浅谈海域天然气水合物开采方法及风险控制

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　　摘 要：中国于2017年5月10日～7月9日在南海神狐海域成功实施天然气水合物试采，相较于美、日等国家，此次试采实现了持续产气时间最长、产气总量最大等世界记录，意义重大。本文重点介绍了降压开采法、热激法、CO2置换法、化学抑制剂注入法、固体开采法及联合开采法等海域天然气水合物开采方法，并对开采过程可能面临的恶劣天气灾害、地质灾害和设备损坏等风险和预防控制措施进行了探讨。
　　关键词：海域天然气水合物;开采方法;风险控制
　　天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate）又被称作“可燃冰”，是由水（H2O）和天然气（CH4）在高压（>10MPa）、低温（<0℃）条件下混合形成的稳定固态晶体化合物（CH4·n（H2O）），其在外观形态似“冰”状，遇火即可燃烧，充分燃烧后主要产生CO2和H2O，是世界上公认的21世纪新型替代清洁能源。天然气水合物广泛分布于世界各地的陆地冻土带和深海海底，储量巨大。由于研究时间较短，目前水合物开发仅处于试开采阶段，全球仅有前苏联、美国、加拿大、日本和中国等少数国家掌握了相关开采技术。天然气水合物开采方法较多，且开采过程中会伴随各种地质灾害和环境风险，因此采用何种方法并预防风险成为世界各国研究的热点。
　　一、天然气水合物开采方法
　　由于天然气水合物形成的复杂性和特殊性，传统常规能源的开采方法无法完全移植过来，因此需要根据研究新型技术以保证开采效率和环境稳定性，目前，世界上较常用的天然气水合物开采方法主要包括降压开采法、热激法、CO2置换法、化学抑制剂注入法、固体开采法以及根据不同环境择优选择多种开采组合的联合开采法。
　　（一）降压开采法
　　降压开采法的工作原理是通过维持原有温度的条件下，降低天然气水合物赋存区附近的地层压力，破坏水合物所处的稳定状态，进而达到促使水合物分解的目的。该方法在开采过程中没有热量损失，可通过控制地层压力进而控制天然气水合物的提取速度，具有经济可行的特点。我国南海神狐海域天然气水合物试采所采用的就是降压开采法。该方法需要地层温度、压力处于长期稳定平衡环境，且随着水合物分解带走大量热能造成周围环境温度降低会影响产气效率，严重时会出现局部结冰阻塞气层而导致开采中断。
　　（二）热激法
　　热激法的工作原理与降压开采法类似，均是通过打破水合物赋存区的稳定状态进而促使水合物分解，该方法的原理是在维持赋存区原有地层压力的前提下，通过向地层内部输入热性液体（热水）或气体（水蒸气），亦或利用设备传导电磁、微波、太阳能等直接对水合物赋存区加热，提升其周围环境温度，达到破坏水合物的稳定状态、促进水合物分解的目的。该方法优点是可以实现采用循环系统不断注热，作用时间快，效果明显，但由于在输入过程中热能损失非常大，导致其热效率极低，而采用电磁、微波、太阳能等方式虽然容易控制作业，但所需设备较多，工序复杂，容易受恶劣天然环境影响，因此，热激法目前在各国试采过程中采用率较低。
　　（三）CO2置换法
　　CO2置换法的工作原理是利用在同等特定温压条件下，CO2气体相较于CH4气体更容易与H2O结合生产水合物的特性，使CO2置换天气水合物赋存区的CH4分子，进而释放气态天然气的方法。该方法具有有高开采速率、高稳定性的优点，同时大量消耗CO2气体还有助于缓解全球气候变暖，弱化温室效应，具有一举两得的效果，但由于开采过程需要大量CO2气体储备，且需要碳吸附剂等复杂吸附材料和特殊设备，不仅开采过程气体转化效率低，而且开采成本巨大，这大大限制了这种开采方法的推广和使用。因此，当前如何通过新型技术大力提高气体的转换效率，是整个学术界研究的重点问题之一，一旦发现能大幅促进两种气体转换的新型催化材料，市场前景将非常广阔。目前，该方法在美国阿拉斯加凍土地带水合物赋存区已经得到了一定程度的应用。
　　（四）化学抑制剂注入法
　　化学抑制剂注入法的工作原理是通过利用专用设备向天然气水合物赋存区注入相应的化学抑制剂（如甲醇、乙醇等醇类以及盐水等），以此来降低维持天然气水合物稳定的相平衡条件，从而改变水合物赋存区的温度压力条件，当无法满足维持水合物固体状态所需的温度和压力条件后，固态天然气水合物便会分解成气态，进而达到水合物开采的目的。该方法目前仅国外部分国家在开采现场使用过，国内尚处于实验室分析阶段，主要因为化学抑制剂的制造费用非常高，会大幅度提高水合物的开采成本，同时，过低的转化效率和开采过程的环境污染问题都是阻碍化学抑制剂注入法推广使用的主要原因。
　　（五）固体开采法
　　固体开采法的工作原理是利用部分采矿工艺手段开采固体水合物，而后采用参照传统吸扬式采矿系统方法特制的流体提升装置将固体天然气水合物由深海区提升至浅海区，同时利用提升过程中的温度（上升）和压力（下降）条件变化促使固体天然气水合物自然气化并收集，由于该方法的关键在于水力提升系统，因此也被称作“水力提升法”。该方法充分利用海水的温度梯度和压力变化，提高了固体水合物的分解效率，分解过程对环境基本无污染，但水力提升系统需要外界持续提供能量，同时，在开采过程中由于地层失稳容易发生海底滑坡等地质灾害，对作业设备及开采平台等的稳定性都是巨大考验。
　　（六）联合开采法
　　由于上述天然气水合物开采方法均存在不同程度的缺陷或弊端，而海域天然气水合物开采工作又是一个涉及多风险的庞大工程，目前来看，随着对能源需求的加大及对商业化开采紧迫性的不断提高，单一的开采方法已不能满足现今的开采要求。近年来，随着技术手段的进步，针对不同开采区域和开采环境而衍生出两种或三种开采方法的组合，本文统称为联合开采法，主要包括机械-热联合法、热激辅助降压法、CO2辅助降压法等。联合开采法的应用和创新，需要在实践过程中不断进行借鉴和改进，且需要根据开采现场监测数据实时调整。 　　二、天然气水合物开采风险及控制预防
　　海域天然气水合物开采周期较长，开采设备复杂，因此，在开采过程中会伴随着各种开采风险，主要包括恶劣天气灾害风险、地质灾害风险和设备损坏风险等;每一种风险的发生都会造成严重的开采事故，并伴随着相应的环境污染，严重时会造成天然气水合物泄漏，对海洋环境的破坏是无法估量的。
　　（一）恶劣天气灾害风险
　　影响海上天然气水合物开采的恶劣天气灾害主要包括台风、海雾及灾害性波浪等。台风是发生在热带或副热带海域的低压系统，携带巨大的能量和破坏力，最大风速可达60m/s，台风过境会对开采平台造成巨大的影响，我国南海神狐海域可燃冰试采期间便经受过台风“苗柏”考验;海雾是海面上的一种水汽凝结现象，海雾的产生会降低船舶海上通行的能见度，增加开采平台的碰撞风险;灾害性波浪是由台风、热带气旋、寒潮等天气引起并在强风作用下形成的，波浪波高可达6m以上，例如1979年11月“渤海2号”石油钻井平台遭遇灾害性海浪沉没于渤海中部，说明其对开采平台的影响应引起足够重视。
　　（二）地质灾害风险
　　与海上石油钻探相同，在水合物开采过程中也会伴随着相应的地质灾害风险，主要包括海底滑坡、海底地震、海啸及浅地层流体失稳等。海底滑坡是指海底松散沉积物发生扰动后在重力作用下沿海底面向下滑动的现象，主要包括碎屑流、颗粒流和浊流等，其携带的高速重力沉积物流对海底平台桩基具有破坏性作用;海底地震是海底板块断裂释放应力而引起海底剧烈震动，震级较大的海底地震会引起海啸，海啸的发生对海上平台的破坏是毁灭性的;浅地层流体失稳包括浅水流和浅层气，浅水流是在钻穿浅海底超压砂层后导致巨大水压力释放形成的，高速喷出的浅水流射入开采孔会导致平台损坏或井塌事故，浅层气亦具有高压性质，其释放过程中会大幅降低地层强度，对开采平台的稳定性维持是巨大挑战。
　　（三）设备损坏风险
　　设备损坏风险是在海上开采平台及附属设备设计、制造和维护过程中产生的设备疲劳老化等损坏风险，由于开采平台远离陆地，一旦发生设备损坏，修复难度大，周期长，不仅会影响开采效率，同时对作业平台上的人员生命安全也是巨大威胁。
　　（四）风险控制及预防
　　从资源与能源角度来说，天然气作为21世纪的新型替代能源已经是全球认可的大趋势，对中国来说，南海赋存的丰富水合物资源对于缓解目前国内能源紧缺和环境污染问题意义重大，因此，我國加快海域天然气水合物的商业化势在必行，但由于水合物组成气体甲烷是一种比二氧化碳更强的温室气体，同等体积的甲烷气体比二氧化碳的温室效应强21倍，一旦开采泄漏，对全球气候环境的影响是难以估量的，如何在开采过程中预防泄漏风险和开采事故，是摆在全球水合物开采研究工作者面前的难题。
　　借鉴我国南海神狐海域天然气水合物试的成功经验，本文认为，天然气水合物开采风险控制和预防措施需要从前期安全评估、开采过程现场监测与环境评价以及完井处置等三个方面入手。前期安全评估主要通过利用在开采区多年调查的基础地质资料及工程地质资料进行综合分析，多次邀请行业内顶级专家对安全性进行详细论证，不断优化开采方案，建立由开采单位主要负责人领导的应急处置小组，确保在水合物开采过程中任何事故均可迅速应对;开采过程现场实时监测主要利用水下机器人及各种监测传感器对海底地层变形、储层稳定性、海水甲烷溶解量、海洋底气生物反应等进行全过程实时监测，同时对开采区附近海水理化因子进行定期监测，并结合开采前的背景值对开采环境影响进行评价，争取将环境风险处于可控范围之内;完井作为水合物开采结束的最后工序，极易在井口逆向重新形成固态水合物，需要引起高度重视，目前可通过水下热交换装置对进口加热以及ROV设备水下定点机械清理等方式完成。
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　　基金项目：中国地质调查局项目（DD20190232;DD20190583;DD20190584）资助
　　作者简介：陈静（1991-），女，汉族，硕士，助理工程师，主要从事天然气水合物地球化学测试分析、国内外水合物开采现状及战略研究。
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