左汝強(qiáng)， 李 藝

(1.國土資源部，北京 100812； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 3.《探礦工程(巖土鉆掘工程)》編輯部，北京 100037)

加拿大Mallik陸域永凍帶天然氣水合物成功試采回顧

左汝強(qiáng)1， 李 藝2，3

(1.國土資源部，北京 100812； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 3.《探礦工程(巖土鉆掘工程)》編輯部，北京 100037)

1998年由加拿大地質(zhì)調(diào)查局和日本國家石油公司領(lǐng)導(dǎo)，在加拿大麥肯齊三角洲永凍帶實(shí)施的Mallik 2L-38水合物研究井的項(xiàng)目是成功的。但是，由于氣候變暖和機(jī)械故障,水合物試采目標(biāo)未能完成。加拿大地質(zhì)調(diào)查局和日本國家石油公司與其它8個國際合作機(jī)構(gòu)于2002年回到Mallik,鉆進(jìn)了3L-38和4L-38兩口觀測井，以及5L-38生產(chǎn)試驗(yàn)井。在5L-38井中采取了水合物巖心(采取率90%)并進(jìn)行物探測井等研究，實(shí)施了2次短時生產(chǎn)試驗(yàn)——運(yùn)用MDT的降壓法與熱注入法的試驗(yàn)。運(yùn)用熱沖洗液循環(huán)的熱注入法獲得了470 m3的氣體產(chǎn)量。此后， 2007—2008年又重返于1998年鉆成的2L-38井，對其進(jìn)行加深、擴(kuò)孔、下套管等，用于實(shí)施水合物試采。2007年，在此試驗(yàn)井內(nèi)儲層射孔井段安置潛水泵，抽水降低水位以減小儲層壓力，在12.5 h的降壓試驗(yàn)期間產(chǎn)生830 m3的氣體。試驗(yàn)證明，即使在如此短的時間內(nèi)，降壓法也是有效的。2008年在2L-38井6.8 d(139 h)的長時間試采過程中，持續(xù)產(chǎn)氣2000～4000 m3/d，總共產(chǎn)量達(dá)13000 m3。此次試采數(shù)據(jù)表明，降壓法對于水合物生產(chǎn)是一種正確可取的方法。2008年加拿大Mallik天然氣水物試采項(xiàng)目的成功，是世界水合物研究和開發(fā)史上的一座里程碑。

永凍帶；天然氣水合物；甲烷；水合物試采；熱注入法；降壓法；總產(chǎn)氣量

0 引言

天然氣水合物(NGH，Natural Gas Hydrates)是一種高效清潔能源，其燃燒產(chǎn)生的能量比同等條件下煤、石油、天然氣產(chǎn)生的多，污染卻比這些常規(guī)燃料要小得多。天然氣水合物資源豐富，據(jù)估算，世界天然氣水合物總量相當(dāng)于全球已探明煤、石油、天然氣等常規(guī)(化石)能源總量的2倍。由于天然氣水合物具有能量密度高、分布廣、規(guī)模大、埋藏淺、成藏物化條件優(yōu)越，且產(chǎn)出的天然氣能滿足能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和效率需要等特點(diǎn)，是未來較理想的替代能源，具有重要的戰(zhàn)略意義和巨大的經(jīng)濟(jì)價值，正受到各國政府和科學(xué)家的重視。

然而，由于其特殊的性質(zhì)，天然氣水合物是油氣資源中開采技術(shù)難度最大、投資成本最高、收益最低的一種，海域水合物開采更具有巨大的資金和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，是世界級難題。因此，世界上許多發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家都將水合物的研究和開發(fā)利用列入國家重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略，并投入巨資進(jìn)行資源調(diào)查和開采技術(shù)研究。目前，世界上已調(diào)查發(fā)現(xiàn)并圈定有天然氣水合物的地區(qū)分布情況見圖1[1]。

圖1世界上已發(fā)現(xiàn)和推測的天然氣水合物分布示意圖(據(jù)Makogon， 2010， 2017年筆者補(bǔ)充)

世界上首次試采天然氣水合物的國家是前蘇聯(lián)。1970年代，蘇聯(lián)在西伯利亞麥索雅哈(Messoyakha)運(yùn)用降壓法和抑制劑注入法試采水合物。之后，加拿大、美國、日本也先后實(shí)施了天然氣水合物的鉆采工程試驗(yàn)，并取得了重要進(jìn)展。2017年5—7月，我國在南海神狐海域天然氣水合物試采取得圓滿成功，連續(xù)試采60 d，累計(jì)產(chǎn)氣30.9萬m3,此次試采獲得了持續(xù)產(chǎn)氣時間最長、產(chǎn)氣總量最大、氣流穩(wěn)定、環(huán)境安全等多項(xiàng)重大突破性成果，創(chuàng)造了產(chǎn)氣時間和總量的世界紀(jì)錄，使我國海域天然氣水合物的試采技術(shù)水平目前處于世界領(lǐng)先水平。這一歷史性的突破，使社會各界對天然氣水合物開采的關(guān)注度提到了前所未有的高度，人們對這種新能源的早日商業(yè)化開發(fā)寄予了希望。

本文將重點(diǎn)對加拿大Mallik永凍帶天然氣水合物的試采工程進(jìn)行回顧，可供有關(guān)人員今后工作的參考。

1 前蘇聯(lián)西伯利亞麥索雅哈(Messoyakha)氣田天然氣水合物的開采[2]

蘇聯(lián)也是研究天然氣水合物最早的國家。早在20世紀(jì)30年代，在極度寒冷的西伯利亞的油氣管道中發(fā)現(xiàn)因低溫導(dǎo)致天然氣與水結(jié)合形成的水合物，堵塞了油氣管道(參見圖2)。為此，蘇聯(lián)科學(xué)家為疏通管道，使之暢通，開始對水合物的結(jié)構(gòu)和形成條件開展了研究，并逐步實(shí)施調(diào)查評價。

圖2 天然氣水合物堵塞了油氣管道

麥索雅哈的天然氣水合物藏發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)60年代末，是在對其下方的一個天然氣田進(jìn)行開采時無意中發(fā)現(xiàn)的。該氣田位于前蘇聯(lián)西伯利亞西北部，在這里首次對天然氣水合物藏進(jìn)行商業(yè)性試采。水合物開采方法主要是采用降壓法，后期采用結(jié)合化學(xué)抑制劑(甲醇、氯化鈣等)的方法。

該地區(qū)由于下方常規(guī)天然氣的開采使得下部天然氣水合物的孔隙壓力降低，導(dǎo)致天然氣水合物分解并進(jìn)入氣田，保障了長期持續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)。該氣田1970—2004年水合物藏的開采表現(xiàn)有如下特點(diǎn)(參見圖3)[3]。

圖3 麥索亞哈氣田開發(fā)過程中的產(chǎn)氣量和儲層壓力變化曲線(根據(jù) Makogon et al., 2007修改)

(1)孔隙氣體壓力變化：天然氣水合物藏井位附近的孔隙氣體壓力在采氣初期，氣藏壓力由約8 MPa，經(jīng)過7年左右的時間，降低到約5 MPa，而后的5年時間內(nèi)，又回升到6 MPa左右，直到2004年基本保持恒定；

(2)氣田開采的產(chǎn)氣量在開采初期保持很高的采收率，自1982年以來，雖然產(chǎn)氣量有所變化，但氣田壓力基本保持恒定，主要是由于產(chǎn)氣量與天然氣水合物分解出的天然氣量相持平所致。據(jù)估算，截止到2004年1月1日，麥索雅哈氣田累計(jì)產(chǎn)氣量的50%以上是天然氣水合物分解的產(chǎn)物。

麥索雅哈氣田天然氣水合物藏的發(fā)現(xiàn)與開采，使人們首次認(rèn)識到天然氣水合物可成為一種天然能源，從此拉開了天然氣水合物作為能源研究的序幕。

這是目前世界上首次對天然氣水合物藏實(shí)施開采應(yīng)用的實(shí)例。

2 1998年加拿大Mallik 2L-38井首次水合物鉆探試采工程[4]

1972年加拿大帝國石油公司在麥肯齊(Mackenzei)三角洲鉆了兩口勘探井，在其中之一的Mallik L-38井永凍層下800～1100 m鉆遇了水合物。1982年，繪制了該地區(qū)天然氣水合物分布圖，并匯總了859口油井測井?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)和地溫等數(shù)據(jù)，于1993年制成數(shù)據(jù)庫。

1992年，在其北極圈永凍層的科學(xué)探井中，首次采集到天然氣水合物樣品。1993年，于大洋鉆探計(jì)劃(ODP)146航次中，在溫哥華海域又發(fā)現(xiàn)水合物賦存。至1998年，加拿大開始與日本和美國開展合作，在加拿大水合物聚集的麥肯齊三角洲的Mallik地區(qū)，首次實(shí)施了天然氣水合物的鉆采工程試驗(yàn)。

2.1 Mallik 2L-38井概況

Mallik 2L-38號天然氣水合物試驗(yàn)井位于加拿大西北的麥肯齊三角洲如圖4所示。該井位于1972年所鉆Mallik L-38井北面100 m，距離項(xiàng)目指揮和研究中心依努維克鎮(zhèn)約200 km，沿麥肯齊河建有冰道，便于兩地運(yùn)輸物資器材。

圖4 Mallik井位及冰道路線

2.2 Mallik 2L-38試驗(yàn)井目標(biāo)任務(wù)

(1)對Mallik地區(qū)永凍帶的天然氣水合物進(jìn)行深入的地質(zhì)調(diào)查和評價，并對天然氣水合物作首次開采試驗(yàn)。

(2)針對日本于1999年對其南海海槽進(jìn)行的水合物開采試驗(yàn)作準(zhǔn)備。預(yù)先對其PTCS保溫保壓取樣鉆具、KCl低溫泥漿、水合物分析測試技術(shù)等進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證和評價。

2.3 項(xiàng)目實(shí)施國家與機(jī)構(gòu)

Mallik 2L-38井水合物鉆探試采項(xiàng)目主要由日本、加拿大的三個機(jī)構(gòu)聯(lián)合實(shí)施：加拿大地質(zhì)調(diào)查局 (GSC，負(fù)責(zé)科學(xué)研究)、日本國家石油公司(JNOC)、日本石油資源開發(fā)公司加拿大勘探公司 (JAPEX，負(fù)責(zé)鉆采工程施工)。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)也參加了該項(xiàng)目。

2.4 Mallik 2L-38井鉆探施工作業(yè)概要

Mallik 2L-38井井身結(jié)構(gòu)如圖5所示。采用Shehtah公司的Rig 7E型鉆機(jī)施工，鉆探施工現(xiàn)場布置如圖6所示。

圖5 Mallik 2L-38井井身結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 Mallik 2L-38井鉆場平面布置示意圖

1998年2月16日開鉆，3月22日鉆至1150 m深度終孔，3月28日施工任務(wù)完成，歷時39天。

在從地表到687 m的孔段當(dāng)中，0～640 m永凍層范圍內(nèi)共進(jìn)行了8個取心回次。在孔深鉆到687 m之后，下入外徑為340 mm的技術(shù)套管，然后將主孔鉆進(jìn)到1150 m終孔，期間共取心16次。24個取心回次的取心效果及所用取心鉆具等見表1。鉆探施工中采用經(jīng)過冷卻處理的KCl聚合物泥漿和商標(biāo)名為Drilltreat的泥漿添加劑，成功地抑制住了巖心內(nèi)天然氣水合物的分解和巖粉沉淀的產(chǎn)生。鉆進(jìn)施工中沒有發(fā)生嚴(yán)重的孔內(nèi)事故或其他鉆進(jìn)事故。不過，由于天氣提前變暖以及鉆機(jī)陳舊和起重機(jī)機(jī)械故障造成了延期，使得原計(jì)劃的水合物試采被迫取消。在主孔的取心還算成功，使得4種不同的取心鉆具都得以評價和驗(yàn)證。從896～952 m孔段的不同沉積層中取出了含有天然氣水合物的巖心(圖7)。

由日本石油公司開發(fā)技術(shù)中心委托美國Aumann & Associates公司設(shè)計(jì)和制造的PTCS保溫保壓取樣器首次在Mallik 2L-38井的鉆探施工中試用，該鉆具采用單動雙管繩索取心和回收式取心方法。PTCS取心器的基本結(jié)構(gòu)如圖8所示[5]。第一次下井鉆進(jìn)從886～889 m，采取水合物巖樣1.05 m；第二次鉆進(jìn)從889～890 m，采取巖樣0.1 m。兩次水合物取樣均因取樣器球閥未能關(guān)閉，沒有獲得保壓的樣品。

PTCS保溫保壓取樣器在此次試驗(yàn)中效果并不令人滿意。后于1998年12月又在日本柏崎試驗(yàn)場作了驗(yàn)證試驗(yàn)，在井深207～219 m井段進(jìn)行了4次取心鉆進(jìn)，成功率稍有提高，但仍未達(dá)到預(yù)期效果。

2.5 Mallik 2L-38井鉆采工程項(xiàng)目評價

(1)日本能源奇缺，油氣主要依靠進(jìn)口。而其周圍海域卻富藏水合物，但海域開發(fā)難度很大，風(fēng)險(xiǎn)極高，宜采取“先陸后?！痹嚥刹呗浴Ｈ欢鋰鴥?nèi)又無永凍層水合物，只能借助外國條件。

加拿大不缺油氣資源，還向美國出口大量油砂等。其北部陸地與北冰洋大陸架水合物量大面廣，遲早要開發(fā)；而且其西北高寒地區(qū)的社會和居民所需取暖與照明燃料還是當(dāng)?shù)亟鉀Q為好；針對北極地區(qū)生態(tài)環(huán)境極其脆弱，開發(fā)使用水合物這種清潔能源，也是最佳選擇。日本急于為其1999年南海海槽水合物試采作技術(shù)準(zhǔn)備，欲在加拿大Mallik陸域先行作開采試驗(yàn)，愿提供工程技術(shù)和資金，這對兩國豈不互利雙贏。這次兩國的合作，并延伸到2002和2008年，奠定了陸地水合物兩次成功試采的基礎(chǔ)，提高了國際開發(fā)水合物的熱情和信心。

(2)1998年Mallik鉆采項(xiàng)目雖因氣候變暖和機(jī)械設(shè)備故障未能實(shí)施水合物試采，但仍然取得以下重要成果和收獲。

① 通過鉆探取心和測井，進(jìn)一步搞清地質(zhì)和水合物賦存情況，為以后成功試采打下基礎(chǔ)；

②為日本PTCS保溫保壓取樣器下一步的試驗(yàn)改進(jìn)提供了依據(jù)。此后，日本國家石油、天然氣和金屬公司(JOGMEC)研發(fā)出第二代水合物保溫保壓取樣鉆具——JOGMEC PTCS，性能有所提高，應(yīng)用于南海海槽水合物調(diào)查之中。

③此次鉆探采用的KCl聚合物泥漿體系，在井下能維持1～3℃的低溫，有效地抑制了水合物分解及防止巖粉沉淀，為后來的2002、2008與2013年水合物鉆井試采所借鑒運(yùn)用。

表1 Mallik 2L-38井鉆探取心回次記錄

圖7 Mallik 2L-38井取出的天然氣水合物樣照片[6]

④2008年水合物試采工程是重返此次的 2L-38試驗(yàn)井，對其擴(kuò)孔并延深加以再利用，節(jié)約了大量資金，縮短了施工時間，并減少了環(huán)境污染。

3 2002年初加拿大 Mallik 5L-38井運(yùn)用熱注入法水合物試采成功

3.1 目標(biāo)任務(wù)

通過鉆井實(shí)施水合物試采工程作為主要目標(biāo)，同時開展水合物地質(zhì)、地震、測井、地?zé)?、地球化學(xué)、微生物，以及工程地質(zhì)等研究。

3.2 項(xiàng)目實(shí)施國家與機(jī)構(gòu)[7]

2002年Mallik 5L-38井水合物試采聯(lián)合了更多的國家、機(jī)構(gòu)參與，主要是5個國家的10個國際機(jī)構(gòu)：加拿大地質(zhì)調(diào)查局 (GSC)、日本國家石油公司(JNOC)、日本石油資源開發(fā)公司加拿大勘探有限公司(JAPEX,施工單位)、美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)、美國能源部(US DOE)、德國地學(xué)中心(GFZ)、印度石油部(MOPNG of India)、印度天然氣和氣體管理局、BP-Chevron-Burlington聯(lián)合風(fēng)險(xiǎn)投資集團(tuán)，以及國際大陸鉆探計(jì)劃(ICDP)等。

1—球閥門；2—軸承和彈簧；3—電池和控制電器；4—TEC和控制電路；5—內(nèi)筒；6—球閥；7—球閥座；8—上部密封；9——密封短節(jié)；10—壓力控制系統(tǒng)和蓄能器；11—磁性開關(guān)；12——磁性短節(jié)；13—內(nèi)筒閂

圖8日本PTCS保溫保壓取樣器結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 Mallik 5L-38井水合物試采工程的鉆探、取心、測井與樣品分析測試[8]

2002年加拿大Mallik水合物試采工程共布設(shè)了三口井，其井身結(jié)構(gòu)及布置如圖9所示。其中左、右兩側(cè)分別為3L-38和4L-38觀測井，主要用于進(jìn)行綜合科學(xué)計(jì)劃、井間層析X光射線成像測井研究、分布式溫度測量(DTS)、監(jiān)視生產(chǎn)試驗(yàn)；中間為5L-38生產(chǎn)試驗(yàn)井，主要用于實(shí)施綜合科學(xué)計(jì)劃、取心、測井和天然氣水合物生產(chǎn)試驗(yàn)。水合物儲層由以砂巖為主的序列夾雜少量粉砂巖的互層組成。水合物的濃度為50%～90%。

圖9 2002年加拿大Mallik水合物試采工程鉆孔布置及井身結(jié)構(gòu)

從2001年12月25日—2002年3月14月，按3L、4L、5L-38井順序鉆進(jìn)完畢。觀測井3L-38井未鉆及水合物層，井深1147 m；4L-38井穿過水合物，井深1162.7 m。兩口觀測井中間的5L-38井為生產(chǎn)試驗(yàn)井，井深為1113.7 m。

此項(xiàng)目所用鉆機(jī)為AKITA/ Equtak鉆井公司的15型鉆機(jī)。配備了防凍保護(hù)措施，鉆深能力2000 m，配置雙立根伸縮鉆塔(圖10)[9]。在此次項(xiàng)目施工的79天內(nèi)，平均氣溫為-28 ℃，2月初最低氣溫達(dá)-45 ℃。

圖10 Mallik 5L-38生產(chǎn)試驗(yàn)井現(xiàn)場

Mallik 5L-38井從水合物頂層885 m處開始取心鉆進(jìn)，在水合物層段實(shí)施連續(xù)取心，在7 d時間中鉆至1151 m，共取心48回次。全井段巖心采取率為73.5%，水合物層段巖心采取率>90%。采用了Corion公司的快速繩索取心系統(tǒng)，運(yùn)用6in取心鉆頭。

從鉆孔中取出的水合物樣品保存在液氮或壓力容器中，運(yùn)送到依努維克研究中心進(jìn)行樣品分析測試。進(jìn)行了孔隙度、滲透性、熱傳導(dǎo)性、磁化系數(shù)、自然γ射線和聲波等物理性質(zhì)測量，以及化學(xué)、微生物等方面的分析研究。見圖11。

圖11 Mallik 5L-38生產(chǎn)試驗(yàn)井采取的巖心及整理處置

圖12展示了從Mallik 5L-38井取得的含水合物砂巖巖心的薄片[10]。由右圖可見甲烷的來源與孔隙水流動密切相關(guān)，以及甲烷的聚集與水合物的生成。

在試采前、后對鉆孔進(jìn)行裸眼有線測井，生產(chǎn)井在鉆進(jìn)過程中進(jìn)行隨鉆測井(LWD)。隨鉆測井可以測取到水合物的飽和度、電阻率、密度、伽馬射線等8項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。

3.4 Mallik 5L-38井運(yùn)用熱注入法對水合物成功試采并進(jìn)行局部降壓試驗(yàn)

圖12 Mallik 5L-38井含天然氣水合物砂巖的薄片

3.4.1 天然氣水合物開采的理論基礎(chǔ)

根據(jù)天然氣水合物相平衡圖(圖13)，當(dāng)天然氣水合物溫度較低、壓力較大時處于穩(wěn)定的冰形狀態(tài)(藍(lán)色區(qū)域)；而當(dāng)溫度升高(紅線方向)，或是壓力降低(綠線方向)時，天然氣水合物就會分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄樘烊粴夂退?/p>

圖13 天然氣水合物相平衡圖

據(jù)此，天然氣水合物開采有兩種基本的方法——熱注入法和降壓法，如圖14所示。此外，還有抑制劑注入法和二氧化碳-甲烷置換法等。

3.4.2 運(yùn)用MDT進(jìn)行局部降壓測試[8]

圖14三種天然氣水合物生產(chǎn)方法示意圖(Collett,2002)

在Mallik 5L-38井運(yùn)用組合式地層動態(tài)測試儀(MDT, Modular Formation Dynamic Tester)進(jìn)行局部井段降壓試驗(yàn)(圖15)。該儀器由Schlumberger公司研發(fā)并提供服務(wù)。MDT總長24.44 m，質(zhì)量1180 kg，最大直徑128.6 mm。內(nèi)部安置了流體泵、壓力傳感器、雙阻塞器、流體控制箱、流體取樣器、光流體分析儀與伽馬測量儀等。

圖15 組合式地層動態(tài)測試儀(MDT)

流體泵能夠抽出或泵入地層中的流體，在較小的井段內(nèi)降低或升高地層壓力。壓力傳感器可以迅速感應(yīng)井段內(nèi)的壓力變化，從而對地層壓力作精確監(jiān)測。

運(yùn)用MDT在5L-38生產(chǎn)試驗(yàn)井中的6個富含水合物層段進(jìn)行水合物降壓小型測試。MDT將試驗(yàn)井中每個測試層段0.5 m長度井段隔離封閉起來，對井壁周圍的水合物儲層用泵降壓分解，再收集生成的甲烷氣和水的樣品，并測量壓力、溫度和流速變化。其數(shù)據(jù)由電纜傳送至地面的德國地學(xué)中心(GFZ)的拖車實(shí)驗(yàn)室內(nèi)處理分析。

Mallik 5L-38井運(yùn)用MDT所進(jìn)行的局部井段地層的降壓水合物分解試驗(yàn)，證明天然氣水合物對壓力降低非常敏感，運(yùn)用降壓法開采是可行的。

3.4.3 Mallik 5L-38井運(yùn)用熱注入法天然氣水合物試采成功

2002年3月上旬，在Mallik 5L-38井內(nèi)13 m厚(907～920 m)的含水合物的砂巖層段進(jìn)行了熱注入法開采試驗(yàn)，共124 h(5 d)。熱注入循環(huán)流體為KCl聚合物沖洗液。在開采層段上部搭橋注水泥塞，并對此層段射孔。試采時，熱流體經(jīng)由1in套管泵入試驗(yàn)井內(nèi)(圖16)，在井底加熱射孔層段，再由3和1in兩層套管間的環(huán)空間隙返回地面[8]。流體熱量使層段內(nèi)的水合物從原有的7.7 ℃加熱到52 ℃左右，促使其溶化分解，生產(chǎn)出的甲烷氣體與水隨同循環(huán)液返回地表，再進(jìn)行分離，完成試采流程。

圖16 運(yùn)用熱注入法Mallik 5L-38試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)簡圖

2002年3月5～10日， 5L-38生產(chǎn)試驗(yàn)井運(yùn)用熱注入法試采永凍帶天然氣水合物成功，5天試采期間，產(chǎn)出甲烷天然氣470 m3,平均日產(chǎn)量94 m3。所產(chǎn)氣體在夜空燃燒，發(fā)出明亮的火焰(圖17)[9]。

圖17 Mallik 5L-38井上空燃燒著水合物試采出甲烷天然氣的火焰

Mallik 5L-38井水合物試采成功所運(yùn)用的熱注入法，由加拿大APA咨詢公司(APA, Adams Person Associates, Inc)和日本JAPEX公司共同設(shè)計(jì)，由Northland能源公司實(shí)施完成。圖18為Mallik 5L-38井熱注入法試采測試示意圖及測試結(jié)果[10]。

圖18 Mallik 5L-38試驗(yàn)井在907～920 m層段熱注入法試采測試示意圖及測試結(jié)果(Dallimore和Collett,2005，修改)

對生產(chǎn)試驗(yàn)取得的氣體進(jìn)行分析，結(jié)果表明，儲層中產(chǎn)生的氣體97%～99%為甲烷，其余為少量的乙烷和丙烷。

3.5 Mallik 5L-38井水合物試采的總結(jié)與交流

為慶祝2002年Mallik 5L-38井水合物試采成功，交流鉆探試采情況，總結(jié)科學(xué)成果，以及日本宣布其海域水合物開發(fā)三階段計(jì)劃任務(wù)，于2003年12月8—10日在日本千葉縣(JNOC所在地)召開了“從Mallik到未來”天然氣水合物國際研討會[11]。到會機(jī)構(gòu)有GSC、JNOC、USGS、US DOE、GFZ、ICDP(此次會議協(xié)辦單位)、GAIL/ONGC、BP-Chevron Texaco-Burlington風(fēng)投集團(tuán)等。來自13個國家的科學(xué)家250人(含中國專家7人)參會，30人論文宣讀、45人論文展示[12]。

3.6 2002年Mallik 5L-38井水合物成功試采的評價

(1)2002年加拿大 Mallik 5L-38生產(chǎn)試驗(yàn)井通過 79天的野外艱苦工作，在世界上首次試采水合物獲得巨大的成功。這是水合物研發(fā)歷史的里程碑，為許多國家呈現(xiàn)出開發(fā)利用這種新型、豐富、高效和潔凈能源的新曙光。

(2)這次水合物試采成功，既是繼承借鑒了4年前 2L-38試驗(yàn)井的鉆探經(jīng)驗(yàn) (如KCl泥漿體系、PTCS保壓取樣鉆具等)、又運(yùn)用了若干新技術(shù)，如隨鉆測井(LWD)、組合式地層動態(tài)測試儀(MDT)及巖樣分析新技術(shù)等，保證了各項(xiàng)作業(yè)順利有效進(jìn)行[13]。

雖然工程中出現(xiàn)一些故障，如試驗(yàn)井中鉆頭掉落井底，DTS電纜在修理套管時破損，但這些不足以影響試采工程的圓滿成功。

(3)此次5L-38井采用熱注入法試采水合物，證明這種方法是成功有效的。同時運(yùn)用 MDT在井內(nèi)水合物層段進(jìn)行了降壓試驗(yàn)，在原理和實(shí)踐上證實(shí)了降壓法不僅實(shí)際可行，而且可能更為簡單、經(jīng)濟(jì)。這為2008年在 Mallik試采水合物提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

(4)5L-38井的水合物試采項(xiàng)目采取更為廣泛的國際合作。除前述5國10家國際機(jī)構(gòu)外，還有更多的權(quán)威學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu) (如美國國家實(shí)驗(yàn)室中的新能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室NETL、勞倫斯—伯克利實(shí)驗(yàn)室LBNL等)參與。這種廣泛的國際性專業(yè)合作，為這次水合物試采的成功奠定了重要基礎(chǔ)。

4 2007—2008年加拿大Mallik重返 2L-38井運(yùn)用降壓法水合物試采成功

4.1 領(lǐng)導(dǎo)及參與機(jī)構(gòu)[14]

領(lǐng)導(dǎo)部門為加拿大自然資源部(NRCan)地球科學(xué)和能源政策司(Earth Sciences and Energy Policy sectors)。

資助機(jī)構(gòu)為日本國家石油、天然氣和金屬公司(JOGMEC)，及加拿大自然資源部(NRCan)。

野外施工單位為曙光(Aurora)學(xué)院/曙光研究所(位于依努維克)、加拿大西北疆域史密斯要塞(Fort Smith)。

根據(jù)上述參加單位名稱，此次2007—2008年水合物試采項(xiàng)目也可稱作“JOGMEC/NRCan/Aurora水合物試采項(xiàng)目”。

4.2 Mallik 2L-38井的延伸、擴(kuò)孔及井下設(shè)備安置

2007年1月，修建冰道，聯(lián)接Mallik施工現(xiàn)場與依努維克指揮和研究中心，以運(yùn)送鉆采設(shè)備及器材。2月，重返1998年鉆采施工的2L-38試驗(yàn)井工地。將原孔深1150 m延伸至1310 m，并擴(kuò)孔至?311.5 mm(12in)；在裸孔890～1100 m水合物層段進(jìn)行5次測井，以進(jìn)一步了解地層特性；將?244.5 mm(9in)生產(chǎn)套管下至1288 m；將安置于套管外側(cè)的5種地球物理傳感器(JOGMEC研發(fā))隨套管下入，以作長期重復(fù)性系列測井。

在實(shí)施上述2L-38井作業(yè)同時，重返2002年的3L-38觀測井，將該井由1188 mm延伸至1275 m；同上，裸孔測井與下套管測井；下?73 mm套管；完井；注水試驗(yàn)。

4.3 2007和2008年重返Mallik 2L-38井分別實(shí)施短時和長時持續(xù)試采

2007年與2008年在2L-38生產(chǎn)試驗(yàn)井(圖19)，分別進(jìn)行天然氣水合物的短時(12.5 h)和長時(6.8 d)的試采。運(yùn)用降壓法，即通過降低儲層壓力到低于水合物平衡的壓力，使得水合物分解為甲烷天然氣和水。圖19中電動潛水泵(ESP,Electrical Submersible Pump,蘭色)即用于抽汲地層與井中的水以降低水位，達(dá)到水合物儲層的降壓分解。黃色為井下測量(溫度、壓力、流量等)儀表盒[1]。

圖19 2007年Mallik 2L-38試驗(yàn)井試采井身結(jié)構(gòu)與井下設(shè)備安置

4.3.1 2007年2L-38井的短時水合物試采

2007年4月2—3日，在2L-38試驗(yàn)井內(nèi)12 m(深度1093～1105 m)厚，具有較高水合物飽和度、高滲透率及壓力、溫度適于降壓法試采的儲層段，運(yùn)用潛水泵平均降低壓力3.7 MPa。在開泵抽水初始的十幾小時內(nèi)，氣體和水的產(chǎn)出量極少，之后逐步增加。在試驗(yàn)階段的最后12.5 h內(nèi)，共獲得830 m3的天然氣量，以及20 m3的水，見圖20。為保護(hù)環(huán)境，產(chǎn)生的水被重新注入到水合物儲層之下的含水層中去。

圖20 2007年Mallik 2L-38井短時試采水合物獲取氣量和水量

4.3.2 2008年2L-38井的長時持續(xù)水合物試采

2008年3月10—16日，進(jìn)行了長時間持續(xù)試采，試采系統(tǒng)如圖21所示。根據(jù)測井取得的水合物儲層巖性參數(shù)，確定井內(nèi)射孔位置，再下放安置電潛水泵(ESP),與加熱器(紅色，用于提高溫度，促進(jìn)水合物分解)、壓力溫度(PT)傳感器(黃色)等。

6.8 d試采中，保持2000～4000 m3/d穩(wěn)定的產(chǎn)氣量，共產(chǎn)天然氣氣量13000 m3。

4.4 2007—2008年加拿大Mallik 2L-38井水合物成功試采的評價

(1)2007—2008年加拿大 Mallik重返 2L-38試驗(yàn)井水合物成功試采，在6.8d內(nèi)獲得持續(xù)穩(wěn)定甲烷天然氣量，這是國際天然氣水合物研究開發(fā)史上的又一里程碑[15]，它向世界展示，商業(yè)性開發(fā)水合物已不再遙不可及。

圖21 2008年2L-38生產(chǎn)試驗(yàn)井降壓法的試采系統(tǒng)

2008年7月在溫哥華召開的第六屆國際水合物大會上，日本和加拿大的專家介紹了這兩次水合物試采的成果，并透露一些關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)際表明，當(dāng)時日本已在水合物開發(fā)領(lǐng)域走在世界前列。此次會上，印度、韓國和中國也先后展示了各自在水合物勘查方靣的成果。

(2)2007—2008年 Mallik水合物的成功試采，是加、日兩國，特別是日本制訂了詳盡周密的中長期水合物勘查開發(fā)計(jì)劃有關(guān)，並在實(shí)施中執(zhí)行穩(wěn)扎穩(wěn)打、循序漸進(jìn)的方針策略。1998年因故未能試采，準(zhǔn)備了4年于2002年，在運(yùn)用熱注入法試采的同時，運(yùn)用組合式地層動態(tài)測試儀MDT對儲層作降壓試驗(yàn)，為下一步運(yùn)用減壓法試采提供數(shù)據(jù)；2007—2008年的減壓法試采，先作短時試采，第二年再作長時持續(xù)性試采。這兩次試采為5年后2013年在更為困難艱險(xiǎn)的海域水合物試采奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

(3)加拿大Mallik 2002年與2007—2008年分別用熱注入法和降壓法試采水合物取得的成功，對于今后開發(fā)地球上量大面廣、資源豐富的陸域永凍帶水合物具有重要的意義。由圖22可見，約20%的北半球陸地面積為永久凍土帶[10〗。據(jù)對其溫度條件推測，在現(xiàn)今海水深度120 m海底以下130～2000 m范圍的北冰洋大陸坡(淺蘭色)中，廣泛地存在著天然氣水合物。北冰洋海底砂巖中的天然氣水合物地質(zhì)資源量約為187.4×1012m3。加拿大Mallik成功試采永凍帶水合物所運(yùn)用的方法、技術(shù)、工藝以及設(shè)備、器具等對于今后本國和其它國家陸域永凍帶水合物開采具有重要的借鑒、參考價值。

圖22 北半球永久凍土帶的分布(Collett,2002,修改)

(4)2007—2008年試采證明了運(yùn)用降壓法比熱注入法更加簡單、經(jīng)濟(jì)[16]，且具有高得多的產(chǎn)氣生產(chǎn)效率。僅2007年的短時(12.5 h,半日)試采的 830 m3就為2002年熱注法5 d試采470 m3的1.77倍；2008年長時持續(xù)試采的日產(chǎn)氣量1912 m3則為2002年 94 m3的 20.3倍。這證明了運(yùn)用降壓法並輔以井底加熱是有效、實(shí)用、高產(chǎn)的水合物開采方法。

(5)2007—2008年Mallik試采中存在的主要問題是砂質(zhì)沉積物堵塞潛水泵和管道，影響生產(chǎn)氣體和水的流動。這需要進(jìn)一步深入研究解決。

5 加拿大Mallik天然氣水合物試采工程總結(jié)

從1998～2008年，加拿大和日本合作，多國參與，在Mallik永凍帶成功實(shí)施了三次天然氣水合物試采，取得的成果見表2。

表2 加拿大Mallik永凍帶天然氣水合物3次成功試采效果

由表2可見，雖然加拿大Mallik歷經(jīng)10年三次的天然氣水合物試采，看起來似乎氣體產(chǎn)量不高，產(chǎn)氣持續(xù)時間不長，但是縱觀幾千年世界科技發(fā)展史，幾乎任何工程技術(shù)上的發(fā)明和創(chuàng)新過程，都是從無到有、從難到易、從小到大、從少到多的。

加拿大Mallik 2007—2008年水合物試采的成功，到現(xiàn)在已經(jīng)過去10年了，但其在陸域永凍層天然氣水合物試采的技術(shù)工藝，與產(chǎn)氣效果至今仍處于世界領(lǐng)先地位。

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TheReviewofMallikNGHSuccessfulProductionTestsinCanada’sPermafrostZone/

ZUORu-qiang1,LIYi2,3

(1.The Ministry of Land and Resources of the People’s Republic of China, Beijing 100812, China; 2.The Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang Hebei 065000, China; 3.Editorial Board of Exploration Engineering, Beijing 100037, China)

The 1998 Mallik 2L-38 Hydrate Research Well Program in Canada’s Mackenzie Delta, permafrost area, led by the GSC and the Japan JNOC, was successful, but the goal of producing from NGH was not accomplished for the warming weather and mechanic failure. GSC and JNOC, as well as other 8 partners returned to Mallik in 2002. Three wells-the 3L-38 and 4L-38 observation wells, and the 5L-38 production well were drilled. Gas hydrate core was gained from the 5L-38 well at 90% core recovery and geophysical studies were conducted. Two short-duration production tests were conducted—a depressurization test with MDT tool and a thermal injection test. One encouraging result was the 470m3of gas production by a thermal injection technique employing hot fluid circulation. Then, for the 2007—2008 Mallik production test program, the 2L-38 well, drilled in 1998, was modified to establish a production test well by reaming, deepening, casing, and cementing. An ESP was set below the perforation zone to depressurize the formation by dropping the water level in 2007. During 12.5h of the test, at least 830 m3 of gas flow was obtained. The test results verified the effectiveness of the depressurization method even for such a short duration. The 2008 testing program at Mallik confirmed that continuous gas flow ranging from 2000 to 4000 m3/day was maintained throughout the course of the 6.8 day (139 hour) test. Cumulative gas production volume was approximately 13000m3, which data confirms that the depressurization method is the correct approach for gas hydrate production. The 2008 Mallik gas hydrate production program was a landmark in hydrates R&D in the world.

permafrost zone; Natural Gas Hydrate(NGH); methane; hydrate production test; thermal injection method; depressurization method; cumulative gas production volume

TE37

：A

:1672-7428(2017)08-0001-12

2017-07-11

左汝強(qiáng)，男，漢族，1941年生，國土資源部咨詢研究中心原咨詢委員，教授級高級工程師，探礦工程專業(yè)，北京市海淀區(qū)北三環(huán)中路77號24樓1003室(100088),zrq1941@sina.com。