给海底装个“监视器”？可燃冰开采安全的保险丨原位监测技术
2017-07-28 朱超祁、贾永刚等 天然气水合物
海底天然气水合物的开采可能导致地质灾害等一系列环境效应，世界各国对其开采利用多持谨慎态度。
根据其他国家的试采工作，对水合物分解可能导致的海洋地质灾害进行了总结，包括自然类地质灾害与工业类地质灾害。
因此，开采过程中，对海洋地质灾害的原位监测技术至关重要。
天然气水合物资源潜力巨大。据测算，全球天然气水合物所含天然气约为3×10^16m3～3×10^17m3，其热当量相当于目前已探明的所有化石燃料(包括煤、石油和天然气)总和的2倍，可供人类使用约1000年。
与常规油气资源相比，天然气水合物燃烧产生污染较少，是21世纪理想的可替代能源之一。目前在阿拉斯加、墨西哥湾、加拿大、日本南海海槽等地均已钻获天然气水合物实物样品。
2007年，我国也在南海北部陆坡首次发现天然气水合物实物样品;并于2008年，在祁连山冻土带发现陆域天然气水合物。
据估算，全球仅有约3%的天然气水合物分布在陆地永久冻土带，其余均分布在海洋。由于海底天然气水合物储层大多没有完整的圈闭构造和致密盖层，其开发可能导致的海底滑坡等地质灾害风险较大。
且天然气水合物开采还可能加剧全球温室效应、恶化海洋生态环境，造成一系列环境效应，世界各国对天然气水合物开采多持谨慎态度。
韩国原计划2015年在Ulleung Basin进行水合物试采，后因故推迟;只有日本在其南海海槽进行了短期试采。
目前，天然气水合物尚未实现商业化开采。
1. 水合物试采现状
目前，21世纪已有三次重要的天然气水合物生产测试项目，分别为加拿大 Malik Field试采、美国 Ignik Sikumi试采与日本 Nankai Trough试采; 其中日本 Nankai Trough天然气水合物试采是世界上首次海底天然气水合物生产试采试验。
加拿大 Malik Field试采
加拿大Malik试采场地位于北美波弗特海Beaufort Sea的麦肯齐三角洲Mackenzie Delta。该地于1972年首次钻获天然气水合物。
2002年，加拿大地质调查局(GSC)、日本国家石油公司(JNOC)联合来自美国、德国、印度的多家机构以及国际大陆科学钻探计划(ICDP)在Malik采用注热与降压方式开展首次试采。试采期间，共钻探生产井一口，深1166m;监测井两口，深1188m。该深度范围内，水合物饱和度为70%～85%;试产期为期5天，产气516方。试采期间，采用光纤分布式温度传感器(DTS)以监测储层温度变化。
2007-2008年，加拿大自然资源部(NRC)与日本石油天然气与金属矿产资源机构(JOGMEC)组织了第二次试采，试采共分两期。因出砂严重，第一期于试采60h后被迫终止;实际生产时间12.5小时，共产气830方。第二期试采为期6天，日均产气量2000～4000方。
美国 Ignik Sikumi试采
美国 Ignik Sikumi天然气水合物试采场地位于阿拉斯加北坡，储层孔隙度40%，水合物饱和度45%～75%。
2012年，由美国能源部(DOE)、美国康菲石油公司、日本石油天然气与金属矿产资源机构(JOGMEC)共同组织了此次天然气水合物生产测试。此次天然气水合物试采首次采用气体置换法，共向地层注入约6000m3气体(CO2占23%，N2占77%)。试采期间因设备问题被迫终止，整个试采期实际生产时间一个月，产气约2.8万方。
日本 Nankai Trough试采
日本南海海槽属于汇聚型大陆边缘。
1999年，日本在其南海海槽东部海域钻获天然气水合物实物样品。该海域水深约1000m，水合物储层埋深177～345m。
2013年，日本石油天然气与金属矿产资源机构(JOGMEC)采用降压法，实施了世界上首次海底天然气水合物生产测试。3月12日试采开始，3月18日因出砂严重与抽水泵故障而被迫封井。
日本南海海槽水合物生产测试被迫终止。试采期间，持续产气近6天，日均产气量约2万方。此次天然气水合物试采是目前世界上唯一一次海上水合物生产测试。
（小编注：截止目前，还包括中国2017年5-7月的首次试采成功(30万方)，以及日本2017年5-6月的试采(23.5万方) ）
2. 水合物分解导致地质灾害
海底天然气水合物分解可能导致各类海洋地质灾害。一部分地质灾害与自然变化有关，另一部分可能直接由人类工业活动相关。
自然类地质灾害
天然气水合物分解除了可以影响海洋生态、加剧全球变暖，还可以形成麻坑、气烟囱、泥火山等灾害性地质构造，并可能造成海床塌陷、海底滑坡等地质灾害。
天然气水合物分解导致的大规模海洋地质灾害通常与全球变化有关，如全球变暖导致的海水温度上升、晚更新世时期海平面的下降。
挪威Storrega海底滑坡、美国Cape Fear海底滑坡等均与水合物分解有关;近年来的气候变化使天然气水合物稳定性降低，诱发海底滑坡、甲烷释放的可能性增大。
图1总结了海水温度升高条件下，水合物分解与超压层形成、气体泄漏、海底丘状构造、海床塌陷之间的关系。图1a为海底丘状构造地震剖面图，图1b、图1c为地质灾害形成过程。
图1 海底丘状构造与水合物的关系
图2总结了海平面下降期间，水合物分解导致气体泄漏、海底滑坡、浊流等地质灾害的简要机制。
图2 水合物分解与海底滑坡的关系
工业类地质灾害
尽管关于水合物分解导致的海洋工程设施破坏的案例极少，但随着海洋工程设施增加以及水合物开发与商业化生产提上日程，其引起的工业类地质灾害逐步得到重视。
Borowski等指出铺设海底管道会改变海床温度条件，引起的表层水合物分解可能造成海床坍陷，继而导致海底管道断裂。
Sahling等认为水合物分解可能造成海底钢结构易于腐蚀。
Hovland等研究表明提出吸力锚改变海床压力条件，造成水合物分解，最终影响吸力锚及由其控制的海上平台安全。
图3总结了天然气水合物开采过程可能导致的套管破坏、井喷等各类潜在钻井灾害。
图3 水合物分解与钻井地质灾害
3. 海底水合物开采监测进展
目前，只有日本进行过海底天然气水合物短期生产测试，并于试采前后进行了原位监测。美国、韩国及欧洲各国虽未进行生产测试，但对原位监测也进行了相关研究。
日本海底水合物试采监测
日本在南海海槽天然气水合物生产测试期间，对海床变形、储层稳定性以及甲烷泄漏等进行了重点监测。日本将水合物试采前后的海床沉降监测作为海床变形监测的重点。为实现海床沉降监测，其设计实施了两条技术路线:
①三分量加速度传感器监测。利用所测加速度值，进行二次积分得到位移，进而得到海床沉降量。其传感器位于球状耐压容器之中，通过探杆与海床耦合。该装置整体长度约2.4m，探头直径126mm。其原理如图4;实物图与构造图见图5。
图4 三轴加速度传感器监测海床位移原理
图5 三轴加速度传感器装置
②压力传感器监测。压力传感器位于海床面，其所测压力直接反映上覆水体深度;消除潮位等对所测压力的影响后，所测压力差则反映了海床隆起与沉降。
Wallace等利用该方法对新西兰希库朗伊俯冲带进行监测，发现了海底缓慢滑动现象，该研究成果于2016年发表于Science期刊。另外，针对海床横向变形监测，国内也在渤海进行了浅海测试。
南海海槽水合物试采期间，实际采用了第二种方案进行海床变形监测。石英晶体谐振器被用作压力计，最大工作水深1400m，测量分辨率0.014mm，精度1cm。
根据模拟分析，试采期间水合物生产井周边海床沉降量约为10～30cm。传感器采用电池供电，测量数据自容存储。该测量装置(图6)及其附属设施在空气中总重185kg，在水下时重25kg。此外，该系统集成了海床倾斜计，该倾斜计由液态电解质制成，其导电性反映海床倾角变化;测量范围为±30°，分辨率0.001°，精度0.02°。
图6 日本水合物试采海床变形监测装置
日本水合物试采工程还对天然气水合物储层稳定性进行了监测。水合物储层稳定性监测主要通过监测试采期间及之后一段时间内的井内温度变化实现。其不仅对生产井进行了监测，同时设置了两口监测井(距离生产井25m，图7)。
每口井同时安设了分布式温度传感器(DTS)与线阵式电阻测温传感器(RTD)。其中，分布式温度传感器布设于全钻井深度，为自容式存储，测量精度0.5°C，持续工作时间18个月;线阵式电阻测温传感器仅布设于水合物储层深度范围内，数据实时传输，测量精度0.1°C，仅水合物试采期工作。
图7 日本南海海槽水合物试采生产井与监测井示意图
此外，日本水合物试采期间，还对甲烷泄漏进行了监测;同时，甲烷泄漏监测系统集成了温度、盐度、压力、溶解氧、流速等监测内容。
美国海底水合物试采监测
美国海底天然气水合物至今虽未正式开采，但其相应的监测研究工作在2002年已经开展，完成了监测模型构建与并在墨西哥湾水合物赋存区Mississippi Canyon Block 118(MC118)进行过多次测试。
其海床监测系统(Sea-Floor Observatory,SFO)主要由水平监测线阵(Horizontal Line Array,HLA)、垂直监测线阵(Vertical Line Array,VLA)、海底边界层监测线阵(Benthic Boundary Line Array,BBLA)、海床探针(Sea Floor Probe,SFP)、气烟囱监测阵列(Chimney Sampler Array,CSA)等组成。
美国墨西哥湾MC118区水合物海床监测系统如图8所示。
图8 美国墨西哥湾MC118区水合物海床监测系统示意图
水平监测线阵由4根观测缆组成，通过HLA-POD相连，呈十字型交叉:每根观测缆长500m，非等距布设16个水听器，记录水声波速与能量;同时安装有三分量加速度传感器。水平监测线阵通过专门为此研制的Station Service Device(SSD,图9A)辅助安装，SSD集成了扫描声纳、前后摄像机、照明、声学定位与导航系统、光纤通讯系统、智能通信控制器、推进系统、机械臂等，类似于水下机器人。
垂直监测线阵与水平观测线阵相连，由1根观测缆组成:观测缆长200m，等距布设16个水听器，同时安装热敏电阻(记录海水温度)、倾角计(记录海流作用下的偏移量大小)与罗盘(记录偏离方向)。海底边界层监测线阵与垂直监测线阵类似，但其不与水平监测线阵相连，长度为100m。
图9 美国水合物海床监测装置图
海床探针主要包括贯入仪(Penetrometer)、热敏电阻线阵(Thermister Array，TA)与孔隙流体监测阵列(Pore Fluid Array,PFA,图9B)等。贯入仪设计配重约2t，探杆长度10～30m，其贯入深度为孔隙流体监测阵列探杆长度提供了设计指标。热敏电阻线阵探杆长为10m，用以监测表层沉积物的温度变化。
孔隙流体监测阵列主要监测底层水体与表层沉积物的氯化物、硫酸盐、甲烷浓度和甲烷同位素变化。此外，美国还设计了气烟囱监测线阵(Chimney Sampler Array,CSA,图9C)，监测水深、流速、溶解氧、盐度、温度、甲烷等因素的变化情况;2010年9月－2011年6月，2011年10月－2012年4月分别在MC118进行了两次监测现场测试，大部分传感器工作状态良好，但至关重要的甲烷传感器在两次测试中均以失败告终。
4. 总结与展望
海底天然气水合物因其广阔的能源前景而备受关注，但其在开采过程中，极易导致工程灾难(如钻井安全)、地质灾害(如海底滑坡)、环境效应(如全球变暖)等，应引起足够重视。
加快海底天然气水合物商业化生产步伐，亟需加强海底环境变化原位长期监测工作，包括开采前的环境基准监测、开采过程中环境变化监测、开采后环境恢复监测，并与室内试验、数值模拟相结合进行综合研究。
美国、日本等国家利用压力传感器与加速度传感器监测海床变形滑动的案例值得吸收借鉴。同时，世界各国均未完全实现监测数据的实时传输，也并未完全解决海底原位长期观测的电能供应问题，需要各国在海底水合物开采工作中逐步解决。
我国海底天然气水合物开采需要充分借鉴陆域水合物开发经验及国外海底水合物开发的先进经验，针对性地研发海底环境原位监测系列技术，建立灾害定量评估与风险预警技术体系与方法，保障水合物开采活动海洋地质环境安全。