2016年01月13日 星期三

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科技创新,“首次”背后的实力支撑

——我国海域天然气水合物成功试采的前因后果深度透视之三

来源:中国矿业报 作者:李晓娜 发布时间:2017-06-05

 

2007年,首席科学家杨胜雄教授点燃天然气水合物释放的气体

 

2013年,胜利完成钻探航次合影

 

2013年,首席科学家张光学教授点燃块状天然气水合物

 

科研人员利用激光拉曼光谱仪测定天然气水合物

自5月18日我国宣布首次天然气水合物试采成功后,截至6月2日,试采井已连续产气22天,取得了持续产气时间长、气流稳定、环境安全可控等多项重大突破性成果,已远超日均产气一万立方米以上及连续一周不间断的目标。这是近日国土资源部举行的新闻发布会上传出的消息。

 

“海马”号在南海作业

这是我国首次,也是世界首次成功实现泥质粉砂型天然气水合物的资源安全可控开采。

毋庸置疑,这是一次“历史性突破”和“标志性成就”。正如中共中央、国务院在贺电中所指出——“经过近20年不懈努力,我国取得了天然气水合物勘查开发理论、技术、工程、装备的自主创新,实现了历史性突破;在掌握深海进入、深海探测、深海开发等关键技术方面取得重大成果。这是中国人民勇攀世界科技高峰的又一标志性成就。”

其背后是“中国理论”、“中国技术”、“中国装备”的凝结,也是“中国智慧”、“中国制造”、“中国力量”的彰显,不仅验证了我国天然气水合物勘查和开发的核心技术,也标志着我国在这一领域的综合实力达到世界顶尖水平。那么,支撑起“首次”成功试采、提振国人信心的自主创新和关键技术是什么?试采过程中,形成了哪些技术体系,又有哪些自主研发装备?

理论创新,圆梦南海神狐海域

“本次试采实现了三项重大理论自主创新,建立了‘两期三型’成矿理论,创建了天然气水合物成藏系统理论,创立了‘三相控制’开采理论。”在此次新闻发布会上,中国地质调查局副局长、天然气水合物试采协调领导小组副组长李金发表示。

一直以来,党中央、国务院都密切关注、高度重视天然气水合物资源的勘查开采与研究工作,通过实施国家专项,积累了海量调查数据,不断丰富和完善了海域水合物成藏地质理论,特别是在南海北部陆坡,先后实施了多次水合物钻探取芯,获取了多类型的天然气水合物岩芯样品。

而这与我国海域天然气水合物的基础研究和理论创新不无关系。从启动海域天然气水合物研究到开展海域天然气水合物调查与评价,再到探获和发现海域天然气水合物样品与矿藏,都与海域天然气水合物成矿理论的研究与创新紧密相关。

据专家介绍,“两期三型”成矿理论提出了地质构造控制下二次聚集成矿,及其扩散型、渗透型和复合型三种成矿模式。

而成矿理论的建立完善和南海北部天然气水合物富集规律的提出,也使得我国海域天然气水合物综合调查与评价工作,初步圈定出海域天然气水合物资源最有利的重点目标区。

2011年,以加快南海北部水合物资源远景区勘查评价、选择重点靶区实施水合物试验性开采为目标的水合物钻探专项启动。围绕这一目标,广州海洋局采用开放式研究的路线,在开展分层次多学科综合性勘查评价后,新的钻探靶区被确定在了珠江口盆地东部海域。

2015年在神狐海域,我国再次钻探发现超千亿方级水合物矿藏,为未来水合物试采提供了重要参考靶区……

伴随着天然气水合物专项的实施,我国天然气水合物在野外取得一系列勘探成果,同时以模拟实验和数值模拟等为主要工作手段的水合物相关基础理论研究也取得了长足进展。

作为我国开展海域天然气水合物资源调查与评价、水合物地质理论研究和勘查技术研发工作的中坚力量,广州海洋局首次提出我国南海天然气水合物基础研究系统理论,为南海天然气水合物资源调查实现重大突破提供了引领和支撑作用。

谈到此次试采中的基础研究和理论创新,中国地质调查局青岛海洋地质研究所所长、海域天然气水合物试采现场指挥部副指挥长吴能友也强调“两期三型”成矿理论针对南海地质构造,指导了试采目标的优化,在南海准确圈定了找矿靶区。而创建的天然气水合物成藏系统理论,也在实践中非常好地指导了试采实施方案的科学制订。此外,“三相控制”开采理论将流体力学、热力学和水合物成矿理论相结合,提出了天然气水合物固、液、气三相转化、运动和控制机理,通过多学科不同领域的研究,指导了实践,精准确定了试采降压区间和路径。

在天然气水合物成藏理论研究方面,依托中国地质调查局青岛海洋地质研究所建立的国土资源部天然气水合物重点实验室,通过实验模拟和数值模拟,获取了水合物形成的微观细节与机理,揭示了南海等典型地区天然气水合物成藏过程。

这些基础研究和理论创新,不仅使试采靶区准确圈定,指导了试采实施方案的科学制订,而且在试采实践中得到了检验和证实。

技术突破,试采工艺国际领先

作为一项复杂的高技术密集的系统工程,我国海域天然气水合物试采工作既面临着储层类型为泥质粉砂型而开发难度大的难题,也面临着“无”成功先例、“无”成熟团队、“无”成熟平台、“无”成熟工艺、施工“难”度大等多个难题。

对此,中国地质调查局广州海洋地质调查局局长、天然气水合物试采现场指挥部指挥长叶建良解释称,2002年加拿大陆域天然气水合物试采和2013年日本海域天然气水合物试采的地质条件与我国差异较大,其做法不能照搬,无成熟经验可循。我国南海神狐海域天然气水合物储层类型为泥质粉砂型,该类型资源量在世界上占比超过90%,是我国主要的储集类型。日本、美国、加拿大、韩国等瞄准的天然气水合物试采均为砂质类型,其孔隙条件、稳定条件较好,而我国主要的储集类型具有特低孔隙度、特低渗透率等特点,同时深水区浅部地层松软易垮塌,易发生井漏,钻井风险极高,开发难度最大。

据了解,经过几十年的研究,国际上公认的海域可燃冰开采主要有三种方案,即热解、置换和降压。其中,热解和置换两种方法成本高昂,降压法被视为人类利用可燃冰最有前景的方案。

我国此次试采利用降压法,将海底原本稳定的压力降低,从而打破了天然气水合物储层的成藏条件,之后再将分散在类似海绵空隙中一样的可燃冰聚集,利用我国自主研发的一套水、砂、气分离核心技术最终将天然气取出。

“在试采中,我国实现了六大技术体系、20项关键技术自主创新。”叶建良介绍说,一是防砂技术,包括“地层流体抽取”、未成岩超细储层防砂和天然气水合物二次生成预防技术。二是储层改造技术,包括储层快速精细评价、产能动态评价等技术。三是钻完井技术,包括窄密度窗口平衡钻井、井口稳定性增强和井中测试系统集成技术。四是勘查技术,包括4500米级无人遥控潜水器探测、保压取样、海洋高分辨率地震探测和海洋可控源电磁探测技术。五是测试与模拟实验技术,包括微观测试、开采现场测试、地球物理与地球化学参数模拟实验和开采模拟实验技术。六是环境监测技术,包括多学科多手段环境评价、立体环境监测和井下原位实时测量技术。

值得一提的是,在全流程试采核心技术上,这次试采形成了国际领先的新型试采工艺,尤其是“地层流体抽取”试采方法有效解决了储层流体控制与可燃冰稳定持续分解难题。

据专家介绍,地层流体抽取法,即以可燃冰的物性和在自然界的产出特征为基础,针对可燃冰开发面临的储层沉积物易出砂、低渗等问题,而提出的在储层和井壁稳定允许的降压幅度下,通过各种方法(储层改造等)加大储层流体抽取量,从而达到长期、高效、安全生产天然气水合物的方法。

此外,在试采中,我国掌握了钻完井核心技术,构建了深水浅层钻完井技术体系。

而在试采环境安全防控方面,我国建立了可燃冰环境效应评价技术方法,获得试采前环境本底数据。同时,构建大气、海水、海底、井下“四位一体”的立体环境监测网,实现了对温度、压力、甲烷浓度及海底稳定性参数实时监测及安全预警。

装备研发,“中国制造”保驾护航

在此次海域天然气水合物勘查中,有一台深海作业设备发挥了不可替代的重要作用,那就是我国自主研发的首台4500米作业级无人遥控探测潜水器“海马”号。

2014年2月20日至4月22日,“海马”号分三个航段进行了海试。期间,“海马号”共完成17次下潜,3次到达南海中央海盆底部进行作业试验,最大下潜深度4502米;完成水下布缆、沉积物取样、热流探针试验、海底地震仪海底布放等任务,成功实现与水下升降装置联合作业,通过了定向、定高、定深航行等91项技术指标的现场考核。

据了解,“海马”号是我国迄今国产化率最高的大型无人遥控潜水器作业系统,实现了我国在深度无人遥控潜水器自主研发领域“零的突破”。其研制涉及诸多技术层面,装备有水下摄像照相系统、声纳、作业工具、多功能机械手,并有可更换的、不同功能的水下作业底盘,还具有辅助海底观测网布放维护的功能,为我国深海资源探查与开发、深海科学研究提供了高技术探查手段。

当然,试采中不止“海马”号的身影。一批国产化仪器设备、装备在试采中的成功应用,填补了国内空白,为天然气水合物勘查增添了新利器,见证了“中国制造”的魅力和实力。

“常规海洋勘探开发装备材料无法直接用于天然气水合物试采。针对这一情况,我们自主研发了天然气水合物专用的装备、管材、特殊材料等。”叶建良表示。

在新闻发布会上,李金发介绍称,此次试采实现了七项重大技术装备自主创新,不仅研制了我国首台4500米作业级无人遥控探测潜水器“海马”号、适合试采储层特点的防砂筛管及适用于实时监测海底形变的地震监测仪,还研发了天然气水合物保温保压取样器、海底可控源电磁探测系统、天然气水合物试采大型模拟实验装置,同时利用了我国自主设计建造的超深水半潜式钻井平台“蓝鲸Ⅰ号”。

据介绍,勘查使用的天然气水合物海洋可控源电磁探测系统由可控源电磁发射系统、拖曳式电场接收系统、海底电磁采集站及可控源电磁甲板监控系统等组成,通过测量海底电阻率参数,识别水合物的存在,可与地震勘探技术配合使用。2016年6月,该探测系统在南黄海海域成功进行了首次海试,对海洋可控源电磁探测系统进行了整体测试。该系统的成功研发,填补了国内这一方面的空白,进一步提升了我国自主研发天然气水合物勘查设备的能力和技术研发水平,为我国海域天然气水合物勘探注入新的动力。

一批拥有自主知识产权装备的成功应用,表明我国已具有深水工艺及设备研发能力,如完井与测试系统集成装备,结合海域天然气水合物试采工程开发与科研需求,为我国海域天然气水合物开发研究提供了科学数据。

科技创新无止境。尽管此次试采中,我国实现了海域天然气水合物勘查开发理论、技术、工程和装备的自主创新,但“只是万里长征中迈出的关键一步”。“下一步,将开展不同类型天然气水合物试采,研发适应不同类型特点的试采工艺和技术装备,建立适合我国资源特点的开发技术体系;加强科技平台建设,提高海洋科技创新能力。”李金发表示。