【海洋观点】破解可燃冰开采难题的中国方案

     天然气水合物主要分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中。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。
; T" T7 X) _3 F9 K! A+ W- y    日前，自然资源部中国地质调查局青岛海洋地质研究所自主研发的关于天然气水合物（可燃冰）开采方法的两项国家发明专利技术和两项国际发明专利技术获得授权，为可燃冰开发提供了新思路。可燃冰如何开采、开采难在何处？记者近日探访了青岛海地所，揭开可燃冰开采的神秘面纱。
  
“三多”的创新团队
  
早在20世纪90年代，我国就开始关注可燃冰，从勘探到人工合成，再到试采，至今已走过近30年。
; i! D/ m& i: ^; T$ R8 b& h  |5 M- Y8 }2001年，我国第一个从事海洋天然气水合物实验模拟研究的实验室在青岛海洋地质研究所建成。当年11月3日，该实验室成功合成天然气水合物并点燃。2012年，青岛所被正式批准建设自然资源部（原国土资源部）天然气水合物重点实验室。
经过多年发展，青岛海地所天然气水合物研究团队已发展成为我国天然气水合物科技领域重要力量。记者走进青岛海地所，对这里的“三多”感触颇深。
, ?/ y( G) ^1 g% Z( `, M' U/ Y“三多”指的是专利多、设备多、年轻人多。“目前我们已取得了100余项可燃冰的国家专利授权、5项国际专利。”该研究所天然气水合物地质室主任刘昌岭介绍说，近年来，该研究所与可燃冰相关的专利数量呈井喷式增长，仅去年就获得了3项国际专利、17项国家发明专利、25项国家实用新型专利。
+ c+ x( N* I3 |$ P& F在实验室内，记者看到了该团队自主研发的数十种可燃冰的实验设备与装置。“由于研究目的与实验测试的参数不同，可燃冰模拟实验需要各种类型的实验装置与设备。由于许多研究都没有现成仪器，我们会根据研究需要，每年研发出两三套新装置。”刘昌岭说。
3 i0 z) o% n( m: y1 ?记者了解到，目前该团队已累计研发了20多套可燃冰实验装置与设备，形成了30多项可燃冰实验专利技术。该团队共有34人，包括7名博士后。这个以“80后”为主体的年轻团队，为我国可燃冰研究技术发展做出了重要贡献。
1989年出生的李彦龙虽然在这里工作仅有4年时间，但已成功申请了20余项国家专利。该研究所最新获得的2项可燃冰开采技术的发明专利，正是萌发自李彦龙的想法。
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开采技术有待优化
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据介绍，在一定温度和压力环境条件下，可燃冰是以固态形式存在于地层之中，并在没有外界干扰条件下保持相对稳定。那么，可燃冰开采是否可像挖煤那样进行直接挖掘呢？
“直接挖掘是行不通的。”刘昌岭说，“可燃冰分布在沉积物的孔隙中，含量较低，如果大面积挖掘沉积物，会对海底环境造成严重破坏，并带来工程和地质风险。”
据了解，目前国际公认的可燃冰开采方法是原位分解法，通过外力改变可燃冰稳定存在条件而使其在地层原位分解，生成可流动的气体和水，再采用如同石油、天然气的开采方法，将这些流体采集到地面上。
3 F2 \. }! G6 A  h* F7 x  A可燃冰外表上看起来像冰，从微观上看，可燃冰由主体水分子和客体气体分子组成，水分子通过氢键作用形成大小不同的“笼子”，气体分子占据着这些“笼子”，形成稳定的晶体。
“我们要做的就是打破这些‘笼子’。”刘昌岭告诉记者，科研人员主要采用降低压力、升高温度或添加化学物质的方式，从而破坏可燃冰相对平衡的条件，使可燃冰分解，再进行开采。
“试采实践表明，降压法是最具应用前景的可燃冰开采方法”。刘昌岭说，“但降压法的最大难题就是，提产困难，强行提产可能导致地层失稳、大面积出砂，难以实现可燃冰的长期、高效开采，需要对其进行改进优化。”
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新技术破解开采难题


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2017年5月，李彦龙随“蓝鲸一号”半潜式钻井平台赴南海开展可燃冰试采，负责监测可燃冰、泥砂的粒度分布、浓度、气体成分等，为试采工程提供技术支持。这次海上工作经历，让李彦龙对我国南海海域可燃冰储层结构和试采面临的关键技术难题有了更加清晰的认识。
李彦龙介绍，我国管辖海域分布着大面积粉砂质水合物储层，这类储层沉积物粒径小、黏土含量高，属于极弱固结的低渗或超低渗储层，难以使用常规油气储层的防砂思路。“挡砂精度高了，会影响产能。反之，细颗粒、泥质颗粒容易流入井筒，造成地层亏空。”
0 g- q3 }+ {1 x& c: a2013年，日本首次进行可燃冰试采，并利用降压法成功开采出甲烷气。但由于水合物分解过程中，管外地层空间逐渐变大，砾石充填层发生蠕动和亏空，导致产出流体直接冲击筛网，防砂失效，开采活动被迫终止。
; `- n! z! I- B% v9 n3 P. g9 C能不能在降压开采中向储层中注入其他的高渗透物质，以此置换水合物及近井的泥质、细粉砂呢？李彦龙为此查阅了大量常规石油天然气行业中关于稠油和油砂开采的相关材料，并进行了建模分析。
; X, ~8 [' O; p8 M5 }$ ^# e最终，“一种海洋天然气水合物砂浆置换开采方法及开采装置”“粉砂质海洋天然气水合物砾石吞吐开采方法及开采装置”两项技术专利应运而生。这两项技术集成了稠油蒸汽吞吐开采的基本理念和疏松砂岩储层适度防砂技术的优点，巧妙利用了水合物开采过程中管外充填层可能发生的砾石翻转沉降过程。
  
7 Q+ m+ X& W( l% b! u; p李彦龙介绍，这两项技术为砾石-水合物连续置换开采和间歇式吞吐置换开采提出了新的解决方案，可在长期开采中对地层亏空量进行及时填充或置换。不仅有效缓解常规一次防砂完井作业过度防砂造成的提产困境，还可填补井周外围亏空，为水合物产能释放和地层物质亏空弥补提供新的技术思路。
4 F4 j( ?# L  P# k“目前这些技术还处于理论验证阶段，我们已经着手开展相关的理论计算、实验模拟验证。下一步，我们将继续围绕泥质粉砂型天然气水合物的高效、安全、低成本开发开展大量的研究工作，努力为破解天然气水合物可持续开发提出‘中国方案’。”李彦龙说。
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1 q& O6 }. ?" `  K7 L9 _! r, z纵观世界各国可燃冰试采，均处于科学实验阶段。我国距实现产业化开采还有多远？
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# ?; u) z) z3 ~5 L5 F5 W' B% X, p/ U“可燃冰开采离产业化生产还有很长的路要走，需要有颠覆式的技术革命，降低开采成本，产生合理的经济价值。”刘昌岭表示，可燃冰的快速生成、安全储运、环境保护等技术问题也是急需解决的瓶颈。因此，针对不同类型的可燃冰储层，研发高效、安全、环保的开采技术工艺，是可燃冰产业化开采的必经之路。


  文章来源于：中国海洋报  中国·青岛蓝色经济网等
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