陸地天然氣水合物資源及開發技術

周佳　陸惟　唐婧

摘 要：天然氣水合物是在海底和中高緯度的陸地永久凍土帶廣泛存在的一種資源，因為其巨大的資源潛力而逐漸發展為研究領域中的熱點內容。同時，形成天然氣水合物的過程可以實現對于純水資源的富集作用，加上不同性質的氣體所形成的水合物溫壓情況存在差異，導致對于天然氣水合物資源的利用和開發研究得到了一定程度的發展。本文將對天然氣水合物的結構特點進行分析，并借此展開對于水合物開發現實意義的研究，發現資源開發過程中存在的問題，并提出常用的水合物開發技術，以供相關人士參考。

關鍵詞：陸地;天然氣水合物資源;開發

1 我國陸地天然氣水合物資源開發現狀

天然氣水合物是一種新型的清潔能源，由于儲量的豐富性展現出極大的發展潛力，已經逐步成為全球能源競爭的重要抓手。我國天然氣水合物資源的含量十分豐富，僅僅在南海北部陸坡區域的水合物遠景資源量就已經達到了數百億噸。針對水合物進行產業化開發，可以有效減緩能源的供需沖突，促進能源消費結構的優化，讓能源戰略安全和生態文明建設得到全面保障。

進入新世紀以來，我國就提高了對于水合物資源的關注，經過多年的努力，我國在水合物基礎科學、勘查與試采關鍵技術、成藏理論、環境效應及儲層物性等不同領域都得到了一定程度的發展，加快了我國水合物產業化的進程。我國地質調查局早在2002年就開始了對于水合物資源的陸地研究，在凍土層地區進行了地質、地質鉆探、地球化學、試采、地球物理等一系列工作。并于2008年發現了水合物的實物樣品，該樣品出自木里地區的永久凍土帶，同時，我國在2011年和2016年針對這一區域展開了試采工作，并搭建了祁連山水合物長期觀測基地。即使這兩次試采的產量不高，但是，其中所采用的直井和水平對接井技術都為我國開展海域水合物試采貢獻了十分珍貴的實踐經驗。

總體而言，我國的水合物勘測開發技術已經取得了一定的進展，并且在世界范圍內具有較為領先的優勢，實現了從試采到商業開發階段的過渡。為實現從試驗性試采到生產性試采的階段性突破，需要我們積極探索可以突破開采瓶頸的問題，通過科學的開采技術和規范的開采理念，推動我國水合物開發的發展[1]。

2 陸地天然氣水合物資源的潛力

在世界范圍內存在以下永久凍土區域：俄羅斯歐洲北部、美國阿拉斯加北部斜坡、格陵蘭和南極冰川覆蓋層下部、中國青藏高原以及西伯利亞和遠東、加拿大馬更些三角洲。上述凍土區域的總面積可達全球陸地總面積的27%，其中凍結層的厚度最高可以達到2000m左右，多集中于700～1000m。

針對有資料記載的全球陸上天然氣水合物資源實施統計，發現其資源總量從22萬億方到1110萬億方左右不等，通常包含以下區域：北極群島、東西伯利亞、青藏高原凍土帶、阿拉斯加北斜坡、麥肯齊河三角洲等。不同地區之間的區間值存在較大的差異，由此可見，當下的陸地天然氣水合物資源并未得到有效開發和利用。

我國青藏高原地區的凍土層分布通常較為廣泛，并且受到氣候條件和地形的多重影響。該凍土層主要在羌塘地區、定日--崗巴高山區、金山--祁連山地區及昌都地區發育。其中羌塘地區的凍土資源廣泛，是該地區凍土層的構成主體。該地區的凍土層總面積可達1400000km2，其厚度在10～175m不等，厚度最高的位置可達700m，年均氣溫約為-4～0℃左右。由于受到維度和海拔高度的限制，導致該地區的凍土層地溫梯度約為11～33℃/km，至于凍土層下方的沉積層，其地溫梯度約為28～51℃/km。無論是在青藏高原還是在藏北羌塘盆地，都擁有充足的天然氣水合物資源，具有十分廣泛的資源潛力[2]。

3 陸地天然氣水合物開發技術

相比于海上工作，在陸地上的工作難度較小，因此，永凍區的天然氣水合物引起了人們的廣泛關注。天然氣水合物資源的本質是由天然氣體和水構成的一種具有亞穩定形態的礦物，在一定的溫壓條件下，天然氣水合物層中的天然氣體、固態水合物和水都呈現出一種平衡狀態，由于天然氣水合物的溫壓條件較為穩定，使得水合物得以被安全保存。在天然氣開采過程中，可以借助人為的溫壓條件改變破壞天然氣水合物的平衡狀態，以促進天然氣的分解[3]。以下為當前階段陸地天然氣水合物的常用開發技術：

3.1 熱激發法

熱激發開采法是借助熱流體，如蒸汽、熱鹽水、熱水等物質滲透進地面泵入水合物底層，或者借助重油開采過程中所使用火驅法和鉆柱加熱器實施水合物開采?？偠灾?，該種方法的一個典型特點就是將溫度提升到水合物分解的溫度，是當前階段研究較為廣泛的一種陸上天然氣水合物開采技術。無論是注入蒸氣、熱鹽水和熱水等流體物質，還是井下電磁加熱，亦或是微波加熱，以上技術都得到了一定程度的發展，讓熱利用效率得到了切實提升。在熱開采的過程通常采用局部加熱的方法，可以更好地適用于水合物層較為密集的區域，也即水合物藏，在該范圍內實施開采，如果存在厚度較高的夾層，就不能使用這種方法實施水合物開采[4]。

3.2 減壓開采法

借助壓力的降低，將水合物的曲線進行轉變，以保持良好的穩定狀態，讓水合物實現分解。針對水合物資源下面的游離氣體實施開采，可以有效降低儲層的壓力，不需要采取昂貴的手段進行連續多次的激發，在眾多現存的水合物開采技術中具有十分重要的位置，其發展前景非常光明，有機會成為日后進行天然氣水合物資源開采的重要手段。然而，使用減壓開采法的形式，對于水合物藏的性質提出了一定的要求，例如，需要在水合物藏的下方保持游離氣層的存在，如果其下方不含有游離氣層，就不能運用減壓法的手段予以開采。同時，需要在天然氣水合物藏位于溫壓平衡帶的邊界位置時，適當降低水合物層的分解，將其所需的壓強降到最低。通過減壓法的形式進行開采具有一定的經濟性，例如，針對麥索雅哈氣田天然氣水合物藏進行開發時使用的就是這一手段。

3.3 化學法

化學法是借助化學試劑，如鹽水、丙三醇、乙二醇、甲醇、乙醇等試劑，將其經由井口投入水合物儲層泵，以改變天然氣水合物所建立的相平衡條件，讓水合物的穩定溫度得到切實降低，以促進水合物的分解。使用化學試劑法需要有大量的資金投入，并且見效較慢，因此并未在開發實踐中得到廣泛運用，只是在小范圍內進行了嘗試。

3.4 二氧化碳置換法

相比于甲烷水合物，CO2具有更加穩定的性質，因此可以采用CO2置換法進行水合物的開發。將CO2注入到水合物儲層中，將其中的甲烷進行置換，并予以開采。采用這種手段，可以有效保障水合物沉積層的完整性，降低由于水合物開采所造成的海洋地質災害的風險，同時還可以將產生的CO2進行封存，有效避免了溫室效應[5]。

4 結束語

盡管我國在天然氣水合物這一領域的研發起步很晚，但是已經取得了良好的成果。隨著研究的逐步推進，我國提高了在天然氣水合物資源研發領域的投入，在全體科研人員的協同努力下，我國的天然氣開發技術必將取得進一步的發展。而在當前階段，我國主要采取熱激發法、化學法和減壓法和二氧化碳置換法等手段進行天然氣水合物資源的開發，其中整合減壓法和熱激發法是目前最為經濟的一種開發手段，至于其他更加經濟高效的手段還需要展開進一步的研究。

參考文獻：

[1]何梟.海洋天然氣水合物和油氣一體化勘探開發機理和關鍵工程技術國際態勢分析[J].高科技與產業化，2020， 287（04）：40-51.

[2]吳傳芝，趙克斌，孫長青，等.天然氣水合物基本性質與主要研究方向[J].非常規油氣，2018，05（04）：92-99.

[3]王國榮，鐘林，劉清友，等.基于雙層管雙梯度深海油氣及水合物開發技術研究[J].海洋工程裝備與技術，2019， 06（S1）：225-233.

[4]王淑玲，孫張濤.全球天然氣水合物勘查試采研究現狀及發展趨勢[J].海洋地質前沿，2018，34（07）：24-32.

[5]賈童，王鑫炎，商一杰.天然氣水合物開采技術對比與展望[J].自然科學，2019，07（05）：398-405.

作者簡介：

周佳（1987- ），漢族，籍貫：四川江油，學歷：大學本科，目前職稱：工程師，研究方向：油氣田開發。