水射流破碎联合CO

摘要

本文对目前开采天然气水合物的5种方法进行了归纳总结，重点分析了CO₂置换开采以及固体开采法，并通过分析这2种开采方法的优劣势，提出了水射流冲蚀、破碎海洋天然气水合物储层联合CO₂置换开采天然气水合物的新思路。水射流冲蚀、破坏水合物储层后形成的采空区能为CO₂提供更好的储藏空间并提高其与储层的作用面积，提高置换效率；封存的CO₂水合物也可以提高水合物储层的稳定性，具有良好的互补效应。实验结果表明，在整个置换过程中，含采空区储层CH₄置换率为24.3%，CO₂封存率为22.1%；完整储层CH₄置换率为15.3%，CO₂封存率为20.9%，置换率提升约59%，封存率提升约5.7%。采空区的作用主要体现在提升水合物置换介质的注入量上。

关键词

天然气水合物; 水射流破碎; CO₂/N₂置换; 联合开采工艺; CO₂封存

0 引言

为保障能源安全与保持经济可持续发展，促进能源独立，国家正在不断推进能源转型发展与能源革命，大力开发绿色低碳的新型能源^［1］。天然气水合物作为一种开发潜力巨大的新型清洁能源，受到我国高度重视。

天然气水合物是在一定条件下（通常为高压低温环境）由轻烃、二氧化碳及硫化氢等小分子气体（自然界中以CH₄为主）与水相互作用形成的白色固态结晶物质^［2-3］。表面看起来普遍为白色似冰雪状，能够点燃，因此俗称“可燃冰”。在自然界中，天然气水合物主要生长在泥质沉积物与砂质沉积物的孔隙或者裂隙之中且水合物赋存形态多样^［4-5］。海洋环境中大部分脉状、块状水合物和细粒沉积物中的水合物都属于非成岩水合物，一般没有像常规油气藏和砂岩水合物储层那样的稳定圈闭构造，没有岩石构架作为储层骨架，水合物本身即为储层骨架，储层不稳定，水合物层受到外界影响容易分解，储层易垮塌溃散且水合物分解难以控制。

目前的天然气水合物开采技术手段主要有5种：降压、热激、注化学试剂、固体开采与CO₂置换。降压、热激与注化学试剂是传统的开采思路，就原理而言，前3种方法都是通过井孔对地下原位天然气水合物施加外部干扰，破坏其相平衡从而达到产气的目的。固体开采法具有开采效率高等特点，但会在储层产生采空区，需要进行回填土，经济成本大；CO₂开采具有环保、保持储层稳定等特点，但开采效率低是目前亟须解决的问题。水合物在储层中的大范围分解有引发工程地质灾害（地层失稳、坍塌与滑坡）与环境问题（温室效应）的潜在风险，特别是针对海洋水合物储层，其具有的非成岩、力学性能差的特点无疑提高了水合物开发风险。

针对上述不足与问题，本文提出水射流冲蚀、破碎海洋天然气水合物储层形成采空区后注入纯CO₂流体或CO₂/N₂进行置换的联合开采方法，这能够为置换介质提供良好的贮藏空间并提高其与储层的作用面积，在进行后续开采的同时能够地质封存CO₂甚至提高水合物储层稳定性，具有良好的互补效应。

1 天然气水合物开采方法分析

目前已有的开采方法在原理上可以分为3大类：第一类是相平衡“破坏”法，通过外部环境的手段，改变原位储层的温压条件使天然气水合物分解（如图1所示），该类包括降压、热激与注化学试剂等；第二类是基于分子置换的原理，常见的是CO₂、CO₂/N₂与CH₄水合物的置换，也属于原位开采范畴；第三类是固体开采法，它是通过力学手段把天然气水合物储层破碎成流态化颗粒，随后矿浆被管式输送到开采平台进行气体收集^［6］。相较而言，第一类开采方法在工程中的长期应用会导致原位天然气水合物大范围分解，有引发工程地质灾害（地层失稳、坍塌与滑坡）与环境问题（温室效应）的潜在风险^［7］，后两类开采方法能够避免这些问题，保持地层稳定性^［8］。下面对这些方法进行介绍与分析。

图1 相平衡“破坏”法原理示意

1.1 单一开采法

表1对目前已有的5种开采方法的原理及工艺进行了介绍。

表1 天然气水合物开采方法及部分开采工艺

方法	原理	工艺
降压法	降低井底压力，使井底压力低于天然气水合 物相平衡压力	恒流法、恒压法，水合物储层改造、长周期循环降压生产等方式
热激法	提高储层温度，破坏水合物天然气水合物相 平衡而使其迅速分解达到产气目的	单井热水循环法[8]、井底直接加热法[9]、原位燃烧法[10]、单井热 流体吞吐法[11]、多井注热生产法[12]、地热能利用法[13]
注化学试剂法	通过向生产井注入抑制剂，提高相平衡温压 条件，使原温压处于相平衡曲线以下	主要可分为醇类（甲醇、乙醇与乙二醇等）和盐类抑制剂（KCl、 NaCl与CaCl2等），其中乙二醇与NaCl研究得最为广泛[14-16]
固体开采法	通过力学手段把含水合物沉积物破碎成细 小的矿物颗粒，然后将混有水合物颗粒的 浆液输送到地面或者海平面实现分解产气	水力提升法[17]、天然气水合物气体提升法[18]、浅层天然气水合 物的水力输送[19]、海底浅层天然气水合物绞吸式开采[20]、机 械-热联合开采[21]、水射流开采[22]、固态流化开采[23]
CO2置换法	通过井筒向天然气水合物储层注入CO2，将 填充在水合物水分子笼中的CH4分子置换 出来而实现水合物开采的方法	CO2置换法开采方式主要有两种。第一种是单井注入[24]，第二 种是双井联合开采[25]

1.2 联合开采法

鉴于我国南海非成岩沉积物储层不稳定的特点，单独采用加热、降压等开采方法适用性很差，众多学者提出了多种联合开采思路来弥补单一开采方案的局限性。

（1）降压联合注热法：由于水合物的分解是吸热反应，大范围的分解会造成储层温度降低，造成水合物无法继续分解；水合物分解过程中还会产生大量的自由水，造成水合物的二次合成，会堵塞渗透路径，影响长期开采效率；且如果降压过快，会造成出砂甚至强度破坏等海底事故。所以单一使用降压方法开采水合物具有一定的局限性。因此可以通过降压联合注热的方法弥补降压开采的上述问题以及单纯注热能量效率利用过低的劣势。Song Y等^［26］通过降压、双循环温水注入2种方法联合提高了开采水合物过程中的能量效率、产气速率等重要参数。

（2）CO₂置换辅助降压法：Gupta A等^［27］与2014年提出将相邻双井中分别采用降压法和CO₂置换法开采天然气水合物，可充分利用2种方法的优势并弥补其单独使用时的局限性。

（3）抑制剂-置换法：由于单独使用CO₂置换法开采天然气水合物效率过低、开采速率过慢，Khlebnikov V N等^［28］进行了注热力学抑制剂法和CO₂置换法联合开采甲烷水合物的实验研究。结果表明，当CO₂和15%的甲醇溶液同时注入地层时，CH₄水合物的分解和CO₂水合物的生成同时进行，开采CH₄和封存CO₂的效果最好。

2 水射流破碎联合CO₂置换开采天然气水合物方案

我国天然气水合物储层还是典型的非成岩地层，具有埋深浅、弱胶结与渗透性差的特点。水合物胶结作用形成整体，水合物本身就是地层骨架。相比于成岩水合物，采用降压法、热激法与注化学试剂法对其进行开发面临更大的潜在风险。CO₂置换法也存在局限性，相较于其他水合物开采方法（降压、热激、注化学试剂与水射流开采），注入的CO₂对水合物储层作用缓慢，CO₂需要与水合物接触后才能置换出天然气，因此，改善水合物储层渗透性与增大CO₂与水合物接触面积能够有效提高置换开采效率。水射流冲蚀、破碎水合物储层是一个快速的过程，当被破碎的含水合物沉积物矿浆输送到开采平台后会在储层形成一个采空区（如图2所示），根据钻采井的布置方向，采空区可分为垂直采空区与水平采空区。

图2 水射流开采法在天然气水合物储层形成采空区示意

笔者提出将水射流开采与CO₂置换联合起来的海洋天然气水合物开采思路，先进行水射流冲蚀、破碎，在水合物储层形成采空区后向内注入纯CO₂流体或CO₂/N₂进行后续开采（如图3所示），具体开采工艺如下：

图3 水射流破碎联合CO₂置换开采天然气水合物工艺示意

（1）首先通过定向钻进技术钻进至水合物储层，到达预定位置后将隔水管和封隔器下至井内，再下入连续油管及水射流破碎装置，完井后下入流量计和温压传感器等检测辅助仪器，通过地面检测系统实时采集和处理井下数据。

（2）使用水射流装置将高压水喷射至周围水合物储层，通过巨大的冲击作用进行切割和破碎，在孔底形成固液两相的混合物；高压射流会在孔底产生射流割缝，促进水进入储层。

（3）通过循环将破碎后的混合物上返至地面钻井平台，在井底形成水射流破碎采空区，如图3（a）所示。

（4）之后向采空区注入高压液态CO₂，由于水合物储层非成岩的性质，高压的CO₂会侵入采空区的射流割缝，帮助裂缝扩展，如图3（b）所示。割缝会增强CO₂的扩散作用，加强置换效果。注入的CO₂至预定压力后，闷井一段时间后，通过井筒抽取CO₂/CH₄混合气体，采用气举反循环将混合气体运移至开采平台，分离出CH₄，然后将剩余的CO₂重新注入采空区。当水合物基本开采完毕，注入的CO₂将永久封存到采空区锁定的储层中，和储层中的水相互形成CO₂水合物稳定储层。

在海洋天然气水合物储层形成水射流采空区后再注入纯CO₂流体进行置换开采与地质封存，可以较好地弥补这两种开采方法的局限性，充分发挥各自的优势：

（1）水射流采空区可以增大置换介质与水合物地层的接触面积，即增大了其与采空区周围含水合物沉积物的作用面积，改善了向储层的渗透，有利于产出天然气。

（2）水射流冲蚀、破碎后会在含水合物沉积物内部产生一定数量裂缝，这一定程度上能够改善水合物储层中的渗透性与流动环境（改善井底渗流空间），有助于置换介质向储层深部渗透，进而提高置换开采与地质封存效率。

（3）采空区本身就是一个巨大海底空间，能够为CO₂的地质封存提供有利的贮藏条件。

（4）采空区内的CO₂接触到水合物后进行置换反应是放热反应，能够自发进行，不需要额外的能量输入，这能够简化置换开采/地质封存工艺。

（5）射流冲蚀破碎含水合物沉积物后无疑会给缺少自由水的水合物储层起到补水作用，有助于水射流采空区置换介质和周围沉积物中孔隙水相互作用形成CO₂水合物，水合物的胶结作用将增强采空区周围含水合物沉积物的力学稳定性。

3 含采空区储层CH₄水合物置换开采试验

本试验主要以CH₄置换率与CO₂封存率为评价指标，分析水射流采空区影响下的CH₄产出与CO₂封存动力学规律。在我国海洋水合物储层实际温压条件下，纯CO₂是以液态形式存在，但CH₄水合物合成后向反应釜注入液态CO₂是一个缓慢的过程，反应釜的加工材料为316L不锈钢，内径为6 cm，高为20 cm，有效容积509 mL。试验过程包括砂质沉积物（200~400目石英砂）制备、填充反应釜（预制采空区）、连接管路注CH₄并合成水合物、注入置换气体、过程中气袋取样、利用气相色谱仪分析置换过程中气体组分、试验结果分析。预试验结果发现，由于模拟的水合物储层尺寸有限，该过程会影响试验效果。因此，为凸显水射流采空区的影响，选择CO₂/N₂（摩尔比例为20/80）混合气作为本试验研究中的置换介质。试验参数设计如表2所示。

表2 含水射流采空区储层CO₂/N₂置换开采CH₄水合物试验方案设计

试验序号	有无采空区	置换温度/K	置换压力/MPa	孔隙度/%	水合物饱和度/%	水饱和度/%
1	无	274.2	10.2	50	45	5
2	有	274.2	10.3	50	45	5

图4 所示为体系中CH₄置换率随时间变化的过程。对于含采空区储层，在3 h与置换反应结束后的CH₄置换率分别为5.1%与24.3%；而对于完整储层，在3 h与置换反应结束的CH₄置换率分别为1.81%与15.3%。对于含采空区储层，采空区的存在扩大了CO₂/N₂与储层的接触面积，一定程度上能够提高其在水合物储层中的扩散程度，表现为置换反应前期含采空区储层CH₄置换率明显高于完整储层；另一方面，该体系的完整储层与含采空区储层中CO₂/N₂-CH₄水合物摩尔比率分别为2.73与3.33，相对高的CO₂/N₂含量能够保持更大的置换驱动力，对CH₄置换率增长更有利。

图4 体系中CH₄置换率的变化

图5为体系中CO₂封存率随时间变化的过程。对于含采空区储层，在3 h与置换反应结束后的CO₂封存率分别为12.4%与22.1%；而对于完整储层，在3 h与置换反应结束的CO₂封存率分别为10.2%与20.9%。在置换反应前期，含采空区储层中CO₂/N₂扩散程度大于完整储层，导致其发生的置换反应面积大于后者，更有利于CO₂封存，但在随着置换的进行，置换介质逐渐渗透到储层各处，完整储层的置换反应面积会大于含采空区储层，因为完整储层中CH₄水合物总量更大，此时其对碳封存效果更好，即使含采空区储层的置换反应程度高于前者（含采空区储层的CH₄置换率都高于完整储层可反映出来），因此，置换反应后期两者的CO₂封存率差距较小。

图5 体系中CO₂封存率的变化

4 结论

（1）归纳总结了目前天然气水合物开采的5种主要形式：降压法、热激法、注化学试剂法、CO₂置换法和固体开采法。

（2）提出将水射流开采与CO₂置换联合起来的海洋天然气水合物开采思路，先进行水射流冲蚀、破碎，在水合物储层形成采空区后向内注入纯CO₂流体进行后续开采。

（3）分析了联合开采的优势，即有利于更高效的产气，提高CO₂地质封存效率，增强水合物沉积物层的力学稳定性。

（4）在体系中，采空区的存在对前期的CH₄产出影响不大，但可明显改善置换后期的CH₄产出程度，提升率约59%。且可略微提升置换结束后的CO₂封存率，含采空区的存在可提升约5.7%的CO₂封存率。相比于完整储层，采空区能够为CO₂/N₂提供额外贮藏空间且可以增强CO₂/N₂的扩散作用。