World progress of drilling and production test of natural gas hydrate
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摘要: 自20世纪60年代证实自然界中存在天然气水合物以来，针对水合物这一潜在能源的研究取得了显著进展。与常规油气资源一样，水合物的开发也需要经历两个重要阶段，即勘查与试采。该文对全球主要国家水合物钻探与试采进展进行了归纳总结和分析，认为钻探工作在获取水合物实物样品、优化相关技术装备、提供可靠数据等方面发挥了重要作用，而试采工作在长期、安全、稳定和高效产气方面仍与产业化开发的预期存在差距。建议我国应充分发挥各方优势，重视技术方法和装备的研究、开发、示范和推广，形成可用于水合物资源勘查与开采的成熟技术装备体系。Abstract: Since the natural gas hydrate was recognized as a new energy source in 1960s, the research of gas hydrate has made great progress. Similar to the conventional oil and gas, the development of hydrate also needs to pass two important stages, i.e. exploration and production test. This paper summarized and analyzed the progress in exploration drilling and production test of hydrate in some major countries. The exploration drilling plays a critical role in data acquisition, hydrate sampling, and optimization of relevant technology, equipment and facilities, whereas the production test aims to test the efficiency of technology for industrial development of gas hydrate in a safe, stable and efficient way. As one of the leading countries in hydrate research in the world, China has made great progress in hydrate exploration and resource assessment, and the recent production test is really a great success. Further development in exploitation technology and related facilities is discussed and recommended in the paper.
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Keywords:
- nature gas hydrate /
- drilling /
- trial production /
- industrialization
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天然气水合物作为一种潜力巨大的能源资源，受到了世界各国的广泛重视，中国、美国、日本、加拿大、韩国、印度、俄罗斯、欧盟等国家和地区开展了相关研发工作。就水合物的研究历程而言，主要可以划分为4个阶段：第一阶段是始于19世纪初的实验室合成研究阶段；第二阶段是始于20世纪30年代的管道及相关设备防堵研究阶段；第三阶段是始于20世纪60年代的自然界中水合物赋存证实阶段；第四阶段是始于20世纪90年代的资源勘查与试采阶段[1]。与常规油气资源一样，水合物的开发也需要经历两个重要阶段，即勘查与开采。其中，资源勘查的目的是综合利用地球物理调查(地震法、电磁法等)、地球化学调查(孔隙水、气体、同位素等)、钻探(测井、岩心样品采集和分析等)等多种方法来准确地圈定和刻画水合物矿床的范围与性质；试采的目的是为了通过发展科学理论、完善技术方法、以及积累工程经验来实现水合物的最终产业化开发利用。中国、美国、日本、韩国、印度是目前在水合物勘查与试采领域最活跃的国家。鉴于钻探与试采工作在促进水合物资源有利区优选和产业化开发利用上的重要作用，本文将重点归纳分析全球主要国家在这两个方面的进展和所取得的主要认识，这对促进我国水合物产业化开发利用具有借鉴作用。
1. 天然气水合物钻探进展
研究发现，尽管天然气水合物分布广泛，但它的赋存具有很大的不确定性和不均匀性，取决于很多因素，如甲烷气体的局部供给、气体运移和聚集路径的结构、具有适合水合物形成的温压条件区域和范围、储层的性质和特征及它们富集水合物的能力、以及水合物能够形成并持续聚集成藏的区域地质条件[2]。根据截至目前开展的水合物资源勘查与评价工作，认为在利用似海底反射(BSR)等指示标志圈定水合物矿床范围的同时，应积极开展钻探工作来更准确地圈定和刻画水合物矿床的范围与性质[3]。表 1列出了已开展的重要钻探工作，主要是针对海洋水合物的资源勘查与评价。
表 1 全球主要天然气水合物钻探活动(按时间顺序排列)Table 1. Major gas hydrate drilling activities in the world (in chronological order)航次名称 时间 调查区域 调查平台 主要储层类型 水合物类型 ODP 164 1995年 美国Blake海台 “JOIDES Resolution”号科学钻探船 富黏土/泥质 孔隙充填/结核状、块状 MITI 1999年 日本南海海槽 “M. G. Hulme Jr.”号半潜式钻井平台 砂质 孔隙充填 ODP 204 2002年 美国Hydrate海脊南部 “JOIDES Resolution”号科学钻探船 泥质 层状、结核状、脉状 METI 2004年 日本南海海槽 “JOIDES Resolution”号科学钻探船 粗粒砂质/泥质 裂隙充填、孔隙充填/结核状 JIP-I 2005年 美国墨西哥湾 “Uncle John”号半潜式平台 细粒砂质 裂隙充填 IODP 311 2005年 美国Hydrate海脊北部 “JOIDES Resolution”号科学钻探船 粗粒砂质 层状、结核状、脉状 NGHP-01 2006年 印度大陆边缘及安达曼群岛附近海域 “JOIDES Resolution”号科学钻探船 泥质/砂质 裂隙充填、孔隙充填/块状、脉状、透镜状 GMGS1 2007年 中国南海神狐海域 “Bavenit”号钻探船 细粒黏土 分散状 UBGH1 2007年 韩国郁龙盆地 “Rem Etive”号多用途调查船 泥质/砂质 裂隙充填、孔隙充填/层状、分散状、脉状 JIP-II 2009年 美国墨西哥湾 Helix Q4000半潜式钻井平台 富黏土/砂质 裂隙充填 UBGH2 2010年 韩国郁龙盆地 “Synergy”号钻探船 泥质/砂质 裂隙充填、孔隙充填/结核状、浸染状 MH21 2012年 日本南海海槽 “CHIKYU”号深水钻探船 砂质 裂隙充填、孔隙充填/层状、分散状、脉状 GMGS2 2013年 中国南海珠江口盆地东部海域 “Rem Etive”号多用途调查船 粉砂质黏土 裂隙充填/层状、块状、脉状、结核状、分散状 GMGS3 2015年 中国南海神狐海域 “Voyager”号钻探船 黏土质粉砂/粉砂质黏土 孔隙充填/首次发现该区存在结构II型天然气水合物 NGHP-02 2015年 印度大陆边缘及安达曼群岛附近海域 “CHIKYU”号深水钻探船 粗粒砂质 裂隙充填、孔隙充填/块状、脉状、透镜状 GMGS4 2016年 中国南海神狐海域/西沙海槽 “Voyager”号钻探船 黏土质粉砂/粉砂质黏土 进一步证实了GMGS3航次的发现 GOM2-1 2017年 美国墨西哥湾北部 Helix Q4000半潜式钻井平台 砂质 裂隙充填 IODP 372 2017年 新西兰Hikurangi大陆边缘 “JOIDES Resolution”号科学钻探船 — — 注：“—”表示无资料。 深海钻探计划(DSDP)、大洋钻探计划(ODP)和综合大洋钻探计划(IODP)对最初的天然气水合物钻探工作做出了重要贡献，尤其是ODP 164航次、ODP 204航次和IODP 311航次，在全球多处海域发现了水合物，标志着全球水合物勘查工作进入全面发展阶段，美国、日本、中国、韩国、印度等国家相继开展了更为广泛、深入的勘探性钻探工作，主要目的是深入认识水合物成藏模式和特征，研发和改进勘查方法与技术装备，圈定水合物开采有利区及评价资源禀赋等(图 1)[4]。
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图 1 全球主要天然气水合物钻探与试采活动分布示意图Figure 1. Schematic diagram of the distribution of major natural gas hydrate drilling and production test activities in the world1.1 大洋科学钻探计划的主要水合物钻探进展
1995年10月31日至11月19日，ODP 164航次利用“JOIDES Resolution”号科学钻探船对美国东海岸近海Blake海台处的含水合物沉积层进行了钻探、测井和取心调查等。ODP 164航次是全球首个专门用于水合物研究的钻探航次，目的是提高对海洋沉积物中赋存的水合物的原位特征和数量的认识，建立地震特征与水合物赋存情况之间的定量关系，其中针对Blake海台的3个站位的钻深达750m，从水合物稳定带扩展至下伏沉积层，针对Carolina隆起上的两个底辟脊部的4个站位的钻深仅为50m。在994和997站位直接获得水合物实物样品，尽管在995站位没有获得水合物实物样品，但相关地球化学分析测试结果表明在该站位的取心过程中水合物发生了分解，证实了地震剖面上无明显BSR(994站位)、中等强度BSR(995站位)和高强度BSR(997站位)现象与水合物赋存的对应关系[4-7]。
2002年7月至9月实施的ODP 204航次是全球首个针对增生复合体中水合物进行研究的钻探航次，也是首个采用数字红外扫描和随钻测井等技术的航次，目的是调查美国西太平洋俄勒冈州Cascadia大陆边缘的Hydrate海脊南部的水合物分布和赋存情况，研究甲烷和其他烃类气体运移到水合物稳定带的机理，确定含水合物沉积物的原位物理特性。ODP 204航次在水深780~1210m的9个站位共完成了45个钻孔，其中在水深约492m处南高点顶部的1250-C钻孔中获得了水合物实物样品，样品测试结果表明甲烷含量为55%~98%。ODP 204航次的大部分站位均证实了水合物的存在，估算表明沉积物中的水合物饱和度约为2%，Hydrate海脊南高点处冷泉附近的水合物饱和度达10%[4, 8-11]。
2005年9月20日至10月28日实施的IODP 311航次的目的，是研究加拿大东北太平洋Cascadia大陆边缘的Hydrate海脊北部的水合物形成机理，如甲烷气体的深部来源及其向上运移的情况。部署的5个站位分别位于增生楔的前部、中部和后部，代表了在主动大陆边缘背景下水合物演化所经历的不同阶段。首先对全部5个站位开展了随钻测井，确定了可能含有水合物的层段，以用于下个阶段的取心。在随后的取心过程中，还获取了电缆测井和垂直地震剖面数据，进一步确定了各个站位的物理特性。通过IODP 311航次的综合观测，发现该调查区域中的水合物主要赋存于粗粒浊积砂层，而在细粒富黏土质沉积层中未发现水合物，表明水合物的赋存受到了孔隙水盐度控制下的局部甲烷溶解度、流体/气体对流速度以及岩性的影响[12, 13]。
2017年11月26日至2018年1月4日在新西兰东海岸Hikurangi大陆边缘开展的IODP 372航次的两个主要目标，是研究水合物与水下滑坡的相互关系，以及刻画与沿Hikurangi俯冲界面反复发生的浅部慢滑事件有关的沉积物和断层带结构及物理特性。IODP 372航次分别在海底以下600、650和750m的3个站位获取了随钻测井数据。在U1518和U1519这两个位于经历了慢滑事件的板块俯冲界面断层之上的站位获取了良好的测井数据并达到了目标深度，而在位于Hikurangi海槽的U1520站位，因受到作业时间限制未钻进至计划深度。有证据表明Hikurangi大陆边缘上的Tuaheni滑坡复合体(TLC)存在活跃的蠕变变形。更值得关注的是，蠕变中的向陆边缘与海底水合物稳定带底部的尖灭相一致。IODP 372航次本应通过取心和随钻测井来验证所推测的水合物与TLC缓慢变形之间的关系，但是由于气象原因，针对水合物的调查时间被缩短，仅重点对TLC蠕变处的U1517站位进行了调查[14]。
1.2 主要国家的水合物钻探进展
1.2.1 日本
日本通商产业省(MITI，现日本经济产业省(METI))资助的南海海槽水合物钻探项目由日本石油公团(JNOC，现日本石油、天然气和金属矿产资源机构(JOGMEC))负责主导实施，目的是评价早前通过地震剖面中BSR的识别而推测存在的水合物的资源潜力。1999年11月10日至2000年2月5日，利用“M. G. Hulme Jr.”号半潜式钻井平台完成了南海海槽勘探井的钻探作业，目标是距日本东南部天龙河口44km的BSR区(水深945m)，包括2个站位的多个导向孔、1个主研究孔和3个后调查孔，根据测井数据的分析以及常规和保压岩心的观测确定在浊积砂的不规则孔隙中赋存有水合物，识别出了4个具高水合物饱和度的富砂层段(解释为浊积扇沉积)[15, 16]。
METI资助的东海冲至熊野滩水合物钻探项目, 由JOGMEC和日本产业技术综合研究所(AIST)负责主导实施，目的是在南海海槽水合物钻探项目的基础上，进一步评价南海海槽中水合物的资源潜力。2004年1月22日至5月18日，利用“JOIDES Resolution”号科学钻探船完成了3个区域16个站位32个钻孔的钻探作业(水深720~2033m)，对其中的16个钻孔进行了随钻测井，2个钻孔进行了温度测量，2个钻孔进行了电缆测井，12个钻孔进行了保压和常规取心，2个钻孔进行了不同完井技术的测试(包括水平钻进)。调查结果表明水合物的赋存和资源量与下伏BSR之间不存在明显的相关性。根据测井数据和岩心观测，识别出了3种不同类型的水合物产出：(1)砂层中的孔隙充填型水合物；(2)泥层中的孔隙充填型水合物；(3)细粒沉积层中的结核状或裂隙充填型水合物[17]。
2012年，在METI的资助下，日本甲烷水合物资源开发研究联盟(MH21联盟)利用“CHIKYU”号深水钻探船在准备实施日本第一次海域水合物试采的站位钻进了1口生产井(AT1-P)的上段、2口监测井(AT1-MC和MT1)和1口取心井(AT1-C)。在钻探过程中，针对AT1-MC监测井开展的密集随钻测井和电缆测井的目的是评价含水合物沉积层的物理特性以及选择用于2013年试采的产气层段。测井结果确定了一个厚60m且以几十厘米至几米厚浊积砂互层为特征的产气层段。AT1-MC和MT1监测井的测井校正结果表明试采的目标砂层具有良好的侧向连续性。对AT1-C取心井中厚60m的含水合物层段进行了常规和保压取心，回收的岩心总长为36.82m，平均收获率为63%，岩心分析为试采作业提供了站位处的岩石物理和力学特征参数[18-21]。
1.2.2 美国
2001年，行业参与者和政府机构与美国能源部(DOE)合作参与了以美国雪佛龙公司(Chevron)为主导的水合物墨西哥湾联合工业项目(JIP)，目的是开发技术和采集数据以用于描述墨西哥湾赋存的水合物，更好地认识水合物对海底稳定性的影响，以及提供可用于气候变化研究和水合物资源潜力评价的数据[22, 23]。2005年4月17日至5月22日，利用“Uncle John”号半潜式钻井平台开展了JIP第一阶段钻探航次(JIP-I)，通过钻探、取心和测井作业来评价具有低水合物饱和度的细粒沉积层中与水合物有关的地质灾害风险。尽管在该航次的2个站位(分别位于Keathley峡谷和Atwater山谷)回收的岩心中没有发现水合物，但测井结果和岩心孔隙水分析结果均表明存在水合物[24-28]。
2009年4月16日至5月6日，为了验证针对墨西哥湾砂质沉积层中水合物赋存的地质和地球物理模型以及圈定用于计划开展测井和取心工作的站位，利用Helix Q4000半潜式钻井平台实施了JIP第二阶段钻探航次(JIP-II)，根据从墨西哥湾Green峡谷955区块、Walker海脊313区块和Alaminos峡谷21区块的7个钻位所获取的更丰富随钻测井数据，进一步评价了与水合物有关的地质灾害风险以及沉积层中水合物的资源潜力。该航次证实了在墨西哥湾的砂质沉积层中赋存有中等饱和度至高饱和度的水合物，并测试了针对水合物富集程度的钻前评价方法和技术[29-33]。
2017年5月4日至24日，由得克萨斯大学奥斯汀分校领导的科学团队与来自美国地质调查局(USGS)、俄亥俄州立大学、美国海洋能源管理局(BOEM)、新罕布什尔大学、俄勒冈州立大学、华盛顿大学和哥伦比亚大学的科学家们，利用Helix Q4000半潜式钻井平台对墨西哥湾北部Green峡谷955区块富砂质沉积层中的水合物进行了钻探和取心。该航次的主要目标包括：(1)测试两套具有不同配置的保压取心装置，以评价它们在样品回收和样品质量保证上的相对表现；(2)收集足够的样品，以便全美实验室针对与含水合物砂层的形成演化和特征有关的一系列科学问题开展研究。该航次从约30m长的保压岩心中切割选取了21个1m长的高质量保压岩心样品，放置于可长期储存的容器中，并运至得克萨斯大学奥斯汀分校的岩心储存和分析设施。此外，没被选择用于保压储存的岩心在缓慢脱气后用于流体、气体类型和体积的研究。减压岩心和未保压岩心则被用于初步的岩石地层分析，然后经包装后运至得克萨斯大学奥斯汀分校。得克萨斯大学奥斯汀分校及其他参与者将对样品开展一系列分析。2017年5月，得克萨斯大学奥斯汀分校向国际大洋发现计划(IODP)提交的匹配性项目建议书获得了批准，将作为“JOIDES Resolution”号科学钻探船2020年初执行的IODP 386航次，旨在通过测井、保压取心、常规取心、以及原位或保压岩心测试等方法来综合研究墨西哥湾粗粒含水合物沉积层。其中，测井用于表征原位特性，保压岩心用于进一步的测试和成像。此外，将至少在1个站位开展原位降压测试，以获取压力扰动下粗粒含水合物沉积层中渗透率和地层强度的变化情况[34]。
1.2.3 印度
2006年4月28日至8月19日实施的印度国家水合物计划第一航次(NGHP-01)的主要目的，是开展钻探、取心、测井和分析工作，评价沿印度半岛近海和沿Andaman聚敛型大陆边缘分布的水合物的产状、区域条件和特征，并认识地质和地球化学在两种不同地质条件下对水合物赋存的控制。NGHP-01航次利用“JOIDES Resolution”号科学钻探船，在21个站位钻了39个钻孔。对10个站位的12个钻孔进行了随钻测井，对24个钻孔进行了取心，对13个钻孔进行了电缆测井。NGHP-01航次通过对测井数据的解释以及对回收岩心的成像和水化学分析，证实了调查区域中的水合物赋存主要受裂隙和粗粒富砂质沉积物的控制[35-38]。
2015年3月3日至7月28日，在印度东海岸利用“CHIKYU”号深水钻探船进行了印度国家水合物计划第二航次(NGHP-02)，目的是调查作为未来试采目标的砂质储层中的高饱和度水合物。NGHP-02航次的作业重点包括：(1)在147天内钻了42个孔，水深范围为1519~2815m，海底以下深度范围为239~567m；(2)在45天内对25个钻孔进行了随钻测井，钻探/测井长度共计6659m，对10个钻孔进行了电缆测井；(3)在16个钻孔中获取了常规岩心和保压岩心，取心长度为2834m，共回收了2271m长的岩心；(4)使用带球阀保压取心工具(PCTB)的保压取心系统进行了104次取心作业，共回收了156m长的保压岩心；(5)对保压岩心二次样品进行了脱气定量分析以确定水合物饱和度，使用三轴保压岩心综合测试装置(PCATS Triaxial)在船上对二次样品进行了力学测试，或为了能直接通过目视观察而将二次样品快速脱气并保存在液氮中。选出的较长岩心样品(约1m长)被保压储存在容器内，以供稍后的岸上分析；(6)在2个钻孔中使用模块式地层动态测试仪(MDT)成功进行了电缆地层压力和流动测试。通过NGHP-02航次的测井、取心和地层压力测试，确定了在整个Krishna-Godawari盆地的粗粒富砂质沉积体系中存在大型、高饱和度的水合物[39, 40]。
1.2.4 韩国
2007年9月11日至11月15日开展的韩国郁龙盆地水合物钻探第一航次(UBGH1)，利用辉固(Fugro)的“Rem Etive”号多用途调查船实施了钻井、测井和取心等，确定了该盆地中的水合物赋存。UBGH1航次的第一航段在郁龙盆地5个具代表性的站位进行了随钻测井，并利用遥控无人潜水器(ROV)采集了14个海底表层岩心并开展了数小时的摄影调查。随后的第二航段根据随钻测井数据选择了最可能赋存水合物的3个典型站位来进行钻井和取心。在第二航段总计回收了38个常规岩心并成功获取了15个保压岩心(收获率为75%)。3个站位的取心作业均证实了在水深1800~2100m的海底以下150m处存在含水合物沉积层，UBGH1-09和UBGH1-10站位的水合物主要以裂隙充填的形式赋存于泥质沉积物中，而UBGH1-04站位的水合物则以孔隙充填的形式赋存于层状浊积砂中[41-43]。
2010年7月9日至9月30日开展了郁龙盆地水合物钻探第二航次(UBGH2)，目的是针对UBGH1航次中只有少数站位确定存在含水合物沉积层这一问题，通过更广泛的调查更多地确定郁龙盆地中含水合物的沉积层，并获取相关科学数据，以更准确地评价该盆地的水合物资源潜力，以及为今后的试采提供候选场地。UBGH2航次利用辉固的“Synergy”号钻探船实施了钻井、测井、取心和ROV调查等。7月9日至8月8日开展的随钻测井和随钻测量作业从13个钻孔中采集了相关数据(自然伽马、电阻率、密度、中子孔隙度、P波速度等)。8月10日至9月30日开展的取心作业在10个站位的18个钻孔中回收了211个非保压岩心和29个保压岩心，并立即采用船上的岩心处理和分析设备对岩心开展了初步的沉积学、物理特性、地球化学和微生物分析，部分岩心经处理和保存后留作航次之后的岸上分析。在随钻测井和随钻测量以及取心阶段，利用FCV 3000型ROV采集了海底地貌、底层水的溶解态甲烷浓度以及岩心等的相关数据。9月15日至21日开展了电缆测井和垂直地震剖面测量作业，前者的目的是确定地层的物理、化学和结构特性，以及评估盆地内水合物的赋存和浓度，因为电缆测井数据的垂向分辨率比随钻测井和随钻测量数据的垂向分辨率高；后者的目的是辅助测井与地震反射数据之间的时深转换。UBGH2航次为以下4个方面提供了重要的数据资料：(1)郁龙盆地的地质和沉积记录；(2)证实已确定的水合物矿床中气体和水的来源；(3)认识盆地内水合物分布的岩性控制因素；(4)进一步评价盆地内水合物原地资源量。UBGH2航次圈定了3个潜在的含水合物砂质沉积层，其中1个可能作为未来水合物试采的候选场地。原计划2015年实施为期2个月的试采，包括1口生产井和2口监测井，目标产气层是位于海底以下140 ~153m的含水合物未固结砂层，水深超过2000m，生产方法采用降压法。现已重新计划，试采工作可能推迟至2018年以后[41, 43-48]。
1.2.5 中国
2007年4月至6月，中国地质调查局首次实施南海水合物钻探航次，在神狐海域3个站位成功钻获高甲烷含量的水合物实物样品，这标志着中国成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划在海底钻获水合物实物样品的国家[49, 50]。2008年11月，中国地质调查局在祁连山木里地区冻土带首次钻获水合物实物样品。这一发现突破了陆域水合物只赋存于两极地区冻土带的认识，首次在中纬度地区的高海拔冻土带找到了水合物[51]。2013年6月至9月，中国地质调查局在紧邻珠江口盆地东部的台西南盆地中部隆起附近地区水深664~1420m范围内完成了13个钻孔，对其中10个钻孔进行了随钻测井，3个钻孔进行了电缆测井，通过取心获取了大量的层状、块状、结核状、脉状和分散状等多种类型的水合物实物样品，甲烷气体含量超过99%[52]。2015年3月至5月，中国地质调查局利用我国自主研制的“海马”号4500m级ROV在珠江口盆地西部海域发现了海底巨型活动性冷泉——“海马冷泉”区，随后通过大型重力活塞取样器直接在“海马冷泉”区海底浅表层采获水合物实物样品，证实了“海马冷泉”区海底浅表层存在高纯度水合物。2015年6月至9月，中国地质调查局在南海北部神狐海域19个站位实施了钻探调查，均发现水合物[53]。2016年4月至8月，中国地质调查局对南海北部神狐海域和西沙海域的21个站位实施了钻探调查，获得了随钻测井数据、分析了常规和保压岩心，原位测量评估了含水合物沉积物的渗透率和力学参数[54]。目前，在南海北部海域圈定了6个水合物成矿远景区、19个成矿区带、25个有利区块、24个钻探目标区，预测南海北部海域水合物远景资源量达744亿t油当量。
2. 天然气水合物试采进展
如表 2所示，包括我国在内全球仅有4个国家开展了天然气水合物试采，包括加拿大实施的3次陆域水合物试采、美国实施的1次陆域水合物试采、以及日本实施的2次海域水合物试采(图 1)[55, 56]。
加拿大 美国 日本 中国 首次 第二次 第三次 首次 首次 第二次 首次 第二次 首次 陆域试采 陆域试采 陆域试采 陆域试采 海域试采 海域试采 陆域试采 陆域试采 海域试采 时间 2002年 2007年 2008年 2012年 2013年 2017年 2011年 2016年 2017年 作业区域 麦肯齐 麦肯齐 麦肯齐 阿拉斯加 第二渥美 第二渥美 祁连山 祁连山 南海神狐 三角洲 三角洲 三角洲 北坡 海丘 海丘 木里地区 木里地区 海域 作业水深 — — — — 约1000m 约1000m — — 1266m 储层深度 地表以下 地表以下 地表以下 地表以下 海底以下 海底以下 地表以下 地表以下 海底以下 约900m 约1100m 约1100m 约700m 约300m 约350m 146~305m 340~350m 203~277m 储层条件 砂质 砂质 砂质 砂质 砂质 砂质 粉砂质/砂质/泥质 粉砂质/砂质/泥质 泥质粉砂 开采方法 热流体
循环法降压法 降压法 二氧化碳-甲烷
置换法+降压法降压法 降压法 降压法+热激法 降压法 地层流体抽取法 产气持续时间 125h 12.5h 6d 30d 6d 12d** 24d*** 101h 23d 60d 累计产气量 516m3* 830m3 1.3万m3 2.4万m3 11.9万m3 4.1万m3 22.3万m3 95m3 1078.4m3 30.9万m3 平均日产气量 94m3 1600m3 2200m3 800m3 2万m3 3400m3 9270m3 22.62m3 46.89m3 5151 m3 日最高产气量 350m3 2000m3 4000m3 5000m3 约2.5万m3 约0.5万m3 约1.5万m3 — 136.55m3 3.5万m3 停产原因 — 出砂 出砂 — 出砂 出砂 主动关井 — — 主动关井 注：*其中468m3气体是试采过程中产出的，48m3气体是压井作业过程中产出的；**日本第二次海域试采的第一口生产井；***日本第二次海域试采的第二口生产井。“—”表示无资料。 2.1 加拿大
在来自5个国家的7家机构的共同参与下，横表 2 2001年在加拿大麦肯齐三角洲Mallik场地钻了3口井，中间为生产井，两侧为监测井，生产井与监测井之间的间距均为40m。其中，Mallik 5L-38生产井的钻深为1113.7m，Mallik 3L-38监测井的钻深为1147m，未钻及含水合物储层，Mallik 4L-38监测井的钻深为1162.7m，钻穿含水合物储层。2002年在907~920m深度处的13m厚砂质含水合物层段中进行了热激法(热流体循环法)试采，通过注入含氯化钾的钻井泥浆(约80℃)作为热循环流体将地层加热至50℃以上，从而破坏了储层中的水合物稳定条件而使其中的水合物发生分解并释放出甲烷气体。本次试采成功地从目标地层中采出甲烷气体，持续产气时长约125h，累计产气516m3。产气过程主要分为3个阶段：(1)在注入热循环流体后2.1h有气体产出，前25h的最大产气率为140m3/d，总产气量为75m3；(2)在25h至55h之间，最大产气率增至360m3/d，总产气量为255m3；(3)55h至124h的总产气量为138m3，最大产气率为70m3/d，试采结束时的产气率降至20m3/d[57-60]。
2002年之后，2006年至2008年加拿大自然资源部(NRC)与JOGMEC合作在加拿大麦肯齐三角洲Mallik场地又相继开展了2次试采，目的是开展更长期的试采以及推动降压开采技术的新研发工作。2007年4月实施的试采利用降压法通过将井底压力从11MPa降至7.2~7.5MPa进行产气，目的是为了在2008年长期试采前通过此次短期试采获得更多的认识和经验。在为期12.5h的产气试验中，产气率为1000~2000m3/d，累计产气830m3，产水率为10~70m3/d，累计产水20m3。这次试采面临的最大问题是随着产气和产水，出砂现象明显，堵塞了泵并使其效率降低。2008年3月实施的试采也是利用降低井底压力进行产气，针对2007年试采中出现的出砂问题安装了用于防砂的筛管，此次试采分3个阶段进行逐步降压：(1)历经6h将初始压力从11MPa降至7.4MPa并保持了39h；(2)历经6h将压力从7.4MPa降至5.2MPa并保持了59h；(3)历经4h将压力从5.2MPa降至4.5MPa并保持了24h。在为期144h(6d)的试采中，产气率为2000~3000m3/d，累计产气1.3万m3，产水率为10~20m3/d，累计产水70m3[61-64]。
2.2 美国
2012年，美国康菲石油公司(ConocoPhillips)联合DOE、JOGMEC、以及USGS在美国阿拉斯加北坡Prudhoe湾开展了全球首次针对含水合物沉积层的二氧化碳-甲烷置换法联合降压法的现场试采工程，向深度约650m的含水合物储层中注入约6000m3含有少量化学示踪剂的二氧化碳(23%)和氮气(77%)。在2012年3月4日至4月11日为期38天的降压回采阶段中，实际生产天数为30天，累计产出甲烷气体近2.4万m3[65, 66]。
2.3 日本
日本分别于2013年和2017年在其南海海槽东部海域实施了2次水合物试采。2013年3月12日至3月18日进行的第一次试采累计产气约11.9万m3，平均日产气量约2万m3，因严重出砂事故而被迫中断。在针对第一次试采中出现的主要技术问题(出砂、井下气水分离、长期稳定生产等)制定解决方案的基础上，2017年4月至6月进行了第二次试采。这次试采采用了两口配备有不同防砂装置的生产井，第一口生产井在为期12天的试采过程中累计产气约4.1万m3(图 2)，第二口生产井在为期24天的试采过程中累计产气约22.3万m3(图 3)。其中，第一口生产井遇到了出砂问题，并因此中断了产气作业，第二口生产井未遇到该问题。初步分析结果表明第一口生产井出砂的原因可能是由于安装于井底的逆止阀因井中突然降压而被破坏，从而使砂从此处进入井底[67, 68]。
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图 2 日本第一口生产井的压力、产气率、产水率变化情况(据文献[68])Figure 2. Changes in pressure, gas production rate and water production rate of the first production well in Japan![]()
图 3 日本第二口生产井的压力、产气率、产水率变化情况(据文献[68])Figure 3. Changes in pressure, gas production rate and water production rate of the second production well in Japan2.4 中国
2011年9月至10月和2016年10月至11月，中国地质调查局在祁连山木里地区实施了2次陆域水合物试采，第一次陆域试采的累计产气时长为101h，累计产气量为95m3，第二次陆域试采的累计产气时长为23天，累计产气量为1078.4m3。其中，第二次陆域试采是世界上首次利用水平对接井技术开采水合物[69]。
2017年3月底至7月底，由中国地质调查局在南海神狐海域组织实施的我国首次水合物试采工程获得成功，取得了持续产气时间最长、产气总量最大、气流稳定、环境安全等多项重大突破性成果，创造了产气时长和总量的世界纪录。在2017年5月10日至7月9日为期60天的产气试验过程中，累计产气量达30.9万m3，平均日产气量5151m3，产出甲烷气体的浓度超过99.5%[70]。
3. 结论与建议
经过30余年近20次专门针对海洋天然气水合物的钻探航次的不懈努力，在不同的海洋地质环境中钻获了以不同形式赋存的水合物实物样品，如呈层状、块状、结核状、脉状、分散状等的裂隙充填型或孔隙充填型水合物，研发、验证和改进了用于表征含水合物沉积层特性的电缆和随钻测井、常压和保压取心及岩心处理与物理和化学分析等技术装备，为深入认识由地震等地球物理调查圈定的含水合物沉积层的特征以及准确评价其资源潜力提供了可靠数据，极大促进了对不同地质环境下含水合物沉积层的形成演化机理(如甲烷气体的来源、运移和聚集路径、水合物的形成等)的研究，为今后的水合物试采和产业化开发利用提供了候选场地或优选有利区。需要指出的是，尽管我国已实施了4次水合物钻探航次，但所使用的调查船及测井、取心关键技术装备等均来自国外企业。
尽管加拿大、美国、日本和中国已经在陆地冻土带和海洋开展了多次水合物试采工作，在科学理论、技术装备、工程建设、环境影响评价等多个方面积累了一定的经验，但截至目前由我国实施的最长一次试采作业也仅持续了60天，且日最高产气量不超过3.5万m3，这与实现对含水合物储层长期、安全、稳定和高效的产业化开发利用目标仍存在不小的差距，在钻完井、井口/井筒稳定性、气水分离、防砂、流动保障、模拟、储层及环境监测等方面均需要提高技术方法和装备的成熟度和可靠性。
尽管中国在水合物研发上起步较晚，但在海域水合物勘查与试采方面已经取得了较为丰硕的成果，在水合物试采的部分相关领域实现了全球领跑[71-73]。为了推进我国水合物的产业化进程，建议在强大的国家财力支持下，充分利用中央部门、地方政府、石油天然气企业、海洋工程装备企业、以及高校和科研院所等学术机构的优势，在加强科学理论研究的基础上，重视地震、测井、保压取心及岩心处理分析等相关技术方法和装备的研发、验证和改进，形成拥有自主知识产权的水合物资源勘查技术装备体系；进一步推进水合物试采技术示范工作，研发、验证和改进可长期、安全、稳定和高效地从含水合物储层中产气的技术方法和装备，形成具有经济和环境效益的水合物资源开采技术装备体系。
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图 1 全球主要天然气水合物钻探与试采活动分布示意图
Figure 1. Schematic diagram of the distribution of major natural gas hydrate drilling and production test activities in the world
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图 2 日本第一口生产井的压力、产气率、产水率变化情况(据文献[68])
Figure 2. Changes in pressure, gas production rate and water production rate of the first production well in Japan
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图 3 日本第二口生产井的压力、产气率、产水率变化情况(据文献[68])
Figure 3. Changes in pressure, gas production rate and water production rate of the second production well in Japan
表 1 全球主要天然气水合物钻探活动(按时间顺序排列)
Table 1 Major gas hydrate drilling activities in the world (in chronological order)
航次名称 时间 调查区域 调查平台 主要储层类型 水合物类型 ODP 164 1995年 美国Blake海台 “JOIDES Resolution”号科学钻探船 富黏土/泥质 孔隙充填/结核状、块状 MITI 1999年 日本南海海槽 “M. G. Hulme Jr.”号半潜式钻井平台 砂质 孔隙充填 ODP 204 2002年 美国Hydrate海脊南部 “JOIDES Resolution”号科学钻探船 泥质 层状、结核状、脉状 METI 2004年 日本南海海槽 “JOIDES Resolution”号科学钻探船 粗粒砂质/泥质 裂隙充填、孔隙充填/结核状 JIP-I 2005年 美国墨西哥湾 “Uncle John”号半潜式平台 细粒砂质 裂隙充填 IODP 311 2005年 美国Hydrate海脊北部 “JOIDES Resolution”号科学钻探船 粗粒砂质 层状、结核状、脉状 NGHP-01 2006年 印度大陆边缘及安达曼群岛附近海域 “JOIDES Resolution”号科学钻探船 泥质/砂质 裂隙充填、孔隙充填/块状、脉状、透镜状 GMGS1 2007年 中国南海神狐海域 “Bavenit”号钻探船 细粒黏土 分散状 UBGH1 2007年 韩国郁龙盆地 “Rem Etive”号多用途调查船 泥质/砂质 裂隙充填、孔隙充填/层状、分散状、脉状 JIP-II 2009年 美国墨西哥湾 Helix Q4000半潜式钻井平台 富黏土/砂质 裂隙充填 UBGH2 2010年 韩国郁龙盆地 “Synergy”号钻探船 泥质/砂质 裂隙充填、孔隙充填/结核状、浸染状 MH21 2012年 日本南海海槽 “CHIKYU”号深水钻探船 砂质 裂隙充填、孔隙充填/层状、分散状、脉状 GMGS2 2013年 中国南海珠江口盆地东部海域 “Rem Etive”号多用途调查船 粉砂质黏土 裂隙充填/层状、块状、脉状、结核状、分散状 GMGS3 2015年 中国南海神狐海域 “Voyager”号钻探船 黏土质粉砂/粉砂质黏土 孔隙充填/首次发现该区存在结构II型天然气水合物 NGHP-02 2015年 印度大陆边缘及安达曼群岛附近海域 “CHIKYU”号深水钻探船 粗粒砂质 裂隙充填、孔隙充填/块状、脉状、透镜状 GMGS4 2016年 中国南海神狐海域/西沙海槽 “Voyager”号钻探船 黏土质粉砂/粉砂质黏土 进一步证实了GMGS3航次的发现 GOM2-1 2017年 美国墨西哥湾北部 Helix Q4000半潜式钻井平台 砂质 裂隙充填 IODP 372 2017年 新西兰Hikurangi大陆边缘 “JOIDES Resolution”号科学钻探船 — — 注：“—”表示无资料。 
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表 2 全球天然气水合物试采情况对比(据文献[55]中表 1修改)
Table 2 Comparison of natural gas hydrate production tests in the world (modified according to Table 1 in reference [55])
加拿大 美国 日本 中国 首次 第二次 第三次 首次 首次 第二次 首次 第二次 首次 陆域试采 陆域试采 陆域试采 陆域试采 海域试采 海域试采 陆域试采 陆域试采 海域试采 时间 2002年 2007年 2008年 2012年 2013年 2017年 2011年 2016年 2017年 作业区域 麦肯齐 麦肯齐 麦肯齐 阿拉斯加 第二渥美 第二渥美 祁连山 祁连山 南海神狐 三角洲 三角洲 三角洲 北坡 海丘 海丘 木里地区 木里地区 海域 作业水深 — — — — 约1000m 约1000m — — 1266m 储层深度 地表以下 地表以下 地表以下 地表以下 海底以下 海底以下 地表以下 地表以下 海底以下 约900m 约1100m 约1100m 约700m 约300m 约350m 146~305m 340~350m 203~277m 储层条件 砂质 砂质 砂质 砂质 砂质 砂质 粉砂质/砂质/泥质 粉砂质/砂质/泥质 泥质粉砂 开采方法 热流体
循环法降压法 降压法 二氧化碳-甲烷
置换法+降压法降压法 降压法 降压法+热激法 降压法 地层流体抽取法 产气持续时间 125h 12.5h 6d 30d 6d 12d** 24d*** 101h 23d 60d 累计产气量 516m3* 830m3 1.3万m3 2.4万m3 11.9万m3 4.1万m3 22.3万m3 95m3 1078.4m3 30.9万m3 平均日产气量 94m3 1600m3 2200m3 800m3 2万m3 3400m3 9270m3 22.62m3 46.89m3 5151 m3 日最高产气量 350m3 2000m3 4000m3 5000m3 约2.5万m3 约0.5万m3 约1.5万m3 — 136.55m3 3.5万m3 停产原因 — 出砂 出砂 — 出砂 出砂 主动关井 — — 主动关井 注：*其中468m3气体是试采过程中产出的，48m3气体是压井作业过程中产出的；**日本第二次海域试采的第一口生产井；***日本第二次海域试采的第二口生产井。“—”表示无资料。
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