王志剛，李小洋，張永彬，尹 浩，胡 晨，梁金強(qiáng)，黃 偉

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊065000；2.河北省煤田地質(zhì)局新能源地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái)054000；3.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州510760）

0 引言

天然氣水合物是由天然氣和水在高壓低溫環(huán)境下形成的類似冰狀的結(jié)晶物，因外觀看起來(lái)像冰，遇火即可燃燒，所以天然氣水合物又被稱為“可燃冰”［1-2］。天然氣水合物主要埋藏在大陸永久凍土區(qū)和海洋深水區(qū)等區(qū)域（見(jiàn)圖1），是一種清潔、高效能源。已探明的天然氣水合物儲(chǔ)量是全球石化燃料資源儲(chǔ)量的2倍（見(jiàn)圖2），能夠滿足人類未來(lái)對(duì)能源的迫切需求，因此受到了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注，在水合物開采技術(shù)研究上投入了大量的資金和精力。我國(guó)也十分重視天然氣水合物的開采工作，并在2017年將天然氣水合物列為新的礦種［3］。目前，天然氣水合物還處于勘探、試采和小規(guī)模開采階段，尚未形成成熟的開采方法，且人們就開采過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響及安全性有一定的擔(dān)憂。為此，筆者對(duì)天然氣水合物開采過(guò)程中環(huán)境安全性問(wèn)題進(jìn)行了分析，并對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層改造方法進(jìn)行了探討。

圖1 天然氣水合物分布示意Fig.1 Gas hydrate distribution

圖2 地球碳元素分布Fig.2 Distribution of carbon in the earth

1 天然氣水合物開采安全性分析

天然氣水合物開采主要有2種思路，一種是將水合物在地下分解成水和天然氣，再將天然氣采出［4-8］；另一種是以固態(tài)混合物的形式將水合物采出［9-11］。天然氣水合物無(wú)蓋層且儲(chǔ)層大多不成巖，因此在開采方式上與常規(guī)天然氣有很大的不同，將天然氣水合物在地下分解成水和天然氣后采出是最可行的一種思路，但是無(wú)蓋層且儲(chǔ)層大多不成巖使得許多學(xué)者擔(dān)憂水合物開采可能誘發(fā)多種環(huán)境和地質(zhì)問(wèn)題。

1.1 天然氣水合物開采可能存在的問(wèn)題

1.1.1 海底水合物的大規(guī)模氣化

有些學(xué)者認(rèn)為海底天然氣水合物開采過(guò)程中，由于無(wú)蓋層存在，隨著圍壓的減輕水合物會(huì)發(fā)生不可控的大面積分解［12］。大量的甲烷氣體進(jìn)入海水當(dāng)中，使海水密度降低，到那時(shí)在水合物氣化區(qū)域現(xiàn)有船只將無(wú)法航行，凡是經(jīng)過(guò)氣化區(qū)域的船只都將會(huì)沉入海底；大量甲烷氣體進(jìn)入大氣當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，這種溫室效應(yīng)是二氧化碳的20倍，會(huì)對(duì)現(xiàn)有的大氣環(huán)境產(chǎn)生惡劣的影響，加快全球變暖的步伐，給人類居住和生活環(huán)境產(chǎn)生不可估量的破壞。同時(shí)甲烷屬于易燃易爆氣體，大面積氣化進(jìn)入海水和空氣中后，容易發(fā)生“海水燃燒”和“空氣爆炸”等問(wèn)題，給鉆井設(shè)備和航天飛行器等產(chǎn)生嚴(yán)重的安全影響。

1.1.2 破壞海洋生態(tài)環(huán)境

海域天然氣水合物在鉆井和開采的過(guò)程中，分解后的天然氣會(huì)泄露到海水當(dāng)中，消耗水中的大量氧氣并生成二氧化碳，水中氧氣的減少會(huì)導(dǎo)致海洋生物的大量滅絕。因此部分專家認(rèn)為海域天然氣水合物在開采的過(guò)程中必然會(huì)影響到海洋生態(tài)的平衡，造成大量海洋生物的滅絕［13-14］。

1.1.3 產(chǎn)生海底地質(zhì)災(zāi)害

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)海域天然氣水合物在儲(chǔ)層當(dāng)中處于力學(xué)平衡狀態(tài)，它的存在增強(qiáng)了儲(chǔ)集層的機(jī)械強(qiáng)度。在進(jìn)行天然氣水合物開采的過(guò)程中，水合物將分解成游離氣和自由水，這會(huì)打破儲(chǔ)層原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，儲(chǔ)集層的機(jī)械強(qiáng)度將嚴(yán)重降低，很容易引起海底地層坍塌和海底山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害［15-16］。此外，水合物分解之后產(chǎn)生的氣體會(huì)造成地層孔隙壓力急劇增大，進(jìn)而降低有效應(yīng)力，使得水合物沉積地層受力大大減弱，不能夠承受原地層的地應(yīng)力，這也非常容易引起海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

1.2 天然氣水合物開采的可控性和安全性分析

1.2.1 大規(guī)模氣化問(wèn)題

水合物的分解是膨脹吸熱的一個(gè)過(guò)程，水合物分解以后會(huì)在開采井周圍形成低溫區(qū)域，并且開采時(shí)間越久低溫區(qū)域越大（見(jiàn)圖3），如果沒(méi)有外部的熱量供給，單純依靠地層提供熱量則分解速度只會(huì)越來(lái)越慢，直至不分解，并且天然氣水合物是以“冰雪”狀態(tài)存在的，“冰雪”是不會(huì)突然出現(xiàn)大規(guī)模氣化的，只會(huì)隨著周圍的環(huán)境發(fā)生緩慢的變化，所以海域天然氣水合物開采是可控的。

圖3 水合物分解后在井筒周圍形成的低溫區(qū)示意Fig.3 Low temperature zone formed around the wellbore after hydrate decomposition

1.2.2 海洋生態(tài)影響問(wèn)題

天然氣水合物鉆井完成、形成井筒之后，井筒內(nèi)的壓力要低于原始地層壓力，在這種壓力條件下，進(jìn)入海水中的天然氣與開采之前相比只會(huì)減少而不會(huì)增多（見(jiàn)圖4）。

圖4 水合物分解后天然氣移動(dòng)方向示意Fig.4 Natural gas movement direction after hydrate decomposition

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查顯示，海底當(dāng)中有冷泉存在（見(jiàn)圖5），而冷泉周圍存在有生物群落，這表明部分天然氣的存在對(duì)于海底生物群落的存在是有利的，所以即使有部分天然氣泄漏到海水當(dāng)中也不會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生太大的影響，并且天然氣等有機(jī)物的存在還為許多物種提供了食物［17］。

圖5 海底冷泉示意Fig.5 Subsea cold springs

1.2.3 海底地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題

海底水合物的開采必然會(huì)打破原有地層的力學(xué)平衡，并且在非固結(jié)地層中水合物還擔(dān)有承壓的作用，水合物分解后儲(chǔ)層承壓能力也會(huì)降低，因此人們所擔(dān)憂的在開采海底水合物過(guò)程中會(huì)引起地層塌陷和海底滑坡（參見(jiàn)圖6）等災(zāi)害是可能出現(xiàn)的，所以怎樣避免該類地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題發(fā)生是當(dāng)前應(yīng)該研究的重點(diǎn)，為此本文提出了邊鉆進(jìn)邊注發(fā)泡水泥漿的方式來(lái)發(fā)揮支撐地層的作用，從而避免產(chǎn)生地層塌陷和海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

圖6 水合物分解造成的海底滑坡示意Fig.6 Seabed landslide caused by hydrate decomposition

2 國(guó)內(nèi)外海域天然氣水合物試采現(xiàn)狀分析

2.1 國(guó)外海域天然氣水合物試采現(xiàn)狀

世界各國(guó)都十分重視天然氣水合物資源的勘查和試采工作。美國(guó)從2000年開始就制定了水合物開發(fā)研發(fā)計(jì)劃，在隨后幾年投入巨資進(jìn)行水合物開發(fā)研究，并計(jì)劃在墨西哥灣進(jìn)行多站位的鉆探和取心工作，與印度保持長(zhǎng)期合作參與印度近海水合物的試采工作［18］。日本是最積極進(jìn)行海域天然氣水合物試采工作的國(guó)家，在2013年3月首次在南海海槽進(jìn)行了海域水合物的試采，采用降壓法連續(xù)產(chǎn)氣6 d，產(chǎn)氣量為11.9萬(wàn)m3，后因地層出砂嚴(yán)重不得不終止；在2017年5月開始了第二次海域天然氣水合物試采，仍然采用降壓法開采，首次產(chǎn)氣12 d，產(chǎn)氣量為3.5萬(wàn)m3，出現(xiàn)出砂故障后暫時(shí)中斷，隨后進(jìn)行了生產(chǎn)井的切換并繼續(xù)進(jìn)行試采，在計(jì)劃時(shí)間之內(nèi)，2次的產(chǎn)氣量?jī)H為23.5萬(wàn)m3，與第一次試采相比在產(chǎn)氣量上沒(méi)有太顯著的提高［19-21］。韓國(guó)原定于在2015年進(jìn)行海域水合物試采，但由于某種緣故將試采計(jì)劃進(jìn)行了推遲，到目前為止還沒(méi)有實(shí)行［18］。

2.2 我國(guó)海域天然氣水合物試采現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)天然氣水合物資源勘查起步較晚，從2011年開始正式啟動(dòng)了天然氣水合物資源勘查和試采工作。并與2017年5月，在我國(guó)南海神狐海域獲得了天然氣水合物試采的成功。本次試采采用的是直井降壓開采方式，連續(xù)產(chǎn)氣60 d，產(chǎn)氣量30.9萬(wàn)m3，最高日產(chǎn)量3.5萬(wàn)m3，取得了持續(xù)產(chǎn)氣時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)氣量大、氣流穩(wěn)定和無(wú)環(huán)境安全問(wèn)題等重大成果［18］。本次試采獲得了從水深1200多米，海底之下200多米的泥質(zhì)粉砂型儲(chǔ)層中開采天然氣水合物的成功，為以后的科學(xué)研究積累了大量的數(shù)據(jù)資料，打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。2019年10月我國(guó)正式啟動(dòng)第二輪海上試采工作，并于2020年3月獲得試采成功，此次試采取得了一系列的突破，是世界上首次采用水平井試采的國(guó)家，月產(chǎn)氣量達(dá)到了86.14萬(wàn)m3，為日后的商業(yè)化開采奠定了基礎(chǔ)。

3 海域非成巖天然氣水合物儲(chǔ)層改造方法

根據(jù)上述分析海域天然氣水合物試采可能出現(xiàn)海底地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，且日本2次海域水合物試采工作被迫終止都是因?yàn)榈貙映錾皣?yán)重所致，而水平井鉆井面臨著井筒難以形成且地層容易塌陷的問(wèn)題，為了應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題對(duì)水合物儲(chǔ)層進(jìn)行改造成為了必由之路，不過(guò)到目前為止國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有相關(guān)內(nèi)容的研究，還未提出一種切實(shí)可行的儲(chǔ)層改造方法。

3.1 常規(guī)油氣儲(chǔ)層改造方法

常規(guī)油氣儲(chǔ)層改造方式主要有3種，分別是酸化、酸化壓裂和水力壓裂［22-23］。酸化酸液的注入方式有2種，一種是將酸液注入到已經(jīng)完鉆井筒的預(yù)定位置，使酸液一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，通過(guò)酸液的酸性來(lái)腐蝕溶解結(jié)垢物或射孔井眼內(nèi)的堵塞物，另一種注入方式是將酸液進(jìn)行正反循環(huán)不斷的流動(dòng)，通過(guò)酸液的循環(huán)沖刷和腐蝕來(lái)改造儲(chǔ)層，酸化不需要加壓或者加壓很小，對(duì)于儲(chǔ)層改造能力有限，主要作用于井筒附近對(duì)于地層的滲流能力不能改變，大多用來(lái)解堵，不壓破地層；酸化壓裂的注入壓力要高于地層壓力，在高壓力的作用下壓破地層，形成裂縫，注入的酸液使裂縫延伸以達(dá)到增產(chǎn)的目的；水力壓裂是將攜砂混合液高壓泵入到地層當(dāng)中壓破地層，形成裂縫，支撐劑充填到裂縫中支撐裂縫，防止裂縫閉合，為油氣開采提供流通通道。

3.2 海域天然氣水合物儲(chǔ)層改造的難點(diǎn)

常規(guī)油氣儲(chǔ)層的改造都是在井筒已經(jīng)形成的前提下開展的，我國(guó)南海水域天然氣水合物賦存在沉積層當(dāng)中，地層屬于泥質(zhì)粉砂型儲(chǔ)層，未固結(jié)成巖。根據(jù)水合物儲(chǔ)層的地質(zhì)條件以及井下鉆井設(shè)備，在海底水合物儲(chǔ)層進(jìn)行水平井鉆進(jìn)時(shí)存在很大的困難。同時(shí)無(wú)論是酸化、酸化壓裂還是水力壓裂都無(wú)法在未固結(jié)的水合物儲(chǔ)層中發(fā)揮儲(chǔ)層改造和支撐地層的作用。

3.3 海域天然氣水合儲(chǔ)層改造方法探討

在對(duì)海域天然氣水合物儲(chǔ)層進(jìn)行改造時(shí)必須要解決上述2個(gè)問(wèn)題：第一是水平井鉆進(jìn)困難問(wèn)題；第二是水合物儲(chǔ)層改造問(wèn)題。本文依據(jù)現(xiàn)有鉆井設(shè)備和技術(shù)條件提出一種水合物儲(chǔ)層改造解決方案。

3.3.1 水平井鉆進(jìn)問(wèn)題的解決策略

常規(guī)的水平鉆進(jìn)分3步走，第一步完成直井段鉆進(jìn)工作；第二步在穩(wěn)定地層選擇造斜點(diǎn)，通過(guò)定向工具進(jìn)行造斜鉆進(jìn)，直至進(jìn)入儲(chǔ)層的設(shè)計(jì)靶點(diǎn)為止；第三步是水平段鉆進(jìn)，只需按照設(shè)計(jì)的井眼軌跡完成水平方向的鉆進(jìn)即可。在鉆井過(guò)程中采用的造斜工具主要包含了螺桿或者渦輪鉆具、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)以及鉆頭等。通過(guò)實(shí)時(shí)井眼軌跡監(jiān)測(cè)，調(diào)整造斜工具面來(lái)完成造斜工作。但是在海域天然氣水合物鉆探中，由于地層松軟對(duì)調(diào)整造斜工具面提供必要的支撐力有限，所以采用常規(guī)的水平井鉆井方式完成海域水平井的鉆進(jìn)工作存在一定的困難［24］。

水力噴射微小井眼徑向水平井鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)是連續(xù)油管鉆井技術(shù)，已經(jīng)在油氣田開采中得到了成功的應(yīng)用，特別是在未固結(jié)地層的應(yīng)用效果良好。主要包含的設(shè)備有連續(xù)油管系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向器和開窗設(shè)備、儲(chǔ)能裝置、高壓泵組、柔性管、多孔射流鉆頭等［25-31］。

可將水力噴射微小井眼鉆井技術(shù)應(yīng)用到海域水合物鉆探中，在鉆井過(guò)程中，第一步完成直井鉆進(jìn)，并下入套管固井；第二步利用井下轉(zhuǎn)向器、套管開窗設(shè)備和連續(xù)油管完成直井套管的開窗；第三步利用連續(xù)油管水力噴射系統(tǒng)進(jìn)行水力噴射鉆進(jìn)。采用水力噴射微小井眼鉆井技術(shù)進(jìn)行水平井鉆進(jìn)，不需要使用造斜工具，可在直井套管內(nèi)直接實(shí)現(xiàn)從軸向到徑向的鉆進(jìn)。在水平段鉆進(jìn)時(shí)，多孔射流鉆頭反向噴嘴噴出的液體產(chǎn)生的作用力為整個(gè)鉆進(jìn)系統(tǒng)提供前進(jìn)的動(dòng)力。為了保證多孔射流鉆頭和連續(xù)油管沿著預(yù)定的軌跡鉆進(jìn)，采取了2種方式來(lái)進(jìn)行方向和速度的控制，一種是多孔射流鉆頭上下噴嘴均勻配置，如果鉆頭在井眼中處于中間位置則上下作用力自平衡，如果多孔射流鉆頭靠近井底則反作用力增大，會(huì)將鉆頭推向中心位置繼續(xù)維持平衡；另一種是在鉆頭尾部位置處接上纜繩，另一頭纏繞在鉆井平臺(tái)的纜繩絞車上，通過(guò)纜繩來(lái)控制和監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)速度和位置。采用微小井眼水力噴射鉆井技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)水平井鉆進(jìn)，同時(shí)還可以達(dá)到節(jié)約鉆井成本的目的。

3.3.2 水合物儲(chǔ)層改造問(wèn)題的解決策略

常規(guī)油氣儲(chǔ)層的改造都是在井筒已經(jīng)形成的前提下開展的，但是在海域水合物儲(chǔ)層改造中卻并不適用，因此必須轉(zhuǎn)變思路，依據(jù)海域非成巖水合物儲(chǔ)層的特點(diǎn)，提出一種邊鉆進(jìn)水平段邊進(jìn)行儲(chǔ)層改造的解決思路。

發(fā)泡水泥是通過(guò)發(fā)泡機(jī)的發(fā)泡系統(tǒng)將發(fā)泡劑用機(jī)械方式充分發(fā)泡，并將泡沫與水泥漿均勻混合在一起，用于現(xiàn)場(chǎng)施工澆筑或模具成型。最常被用來(lái)制作保溫材料。采用硅酸鹽水泥、特種水泥、憎水劑、減水劑、發(fā)泡劑、纖維、粉煤、調(diào)凝劑配置而成的泡沫水泥漿，在固結(jié)以后可以形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，該物質(zhì)不僅耐壓性強(qiáng)而且孔隙性良好［32-35］。以發(fā)泡水泥為基礎(chǔ)，對(duì)其配方進(jìn)行調(diào)整，增加粗骨顆粒物質(zhì)，增加固結(jié)之后蜂窩狀物質(zhì)的孔隙度和滲透性，在進(jìn)行海域水合物水平井鉆井過(guò)程中將這種改進(jìn)后的發(fā)泡水泥漿體系注入到儲(chǔ)層當(dāng)中，正好發(fā)揮支撐孔壁和改善地層滲透性兩方面的作用。但在注入方式上不再采用傳統(tǒng)的注入方式，而是在采用水力噴射微小井眼鉆進(jìn)水平井時(shí)作為噴射液注入，邊鉆進(jìn)邊噴射到地層當(dāng)中，且連續(xù)油管在鉆井完成后不再提出孔內(nèi)，射孔完成后作為生產(chǎn)套管使用。由于水合物降壓分解相對(duì)較緩慢，且連續(xù)油管可以發(fā)揮承壓的作用，所以作為噴射液噴射到地層中的改進(jìn)配方的發(fā)泡水泥漿在鉆進(jìn)過(guò)程中并不固結(jié)，而是在鉆進(jìn)完成后開始固結(jié)，固結(jié)以后形成蜂窩狀物質(zhì)（見(jiàn)圖7），提高了水合物儲(chǔ)層的滲透率，為分解后的天然氣提供了流通通道。且由于蜂窩狀物質(zhì)的存在，出砂問(wèn)題也會(huì)得到很好的緩解。最重要的一點(diǎn)是水合物分解前所需要承擔(dān)的支撐力由蜂窩狀物質(zhì)來(lái)承擔(dān)，避免了地層坍塌和海底地質(zhì)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。采用水力噴射改進(jìn)發(fā)泡水泥漿的方式進(jìn)行海域水合物儲(chǔ)層改造理論上是可行的，不過(guò)仍待繼續(xù)進(jìn)一步的研究。

圖7 水力噴射發(fā)泡水泥在海域水合物鉆探中的應(yīng)用示意Fig.7 Application of hydraulic jet foamed cement in mar ine hydr ate drilling

4 結(jié)論

天然氣水合物是一種儲(chǔ)量豐富、清潔、高效的綠色能源，對(duì)于解決未來(lái)世界的能源需求具有重要的意義。在海底水合物開采過(guò)程中最有可能出現(xiàn)地層坍塌和海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，日本2次海域水合物試采都出現(xiàn)了嚴(yán)重的出砂問(wèn)題，我國(guó)雖然獲得了海域試采的初步成功，但是水平井鉆井困難，且地層容易出現(xiàn)塌陷的問(wèn)題依然存在，所以對(duì)海域水合物儲(chǔ)層進(jìn)行改造成為必由之路。通過(guò)水力噴射微小井眼徑向水平井鉆井技術(shù)可以有效解決水平井的鉆進(jìn)困難問(wèn)題，采用噴射改進(jìn)發(fā)泡水泥漿在水合物儲(chǔ)層形成蜂窩狀物質(zhì)可以達(dá)到改造水合物儲(chǔ)層的目的，從而盡早實(shí)現(xiàn)海域天然氣水合物開采的成功。