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日本甲烷水合物开发计划进展跟踪

来源:地调局地学文献中心 作者:张炜 田黔宁 邵明娟 发布时间:2016-09-30

地调局地学文献中心(中国地质图书馆)针对地调局2017年海域天然气水合物试采目标,依托“地学情报综合研究与产品研发”二级项目,对刚刚启动的日本甲烷水合物开发计划第三阶段开展了较为全面深入的进展跟踪,现已完成并发放“天然气水合物勘查与试采”专刊8期,发放范围覆盖部局领导及相关管理和科研人员、科研院所相关领域专家、其他企事业相关人员等,为部局相关水合物工作提供了借鉴和参考。

一、日本为摆脱能源危机和实现能源自给,设立国家级甲烷水合物开发计划

日本作为最早建立国家级甲烷水合物研发计划的国家之一,对水合物的关注可追溯至20世纪80年代。2001年7月,日本经济产业省发布了《日本甲烷水合物开发计划》,该计划分为三个阶段,第一阶段(2001~2008财年)——推进基础研究(勘探技术等),选择资源区域作为近海试采的对象,通过陆上试采的实施进行技术验证等;第二阶段(2009~2015财年)——推进基础研究(生产技术等),在日本近海区域实施海上试采等;第三阶段(2016~2018财年)——开发相关技术实现商业化开发,开展经济和环境影响评价等。目前,该计划已进入第三阶段,在第一和第二阶段所取得成果和发现问题的基础上,日本有关机构和企业正在为实现甲烷水合物资源的商业化开发而不懈努力,其中的重点之一——第二次近海甲烷水合物试采的相关工作正在不断推进中。

二、日本甲烷水合物开发计划第一和第二阶段硕果累累,多项成果开创历史

自日本甲烷水合物开发计划于2001财年实施以来,截至第二阶段结束时的2015财年已累积投入预算额度达926亿日元(约合人民币60亿元),年均投入预算额度约人民币4亿元。

在跨度达15年的第一和第二阶段工作中,为实现《日本甲烷水合物开发计划》所制定的总体目标,主要从四个方面(资源量评价、生产方法开发、现场开发技术、环境影响评价)开展了相关研发工作。

(1)资源量评价

对日本南海海槽东部海域实施了详细的地震调查以及勘探测试井钻探调查,确定了该海域中的甲烷水合物主要以浊积层序中砂泥互层的砂层形式赋存,估算了该海域含甲烷水合物沉积层中的甲烷气体原地资源量,圈定了16处甲烷水合物富集带,并基于原地资源量、储层特征、海底环境等条件筛选出3处甲烷水合物富集带作为第一次近海试采的候选场地。

基于南海海槽东部海域水合物资源调查的经验,发现日本周边有5处海域(宫崎海域、能登东部海域、三陆东部•西北海域、四国海域、冲绳海域)具有甲烷水合物富集带特征,并进行了初步的资源量评价。

(2)现场开发技术

在陆域试采方面,与加拿大、美国等国家合作,分别于2002年和2008年在加拿大多年冻土带实施了第一和第二次试采,其中第二次试采利用降压法成功实现了连续生产(生产周期为6天,总产气量为1.3万立方米),证实了降压法作为生产方法的有效性。2014年,日本经济产业省与美国能源部签署了备忘录,计划在美国阿拉斯加开展为期约一年的长期陆上试采,美国能源部和美国地质调查局正在筛选试采候选场地。

在海域试采方面,于2013年3月在全球首次实现了近海甲烷水合物试采(生产周期为6天,总产气量约2万立方米),但由于出砂事故,造成试采被迫中断。尽管此次试采持续时间短、产气量有限,但对日本乃至全球甲烷水合物研发工作有着“里程碑式”的意义。

(3)生产方法开发

开发了专门用于预测甲烷水合物生产行为的模拟器(MH21-HYDRES)。基于该模拟器探讨了最适合南海海槽东部海域的生产方法,发现降压法可有效地作为主要的生产方法,并通过加拿大多年冻土带的第二次陆上试采结果(产气量和产水量)证实了该模拟器预测结果的可靠性。

开发了可用于评估沉积物特性的地层变形模拟器(COTHMA)。基于该模拟器对第一次近海试采中测量得到的沉降情况进行了验证和评价,并找到了出砂事故的原因,明确了可导致地层变形的影响因素及其影响程度,提出了规避相关风险的措施。

(4)环境影响评价

针对第一次近海试采所可能发生的风险开展了模拟和监测(沉降量、甲烷浓度),以及海域环境调查(水质、底质、生物等),以取得实际数据。基于所获结果,对商业化生产可能发生的环境风险进行了探讨。由于周边海域并没有发生显著变化,推测商业化生产时的环境风险微乎其微。

利用所开发传感器构建的监测系统对第一次近海试采进行了测量。确认了地层变形、甲烷泄漏给气体生产、准备作业带来的影响。同时获取了与系统设计和传感器有关的技术问题。

(5)其他

2014年10月,日本11家石油和天然气开发企业共同投资建立了日本甲烷水合物调查株式会社,以甲烷水合物商业化开发为目标,以实现近海试采实施和信息共享为任务。另外,第一次近海试采的船只租赁合同受托方——日本海洋钻探株式会社于2015年1月收到了由印度政府主导的印度沿岸海域甲烷水合物钻探航次的订单(约人民币6.5亿元),开创了日本企业在水合物领域对外有偿服务的先河。

三、日本甲烷水合物开发计划进入第三阶段,为实现“完善商业化开发技术基础”目标冲刺

在第三阶段,为了解决更长期生产这一问题,将实施第二次近海试采和长期陆上试采,在此基础之上,完善实现商业化开发的技术基础将成为新的课题。

其中,第二次近海试采(计划2016年实施钻探作业、2017年实施试采和恢复作业)的目的首先是验证第一次近海试采中出现的重要技术问题的解决方法,其次是利用试采结果判断实施长期试采的必要性。

相较于第一次近海试采,第二次近海试采的主要变化在于:

①将力争实现一个月左右的持续产气(第一次试采持续产气6天);

②将采用重量更轻、更便于重新安装和切换作业、以及允许更大船偏距的修井立管;

③将采用两口配备有不同防砂装置的生产井(第一次试采仅用一口生产井),但两口井并非同时产气,而是交替产气,目的在于发生故障时可通过切换井来继续实施试采;

④将增大井内径以降低流速,进而提高气水分离效率;

⑤将简化井下设备以降低发生故障的风险;

⑥通过第一次试采中出砂事故的原因分析,将采用不会发生砾石流动以及使用了抗变形和腐蚀的形状记忆高分子材料的GeoFORM防砂系统(由贝克休斯研发);

⑦为了测试不同防砂装置的效果,将使用两种型号的GeoFORM防砂系统:一种是下入井底前就预先膨胀的GeoFORM防砂系统,其特点是安装作业简单,不会发生不膨胀的风险,不会因使用活化剂污染产出水,不会在地层与防砂装置间形成可导致细砂流入堵塞防砂装置的缝隙;另一种是在井底才膨胀的GeoFORM防砂系统,其特点是安装作业略复杂,可能会发生不膨胀的风险,会因使用活化剂污染产出水,如果顺利膨胀则不会产生缝隙;

⑧将在监测井中实现温度和压力的同时监测(第一次试采仅实施了温度监测)。

截至目前,第三阶段取得的进展:

《日本甲烷水合物开发计划》的实施机构——日本甲烷水合物资源开发研究联盟(由日本石油、天然气和金属矿产资源机构、日本产业技术综合研究所等机构构成)已开展了部分对外招标工作,包括编制美国阿拉斯加长期陆上试采的系统开发方案,实施甲烷水合物富集带储层评价,研究第二次近海试采的风险和可操作性,分析第二次近海试采的立管被动漂移,为海洋开发体系的探讨提供相关支持工作,为第二次近海试采作业提供相关支撑服务等。

2016年5月12日,日本海洋研究开发机构的“地球号”深海钻探船从日本清水港出发赴渥美半岛-志摩半岛近海的第二渥美海丘(试采站位位于第一次近海试采站位附近)开展了第二次近海试采的前期钻探作业,并于6月13日返航,此次作业完成了地质调查井(1口)、生产井(2口)和监测井(2口)的钻探,为计划于2017年2月至6月开展的产气试验奠定了坚实的基础。

通过地调局地学文献中心对日本甲烷水合物开发计划的进展跟踪,较为全面深入地掌握了日本在甲烷水合物资源勘查与评价、实验模拟与数值模拟、现场开发技术与体系建立、试采实施、环境影响评价等方面取得的成果和发现的问题,对我国的天然气(甲烷)水合物研发工作提出如下不成熟的建议:

(1)天然气水合物研发是一项综合性的工作,涉及物理、化学、热力学、地质、地球物理、油气工程等多个学科,涵盖陆地和海洋,这就需要像日本、美国一样在国家级天然气水合物研发计划的制定和实施中发挥相关政府机构、国有企业、科研院所和高校等的优势,统一协调天然气水合物的研发工作。

(2)日本在甲烷水合物研发过程中特别重视对相关技术、方法和设备仪器(勘探、生产、室内试验、模拟、环境影响评价、经济评价等)的研发、示范和推广。我国也应加强相关技术设备的研发和创新,全面实现其国产化,以形成具有我国自主知识产权的天然气水合物开发利用体系。

(3)日本在甲烷水合物研发过程中特别重视与其他国家的合作,如与加拿大合作在其北极多年冻土带实施了两次陆上试采,与美国计划合作在其阿拉斯加多年冻土带实施长期陆上试采,与印度合作在其沿岸海域实施了第二次天然气水合物钻探航次。我国也应积极加强在天然气水合物相关领域的对外交流与合作,以加强学习、积累经验、共享成果、锻炼队伍。

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