我国可燃冰试采成功的中国特色
方华灿
中国石油大学(北京)
     2017年5月18日，我国国土资源部部长姜大明在南海的“蓝鲸一号”平台上，宣布我国南海神狐海域天然气水合物试采成功。它标志着我国成为全球第一个实现了在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家，在这场国际竞赛中，中国最终成为胜出方。日本曾于2013年在其南海海槽进行过海上可燃冰试采，但因出砂等技术问题失败。2017年4月在同一海域他们又进行了第二次试采，第一口试采井累计产气3.5万立方米，至5月15日(即我国5月18日试采成功前3天)再次因出砂问题中止产气。我国从5月10日起，国土资源部中国地质调查局自南海神狐海域水深1266米的海底以下203—277米处的可燃冰矿藏中开采出了天然气。截至5月17日15时，试采总量己达12万立方米(超过日本的3.5万立方米)，最高产量达到了3.5万立方米/天，试采平均日产量超过1.6万立方米，达到了试采可燃冰的国际标准(平均日产量超过1.2万立方米；连续生产7天以上) ，从而超过日本成为这场国际竞赛中的胜出方。党中央、国务院发出贺电，给出高度评价说： “中国人民勇攀世界科技高峰的又一标志性成就，对推动能源生产和消费革命具有重要而深远的影响”。 那么，我国这次在海域可燃冰试采成功取胜，除了勇攀世界高峰的精神力量之外，在物质力量方面又依靠的是什么呢？一言以蔽之，那就是具有中国特色的工程方案、技术、装备，本文下面即拟分述在这次我国海域可燃冰试采成功中具有中国特色的工程方案、技术与装备。
“中国方案”
   此次试开采地点，位于距离香港285公里的南海北部神狐海域，如图1所示，乘直升机从珠海九州机场起飞，飞行约90分钟即可到达。可燃冰矿藏埋在水深1266米海底下200米的海床中。这次首次试采的海域有11个矿体、面积128平方公里，资源储存量达到1500亿立方米，相当于1.5亿吨石油储量。
 
图1  我国在海域试采可燃冰成功的所在位置
   可燃冰，学名天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate），是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，主要成分是甲烷和水分子。从外形上看，可燃冰就像是白色或浅灰色的冰雪晶体。这时候如果有火源，它就可以像固体酒精一样被点燃，所以被称为“可燃冰”，如图2所示 。
 
图2  可燃冰的类冰状的结晶物质
    我国南海神狐海域的可燃冰储层是属于天然气水合物泥质粉砂型储层类型，这类储层的资源量在世界上占比超过90%，它不仅是全球，也是我国主要的储集类型。本次试开采是世界上第一次针对粉砂质水合物进行开采试验，对全球及我国均具有重要战略意义。可燃冰试采工程包括井位合理选定、工程地质勘查、关键钴采技术和最佳试采工艺以及试采平台优选等诸多方面，我国在进行这次试采工程时，采取怎样的思路作为指导，可以将其统称为试采工程方案。因为这次试开采是我国在世界上第一次针对粉砂质水合物进行，具有鲜明的中国特色，故即称之为“中国方案”。 自上述可知，试采工程包括的方方面面很多，文章不可能一一论述，下面仅举出两个例子，来阐明具有中国特色的“中国方案”。
   举例之一是分解甲烷的控制减压法。可燃冰在水深1100~3000米的海底，其所处的地质环境非常复杂，如何将可燃冰中的甲烷气体分解出来，这是试采工艺中的难点。目前国外常用的有3 种方案，一曰热解法，即利用“可燃冰”在温度升高时会自动分解的特性，通过加温方式向可燃冰层注入热能，使其由固态分解出甲烷气体，再与水分离产出气。这种开采方式虽然在国外已基本上获得成功，但因整个开采过程要对甲烷进行两次分离，还要消耗大量能源来加热，故不宜实用。二曰置换法，它是将将化学试剂注入“可燃冰”层中，使其与可燃冰产生化学反应，从而改变可燃冰的稳定平衡状态，使其发生失稳作用而进行开采。这种方法同“热解法”一样，因对甲烷气体难以进行有效收集，布设收集管道是个难以解决的问题，故至今未获成功。三曰降压法，因为一般“可燃冰”层下面往往存在有游离的天然气，所以这些天然气若被抽出来之后，便能降低矿层的压力，使矿层中的“可燃冰”由于压力减小而失稳分解。但是，由于穿过可燃冰层去抽出其下面的天然气，技木上难度很大，故也未获成功。
   我国提出的方案，笔者将其暂定名为分解甲烷的控制减压法。这种方法是先在海底的可燃冰上打眼(钻孔)，然后使用减压泵对可燃冰减压，让天然气一次分解出来，从而实现有控制地将甲烷从水合物中直接分解出来的目的。但是，由于覆盖储层的是沙质，很软，在它上面钻孔就好比是在“豆腐上打铁”、用 “金刚钻绣花” ，施工非常困难，这就要求解决测井数据采集需要高排量与低排量钻进之间的矛盾；泥浆比重的合理配值、钻井安全及地层防漏失的协调等一系列技术难题。显然，分解甲烷的控制减压法与国外试验的三种方法完全不同，但它是试验成功了，因而它是具有中国特色的“中国方案”之一。
   举例之二是改善渗透的水力割缝法。我国水合物储层不仅主要是泥质粉砂, 而且储层渗透率低。针对这个实际情况,在研究开采方案时，我国提出了采用创新的水力割缝法对储层进行改造，以提高储藏的渗透率的方法。这种方法，是对可燃冰的储藏进行割缝，有了适当尺寸的缝隙，作为通道便于渗透，从而大大提高了水合物的渗透率。其实，它与老油田增产采用压裂的方法，改善油藏渗透性能的原理是一样的，只是对于泥质粉砂的可燃冰储层不能采用压裂的方法，否则“豆腐就碎了” 。因此，创新地提出采用柔和的水力进行割缝，应用水力喷射钻井工艺，借助从钻头水眼喷出的液流进行割缝。我国的试采实践表明,割缝效果良好,大大提高了储层的渗透率，因而，具有中国特色的“中国方案”成功了。
“中国技术”
  “中国方案”的实施 ，需要一系列工程技术的运用。为此，在此次试采可燃冰的过程中，我国研发出了8项工程技术创新，因其均具有中国特色，故可将其称之为“中国技术”，下面对此8项“中国技术”，做些简要说明。
第一， 窄密度窗口平衡钻井技术。为了解决测井数据采集需要高排量与低排
量钻进之间的矛盾，提出了窄密度窗口控制钻井的泥浆比重的技术。窗口即调节泥浆的密度的上、下限范围，它收窄了有利于满足测井及钻进两方面的需求。
第二， 深水浅层井口稳定性增强技术。我国的可燃冰处于深水、储层埋层浅，
可燃冰稳定性较差，一旦汽化，“封存”它的海底沉积物便会失去稳定，位于海底的井口将会遭到严重破坏，为此，采用了因地制宜的井口稳定性增强技术。 
第三， 松软复杂矿体综合开发技术。我国海域的可燃冰主要属于粉砂型储层，
由于砂细导致渗透性能很差；与此同时我国的可燃冰处于深水、储层埋层浅，致使施工难度更大。这就需要综合解决改善渗透性能、防止浅层汽化，兼顾深水钻采等一整套综合开发技术。
   第四，低渗透率储层改造技术。运用水力喷射钻井工艺，合理控制钻头水眼的液体流速，进行可燃冰储层的水力割缝。它是通过割出的缝隙，有效改善储层低渗透性能的技术。
第五，未固结超细储层举升与防砂技术。当举升分解出的甲烷气体时，未固结的超细粉沙将随同气体一起上升，砂量过多时将会影响出气，日本即因此而中止采气。我国采用远远超过石油工业的防砂极限的完井防砂工艺，成功地解决了防沙难题。
第六，水合物二次生成预防技术。在自海底举升分解出的甲烷气体至水面上的全过程中，如果有水合物生成，将会堵塞通道，以致影响甲烷气体的正常举升，甚至中断试采。因此，必须要防止水合物二次生成，在这次试采过程中，我国创新地提出了水合物二次生成预防技术，成功地防止了水合物的二次生成。
第七，完井与测试系统集成技术。这次试采可燃冰时，研制成了一整套完井与测试系统集成装备与技术, 它将当前的水合物试采需要与长远的科学研究的需求结合起来，测得了多项新数据，为今后水合物开发研究提供了大量科学依据，是为创举。
第八，预防内波灾害的报警信息技术。内波又被称为海洋中“看不见的波动”，是南海特有的频发的一种自然灾害。内波带来的大幅垂向运动和水面上的瞬间位移会对水面和水下生产设施造成极大危害。通过对内波的发生季节、发生时段、影响区域和强度等的深入分析，我国从预报整片海域，到预报单点的海流变化，实现了由‘面’到‘点’成功地解决了精准预报内波问题。能够实时监测并通过卫星实时回传数据，可以第一时间发现达到预警级别的内波，并至少提前6小时发送预警信息到“蓝鲸一号”平台。 
“中国装备”
   这次可燃冰试采的核心装备是“蓝鲸一号”钻井平台。“蓝鲸一号”是我国最新研制成功的世界最大、钻井深度最深的海上半潜式钻井平台，净重超过43000吨、是一个37层楼高的庞然大物。“蓝鲸1号”是由中集(中国国际航运集装箱)集团公司旗下的中集来福士公司自主设计建造的。“蓝鲸一号” 可适用于全球任何深海作业，它是世界仅有的两座(另一座为我国的“981 ”半潜式钻井平台)第七代超深水钻井平台，它代表了当今世界海洋钻井平台设计建造的最高水平，是目前全球最先进的双井架半潜式钻井平台，它将国内深水油气勘探开发能力带入到了世界先进行列。“蓝鲸1号”是专门针对我海洋地质勘探，“量体裁缝”设计建造的，具有中国特色，故可将其称之为“中国装备”。
       2017年2月，“蓝鲸一号”完工建成，就从我国烟台起航，于3月28日抵达神狐海域，担负起了我国首次可燃冰试采任务。图3即为“蓝鲸1号”在海上。
 
图3  我国自主设计建造的“蓝鲸一号”半潜式钻井平台在海上
   “蓝鲸1号”技术性能先进。平台长117米，宽92.7米，高118米，最大作业水深3658米，最大钻井深度15240米，是目前全球作业水深、钻井深度最深的半潜式钻井平台，可适用于全球深海作业。 “蓝鲸1号”突出的先进之处是它配置了高效能的液压双钻井井架，因而与传统的单钻井井架的平台相比，它可提高30%的钻井作业效率。此外，它还配备了全球领先的DP3闭环动力定位系统，可节省10%的燃料消耗， “蓝鲸1号”抗风浪能力高，面对12级飓风仍可保持岿然不动。 
   “蓝鲸1号”其整体用钢约40000多吨，比位于北京的奥运会体育场“烏巢”的钢结构用钢(3万5千吨)还多5000吨。其中，10%为超强度超厚钢，并首次使用了100毫米NVF690超厚钢板，首钢、鞍钢、中国钢铁研究院给予了很大的支持。“蓝鲸一号”拥有27354台设备，40000多根管路，50000多个MCC报验点，电缆拉放长度达120万米。其中，应用于钻井平台的高压泥浆泵系统的规格为114.3×19.05mm、材质为4130的高压泥浆用管，是由华菱衡钢提供的产品，在耐高压、耐腐蚀方面具有很好的性能。
   “蓝鲸一号”上的双钻井井架是它最具特色的先进装备组成之一，如图4所示。

图4  “蓝鲸一号”钻井平台上的双钻井井架
  这种双钻井井架将两个井架组合在一起，它与图5所示的国外在钻井平台上配置的双钻井井架的布置，略有差异，但是它们都是采用液压缸驱动游动滑车，其工作原理是一样的。
 
图5  国外钻井平台上配置的双钻井井架
如图5所示，每个井架内均有两个液压缸，液压缸的活塞杆伸出与游动滑车相连接，因而，液压驱动活塞杆伸缩，游动滑车及钢丝绳随活塞杆上下运动，即可带动大钩及其悬吊的钻杆或套管或隔水管等进行起下作业；另外，由于游动系统悬吊有顶部驱动装置如图5示，它既可沿井架内滑轨上下移动，又可通过液马达驱动钻柱旋转，还可经由水龙头注入钻井液，从而实施钻进作业。显然，这样即可不必在井架内配置常规钻井用的绞车、转盘等钻机装备，而即能实现起升及旋转运动，完成全部钻、完井作业。但是，因为是双井架，如图6左图所示，一个井架在做钻前准备工作，如下入海底导向盘及下导管等作业(左)，另一井架则同时在下隔水管及防喷器组(右) ；待钻前准备工作完成上提钻柱时，则如图6右图示，钻井船略微移位，以使接好的隔水管及防喷器组下放座于海底井口上(右)，而与此同时离开井口的钻柱，则一步一步地向上提(左) 。正是由于这种双井架的同时平行作业，因而使钻井作业效率提高了30%，它在此次深水试采可燃冰的国际竞争中是很重要的“利器”。
 
图6  双钻井井架的同时平行作业
   双钻井井架配备有顶部驱动装置，因此，即不需要常规钻机的转盘，图7即为接立根之后，在顶部驱动装置驱动下，进行正常钻进。
 
图7  在双井架的顶部驱动装置驱动下进行正常钻进
   为了使试采出的天然气烧掉，保护环境，“蓝鲸一号”平台上设置有火炬塔，火炬塔为钢制桁架结构，井中采出的天然气通过管线，经计量后管线直通塔顶。图8即为“蓝鲸一号”平台上的火炬塔及天然气燃烧。
 
图8  “蓝鲸一号”平台上的火炬塔
   为了工作人员来往及运送物资器材方便，“蓝鲸一号”配备有直升飞机，且设置有直升飞机坪，如图9所示。
 
图9  “蓝鲸一号”配备的直升飞机及直升飞机坪，
   自上述不难看出，“蓝鲸一号”不仅是具有中国特色的“中国装备”的核心，而且，不愧为当今世界最先进的半潜式钻井平台之一。
   我国可燃冰试采成功时，中共中央、国务院发出的贺电中说：“海域天然气水合物试采成功只是万里長征迈出的关键一步，后续任务依然艰巨繁重。……希望你們……，为推進綠色發展、保障国家能源安全作出新的更大貢献，為实現“兩个一百年”奋斗目标、实現中华民族伟大復兴的中囯梦再立新功”！这次可燃冰试采成功离商业化目标的实现，还有很长的距离，因此，要踏上新长征路，不仅在技术上要考虑开采方法的高效性，经济性，为商业化提供难上加难的新技术；而且，在经济上还要解决降成本这个难题，要使目前可燃冰开采成本平均高达每立方米200美元(按照1立方米可燃冰可转化成164立方米的天然气换算，约相当于每立方米成本1美元)，降低约四分之三。将这个远高于通过成熟技术开采常规天然气的成本降下来，的确是个大难题。因此，要使我国可燃冰开采商业化成为现实，要使我国资源量超过1，000亿吨油当量，相当于常规天然气探明储量2.8倍，可供我国500年以上天然气消费的可燃冰充分发挥潜力，还面临着诸多挑战，任重而道远。祝愿我国在可燃冰大规模开采及商业应用的国际竞争中，再获全胜！