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浅谈负重致远的中国可燃冰商业开采
摘要：中国科学院广州能源研究所研究员李小森在国家能源集团清洁能源国际高端论坛上指出：“全球天然气水合物中甲烷的含量大约为9千万亿立方米，这一储量相当于全球石化能源的2倍多。”2017年国务院批准天然气水合物成为中国第173个矿种，业内普通认为，天然气水合物的产业化有望进入“快车道”，但距离成功实施商业开采仍然任重道远。
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“可燃冰”，是坊间对天然气水合物一种形象的通俗叫法。天然气水合物是外型与冰类似，由水分子和小分子量的气体通过氢键形成的一种固态化合物。研究显示，1立方米的可燃冰可以分解出164立方米的甲烷，而甲烷燃烧后只会产生二氧化碳和水，因此被普遍认为是一种燃烧值高且清洁的新能源。
中国科学院广州能源研究所研究员李小森在国家能源集团清洁能源国际高端论坛上指出：“全球天然气水合物中甲烷的含量大约为9千万亿立方米，这一储量相当于全球石化能源的2倍多。”
2017年国务院批准天然气水合物成为中国第173个矿种，业内普通认为，天然气水合物的产业化有望进入“快车道”，但距离成功实施商业开采仍然任重道远。
1、天然气水合物开发分为四阶段
目前，全球蕴藏的天然气资源量约为0.15x1015立方米，而全球天然气水合物中的甲烷资源量约为9x1015立方米。与全球可采的天然气相比，天然气水合物的储量明显更高。天然气水合物通常处于陆地冻土以及深海之中，其中海洋水合物储量占全球的99%以上。
根据天然气水合物地质的条件情况，科学家们将它的品类分成五个等级，形成了一座资源金字塔。
李小森指出，在这个金字塔中，水合物自上而下的资源量逐渐增大，但品类却逐渐降低，使得水合物开采相对而言愈发困难。
自1810年水合物首次在实验室被发现以来，全世界各国先后开始进行这一领域的研究，其研究主要分为四个阶段。
第一个阶段为实验室研究阶段。自19世纪发现天然气水合物后，人们主要在实验室进行相关的天然气水合物基础物性研究，包括物理、化学等。
第二个阶段即将水合物作为资源调查的研究。进入上世纪90年代后，全球针对水合物资源开展了大量的调查研究，在超过200个的区域发现了水合物，全球的总储量预计超过传统的化石能源储量。
第三和第四个阶段则是从本世纪开始，研究进入试开采及为未来商业开采进行储备的阶段，世界各国都相应地制订了各种的研发计划。
2、中国关注可燃冰开采
2007年，我国科考人员在南海北部神狐海域140平方千米的钻探目标区内，圈定11个可燃冰矿体，含矿区总面积22平方千米，矿层平均有效厚度20米，预测储量为194亿立方米。
2011年通过终审的《南海北部神狐海域天然气水合物钻探成果报告》指出，获得可燃冰的3个站位饱和度最高值分别为25.5%、46%和43%，是世界上已发现可燃冰地区中饱和度最高的地方。
科研人员还确定了东沙、神狐两个可燃冰重点目标，圈定了南海北部陆坡可燃冰远景最有利的目标区，为实施可燃冰钻探验证提供了目标靶区。
2008年，科研人员在祁连山冻土区钻取天然气水合物，共完成钻探试验井4口，分别在三口钻井中钻获天然气水合物实物样品。这些天然气水合物产于冻土层之下，埋深133～396m，甲烷含量54%～76%。
李小森指出，这是我国冻土区首次钻获的天然气水合物实物样品，也是全球首次在中低纬度高山冻土区发现的天然气水合物实物样品。
2013年，我国又在广东沿海珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度天然气水合物样品，并通过钻探获得可观的控制储量。此次获得的天然气水合物样品取自海底以下220米内的两个矿层中，其中上矿层厚15米、下矿层30米。水深600～1100米，水合物饱和度约45～55%，甲烷含量最高达到99%。
此次发现的天然气水合物样品具有埋藏浅、厚度大、类型多、纯度高四个主要特点。公开数据显示，通过实施23口钻探井，控制天然气水合物分布面积55平方公里，将天然气水合物折算成天然气，控制储量1000～1500亿立方米，相当于特大型常规天然气规模。
“总体而言，我国天然气水合物主要分布在南海海域和冻土区，资源量是我国石油储量（312.8亿吨）的3倍多。”李小森总结道。
3、可燃冰开采方法分析
天然水合物开采的基本原理是，改变天然气水合物的稳定赋存条件，使气体从中分离出来，再通过收集游离气以实现连续开采。主要的方法包括降压法、热激法、化学药剂法等。
李小森指出，降压法的控制因素主要为周边地层的导热速率。降压法的优点为该方法能量消耗较低，开采技术工艺相对简单，适合大面积开采，尤其适用于存在下伏游离气层的天然气水合物的开采。
但降压法的缺点是在采气过程中，导热的速度会造成分解速率的降低。
而注热法的主要的优点为产气速率较快。目前全球对于这一方法的研究较多，加热方式的也正在不断改进，促进了热激发开采法的发展。不过李小森也指出，该方法的缺点是至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题，而且只能进行局部加热。
注化学剂法是通过注入化学剂来改变水合物的平衡点，促使水合物分解。目前的研究重点是化学剂的选取和相应的相平衡与分解动力学的研究。
“该方法的优点是可降低初期能量输入，与其他方法结合应用具有明显效果。但其所需的化学试剂费用昂贵，对天然气水合物层的作用缓慢，而且还会带来一些环境问题。”李小森指出。
此外，二氧化碳置换法的置换原理则为，CO2水合物较CH4水合物更容易形成水合物。该方法的优点是可同时解决天然气水合物开采与CO2储存的问题，在开采过程中可以保持水合物的结构，几乎没有液态水排出，使含水合物的沉积层能保持完整。
李小森分析道：“但二氧化碳置换法到目前还面临机理研究不清、置换效率是否适用于商业开采要求等问题。”
固态流化开采法则是通过采掘设备将水合物储层破碎成细小颗粒,经流化后的含水合物固相颗粒随海水沿井筒向上返出至海面平台,最后分离得到天然气。水力割缝开采法则是利用专门的水力切割机具,实现向钻孔内部进行不同方向的切割，进一步填充支撑剂，使得沉积物中的孔裂隙成为分解气体的运移通道，从而达到高效开采水合物储层的目的。
李小森指出，综合开采法便是将以上开采方法的优势结合起来，用于提高水合物开采效率。比如将降压法和热开采技术结合,可以大大提高水合物分解速率及产气速率；将降压法与二氧化碳置换结合，已经被用于美国阿拉斯加北坡水合物的试采中。
4、中国开采模拟实验技术国际领先
在天然水合物的开采模拟实验技术方面，李小森介绍，美国橡树岭国家实验室所使用的海底过程模拟器（SPS），其内部有效为容积72升。主要用途包括CO2深海储存、海水淡化、水合物储运与水合物成藏及水合物降压法开采实验。
德国地学中心的大尺度水合物储层模拟器，内部有效容积425升，主要用途包括用于CO2地质封存、降压法与热激法、CO2置换开采法和原位催化燃烧热激法。
日本的国家先进科学技术研究院的大型高压水合物开采分析实验装置，其内部有效容积为1710升，主要用途包括大尺度下水合物开采技术研究、耦合实验室尺度及实际地质尺度下水合物开采研究结果。这一装置的实验结果为日本南海海槽的水合物的试开采方案设计提供了直接及重要的技术支持。
李小森牵头、中国科学院广州能源研究所研发的水合物开采综合模拟实验系统，其内部有效容积为118L升，是当时国际上规模最大的系统，最大可模拟的海底深度达到3000米。
李小森说：“该系统可攻克深海天然气水合物苛刻地质条件下，地层构建、井网布署及排采等研发技术难点。”
他们研发出世界首套三维成套大型设备专用于天然气水合物开采技术研究，确定优化开采及控制方法，并完成开采技术方案的研究。
“我们提出了降压结合冰相变热开采的新方法，开展了天然气水合物四相点以下降压分解实验；发现在四相点以下，水合物分解速率会由于冰生成放出的相变热而被大大提高，但是冰的产生容易发生管道中的冰堵塞现象。”李小森介绍道。
李小森和团队还提出热吞吐开采方法，首次将石油开采行业的热吞吐法引入到水合物开采中。“热吞吐法利用注—焖—采循环过程，将降压与注热两种分解方法有机结合，提高了开采效率。
双水平井降压结合的低温注热开采方法，也是团队提出的新方法。他们发现水平井的开采效果优于垂直井，通过实验确定降压结合注热法是较优的水合物开采方法，其最小熵增原理和能量产出比确定适合的注水温度为38～39℃。
“我们通过前期实验模拟和理论研究，确立了适应储层条件的优化开采方法，并通过相似理论放大到实际矿藏尺度，为天然气水合物开发提供了科学依据和技术支撑。”李小森说。
他和团队研发的这套国际领先、规模最大之一的天然气水合物开采综合模拟技术系统，专用于天然气水合物开采技术研究，解决了天然气水合物开采及控制难度大等关键技术难题，确定了优化天然气水合物开采方法，为天然气水合物开发提供了科学依据和技术支撑。
由李小森牵头完成的这一“深海天然气水合物三维综合试验开采系统研制及应用”项目荣获2018年度国家技术发明奖二等奖，为我国天然气水合物开发战略部署提供了重要技术保障。
5、多国正在钻探与试采
当前，全球正在推进天然气水合物钻探和试采研究的国家包括美国、加拿大、日本、俄罗斯、中国、印度与韩国等。
在前苏联麦索雅哈、加拿大马更歇、美国阿拉斯加、日本爱知海等地，上述国家在这些冻土及海洋区域进行了短期试采并且得以成功实施。
如2002到2008年，加拿大在马更歇区域进行了三次天然气水合物的试采。第一次和第二次试采均采用降压结合注热开采的方法，但无论是生产时间还是累计产气量均不理想，最高仅为830立方米。
通过前期的研究，加拿大科研人员认为通过简单的降压法可能会得到更好的效果，于是在2008年通过简单的降压法历时6天，产气约一万三千立方米，平均日产三千立方米左右。
“这为后期各国进行天然气水合物试采提供了很好的经验。”李小森表示。
2011～2012年，美国则在阿拉斯加北部陆坡采用了CO2置换开采矿藏试验，整个开采历时38天。2013与2017年，日本也先后在南海海槽进行试开采。
2013年3月12～18日，日本石油天然气和金属矿物资源机构(JOGMEC)与产业技术综合研究所于爱知县附近海域进行天然气水合物开采试验，采用降压法并用时6天，累计产气12万立方米，日均产量为2万立方米；2017年，日本再次采用降压法，用时24天、累计产气22.4万立方米，日均产量9270立方米。
李小森指出，虽然中国天然气水合物的研究起步较晚，但进展迅速，目前研究处于从水合物基础向开采技术发展的阶段。
经过近20年不懈努力，中国已经取得了天然气水合物勘查开发理论、技术、工程、装备的自主创新。2011年，国家设立"天然气水合物资源勘查与试采工程"（127工程）；2017年中国地质调查局在南海神狐海域成功试采，实现了历史性突破。
中国地质调查局在水深1266米、海底以下203米～277米处，采用地层流体抽取法进行开采，连续产气60天，累计产气量超过30万立方米，最高日产3.5万立方米。
对于此次具有重大意义的成功试采，中共中央、国务院均发来贺电，“但从试采到实现商业开采，仍然任重而道远”。李小森坦言。
此外，2017年中海油在南海北部荔湾3站位也成功实现试采，依托深水工程勘察船“海洋石油708”，在全球范围内首次成功实施海洋浅层非成岩天然气水合物固态流化试采作业。
李小森指出，将我国和国外试采情况对比可以看出，目前我国天然气水合物试采结果较优于国外试采，但距离商业开采还有很长的距离。
总体而言，当前世界各国都开展了各自的天然气水合物研发计划，特别是美国和日本制订了他们详细的商业开采的路线图，我国也制订了相应的技术路线图。如我国在1999年展开了水合物资源调查后，在2010年开始进行水合物开采的评价研究，之后于2017年进行了初步试采研究。
李小森透露，我国预计在2023年进行商业开采，开采阶段分三个时期。第一个时期在2017年已经完成，第二个时期为在2019到2020年进行中期测试，第三个时期为从2023年展开试验型的试验，为下一步商业试采进行技术的储备。
项锦文.中国可燃冰商业开采任重道远[J].高科技与产业化,2020(04):28-32.
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2020-07-03我要评论
期刊名称：海洋学研究
期刊人气：1254
主管单位：国家海洋局
主办单位：中国海洋学会,国家海洋局第二海洋研究所,浙江省海洋学会
出版地方：浙江
专业分类：科学
国际刊号：1001-909X
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创刊时间：1983年
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2020-06-03
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