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)

0 引言

日本是世界上第三大經(jīng)濟(jì)體，但卻是能源極度缺乏的國家，絕大多數(shù)油氣資源依靠進(jìn)口，所以對(duì)可能從本國周圍海域開采天然氣水合物解決能源供給的需求十分迫切。20世紀(jì)70年代，日本在其南海海槽發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物存在的主要標(biāo)志“似海底反射層”(BSR)，1990年，大洋鉆探ODP131航次鉆孔取得水合物巖樣的間接資料。從1995年起，日本國家石油公司(JNOC)等聯(lián)合實(shí)施了6年的天然氣水合物專項(xiàng)計(jì)劃。緊接著2001年，日本政府啟動(dòng)了“21世紀(jì)天然氣水合物研發(fā)計(jì)劃”(MH21)[1]。在MH21第一階段(2001—2008)及之后，日本一方面積極參與加拿大Mallik和美國阿拉斯加陸地永凍層的水合物試采工程，以“先陸后?！钡乃衔镩_發(fā)方針，為以后在南海海槽積累試采水合物的方法和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。另一方面，對(duì)南海海槽加強(qiáng)水合物的調(diào)查評(píng)價(jià)，實(shí)施精細(xì)勘探，為MH21計(jì)劃第二階段水合物的試采工程選址，以及在技術(shù)裝備等方面進(jìn)行準(zhǔn)備。

本篇重點(diǎn)介紹日本MH21計(jì)劃第二階段(2009—2015)在實(shí)施南海海槽天然氣水合物試采前，在南海海槽東部進(jìn)行的詳細(xì)鉆探取樣，運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)儀器對(duì)水合物壓力巖心測試分析，對(duì)計(jì)劃中首次試采的海域進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)估研究，以及2013年于南海海槽在世界上第一次成功的實(shí)施海域天然氣水合物的試采。

1 日本1998—2012年參加加拿大、美國陸域永凍帶天然氣水合物試采概要[2-3]

1998年，在加拿大Mallik永凍帶Mallik 2L-38井首次試采工程中，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。盡管該次鉆采項(xiàng)目因氣候變暖和機(jī)械設(shè)備故障未能實(shí)施水合物試采，但在該項(xiàng)目中，日本PTCS保溫保壓取樣器進(jìn)行了首次下井試用，雖然未達(dá)到預(yù)期效果，卻為其下一步的試驗(yàn)改進(jìn)提供了依據(jù)。2002年，上述的兩家日本公司作為施工單位繼續(xù)參與Mallik 5L-38井水合物試采項(xiàng)目，該井運(yùn)用加拿大APA咨詢公司和日本JAPEX公司共同設(shè)計(jì)的熱注入法，實(shí)現(xiàn)了世界上首次凍土層天然氣水合物的成功試采[4]。2007—2008年，在日本國家石油公司、天然氣和金屬公司(JOGMEC)及加拿大自然資源部(NRCan)的資助下，重返Mallik 2L-38井進(jìn)行天然氣水合物試采，并成功實(shí)現(xiàn)的一次短時(shí)(12.5 h)和一次長時(shí)持續(xù)(6.8 d)試采[5]。

2011—2012年，參加過加拿大Mallik水合物試采工程的兩家日本機(jī)構(gòu)——日本國家石油公司與天然氣和金屬公司(JOGMEC)又參與美國阿拉斯加北坡永凍帶天然氣水合物試采項(xiàng)目，在Ignik Sikumi #1井運(yùn)用創(chuàng)新的CO2-CH4置換法成功地實(shí)施了水合物的試采[6]。

1998—2012年期間，日本參加加拿大、美國陸域永凍帶水合物4次成功的試采成果見表1。通過參加這4次成功試采，日本掌握了熱注入法、降壓法和CO2-CH4置換法天然氣水合物試采技術(shù)，為在其南海海槽的水合物試采打下堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

表1 日本參加加拿大、美國陸域永凍帶水合物4次成功試采成果

2 1999年與2004年日本南海海槽水合物鉆探調(diào)查簡介

2.1 1999年年末—2000年南海海槽確認(rèn)含天然氣水合物探井調(diào)查概要[7]

1999年11月—2000年2月，日本在南海海槽首次進(jìn)行天然氣水合物探井工程，計(jì)劃總經(jīng)費(fèi)約為50億日元。鉆井位于御前崎近海(靜岡縣天龍川河口近海，離岸約50 km的海域)，水深945 m。鉆井深度為海底以下約2000 m。施工單位是石油資源開發(fā)公司，鉆井裝置采用美國Reading & Bates Falcon Drilling公司所擁有的半潛式鉆井船M.G.Hulme.Jr(圖1)。

鉆井中，使用PTCS(Pressure TemperatureCoreSampler)保壓保溫取心系統(tǒng)等從海面以下1110～1272 m的砂巖層取心。其中在深度1175～1254 m井段采用PTCS系統(tǒng)取心27次，采取巖心29.1 m，巖心采取率37%。

1—鉆臺(tái)45720(150′—0″)；2—標(biāo)準(zhǔn)435型起重機(jī)；3—SEATRAX起重機(jī)(2型)；4—管架甲板40254(132′—0″)；5—直升飛機(jī)降落甲板，基準(zhǔn)線以上41453(136′—0″)；6—主甲板,基準(zhǔn)線以上35357(116′—0″)；7—輸水管線；8—船體；9—基準(zhǔn)線

圖1半潛式鉆井裝置(據(jù)M.G.Hulme.Jr)

根據(jù)對(duì)巖心樣品產(chǎn)生的大量氣體的分析、異常低的樣品溫度、異常低的地層水含鹽量等，確認(rèn)海面以下1152～1210 m井段有3層(合計(jì)約16 m)含甲烷水合物層存在。

通過南海海槽探井實(shí)施，證實(shí)該區(qū)域甲烷水合物聚集度高的砂巖層，其含量約為整個(gè)沉積物容量的20%。其聚集程度相當(dāng)于大洋鉆探ODP著名164航次(1995年)在美國東南海域布萊克海嶺水合物調(diào)查確認(rèn)值的10倍。

2.2 2004年南海海槽多井水合物鉆探計(jì)劃實(shí)施簡述[8-9]

2004年，日本實(shí)施了南海海槽水合物多井鉆探“Tokaioki Kumanonada”計(jì)劃，該計(jì)劃是根據(jù)2002年以來在3個(gè)局部地區(qū)的高分辨率地震資料來確定多井鉆探的井位。2004年1月18日—5月18日，由日本石油資源開發(fā)公司JAPEX等作為施工承擔(dān)機(jī)構(gòu)，由IODP“決心號(hào)”鉆井船執(zhí)行，共在海域16個(gè)站位鉆了32口井。其中對(duì)4個(gè)天然氣水合物高富集的井場(井場1、2、4和13，見圖2)鉆探采取水合物巖心。運(yùn)用了由日本國家油氣和金屬公司(JOGMEC)資助研發(fā)的JOGMEC PTCS保溫保壓取心鉆具(相當(dāng)于日本第二代水合物保壓取心鉆具)，在井場4和井場13采集到82 m巖心，采取率達(dá)到80%。同時(shí)也運(yùn)用了ODP的APC、XCB、HPC等取心鉆具。鉆進(jìn)中運(yùn)用了隨鉆測井LWD，之后再用電纜測井校正，并與巖心進(jìn)行對(duì)比。在其砂層中識(shí)別出孔隙類型的水合物。根據(jù)巖心分析和測井資料，取心砂層的水合物飽和度介于55%～68%之間，沉積物平均孔隙度介于39%～41%之間。運(yùn)用JOGMEC PTCS采取的水合物巖心樣品見圖3。

圖2日本南海海槽水合物多井鉆探計(jì)劃井位布置示意圖(顏色代表水體深度)[8]

這次多井鉆探計(jì)劃達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，確定了水合物的分布和形成發(fā)育，并對(duì)后來鉆采井位的確定等起到了重要作用。

3 2012年新型CDEX Hybrid PCS保壓取心系統(tǒng)應(yīng)用于日本南海海槽水合物鉆探取樣調(diào)查[10]

天然氣水合物保壓取心作業(yè)是水合物調(diào)查評(píng)價(jià)中最關(guān)鍵的技術(shù)，對(duì)于水合物試采生產(chǎn)井的選址，及生產(chǎn)井內(nèi)開采儲(chǔ)層井段位置的確定，起著決定性的作用。

日本從1995年起至2010年先后研發(fā)應(yīng)用了兩代水合物保溫保壓取心器，即PTCS和JOGMEC PTCS。PTCS曾于1998年首次運(yùn)用于加拿大麥肯齊三角洲Mallik永凍帶水合物探井勘查取樣，兩次下井取樣均因取樣器球閥未能關(guān)閉，沒有取得水合物保壓巖心[2]。同年又在日本柏崎試驗(yàn)場作驗(yàn)證試驗(yàn)，保壓取樣效果也不甚理想。之后，約于2000年，日本JOGMEC技術(shù)中心研發(fā)了第二代的JOGMEC PTCS(Takahashi等，2001；Takahashi和Tsuji 2005),于2004年在日本南海海槽實(shí)施水合物多井鉆探取樣調(diào)查(Fujii et al.,2010)，保壓取心效果有所提高。

圖3 運(yùn)用JOGMEC PTCS保壓取心系統(tǒng)采取的水合物巖心樣品[9]

但是，直至日本計(jì)劃于2013年對(duì)南海海槽實(shí)施水合物試采前的詳細(xì)取樣調(diào)查，世界上所能提供的幾種保壓取心鉆具不能與日本于1990’年代末花5.4億美元建造的，專門用于綜合大洋鉆探計(jì)劃(IODP)，與日本海域水合物調(diào)查取樣的“地球號(hào)”(D/V Chikyu)鉆探船的井底鉆具組合(BHA)配合使用，所以，又研發(fā)了一種適用于“地球號(hào)”鉆探船的新型保壓取心系統(tǒng)，可認(rèn)為是日本第三代的CDEX Hybrid PCS組合式保壓取心系統(tǒng)。

幾種國際上可提供的水合物保壓取心系統(tǒng)見表2。

表2 國際上可提供的水合物保壓取心系統(tǒng)(2013年)

注：CDEX——日本深部地球勘查中心。

3.1 CDEX Hybrid PCS保壓取心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)用

新研發(fā)的Hybrid PCS將美國的PCS和日本第二代JOGMEC PTCS的設(shè)計(jì)結(jié)合起來，具有改進(jìn)的球閥密封功能。類似其所借鑒以前的保壓取心鉆具，Hybrid PCS是一個(gè)繩索提取、液壓啟動(dòng)的用于5和5in鉆桿柱的保壓取心系統(tǒng)(圖4)，可以在“地球號(hào)”鉆探船上與液壓活塞取心系統(tǒng)((HPCS)，以及延伸切削管鞋取心系統(tǒng)(ESCS)兼容互換使用。在保壓取心期間該系統(tǒng)可以鎖定在井底鉆具組合(BHA)上。因此，Hybrid PCS不能夠采取定向巖心。其最大保壓能力約為35 MPa(5000 psi)，巖心樣品直徑51 mm,最大巖心長度3.5 m。

圖4 日本CDEX hybrid PCS第三代水合物保壓取心系統(tǒng)[10]

3.2 CDEX hybrid PCS保壓取心系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由3個(gè)主要部件組成：(1)上部為下放和回收工具；(2)中部是壓力控制部件包括壓縮氮?dú)馐遥?3)下部為保壓取樣管。根據(jù)所鉆目標(biāo)地層巖性的不同，具有兩種切削管鞋配用于Hybrid PCS：一種是伸出鉆頭10 mm并隨同鉆桿回轉(zhuǎn)；而另一種則是伸出鉆頭50 mm而不回轉(zhuǎn)。當(dāng)Hybrid PCS提到船上甲板后，將密封的內(nèi)管轉(zhuǎn)移到位于井口旁充填有冰塊的“鼠洞”中。為防止水合物分解，將整套Hybrid PCS冷卻30 min。將樣品腔連接到壓力巖心分析和轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(PCATS, Pressure Core Analysis and Transfer System, Geotek Ltd.),供壓力巖心轉(zhuǎn)移和分析。利用保壓巖心管內(nèi)的溫度-壓力記錄儀記錄巖心樣品的溫度和壓力。

3.3 “地球號(hào)”鉆探船上對(duì)所采取保壓巖心樣品的操作和分析

在”鼠洞”中冷卻后的壓力巖心立即轉(zhuǎn)移到壓力巖心分析和轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(PCATS)。PCATS安置于用集裝箱建造的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，可測試分析3.5 m長的壓力巖心樣品。運(yùn)用直線狀操作器和轉(zhuǎn)動(dòng)器系統(tǒng)，將壓力巖心從Hybrid PCS中轉(zhuǎn)移到PCATS的保壓腔室(Schultheiss et al. 2009)內(nèi)。在轉(zhuǎn)移壓力巖心期間，通過一個(gè)鋁制腔管，同時(shí)對(duì)巖心進(jìn)行無損物理性質(zhì)測量，包括X射線CT圖像、伽瑪射線和P波速度測量。運(yùn)用所測全部數(shù)據(jù)，特別是X射線CT圖像，將巖心切割分為幾段。將這些小段巖心存儲(chǔ)進(jìn)短的保壓樣品腔管內(nèi)，供以后航程完畢上岸分析，或是就在鉆探船上的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析與取小樣?？煽刂频膶?shí)驗(yàn)室提供精確的分析和體積測量，并從短段巖心中提取氣體，以提供對(duì)取心地層中天然氣水合物體積和濃度的計(jì)算和評(píng)價(jià)。

3.4 CDEX Hybrid PCS在日本南海海槽906勘查航次的應(yīng)用與效果

2012年12月，Hybrid PCS第一次在“地球號(hào)”鉆探船在南海海槽906勘查航次上應(yīng)用。在9004B孔，鉆進(jìn)海底以下深度約200 m過程中共采取11次巖心。除運(yùn)用HPCS和ESCS采取7次常規(guī)巖心外，有4次運(yùn)用Hybrid PCS采取保壓巖心。其中，第一次于孔深24 m取心，因球閥泄漏，保壓采心失敗(取心壓力僅0.1 MPa)；第二次在孔深59.5 m取心，成功地采取了幾乎保持原位壓力的巖心，保持壓力為18 MPa；第3次于109.5 m孔深取心，所采得巖心提至船上，未能密封住，巖心壓力僅為0.4 MPa；第4次于190 m孔深取心，密封完好(16 MPa)，但未采集到固態(tài)巖心?？傊?，9004B孔4次運(yùn)用Hybrid PCS保壓取心，僅2次獲得成功保壓效果。之后，在搬移至C9004C-1孔開始鉆進(jìn)時(shí)，從孔口鉆進(jìn)至6.5 m，采集到一個(gè)短的完整圓柱狀保壓巖心，保持壓力達(dá)到23 MPa。

圖5顯示C9004C-1孔運(yùn)用Hybrid PCS采取的巖心在提取、處置和分析過程中的壓力和溫度記錄曲線。由圖可見，容納于保壓腔管中的巖心在實(shí)驗(yàn)室壓力巖心分析和轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(PCATS)測試分析時(shí)的壓力高于其在地層中的原位壓力。

圖5 日本南海海槽C9004C-1孔Hybrid PCS水合物保壓取心直至“地球號(hào)”船上用PCATS測試樣品時(shí)的壓力-溫度曲線(2012年6月28日)

3.5 CDEX Hybrid PCS在“地球號(hào)”鉆探船802水合物調(diào)查航次鉆探取心調(diào)查中的應(yīng)用及效果

緊接著906勘查航次之后，“地球號(hào)”鉆探船于2012年7月，由日本國家油氣和金屬公司(JOGMEC)與日本石油勘探公司(JAPEX，Japan Petroleum Exploration Company)合作，實(shí)施了天然氣水合物詳細(xì)調(diào)查的802勘查航次。此次繼續(xù)運(yùn)用CDEX Hybrid PCS執(zhí)行水合物保壓取心作業(yè)，以作為計(jì)劃于下一年(2013年)初在南海海槽Daini Atumi knoll北坡實(shí)施第一次水合物試采前，對(duì)試采水合物的儲(chǔ)層作進(jìn)一步的測試鑒定(Yamamoto et al.，2012)。

保壓取心孔段選擇在約45 m厚含水合物的砂-粘土互層和15 m厚的覆蓋深海粘土帶地層。從海底262～322 m共60 m長度的孔段總共取心21個(gè)回次，包括18個(gè)保壓取心回次和3個(gè)運(yùn)用ESCS的取心回次。全部巖心采取率61%，其中運(yùn)用Hybrid PCS保壓巖心采取率達(dá)到69%。由此可見，此次802勘查航次運(yùn)用Hybrid PCS保壓取心效果，比上述的906勘查航次提高了許多。

802水合物勘查航次鉆探取心總結(jié)見表3。取心作業(yè)完成之后，所采集的巖心樣品在“地球號(hào)”鉆探船上的實(shí)驗(yàn)室中，處置和測試分析的地點(diǎn)和操作程序見表4和圖6。采取的全部巖心運(yùn)用壓力巖心分析和轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(PCATS)進(jìn)行無損測試分析。

地球號(hào)”鉆探船802航次的水合物鉆探取樣調(diào)查，運(yùn)用Hybrid PCS保壓巖心系統(tǒng)及壓力巖心分析和轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(PCATS)所取得的大量重要數(shù)據(jù)，對(duì)南海海槽水合物儲(chǔ)層所作的更加精準(zhǔn)的調(diào)查評(píng)價(jià)，對(duì)于日本約于半年后在世界上首次實(shí)施海域水合物成功試采起著十分重要的作用。

表3 日本南海海槽2012年7月802水合物勘查航次鉆探取心總結(jié)

表4 保壓巖心和降壓巖心分析地點(diǎn)

注：AIST：日本國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)； MSCL：多傳感器巖心記錄儀(Multi-sensor Core Logger)

圖6 “地球號(hào)”鉆探船802水合物勘查航次船上實(shí)驗(yàn)室測試分析操作程序

4 天然氣水合物壓力巖心測試鑒定儀器設(shè)備(PCCT)在日本南海海槽水合物調(diào)查中的應(yīng)用[11]

4.1 天然氣水合物壓力巖心操作、轉(zhuǎn)移與測試分析的特殊性與困難

固體礦產(chǎn)和常規(guī)油氣資源，以及某些非常規(guī)油氣如頁巖油(氣)、致密油(氣)等，當(dāng)通過鉆探采集的樣品提至地(海)面后，轉(zhuǎn)移途徑中，直到送交測試分析的全部過程中，樣品的化學(xué)成分和性質(zhì)，與物理、機(jī)械性質(zhì)，以及形態(tài)基本上是不變的，仍保持其為固態(tài)或是流體(液體、氣體)。但是，對(duì)于天然氣水合物，由于其在地下儲(chǔ)層原位處于低溫(0～10 ℃)和高壓(大于10 MPa)的環(huán)境，在鉆探所采取的樣品提至地(海)面、轉(zhuǎn)移與測試期間，轉(zhuǎn)變到常溫、常壓環(huán)境之后，必然要從固態(tài)的水合物分解為流體的甲烷和水，其化學(xué)成分和性質(zhì)、物理和機(jī)械性質(zhì)也將發(fā)生很大的改變。因此，為能夠?qū)θ∽缘貙拥乃衔镞M(jìn)行原位、保真的巖心樣品作測試分析，對(duì)水合物儲(chǔ)層做出準(zhǔn)確的調(diào)查評(píng)價(jià)，以及為水合物開采設(shè)計(jì)提供科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在從地下采取水合物樣品直到測試分析的整個(gè)過程中，必須保持巖心樣品的低溫和高壓狀態(tài)。保持低溫環(huán)境相對(duì)容易，而對(duì)于保持巖心大于10 MPa以上的壓力卻非易事。這就要求運(yùn)用保壓取心系統(tǒng)，及能夠轉(zhuǎn)移到其它“保壓的”腔管(室)中去，并在“保壓的”狀態(tài)下接受測試分析。這對(duì)鉆探工程師和測試分析專家，以及他們雙方在工作上的銜接配合提出了挑戰(zhàn)。

經(jīng)過十幾年的努力，不斷的研究、試驗(yàn)、運(yùn)用和改進(jìn)，目前美國和日本，以及歐盟分別研發(fā)出PCS+PCCT，以及HYACINTH兩套水合物保壓取心+壓力巖心測試鑒定系統(tǒng)。

[5]和本文上述第3部分已分別對(duì)美國的PCS和日本的CDEX hybrid PCS兩種水合物保壓取心系統(tǒng)作了介紹。以美國為主，日本參與，在壓力巖心測試技術(shù)方面做了許多工作，美國喬治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)等開發(fā)出水合物壓力巖心測試鑒定儀器(PCCT，Pressure Core Characterization Tools)，在日本南海海槽水合物調(diào)查評(píng)價(jià)與試采中發(fā)揮了重要作用。

4.2 水合物壓力巖心測試鑒定儀器(PCCT)的組成和操作運(yùn)用

壓力巖心的操作和轉(zhuǎn)移技術(shù)需要一個(gè)縱向的操作器和球閥，在等同的高壓數(shù)值(大于 MPa)下將其與各類測試器具(高壓腔管或腔體)聯(lián)結(jié)起來(Pressure Core Analysis and Transfer System, PCATS; Schultheiss et al.,2006)。前幾年，用于測量壓力巖心樣品P波和S波速度、強(qiáng)度、電阻率剖面和巖心內(nèi)溫度(IPTC; Yun，et al.,2006)的接觸式測試工具，和測量伽瑪密度、X射線，和與水結(jié)合的P波(Pressure Multi-Sensor Core Logger; Schultheiss et al.,2006; Abegg et al.,2008)的非接觸式工具已經(jīng)開展應(yīng)用。對(duì)于在原位壓力-溫度(P-T)條件下，從巖心中局部取樣提供生物研究的技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來(DeepIsoBUG; Parkes et al.,2009)。

4.2.1 壓力巖心測試鑒定儀器(PCCT)

PCCT包括操作器具和各類測試腔室。其重點(diǎn)是用于測量水合物的流體-熱-力學(xué)分析方面的參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于水合物儲(chǔ)層特性的研究，與試采的工程設(shè)計(jì)等有著重要的關(guān)聯(lián)。所有測試器具按照以下原則和目標(biāo)設(shè)計(jì)：簡單和牢固的系統(tǒng)，快速運(yùn)用的輕便構(gòu)件，最大靈活性的組合式設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)尺寸，和便于制造和維修的零件，海水環(huán)境防銹，在壓力下操作與保存的能力，承受有效應(yīng)力的能力，以及在受控降壓、加熱與流體交換期間，監(jiān)測水合物的分解和氣體生產(chǎn)的安全性。組合式設(shè)計(jì)可使任何兩種測試器具通過相同的法蘭盤連接起來。

4.2.1.1 操作器

操作器是一個(gè)定位系統(tǒng)，用于在要求的P-T條件下，沿著相互連接的腔管/腔室和閥門抓取和移動(dòng)壓力巖心。圖7中，a、b、c展示了將存儲(chǔ)腔管內(nèi)的壓力巖心樣品傳送入操作器。接著再將壓力巖心倒換裝進(jìn)測試腔室(圖7d、e)。操作器的長度Lman(包括其“臨時(shí)存儲(chǔ)腔管”)與所要求測試的巖心長度Lcore成比例，Lman=3.5Lcore。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于操作1.2 m長的壓力巖心(Lcore)；運(yùn)用一個(gè)外置的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部螺旋伸縮系統(tǒng)(行程2.6 m)，可以對(duì)測試樣品定位精度達(dá)到毫米以下。利用可拆卸的法蘭盤連接到1.3 m長的臨時(shí)存儲(chǔ)腔管上。

4.2.1.2 壓力巖心樣品切割分段

注：切割器(CUT)示于圖中(d)和(e)；切割器可按測試的要求，在所需的長度間隔上排列安置(對(duì)于專用的ESC, DSC, CDC和BIO測試裝置)。

圖7保壓巖心操作

1.2 m長的巖心可切割分為短段的樣品。切割器可為直線或圓形鋸片。切割器成排地安置于操作器和任何其它測試或存儲(chǔ)腔管之間(圖7d、c)。

4.2.1.3 儀表化壓力測試腔室(IPTC，Instrumented Pressure Testing Chamber)

所研發(fā)的此類腔管/腔室應(yīng)用于對(duì)流體取樣，測量P波和S波速度、未排液強(qiáng)度、電導(dǎo)率、壓力巖心內(nèi)的溫度(圖8a，詳見Yun et al.,2006)。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)已在墨西哥灣工業(yè)聯(lián)合項(xiàng)目(JIP，GOM)中完成了輔助性器具的開發(fā)。這個(gè)腔管在外徑上有2套4對(duì)通孔。通孔為在塑料襯管上鉆孔(內(nèi)徑8 mm)，使得接觸式探針可依次沿著通孔被壓入樣品。當(dāng)按測試鑒定模式運(yùn)作時(shí)，IPTC一端連接操作器，而另一端連接延伸腔管?？裳刂鴰r心長度任意位置上進(jìn)行測量。而在對(duì)水合物儲(chǔ)層校正模式下實(shí)施監(jiān)測生產(chǎn)研究時(shí)，8個(gè)通孔使得IPTC成為一個(gè)通用的腔管。

注：(a)～(d)裝置上的大球閥外徑均為220 mm。

圖8測試鑒定腔室示意圖

4.2.1.4 有效應(yīng)力腔室(ESC，Effective Stress Chamber)

含水合物地層的壓力巖心的采集和保存必須在所要求的流體P-T條件下進(jìn)行。然而，水合物的物理性質(zhì)，如剛度和剪切強(qiáng)度是水合物飽和度和有效應(yīng)力的函數(shù)，當(dāng)水合物飽和度降低時(shí)，相對(duì)有效應(yīng)力增加。ESC保持P-T穩(wěn)定性條件，并恢復(fù)沉積物保持在原位的有效應(yīng)力σ′。該ESC由喬治亞理工學(xué)院在聯(lián)合海洋機(jī)構(gòu)(JOI)資助下，于2006年設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。ESC由韓國地質(zhì)科學(xué)和礦物資源研究院(Korean Institute of Geoscience & Mineral Resource)與英國地質(zhì)技術(shù)公司(Geotek， Ltd.)聯(lián)合，進(jìn)行了第一次野外應(yīng)用(Lee et al.,2009)。原先的設(shè)計(jì)是基于0側(cè)向應(yīng)變邊界條件?，F(xiàn)已經(jīng)將此腔室加了外殼升級(jí)，以調(diào)節(jié)應(yīng)力可控邊界條件。所形成的起三維作用的結(jié)構(gòu)，包括由外殼施加的σ3′和通過球閥推進(jìn)直接作用于壓力巖心的活塞產(chǎn)生的σ1′。柱塞和底座適用于測量多種物理性質(zhì)，包括剛度(波速)、熱導(dǎo)性和電阻率。這種腔室特別適用于在原位有效應(yīng)力條件下，監(jiān)測水合物生產(chǎn)的研究，包括評(píng)估因水合物分解引起沉積層體積的變化。

4.2.1.5 直接剪切腔室(DSC，Direct Shear Chamber)

從兩種約束條件來設(shè)計(jì)DSC裝置。第一種，在垂直載荷下，當(dāng)切割受壓非均質(zhì)巖心時(shí)由于應(yīng)力集中會(huì)產(chǎn)生不完善界面，因而選擇“雙向直接剪切”形式，避免樣品的末端效應(yīng)。第二種，當(dāng)取心時(shí)巖心留有裂隙，與巖心剪切時(shí)巖心可能產(chǎn)生彎曲情況下的切割，采取雙剪切平面模式，以避免樣品彎曲。因此，DSC由一個(gè)厚壁不銹鋼環(huán)制成，柱塞向放置其內(nèi)部巖心樣品中間的1/3處推進(jìn)(圖8c)。DSC包括一個(gè)用于恢復(fù)巖心有效應(yīng)力(類似ESC)的活塞，一個(gè)罩在樣品放入剪切腔室之前的塑料襯管上的套管，并有一個(gè)小的橫向內(nèi)置框架以推動(dòng)側(cè)向柱塞(圖8c)。最大的剪切位移(Gmax)為15 mm。可以測定剪切強(qiáng)度峰值和剩余數(shù)值。所測得在原位條件下，水合物地層樣品的強(qiáng)度和體積變化的數(shù)據(jù)，對(duì)于研究模型的校正、水合物的生產(chǎn)設(shè)計(jì)、以及穩(wěn)定性分析，都是非常必要的。

4.2.1.6 生物研究取樣器(BIO，Sub-sampling Tool for Bio-Studies)

從鉆探取樣直到測試分析始終保持高壓，對(duì)于深水沉積物中某些嗜高壓微生物維持生存是十分重要的。利用操作器將巖心段裝入BIO腔室，之后將BIO從操作器上卸下，進(jìn)行以下操作程序：(1)更換液氮；(2)清潔巖心表面，對(duì)腔室消毒；(3)運(yùn)用一個(gè)回轉(zhuǎn)取樣頭從巖心上取小樣；(4)樣品沉積物進(jìn)入預(yù)先放有營養(yǎng)液的生物反應(yīng)器(體積10 mL)中。通過蘭寶石窗口可觀察到全部操作。藉助關(guān)閉兩個(gè)球閥系統(tǒng)并卸下快速連接器，很容易更換生物反應(yīng)器。這套裝置可以從單個(gè)巖心段上采集到大量原位靜壓的生物樣品。

4.2.1.7 可控降壓腔室(CDC，Controlled Depressurization Chamber)

所設(shè)計(jì)的CDC有助于保存巖心的巖性，并得到降壓過程中有價(jià)值的信息。這個(gè)專用的裝置有一個(gè)內(nèi)設(shè)的鉆孔器，可在所選擇的位置上鉆孔。運(yùn)用壓力傳感器和熱電偶監(jiān)測腔體內(nèi)氣體的P-T狀況。另外，沿著CDC縱向還使用3個(gè)自鉆入式熱電偶；這些傳感器鉆入巖心中監(jiān)測巖樣降壓期間沉積物內(nèi)部的溫度。最后，有一個(gè)2 L的集水器和一個(gè)55 L的氣體收集器連接到針閥上，以控制減壓的速率；這些水和氣體的收集器可測量出水合物生產(chǎn)出水和氣體(圖8e)的數(shù)量。

正如上述，運(yùn)用了多種測量系統(tǒng)來測試鑒定，以測定腔室內(nèi)在可控壓力、溫度和有效應(yīng)力條件下，沉積物水文的、熱的、化學(xué)的、生物的和機(jī)械的參數(shù)。它們的運(yùn)用，對(duì)含天然氣水合物沉積地層在原位壓力、溫度和/或應(yīng)力條件下進(jìn)行綜合性的測試鑒定提供了技術(shù)支撐，并詳細(xì)地監(jiān)測水合物的氣體生產(chǎn)試驗(yàn)。

4.2.1.8 測試工具定位控制

所有接觸性的儀器、傳感器和鉆入式工具安裝在拋光的直桿上(直徑7.9 mm)，運(yùn)用外部可控螺旋定位系統(tǒng)，克服水合物巖心樣品最大35 MPa流體壓力下1.7 kN的作用力，向樣品推進(jìn)(圖9)。螺旋導(dǎo)軸和樣品腔體之間的球閥可使在壓力下更換測試工具。轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋套沿著螺旋導(dǎo)軸將工具桿(綠色)尖部的傳感器推入巖心樣品，測試數(shù)值由工具桿中心的導(dǎo)線傳出。

圖9 定位系統(tǒng)

4.2.1.9 測量傳感器

各類測量傳感器安置于工具桿的尖部，有信號(hào)導(dǎo)線穿過工具桿中心孔。所提供的測量工具和傳感器見圖10。小的應(yīng)變波速測量使用彎曲元件產(chǎn)生和探測S波，而用壓電晶體測量P波(圖10a、b)；已經(jīng)研發(fā)了鉆入式強(qiáng)度探頭(圖10c)；大的應(yīng)變強(qiáng)度數(shù)據(jù)運(yùn)用DSC(圖8c)測取。這個(gè)裝置使用一個(gè)其內(nèi)部裝有全橋應(yīng)變片的錐形釘，來測定沉積物的強(qiáng)度。在探頭鉆入樣品時(shí)所測得的阻力就反映出未排液沉積物的剪切強(qiáng)度(Yun et al.,2006)。

圖10測試工具和傳感器

流體導(dǎo)熱率可使用裝置在ESC之內(nèi)的柔韌腔壁系統(tǒng)(圖8b)，且可以利用流體取樣器(圖10d)來測定。這是一個(gè)利用壓力或體積控制的自鉆泄漏孔，驅(qū)使含水合物的沉積物內(nèi)充填的流體排泄出來。壓差可按在穩(wěn)定性條件下保存水合物作出選擇。

電阻率測量運(yùn)用一個(gè)電探針，逐步地插入樣品，測量徑向毫米級(jí)空間分辨率的電阻率剖面(圖8e，細(xì)節(jié)與測量程序見Cho et al.,2004)。還研發(fā)了一種在有效應(yīng)力腔室底座上的多電極系統(tǒng)，從表面測量樣品內(nèi)電阻率層析X射線攝影圖像。

熱探頭由安置在工具桿尖上的熱電偶組成。當(dāng)將其推進(jìn)到樣品之內(nèi)時(shí)，可測得巖心內(nèi)的溫度(圖10f)。巖樣內(nèi)部溫度的測量，可運(yùn)用于控制性氣體生產(chǎn)研究期間監(jiān)測相態(tài)轉(zhuǎn)變和導(dǎo)熱率。此外，用于測量導(dǎo)熱率的瞬變平面源傳感器(TPS，美國能源部國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室NETL研發(fā)，圖8G，Rosenbaum et al.,2007)可以安置在工具或ESC和DSC的基座上。

4.2.1.10 監(jiān)測水合物分解——?dú)怏w生產(chǎn)

上述所有壓力巖心測試鑒定儀器(PCCT)的腔室可運(yùn)用于降壓、加熱，或化學(xué)材料注入(如抑制劑或CO2)實(shí)施水合物巖心樣品尺寸規(guī)格的氣體生產(chǎn)。監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括壓力、溫度、生產(chǎn)的氣體和水(數(shù)量)、剛度(地震波速)、流體導(dǎo)熱性與電阻率等。

4.2.2 小結(jié)

總之，欲對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層進(jìn)行正確可靠的評(píng)價(jià)，運(yùn)用上述這一套壓力巖心測試鑒定技術(shù)是必須的。上述介紹的壓力巖心測試鑒定儀器(PCCT)既可以通過對(duì)壓力巖心進(jìn)行操作、切分取樣和測試分析，以及全面評(píng)價(jià)含水合物沉積地層，也可以進(jìn)行水合物實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生產(chǎn)試驗(yàn)。

PCCT主要由美國喬治亞理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)研發(fā)，但日本與美國兩國政府在研究和開發(fā)氣體水合物方面簽訂有全面合作協(xié)議，而且日本本國也自我開發(fā)了相關(guān)測試裝置(如AIST-IPTC)。所以，PCCT不但裝備在美國深海科學(xué)探測和氣體水合物研究的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，和實(shí)施海洋水合物調(diào)查取樣的“決心號(hào)”鉆探船上，而且也裝備于日本大洋綜合鉆探計(jì)劃(IODP)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和甲烷水合物研究中心，位于北海道札幌市AIST的國家級(jí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，及日本海洋水合物調(diào)查與試采主要平臺(tái)——“地球號(hào)”鉆探船上。此外，PCCT也安置于其它鉆探船上，先后為某些國家(如印度、中國和韓國等)天然氣水合物調(diào)查應(yīng)用服務(wù)。

4.3 美國和日本合作運(yùn)用PCCT儀器對(duì)南海海槽試采前作壓力巖心測試分析[12]

4.3.1 美國和日本首次合作運(yùn)用PCCT儀器

由美國喬治亞理工學(xué)院研發(fā)的壓力巖心測試儀器設(shè)備(PCCT，Pressure Core Characterization Tools)，包括一整套儀表化的高壓腔管/腔室和多種傳感器/取樣器，成功地于2013年1月在日本札幌的研究中心，用于測量日本南海海槽東部(Eastern Nankai Trough)所采取氣體水合物的壓力巖心的機(jī)械、液壓與電的性質(zhì)和生物特性。由此表明，由美國和日本第一次開展國際合作，在水合物壓力巖心測試分析方面共同使用PCCT儀器設(shè)備。雙方合作的機(jī)構(gòu)包括美國喬治亞理工學(xué)院、美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)、日本國家油氣和金屬公司(JOGMEC)及日本國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院(AIST，National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)等。

4.3.2 美日合作在日本札幌運(yùn)用PCCT對(duì)南海海槽東部壓力巖心測試分析

日本南海海槽蘊(yùn)藏著大量的甲烷水合物(Fujii et al.,2009)。2012年6月29日—7月4日，由JOGMEC和日本石油勘探公司(JAPEX)共同努力對(duì)該海域的水合物儲(chǔ)層的巖心進(jìn)行測試鑒定，準(zhǔn)備于次年(2013年)對(duì)甲烷水合物作生產(chǎn)性試驗(yàn)，即水合物試采。

該海域水深約1000 m，含水合物沉積層位于海底以下300 m，內(nèi)含濁積巖、粗粒沉積地層。在“地球號(hào)”鉆探船上運(yùn)用CDEX Hybrid PCS采取原位壓力巖心，并轉(zhuǎn)運(yùn)到札幌的AIST去。運(yùn)用PCCT將壓力巖心從Hybrid PCS中取出，由英國地質(zhì)技術(shù)公司(Geotek, Inc.)進(jìn)行X射線測量，并將巖心分段為1.2 m長度，轉(zhuǎn)移到保壓20 MPa的存儲(chǔ)腔管中。

2013年1月，即日本南海海槽首次水合物試采前約2個(gè)月，PCCT儀器應(yīng)用于位于札幌AIST的冷卻實(shí)驗(yàn)室(4 ℃)。將壓力巖心從存儲(chǔ)腔管中轉(zhuǎn)移到測試腔管(室)進(jìn)行分析。在這些巖心測試期間，PCCT在10 MPa的壓力下操作。為安全起見，電子設(shè)備和周邊系統(tǒng)安置于相近的監(jiān)測區(qū)城。

設(shè)于日本北海道札幌市日本國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院(AIST)的壓力巖心測試儀器設(shè)備(PCCT)見圖11。

4.4 歐盟HYACINTH高壓釜取心與壓力巖心測試鑒定系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用[13]

4.4.1 HYACINTH系統(tǒng)18年研發(fā)應(yīng)用概述

HYACINTH(HYACeinNewTestsonHydrate)由兩大部分組成，即水合物高壓釜取心設(shè)備HYACE(Hyperbaric Autoclave Coring Equipment)和水合物(壓力巖心)新測試設(shè)備(New Tests on Hydrate)。HYACE是由歐洲海洋科學(xué)和技術(shù)計(jì)劃(MAST, European Marine Science and Technolgy)資助，于1990’年代末由歐盟德、荷、英、法等6個(gè)歐洲國家組織資助，2家企業(yè)與3所大學(xué)聯(lián)合研發(fā)而成，配備有FRC回轉(zhuǎn)式和FHPC沖擊式兩種保壓取心器鉆具(技術(shù)參數(shù)見表2)，是用于天然氣水合物和深部生物圈的重要取樣工具[14]。

圖11日本北海道札幌市AIST的PCCT[12]

HYACINTH高壓釜取心與壓力巖心測試鑒定系統(tǒng)最初在ODP194、201調(diào)查航次，后又在水合物鉆探調(diào)查的ODP 204與IODP 311航次(2005年)中得到應(yīng)用。此后，約12年來，HYACINTH在保壓取心和水合物測試分析兩個(gè)方面不斷的改進(jìn)提高。截至2008年，HYACINTH先后受承包應(yīng)用于印度首次國家水合物項(xiàng)目NGHP-1“決心號(hào)”鉆探航次(2006年)項(xiàng)目[15]，中國南海神狐海域水合物鉆探調(diào)查GMGS1航次項(xiàng)目[16],以及韓國郁盆地水合物調(diào)查UBGH 1航次項(xiàng)目[17]等。此后，中國GMGS 2-4(2013—2016年)三次水合物調(diào)查航次的保壓取心與測試分析作業(yè),均是承包于英國地質(zhì)技術(shù)公司(Geotek Ltd.)，運(yùn)用HYACINTH系統(tǒng)來完成的[18-20]。

4.4.2 近幾年HYACINTH的技術(shù)創(chuàng)新與性能改進(jìn)提高

(1)研發(fā)了以球閥作為密封機(jī)構(gòu)的PTCB(Pressure Coring Tool with Ball Valve)保壓取心鉆具，比原先FRC和FHPC采用瓣閥(翻板閥)的密封性能大為提高。同時(shí)，F(xiàn)RC和FHPC本身保壓性能也有所改進(jìn)。目前，HYACINTH系統(tǒng)水合物取心的保壓成功率已提高至70%～80%。

(2)將FHPC采取巖心的直徑從原有的51 mm增加到57 mm，以滿足對(duì)HYACINTH系統(tǒng)測試分析儀器的適用性、兼容性。

(3)增加巖心采取的長度(原先為1 m)。

(4)對(duì)壓力巖心分析和轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(PCATS)提高了測試操作性能，包括完全自動(dòng)化傳動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)控制(分別為0.5 mm和0.5°)；精細(xì)轉(zhuǎn)動(dòng)與高分辨率X射線成像相結(jié)合，可提供三維X射線成像可視化應(yīng)用等。

圖12展示了HYACINTH系統(tǒng)的某些創(chuàng)新改進(jìn)成果。其中圖12c、d展示了所研制的采取無菌巖心薄片樣品用于高壓下微生物研究的、十分復(fù)雜的巖心樣品精細(xì)分割的DeepIsoBug裝置。所有的操作均在等同地層中原位壓力的高壓設(shè)備中進(jìn)行。

5 日本甲烷水合物研發(fā)計(jì)劃(MH21)環(huán)境效應(yīng)評(píng)估(EIA)[21]

日本于2001年由經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易和產(chǎn)業(yè)部(METI)啟動(dòng)了“21世紀(jì)甲烷水合物研發(fā)項(xiàng)目”(MH21)，其主要目標(biāo)是研究和開發(fā)從甲烷水合物(MH, Methane Hydrate。注：日本通常將天然氣水合物NGH稱為甲烷水合物MH)中生產(chǎn)出能源的科學(xué)和技術(shù)。其中之一是“建成一個(gè)完全與環(huán)境保護(hù)兼顧的甲烷水合物開發(fā)系統(tǒng)”。在第一階段(FY2001—2008)，MH21研究聯(lián)合體(也簡稱MH21)進(jìn)行基礎(chǔ)研究，并參與加拿大Mallik和美國阿拉斯加陸地永凍層水合物的試采工程，積累經(jīng)驗(yàn)，以便于對(duì)之后南海海槽確定最有前景的甲烷水合物開發(fā)方案，并研發(fā)環(huán)境效應(yīng)評(píng)估效應(yīng)(EIA，Environmental Impact Assessment)的方法和儀器設(shè)備。

5.1 日本MH21的第二階段(FY2009—2015)水合物研發(fā)的目標(biāo)任務(wù)

圖12 對(duì)接第三類設(shè)備至HYCINTH PCATS

包括兩個(gè)方面：一是在南海海槽東部實(shí)施兩次甲烷水合物生產(chǎn)試驗(yàn)，即試采；第二是由JOGMEC和AIST的代表組成的MH21 EIA團(tuán)隊(duì)，對(duì)水合物開采試驗(yàn)的環(huán)境效應(yīng)評(píng)估(EIA)作研究。

所確定的第二階段的目標(biāo)任務(wù)如下：(1)進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析并制定對(duì)策；(2)開發(fā)環(huán)境影響測量技術(shù)并進(jìn)行野外試驗(yàn)；(3)針對(duì)計(jì)劃確定的海洋水合物生產(chǎn)試驗(yàn)的具體條件，實(shí)施環(huán)境效應(yīng)評(píng)估(EIA)；(4)利用上述工作取得的數(shù)據(jù)和認(rèn)識(shí)，開展綜合性的評(píng)估，對(duì)未來MH的開發(fā)提出最佳方法。

根據(jù)第一階段的研究成果，MH21 EIA團(tuán)隊(duì)致力于以下開采方案：

(1)在埋藏于海底以下350 m砂巖沉積層中多孔隙的水合物儲(chǔ)層(甲烷聚集帶)進(jìn)行試采；

(2)借助于運(yùn)用類似于常規(guī)天然氣開發(fā)的鉆井和完井技術(shù)，安裝相應(yīng)的設(shè)備通過鉆井來進(jìn)行開采；

(3)通過對(duì)水合物儲(chǔ)層運(yùn)用降壓法實(shí)施試采工程。

5.2 日本南海海槽甲烷水合物開采主要的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素與EIA海洋環(huán)境監(jiān)測綜合方法

5.2.1 日本南海海槽甲烷水合物開采主要的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素

關(guān)于天然氣水合物開采由于全球氣候變暖，與海平面上升引起水合物分解“自然產(chǎn)生的”環(huán)境影響(如海底滑坡[22]等，圖13)，以及由于“油氣鉆采工業(yè)誘發(fā)的”與水合物相關(guān)的環(huán)境影響，即地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)破壞等，美國和加拿大水合物研究頂級(jí)專家曾高度關(guān)注并予以研究[23]。

日本對(duì)甲烷水合物開采可能存在的主要環(huán)境影響也予以高度重視，經(jīng)分析研究提出以下各項(xiàng)作為開采甲烷水合物主要的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素：(1)生產(chǎn)井周圍海底甲烷泄漏；(2)生產(chǎn)中處理廢水排放到海洋；(3)海底沉降；(4)海底滑坡。但是，由于對(duì)甲烷生產(chǎn)缺少經(jīng)驗(yàn)，很難評(píng)估這些危險(xiǎn)。由于不知道是否會(huì)發(fā)生這些危險(xiǎn)；或者發(fā)生了，其發(fā)生危險(xiǎn)的程度、規(guī)模到底有多大。因此，為了更好地了解每一種環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素的潛在本質(zhì)，將進(jìn)行海洋調(diào)查，及在南海海槽兩次生產(chǎn)試驗(yàn)(計(jì)劃2012與2014年，后推遲至2013和2017年)之前、試驗(yàn)中與試驗(yàn)后實(shí)施環(huán)境監(jiān)測。同時(shí)，已于2010年起開發(fā)數(shù)字模型并預(yù)測環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重性。

圖13 海底淺層水合物分解引起的滑坡[22]

5.2.2 日本甲烷水合物研發(fā)計(jì)劃(MH21)第二階段環(huán)境影響評(píng)估(EIA)研究戰(zhàn)略

日本MH21第二階段環(huán)境影響評(píng)估(EIA)研究戰(zhàn)略概括于表5。

表5日本甲烷水合物研發(fā)計(jì)劃(MH21)第二階段環(huán)境影響評(píng)估(EIA)研究戰(zhàn)略

5.2.3 日本南海海槽水合物研究開發(fā)第二階段EIA環(huán)境監(jiān)測綜合方法

日本MH21第二階段為在南海海槽實(shí)施水合物試采，所進(jìn)行EIA的海洋環(huán)境監(jiān)測，運(yùn)用了全方位空間、多類型儀器綜合的監(jiān)測方法技術(shù)，見圖14。

圖14日本甲烷水合物研發(fā)計(jì)劃(MH21)第二階段環(huán)境影響評(píng)估(EIA)綜合方法技術(shù)示意圖

(1)圖14右部分展示了海底運(yùn)用傾斜測量儀或海底變形測量儀，監(jiān)測水合物層位的邊坡穩(wěn)定性和海床沉降；運(yùn)用水下遙控深潛器(ROV, Remote Operation Vehicle)監(jiān)測海底物質(zhì)循環(huán)的變化；運(yùn)用溶解甲烷傳感器監(jiān)測海底泄漏甲烷氣在海水中的擴(kuò)散，并將水合物試采生產(chǎn)廢水經(jīng)處理后排放。以上監(jiān)測采集的全部數(shù)據(jù)經(jīng)海洋生態(tài)模型驗(yàn)證，由數(shù)字模型作出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測。

(2)圖14左部分顯示，海洋在其淺層、中間層和底層三個(gè)不同層位具有不同類型的海洋生物，及其生態(tài)系統(tǒng)。在海洋淺層與中間層，由于大陸河流等排泄的大量有機(jī)物質(zhì)，淺部浮遊生物(動(dòng)植物)經(jīng)日光照射發(fā)生光合作用，得以發(fā)育生長，并形成食物鏈。而中間層的自遊生物由淺層海洋提供的有機(jī)物質(zhì)沉淀供養(yǎng)，并有部分自遊生物向上遷移。海洋淺層與中間層所有生物的生存屬于“光合作用生態(tài)系統(tǒng)(Photosynthesis ecosystem)。海底滲出的甲烷等氣體對(duì)以上這些生物是有害物質(zhì)，必須運(yùn)用儀器對(duì)此類海洋生物生態(tài)環(huán)境下的毒性進(jìn)行檢測、預(yù)防和控制。

至于海洋底層，則是完全不同的生態(tài)系統(tǒng)，即“化學(xué)合成作用生態(tài)系統(tǒng)”(Chemosythesis ecosystem)。在海底表面的泥沙中生存著一種海底細(xì)菌，它可利用海底的甲烷氣氧化時(shí)產(chǎn)生的能量，將海水中的硫酸還原為硫化氫。而一些海底生物(如雙貝殼、海螺類動(dòng)物)的體內(nèi)共生著大量這樣的微生物，它們能夠利用體內(nèi)可以解毒的血紅蛋白和蛋白質(zhì)，將吸收的劇毒的硫化氫氧化時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)能，制造出無毒的有機(jī)質(zhì)，一方面供自身生存，另外部分則提供給母體海底生物[24]。海底生物這種在高壓、黑暗，有毒物質(zhì)分布環(huán)境下生存的化學(xué)合成作用生態(tài)系統(tǒng)，與陸地深部類似極端環(huán)境下共同形成的地球深部生物圈，是國際生物科學(xué)研究的前沿(探索生命起源)，正是國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃(IODP)，與國際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃(ICDP)共同研究的重要主題之一。美國、日本與歐盟在天然氣水合物的調(diào)查中對(duì)海底微生物的研究十分重視，已經(jīng)研發(fā)出若干海底微生物保壓取樣與測試分析的技術(shù)和儀器設(shè)備(見本文第4部分中的HYACE、BIO和DeepIsoBug)。

(3)圖14中間部分表示，在天然氣水合物試采工程實(shí)施前和完成后，應(yīng)由科學(xué)調(diào)查船海洋中下放復(fù)式海床取心器、浮遊生物打撈網(wǎng)，以及尼斯金(Niskin)取水器等采集海洋各類樣品，對(duì)海底地質(zhì)變化和海洋生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。

5.2.4 海域甲烷水合物生產(chǎn)試驗(yàn)(試采)的監(jiān)測系統(tǒng)為了對(duì)于每一種風(fēng)險(xiǎn)因素潛在的作用進(jìn)行初步測量，MH21計(jì)劃在2012—2014財(cái)政年度的海洋水合物的生產(chǎn)試驗(yàn)之前、試驗(yàn)期間和試驗(yàn)之后進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測。特別是應(yīng)該對(duì)由于海底變形(沉降和/或滑坡)而產(chǎn)生的甲烷泄漏，在海底附近進(jìn)行監(jiān)測?？紤]到生產(chǎn)試驗(yàn)的規(guī)模，預(yù)期這些風(fēng)險(xiǎn)不是很大。但是，現(xiàn)在對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測，是作為對(duì)未來甲烷水合物商業(yè)性開發(fā)所作環(huán)境效應(yīng)評(píng)估調(diào)查的基礎(chǔ)性研究。MH21于2010年研發(fā)出兩種新型監(jiān)測儀器，分別用于安置在海底監(jiān)測甲烷泄漏與海底變形。對(duì)于第一次生產(chǎn)試驗(yàn)(預(yù)計(jì)試驗(yàn)周期一周至一個(gè)月)，所設(shè)計(jì)的兩種監(jiān)測系統(tǒng)采集6個(gè)月的數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)試驗(yàn)前的一個(gè)月，生產(chǎn)試驗(yàn)后至少3個(gè)月的監(jiān)測。將根據(jù)第一次生產(chǎn)試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，對(duì)這兩種監(jiān)測系統(tǒng)予以改進(jìn)，以運(yùn)用于第二次的生產(chǎn)試驗(yàn)。

5.2.4.1 海底甲烷泄漏監(jiān)測系統(tǒng)(MLMS)

由于計(jì)劃試采的含水合物礦層存在海底以下比較淺(計(jì)劃2012年生產(chǎn)試驗(yàn)的位置約100～350 m深),從海床產(chǎn)生的甲烷(氣體或溶解的)泄漏受到深切的關(guān)注。MLMS(Methane Leakage Monitoring System，圖15)的任務(wù)是探測生產(chǎn)試驗(yàn)(會(huì)伴隨有釋放的甲烷氣泡)期間，或之后的溶解甲烷的濃度。MLMS內(nèi)安裝有多種測量傳感器，包括溶解甲烷傳感噐、溫度傳感器、鹽度傳感器與海流儀。MLMS的樣機(jī)已于2011年在深海完成試驗(yàn)。

圖15 海底甲烷泄漏監(jiān)測系統(tǒng)(MLMS，IHI海洋聯(lián)合公司設(shè)計(jì))

5.2.4.2 海底變形監(jiān)測系統(tǒng)(SDMS)

SDMS(Seafloor Deformation Monitoring System，圖16)有兩個(gè)傳感器(傾斜測量儀和壓力傳感器)。MH21于2010年在海洋中試驗(yàn)了該監(jiān)測系統(tǒng)?？茖W(xué)家和公眾都認(rèn)為海底不穩(wěn)定性是海洋中與水合物緊密相關(guān)聯(lián)的地質(zhì)災(zāi)害。在日本南海海槽東部水合物資源礦區(qū)周圍，從海底地圖上可見幾處海底滑坡“疤痕”(圖17)。但是這些滑坡的規(guī)模相對(duì)較小(相對(duì)于大西洋大陸邊緣發(fā)生的巨大滑坡)，也沒有證據(jù)說明這個(gè)滑坡與甲烷分解有關(guān)，而且滑坡表層之上還存在水合物集中區(qū)域上面的鉆井井位。然而，雖然所觀察到的這個(gè)滑坡不是大規(guī)模的現(xiàn)象，而且也不像與水合物有關(guān)聯(lián)，但是這些滑坡對(duì)海底水合物的生產(chǎn)設(shè)施將可能是個(gè)災(zāi)害，必須進(jìn)行評(píng)估。

圖16 海底變形監(jiān)測系統(tǒng)(SDMS，OYO物探儀器公司設(shè)計(jì))

圖17 日本南海海槽東部海底曾經(jīng)發(fā)生的滑坡

5.2.4.3 光纖技術(shù)精確原位溫度測量系統(tǒng)

該精確原位溫度測量系統(tǒng)(圖18)由Schlumberger公司、日本JOGMEC和俄羅斯國家地質(zhì)勘查

大學(xué)聯(lián)合研發(fā)，用于2003—2004年在日本南海海槽多井水合物鉆探調(diào)查，在鉆探活動(dòng)期間測量原位地層溫度，確定其測量數(shù)據(jù)是否可以準(zhǔn)確的描述地?zé)崽荻?，并且識(shí)別含水合物地層內(nèi)的任何熱擾動(dòng)，同時(shí)找出其發(fā)生可能的起因。

圖18 光纖技術(shù)精確原位溫度測量系統(tǒng)[8]

5.3 對(duì)南海海槽天然氣水合物開發(fā)危險(xiǎn)性的分析和判斷

通常人們認(rèn)為，海底水合物分解是很容易的，一旦分解反應(yīng)開始發(fā)生后就不能夠控制住。但是，情況不一定總是這樣。實(shí)際上，水合物的分解是一種吸熱反應(yīng)[5]。這就表明，沉積物中水合物的分解就降低了周圍沉積物的溫度。因此水合物的分解現(xiàn)象是自然地自我限制的過程，而不是繼續(xù)的或加速的進(jìn)程。實(shí)際上，需要繼續(xù)輸入能量，才能使水合物分解過程進(jìn)行下去。

有些文獻(xiàn)還有一種提法，“水合物開發(fā)會(huì)影響全球氣候變化”。也許有此種情況發(fā)生。但是，需要討論的是水合物的開發(fā)與全球環(huán)境變化的時(shí)間跨度和空間規(guī)模。比如，日本一直研究的南海海槽東部的面積大約是12000 km2，天然氣水合物的富集地帶分散于這一海域各處。其中任何具體的水合物成礦富集區(qū)都可能是未來生產(chǎn)的目標(biāo)，其面積大約為幾千米×幾千米。并且，時(shí)間的跨度為10～30年。另一方面，大自然發(fā)生事件的空間規(guī)模是整個(gè)地球尺度。而且，其發(fā)生變化的時(shí)間尺度是幾百年直至幾千年。

需要強(qiáng)調(diào)的是，天然氣水合物儲(chǔ)層分布的空間規(guī)模(幾千米×幾千米)，與發(fā)生于6000-8000年前著名的挪威的斯托瑞加(Storegga)巨型滑坡(幾萬平方千米)在空間上是不可相提并論的。更重要的是，水合物的開采作業(yè)將避免在滑坡可能發(fā)生的地點(diǎn)實(shí)施。就如同現(xiàn)在實(shí)施常規(guī)油氣開發(fā)所做的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估一樣。對(duì)于多孔隙砂巖的水合物儲(chǔ)層，運(yùn)用降壓法是完全可以減少這種風(fēng)險(xiǎn)的。

圖19展示了在水合物生產(chǎn)階段運(yùn)用降壓法(用潛水泵降低生產(chǎn)井和儲(chǔ)層水位)促使水合物分解。如果鉆機(jī)和隔水管發(fā)生某些故障(如2010年4月在墨西哥灣發(fā)生的不幸的事故)，海水將流入生產(chǎn)井。由此，水合物儲(chǔ)層的壓力就會(huì)恢復(fù)，其中水合物的分解過程就會(huì)很快停止。同時(shí)，沉積物中剩余的生產(chǎn)出的甲烷氣體由于壓力恢復(fù)而重新轉(zhuǎn)變?yōu)樗铩暮５仔孤┑乃衔餁馀輰⑷芙馊牒Ｋ?。所以，將這種故障自我抑制的機(jī)制稱為“故障自愈安全機(jī)制”(“Natural Fail Safe Mechanism”)。

圖19日本南海海槽水合物開采故障自愈安全機(jī)制示意圖[21]

幸運(yùn)的是，南海海槽東部的甲烷水合物礦層不含石油和重碳?xì)浠衔?，因此，由石油引起的海洋污染也不?huì)發(fā)生。

根據(jù)上述對(duì)南海海槽天然氣水合物開發(fā)危險(xiǎn)性的分析結(jié)果判斷，南海海槽天然氣水合物開發(fā)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，看來并不比常規(guī)油氣生產(chǎn)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)更為嚴(yán)重。

6 2013年日本南海海槽世界上首次海域天然氣水合物試采成功[25]

6.1 領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)與施工負(fù)責(zé)部門

項(xiàng)目由重建的MH 21聯(lián)合體領(lǐng)導(dǎo)。新建MH 21聯(lián)合體由日本國家石油、天然氣和金屬公司(JOGMEC)和日本國家先進(jìn)工業(yè)科技研究院(AIST，National Institute of Advanced Industry S & T)組成。下分4部門：現(xiàn)場開發(fā)技術(shù)部(領(lǐng)導(dǎo)施工,Yamamoto為負(fù)責(zé)人，曾負(fù)責(zé)加拿大試采項(xiàng)目施工)、資源評(píng)價(jià)部、生產(chǎn)方法和模擬部，以及環(huán)境效應(yīng)評(píng)估部。

6.2 工程位置

日本南海海槽天然氣水合物試采工程位置位于愛知縣渥美半島與志摩半島海域。根據(jù)2001—2008年地震勘查和鉆探取心資料確定了水合物生產(chǎn)試驗(yàn)井井位。選用“地球號(hào)”鉆井船(圖20)和常規(guī)油氣鉆采設(shè)備實(shí)施作業(yè)。

圖20 “地球號(hào)”鉆井船遠(yuǎn)眺

6.3 試采生產(chǎn)井、監(jiān)測井與取心孔總體方案

圖21示出了日本南海海槽天然氣水合物試采工程生產(chǎn)井、監(jiān)測井和取心孔的總體方案。生產(chǎn)試驗(yàn)井(AT1-P)與2個(gè)溫度監(jiān)測井(MT1、MT2)于2012年2—3月鉆成。附加鉆進(jìn)AT1-MC取心孔，所鉆進(jìn)取心的60 m孔段包括粘土性泥沙覆蓋層，與砂巖水合物聚集帶(MHCZ)。

圖21 2013年日本南海海槽水合物試采生產(chǎn)井、監(jiān)測井與取心孔總體方案

此次試采生產(chǎn)井穿越的各地層的巖性依次如下：從海底深度997.7—1091 m為單元Ⅰ，是滑移沉積層；1091—1172 m為砂質(zhì)互層；1172—1249 m為單元Ⅲ，是粘土互層；1249—1272 m為粘土層；甲烷水合物聚集帶屬單元Ⅳ，分為兩層：1272—1301 m為上層，1301—1333 m為下層。此次試采井段即在此甲烷水合物聚集帶層段內(nèi)。

此次生產(chǎn)試驗(yàn)中應(yīng)避免發(fā)生的問題：(1)沙粒的產(chǎn)生；(2)地層破壞；(3)水合物重新組成，阻塞甲烷氣流返排。

6.4 生產(chǎn)試驗(yàn)井水合物試采施工作業(yè)

日本南海海槽天然氣水合物試采施工作業(yè)主要分5個(gè)程序(見圖22)：(1)下導(dǎo)管；(2)鉆進(jìn)，隨鉆測井，下套管，注水泥；(3)連接隔水管和防噴器，電纜測井，射孔，控砂；(4)準(zhǔn)備，運(yùn)用減壓法試采水合物，壓井，電纜測井，拆卸隔水管和防噴器；(5)封堵、廢棄生產(chǎn)試驗(yàn)井。

圖22日本南海海槽天然氣水合物試采施工作業(yè)程序

2012年2月15日，開始鉆進(jìn)作業(yè)準(zhǔn)備；3月26日，試采作業(yè)用“地球號(hào)”鉆探船回到清水港；6月29日—7月7日，采集保壓水合物巖心樣品(運(yùn)用改進(jìn)后的CDEX Hybrid PCS鉆具)；2013年1月28日，在現(xiàn)場開始試采施工；3月12日，開始水合物試采氣體返排作業(yè)；3月底前結(jié)束生產(chǎn)試驗(yàn)，回收設(shè)備；2013年8月，回收剩余設(shè)備器材[26]。

鑒于生產(chǎn)向天空排出的是甲烷可燃性氣體，安全生產(chǎn)試驗(yàn)十分重要。特提出了以下3項(xiàng)要求：(1)所有艦船與人等遠(yuǎn)離施工“地球號(hào)”鉆井船2 km；(2)隨時(shí)注意收聽(看)129.6 MHz廣播，或海洋VHK波段16頻道(發(fā)自“地球號(hào)”鉆井船)，按其指示行事；(3)一旦發(fā)現(xiàn)即將靠近施工現(xiàn)場的飛機(jī)和艦船，立即停止水合物試采作業(yè)[27]。

6.5 試采成功

日本南海海槽東部海域運(yùn)用降壓法試采生產(chǎn)水合物(圖23)，2013年3月12日開始成功排氣，圖24展示了生產(chǎn)的甲烷氣體在燃燒。本次試采采用了礫石充填的防砂措施，但由于礫石的移動(dòng)引起了篩網(wǎng)的損壞，進(jìn)而產(chǎn)生了出砂現(xiàn)象，導(dǎo)致試采末期發(fā)生了生產(chǎn)井通道砂堵問題，在3月18日不得不終止。AT1-P生產(chǎn)井6 d試采共產(chǎn)生甲烷氣120000 m3，平均日產(chǎn)氣量20000 m3[28]。

圖23 2013年3月12—18日，日本海域水合物試采“地球號(hào)”鉆井船

圖24 日本南海海槽天然氣水合物試采生產(chǎn)出的甲烷氣體在燃燒

7 2017年6月日本南海海槽東部天然氣水合物再次試采成功[29]

7.1 2013年日本南海海槽東部水合物試采故障發(fā)生的原因

2013年3月日本南海海槽東部水合物試采作業(yè)，其生產(chǎn)井段采用裸眼礫石充填的防砂技術(shù)，試采6日后，隨著儲(chǔ)層水合物不斷的分解，地層虧空量逐漸增大，從而導(dǎo)致礫石充填井段發(fā)生松動(dòng)、引起礫石層壁上部形成空穴，使攜帶地層細(xì)砂的混合流體對(duì)礫石篩管造成強(qiáng)烈的沖蝕，迅速導(dǎo)致防砂功能失效，試采作業(yè)中止。

7.2 2017年6月日本南海海槽東部第二次天然氣水合物成功試采[30]

7.2.1 2017年5月日本又在南海海槽東部實(shí)施水合物合物試采作業(yè)

2017年5月，日本再次在南海海槽東部實(shí)施水合物試采施工作業(yè)。這次改用先期膨脹GeoForm篩管實(shí)施防砂，但是效果還是不佳，仍然因生產(chǎn)井筒埋砂，防砂失敗。在12日(5月4—16日)的連續(xù)水合物試采期間，累積生產(chǎn)甲烷氣量僅為35000 m3。

7.2.2 2017年6月日本南海海槽東部水合物試采再次獲得成功

2017年6月日本南海海槽東部水合物試采，進(jìn)一步改進(jìn)了防砂技術(shù)。此次試采工程，采用井下膨脹GeoForm篩管，取代上次所用的先期膨脹GeoForm篩管，取得良好的防砂效果。此次水合物試采工程是繼2013年成功試采后，又取得的第二次海域水合物的成功試采。在24日的持續(xù)生產(chǎn)期間，累積生產(chǎn)甲烷氣量240000 m3,平均日產(chǎn)氣量10000 m3。

圖25為日本南海海槽東部第二次天然氣水合物試采的實(shí)施體系。

圖25 日本第二次海域天然氣水合物試采的實(shí)施體系[31]

至此，日本成功地完成了其“21世紀(jì)天然氣水合物研發(fā)計(jì)劃(MH21)”第二階段的兩次天然氣水合物試采任務(wù)目標(biāo)。

8 總結(jié)與建議

(1)日本于2013年3月在其南海海槽完成的天然氣水合物試采，6日生產(chǎn)甲烷氣體120000 m3，平均日產(chǎn)氣量20000 m3。盡管試采末期發(fā)生了生產(chǎn)井通道砂堵問題，試采作業(yè)未能繼續(xù)進(jìn)行，但這六日持續(xù)的甲烷天然氣開采仍然被國際上認(rèn)為是世界上第一次對(duì)海域天然氣水合物的試采工程。這是國際天然氣開發(fā)史上的一座里程碑。接著，日本又于2017年6月在南海海槽解決了砂堵生產(chǎn)管道的問題，成功地實(shí)施了第二次水合物試采工程。在24日持續(xù)生產(chǎn)期間累積產(chǎn)氣240000 m3，平均日產(chǎn)氣量10000 m3。目前，日本在海域天然氣水合物的調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)與試采工程總體實(shí)力居于世界領(lǐng)先地位。

(2)水合物保壓取心技術(shù)是水合物勘查體系中最重要的關(guān)鍵技術(shù)。目前世界上除美國的PCS[5]，日本的CDEX Hybrid PCS,歐洲的FPC、FHRC與PTCB之外，我國已研發(fā)成功TKP-1型保溫保壓取心鉆具(北京探礦工程研究所)[32]。后者于2015年在我國南海兩次海試中，據(jù)多次保壓取心回次統(tǒng)計(jì)，保壓成功率達(dá)到70%～80%，其效果可與美國、日本和歐洲同類保壓取心鉆具媲美。

但是，從1973年美國首次研發(fā)應(yīng)用PCB至今約45年的期間內(nèi)，雖然目前國際上可提供四大類水合物保壓取心系統(tǒng)，但是其保壓取心技術(shù)性能仍然不能滿足實(shí)際需要，可靠性和保壓成功率仍然不高。據(jù)部分資料分析，現(xiàn)有各型保壓取心器的保壓成功率通常維持在60%～70%[2，5]，或更低。所以，進(jìn)一步提高水合物保壓取心技術(shù)的可靠性，將其保壓取心成功率平均提高到80%以上，仍然是相關(guān)各國努力爭取達(dá)到的共同目標(biāo)。

(3)天然氣水合物巖心樣品在高壓(大于10 MPa)下的轉(zhuǎn)移和測試鑒定技術(shù)同樣是水合物調(diào)查評(píng)價(jià)的重要關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過約20年的努力，目前美國與日本，以及歐洲分別研發(fā)出PCCT和HYACINTH系統(tǒng)。這兩套水合物壓力巖心測試鑒定系統(tǒng)經(jīng)逐步改進(jìn)，趨于成熟，且相互交叉融合，已廣泛應(yīng)用于美、日、歐，以及其它國家，包括中國2007—2016年期間的4次南海水合物調(diào)查評(píng)價(jià)，以及印度和韓國海域水合物的多次調(diào)查評(píng)價(jià)。我國近年來在壓力巖心轉(zhuǎn)移和測試分析技術(shù)方面發(fā)展迅速，但恐還缺乏獨(dú)立的從海域水合物取樣現(xiàn)場直至到陸地專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)水合物壓力巖心樣品轉(zhuǎn)移和測試鑒定的整套技術(shù)系統(tǒng)。建議我國今后加強(qiáng)這方面的研究開發(fā)。

(4)藉助海域天然氣水合物調(diào)查和開發(fā)的硬件平臺(tái)，加強(qiáng)地球科學(xué)向多圈層交互作用方向?qū)嵤┺D(zhuǎn)變的平臺(tái)，特別是促進(jìn)地學(xué)與生物學(xué)進(jìn)一步交叉融合的平臺(tái)。地質(zhì)學(xué)與生物學(xué)的融合滲透源遠(yuǎn)流長，傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)中巖石學(xué)、地層學(xué)等和古生物學(xué)是緊密聯(lián)系的。20世紀(jì)后半葉，海洋科學(xué)鉆探(DSDP、ODP)除以采取巖心實(shí)物證實(shí)板塊學(xué)說等重大地質(zhì)學(xué)發(fā)現(xiàn)，還發(fā)現(xiàn)深海海底極端條件下，即高溫(黑煙囪出口)、高壓、無氧、黑暗(無陽光)下的化學(xué)合成作用生態(tài)系統(tǒng)，顛覆了傳統(tǒng)生物學(xué)唯一的光合作用生態(tài)系統(tǒng)。而1996年建立的大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃(ICDP)，和2003年啟動(dòng)的綜合大洋鉆探計(jì)劃(IODP)，均將地球深部生物圈微生物納入其科學(xué)研究的主題。海域天然氣水合物的調(diào)查與試采工程耗費(fèi)巨資(許多億)所建造的鉆探船/鉆探平臺(tái)(如美國“決心號(hào)”，日本“地球號(hào)”)及其配置的鉆探設(shè)備，和保壓取心系統(tǒng)(如Hyace的FHRC和FPC等)，以及壓力巖心測試鑒定系統(tǒng)(如PCCT、HYACINTH),不但可應(yīng)用于水合物的調(diào)查評(píng)價(jià)，也可運(yùn)用于海底深部高壓下微生物巖心樣品的采取，高壓轉(zhuǎn)移與高壓下的測試研究(如BIO，DeepIsoBug)。所以，建議我國利用海域天然氣水合物調(diào)查和開發(fā)的硬件平臺(tái)，積極地開展巖石圈與(深部)生物圈交叉融合研究，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科、多專業(yè)、多領(lǐng)域的交互綜合研究，以解決整個(gè)人類生存和發(fā)展中與地球系統(tǒng)科學(xué)相關(guān)的重大問題。

(5)天然氣水合物開采有可能引起地質(zhì)災(zāi)害、破壞生態(tài)系統(tǒng)及導(dǎo)致地球溫室效應(yīng)。日本在南海海槽，美國和加拿大分別在阿拉斯加和Mallik實(shí)施水合物試采工程，都非常重視水合物開采的環(huán)境效應(yīng)影響研究。特別是日本，制定了環(huán)境效應(yīng)影響研究戰(zhàn)略，運(yùn)用綜合性方法技術(shù)，研發(fā)多種監(jiān)測儀器裝備，開展海洋三維空間、多類型儀器的監(jiān)測，監(jiān)測采集的全部數(shù)據(jù)經(jīng)海洋生態(tài)模型驗(yàn)證，由數(shù)字模型作出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測。這種重視天然氣水合物試采環(huán)境效應(yīng)影響的方針，與采取的戰(zhàn)略和方法技術(shù)是值得其他實(shí)施天然氣水合物試采的國家和地區(qū)參考和借鑒的。

(6)分析自2002年以來，15年內(nèi)天然氣水合物7次成功試采的實(shí)踐，運(yùn)用熱注法1次(2002年加拿大Mallik永凍帶)，降壓法5次(2008年加拿大Mallik永凍帶、2013年日本南海海槽、2015年中國祁連山凍土帶、2017年中國南海、2017年日本南海海槽)，CO2-CH4置換法1次(2012年美國阿拉斯加北坡)。其中降壓法因其具有簡單、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用次數(shù)較多。熱注法因要求地層具有高滲透性，且在儲(chǔ)層與圍巖熱損失較大，不宜單獨(dú)運(yùn)用于水合物試采。而CO2-CH4置換法具有水合物開采期中及之后，水仍然保留于儲(chǔ)層之中，有利于保持地層穩(wěn)定性，適用于具有潛在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)的地(海)域的水合物開采。

但是，多次試采實(shí)踐表明，水合物最佳的開采方式將是組合方式，即一種方法為主，其它方法為輔。如2008年加拿大Mallik永凍帶水合物開采，以降壓法為主，在生產(chǎn)井下安置加熱器以熱注法輔助；2012年美國阿拉斯加北坡永凍帶水合物試采，以CO2-CH4置換法為主，而在生產(chǎn)井內(nèi)安置噴射泵以降低儲(chǔ)層壓力為輔。當(dāng)然，將來也許會(huì)出現(xiàn)一些新的天然氣水合物開采方法。

(7)2017年5—7月，我國在南海神狐海域天然氣試采取得圓滿成功。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(shí)間最長、產(chǎn)氣總量最大、氣流穩(wěn)定、環(huán)境安全等多項(xiàng)重大實(shí)破性成果，創(chuàng)造了產(chǎn)氣時(shí)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。

(8)天然氣水合物的商業(yè)化開采是個(gè)漫長的過程。開采技術(shù)完善成熟需要時(shí)間，解決防止災(zāi)害環(huán)境保護(hù)，加強(qiáng)研究和布署需要時(shí)間，更重要的是，要將水合物開采的甲烷氣體產(chǎn)品以有競爭力的價(jià)格打入市場，更是極大的挑戰(zhàn)和困難，特別是在常規(guī)油氣，甚至其它非常規(guī)油氣(頁巖油氣、致密油氣等)在市場上尚能夠長期足量提供的情況下。太陽能、風(fēng)能等更為“清潔”的可再生能源迅速的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，也將是未來能源市場上的強(qiáng)勁對(duì)手。所以，水合物的商業(yè)化開采任重道遠(yuǎn)，宜從基礎(chǔ)研究抓起，穩(wěn)扎穩(wěn)打，逐步地建立起完整的、成熟的水合物調(diào)查和開發(fā)體系，不斷地提高水合物試采的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，水合物商業(yè)化開采的時(shí)日或許能夠早日到來。

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致謝：本文主要參考文獻(xiàn)取自美國能源部(DOE,US)下屬國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(NETL)所辦 “冰中之火-氣體水合物通訊”(Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter)期刊、國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃(IODP)與國際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃(ICDP)聯(lián)辦的“科學(xué)鉆探期刊”(Scientific Drilling Journal)，與日本國家油氣和金屬公司網(wǎng)站( www.jogmec.go.jp/)，以及其他相關(guān)文獻(xiàn)。在本文撰寫結(jié)束之際，筆者對(duì)美國NETL的Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter, IODP與ICDP 聯(lián)辦的Scientific Drilling Journal期刊，www.jogmec.go.jp網(wǎng)站，及其中各相關(guān)文章的作者，以及其它國內(nèi)外參考文獻(xiàn)的網(wǎng)站、書籍的作者和譯者表示深切的謝意!