李子豐， 韓 杰

（燕山大學(xué)石油工程系，河北秦皇島 066004）

世界能源消耗量不斷增長，對(duì)環(huán)境的影響日益凸顯，對(duì)環(huán)境保護(hù)提出了更高要求。煤炭等常規(guī)資源在使用過程中會(huì)對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而影響人們的日常生活和身體健康。天然氣水合物作為一種新型清潔能源，如果能夠進(jìn)行商業(yè)化開采并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活，將會(huì)提高人們生活的環(huán)境質(zhì)量。天然氣水合物是天然氣與水在高壓、低溫條件下形成的類似冰狀的結(jié)晶物質(zhì)，因其外觀像冰，遇火可燃燒，所以又被稱為“可燃冰”、“固體瓦斯”或者“氣冰”[1]。天然氣水合物主要埋藏在海洋深水海底地層、大陸永久凍土、島嶼的斜坡地帶、大陸邊緣的隆起處、極地大陸架及內(nèi)陸湖的深水湖底地層內(nèi)[1-7]。研究認(rèn)為，天然氣水合物中碳的總量約為當(dāng)前已探明所有化石燃料（包括煤、石油和天然氣）中碳總量的2倍[8]。

目前，天然氣水合物的開采還處于勘探、試采和小規(guī)模開采階段[9]，進(jìn)展緩慢的主要原因是對(duì)天然氣水合物的開采方式還沒有達(dá)成共識(shí)，主要是擔(dān)心開采過程中天然氣水合物會(huì)瞬間大規(guī)模氣化，對(duì)環(huán)境造成災(zāi)難性的影響。為此，筆者分析了天然氣水合物開采過程中的環(huán)境安全問題，從天然氣水合物氣化開采原理、開采實(shí)踐等方面探討了天然氣水合物開采的低速性和環(huán)境安全性。

1 開采過程中的環(huán)境問題

海底天然氣水合物從海底開采出來過程中，可能會(huì)破壞海底的穩(wěn)定性和海洋生態(tài)環(huán)境等，甚至影響到整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定性。目前，開采海底天然氣水合物時(shí)人們普遍擔(dān)心的主要有海底天然氣水合物瞬間大規(guī)模氣化、破壞海洋生態(tài)環(huán)境、加劇全球變暖、產(chǎn)生海底地質(zhì)災(zāi)害等問題。

1）海底天然氣水合物的瞬間大規(guī)模氣化。一些學(xué)者認(rèn)為天然氣水合物一旦被開采，將無法控制，會(huì)出現(xiàn)天然氣水合物大規(guī)模瞬間氣化的情況[10]。具體的認(rèn)識(shí)是：開采天然氣水合物的過程涉及外來工具或能量的介入，天然氣水合物在海底的穩(wěn)定狀態(tài)將被破壞，由介入點(diǎn)開始逐步蔓延擴(kuò)大，大面積的天然氣水合物受到影響，可能出現(xiàn)瞬間大規(guī)模氣化的情況；海底產(chǎn)生的大量氣體，會(huì)使海水發(fā)生大幅度的波動(dòng)，產(chǎn)生類似于海底地震的效果。

2）破壞海洋生態(tài)環(huán)境。在開采天然氣水合物的過程中，部分天然氣會(huì)通過海底土壤孔隙向水體中泄露，破壞海洋生態(tài)環(huán)境。進(jìn)入海水中的天然氣，在水體中氧氣充分的情況下，大部分會(huì)與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳；生成的二氧化碳在海底可以溶解碳酸鹽礦物；沒有反應(yīng)的天然氣和二氧化碳繼續(xù)向上運(yùn)移，部分二氧化碳在靠近海面時(shí)會(huì)被海水中的浮游植物轉(zhuǎn)化為氧氣；剩余的天然氣和二氧化碳會(huì)逸出海面進(jìn)入大氣層。天然氣對(duì)海洋生態(tài)的破壞主要是對(duì)海水中氧氣的消耗，而氧氣被消耗又是導(dǎo)致海洋生物滅絕的直接原因。因此，部分專家學(xué)者認(rèn)為天然氣水合物的開采必將影響到海洋生態(tài)平衡，導(dǎo)致部分海洋生物的滅絕[11-12]。

3）加劇全球變暖。一些學(xué)者認(rèn)為天然氣水合物分解產(chǎn)生的天然氣（主要成分是甲烷）與二氧化碳一樣，也是溫室氣體，并且同質(zhì)量甲烷產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是二氧化碳的20～30倍，因此擔(dān)心天然氣水合物開采過程中會(huì)有大量天然氣泄露到空氣中，對(duì)現(xiàn)有大氣的組成造成惡劣影響，加劇全球變暖，改變?nèi)驓夂騕11-12]。

4）產(chǎn)生海底地質(zhì)災(zāi)害。分析已有試采結(jié)果后認(rèn)為，海底的天然氣水合物增大了附近沉積物儲(chǔ)層的機(jī)械強(qiáng)度。如果天然氣水合物分解為游離氣和孔隙水，將會(huì)使沉積物儲(chǔ)層的地質(zhì)力學(xué)穩(wěn)定性大幅度降低[13-15]，而地層巖土強(qiáng)度降低是天然氣水合物開采中可能造成地質(zhì)災(zāi)害（如海床塌陷、海底滑坡）的根本原因。

2 主要開采方法的基本原理

天然氣水合物處于穩(wěn)定狀態(tài)的溫度壓力條件是一定的，可由相平衡曲線確定，穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度為0～10 ℃，壓力在10 MPa以上。通過應(yīng)用工程技術(shù)措施破壞天然氣水合物的穩(wěn)定狀態(tài)，使其不斷分解，這是目前天然氣水合物開采方法的基本原理。由于天然氣水合物的動(dòng)力學(xué)問題尚未研究清楚，許多開采技術(shù)和工藝還只能停留在試驗(yàn)階段。

2.1 常規(guī)開采方法

天然氣水合物以固態(tài)形式埋藏在海底儲(chǔ)層中，開采過程中會(huì)發(fā)生相態(tài)的變化，從固體轉(zhuǎn)變成氣體和水[16]。天然氣水合物的分解熱為54.67 kJ/mol[15]。在井筒中向上流動(dòng)的同時(shí)，隨著壓力的降低，體積膨脹，需要吸熱。對(duì)熱量的吸收是天然氣水合物開采中需要重點(diǎn)考慮的因素。目前，天然氣水合物常規(guī)開采方法主要有降壓開采、化學(xué)劑注入開采和熱力開采[17-25]。

降壓開采法是通過降低天然氣水合物儲(chǔ)層的壓力，使天然氣水合物的相平衡點(diǎn)產(chǎn)生變動(dòng)，從而使其分解。傳統(tǒng)意義上的降壓方式主要有2種[19]：1）抽出井筒內(nèi)的液體或降低井筒內(nèi)液體的密度來降壓；2）泵出天然氣水合物層下方的游離氣體或者其他流體，達(dá)到降低天然氣水合物層壓力的目的。降壓開采天然氣水合物時(shí)不需要注入太多人工能量，所需要的能量主要是地層內(nèi)部的熱流。由于沒有人工熱源供熱，只利用地層溫度提供熱量，單一使用降壓法開采天然氣水合物的速度是緩慢的。降壓法對(duì)于儲(chǔ)層溫度太低（接近或者低于0 ℃）的天然氣水合物藏并不適用，主要原因是低于0 ℃時(shí)水可能以冰的形式存在。冰的存在會(huì)對(duì)天然氣水合物的氣化以及氣態(tài)天然氣的輸送產(chǎn)生一定影響。

化學(xué)劑注入法[8]主要是通過向天然氣水合物儲(chǔ)層中注入鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇等化學(xué)劑，破壞天然氣水合物分子間的氫鍵，改變溫度和孔隙壓力，使天然氣水合物的相平衡條件發(fā)生變化，從而分解為天然氣和水。該方法存在化學(xué)藥劑價(jià)格昂貴、作用過程比較緩慢、可能造成環(huán)境污染的問題。

熱力開采是通過鉆井技術(shù)在穩(wěn)定的天然氣水合物儲(chǔ)集層中安裝管道，利用管道對(duì)地層進(jìn)行加熱，提高管道附近儲(chǔ)集層的溫度，促進(jìn)天然氣水合物不斷分解。熱力開采法的不足之處是熱損失大，熱效率低。

由以上分析可知，在天然氣水合物開采過程中，熱量的供給是至關(guān)重要的因素。在壓力一定的條件下，只有熱量供給充足，天然氣水合物才能不斷分解出氣態(tài)天然氣；若熱量供給不足，天然氣產(chǎn)量就會(huì)降低；一旦熱量供給停止，將不再分解產(chǎn)生天然氣。

2.2 固態(tài)流化法

針對(duì)于常規(guī)開采方法的不足，周守為、伍開松等人[26-29]提出了海底天然氣水合物固態(tài)流化開采方法，基本流程如圖1所示。

圖1 深水淺層非成巖天然氣水合物固態(tài)流化開采示意[29]Fig.1 Schematic diagram of solid-state fluidized exploitation of deep-water shallow layer non-diagenetic gas hydrates[29]

該方法的基本原理是：首先利用天然氣水合物在海底溫度和壓力條件下的穩(wěn)定性，采用機(jī)械辦法將地層中的固態(tài)天然氣水合物碎化；然后在海底進(jìn)行分離、分解；最后將分離、分解后的含氣水合物漿體舉升到水面工程船，分離后的固體巖屑排放在海底。具體施工流程為[26]：海洋鉆井鉆至天然氣水合物目的層后，采用鉆桿固井方式固井，并在鉆桿中下入連續(xù)油管鉆穿井底鉆頭，再采用噴射短節(jié)在井底射流破碎天然氣水合物至細(xì)小顆粒，并將天然氣水合物顆粒攜帶出井筒，最后分離出天然氣。固態(tài)流化方法在技術(shù)上是可行的，但存在著不足，即在開采過程中需要一直進(jìn)行采礦作業(yè)，這與常規(guī)的油氣開采有很大區(qū)別。對(duì)于常規(guī)油氣，鉆井完井結(jié)束后主要依靠地層的滲流進(jìn)行開采，后期可能需要人工舉升方式的輔助，但不需要一直對(duì)地層進(jìn)行破碎施工。持續(xù)鉆進(jìn)需要鉆進(jìn)設(shè)備的不斷運(yùn)行，大大增加了開采成本，導(dǎo)致商業(yè)應(yīng)用前景不太樂觀。

3 開采及環(huán)境安全性分析

天然氣水合物的開采過程并不是一個(gè)迅速的過程，需要能量的補(bǔ)充和緩慢的氣化。筆者認(rèn)為，在現(xiàn)有開采水平下，天然氣水合物的開采是低速的、環(huán)境是安全的。

3.1 開采速度

3.1.1 氣化界面向外延伸形成低溫區(qū)

開采過程中，由于天然氣水合物的氣化和氣態(tài)天然氣的膨脹，不斷吸熱，會(huì)在開采井附近形成低溫區(qū)，并且隨著開采時(shí)間增長，低溫區(qū)會(huì)越來越大，核心區(qū)的溫度越來越低（見圖2）。溫度的持續(xù)降低和低溫區(qū)的不斷擴(kuò)大，一方面會(huì)使天然氣水合物的氣化速度變慢，另一方面會(huì)使地層能量傳遞到開采井附近的速度變慢，導(dǎo)致產(chǎn)量逐步降低。2017年，我國在南海進(jìn)行了天然氣水合物降壓法開采試驗(yàn)，初期產(chǎn)量很高，后期產(chǎn)量低。截至關(guān)井，連續(xù)試采60 d，累計(jì)產(chǎn)氣量超過30×104m3，平均日產(chǎn)氣量5 000 m3以上，最高日產(chǎn)氣量達(dá)3.5×104m3[30]。

圖2 開采過程中井筒附近低溫區(qū)示意Fig.2 Schematic diagram of the low temperature zone near wellbore during the exploitation process

3.1.2 氣化速度受地層供熱速度制約

在無人工供熱條件下，采用降壓開采法等方法開采天然氣水合物時(shí)，天然氣水合物分解所需熱量只能由地層提供，而地層的導(dǎo)熱系數(shù)一般比較小。國內(nèi)一些學(xué)者對(duì)黏土、砂土的導(dǎo)熱系數(shù)做過相關(guān)研究，結(jié)果表明，黏土、砂土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著含水率升高先增大再減小，在含水率為25%左右時(shí)達(dá)到最大值，黏土、砂土的最大導(dǎo)熱系數(shù)分別約為1.543和1.335 W/（m·K）[31-35]。因此，天然地層熱量的供給是一個(gè)緩慢的過程，制約了天然氣水合物分解的速度，造成天然氣水合物在降壓開采條件下不會(huì)持續(xù)高產(chǎn)[36-37]。隨著孔隙壓力的降低，儲(chǔ)層慢慢沉降、壓實(shí)，孔隙度和滲透率降低，產(chǎn)量也隨之降低。

3.1.3 大規(guī)模氣化、失控風(fēng)險(xiǎn)

天然氣水合物類似一種含天然氣的冰或雪，冰或雪不會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的突然汽化，只會(huì)隨著環(huán)境的改變發(fā)生緩慢的變化。因此，天然氣水合物也不會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模、失控的氣化。

3.2 環(huán)境安全性分析

3.2.1 大規(guī)模滲漏風(fēng)險(xiǎn)

天然氣水合物氣化并順利進(jìn)入井筒的前提條件是井筒內(nèi)的壓力低于儲(chǔ)層的原始?jí)毫ΑＩa(chǎn)井井筒內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與儲(chǔ)層連通的低壓區(qū)，氣化后的天然氣水合物在壓力作用下，主要向井筒內(nèi)移動(dòng)，進(jìn)入海水中的天然氣會(huì)由于壓力作用而減少。因此，正常生產(chǎn)時(shí)進(jìn)入海水中的天然氣與開采之前相比只會(huì)減少，而不會(huì)增加。

3.2.2 海洋生態(tài)影響

海底之下天然氣水合物分解后產(chǎn)生的一些流體組分從海底表面溢出，從而形成冷泉，如圖3所示。之所以稱其為冷泉，是因?yàn)樘烊粴馑衔锓纸猱a(chǎn)生氣態(tài)天然氣和氣態(tài)天然氣膨脹過程中均需要吸收大量的熱量，從而降低了周圍環(huán)境的溫度。同時(shí)，由于海底表面溢出的流體中含有甲烷、硫化氫等組分，可為一些海底微生物提供足夠的養(yǎng)分[38]，冷泉區(qū)域一般都是深海海底生命比較活躍的地方。與海底其他區(qū)域相比，冷泉好像“沙漠中的綠洲”。冷泉周圍能夠形成生物群落，表明地層將熱量傳到氣化界面的速度是很慢的，天然氣水合物在天然能量條件下不會(huì)劇烈、迅速地分解，而是緩慢、持續(xù)地分解。

天然氣水合物的開采對(duì)海洋生物的影響主要體現(xiàn)在以下2方面：

圖3 海底冷泉及生物群落示意Fig.3 Schematic diagram of subsea cold springs and biomes

1）海底冷泉附近存在生物群落，說明天然氣的少量逸出有利于海底生物群落的形成；

2）海水中如果只存在氧氣，而沒有天然氣等有機(jī)物質(zhì)，許多物種將因?yàn)槿鄙偈澄锕┙o而面臨滅絕。

在海洋生態(tài)環(huán)境中，只有海水、氧氣和天然氣等均存在的情況下，才能達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。天然氣水合物的開采原理決定了泄漏于海水中的天然氣量并不大，有時(shí)可能會(huì)減少冷泉的氣量，但減少數(shù)量有限。因此，現(xiàn)有技術(shù)水平下天然氣水合物的低速開采，不會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生太大影響。

3.2.3 常規(guī)災(zāi)害

天然氣水合物的開采與其他礦產(chǎn)的開采一樣，都會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的負(fù)面作用，如海床塌陷、海底滑坡，均屬于常規(guī)災(zāi)害。由于海底情況的復(fù)雜性，此類災(zāi)害存在一定的不可控性，且是不可避免的，但對(duì)環(huán)境的危害不大。

4 結(jié) 論

1）天然氣水合物作為一種比較清潔的能源，可以安全開采和利用。

2）天然氣水合物在開采過程中由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)和液態(tài)，發(fā)生相態(tài)變化和氣體體積的膨脹需要大量的熱。受地層供熱速度的制約，天然氣水合物的開采具有低速性。

3）天然氣水合物的開采會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定影響，但不會(huì)爆發(fā)大規(guī)模、無控制的氣化，也不會(huì)對(duì)海洋水體、海洋生態(tài)環(huán)境和大氣產(chǎn)生嚴(yán)重影響，只可能發(fā)生海床塌陷、海底滑坡等常規(guī)災(zāi)害。因此，開采天然氣水合物對(duì)環(huán)境危害不大，可認(rèn)為是安全的。