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可燃冰商业化开采还需攻克关键技术

2017-06-17 07:53 来源:南方日报网络版 冯善书;陈惠玲;伍青

叶建良(左)在试采现场。受访者供图

夹杂着白色颗粒状可燃冰的海底沉积物放入水中随即冒出大量气泡。

2005年,科技人员初步摸清了可燃冰在南海北部陆坡区的分布范围及资源量。图为科技人员用海底照相机拍摄的南海北部陆坡存在可燃冰的相关地理特征(2004年8月摄)。

  今年5月18日,我国首度发布海域可燃冰试采成功的消息。6月10日,笔者从广州海洋地质调查局获悉,神狐海域水合物试采自2017年5月10日点火测试以来,至6月10日14时52分已连续产气达31天,总产气量达到21万立方米,平均日产6800立方米。目前产气过程平稳,井底状况良好,获得各项测试数据264万组,为下一步工作奠定了基础。

  广州海洋地质调查局是我国海域天然气水合物资源调查及试采工作的主力和骨干队伍。近日该局局长兼南海试采现场指挥部指挥长叶建良博士接受南方日报记者采访,披露了可燃冰试采工作背后的诸多细节。

  ●南方日报记者冯善书通讯员陈惠玲

  20年的努力——可燃冰调查1997年写入计划书

  2003年,叶建良获得地质工程博士学位的论文即是以可燃冰为题。此后10多年,他组织编写了与可燃冰相关的专著,积极推动陆域可燃冰的发现。

  2012年,叶建良主政中国地质调查局油气资源调查中心。他发挥基础地质调查方面的优势,组织公益性油气地质调查队伍,瞄准石油公司久攻未克的南方复杂地质构造区,加强页岩气调查,精心部署,组织实施“南方页岩气基础地质调查工程”,对南方复杂构造区页岩气及油气成藏条件进行了调查研究。

  2016年,他们在贵州省遵义市正安县部署实施了安页1井,获得了日产10.22万立方米稳产高产的工业气流,取得油气勘探重大突破。

  2016年3月,叶建良调任广州海洋地质调查局局长、党委副书记,5月即组建起中国地质调查局天然气水合物工程技术中心,担任中心主任,随即又组建可燃冰试采现场指挥部,任指挥长,正式走到了我国海域可燃冰试采的最前线。

  作为我国海域可燃冰试采工程项目的承担单位,广州海洋地质调查局是我国最早开始可燃冰实质性调查与研究的单位。1997年,他们通过研究,将可燃冰调查写入国家地质大调查的计划书,并于1999年率先组织了我国第一次海域可燃冰调查航次,由此开启了我国可燃冰实质性调查与研究进程。1999年至2001年,他们在南海北部海域实施了前期调查与初步评价,发现了可燃冰存在的地球物理标志。2002年至2016年的15年间,他们通过系列专项调查,圈定了一批可燃冰成矿远景区、成矿区带、成矿区块及钻探目标区,通过钻探评价,锁定了试采矿体目标,从而为水合物试采顺利实施打下了基础。

  “事实上,早在2007年,广海局便首次钻探获取到可燃冰实物样品,使我国成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划在海底钻探获得天然气水合物实物样品的国家,那时便证实了南海存在良好的水合物资源前景。”提到10年前的战略性突破,叶建良难掩激动。

  里程碑式的钻探突破在6年后再次出现。2013年,广海局在珠江口盆地东部海域钻获高纯度可燃冰样品,并发现了超千亿方级可燃冰矿藏。紧接着,2015年,他们用中国自主研制的“海马”号4500米级非载人遥控潜水器,首次发现了海底巨型可燃冰活动性“冷泉”,其后再次选定神狐海域实施钻探获得重大发现,钻探控制可燃冰矿藏资源量超过1500亿立方米的特大型可燃冰矿藏,从而为2017年试采目标的确定提供了重要的参考靶区。

  叶建良告诉笔者,迄今,广海局已在南海圈定出11个可燃冰资源远景区,预测远景资源量达744亿吨油当量,圈定出两个超千亿方级的可燃冰矿藏。他们还提出了我国海域可燃冰基础研究理论及南海天然气水合物成藏理论体系。此外,还自主研发一系列关键技术装备,初步形成海域可燃冰综合探测技术体系。

  世界发达国家早在上个世纪80年代便开始投入巨资制定可燃冰勘查开发国家计划。与之相比,我国可燃冰勘查起步相对较晚。叶建良说,我国的后发优势在于,发挥了社会主义制度下群策群力、集中力量办大事的政治优势,抓住机遇,从学习国外经验,到自主开展调查和相关技术研究,联合国内优势力量,再到今天终于成功试采可燃冰,通过20年的不懈努力,终于取得了可燃冰勘查开发理论、技术、工程、装备的自主创新,实现了我国在海域可燃冰领域由“跟跑”到“领跑”的历史性跨越。

  回应质疑——试采团队是这样进行科技攻关的

  目前世界上已发现可燃冰赋存状态主要有块状、脉状、层状、结核状及扩散状等,其中超过90%的可燃冰资源为分布于泥质粉砂地层,为扩散型,也就是我国试采的这一可燃冰类型。这类储层开采技术难度大,其地层束缚水含量高、渗透率低,如何提高产能及举升过程控制是面临的实际困难,因此试验性开采一般是把位于砂质地层中的可燃冰作为目标,比如日本等国就采取了这一方式。然而,日本对砂质地层中的可燃冰试采已两度受阻,我国科技人员却实现了对泥质粉砂地层可燃冰的试采成功。

  泥质粉砂储层中的可燃冰开采,是地质科学界公认的世界性难题。正因如此,我国试采成功的消息传出后,马上便有人在网上发文指称中国的地质工程师们在吹牛。对此,叶建良表示:“有这么多人来关注我国可燃冰事业的发展是好事,有质疑表明我们的公众、学者对国家是负责任的。”他说,虽然我国进行可燃冰调查研究已经20多年了,但对于大众而言,这依然还是一个比较新鲜的概念。水合物试采是一个非常复杂的系统工程,涉及到地质勘察、海工装备、防砂技术、降压开采等一系列的重大科学工程难题,需要持续投入大量的资源。

  “事实上,此次试采中国遇到了许多外界无法想象的困难。”叶建良说,其中最大的困难表现在三方面:

  一是无经验可循。2002年,加拿大陆域天然气水合物试采,2013年日本海域天然气水合物试采,以上两国的地质条件与我国差异极大,美国、日本、加拿大、德国、印度等国家的方法都不能照搬,更无成熟经验可循。

  二是储层开采难度最大。日本、美国、加拿大、韩国、印度瞄准的天然气水合物试采均为砂质类型,该类型资源占世界资源量5%左右,其孔隙条件、稳定条件均较好,开采难度相对较低。我国试采的泥质粉砂型储层资源量在世界上占比超过90%,是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,钻探风险极高,开采难度很大。

  三是没有专用设备和材料,常规海洋油气勘探开发装备材料无法直接用于天然气水合物试采。

  针对这些困难,我国自主研发了天然气水合物专用的装备、管材、特殊材料等。在工程推进上,中国地质调查局牵头与中国石油集团成立了试采领导小组,并于广州海洋地质调查局成立现场指挥部,设立了地质、模拟、测试、工程与综合等专业组,确保了试采平台按期启航至试采工区。

  此外,技术人员进一步加强对可燃冰资源量的综合评价,确保参数准确可靠。为解决深水、浅层未固结地层的工程施工及开采技术难题,现场指挥部先后赴国内相关石油生产单位调研,组织论证、多参数模拟与实验,针对性地制定科学生产方案;他们还进行了系统的工程地质调查与研究,制定了完善的环境监测方案,保障试采环境与工程安全、可控。

  为加速我国可燃冰勘查开发进程,2016年,上级明确由广海局作为可燃冰试采工程项目承担单位,成立试开采现场指挥部,并在广海局成立了可燃冰工程技术中心,创新研发了试采关键技术和装备体系,同时在试采经费尚未落实的情况下,广海局抽调近50人组织开展了试采科技攻关。

  2017年,可燃冰试采列入中国地质调查局重中之重的工作,谓之为“1号工程”。中国石油天然气集团公司、北京大学等相关单位人员组成试开采团队,创新制定了科学的技术方案。“我自己也是全身心投入到试采工作中,一直坚守在平台上。”叶建良说。

  在可燃冰正式商业开发前,有环保组织对这一新能源未来的大规模开采潜在的环境安全风险问题进行了提醒。对此,叶建良表示,在我国南海可燃冰试采过程中,中国工程师已经提前牢牢树立环境保护优先的理念,充分考虑各种环境风险因素,进行理论和技术攻关,制定了全流程的科学、安全、环保施工方案,并在施工过程中严格遵守。试采前广州海洋地质调查局先后组织实施了10余个航次的环境基线调查,获取了海洋地质、海洋生物、海水化学等本底数据,以及海底地层力学参数等。试采过程中,按照国际标准的环境管理体系、工艺安全风险管理等,采取严格的环境保护措施。利用大气、海水、海底和井下四位一体监测体系,对甲烷、二氧化碳等参数及海底沉降进行实时监测,与本底数据对比显示,甲烷等参数无异常变化,海底地形无变化,没有环境污染,未发生地质灾害。

  “今后,我们将继续进行全方位的立体环境监测,为制定天然气水合物开采的环境保护方案提供科学依据。”叶建良说。

  一旦可燃冰的商业化开发得以实现,能源危机将得到大大缓解,中国将因有巨大可燃冰资源而获得稳定能源保障。

  ——叶建良

  阐释细节——日产1万立方米试采目标的由来

  叶建良对笔者说,最初试采团队给自己定下的目标比较保守,只要求前7天试采日产3000立方米。但中国地质调查局党组经过研究后,把试采目标确定为“日产万方天然气,持续试采一周,获取完整有效科学数据”的科学目标。“从3000到10000,对指挥部来说是顿感压力倍增、难度很大。但压力也是动力,指挥部全体成员多次组织技术创新研讨,讨论并确定储层改造增产措施,现场应用表明,该项措施效果非常明显,达到了日产1万立方米的目标,且大大超过连续7天的生产时间。”

  “在没有任何成功经验可以借鉴的情况下,我国取得试采成功不是偶然的,我个人认为主要有四个方面的因素。”叶建良对笔者总结道:

  首先,要注意到近期中国重大科技成果频出的大背景,这次水合物试采获得巨大成功体现了我国集中力量办大事的制度优越性。可燃冰试采作为一项系统工程,内容涉及各领域不同专业,参与本次试采的包括国土资源部、中国地调局、中石油、中集集团、北京大学等在内,试采团队超过800人,其中在现场作业的就有200人。中国地调局统筹协调,中石油负责具体施工,中集集团提供平台,北京大学进行理论指导,各单位发挥各自优势,通力协作。在广东,试采团队也得到了省委省政府及各有关职能部门、国土资源厅、广州市南沙区政府等大力支持。

  其次,试采成功体现了中华民族顽强拼搏的精神。叶建良举例说:“地质工程专家谢文卫在平台上连续工作2个多月了,每天要盯住试采压力曲线变化,以随时调整。他腰椎不好,有时实在坚持不了,就趴在地上,请同事帮他踩踩,缓解疼痛。”类似这样顽强拼搏的科研人员很多,他们体现了每一个参研参试人员为实现伟大的中国梦而作出的不懈努力。

  再次,科技创新是成功的保障。通过20年的不懈努力,我国实现了勘查开发理论、技术、工程和装备等方面的自主创新。取得了三项重大理论,六大技术体系二十项关键技术,三项重大工程管理系统以及七项重大技术装备的自主创新。正是以创新为驱动,从而实现我国可燃冰工作的领跑。

  最后,叶建良强调,勘查研究是成功的基础。我国从1999年起开展南海天然气水合物的勘查工作,广州海洋地质调查局先后动用“奋斗五号”“海洋六号”等17艘调查船,累计完成83个调查航次,完成高分辨率多道地震、多波束测量、地质取样、热流探测、无人遥控潜水器探测、海底摄像、可控源电磁探测等多种调查手段,并组织了多次水合物钻探航次,对试采井区地形地貌、储层特性、工程地质条件进行了细致的研究,取得了一系列重大突破和海量的数据,为试采成功奠定了坚实的基础。

  关于商业化开采——有必要开展第二次开采试验

  在海域可燃冰试采上,中国领跑世界,实现了零的突破。我国是能源消费大国,每年从国外进口的油气超过年消费量的50%,对外依存度高。根据此前的调查表明,我国海域可燃冰资源潜力巨大,未来开发利用将会大大提升我国能源安全保障程度,降低对外依存度,进一步优化能源消费结构。“本次试采成功,意味着我们已经迈出了可燃冰开发利用的关键一步。”叶建良说,可燃冰是一种低碳清洁能源,甲烷含量高,且使用起来,比常规天然气所含的杂质更少,燃烧后几乎不产生任何残渣,是未来理想的煤、石油等化石燃料的替代能源,可燃冰能源的开发将有利于服务我国生态文明建设,改变我国的能源消费结构,甚至引发新一轮的能源革命。

  叶建良举了美国的页岩气开发为例,来佐证可燃冰开发对我国的意义。美国是能源消费大国,美国政府长期以来将“能源独立”作为政策纲领,加上历史上遭遇几次世界石油减产冲击美国进口的情况,寻找更多能源供给渠道、改变石油对外依存度高的被动局面成为美国政府落实能源供给分散策略的重要内容。经过近三十年的投入开发,2010年美国页岩气的年产量突破千亿立方米,预计到2035年,其页岩气产量将达到本国天然气总产量的45%,在未来能源格局中扮演更加重要的角色。为此,叶建良预测:“一旦可燃冰的商业化开发得以实现,能源危机将得到大大缓解,中国将因有巨大可燃冰资源而获得稳定能源保障,世界上能源自给国家将增多,对石油的需求将大幅降低;非产油内陆国家将有更多的选择,不但有利于世界能源保障,也将使世界变得更和平。”

  不过,如其它类型的新能源一样,可燃冰开发需要假以时日。叶建良再次举了美国页岩气开发的例子:二十世纪八十年代至九十年代初,水平井、水力压裂技术的应用使得页岩气的开发具有经济可行性,直到2003年开始商业化开采,期间经历了约15年。他认为,可燃冰商业性开发,还需要在关键技术上进一步攻坚克难,包括有效提高泥质粉砂储层的渗透性、提高产能、长期持续开采、防砂、举升等,有必要开展第二次开采试验。

  “我们需要建造更加灵活、机动、可靠的水合物专用钻采船,以降低科学试验成本,构建更加符合实际的研究平台和大型模拟装置;制定可燃冰开发的相关国家政策,以促进企业和社会资金的投入,提高企业对可燃冰开发的积极性,加快可燃冰商业化开采的步伐。”叶建良说。

  广东是距离试采现场最近的省份。叶建良表示,这次可燃冰试采工作,得到了广东相关部门的支持。这次试采成功,或为广东省蓝色经济注入新活力和新内容,可以从可燃冰科学理论、技术装备制造,勘查试采、商业开采、完整工业体系上拉动相关产业发展。一旦天然气水合物进入商业化开采,可以大大缓解包括广东省在内的能源资源紧张局面。水合物资源的大开发也离不开以广东为腹地的大力支持。叶建良建议,在加快推进水合物勘查开采产业化的进程中,广东省可加大扶持与天然气水合物开发相关配套产业,如海洋工程、海上油气田开发企业及相关勘探研发单位,为天然气水合物开发提早布局。

  统筹:伍青

编辑: 杨智明
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