擬結果證明可以通過部分氧化來加速水合物分解，特別是在水合物的二次、三次開采中更加有效。因為注入的化學劑和孔隙介質發生反應，可以改善注入井附近的滲透率，模擬結果同樣證實了部分氧化法的有效性。

2.2 混合創新

對于降壓法來說，伴隨著壓力降的增加，天然氣生產速率增加。但是，水合物的分解是吸熱反應，會引起沉積層冷卻至平衡溫度，導致生產率下降?；旌蟿撔轮饕ㄟ^輔助降壓法的方式來提高采收率，如：電加熱輔助降壓法和CO₂置換輔助降壓法。

2.2.1 電加熱輔助降壓法

針對熱水注入加熱法熱量損失大、利用效率低的問題，有學者提出了用電加熱法來替換熱水注入加熱法。目前，電/電磁加熱法（Electric/Electromagnetic Enhanced Oil Recovery，EEOR）已經成功應用于開發重油，其操作簡單，只要一個電爐或者電加熱器，且優先加熱電解質溶液，利用電網供電，減少了對環境的污染。原油電加熱生產是為了降低原油黏度，而天然氣水合物電加熱可促進其分解。

Hideki Minagawa等在MH21研究財團資助下于2015年提出了將降壓法與電加熱法相結合的方法——電加熱輔助降壓法，并分析了其加熱巖心和生產天然氣的有效性及可能存在的問題。首先，為了避免爆炸，用氙氣水合物替代天然氣水合物沉積加熱，對比了常規降壓法與電加熱輔助降壓法的開采效果。

試驗結果顯示，傳統降壓法在生產1000min后產氣量不會增加，仍然有3.3%的氣體留在巖樣中。而伴隨電加熱的降壓法，在先用傳統降壓法生產20min后，添加20mA的電流加熱，在加熱400min時就已經生產了巖樣中99.6%的氣體。結果表明，電加熱輔助降壓法的氣體生產速率是單純降壓法的2倍多，電極加熱電解溶液飽和的水合物的降壓法通過輸入很小的電能就可以明顯提高天然氣產量。

除此之外，研究團隊還對該方法應用于實際井（試驗對比了2口電極井及4口電極井的不同井組設計）中的效果進行了評估。主要結構是在垂直井（或水平井）中沿井的延伸方向，在緊鄰水合物層的上下（或水合物層內）放入不同的電極，再通交變電流使其生熱并直接加熱儲層（圖7），儲層受熱后通過膨脹產生氣體來降低壓力。此外，電熱量還能有效降低流體黏度，促進氣體的流動。研究結果顯示，如果因為水合物飽和造成電阻過高，可以通過調整井之間的距離來控制電壓，且僅10A/m²的電流密度輔助加熱的降壓法就可以有效地分解水合物。進一步證實了電加熱輔助降壓法生產水合物的有效性。

2.2.2 CO₂置換輔助降壓法

傳統水合物開發方法有很多局限性，如管柱加熱引起水合物惡性分解，釋放溫室氣體甲烷，導致地層下沉、造成環境污染、破壞生態平衡。

在強調綠色環保開采，且確保CH₄生產量的前提下，印度Dhanbad礦業大學的Ankit Gupta等在2014年提出CO₂置換輔助降壓法。這種方法是在兩口鄰井中分別進行CO₂置換和降壓法開采，這樣可以消除兩種方法各自的限制條件（圖8）。由于CO₂水合物形成的熱量（57.9kJ/mol）比CH₄水合物分解所需的熱量（54.5kJ/mol）大，所以CO₂置換CH₄可以認為是一個放熱過程，因此，有效利用置換放熱，克服了在CO₂置換過程中采用降壓法造成的滲透率問題，同時增加了水合物層的接觸面積，從而形成連續置換和生產的循環過程。

該方法的優點：在適宜的壓力條件下，CO₂水合物比CH₄水合物更容易形成，所以CO₂可以輕松地置換水合物中的CH₄，同時避免無法控制的水合物分解所造成的地層、鉆機下沉問題。該方法擴大了水合物層的接觸面積，且生成的甲烷氣不需要任何的分離操作，更重要的是CO₂可以通過一些工業廢氣來生成。所以，該方法可能會是未來既經濟、有效又環保的水合物開采方法。

3 其他可借鑒開采方法

此外，就水合物開采需要加熱這一點來看，石油天然氣工業中的重油、油砂或者油頁巖的加熱開采技術也具有一定的可借鑒性。除了以上已經正在研究的類似SAGD技術的雙水平井熱水注入法、類似CSS技術的單井熱吞吐法外，還有一些油頁巖加熱開采技術值得借鑒。

油頁巖是一種重要的潛在烴源巖，在所需溫度和壓力條件下經過足夠長時間（數百萬年）的地質埋藏，會生成碳氫化合物。因此，通常通過快速加熱富含干酪根的油頁巖到較高的溫度，在較短時間可加速油頁巖產生碳氫化合物。

1990年?？松梨诠咎岢隽藢щ娭蝿┘訜岱ǎ‥lectrofrac）工藝。其主要原理是利用平行水平井對頁巖層進行水力壓裂；向油頁巖的裂縫中填充導電介質，形成加熱單元；導電介質通過傳導把熱量傳遞給油頁巖層，使油頁巖層內的干酪根熱解；生成的油氣通過生產井采到地面上來。?？松梨诠具M行了現場試驗，結果證明有可能形成導電的水力裂縫，并保持裂縫加熱狀態至少幾個月時間（圖9）。

20世紀70年代后期美國伊利諾伊理工大學提出了利用射頻能量使分子高速運動而達到加熱目的的射頻加熱方法，后來由Lawrence Liveermore國家實驗室（LLNL）進行開發，提出利用無線射頻加熱油頁巖。該方法是利用垂直組合電極緩慢加熱大規模深層的油頁巖層，克服了傳導加熱需要長時間擴散的缺點，具有穿透力強、易于控制的優點（圖10）。

4 總結及思考

（1）目前，美國、加拿大由于天然氣資源豐富及頁巖氣的迅速發展，暫時擱置、放緩了對天然氣水合物的研究工作，加之目前天然氣價保持低位，而天然氣水合物開采的高成本，使得各國弱化了水合物的戰略資源地位。而資源匱乏的日本則成為世界最為關注的水合物研發焦點，其技術處于世界領先，目前研究最為活躍的是MH21研究財團資助的研究機構。因此，就當前能源及經濟形勢而言，中國應該及時掌握天然氣水合物開采技術的最新研發動態，加強研發和戰略儲備。

（2）從目前的試驗研究和試采的情況來看，多傾向于降壓法開采天然氣水合物，因為其操作方便、成本低，但是因為降壓開采的同時伴隨著吸熱降溫過程，其生產效率并不高。而目前多國研究的熱點多集中于熱激發法，或者是其他方法輔助降壓開采方法上。建議中國從降壓法切入，研發可以輔助降壓法開采的創新技術，加強科技研發及專有技術占有。

（3）鑒于石油、天然氣等熱激發開采法的實際應用，多國已將SAGD、熱吞吐、電加熱等方法移植并加以調整用于天然氣水合物開采。建議中國多借鑒重油、油砂及油頁巖等需要加熱降黏來生產的礦藏開采方法，如電加熱、導電支撐劑加熱、射頻加熱等方法，結合水合物礦藏及CH4產物特性，提出特有的、可控的高效加熱技術，加快開采技術創新。

（4）從環境保護角度來說，美國、日本等國學者提出與CCS技術相結合的方法，既能避免在水合物開采過程中額外生成CO₂等溫室氣體，同時可以保持海底的穩定性，但是CO₂水合物的置換效率低。建議中國對CO₂水合物形成后阻礙CO₂與水合物進一步接觸的難點進行研發突破，或者提出具有創新性、高效的水合物環保置換方法。對于熱激發法、降壓法、抑制劑法及置換法等開采方法，考慮到海洋生態惡化、溫室效應以及海底坍塌等問題，也需要加強密封、環保等敏感問題的評估研究。

版權聲明|來源：《中國石油勘探》；作者：思娜等；版權歸原作者所有。

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