天然气水合物勘探和开采方法研究进展

刘 鑫，潘 振，王荧光，商丽艳，李 萍

（1. 辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部， 辽宁 抚顺 113001； 2. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001；3. 中油辽河工程有限公司， 辽宁 盘锦 124010）

天然气水合物(Natural Gas Hydrate，简称 Gas Hydrate)因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。它是在一定外界环境作用下，由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的笼形结晶化合物(碳的电负性较大，在高压下能吸引与之相近的氢原子形成氢键，构成笼状结构)。它可用mCH4·nH2O来表示，m代表水合物中的气体分子，n为水合指数(也就是水分子数)。组成天然气的成分如 CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及 CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，甲烷分子含量超过 99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物[1](Methane Hydrate)。

天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，天然气水合物体积与其生成的甲烷气体体积比为1∶164，是一种重要的潜在能源[2]。

1 天然气水合物研究现状

随着国际形势变化和国民经济发展的需要，中国对原油的需求急剧增加，据有关部门统计，仅2012 年原油进口量为 2.7 亿 t以上，对外依存度55%以上，超过国家规定的红线(50%)[3]。中国的油气资源供需差距很大，为了满足中国经济的发展需求，开发新能源成了当务之急。我国海底蕴藏着丰富的天然气水合物资源，其勘探开采技术也逐渐得到了快速发展。

中国在南海西沙海槽等海区对海底天然气水合物勘探取得了一定的效果，在相关海区发现了天然气水合物的地球物理标志BSR，同时一些科研单位也建立了拥有自主知识产权的重点实验室，研究天然气水合物的物化特性、成藏机理等方面。

2005年，中国宣布首次在南海北部陆坡发现规模较大的“冷泉”碳酸盐岩分布区，其面积约为430 km2[4]。该分布区最有可能具有天然气水合物，按照战略规划的安排，从发现开始，需要经过15 a左右的调查阶段，然后是10 a左右的试生产开发阶段，最后是20 a的商业生产阶段。

2009年，中国地质部门在青藏高原也发现了天然气水合物，蕴藏量巨大，至少350亿t油当量，预计经过二十年左右试生产开发阶段就能够投入使用[5]。

2 天然气水合物勘探方法

天然气水合物的成藏需具备四个基本条件[6]：

①原始物质基础-气和水的足够富集；

②足够低的温度；

③较高的压力；

④一定的孔隙空间。

但是在自然界中，水合物常常作为其下游离气体的盖层，二者共同成藏。水合物圈闭成藏类型可分为两种：简单圈闭和复合圈闭。简单圈闭完全发生在水合物层内和地层之下；复合圈闭是有水合物和地质构造或地层相结合形成的。

天然气水合物的勘探工作, 现在仍处于起步调查和摸索阶段。仅有少量的几口井被钻成, 故难以形成有效、成熟的勘探方法, 亦未形成一支强有力的天然气水合物技术专家队伍。可以说, 我们对于天然气水合物的认识仍处在初级阶段。目前所提到的勘探方法中大部分借鉴的是传统的石油天然气勘探方法。

天然气水合物勘探方法[7,8]主要包括：

① 钻孔取心资料

钻孔取心资料可以最直观和最直接地证明天然气水合物的存在。在布莱克海岭和墨西哥湾等地，勘探人员已经取到了含气体水合物岩心的矿物质。

②似海底反射层(BSR)

通过异常地震反射层也可以证明海底存在天然气水合物，这种方法叫做海底反射层(BSR)。在布莱克海岭地区，科研工作人员通过深海钻探计划发现了天然气水合物。

③ 测井方法

测井方法也可以勘探地层中天然气水合物的存在。测井方法鉴定天然气水合物需要四个基本条件：一是必须在有两口或多口钻井区，二是天然气水合物要具有较高的电阻率；三是在钻探过程中天然气水合物储层要有明显的甲烷气体排放；四是天然气水合物具有较短声波传播时间。

3 天然气水合物开采方法

天然气水合物的开采技术是最复杂艰巨且充满危险的任务，世界上天然气水合物的储量巨大，但从天然气水合物中有效地开采天然气的方法目前仍在在探索和探讨研究之中。

天然气水合物开采方法[9-15]主要有两类：传统开采方法和新型开采方法。

传统开采方法包括：

① 减压开采法，减压开采法是一种通过降低天然气水合物储层压力促使其快速分解的开采方法。减压开采法具有成本低，间断激发优点，适合天然气水合物较大面积的开采，尤其适用于下伏气的天然气水合物矿藏的开采。但它也有一定的局限性，特殊要求是天然气水合物矿藏必须处于温度和压力平衡边界附近，减压开采法才能是一种具有经济可行性的开采方法。

② 热激开采法，热激开采法是通过注热水或蒸汽对天然气水合物储层进行直接加热，破坏储层的温度平衡，促使天然气水合物受热分解。这种方法的优点是作用方式较快，可以实现连续注热；不足之处是注热过程中热损失严重，热量利用效率较低，并且加热面积较小，因此该方法需要在实际应用过程中进一步完善。

③化学试剂注入法，化学试剂注入法将某些化学试剂注入到天然气水合物储层中，破坏天然气水合物矿藏的稳定平衡条件，加速天然气水合物的分解。这种方法在初期可以降低天然气水合物开采成本投入，不足之处会给当地生态环境带来较大破坏。所以，这种方法应用的范围也比较有限。

新型开采方法包括：

①置换开采法，通过注入 CO2，破坏天然气水合物矿藏的相稳定平衡条件，加速天然气水合物的分解。在一定的温度条件下，天然气水合物必须保持一定的压力才能够稳定存在，如果此时向天然气水合物矿藏内注入CO2气体，就会改变天然气水合物的存在条件，使其分解成天然气和水，CO2和水作用生成CO2水合物进而把天然气置换出去。

② 固体开采法，固体开采法通过矿场开采装置，直接采集固态天然气水合物，然后将采集到的固态天然气水合物集合到某一地区进行下一步分解。该方法首先通过矿场开采装置将天然气水合物原地粉碎分解为气液固三相混合物，形成混合泥浆，然后将这种混合泥浆通过竖直管道输送到分解单元进行处理，获取天然气水合物中的天然气。

4 开采天然气水合物对生态环境影响

开采天然气水合物的实质是破坏天然气水合物的相平衡条件，即温度压力压条件，使其分解。在天然气水合物藏的开采过程中如果采取了不当的控制温压条件的方法和措施，就会对当地的生态环境产生一系列的不良影响，如温室效应、海洋生态恶化以及海底坍塌等事故[16]。

①天然气水合物中分解的天然气如果出现泄露，就会加大大气辐射强度，必然会加剧全球温室效应，造成全球温度升高，冰川融化，海平面上升，对人类居住条件产生不利影响。

②进入海水中的天然气会影响海洋生态平衡。天然气促进海水中微生物氧化作用，其氧化作用会消耗掉大量的氧气，使海水处于缺氧状态，这样会危害海洋微生物的生长发育。

③海洋中固态天然气水合物的分解，会使海底缺乏支撑，可能导致海底滑塌事件，更严重的会造成地震和海啸等严重自然危害。

5 结束语

天然气水合物是水和天然气在低温和高压条件作用下形成的一种固态可燃物质，其优点为清洁无污染、燃烧热值高、使用便捷，被公认为是社会经济发展的重要后备能源。因此，其勘探和开采技术已经成为石油石化行业的研究热点。但是由于天然气水合物物理特性、成藏条件等增加了其开采的难度，本论文主要从勘探和开采方法对天然气水合物的开发研究进展进行了综述。随着科技的发展，勘探方法也应采用先进的探测技术，通过多学科综合技术，进行多方面全方位的勘察，从而可以准确得知其储存信息；在开采方面，根据当地地理环境的条件，可以优选一种或几种开采方法组合。天然气水合物成藏条件复杂，开采时必须保护当地的生态环境。天然气水合物的勘探和开采发是一项复杂而艰巨的工作，建立清洁安全的天然气水合物勘探、开采工艺是最具前景的开发方式。

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