关于天然气水合物钻探的思考
２０００年第３期 探矿工程 ５ 编者按：由于世界性能源日趋紧张以及大量燃煤造成的环境污染问题，寻找和开发利用新型洁净能源对 各国经济舞扭社会发展具有重大意义。天然气水台物是一种清洁的新能源，据权威机构统计，其垒球总置换算 成含碳量比迄今世界上所有已知石油、天然气、煤碳矿产大２倍，是潜在的巨大能源，目前世界上正在形成一 个天然气水台物研究的热潮。因此，本刊特刊发此文，旨在推动我国对天然气水合物的勘探开发研究特别是 有关天然气水合物钻探的前期准备工作，为国家的经济建设服务。
关于天然气水合物钻探的思考 ，／Ｓ口ｏ８ ｛ 李常茂 ，耿瑞伦 ·ｊ一 （１．国土资源部老干部局，北京—１００８—１２；一２ 国 展研究中． ，北京１０ｏ￣３）
摘要：天然气水台物是一种固态的化合物，烃类气体源：固态的天然气水合物只能稳定存在于较低的温度（０～ １０℃）和较高的压力（１０ ＭＰａ以上），这些均给天然气水台物的钻采带来了一定的难度。简要介绍了天然气水合物 的形成、稳定条件，分布情况以及国内外勘查研究新动向，着重阐述了天然气水台物钻探的作用及有关技术问题， 提出了我国开展天然气水台物钻探的工作思路 关■词：天然气水合物；能源；勘查；钻探 中圈分类号：Ｐ６３４．５；ＴＥｌ３２．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—３７４６（加００）０３—０００５—０４ Ｐ哪ｌｄ咖 Ｇａｓ Ｈｙａｒａ￣Ｅｘｐｌｍ－ａｆｌｏｎ Ｄｒｔｌｌｉｎｇ／Ｌｌ Ｃ￣ａｎｇ－ｍａｏ（ＩＶｆｉｒｆｉｓｔｒｙ ０ｆ Ｌａｎｄ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｂｅｉ）ｉｎｇ １００８１２， Ｃｈｉｎａ），ＧＥｅｑＧＲｕｉ－ｌｕｎ（ＣｈｉｎｅｓｅＢｕｒｅａｕ ｏｆＧｅｄｃ￣ｃａｌ Ｓｕｒｖｅｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ｑ００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｌ￣ｔｒａｅｔ：Ｔｈｅ ｆｏｎｍ￣，ｓｔａｂｌｅ ｃ。ｎｄｌｔｉｏｎ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄ５ｅａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ０ｆ ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅｓ ａｒｅ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅ￣ｈｉＩｏｌｏｇｙ ｐｒｏｂｌｅｒ￣ｏｆ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｄ ｏｆ ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅｓ ａｒｅ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｔｈｉｎｋｉｎｇ ０ｆ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｂｏｒｉｎｇ ｏｆ ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ＫｅｙⅥⅧｒｄｓ：ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅｓ；￣Ｆｔｏ．ｒｇｙ ｒｅｓｏｍ３ｃｅ￣；ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ；ｄｒｉｌｌｉｎｇ １天然气水合物是一种巨太的能■来源 天然气水合物英文叫ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅｓ。俄文口Ｊｆ ＦＡ３￣ＡＴ。 天然气水合物是一种象普通雪一样的，遇热迅 速分解的白色结晶体。它是一种固态化合物，一种 烃类气体源。 天然气水合物是在一定条件下由水和天然气组 成的结晶化合物。组成天然气的成分Ｃ 、 、 Ｈ８、ｃ４Ｈ１０同系物，ｃ 、 、Ｈ２Ｓ等，可形成单种或 多种天然气水合物。 已查明，天然气水合物中的水分子形成了多面 体骨架，其中有孔穴，这些孔穴可被气体分子所占 据。因此，天然气水合物与结晶化合物有类似之处。 天然气水合物中气体的主要成分是甲烷。在标 准温压下，ｌ ｍ 甲烷气水合物可含１６４ 甲烷气 体。 从理论上讲，在沉积盆地内能够形成气水合物 的先决条件包括：富含分散有机质的沉积物中充有 地下水。深水区的水动力处于滞流状态，存有着生物 成因的气体（或从下伏地层进人热催化气体），同时 压力与温度具有特定的相关关系。 固态的天然气水合物只能稳定存在于较低的温 度（０～１０℃）和较高的压力（１０ ＭＰａ以上）。 在陆地，天然气水合物产于永久冻土地区２００ ２０００ ｍ深处…１。在平均大洋条件下，甲烷气在沉 积物中形成水合物的水深为６００－－３０００ ｒｆｌ。水合物 在海床下沉积物中的稳定深度为０～１０００ ｍ＿２ Ｊ。 前苏联科学院院士Ａ．Ａ．特罗菲姆克认为，有 利于天然气水合物形成条件的地区占陆地面积的 ２７％，其中大部分分布在冻结岩层；在９０％的世界 洋中都具备气水合物生成的有利温度和压力条件 首次发现固态气体水合物可追溯到１８１０年，发 现者戴维在实验室内观察氯气通过水介质生成一种 黄色沉淀物。
收稿日期：２０ｏｏ一０３—１８ 作者简介：李常茂（１９３１一），男（双族），辽宁沈阳人，国土资源部教授级高级工程师，前苏联科学技术副博士，北京市西四阜内大街６４号
（０１０）６６１６９３３３—４２１８ｏ 维普资讯 http://www.cqvip.com ６ 探矿工程 ２００ｏ年第３期 ３ｏ年代，苏联科学家在西伯利亚天然气输送管 道中出现堵塞时发现了天然气水合物。 ６０年代末，苏联学者公布了在西伯利亚永久冻 土带沉积岩内发现并回收气体水合物晶体的事件。 ７０年代，在西伯利亚梅索雅哈天然气田生产出水合 物分解的天然气。 ７０年代，通过深海钻探（ＤＳＤＰ），首次从海底沉 积中采集到天然气水合物。 据２０余年所取得的地质、地球物理和地球化学 资料，一些研究者已发现５０ １３３处海底水合物赋存 区，将已查明或正在研究的矿点划分出１４个世界级 规模的气水合物矿区。据估计，具有产出海底气水 合物条件的水域占世界大洋面积的１Ｏ％（觅图１）。
田１已发现的气体承台袖分布田 ｛据Ｋｖｅａｖｏｌｄｅｎ等．１９９３年謦改） ●一据地球物理贷料在水蛾中发现的气体水台韧；◆一已 在岩心或沉积物中觅到的气体水台物；一一 地上的气体 水舍物 据８０年代国际天然气潜力委员会（ＰＧｃ）的统 计，世界各大洋中，天然气水合物的总量换算为甲烷 气体，高达２×１０ ｍ３，其含碳量比迄今世界上所有 已知石油、天然气、煤炭矿产大２倍（见图２）。 据前苏联科学院玛卡格奥研究组估计，仅在海 洋环境中的天然气水合物即含有５．６×１０ 天然 气。 目前，对天然气水合物进行勘查、研究的国家有 俄、美、日、加、英、法、德、挪、澳、印等国。 些科学家对天然气水合物的物理性质、产出 条件、分布规律、勘查技术、开发工艺、经济评价与环 境影响等方面，进行了不同程度的考察和研究 在 世界范围内形成了一个天然气水合物研究的热潮。 圈２有机和硅质艟料垴构分布圈 单位：ｌ０ ｇ碳（Ｋ忸啪ｌ缸，１９８８） ２国内外天然气水合韧勘查、研究的新动向 美国于１９９５的制订了一个天然气水合物１０年 研究与开发目标。到２０１５年取得从天然气水合物 中商业生产甲烷气体所需要的知识和技术 准备以 ２～３亿美元用于天然气水合物的研究和开发。 日本于１９９５年由国家贸易与工业部在国家石 油公司下成立了天然气水合物开发促进委员会。制 订了天然气水合物开发研究五年计划。在进行天然 气水合物资源的地球物理、地质、地球化学调查和重 点区的地震勘探之后，在阿拉斯加的陆区钻进几口 ８５０ ｍ深度的示范井，之后在南海海槽或鄂霍茨克 海，在水深８５０ ｍ下，在沉积岩中钻进一１：３ ３３０ｏ ｍ 的海区地层勘探井。在５年时间内，拟动用９ＯＯＯ万 美元用于天然气水合物的生产研究，希望减少日本 能源供应大量依赖外国的现状。 几年前，印度的有关机构成立了一个专家委员 会，负责提出天然气水台物调查与开发计划的框架 １９９５年政府批准了天然气水合物调查研究五年计 划（１９９６－２０００年），国家出资５６０ｏ万美元，组织国 内有关单位具体实施。 国内关于天然气水合物的调查研究工作起步较 晚．经海上地球物理调查，初步评价出一些比较有远 景的找矿靶区。 中国地质调查局所属广州海洋地质调查局在北 纬１０ 以北的南海海域，采集了１０余万Ｅｒａ的多道 地震剖面，经初步解释，一些地方存在模拟海底反射 层ＢＳＲ（Ｂｏｔｔｏｍ ＳｉｍｕｌａｔｉｎｇＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ），其中有３处 地震剖面，其水深分别为１７１８、７３０、１３５０ ｍ下，沉积 厚度为１６５、１４０、２５０ ｍ，其压力分别为２２．２、１０、７、 １６、７ ＭＰａ，根据地震反射波特征及温度、压力推测，
维普资讯 http://www.cqvip.com ２０００年第３期 探矿工程 ７ 这些地方可能存在天然气水合物。 此外，在南海北部陆缘，有８个声纳浮标站位， 测得海底沉积层速度比正常海底沉积层速度大，如 沉积物中的地温梯度正常，根据沉积层界面处的温 度、压力，它们将位于天然气水合物存在区内。这些 站位处存在天然气水合物的可能性。
３天然气水合物钻探 ３．１目的和作用 天然气水合物钻探是在地球物理、地质、地球化 学勘查的基础上进行的。在钻探过程中又必须与地 质、物探、化探、岩矿测试各种方法相互配合，有机结 合。只有这样才能更有效地完成天然气水合物的勘 查任务。 通过钻探，在海床下采取水样（孔隙水）、气样 （游离气），经过分析，测定天然气水合物存在的相关 气体，如氧、氩、氮、二氧化碳、氢、甲烷及重烃类．根 据测量及地质背景分析，进行海底水合物远景评价。 通过测量甲烷富集程度，查明气水合物活动排泄源， 根据地震相分析及甲烷富集，划分沉积构造区，并为 海底天然气水合物分布及其稳定状态评价提供依 据。 通过钻探取样，测定岩心的孔隙度井通过测井 资料计算，求出储层内气水合物的饱和度，用以计算 远景储量。 通过钻探，采集天然气水合物矿样，结合物探测 井及井中物探工作，取得地下真实可靠的信息及实 物资料，验证物化探异常，确定矿床储层位置、埋深、 厚度、走向、形状，经过样品分析，确定其气体成分及 含量，成为矿床评价的重要依据。 钻孔又是采集天然气水合物、将其从地下运送 至地面的通道。通过钻探，测量地层压力、气体压 力、井温、井径、岩石机械物理性能，包括盖层的厚度 和稳定性，便于及早采取措施，避免在钻进及开采时 出现井塌及海底沉降事故。 ３．２天然气水合物分解 天然气水合物钻探不同于一般海洋油气钻探， 其中一个很大的难点在于在钻进过程中发生天然气 水合物分解。 在钻进过程中，由于产层内温度、压力的改变， 使天然气水合物处于不稳定状态。 当需要钻人深部地层时，泥浆循环会将深部的 地下热能带至上部，如处理不当，可能引起水合物分 解 在固井时，靠近天然气水合物的水泥在固化时， 由于水泥反应散发热量，也会使天然气水合物分解。 甚至在正常钻进时，如地面泥浆的温度明显高 于产层．也会产生天然气水合物分解。 不管天然气水合物深度多大，分解后都会在地 面膨胀１２０～１７０倍（依充填率而异）。如气体大量 分解，使井径扩大，套管被压扁，使井口装置或防喷 器失去承载能力而发生倾斜，将丧失井压控制手段， 有可能导致井喷及井塌事故。分解后的气体可能破 坏周围环境，并喷出至海水中，污染周围环境，有时 还会出现溶洞，使天然气水合物地层下沉，出现地基 沉降事故。 国外天然气水合物钻探基本上有２种方法，即 分解抑制法和分解溶许法。 分解抑制法的实质是通过泥浆的冷却，防止天 然气水合物层温度上升，将相平衡状态维持在水合 物分解抑制状态。在钻进永久冻土层时，基本上都 采用这种方法。 分解溶许法的实质是使用低密度未冷却的泥 浆，诱发水合物分解．分解是被控制的。分解的气体 通过钻机上的回流器和大容量低压气体分理器安全 地处理。钻头进尺受气体处理器的制约。在起下 钻、电测井、下套管固井作业时，为使天然气水合物 停止溶解，需事先向井内注入重泥浆 这种方法与传统的压井方法相矛盾。如出现井 涌、井喷会造成井壁失稳。分解的甲烷气也难与上 部浅层气及水合物下层自由气相区别。 我们认为，采用分解抑制法比较妥当，有可能避 免因天然气水合物分解带来的一系列麻烦。 ３．３海洋钻井装置 根据南海北部陆缘天然气水合物勘查的需要， 最好能有设置水深２０００－－３０００ ｉＴｌ、在沉积岩中钻进 ５００～１０００ ｍ能力的海洋钻井装置。而世界上能在 水深超过２０００ ｍ条件下工作的钻井装置只有３５ 座，其中能适用于天然气水台物勘查的非常有限。 目前．只有Ｆｕｇｒｏ公司签约的Ｍ／Ｓ ＢＵＣＥＮＴＡＵＲ， Ｍ／ｒ ＰＨＯＬＡＳ、ＢＡＶＥＮＩ及Ｍ＿ｒ－ＷＡＬＴＥＲ调查 船能够进行水深１５００ ｍ左右的调查。 由于目前国外海洋钻井装置主要用于油气勘 查，若用以进行天然气水合物钻探，必须根据钻进天 然气水合物的需要，进行相应改造，特别是要设有泥 浆冷却装置及气体处理装置。 日本学者经过分析，认为漂浮式生产系统经过 改进，可能成为开发海底天然气水合物的生产装置。、
天然气水合物(可燃冰)的详解
天然气水合物(可燃冰）的详解
2017年5月18日，国土资源部中国地质调查局在我国南海神狐海域宣布可燃冰试开采成功，实现连续8天稳定产气，标志着我国成为在海域可燃冰试开采中少数几个获得连续稳定产气的国家。为此，中共中央、国务院对此次试采成功发去贺电。贺电称，天然气水合物是资源量丰富的高效清洁能源，是未来全球能源发展的战略制高点。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。这是我国在掌握深海进入、深海探测、深海开发等关键技术方面取得的重大成果，是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。
此次试开采同时达到了日均产气一万方以上以及连续一周不间断的国际公认指标，不仅表明我国天然气水合物勘查和开发的核心技术得到验证，也标志着中国在这一领域的综合实力达到世界顶尖水平。
一、各国天然气水合物的开发进程
海底天然气和水在低温、高压条件下可形成的一种类似状的可燃固态物质，称为天然气水合物，由于外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固体瓦斯”之称，在大陆边缘陆坡区等地区有较广泛发育。天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源，早在1965年，前苏联就首次在西西伯利亚永久冻土带发现天然气水合物矿藏，并引起多国科学家的注意。
1971年，美国学者Stoll等人在深海钻探岩心中首次发现海洋天然气水合物，并正式提出“天然气水合物”概念。1979年，DSDP第66和67航次在墨西哥湾实施深海钻探，从海底获得91.24米的天然气水合物岩心，首次验证了海底天然气水合物矿藏的存在。2000年开始，可燃冰的研究与勘探进入高峰期，世界上至少有30多个国家和地区参与其中。
在2013年3月12日，日本成功地在爱知县渥美半岛以南70公里、水深1000米处海底开采出可燃冰并提取出甲烷，成为世界上首个掌握海底可燃冰采掘技术的国家。
海洋天然气水合物勘探与开采研究的新态势(一)
２０１１年１２月 Ｄｅｃｅｍｂｅｒ．２０１１ 矿床地质
ＭＩＮＥＲＡＬＤＥＰＯＳＩＴＳ 第３０卷第６期 Ｖｏ１．３０ Ｎｏ．６
啦 妇 迎业 天然气水合物简介 带齐芥 睁芥芥芥芥
海洋天然气水合物勘探与开采研究的新态势（一）
天然气水合物是一种由甲烷等气体与水分子组成的冰雪装的晶体物质。它们形成和赋存于低温高 条
件，广泛分布于世界大洋和内陆湖、海的底部，以及极地的冻土带，被认为是２ｌ世纪最有远景的新能源。海
洋型天然气水合物常以浸染状、层状，或块状形式赋存于水深３００ ５００ ｍ的陆坡和岛坡的近海海底的沉积
岩中。依据最新较为保守的估算，全球海底的天然气水合物所蕴藏的甲烷气体约为１０ ＴＣＦ（约合２．８×
１０ ｒｎ３，或２ ８００万亿ｒｎ３），比全世界天然气的总储量（０．１８×１０ ｍ３或１８０万亿ｍ ）还大得多。
１对海底天然气水合物开采的重新认识
海底天然气水合物虽然分布广、资源量大，但由于其在岩层中的含量低、埋藏深等原因，一度曾被认为
２０～３０年内不具开采价值。然而，现在科学界已不再这么看。随着现代工业对能源的需求不断增加，传统
的石油、天然气供不应求，迫使工业大国积极寻求新型的替代能源。另外，近几年深海采油工艺技术的进步
也使海底天然气水合物的开采在技术上成为可能，开采费用也有所降低。特别是美国、日本、加拿大等困在
２００２年和２００８年对加拿大马更些三角洲的Ｍａｌｌｉｋ陆上冻土层中的水合物成功进行了两度开采试验，更令 人真实地看到了开采的可行性。也许，海底水合物的试验开采可能就出现在最近的３～５年内。 近几年来，美国、日本、印度等国已开始对海底天然气水合物的开采进行地质勘探和工艺技术ｌ：的准备，
而且，已经把开采试验的时间表列入了国家的研究和开发纲要中。同时，科学家也明显加大了对海洋天然气
水合物资源可开发性的研究，并在地质及开采技术研究方面取得了若干新成果，达到了一个开发研究的新阶 段。
天然气水合物保真取样钻具的试验研究
６２ 探矿工程（岩土钻掘工程） ２００７年第９期
天然气水合物保真取样钻具的试验研究
张永勤，孙建华，赵海涛，刘秀美，王汉宝 （中国地质科学院勘探技术研究所新技术一室，河北廊坊０６ＳＯ００） 摘要：由于天然气水合物生存环境及特性特殊，所以了解其物化特性最有效的方法是通过钻探取样。天然气水 合物钻探取样的关键是要有满足要求的钻探设备、钻探工具、钻探工艺及特殊的冲洗液。介绍了天然气水合物取 样钻具的结构、原理、特点、钻进工艺及试验结果。根据海洋钻井的特点，提出了中国实施天然气水合物钻探经济 实用的施工方案。 关键词：天然气水合物；保真取样；钻具；试验研究 中图分类号：Ｐ６３４．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—７４２８（２００７）０９—０ｏ６２—０４ Ｔｅｓｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｉｎ－ｓｉｔｕ Ｓａｍｐｌｅｒ ｆｏｒ Ｇａｓ Ｈｙｄｒａｔｅ／ＺＨＡＮＧ ｙ０ 一ｑ／ｎ，ＳＵＮ Ｊｉａｎ－ｈｕａ，ＺＨＡＯ Ｈａｉ—ｔａｏ， Ｘｉｕ—ｒａｅｉ， ＷＡＮＧ Ｈａｎ—ｂａｏ（Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ＣＡＧＳ，Ｌａｎｇｆａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０６５００Ｏ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅ ａｒｅ ｓｐｅｃｉａｌ，ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗａｙ ｔｏ ｒｅａｌｌｙ ｇｅｔ ｔｏ ｋｎｏｗ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｎａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅ ｉｓ ｔｏ ｄｅｐｅｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｓａｍｐｌｉｎｇ．Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｅｑｕｉｐ－ ｍｅｎｔ，ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｏｏｌ，ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｓｐｅｃｉａｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ａｌｅ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｌｉｎｇ ａｎｄ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｒｉａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｏｏｌｓ ｆｏｒ ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅ ａｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ａｎｄ ａｌｓｏ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ＯＣｅａｌＯ．ｄｒｉｌｌ— ｉｎｇ，ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅｓ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ＆ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ｒｅｔａｉｎｅｄ ｓａｍｐｌｉｎｇ；ｄｒｉｌｉｎｇ ｔｏｏｌ；ｔｒｉａｌ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ０ 引言 人们发现天然气水合物（ＧＨ ｏｒ ＭＨ）的存在已 有１００多年的历史，经过地质学家几十年的研究和 调查发现，世界上２７％的陆地和９３％的大洋水域面 积可能形成天然气水合物的潜在区，具有储量大、埋 藏浅、能量密度高、分布广、规模大等特点，极有可能 成为未来人类新的接替能源。因此，世界许多国家 对天然气水合物的调查研究、勘探开发和利用高度 重视。但从目前对天然气水合物物化特性真正掌握 的技术手段看，钻探取样是最终获得天然气水合物 实物样品的唯一手段。所以，研究开发天然气水合 物保真取样钻具及钻探施工技术对加快天然气水合 物的勘探开发利用具有非常重要的意义。我国在天 然气水合物取样钻探技术的研究方面起步较晚， ２０００年８月，国土资源部国际合作与科学技术司率 先启动了“天然气水合物保压取心钻具研究”；２００１ 年，国家又将“天然气水合物保真取样钻具的研制” 列为“８６３”计划。经过几年的探索和研究开发，在 保真取样钻具及钻探施工方案等方面取得了一定的 进展和成果。 １ 天然气水合物保真取样钻具的研究 由于天然气水合物的生存环境及特性不同于常 规石油及其他固体矿床，所以在取心钻具的结构及 施工工艺过程与传统的固体矿床钻探取心方法不 同。天然气水合物取样钻具在钻进施工中不仅要求 取出水合物样品，还要求保持水合物的原始状态，所 以具有一定的难度。目前国外经过十几年的开发研 究，也没有完全可靠的保真取样钻具。目前天然气 水合物保真取样钻具分为浅孔及深孔钻具，浅孔钻 具主要是重力活塞取样器，国外已经比较成熟，这种 取样器主要用于海底浅表层取样，施工时只需配备 调查船和满足要求的绞车及起吊设备即可实现取样 施工。但目前地球物理及地球化学调查的资料显 示，多数情况下，天然气水合物存在于海底以下５００ —１２００ ｍ。因此，对于海底以下几百米到数千米的 深孔，重力活塞取样器便无能为力了，必须采用海洋 石油钻井平台或具有动力定位的钻井船，并配备相 应的钻杆、钻具等进行回转取心钻进。本文介绍了 笔者承担的深水深孔天然气水合物保真取样钻具的 主要结构特点、试验睛况、我国实施天然气水合物取 收稿日期：２００７—０８一Ｏ１ 基金项目：国家“十五”８６３项目“深水深孔天然气水合物保真取心钻具研制”（编号：２００１ＡＡ６１１０２０／０４） 作者简介：张永勤（１９６０一），男（汉族），江苏沛县人，中国地质科学院勘探技术研究所新技术一室副主任、教授级高级工程师，探矿工程专 业，从事岩土钻掘及取心（样）技术、施工设备及器具的研究与开发工作，河北省廊坊市金光道７７号。
天然水合物钻探取样技术介绍
第２１卷第２期 ２ ０ ０ ２年 ６月 Ｖｏ１．２ｌ Ｎｏ．２ Ｊｕｎ． ２ ＯＯ２
天然气水合物钻探取样技术介绍
汤凤林，张时忠，蒋国盛，刘晓阳，窦 斌
（中国地质大学工程学院，湖北武汉４３００７４）
摘 要：介绍了国内外９种天然气水合物取心器和１种岩心恢复取样系统的主要技术指标、结构组成和工作原理，以及岩心的保
存和卸压分离技术，并对取心器和取心钻探工艺的技术方案提出了看法和建议。
关键词：天然气水合物；取心器；保存；分离 中图分类号：ＴＥ９２１．３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００—７８４９（２００２）０２—００９７—０３
钻探取样是识别水合物最直接的方法，目前已
在世界许多地方获得了水合物的岩心，例如，布莱克
海岭、中美洲海沟、秘鲁大陆边缘、里海等地。但是， 要获得保持原位压力和温度的高保真岩心样品，必
须采用高保真取心器、原状水合物岩心室内实验分
析装置。后者在国内外还未取得实质性的进展，只是 对岩心分离气、液和岩心岩石骨架进行实验分析研
究。国内外目前使用的保压取心器主要有国际深海
钻探计划（ＤＳＤＰ）采用的保压取样筒ＰＣＢ、国际大 洋钻探计划（ＯＤＰ）采用的保压取心器ＰＣＳ、活塞取
样器ＡＰＣ、日本研制的ＰＴＣＳ。国内外还有一些用于 常规石油天然气取心的压力密闭取心器可直接用于
水合物的保压取心，如ＥＳＳＯ—ＰＣＢ、Ｃｈｒｉｓｔｅｎｓｅｎ—
ＰＣＢ、美国的ＰＣＢＢＩ 我国大庆的ＭＹ一２１５等，但保
压、保温性能技术指标与ＤＳＤＰ—ＰＣＢ、ＯＤＰ—ＰＣＳ、日 本研制的ＰＴＣＳ相比存在差距，且无水合物取心的
历史。
１保压取心器的主要技术指标
各类保压取心器的主要技术指标如表１。
表１ 保压取心器的主要技术指标 Ｔａｂｌｅ １ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｒｅ ｓａｍｐｌｅｒｓ ｏｆ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ
取心器 主要技术指标 取心历史 ①自由下落式展开，液压驱动，绳索提取；②可取到长８６ ｃｍ、直径为４２ ｍｍ的心 在ＯＤＰ Ｌｅｇｌ２４，ｌ ３９，１４ｌ，ｌ４６，ｌ６４， ＯＤＰ—ＰＣＳ 样；⑧可与ＡＰＣ／ＸＣＢ ＢＨＡ联合使用；④岩心室长为１．８ ｍ，直径为９２．２ ｍｍ；⑤ ｌ ９６等航次中使用，取样长度０～ 保持压力７０ ＭＰａ；⑥工作温度为 ｌ ７．７８～＋２６．６７。Ｃ ０．８６ ｍ，保持压力０～５０ ＭＰａ ①绳索下放、回收式内岩心管；②岩心直径为６６ ｍｍ；⑧钻头直径为６６．７ｍｍ；④取 在马更些三角洲、石油公司柏崎试 日本ＰＴＣＳ 心长度为３ ｍ；⑤保压系统为３０ ＭＰａ，利用氮气蓄压器控制压力；保温系统；⑥采 验场、“南海海槽”海洋探井（采心率 用绝热型内管和热电式内管冷却方式；⑦采用２１ ９．１ ｍｍ钻铤和ｌ６８．３ ｍｍ钻杆 ３７％～４７ ）等中使用 ①在同一回次中可取几段岩心；②可取长６ ｍ、直径５７．８ ｍｍ的保压岩心；⑧工作 在ＤＳＤＰ Ｌｅｇ４２，６２，７６等航次中使 ＤＳＤＰ－ＰＣＢ竿 套 。 巢 耋 嘉 嚣 景 嚣 用
天然气管道中水合物影响因素及防控研究
天然气管道中水合物影响因素及防控研究
天然气一直是人类的重要能源之一，其在工业、民用、交通等方面都有广泛的应用。而天然气的运输方式也有多种，其中管道运输成为最主要的一种方式。然而，天然气管道中混入的水合物却给管道的安全运行带来了诸多挑战。本文将就天然气管道中水合物的形成原因、影响因素以及目前的防控研究展开论述。
一、水合物的形成原因
水合物是指天然气分子和水分子在一定条件下结合而成的晶体物质，形如冰块。在天然气管道中，当管道内部压力下降或温度下降时，管道中的水气混合物就会产生水合物，水合物越积聚，压力就会逐渐增大，最终可能引发管道事故，给人们带来极大的安全隐患。因此，了解水合物的形成原因就显得尤为重要。
水合物的形成原因主要有以下两个：
1、压力下降
在天然气管道中，若气体压力下降，水分子就会跟随着气体分子减少而产生凝聚，逐渐形成水合物。例如在管道发生泄露时，管道内部气体压力会快速下降，导致水分子和天然气分子结合形成水合物。
2、温度下降
在天然气管道中，若气体温度下降，管道内的水气混合物会逐渐形成水合物，尤其是在温度低于0℃时，水合物的生成速度更快。因此，对天然气管道的温度控制尤为重要。
二、影响因素
除了上述两个因素以外，还有其他因素也会影响水合物的形成。下面将就一些重要的影响因素进行介绍。 1、水分子浓度
在气体中水分子的浓度越高，则气体形成水合物的速度也越快。
2、压力
当管道中气体压力越大，水和天然气分子的混合度也就越难以形成水合物，而压力降低则反之。
3、温度
当管道温度越低，水合物的生成速度则越快。因此，对天然气管道的温度进行严格控制，可以减缓水合物的生成速度。
4、天然气成分
在不同类型的天然气中，其成分组成也不一致，这就会导致水合物的生成速度也可能会不同。比如说，液态天然气中甲烷和乙烷等组成比例不同，则生成水合物的速度也会有所差异。
三、水合物的防控研究
尽管天然气管道中的水合物形成具有一定的规律以及因素，但其形成规律是个极其复杂的过程，许多科学家正在进行水合物的防控研究。下面将就一些防控研究进行简要介绍：
天然气水合物
博学笃行 自强不息
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天然气水合物
引言
天然气水合物（Methane Hydrates），简称NGHs，在过去几十年中备受关注。天然气水合物是一种特殊的化学物质，它是天然气和水形成的结晶化合物。它的结构中包含了天然气分子（主要是甲烷）和水分子，形成了固体晶体结构。天然气水合物存在于寒冷的深海底部和极地地区的沉积物中，被认为是一种巨大的未开发能源资源。这篇文章将会介绍天然气水合物的形成过程、分布情况、潜在的能源潜力以及对环境和气候的影响。
形成过程
天然气水合物的形成需要同时具备压力和温度条件。在大部分的天然气水合物形成地点，地下水的渗透会将水带到脆弱的沉积物层中。当水和天然气接触时，由于寒冷的温度和高压力，水和天然气中的甲烷分子会结合成为水合物晶体。这种过程被称为水合物形成。天然气水合物形成的主要条件是温度低于零下6摄氏度且压力超过200个大气压。
分布情况
博学笃行 自强不息
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天然气水合物广泛分布于全球寒冷的海洋和极地地区。它们主要存在于深海海底的沉积物中，以及北极地区的冻土和冰川中。据估计，全球的天然气水合物资源量巨大，可能比现有的天然气储量还要多。然而，由于水合物存在的极端环境条件和技术挑战，目前还没有进行大规模开采。
潜在的能源潜力
天然气水合物被认为是未来能源的候选者之一，因为它们拥有巨大的能源潜力。根据估计，全球的天然气水合物储量可能远远超过传统天然气储量。特别是在亚洲地区，天然气水合物被视为减少对进口石油和天然气依赖的一种替代能源。然而，天然气水合物的开采和利用面临着技术挑战和环境风险。
技术挑战
天然气水合物的开采和利用面临着许多技术挑战。首先，水合物形成的地点通常位于深海或极地等极端环境中，需要克服高压、低温和深水等条件。其次，水合物本身的物理性质使得开采过程更加困难，因为水合物在外部环境下会分解成天然气和水，导致压力下降和结构不稳定。此外，无论是开采还是运输天然气水合物，都需要解决海底管道技术和安全问题。
天然气水合物勘探技术
天然气水合物勘探技术
（1）似海底反射层（BSR） Bottom simulating reflector(BSR)
海洋沉积物中存在天然气水合物的最直接证据是具有异常地震反射层，其位于海底之下几百米处与海底地形近于平行，人们通常称这种异常地震反射层为似海底反射层（BSR，以前也有人译为海底模拟反射层）。自从60年代在地震剖面中观察到BSR以来，众多学者公认BSR与海洋沉积物中气水合物的存在有关。现在已证实BSR代表海底沉积物中天然气水合物稳定带基底。
随着多道反射地震技术的普遍采用，BSR现象在地震剖面上更为明显。在地震剖面中，BSR一般呈现出高振幅、负极性、平行于海底和与活动沉积构造相交的特征，极易识别。BSR随水深的增加而增加，随地热梯度的变化而变化。
BSR曾被解释为自生含铁碳酸盐矿物薄层的反射（Hollister等1972年在布莱克海岭钻井中钻遇过这种薄层）、厚的高速层（Dillon等，1980）。BSR与天然气水合物层之间有关的证据首先是在布莱克海岭进行的深海钻探计划（DSDP）航测线 II 上发现的，BSR上部沉积物中释放出大量的甲烷。人们起初认为BSR现象与气水合物层和下部游离气层间的界面有关，但后来研究认为BSR的产生与游离气体层有关。BSR不是由简单的某一界面引起，而是由整个游离气体层造成。BSR的幅度与水合物层下的游离气体的厚度相关，随气体厚度的增大而增强。
由于在冰胶结永冻层地震波传播速度与水合物层相当，因而BSR技术不能用于对永久冻土区的气水合物进行勘探。
（2）钻孔取心资料
随着钻探技术和海洋深水取样技术的提高，给人们提供了直接对自然界中天然形成的气水合物进行研究的机会。同时，钻孔取心资料也是证明地下气水合物存在的最直观和最直接的方法之一。目前已经在墨西哥湾、布莱克海岭等地取到了天然存在的含气水合物岩心。用于研究的气水合物样品通常取自钻杆岩心或用活塞式取样器、恒压取样器采集的海底样品。在分析测试时，一般取一定量的样品（100～200g）放入无污染的密封金属罐中，再在罐中注入足够的水，并保留一定的空间（100cm3）存放罐顶气。通过对罐顶气、样品经机械混和后释出的气及样品经酸抽提后释出气的甲烷至正丁烷的组分进行气相色谱分析，以及对罐顶气进行甲烷δ13C和δD分析，不但可以推测气水合物的类型，而且还可以确定形成气水合物的气体成因。
天然气水合物开采技术
天然气水合物开采技术
天然气水合物是一种新兴的能源资源，它可以替代传统石油和天然气，成为未来能源领域的主要来源。由于其储量丰富，而且含量稳定，天然气水合物被认为是一种充满潜力的资源，但是由于其开采难度较大，开采技术也相对复杂。本文将分享一些目前应用的天然气水合物开采技术。
1. 常规水平钻探
常规水平钻探是一种基于传统石油开采的方式，通过钻探设备在海底进行，以获取天然气水合物储层的数据。这种方法比较简单，由于在海底的环境下操作，所以需要钻探设备具有足够的耐腐蚀性能，以确保钻探设备能够在极端天气和海洋环境下运作。不过这种方法却存在一定的限制，由于水合物储层往往是深埋在海底以下，这种开采方式的效率相对较低，而且成本相对较高。
2. 气体旋流法
气体旋流法是一种新型的天然气水合物开采技术，它可以有效解决常规水平钻探的缺陷。气体旋流法基于一个简单的原理，利用高速气流旋转和冲击力破坏天然气水合物储层结构，并将储层内的天然气释放出来。这种技术可以提高开采效率，降低成本，在未来有望成为一种主要的开采方式。
3. 洁净隔离技术 洁净隔离技术是一种未来重点研发的天然气水合物开采技术，它可以有效地实现天然气和水合物的分离和纯化。这种技术可以减少环境污染，提高天然气水合物的纯度，从而提高其经济价值。与此同时，洁净隔离技术还可以防止水合物被氧化和热解，避免不必要的资源浪费。
4. 微生物耦合方法
微生物耦合方法是在天然气水合物开采领域探索的一种新型技术，其原理是通过添加细菌和病毒来促进水合物分解和提取。这种方法可以在不改变天然气水合物储层化学成分的情况下，迅速将煤层气释放出来，从而提高开采效率和经济效益。此外，微生物耦合方法不会对环境产生负面影响，是一种环保的开采技术。
总结
天然气水合物是未来能源领域的一个潜力非常大的资源，开采技术不断取得进展，加上政策方面对于绿色能源的支持，未来天然气水合物有望成为主要的能源来源之一。当前，常规水平钻探和气体旋流法是目前应用比较广泛的开采技术，而洁净隔离技术和微生物耦合方法是未来需要加强研究的新型技术，未来水合物开采将逐渐转向低成本、高效率、环保、绿色的方向。
基于天然气水合物勘探的多功能CPTU数据解释与聚类算法研究
基于天然气水合物勘探的多功能CPTU数据解释与聚类算法研究
21世纪是海洋的世纪,海洋工程建设和海洋矿产资源开发是海洋经济的引擎。作为一个新矿种,天然气水合物潜力巨大,天然气水合物储层的准确识别和精细定量评价是自然界水合物开发利用的基础。目前,地球物理测井是除地震和钻探取心外最有效的原位识别和评价方法。测井离不开钻探,海洋钻探是一项技术复杂且成本高昂的工作。
多功能静力触探技术集合了测井技术和传统孔压静力触探（CPTU）技术的优点,随着多功能CPTU技术的发展,其作用不仅限于评价岩土体特性,在识别地层异常方面,也大有用武之地;CPTU探头的丰富性,无疑会使这种识别效果大大提升。如果能用多功能CPTU技术对天然气水合物特征地层或储层进行识别,然后再采用钻探取芯或测井技术对天然气水合物储层进行验证,则可以大大提高水合物储层的勘探效率,降低勘探成本。在贯入机理方面,通过对比现存的CPTU各种研究方法,提出了将孔穴扩张理论和有限元法相结合的研究思路。利用孔穴扩张理论解释CPTU锥尖阻力等测试数据,利用有限元法模拟了土体刚度指数、原位应力状态和探头粗糙程度对粘土中CPTU锥尖阻力的影响,土体应变软化和应变速率对海相粘土中CPTU锥尖阻力的影响,土体应力状态、剪切模量、摩擦角、膨胀角等因素对砂土中CPTU锥尖阻力的影响,并分析了探头周围土体的变形和塑性区的扩展与孔穴扩张理论的关系。
在应用方面,在对比现存的基于CPTU测试数据的土体行为分类法基础上,引入层次聚类算法,提出了基于CPTU测试数据的聚类流程图。将聚类流程图转化为Matlab代码,实现了聚类流程的计算机化。利用聚类流程图,结合国际上通用的Robertson和Campanella分类图,提出了一套土层划分与分类规则。然后将该方法应用于CPT测试、CPTU测试和海上CPTU测试项目中,并利用临近土层钻孔柱状图、孔穴扩张理论与有限元法研究成果验证了基于CPTU测试数据的土体聚类分层效果。
浅析天然气水合物研究现状
浅析天然气水合物研究现状
张丽 （中国地质大学（北京）能源学院 北京 １ ０００８３） 工业技术
摘要：目前，天然气水合物已成为国内外研究的热点。本文阐述天然气水合物的概念与基本类型，通过追踪天然气水合物的发现历史， 分析研究历程和研究现状，对世界上天然气水合物分布 开采以及相关环境问题作了简要．系统的阐述，并提出了天然气水合物目前研 究面临的急需解决的问题与研究重点。 关键词：天然气水合物 环境问题 研究现状 中图分类号：ＴＥ６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ６７ ２－３ ７９１（２０１２）０８（ａ）一００９４－－０２
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｈｙｄｒａｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ
ＺＨＡＮＧ Ｌｉ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ（Ｂｅｉｊｉｎｇ）Ｅｎｅｒｇｙ Ａｃａｄｅｍｙ，Ｂｅｔｊｉｎｇ １０００８３
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｈｙｄｒａｔｅ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｃｕｓ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｙｐｅｓ．Ａｎａｌｙｚｅ ｉｔｓ ｓｔｕｄｙ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｍａｋｅ ａ ｂｒｉｅｆ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｉｔｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｂｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ｈｉｓｔｏｒｙ ｏｆ ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅｓ．Ｔｈｅｎ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｉｎｓｔａｎｔ ｎｅｅｄ ｏｆ ｓｏｌｖｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｔｅｎｔｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｈｙｄｒａｔｅ；Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ＃Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ