我国可燃冰开发实现历史性突破

[《中国石化》2017年第6期], 余木宝 发布于 2017/9/28


我国可燃冰勘探开发理论、技术、工程实现了由“并跑”到“领跑”历史性跨越,抢占了可燃冰开发科技创新制高点。

518日,国土资源部中国地质调查局宣布,我国在南海北部神狐海域进行的可燃冰试采获得成功。62日,国土资源部南海神狐海域可燃冰试采成功新闻发布会宣布,神狐海域可燃冰已连续产气超过22天,平均日产8350立方米,气压气流稳定,井底状态良好。这标志着我国成为全球第一个实现在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。此次试采成功,也实现了可燃冰开发理论、技术和工程的重大创新。

实现重大理论自主创新

本次试采实现三项重大理论自主创新:初步建立“两期三型”成矿理论,指导在南海准确圈定找矿靶区;初步创建可燃冰成藏系统理论,指导试采实施方案的科学制定;初步创建“三相控制”开采理论,指导精准确定试产降压区间和路径。

依托国家调查专项,在分析南海可燃冰调查资料数据的基础上,我国重大基础研究计划(973计划)项目南海可燃冰富集规律与开采基础研究取得重要进展。

南海可燃冰富集规律与开采基础研究项目从20091月正式启动。项目依托国土资源部,中国地质调查局为第一承担单位,广州海洋地质调查局、中科院广州地球化学研究所、中科院广州能源研究所、中国地科院矿产资源研究所、中科院地质与地球物理研究所、中国地质大学(北京)等国内优势单位共同参加研究工作。

该项目首席科学家、广州海洋地质调查局总工程师杨胜雄介绍说,该项目利用国家调查专项获取的海量资料,先后开展了3个有针对性的补充调查航次,在此基础上,重点围绕我国南海北部陆坡可燃冰有关的成藏条件、成藏过程动力学、成藏富集规律等关键科学问题开展深入研究,取得了一系列重要研究成果和创新性认识,首次建立起我国南海可燃冰基础研究系统理论。

南海可燃冰基础研究系统理论提出了渗漏型可燃冰重要概念,根据成因类型,将可燃冰矿藏划分为扩散型和渗漏型两种,并揭示了南海北部可燃冰富集规律。该理论同时首次提出可燃冰成核机制的笼子吸附假说和可燃冰在成核过程中形成水合物非晶相的新观点,建立了南海北部可燃冰的综合识别方法。

开采技术领跑世界

可燃冰埋藏在深海,且十分不稳定,开采难度很大,连续8天稳定产气是一个技术上的突破,我们做成了一件别人都没成功的事

本次试采实现了六大技术体系二十项关键技术自主创新:防砂技术3项,包括地层流体抽取、未成岩超细储层防砂和可燃冰二次生成预防技术;储层改造技术3项,包括储层快速精细评价、产能动态评价等技术;钻完井技术3项,包括窄密度窗口平衡钻井、井口稳定性增强和井中测试系统集成技术;勘查技术4项,包括4500米级无人遥控潜水器探测、保压取样、海洋高分辨率地震探测和海洋可控源电磁探测技术;测试与模拟实验技术4项,包括微观测试、开采现场测试、地球物理与地球化学参数模拟实验和开采模拟实验技术;环境监测技术3项,包括多学科多手段环境评价、立体环境监测和井下原位实时测量技术。

可燃冰的试开采一直是一项世界性难题。由于绝大部分埋藏于海底,开采难度十分大。美国和加拿大虽然起步早,但由于加拿大天然气储量丰富,美国30%的能源靠加拿大进口,因此两国在这一领域并不上心。日本能源严重依赖进口,因此对开发可燃冰十分用心,但迄今未取得突破。日本共同社称,2013年日本曾尝试进行海域可燃冰的试开采工作,虽然成功出气,但6天后由于泥沙堵住了钻井通道,试采被迫停止。日本成功在日本中部沿海地区的可燃冰中提取天然气,不过仍未实现连续开采。

南海神狐海域的可燃冰为泥质粉砂型储层类型,资源量在世界上占比超过90%,是我国主要的储集类型。这是我国首次,也是世界第一次成功实现该类型资源安全可控开采,为可燃冰广泛开发利用提供了技术储备,积累了宝贵经验。

试采工程首席科学家、北京大学教授卢海龙提出地层流体抽取试采法,有效解决了储层流体控制与可燃冰稳定持续分解难题。他们成功研发出储层改造增产、可燃冰二次生成预防、防砂排砂等开采测试关键技术,其中很多技术都超出了石油工业的防砂极限。

此次我国开采可燃冰利用的是降压法,将海底原本稳定的压力降低,从而打破了可燃冰储层的成藏条件,利用我国自主研发的一套水、沙、气分离核心技术最终将天然气取出。此次我国连续稳定试开采可燃冰成功,表明我国在可燃冰的勘探、开发、利用上,走在了世界前列。

试采可燃冰,外界一直有一个疑问,就是会不会对周边海域的环境造成影响。

由于甲烷是比二氧化碳威力更强的温室气体,因此开采可燃冰的环境影响一直是人们关心的一个重要问题。我国进行海域可燃冰试采,同样非常重视环境问题,为此投入人力物力进行了研究。

20116月至20173月,南海可燃冰环评项目组在南海神狐可燃冰区先后共组织了10个航次的野外调查工作,对试采区进行了多年系统调查,调查内容包括海底工程地质特征、地质灾害特征、海底环境监测、海洋生物特征、海水溶解甲烷含量、海水物理化学及水文特征、海表大气甲烷含量特征等,基本查明了可燃冰试采区的海洋环境特征,同时,发展了一系列我国自主产权的环境评价技术,为可燃冰试采、开发奠定了良好基础。

可燃冰试采的环境问题,主要是试采过程中是否发生不可控的可燃冰分解,导致甲烷泄漏,从而引起海底滑坡等地质灾害,甚至是甲烷泄漏到海洋或者大气中而引起环境问题。针对这些问题,在试采过程中,一方面根据水合物区海底地形地貌特征、工程地质特征、水合物储层特征,通过合理设计井位及降压方案,从工程设计上避免发生甲烷泄漏所引发的环境问题和灾害问题;另一方面通过布设海底地形、气体渗漏等监测设备,构建海水—海底—井下一体化环境安全监测体系,实现对温度、压力、甲烷浓度及海底稳定性参数的实时、全过程监测。监测结果显示,试采未对周边大气和海洋环境造成影响,整个过程安全、友好、可控、环保。

本次开采试验为后续研究提出了很多课题。下一步重点是研究如何解决本次试验中发现的一些问题,并在之后35年内开展第二次试采,进一步为商业化开采做好技术铺垫。如试采过程中,由于地层复杂而导致施工困难很大,测井数据采集需要面对高排量与低排量钻进之间的矛盾;泥浆比重配值、钻井安全及地层防漏失问题的协调;地层可动水含量少对测试过程控制造成的困难,以及如何解决长期开采防砂、稳产等难题,都是本次试采遇到的需要通过后续研究来解决的问题。

工程装备完全自主创新

在试采作业中,大量国产装备成功投入应用,充分表明“中国造”海域可燃冰开采工程设备已走在世界的前列。

本次试采没有现成的专用设备和材料可用。常规海洋油气勘探开发装备材料无法直接用于可燃冰试采,针对该情况,科研人员自主研发了可燃冰开采专用的装备、管材、特殊材料等。在本次试采过程中,七项自主创新的重大技术装备问世:研制了我国第一台4500米作业级无人遥控探测潜水器海马号,研发了可燃冰保温保压取样器,研发了海底可控源电磁探测系统,研制了适合试采储层特点的防砂筛管,研制了用于实时监测海底形变的地震监测仪,研发了可燃冰试采大型模拟实验装置,投用了我国自主设计建造的超深水半潜式钻井平台蓝鲸1

我国试采可燃冰设施与日本不同。日本的测试在船上进行,而我国使用的是浮动平台。此次可燃冰试采作业,大量我国自主研发制造的装备成功投入应用。此次开采的亮点之一是试采作业最重要的“大国重器”——我国最新研制成功的世界最大、钻井深度最深的海上钻井平台“蓝鲸1。承担此次试采任务的蓝鲸1由中集集团旗下中集来福士自主设计建造。2016816日中国石油海洋工程有限公司与中集来福士公司签署了基于中集蓝鲸1的钻井平台技术服务合同。20173623时,中集蓝鲸1完成运营准备工作,从烟台起航,经过8天的航行顺利到达井位。

此外,大量拥有自主知识产权工具的成功应用,表明国内石油公司已具有深水工艺及设备研发能力,如完井防砂工艺,已远远超过目前石油工业的防砂极限;完井与测试系统集成装备,结合可燃冰试采工程开发与科研需求,为我国可燃冰开发研究提供科学数据。

稳步迈向商业化开采

从目前试采的连续性和产气量来看,我国可燃冰开发离商业化不远了。“蓝鲸1在南海成功试采可燃冰,为可燃冰的商业化开发铺路,将对我国能源结构产生重大影响,有助于提高能源自给率,保障国家能源安全,同时缓解煤炭、石油等带来的环境污染问题,实现我国经济社会持续健康发展。

要知道,可燃冰储量巨大,仅我国海域预测远景资源量就达到800亿吨油当量,世界资源量约为2100万亿立方米,可供人类使用1000年!

可燃冰可采还面临高昂成本问题。当前中国南海可燃冰开采费用达200美元/立方米,折合成天然气达6/立方米,而常规天然气本身开采只有不到1/立方米,差距甚大。但根据专家测算,未来可燃冰的生命周期成本总体为0.77/立方米,相比于常规天然气0.99/立方米的生命周期成本,还是具备极大的商业开采价值。

目前,可燃冰试开采团队将紧紧围绕可燃冰勘探开采产业化进程的目标,全力推进后续各项工作,为在2030年前进行可燃冰商业开发打下基础。一是争取神狐海域试采成果最大化。二是加大可燃冰资源调查力度。三是开展不同类型可燃冰试采。四是把加强环境保护放在突出位置,围绕环境保护进一步完善理论技术方法体系,为安全可控的资源开发创造条件。持续开展环境调查与监测,获取海洋环境参数,评价可燃冰环境效应。加强环境保护与安全生产技术研发,实现可燃冰绿色开发。五是加强科技创新平台建设,提高海洋科技创新能力。 

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