天然氣水合物開發技術研究進展

趙克斌 孫長青 吳傳芝

中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所

天然氣水合物作為潛力巨大的未來新能源，成為近20多年來油氣工業界的研究熱點。自2002年以來，已在加拿大馬更些三角洲、美國阿拉斯加北坡區、中國青藏高原等凍土區以及日本南海海槽與中國南海北部等海域開展了10余次天然氣水合物試采實踐。最近，美國正聯合日本在阿拉斯加北坡區開展凍土區天然氣水合物中長期試采研究，印度孟加拉灣和美國墨西哥灣深水區天然氣水合物試采研究也已提上日程。鑒于此，筆者梳理了天然氣水合物試采實踐中所采用的主要技術方法，總結了近年探索中的天然氣水合物開發新技術，以期為天然氣水合物開發技術研究提供參考。

1 天然氣水合物試采技術

現階段天然氣水合物試采實踐所采用的技術方法主要包括加熱法、降壓法與二氧化碳置換法，試采井主要為單一直井［1］。

1.1 單一直井加熱開采技術

單一直井加熱開采技術是最早嘗試的天然氣水合物試采技術。該技術于2002年用于加拿大馬更些三角洲Mallik 5L-38井天然氣水合物試采作業。在鉆至目標天然氣水合物藏后，采用循環注入熱流體方式促進天然氣水合物原地分解；同時，在試采井兩邊各鉆1口觀測井，用于實時觀測試采過程中天然氣水合物分解前緣推進與產氣情況［2-5］。

Mallik 5L-38井采用了如圖1所示的閉合回路設計，實現了對注入流體的持續加熱與循環利用，保證了注入天然氣水合物藏的熱流體溫度始終保持在80℃以上。在該井生產套管內部與井壁兩側各安裝了一套分布式溫度傳感系統，以便監測試采過程中天然氣水合物分解情況。熱流體經?42.1 mm循環管從井口注入到試采井中，通過射孔孔眼進入天然氣水合物藏；天然氣水合物受熱分解產生的氣、水流體連同注入的熱流體一起，經熱流體循環管和生產油管之間的環空間隙返回地表；在井口先后經過高壓分離器和低壓分離器實現氣體和液體的分離，從而獲得天然氣水合物分解出的甲烷氣體；分離出的液體經常壓熱交換器冷卻、泥漿輸送泵加壓之后，再經高壓加熱器加熱到所需溫度并重新注入井下，完成天然氣水合物藏循環加熱試采流程(圖1)。

1.2 單一直井降壓開采技術

單一直井降壓開采技術是最常用的天然氣水合物試采技術，在加拿大馬更些地區、日本南海海槽、我國南海北部神狐海域等地天然氣水合物試采實踐中均有應用。筆者以日本南海海槽天然氣水合物降壓試采為例，對單一直井降壓開采天然氣水合物技術加以說明。

圖1 加拿大馬更些三角洲Mallik 5L-38井水合物注熱開采流程示意圖［2, 4］Fig.1 Schematic process of heat-injection hydrate recovery of Well Mallik 5L-38 in the Mackenzie delta of Canada

日本南海海槽區于2013年和2017年先后2次進行了天然氣水合物降壓試采實踐。2013年共鉆4口井，包括1口試采井、2口溫度監測井與1口取心井。試采井除安裝了井下溫壓傳感器和分布式溫度傳感系統之外，還安裝有電潛泵、電加熱器、氣液分離系統以及化學試劑注入管線等，同時采用了裸眼礫石充填防砂完井技術。降壓試采過程中，通過電潛泵抽取地層流體，將壓力降至天然氣水合物相平衡壓力之下，促使天然氣水合物分解為天然氣體和水。通過井下加熱器對井筒中天然氣水合物分解產出流體進行加熱，降低了井筒天然氣水合物二次形成的風險；通過化學試劑注入管注入甲醇，進一步抑制了井筒天然氣水合物二次形成；采用井下氣液分離系統對氣、水流體進行分離［6-8］。但因試采中出現了嚴重的出砂現象，導致試采井通道堵塞，試采研究被迫終止。

2017年，采用改進的開發技術開展了南海海槽新一輪天然氣水合物試采實踐。針對2013年天然氣水合物試采中的出砂問題，研制了具有形狀記憶功能的新型多孔聚合物防砂材料，并集成了一種由形狀記憶聚合物材料、優質篩管與金屬珠嵌件組合而成的三重防砂裝置(圖2)。本次鉆試采井和觀測井各2口，目的之一是驗證新研制防砂材料的有效性。2口試采井分別對2種使用方式下防砂材料的性能進行了驗證研究，其中AT1-P3井完井防砂裝置安裝了預先充分膨脹的聚合物防砂材料；AT1-P2井完井防砂裝置安裝的聚合物材料未經事先激活，需要在井下通過活化液進行現場激活［9-10］。研究結果表明，AT1-P3井降壓試采作業持續了大約12 d，仍因出砂嚴重而終止；AT1-P2井降壓試采過程未出現出砂問題，但井筒出現了天然氣水合物二次生成現象，在降壓試采作業持續大約24 d后終止。

圖2 日本南海海槽第2次天然氣水合物試采完井裝置示意圖［9］Fig.2 Schematic well completion device for the second production test of natural gas hydrate in the Nankai trough of Japan

1.3 單一直井二氧化碳置換開采技術

迄今為止二氧化碳置換開采技術僅在美國阿拉斯加北坡區I?nik Sikumi 1井進行了應用性研究，通過注入CO2“置換”出天然氣(甲烷)水合物中的甲烷氣體。但由于二氧化碳置換作用較為緩慢，為了提高開采效率，借鑒了稠油油藏吞吐開采技術，采用“氣體注入—燜井—采氣”循環方式進行了天然氣水合物開采試驗。

I?nik Sikumi 1井采用了復式套管柱，并在井筒上部安裝有注熱管柱。通過變徑套管柱將井筒直徑最終轉變為114.30 mm，而后進行射孔、注入流體與回采試驗。在變徑套管柱外部安裝有分布式光纖測溫系統，在井筒下部安裝有3組可在地面讀數的溫壓計。緊鄰測溫光纖安裝有電纜線，用于傳輸井下溫壓計測得的溫度和壓力數據。在油管外部安裝了3條?19.05 mm管柱，其中2條為開口管，便于上部井筒環空中流體循環與注熱，用于控制注入流體溫度；另一條?19.05 mm管柱與化學劑注入閥相連接，用于向井筒注入CO2與N2的混合氣體［11］(圖3)。

1.4 其他天然氣水合物試采技術

圖3 美國阿拉斯加北坡天然氣水合物二氧化碳置換法試采井完井設計［11］Fig.3 Well completion design of the production test well of natural gas hydrate by carbon dioxide replacement method in the north slope of Alaska, America

除了主流的單一直井試采技術之外，近年還探索了其他一些天然氣水合物開發技術，包括多井、定向井開發技術以及固態流化開采技術等。

2016年在我國青藏高原祁連山凍土帶采用“山”字型水平對接井進行了天然氣水合物試采研究，共鉆3口井，包括1口試采井和2口水平井。其中試采井用于降壓與采氣，水平井主要用于注熱。2口水平井分別位于試采井兩側。當2口水平井與試采井在目標天然氣水合物層完成對接之后，通過試采井抽取地層流體使天然氣水合物層壓力降至平衡壓力以下，促使天然氣水合物分解；同時通過水平井注入熱流體，對天然氣水合物層進行加熱，進一步促進天然氣水合物分解［12-13］，最后經試采井采出天然氣水合物分解所產生的天然氣。2020年，我國南海北部神狐海域天然氣水合物第2次試采也采用了水平井開采技術。試采井采用三開井身結構，在目標天然氣水合物層采用?244.5 mm套管完井，通過降低天然氣水合物層壓力促進天然氣水合物原地分解，取得了較好的開采效果［14］。

此外，天然氣水合物固體開采法近年也有所發展。天然氣水合物固體開采法是直接采集天然氣水合物固體，通過海面或岸上處理基地對天然氣水合物進行控制性分解采氣的一種天然氣水合物開采方法。近年，傳統的天然氣水合物固體開采法已發展成為固態流化開采法，并在我國南海北部荔灣海域采用該開采方法進行了天然氣水合物試采研究。在試采井鉆達目標天然氣水合物藏之后，通過井底射流方式將天然氣水合物破碎至細小顆粒［15］，然后將混有天然氣水合物顆粒的混合物漿體導入到密閉的氣-液-固多相舉升管道內，輸送到海面處理設施進行氣、液分離，從而獲得天然氣水合物分解氣［16］。

2 探索中的天然氣水合物開發技術

最近10多年來，新型天然氣水合物開發技術研究較為活躍，在天然氣水合物藏原位加熱、地熱儲熱能利用以及現有油氣開發技術移植與改進等方面進行了大量探索，提出了新型天然氣水合物開發技術方案。

2.1 基于原位加熱的天然氣水合物開發技術

天然氣水合物藏原位加熱有助于減少井口注熱所面臨的熱能損失問題，是加熱開采技術的改進方向之一。天然氣水合物藏原位加熱開采技術主要包括兩大類：一是基于向天然氣水合物層注入反應物的原位生熱技術；二是基于水平井循環注熱的原位加熱技術。

俄羅斯研究者曾提出多種天然氣水合物層原位生熱與原位加熱技術［17］。其中比較有代表性的一項技術為放射性物質原位生熱法。通過水平分支井將放射性廢液注入到天然氣水合物藏之下的地層，在天然氣水合物藏下方形成放射性廢液儲集區。利用放射性物質衰變反應持續不斷地產生熱量，對上部天然氣水合物藏進行持續加熱。此外，還有研究者提出向目標天然氣水合物藏注入液態酸和堿溶液，利用酸堿中和反應產生的熱量對天然氣水合物進行原位加熱［18］。近年來，我國有研究者提出將納米鋁粉持續噴射到天然氣水合物層，利用納米鋁粉燃燒釋放的熱量對天然氣水合物進行原位加熱［19］。

多井、水平井循環注熱是另一種比較有影響的天然氣水合物原位加熱開采技術。根據俄羅斯研究者提出的技術實施方案［17］，開采井與注熱井鉆至目標天然氣水合物藏之后均改為水平井，然后進行對接；地面安裝的采氣設備與注熱設備分別與開采井與注熱井相連接(圖4)。其中采氣設備用于從天然氣水合物藏中采出氣、水流體并進行氣、水分離，注熱設備用于對循環流體進行加熱并重新注入天然氣水合物藏。

2.2 基于地熱儲熱能利用的天然氣水合物開發技術

利用地熱儲開采天然氣水合物研究主要集中于天然氣水合物藏下方干熱巖熱能利用方面，近年水熱型地熱儲在天然氣水合物開采中的應用研究也有所推進。

圖4 多井—水平井原位加熱開采天然氣水合物技術示意圖［17］Fig.4 Technical sketch of producing natural gas hydrate by the in-situ heating of multi-well and horizontal well

利用干熱巖熱能開采海洋天然氣水合物，技術思路是首先向天然氣水合物藏下方的干熱巖層打注水井，通過壓裂向干熱巖層注入海水，海水在干熱巖層受到加熱之后，再抽至天然氣水合物藏進行加熱［20］。最近新提出的一種利用干熱巖熱能開采天然氣水合物的鉆完井技術方案采用的井組結構包括1口注入/采熱井和1口生產井(圖5)［21-22］。注入井鉆至天然氣水合物藏之下的干熱巖層之中，并在干熱巖層與天然氣水合物層中分別布置1口水平分支井，在天然氣水合物層內的水平分支跟端上部安裝有封隔器。生產井鉆至天然氣水合物層段轉為水平井，生產井水平井段布置于注入井在天然氣水合物層內的水平分支井下部且與之互相平行。通過注入井向干熱巖層注入流體進行加熱，然后將高溫流體泵抽至上部天然氣水合物藏，對天然氣水合物進行加熱；再由生產井采出天然氣水合物分解所產生的天然氣。

近年來，在利用水熱型地熱能開采天然氣水合物方面也有所研究，提出的開采技術方案如圖6所示［23］，包括1口連通井和2口生產井。其中連通井鉆穿天然氣水合物藏并鉆至深部的地熱儲，并在天然氣水合物藏與地熱儲井段分別射孔；2口生產井分別位于連通井兩側，完井于天然氣水合物藏之內(圖6)。

圖5 新近提出的利用干熱巖熱能開采海底水合物的井組結構與實施方案［21-22］Fig.5 Well group structure and implementation scheme of the new proposal of producing subsea hydrate by using hot dry rock energy

圖6 利用水熱型地熱儲熱能自流注入法開采海底水合物技術方案［23］Fig.6 Technical scheme of producing subsea hydrate by means of the flowing injection of hydrothermal geothermal storage energy

天然氣水合物開采過程分為2個階段。第1階段僅對天然氣水合物藏進行常規降壓開采，通過在連通井天然氣水合物藏底部井筒安裝封隔器，將降壓作用局限在天然氣水合物藏之內。隨著壓力的降低，連通井筒近旁的天然氣水合物會快速分解，所產天然氣經生產井和連通井采出。由于水合物分解屬于吸熱反應，因此隨著天然氣水合物的分解，天然氣水合物藏溫度會不斷下降，使得天然氣水合物分解速率與產氣量持續降低。當產氣量降低到一定數值，開始啟動第2開采階段即利用地熱能開采階段。將天然氣水合物藏底部的封隔器移至水合物藏頂部，使連通井轉變為單一的注熱井。在壓力差的作用下，下部地熱儲中的熱流體會自動流入連通井，并經連通井射孔處進入天然氣水合物藏之中，從而對天然氣水合物進行加熱，促使天然氣水合物分解出甲烷氣體。

2.3 基于油氣開發技術移植的天然氣水合物開發技術

在提高天然氣水合物開采效率的探索研究中，引入常規油氣開發技術并加以改進也是一個重要方面?，F階段，單井注水吞吐法、井網開采法以及蒸汽輔助重力驅油等技術，在天然氣水合物開發技術研究中都有借鑒。

天然氣水合物開發研究中采用的吞吐技術大多與加熱開采法配合使用，以“注熱—燜井—采氣—注熱”循環方式對天然氣水合物進行開采［24］。采用熱吞吐技術可增加天然氣水合物受熱時間，使熱流體在天然氣水合物藏中充分擴散，可提高天然氣水合物分解效率與產氣量。

天然氣水合物五點井網開采法主要探索了“4口注熱井+1口開采井”［25］與“1口注熱井+4口開采井”［26］兩種模式。為了使熱激發效應與減壓效應能夠集中發揮作用，天然氣水合物井網開采方案中的注入井與開采井通常均完井于天然氣水合物藏的同一層段。最近還提出了一種天然氣水合物井網開采優化方案，即將五點井網作為1個井群，在多個井群中間部位部署1口總開采井。每個井群的開采井均與總開采井相連通，各井群區天然氣水合物分解所產生的天然氣與地層流體經由總開采井采出［27］。

此外，近年天然氣水合物開采技術方案中還引入了作為重油開采有效技術的蒸汽輔助重力驅油技術與油頁巖地下轉化技術，并針對天然氣水合物產氣特征提出了技術改進建議［28-29］。

2.4 基于開采產物利用的天然氣水合物開發技術

近年，還探索了基于天然氣水合物開采產物利用的天然氣水合物循環開采技術。其技術思路主要是利用天然氣水合物所產甲烷氣體的燃燒產物或化學反應產物，對天然氣水合物藏進行開采。

日本研究者最近提出了一種利用天然氣水合物開采產物循環開采天然氣水合物的技術方案［30］。該技術方案通過利用甲烷燃燒所產生的二氧化碳氣體與熱能，對天然氣水合物進行二氧化碳置換開采。開采系統由采氣系統、發電系統、熱管理系統和二氧化碳回收與注入系統4部分組成。首先采用降壓法經采氣系統采出天然氣水合物分解所產生的甲烷，發電系統通過燃燒甲烷氣體產生電能，實現天然氣的工業利用；同時，熱管理系統回收發電系統所產生的熱能，二氧化碳回收與注入系統則回收甲烷燃燒產生的二氧化碳氣體。然后，將回收的二氧化碳氣體溶于海水，制成二氧化碳與海水混合物；再利用回收的熱能對溶有二氧化碳氣體的海水混合物進行加熱，并經注入系統注入到天然氣水合物藏之中，促進天然氣水合物分解產氣。所產天然氣采出后經燃燒產生電能，同時產生二氧化碳和熱能；利用熱能加熱二氧化碳水溶液并重新注入天然氣水合物藏，實現天然氣水合物的循環開采。

我國研究者還提出了利用低溫固體氧化物燃料電池開采天然氣水合物的技術方案。其技術思路是首先經降壓等途徑促進天然氣水合物分解，并將所產甲烷氣體輸送到低溫固體氧化物燃料電池陽極，同時從地面向電池陰極泵入空氣，經電化學反應產生電能以及二氧化碳和水；然后利用二氧化碳對天然氣水合物進行置換開采［31-32］。

近年，也有研究者提出可借鑒煤炭地下氣化技術理念開采天然氣水合物。通過在天然氣水合物層鉆平行水平井組，擴大天然氣水合物開采面積，并形成氣體、水和泥沙混合流體的流動通道；同時，將大功率“高壓火焰噴射器”集成到井筒之中，通過燃燒甲烷形成高溫高壓氣流，用于大規模沖蝕、加熱天然氣水合物層，促進天然氣水合物大面積分解［33］。

3 結論與認識

(1)經過數十年的研究，天然氣水合物開采技術獲得了不斷完善，但改進空間仍然巨大。加熱法、降壓法與二氧化碳置換法等主要開采技術已在天然氣水合物試采實踐中獲得應用，并成功地從天然氣水合物藏中采出甲烷氣體。但天然氣水合物試采研究還面臨諸多技術難題，如天然氣水合物分解前緣的有效推進、開采井井筒防砂、井筒天然氣水合物二次生成等，都影響著天然氣水合物試采實踐持續性與產氣量。在天然氣水合物資源實現商業開發的征途中，天然氣水合物開采技術的完善與改進將會是一個長期持續的研究方向。

(2)在天然氣水合物開發井井型與布井方案方面進行了積極的探索，促進了天然氣水合物藏開發技術的發展。除了目前主流的單一直井，多井、水平井以及井網開采方式都有所探索。采用多井對接、水平井以及五點井網開發天然氣水合物，可有效增加天然氣水合物分解面積，提高天然氣水合物開采效率。因此這些鉆井技術在天然氣水合物開發中的應用研究應得到進一步加強。

(3)天然氣水合物開發井相關配套技術與采氣持續性保障技術研究也取得了明顯進展。分布式光纖測溫系統、溫壓傳感器、井下信號傳輸電纜等在天然氣水合物開發技術研究中獲得了廣泛應用，實現了對天然氣水合物分解過程動態行為及其潛在影響的實時監控。井下氣液分離技術獲得了不斷改進，現已能夠在井下實現天然氣水合物分解產物的氣、液分離。針對現階段影響天然氣水合物試采持續性的井筒砂堵問題，通過研制新型防砂材料、集成新型防砂裝置、控制降壓幅度等途徑，在井筒防砂方面也取得了明顯成效。

(4)新型天然氣水合物開發技術探索呈現出比較活躍的態勢，特別是基于天然氣水合物藏原地加熱與水合物藏下方地熱儲熱能利用，提出了多種天然氣水合物開發鉆完井技術方案。此外，移植現有油氣開發技術并加以改進、利用天然氣水合物藏開采產物對天然氣水合物進行循環開采，也成為近年探索天然氣水合物開發技術的重要內容。但從總體上看，新近提出的這些天然氣水合物開發技術，基本還處于實驗模擬和理論可行性研究狀態，用于自然界天然氣水合物藏開采的效果還有待驗證。