左汝强， 李 艺

(1.国土资源部，北京 100812； 2.中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊 065000； 3.《探矿工程(岩土钻掘工程)》编辑部，北京 100037)

0 引言

日本是世界上第三大经济体，但却是能源极度缺乏的国家，绝大多数油气资源依靠进口，所以对可能从本国周围海域开采天然气水合物解决能源供给的需求十分迫切。20世纪70年代，日本在其南海海槽发现了天然气水合物存在的主要标志“似海底反射层”(BSR)，1990年，大洋钻探ODP131航次钻孔取得水合物岩样的间接资料。从1995年起，日本国家石油公司(JNOC)等联合实施了6年的天然气水合物专项计划。紧接着2001年，日本政府启动了“21世纪天然气水合物研发计划”(MH21)[1]。在MH21第一阶段(2001—2008)及之后，日本一方面积极参与加拿大Mallik和美国阿拉斯加陆地永冻层的水合物试采工程，以“先陆后海”的水合物开发方针，为以后在南海海槽积累试采水合物的方法和技术经验。另一方面，对南海海槽加强水合物的调查评价，实施精细勘探，为MH21计划第二阶段水合物的试采工程选址，以及在技术装备等方面进行准备。

本篇重点介绍日本MH21计划第二阶段(2009—2015)在实施南海海槽天然气水合物试采前，在南海海槽东部进行的详细钻探取样，运用现代先进仪器对水合物压力岩心测试分析，对计划中首次试采的海域进行环境影响评估研究，以及2013年于南海海槽在世界上第一次成功的实施海域天然气水合物的试采。

1 日本1998—2012年参加加拿大、美国陆域永冻带天然气水合物试采概要[2-3]

1998年，在加拿大Mallik永冻带Mallik 2L-38井首次试采工程中，日本国家石油公司(JNOC)、日本石油资源开发公司加拿大勘探公司(JAPEX)负责钻采工程施工。尽管该次钻采项目因气候变暖和机械设备故障未能实施水合物试采，但在该项目中，日本PTCS保温保压取样器进行了首次下井试用，虽然未达到预期效果，却为其下一步的试验改进提供了依据。2002年，上述的两家日本公司作为施工单位继续参与Mallik 5L-38井水合物试采项目，该井运用加拿大APA咨询公司和日本JAPEX公司共同设计的热注入法，实现了世界上首次冻土层天然气水合物的成功试采[4]。2007—2008年，在日本国家石油公司、天然气和金属公司(JOGMEC)及加拿大自然资源部(NRCan)的资助下，重返Mallik 2L-38井进行天然气水合物试采，并成功实现的一次短时(12.5 h)和一次长时持续(6.8 d)试采[5]。

2011—2012年，参加过加拿大Mallik水合物试采工程的两家日本机构——日本国家石油公司与天然气和金属公司(JOGMEC)又参与美国阿拉斯加北坡永冻带天然气水合物试采项目，在Ignik Sikumi #1井运用创新的CO2-CH4置换法成功地实施了水合物的试采[6]。

1998—2012年期间，日本参加加拿大、美国陆域永冻带水合物4次成功的试采成果见表1。通过参加这4次成功试采，日本掌握了热注入法、降压法和CO2-CH4置换法天然气水合物试采技术，为在其南海海槽的水合物试采打下坚实的理论和实践基础。

表1 日本参加加拿大、美国陆域永冻带水合物4次成功试采成果

2 1999年与2004年日本南海海槽水合物钻探调查简介

2.1 1999年年末—2000年南海海槽确认含天然气水合物探井调查概要[7]

1999年11月—2000年2月，日本在南海海槽首次进行天然气水合物探井工程，计划总经费约为50亿日元。钻井位于御前崎近海(静冈县天龙川河口近海，离岸约50 km的海域)，水深945 m。钻井深度为海底以下约2000 m。施工单位是石油资源开发公司，钻井装置采用美国Reading & Bates Falcon Drilling公司所拥有的半潜式钻井船M.G.Hulme.Jr(图1)。

钻井中，使用PTCS(Pressure TemperatureCoreSampler)保压保温取心系统等从海面以下1110～1272 m的砂岩层取心。其中在深度1175～1254 m井段采用PTCS系统取心27次，采取岩心29.1 m，岩心采取率37%。

1—钻台45720(150′—0″)；2—标准435型起重机；3—SEATRAX起重机(2型)；4—管架甲板40254(132′—0″)；5—直升飞机降落甲板，基准线以上41453(136′—0″)；6—主甲板,基准线以上35357(116′—0″)；7—输水管线；8—船体；9—基准线

图1半潜式钻井装置(据M.G.Hulme.Jr)

根据对岩心样品产生的大量气体的分析、异常低的样品温度、异常低的地层水含盐量等，确认海面以下1152～1210 m井段有3层(合计约16 m)含甲烷水合物层存在。

通过南海海槽探井实施，证实该区域甲烷水合物聚集度高的砂岩层，其含量约为整个沉积物容量的20%。其聚集程度相当于大洋钻探ODP著名164航次(1995年)在美国东南海域布莱克海岭水合物调查确认值的10倍。

2.2 2004年南海海槽多井水合物钻探计划实施简述[8-9]

2004年，日本实施了南海海槽水合物多井钻探“Tokaioki Kumanonada”计划，该计划是根据2002年以来在3个局部地区的高分辨率地震资料来确定多井钻探的井位。2004年1月18日—5月18日，由日本石油资源开发公司JAPEX等作为施工承担机构，由IODP“决心号”钻井船执行，共在海域16个站位钻了32口井。其中对4个天然气水合物高富集的井场(井场1、2、4和13，见图2)钻探采取水合物岩心。运用了由日本国家油气和金属公司(JOGMEC)资助研发的JOGMEC PTCS保温保压取心钻具(相当于日本第二代水合物保压取心钻具)，在井场4和井场13采集到82 m岩心，采取率达到80%。同时也运用了ODP的APC、XCB、HPC等取心钻具。钻进中运用了随钻测井LWD，之后再用电缆测井校正，并与岩心进行对比。在其砂层中识别出孔隙类型的水合物。根据岩心分析和测井资料，取心砂层的水合物饱和度介于55%～68%之间，沉积物平均孔隙度介于39%～41%之间。运用JOGMEC PTCS采取的水合物岩心样品见图3。

图2日本南海海槽水合物多井钻探计划井位布置示意图(颜色代表水体深度)[8]

这次多井钻探计划达到了预期目标，确定了水合物的分布和形成发育，并对后来钻采井位的确定等起到了重要作用。

3 2012年新型CDEX Hybrid PCS保压取心系统应用于日本南海海槽水合物钻探取样调查[10]

天然气水合物保压取心作业是水合物调查评价中最关键的技术，对于水合物试采生产井的选址，及生产井内开采储层井段位置的确定，起着决定性的作用。

日本从1995年起至2010年先后研发应用了两代水合物保温保压取心器，即PTCS和JOGMEC PTCS。PTCS曾于1998年首次运用于加拿大麦肯齐三角洲Mallik永冻带水合物探井勘查取样，两次下井取样均因取样器球阀未能关闭，没有取得水合物保压岩心[2]。同年又在日本柏崎试验场作验证试验，保压取样效果也不甚理想。之后，约于2000年，日本JOGMEC技术中心研发了第二代的JOGMEC PTCS(Takahashi等，2001；Takahashi和Tsuji 2005),于2004年在日本南海海槽实施水合物多井钻探取样调查(Fujii et al.,2010)，保压取心效果有所提高。

图3 运用JOGMEC PTCS保压取心系统采取的水合物岩心样品[9]

但是，直至日本计划于2013年对南海海槽实施水合物试采前的详细取样调查，世界上所能提供的几种保压取心钻具不能与日本于1990’年代末花5.4亿美元建造的，专门用于综合大洋钻探计划(IODP)，与日本海域水合物调查取样的“地球号”(D/V Chikyu)钻探船的井底钻具组合(BHA)配合使用，所以，又研发了一种适用于“地球号”钻探船的新型保压取心系统，可认为是日本第三代的CDEX Hybrid PCS组合式保压取心系统。

几种国际上可提供的水合物保压取心系统见表2。

表2 国际上可提供的水合物保压取心系统(2013年)

注：CDEX——日本深部地球勘查中心。

3.1 CDEX Hybrid PCS保压取心系统的设计和运用

新研发的Hybrid PCS将美国的PCS和日本第二代JOGMEC PTCS的设计结合起来，具有改进的球阀密封功能。类似其所借鉴以前的保压取心钻具，Hybrid PCS是一个绳索提取、液压启动的用于5和5in钻杆柱的保压取心系统(图4)，可以在“地球号”钻探船上与液压活塞取心系统((HPCS)，以及延伸切削管鞋取心系统(ESCS)兼容互换使用。在保压取心期间该系统可以锁定在井底钻具组合(BHA)上。因此，Hybrid PCS不能够采取定向岩心。其最大保压能力约为35 MPa(5000 psi)，岩心样品直径51 mm,最大岩心长度3.5 m。

图4 日本CDEX hybrid PCS第三代水合物保压取心系统[10]

3.2 CDEX hybrid PCS保压取心系统的结构

该系统由3个主要部件组成：(1)上部为下放和回收工具；(2)中部是压力控制部件包括压缩氮气室；(3)下部为保压取样管。根据所钻目标地层岩性的不同，具有两种切削管鞋配用于Hybrid PCS：一种是伸出钻头10 mm并随同钻杆回转；而另一种则是伸出钻头50 mm而不回转。当Hybrid PCS提到船上甲板后，将密封的内管转移到位于井口旁充填有冰块的“鼠洞”中。为防止水合物分解，将整套Hybrid PCS冷却30 min。将样品腔连接到压力岩心分析和转移系统(PCATS, Pressure Core Analysis and Transfer System, Geotek Ltd.),供压力岩心转移和分析。利用保压岩心管内的温度-压力记录仪记录岩心样品的温度和压力。

3.3 “地球号”钻探船上对所采取保压岩心样品的操作和分析

在”鼠洞”中冷却后的压力岩心立即转移到压力岩心分析和转移系统(PCATS)。PCATS安置于用集装箱建造的实验室内，可测试分析3.5 m长的压力岩心样品。运用直线状操作器和转动器系统，将压力岩心从Hybrid PCS中转移到PCATS的保压腔室(Schultheiss et al. 2009)内。在转移压力岩心期间，通过一个铝制腔管，同时对岩心进行无损物理性质测量，包括X射线CT图像、伽玛射线和P波速度测量。运用所测全部数据，特别是X射线CT图像，将岩心切割分为几段。将这些小段岩心存储进短的保压样品腔管内，供以后航程完毕上岸分析，或是就在钻探船上的实验室内分析与取小样。可控制的实验室提供精确的分析和体积测量，并从短段岩心中提取气体，以提供对取心地层中天然气水合物体积和浓度的计算和评价。

3.4 CDEX Hybrid PCS在日本南海海槽906勘查航次的应用与效果

2012年12月，Hybrid PCS第一次在“地球号”钻探船在南海海槽906勘查航次上应用。在9004B孔，钻进海底以下深度约200 m过程中共采取11次岩心。除运用HPCS和ESCS采取7次常规岩心外，有4次运用Hybrid PCS采取保压岩心。其中，第一次于孔深24 m取心，因球阀泄漏，保压采心失败(取心压力仅0.1 MPa)；第二次在孔深59.5 m取心，成功地采取了几乎保持原位压力的岩心，保持压力为18 MPa；第3次于109.5 m孔深取心，所采得岩心提至船上，未能密封住，岩心压力仅为0.4 MPa；第4次于190 m孔深取心，密封完好(16 MPa)，但未采集到固态岩心。总之，9004B孔4次运用Hybrid PCS保压取心，仅2次获得成功保压效果。之后，在搬移至C9004C-1孔开始钻进时，从孔口钻进至6.5 m，采集到一个短的完整圆柱状保压岩心，保持压力达到23 MPa。

图5显示C9004C-1孔运用Hybrid PCS采取的岩心在提取、处置和分析过程中的压力和温度记录曲线。由图可见，容纳于保压腔管中的岩心在实验室压力岩心分析和转移系统(PCATS)测试分析时的压力高于其在地层中的原位压力。

图5 日本南海海槽C9004C-1孔Hybrid PCS水合物保压取心直至“地球号”船上用PCATS测试样品时的压力-温度曲线(2012年6月28日)

3.5 CDEX Hybrid PCS在“地球号”钻探船802水合物调查航次钻探取心调查中的应用及效果

紧接着906勘查航次之后，“地球号”钻探船于2012年7月，由日本国家油气和金属公司(JOGMEC)与日本石油勘探公司(JAPEX，Japan Petroleum Exploration Company)合作，实施了天然气水合物详细调查的802勘查航次。此次继续运用CDEX Hybrid PCS执行水合物保压取心作业，以作为计划于下一年(2013年)初在南海海槽Daini Atumi knoll北坡实施第一次水合物试采前，对试采水合物的储层作进一步的测试鉴定(Yamamoto et al.，2012)。

保压取心孔段选择在约45 m厚含水合物的砂-粘土互层和15 m厚的覆盖深海粘土带地层。从海底262～322 m共60 m长度的孔段总共取心21个回次，包括18个保压取心回次和3个运用ESCS的取心回次。全部岩心采取率61%，其中运用Hybrid PCS保压岩心采取率达到69%。由此可见，此次802勘查航次运用Hybrid PCS保压取心效果，比上述的906勘查航次提高了许多。

802水合物勘查航次钻探取心总结见表3。取心作业完成之后，所采集的岩心样品在“地球号”钻探船上的实验室中，处置和测试分析的地点和操作程序见表4和图6。采取的全部岩心运用压力岩心分析和转移系统(PCATS)进行无损测试分析。

地球号”钻探船802航次的水合物钻探取样调查，运用Hybrid PCS保压岩心系统及压力岩心分析和转移系统(PCATS)所取得的大量重要数据，对南海海槽水合物储层所作的更加精准的调查评价，对于日本约于半年后在世界上首次实施海域水合物成功试采起着十分重要的作用。

表3 日本南海海槽2012年7月802水合物勘查航次钻探取心总结

表4 保压岩心和降压岩心分析地点

注：AIST：日本国家先进工业科学技术研究院(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)； MSCL：多传感器岩心记录仪(Multi-sensor Core Logger)

图6 “地球号”钻探船802水合物勘查航次船上实验室测试分析操作程序

4 天然气水合物压力岩心测试鉴定仪器设备(PCCT)在日本南海海槽水合物调查中的应用[11]

4.1 天然气水合物压力岩心操作、转移与测试分析的特殊性与困难

固体矿产和常规油气资源，以及某些非常规油气如页岩油(气)、致密油(气)等，当通过钻探采集的样品提至地(海)面后，转移途径中，直到送交测试分析的全部过程中，样品的化学成分和性质，与物理、机械性质，以及形态基本上是不变的，仍保持其为固态或是流体(液体、气体)。但是，对于天然气水合物，由于其在地下储层原位处于低温(0～10 ℃)和高压(大于10 MPa)的环境，在钻探所采取的样品提至地(海)面、转移与测试期间，转变到常温、常压环境之后，必然要从固态的水合物分解为流体的甲烷和水，其化学成分和性质、物理和机械性质也将发生很大的改变。因此，为能够对取自地层的水合物进行原位、保真的岩心样品作测试分析，对水合物储层做出准确的调查评价，以及为水合物开采设计提供科学准确的数据，在从地下采取水合物样品直到测试分析的整个过程中，必须保持岩心样品的低温和高压状态。保持低温环境相对容易，而对于保持岩心大于10 MPa以上的压力却非易事。这就要求运用保压取心系统，及能够转移到其它“保压的”腔管(室)中去，并在“保压的”状态下接受测试分析。这对钻探工程师和测试分析专家，以及他们双方在工作上的衔接配合提出了挑战。

经过十几年的努力，不断的研究、试验、运用和改进，目前美国和日本，以及欧盟分别研发出PCS+PCCT，以及HYACINTH两套水合物保压取心+压力岩心测试鉴定系统。

[5]和本文上述第3部分已分别对美国的PCS和日本的CDEX hybrid PCS两种水合物保压取心系统作了介绍。以美国为主，日本参与，在压力岩心测试技术方面做了许多工作，美国乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)等开发出水合物压力岩心测试鉴定仪器(PCCT，Pressure Core Characterization Tools)，在日本南海海槽水合物调查评价与试采中发挥了重要作用。

4.2 水合物压力岩心测试鉴定仪器(PCCT)的组成和操作运用

压力岩心的操作和转移技术需要一个纵向的操作器和球阀，在等同的高压数值(大于 MPa)下将其与各类测试器具(高压腔管或腔体)联结起来(Pressure Core Analysis and Transfer System, PCATS; Schultheiss et al.,2006)。前几年，用于测量压力岩心样品P波和S波速度、强度、电阻率剖面和岩心内温度(IPTC; Yun，et al.,2006)的接触式测试工具，和测量伽玛密度、X射线，和与水结合的P波(Pressure Multi-Sensor Core Logger; Schultheiss et al.,2006; Abegg et al.,2008)的非接触式工具已经开展应用。对于在原位压力-温度(P-T)条件下，从岩心中局部取样提供生物研究的技术已经开发出来(DeepIsoBUG; Parkes et al.,2009)。

4.2.1 压力岩心测试鉴定仪器(PCCT)

PCCT包括操作器具和各类测试腔室。其重点是用于测量水合物的流体-热-力学分析方面的参数，这些参数对于水合物储层特性的研究，与试采的工程设计等有着重要的关联。所有测试器具按照以下原则和目标设计：简单和牢固的系统，快速运用的轻便构件，最大灵活性的组合式设计，标准尺寸，和便于制造和维修的零件，海水环境防锈，在压力下操作与保存的能力，承受有效应力的能力，以及在受控降压、加热与流体交换期间，监测水合物的分解和气体生产的安全性。组合式设计可使任何两种测试器具通过相同的法兰盘连接起来。

4.2.1.1 操作器

操作器是一个定位系统，用于在要求的P-T条件下，沿着相互连接的腔管/腔室和阀门抓取和移动压力岩心。图7中，a、b、c展示了将存储腔管内的压力岩心样品传送入操作器。接着再将压力岩心倒換装进测试腔室(图7d、e)。操作器的长度Lman(包括其“临时存储腔管”)与所要求测试的岩心长度Lcore成比例，Lman=3.5Lcore。该系统设计用于操作1.2 m长的压力岩心(Lcore)；运用一个外置的步进电机驱动内部螺旋伸缩系统(行程2.6 m)，可以对测试样品定位精度达到毫米以下。利用可拆卸的法兰盘连接到1.3 m长的临时存储腔管上。

4.2.1.2 压力岩心样品切割分段

注：切割器(CUT)示于图中(d)和(e)；切割器可按测试的要求，在所需的长度间隔上排列安置(对于专用的ESC, DSC, CDC和BIO测试装置)。

图7保压岩心操作

1.2 m长的岩心可切割分为短段的样品。切割器可为直线或圆形锯片。切割器成排地安置于操作器和任何其它测试或存储腔管之间(图7d、c)。

4.2.1.3 仪表化压力测试腔室(IPTC，Instrumented Pressure Testing Chamber)

所研发的此类腔管/腔室应用于对流体取样，测量P波和S波速度、未排液强度、电导率、压力岩心内的温度(图8a，详见Yun et al.,2006)。美国地质调查局(USGS)已在墨西哥湾工业联合项目(JIP，GOM)中完成了辅助性器具的开发。这个腔管在外径上有2套4对通孔。通孔为在塑料衬管上钻孔(内径8 mm)，使得接触式探针可依次沿着通孔被压入样品。当按测试鉴定模式运作时，IPTC一端连接操作器，而另一端连接延伸腔管。可沿着岩心长度任意位置上进行测量。而在对水合物储层校正模式下实施监测生产研究时，8个通孔使得IPTC成为一个通用的腔管。

注：(a)～(d)装置上的大球阀外径均为220 mm。

图8测试鉴定腔室示意图

4.2.1.4 有效应力腔室(ESC，Effective Stress Chamber)

含水合物地层的压力岩心的采集和保存必须在所要求的流体P-T条件下进行。然而，水合物的物理性质，如刚度和剪切强度是水合物饱和度和有效应力的函数，当水合物饱和度降低时，相对有效应力增加。ESC保持P-T稳定性条件，并恢复沉积物保持在原位的有效应力σ′。该ESC由乔治亚理工学院在联合海洋机构(JOI)资助下，于2006年设计并完成实验室试验。ESC由韩国地质科学和矿物资源研究院(Korean Institute of Geoscience & Mineral Resource)与英国地质技术公司(Geotek， Ltd.)联合，进行了第一次野外应用(Lee et al.,2009)。原先的设计是基于0侧向应变边界条件。现已经将此腔室加了外壳升级，以调节应力可控边界条件。所形成的起三维作用的结构，包括由外壳施加的σ3′和通过球阀推进直接作用于压力岩心的活塞产生的σ1′。柱塞和底座适用于测量多种物理性质，包括刚度(波速)、热导性和电阻率。这种腔室特别适用于在原位有效应力条件下，监测水合物生产的研究，包括评估因水合物分解引起沉积层体积的变化。

4.2.1.5 直接剪切腔室(DSC，Direct Shear Chamber)

从两种约束条件来设计DSC装置。第一种，在垂直载荷下，当切割受压非均质岩心时由于应力集中会产生不完善界面，因而选择“双向直接剪切”形式，避免样品的末端效应。第二种，当取心时岩心留有裂隙，与岩心剪切时岩心可能产生弯曲情况下的切割，采取双剪切平面模式，以避免样品弯曲。因此，DSC由一个厚壁不锈钢环制成，柱塞向放置其内部岩心样品中间的1/3处推进(图8c)。DSC包括一个用于恢复岩心有效应力(类似ESC)的活塞，一个罩在样品放入剪切腔室之前的塑料衬管上的套管，并有一个小的横向内置框架以推动侧向柱塞(图8c)。最大的剪切位移(Gmax)为15 mm。可以测定剪切强度峰值和剩余数值。所测得在原位条件下，水合物地层样品的强度和体积变化的数据，对于研究模型的校正、水合物的生产设计、以及稳定性分析，都是非常必要的。

4.2.1.6 生物研究取样器(BIO，Sub-sampling Tool for Bio-Studies)

从钻探取样直到测试分析始终保持高压，对于深水沉积物中某些嗜高压微生物维持生存是十分重要的。利用操作器将岩心段装入BIO腔室，之后将BIO从操作器上卸下，进行以下操作程序：(1)更换液氮；(2)清洁岩心表面，对腔室消毒；(3)运用一个回转取样头从岩心上取小样；(4)样品沉积物进入预先放有营养液的生物反应器(体积10 mL)中。通过兰宝石窗口可观察到全部操作。藉助关闭两个球阀系统并卸下快速连接器，很容易更换生物反应器。这套装置可以从单个岩心段上采集到大量原位静压的生物样品。

4.2.1.7 可控降压腔室(CDC，Controlled Depressurization Chamber)

所设计的CDC有助于保存岩心的岩性，并得到降压过程中有价值的信息。这个专用的装置有一个内设的钻孔器，可在所选择的位置上钻孔。运用压力传感器和热电偶监测腔体内气体的P-T状况。另外，沿着CDC纵向还使用3个自钻入式热电偶；这些传感器钻入岩心中监测岩样降压期间沉积物内部的温度。最后，有一个2 L的集水器和一个55 L的气体收集器连接到针阀上，以控制减压的速率；这些水和气体的收集器可测量出水合物生产出水和气体(图8e)的数量。

正如上述，运用了多种测量系统来测试鉴定，以测定腔室内在可控压力、温度和有效应力条件下，沉积物水文的、热的、化学的、生物的和机械的参数。它们的运用，对含天然气水合物沉积地层在原位压力、温度和/或应力条件下进行综合性的测试鉴定提供了技术支撑，并详细地监测水合物的气体生产试验。

4.2.1.8 测试工具定位控制

所有接触性的仪器、传感器和钻入式工具安装在抛光的直杆上(直径7.9 mm)，运用外部可控螺旋定位系统，克服水合物岩心样品最大35 MPa流体压力下1.7 kN的作用力，向样品推进(图9)。螺旋导轴和样品腔体之间的球阀可使在压力下更换测试工具。转动螺旋套沿着螺旋导轴将工具杆(绿色)尖部的传感器推入岩心样品，测试数值由工具杆中心的导线传出。

图9 定位系统

4.2.1.9 测量传感器

各类测量传感器安置于工具杆的尖部，有信号导线穿过工具杆中心孔。所提供的测量工具和传感器见图10。小的应变波速测量使用弯曲元件产生和探测S波，而用压电晶体测量P波(图10a、b)；已经研发了钻入式强度探头(图10c)；大的应变强度数据运用DSC(图8c)测取。这个装置使用一个其内部装有全桥应变片的锥形钉，来测定沉积物的强度。在探头钻入样品时所测得的阻力就反映出未排液沉积物的剪切强度(Yun et al.,2006)。

图10测试工具和传感器

流体导热率可使用装置在ESC之内的柔韧腔壁系统(图8b)，且可以利用流体取样器(图10d)来测定。这是一个利用压力或体积控制的自钻泄漏孔，驱使含水合物的沉积物内充填的流体排泄出来。压差可按在稳定性条件下保存水合物作出选择。

电阻率测量运用一个电探针，逐步地插入样品，测量径向毫米级空间分辨率的电阻率剖面(图8e，细节与测量程序见Cho et al.,2004)。还研发了一种在有效应力腔室底座上的多电极系统，从表面测量样品内电阻率层析X射线摄影图像。

热探头由安置在工具杆尖上的热电偶组成。当将其推进到样品之内时，可测得岩心内的温度(图10f)。岩样内部温度的测量，可运用于控制性气体生产研究期间监测相态转变和导热率。此外，用于测量导热率的瞬变平面源传感器(TPS，美国能源部国家能源技术实验室NETL研发，图8G，Rosenbaum et al.,2007)可以安置在工具或ESC和DSC的基座上。

4.2.1.10 监测水合物分解——气体生产

上述所有压力岩心测试鉴定仪器(PCCT)的腔室可运用于降压、加热，或化学材料注入(如抑制剂或CO2)实施水合物岩心样品尺寸规格的气体生产。监测的数据包括压力、温度、生产的气体和水(数量)、刚度(地震波速)、流体导热性与电阻率等。

4.2.2 小结

总之，欲对天然气水合物储层进行正确可靠的评价，运用上述这一套压力岩心测试鉴定技术是必须的。上述介绍的压力岩心测试鉴定仪器(PCCT)既可以通过对压力岩心进行操作、切分取样和测试分析，以及全面评价含水合物沉积地层，也可以进行水合物实验室规模的生产试验。

PCCT主要由美国乔治亚理工学院等机构研发，但日本与美国两国政府在研究和开发气体水合物方面签订有全面合作协议，而且日本本国也自我开发了相关测试装置(如AIST-IPTC)。所以，PCCT不但装备在美国深海科学探测和气体水合物研究的实验室内，和实施海洋水合物调查取样的“决心号”钻探船上，而且也装备于日本大洋综合钻探计划(IODP)执行机构和甲烷水合物研究中心，位于北海道札幌市AIST的国家级实验室内，及日本海洋水合物调查与试采主要平台——“地球号”钻探船上。此外，PCCT也安置于其它钻探船上，先后为某些国家(如印度、中国和韩国等)天然气水合物调查应用服务。

4.3 美国和日本合作运用PCCT仪器对南海海槽试采前作压力岩心测试分析[12]

4.3.1 美国和日本首次合作运用PCCT仪器

由美国乔治亚理工学院研发的压力岩心测试仪器设备(PCCT，Pressure Core Characterization Tools)，包括一整套仪表化的高压腔管/腔室和多种传感器/取样器，成功地于2013年1月在日本札幌的研究中心，用于测量日本南海海槽东部(Eastern Nankai Trough)所采取气体水合物的压力岩心的机械、液压与电的性质和生物特性。由此表明，由美国和日本第一次开展国际合作，在水合物压力岩心测试分析方面共同使用PCCT仪器设备。双方合作的机构包括美国乔治亚理工学院、美国地质调查局(USGS)、日本国家油气和金属公司(JOGMEC)及日本国家先进工业科学技术研究院(AIST，National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)等。

4.3.2 美日合作在日本札幌运用PCCT对南海海槽东部压力岩心测试分析

日本南海海槽蕴藏着大量的甲烷水合物(Fujii et al.,2009)。2012年6月29日—7月4日，由JOGMEC和日本石油勘探公司(JAPEX)共同努力对该海域的水合物储层的岩心进行测试鉴定，准备于次年(2013年)对甲烷水合物作生产性试验，即水合物试采。

该海域水深约1000 m，含水合物沉积层位于海底以下300 m，内含浊积岩、粗粒沉积地层。在“地球号”钻探船上运用CDEX Hybrid PCS采取原位压力岩心，并转运到札幌的AIST去。运用PCCT将压力岩心从Hybrid PCS中取出，由英国地质技术公司(Geotek, Inc.)进行X射线测量，并将岩心分段为1.2 m长度，转移到保压20 MPa的存储腔管中。

2013年1月，即日本南海海槽首次水合物试采前约2个月，PCCT仪器应用于位于札幌AIST的冷却实验室(4 ℃)。将压力岩心从存储腔管中转移到测试腔管(室)进行分析。在这些岩心测试期间，PCCT在10 MPa的压力下操作。为安全起见，电子设备和周边系统安置于相近的监测区城。

设于日本北海道札幌市日本国家先进工业科学技术研究院(AIST)的压力岩心测试仪器设备(PCCT)见图11。

4.4 欧盟HYACINTH高压釜取心与压力岩心测试鉴定系统的研发应用[13]

4.4.1 HYACINTH系统18年研发应用概述

HYACINTH(HYACeinNewTestsonHydrate)由两大部分组成，即水合物高压釜取心设备HYACE(Hyperbaric Autoclave Coring Equipment)和水合物(压力岩心)新测试设备(New Tests on Hydrate)。HYACE是由欧洲海洋科学和技术计划(MAST, European Marine Science and Technolgy)资助，于1990’年代末由欧盟德、荷、英、法等6个欧洲国家组织资助，2家企业与3所大学联合研发而成，配备有FRC回转式和FHPC冲击式两种保压取心器钻具(技术参数见表2)，是用于天然气水合物和深部生物圈的重要取样工具[14]。

图11日本北海道札幌市AIST的PCCT[12]

HYACINTH高压釜取心与压力岩心测试鉴定系统最初在ODP194、201调查航次，后又在水合物钻探调查的ODP 204与IODP 311航次(2005年)中得到应用。此后，约12年来，HYACINTH在保压取心和水合物测试分析两个方面不断的改进提高。截至2008年，HYACINTH先后受承包应用于印度首次国家水合物项目NGHP-1“决心号”钻探航次(2006年)项目[15]，中国南海神狐海域水合物钻探调查GMGS1航次项目[16],以及韩国郁盆地水合物调查UBGH 1航次项目[17]等。此后，中国GMGS 2-4(2013—2016年)三次水合物调查航次的保压取心与测试分析作业,均是承包于英国地质技术公司(Geotek Ltd.)，运用HYACINTH系统来完成的[18-20]。

4.4.2 近几年HYACINTH的技术创新与性能改进提高

(1)研发了以球阀作为密封机构的PTCB(Pressure Coring Tool with Ball Valve)保压取心钻具，比原先FRC和FHPC采用瓣阀(翻板阀)的密封性能大为提高。同时，FRC和FHPC本身保压性能也有所改进。目前，HYACINTH系统水合物取心的保压成功率已提高至70%～80%。

(2)将FHPC采取岩心的直径从原有的51 mm增加到57 mm，以满足对HYACINTH系统测试分析仪器的适用性、兼容性。

(3)增加岩心采取的长度(原先为1 m)。

(4)对压力岩心分析和转移系统(PCATS)提高了测试操作性能，包括完全自动化传动和转动控制(分别为0.5 mm和0.5°)；精细转动与高分辨率X射线成像相结合，可提供三维X射线成像可视化应用等。

图12展示了HYACINTH系统的某些创新改进成果。其中图12c、d展示了所研制的采取无菌岩心薄片样品用于高压下微生物研究的、十分复杂的岩心样品精细分割的DeepIsoBug装置。所有的操作均在等同地层中原位压力的高压设备中进行。

5 日本甲烷水合物研发计划(MH21)环境效应评估(EIA)[21]

日本于2001年由经济、贸易和产业部(METI)启动了“21世纪甲烷水合物研发项目”(MH21)，其主要目标是研究和开发从甲烷水合物(MH, Methane Hydrate。注：日本通常将天然气水合物NGH称为甲烷水合物MH)中生产出能源的科学和技术。其中之一是“建成一个完全与环境保护兼顾的甲烷水合物开发系统”。在第一阶段(FY2001—2008)，MH21研究联合体(也简称MH21)进行基础研究，并参与加拿大Mallik和美国阿拉斯加陆地永冻层水合物的试采工程，积累经验，以便于对之后南海海槽确定最有前景的甲烷水合物开发方案，并研发环境效应评估效应(EIA，Environmental Impact Assessment)的方法和仪器设备。

5.1 日本MH21的第二阶段(FY2009—2015)水合物研发的目标任务

图12 对接第三类设备至HYCINTH PCATS

包括两个方面：一是在南海海槽东部实施两次甲烷水合物生产试验，即试采；第二是由JOGMEC和AIST的代表组成的MH21 EIA团队，对水合物开采试验的环境效应评估(EIA)作研究。

所确定的第二阶段的目标任务如下：(1)进行环境风险分析并制定对策；(2)开发环境影响测量技术并进行野外试验；(3)针对计划确定的海洋水合物生产试验的具体条件，实施环境效应评估(EIA)；(4)利用上述工作取得的数据和认识，开展综合性的评估，对未来MH的开发提出最佳方法。

根据第一阶段的研究成果，MH21 EIA团队致力于以下开采方案：

(1)在埋藏于海底以下350 m砂岩沉积层中多孔隙的水合物储层(甲烷聚集带)进行试采；

(2)借助于运用类似于常规天然气开发的钻井和完井技术，安装相应的设备通过钻井来进行开采；

(3)通过对水合物储层运用降压法实施试采工程。

5.2 日本南海海槽甲烷水合物开采主要的潜在风险因素与EIA海洋环境监测综合方法

5.2.1 日本南海海槽甲烷水合物开采主要的潜在风险因素

关于天然气水合物开采由于全球气候变暖，与海平面上升引起水合物分解“自然产生的”环境影响(如海底滑坡[22]等，图13)，以及由于“油气钻采工业诱发的”与水合物相关的环境影响，即地质灾害和生态破坏等，美国和加拿大水合物研究顶级专家曾高度关注并予以研究[23]。

日本对甲烷水合物开采可能存在的主要环境影响也予以高度重视，经分析研究提出以下各项作为开采甲烷水合物主要的潜在风险因素：(1)生产井周围海底甲烷泄漏；(2)生产中处理废水排放到海洋；(3)海底沉降；(4)海底滑坡。但是，由于对甲烷生产缺少经验，很难评估这些危险。由于不知道是否会发生这些危险；或者发生了，其发生危险的程度、规模到底有多大。因此，为了更好地了解每一种环境风险因素的潜在本质，将进行海洋调查，及在南海海槽两次生产试验(计划2012与2014年，后推迟至2013和2017年)之前、试验中与试验后实施环境监测。同时，已于2010年起开发数字模型并预测环境风险的严重性。

图13 海底浅层水合物分解引起的滑坡[22]

5.2.2 日本甲烷水合物研发计划(MH21)第二阶段环境影响评估(EIA)研究战略

日本MH21第二阶段环境影响评估(EIA)研究战略概括于表5。

表5日本甲烷水合物研发计划(MH21)第二阶段环境影响评估(EIA)研究战略

5.2.3 日本南海海槽水合物研究开发第二阶段EIA环境监测综合方法

日本MH21第二阶段为在南海海槽实施水合物试采，所进行EIA的海洋环境监测，运用了全方位空间、多类型仪器综合的监测方法技术，见图14。

图14日本甲烷水合物研发计划(MH21)第二阶段环境影响评估(EIA)综合方法技术示意图

(1)图14右部分展示了海底运用倾斜测量仪或海底变形测量仪，监测水合物层位的边坡稳定性和海床沉降；运用水下遥控深潜器(ROV, Remote Operation Vehicle)监测海底物质循环的变化；运用溶解甲烷传感器监测海底泄漏甲烷气在海水中的扩散，并将水合物试采生产废水经处理后排放。以上监测采集的全部数据经海洋生态模型验证，由数字模型作出风险预测。

(2)图14左部分显示，海洋在其浅层、中间层和底层三个不同层位具有不同类型的海洋生物，及其生态系统。在海洋浅层与中间层，由于大陆河流等排泄的大量有机物质，浅部浮遊生物(动植物)经日光照射发生光合作用，得以发育生长，并形成食物链。而中间层的自遊生物由浅层海洋提供的有机物质沉淀供养，并有部分自遊生物向上迁移。海洋浅层与中间层所有生物的生存属于“光合作用生态系统(Photosynthesis ecosystem)。海底渗出的甲烷等气体对以上这些生物是有害物质，必须运用仪器对此类海洋生物生态环境下的毒性进行检测、预防和控制。

至于海洋底层，则是完全不同的生态系统，即“化学合成作用生态系统”(Chemosythesis ecosystem)。在海底表面的泥沙中生存着一种海底细菌，它可利用海底的甲烷气氧化时产生的能量，将海水中的硫酸还原为硫化氢。而一些海底生物(如双贝壳、海螺类动物)的体内共生着大量这样的微生物，它们能够利用体内可以解毒的血红蛋白和蛋白质，将吸收的剧毒的硫化氢氧化时产生的化学能，制造出无毒的有机质，一方面供自身生存，另外部分则提供给母体海底生物[24]。海底生物这种在高压、黑暗，有毒物质分布环境下生存的化学合成作用生态系统，与陆地深部类似极端环境下共同形成的地球深部生物圈，是国际生物科学研究的前沿(探索生命起源)，正是国际大洋发现计划(IODP)，与国际大陆科学钻探计划(ICDP)共同研究的重要主题之一。美国、日本与欧盟在天然气水合物的调查中对海底微生物的研究十分重视，已经研发出若干海底微生物保压取样与测试分析的技术和仪器设备(见本文第4部分中的HYACE、BIO和DeepIsoBug)。

(3)图14中间部分表示，在天然气水合物试采工程实施前和完成后，应由科学调查船海洋中下放复式海床取心器、浮遊生物打捞网，以及尼斯金(Niskin)取水器等采集海洋各类样品，对海底地质变化和海洋生态系统进行监测。

5.2.4 海域甲烷水合物生产试验(试采)的监测系统为了对于每一种风险因素潜在的作用进行初步测量，MH21计划在2012—2014财政年度的海洋水合物的生产试验之前、试验期间和试验之后进行环境监测。特别是应该对由于海底变形(沉降和/或滑坡)而产生的甲烷泄漏，在海底附近进行监测。考虑到生产试验的规模，预期这些风险不是很大。但是，现在对其进行监测，是作为对未来甲烷水合物商业性开发所作环境效应评估调查的基础性研究。MH21于2010年研发出两种新型监测仪器，分别用于安置在海底监测甲烷泄漏与海底变形。对于第一次生产试验(预计试验周期一周至一个月)，所设计的两种监测系统采集6个月的数据，包括生产试验前的一个月，生产试验后至少3个月的监测。将根据第一次生产试验获取的数据，对这两种监测系统予以改进，以运用于第二次的生产试验。

5.2.4.1 海底甲烷泄漏监测系统(MLMS)

由于计划试采的含水合物矿层存在海底以下比较浅(计划2012年生产试验的位置约100～350 m深),从海床产生的甲烷(气体或溶解的)泄漏受到深切的关注。MLMS(Methane Leakage Monitoring System，图15)的任务是探测生产试验(会伴随有释放的甲烷气泡)期间，或之后的溶解甲烷的浓度。MLMS内安装有多种测量传感器，包括溶解甲烷传感噐、温度传感器、盐度传感器与海流仪。MLMS的样机已于2011年在深海完成试验。

图15 海底甲烷泄漏监测系统(MLMS，IHI海洋联合公司设计)

5.2.4.2 海底变形监测系统(SDMS)

SDMS(Seafloor Deformation Monitoring System，图16)有两个传感器(倾斜测量仪和压力传感器)。MH21于2010年在海洋中试验了该监测系统。科学家和公众都认为海底不稳定性是海洋中与水合物紧密相关联的地质灾害。在日本南海海槽东部水合物资源矿区周围，从海底地图上可见几处海底滑坡“疤痕”(图17)。但是这些滑坡的规模相对较小(相对于大西洋大陆边缘发生的巨大滑坡)，也没有证据说明这个滑坡与甲烷分解有关，而且滑坡表层之上还存在水合物集中区域上面的钻井井位。然而，虽然所观察到的这个滑坡不是大规模的现象，而且也不像与水合物有关联，但是这些滑坡对海底水合物的生产设施将可能是个灾害，必须进行评估。

图16 海底变形监测系统(SDMS，OYO物探仪器公司设计)

图17 日本南海海槽东部海底曾经发生的滑坡

5.2.4.3 光纤技术精确原位温度测量系统

该精确原位温度测量系统(图18)由Schlumberger公司、日本JOGMEC和俄罗斯国家地质勘查

大学联合研发，用于2003—2004年在日本南海海槽多井水合物钻探调查，在钻探活动期间测量原位地层温度，确定其测量数据是否可以准确的描述地热梯度，并且识别含水合物地层内的任何热扰动，同时找出其发生可能的起因。

图18 光纤技术精确原位温度测量系统[8]

5.3 对南海海槽天然气水合物开发危险性的分析和判断

通常人们认为，海底水合物分解是很容易的，一旦分解反应开始发生后就不能够控制住。但是，情况不一定总是这样。实际上，水合物的分解是一种吸热反应[5]。这就表明，沉积物中水合物的分解就降低了周围沉积物的温度。因此水合物的分解现象是自然地自我限制的过程，而不是继续的或加速的进程。实际上，需要继续输入能量，才能使水合物分解过程进行下去。

有些文献还有一种提法，“水合物开发会影响全球气候变化”。也许有此种情况发生。但是，需要讨论的是水合物的开发与全球环境变化的时间跨度和空间规模。比如，日本一直研究的南海海槽东部的面积大约是12000 km2，天然气水合物的富集地带分散于这一海域各处。其中任何具体的水合物成矿富集区都可能是未来生产的目标，其面积大约为几千米×几千米。并且，时间的跨度为10～30年。另一方面，大自然发生事件的空间规模是整个地球尺度。而且，其发生变化的时间尺度是几百年直至几千年。

需要强调的是，天然气水合物储层分布的空间规模(几千米×几千米)，与发生于6000-8000年前著名的挪威的斯托瑞加(Storegga)巨型滑坡(几万平方千米)在空间上是不可相提并论的。更重要的是，水合物的开采作业将避免在滑坡可能发生的地点实施。就如同现在实施常规油气开发所做的地质灾害评估一样。对于多孔隙砂岩的水合物储层，运用降压法是完全可以减少这种风险的。

图19展示了在水合物生产阶段运用降压法(用潜水泵降低生产井和储层水位)促使水合物分解。如果钻机和隔水管发生某些故障(如2010年4月在墨西哥湾发生的不幸的事故)，海水将流入生产井。由此，水合物储层的压力就会恢复，其中水合物的分解过程就会很快停止。同时，沉积物中剩余的生产出的甲烷气体由于压力恢复而重新转变为水化物。从海底泄漏的水合物气泡将溶解入海水之中。所以，将这种故障自我抑制的机制称为“故障自愈安全机制”(“Natural Fail Safe Mechanism”)。

图19日本南海海槽水合物开采故障自愈安全机制示意图[21]

幸运的是，南海海槽东部的甲烷水合物矿层不含石油和重碳氢化合物，因此，由石油引起的海洋污染也不会发生。

根据上述对南海海槽天然气水合物开发危险性的分析结果判断，南海海槽天然气水合物开发的环境风险，看来并不比常规油气生产的环境风险更为严重。

6 2013年日本南海海槽世界上首次海域天然气水合物试采成功[25]

6.1 领导机构与施工负责部门

项目由重建的MH 21联合体领导。新建MH 21联合体由日本国家石油、天然气和金属公司(JOGMEC)和日本国家先进工业科技研究院(AIST，National Institute of Advanced Industry S & T)组成。下分4部门：现场开发技术部(领导施工,Yamamoto为负责人，曾负责加拿大试采项目施工)、资源评价部、生产方法和模拟部，以及环境效应评估部。

6.2 工程位置

日本南海海槽天然气水合物试采工程位置位于爱知县渥美半岛与志摩半岛海域。根据2001—2008年地震勘查和钻探取心资料确定了水合物生产试验井井位。选用“地球号”钻井船(图20)和常规油气钻采设备实施作业。

图20 “地球号”钻井船远眺

6.3 试采生产井、监测井与取心孔总体方案

图21示出了日本南海海槽天然气水合物试采工程生产井、监测井和取心孔的总体方案。生产试验井(AT1-P)与2个温度监测井(MT1、MT2)于2012年2—3月钻成。附加钻进AT1-MC取心孔，所钻进取心的60 m孔段包括粘土性泥沙覆盖层，与砂岩水合物聚集带(MHCZ)。

图21 2013年日本南海海槽水合物试采生产井、监测井与取心孔总体方案

此次试采生产井穿越的各地层的岩性依次如下：从海底深度997.7—1091 m为单元Ⅰ，是滑移沉积层；1091—1172 m为砂质互层；1172—1249 m为单元Ⅲ，是粘土互层；1249—1272 m为粘土层；甲烷水合物聚集带属单元Ⅳ，分为两层：1272—1301 m为上层，1301—1333 m为下层。此次试采井段即在此甲烷水合物聚集带层段内。

此次生产试验中应避免发生的问题：(1)沙粒的产生；(2)地层破坏；(3)水合物重新组成，阻塞甲烷气流返排。

6.4 生产试验井水合物试采施工作业

日本南海海槽天然气水合物试采施工作业主要分5个程序(见图22)：(1)下导管；(2)钻进，随钻测井，下套管，注水泥；(3)连接隔水管和防喷器，电缆测井，射孔，控砂；(4)准备，运用减压法试采水合物，压井，电缆测井，拆卸隔水管和防喷器；(5)封堵、废弃生产试验井。

图22日本南海海槽天然气水合物试采施工作业程序

2012年2月15日，开始钻进作业准备；3月26日，试采作业用“地球号”钻探船回到清水港；6月29日—7月7日，采集保压水合物岩心样品(运用改进后的CDEX Hybrid PCS钻具)；2013年1月28日，在现场开始试采施工；3月12日，开始水合物试采气体返排作业；3月底前结束生产试验，回收设备；2013年8月，回收剩余设备器材[26]。

鉴于生产向天空排出的是甲烷可燃性气体，安全生产试验十分重要。特提出了以下3项要求：(1)所有舰船与人等远离施工“地球号”钻井船2 km；(2)随时注意收听(看)129.6 MHz广播，或海洋VHK波段16频道(发自“地球号”钻井船)，按其指示行事；(3)一旦发现即将靠近施工现场的飞机和舰船，立即停止水合物试采作业[27]。

6.5 试采成功

日本南海海槽东部海域运用降压法试采生产水合物(图23)，2013年3月12日开始成功排气，图24展示了生产的甲烷气体在燃烧。本次试采采用了砾石充填的防砂措施，但由于砾石的移动引起了筛网的损坏，进而产生了出砂现象，导致试采末期发生了生产井通道砂堵问题，在3月18日不得不终止。AT1-P生产井6 d试采共产生甲烷气120000 m3，平均日产气量20000 m3[28]。

图23 2013年3月12—18日，日本海域水合物试采“地球号”钻井船

图24 日本南海海槽天然气水合物试采生产出的甲烷气体在燃烧

7 2017年6月日本南海海槽东部天然气水合物再次试采成功[29]

7.1 2013年日本南海海槽东部水合物试采故障发生的原因

2013年3月日本南海海槽东部水合物试采作业，其生产井段采用裸眼砾石充填的防砂技术，试采6日后，随着储层水合物不断的分解，地层亏空量逐渐增大，从而导致砾石充填井段发生松动、引起砾石层壁上部形成空穴，使携带地层细砂的混合流体对砾石筛管造成强烈的冲蚀，迅速导致防砂功能失效，试采作业中止。

7.2 2017年6月日本南海海槽东部第二次天然气水合物成功试采[30]

7.2.1 2017年5月日本又在南海海槽东部实施水合物合物试采作业

2017年5月，日本再次在南海海槽东部实施水合物试采施工作业。这次改用先期膨胀GeoForm筛管实施防砂，但是效果还是不佳，仍然因生产井筒埋砂，防砂失败。在12日(5月4—16日)的连续水合物试采期间，累积生产甲烷气量仅为35000 m3。

7.2.2 2017年6月日本南海海槽东部水合物试采再次获得成功

2017年6月日本南海海槽东部水合物试采，进一步改进了防砂技术。此次试采工程，采用井下膨胀GeoForm筛管，取代上次所用的先期膨胀GeoForm筛管，取得良好的防砂效果。此次水合物试采工程是继2013年成功试采后，又取得的第二次海域水合物的成功试采。在24日的持续生产期间，累积生产甲烷气量240000 m3,平均日产气量10000 m3。

图25为日本南海海槽东部第二次天然气水合物试采的实施体系。

图25 日本第二次海域天然气水合物试采的实施体系[31]

至此，日本成功地完成了其“21世纪天然气水合物研发计划(MH21)”第二阶段的两次天然气水合物试采任务目标。

8 总结与建议

(1)日本于2013年3月在其南海海槽完成的天然气水合物试采，6日生产甲烷气体120000 m3，平均日产气量20000 m3。尽管试采末期发生了生产井通道砂堵问题，试采作业未能继续进行，但这六日持续的甲烷天然气开采仍然被国际上认为是世界上第一次对海域天然气水合物的试采工程。这是国际天然气开发史上的一座里程碑。接着，日本又于2017年6月在南海海槽解决了砂堵生产管道的问题，成功地实施了第二次水合物试采工程。在24日持续生产期间累积产气240000 m3，平均日产气量10000 m3。目前，日本在海域天然气水合物的调查评价技术与试采工程总体实力居于世界领先地位。

(2)水合物保压取心技术是水合物勘查体系中最重要的关键技术。目前世界上除美国的PCS[5]，日本的CDEX Hybrid PCS,欧洲的FPC、FHRC与PTCB之外，我国已研发成功TKP-1型保温保压取心钻具(北京探矿工程研究所)[32]。后者于2015年在我国南海两次海试中，据多次保压取心回次统计，保压成功率达到70%～80%，其效果可与美国、日本和欧洲同类保压取心钻具媲美。

但是，从1973年美国首次研发应用PCB至今约45年的期间内，虽然目前国际上可提供四大类水合物保压取心系统，但是其保压取心技术性能仍然不能满足实际需要，可靠性和保压成功率仍然不高。据部分资料分析，现有各型保压取心器的保压成功率通常维持在60%～70%[2，5]，或更低。所以，进一步提高水合物保压取心技术的可靠性，将其保压取心成功率平均提高到80%以上，仍然是相关各国努力争取达到的共同目标。

(3)天然气水合物岩心样品在高压(大于10 MPa)下的转移和测试鉴定技术同样是水合物调查评价的重要关键技术。经过约20年的努力，目前美国与日本，以及欧洲分别研发出PCCT和HYACINTH系统。这两套水合物压力岩心测试鉴定系统经逐步改进，趋于成熟，且相互交叉融合，已广泛应用于美、日、欧，以及其它国家，包括中国2007—2016年期间的4次南海水合物调查评价，以及印度和韩国海域水合物的多次调查评价。我国近年来在压力岩心转移和测试分析技术方面发展迅速，但恐还缺乏独立的从海域水合物取样现场直至到陆地专业实验室，对水合物压力岩心样品转移和测试鉴定的整套技术系统。建议我国今后加强这方面的研究开发。

(4)藉助海域天然气水合物调查和开发的硬件平台，加强地球科学向多圈层交互作用方向实施转变的平台，特别是促进地学与生物学进一步交叉融合的平台。地质学与生物学的融合渗透源远流长，传统地质学中岩石学、地层学等和古生物学是紧密联系的。20世纪后半叶，海洋科学钻探(DSDP、ODP)除以采取岩心实物证实板块学说等重大地质学发现，还发现深海海底极端条件下，即高温(黑烟囱出口)、高压、无氧、黑暗(无阳光)下的化学合成作用生态系统，颠覆了传统生物学唯一的光合作用生态系统。而1996年建立的大陆科学钻探计划(ICDP)，和2003年啟动的综合大洋钻探计划(IODP)，均将地球深部生物圈微生物纳入其科学研究的主题。海域天然气水合物的调查与试采工程耗费巨资(许多亿)所建造的钻探船/钻探平台(如美国“决心号”，日本“地球号”)及其配置的钻探设备，和保压取心系统(如Hyace的FHRC和FPC等)，以及压力岩心测试鉴定系统(如PCCT、HYACINTH),不但可应用于水合物的调查评价，也可运用于海底深部高压下微生物岩心样品的采取，高压转移与高压下的测试研究(如BIO，DeepIsoBug)。所以，建议我国利用海域天然气水合物调查和开发的硬件平台，积极地开展岩石圈与(深部)生物圈交叉融合研究，实现多学科、多专业、多领域的交互综合研究，以解决整个人类生存和发展中与地球系统科学相关的重大问题。

(5)天然气水合物开采有可能引起地质灾害、破坏生态系统及导致地球温室效应。日本在南海海槽，美国和加拿大分别在阿拉斯加和Mallik实施水合物试采工程，都非常重视水合物开采的环境效应影响研究。特别是日本，制定了环境效应影响研究战略，运用综合性方法技术，研发多种监测仪器装备，开展海洋三维空间、多类型仪器的监测，监测采集的全部数据经海洋生态模型验证，由数字模型作出风险预测。这种重视天然气水合物试采环境效应影响的方针，与采取的战略和方法技术是值得其他实施天然气水合物试采的国家和地区参考和借鉴的。

(6)分析自2002年以来，15年内天然气水合物7次成功试采的实践，运用热注法1次(2002年加拿大Mallik永冻带)，降压法5次(2008年加拿大Mallik永冻带、2013年日本南海海槽、2015年中国祁连山冻土带、2017年中国南海、2017年日本南海海槽)，CO2-CH4置换法1次(2012年美国阿拉斯加北坡)。其中降压法因其具有简单、经济的优点，应用次数较多。热注法因要求地层具有高渗透性，且在储层与围岩热损失较大，不宜单独运用于水合物试采。而CO2-CH4置换法具有水合物开采期中及之后，水仍然保留于储层之中，有利于保持地层稳定性，适用于具有潜在地质灾害危险的地(海)域的水合物开采。

但是，多次试采实践表明，水合物最佳的开采方式将是组合方式，即一种方法为主，其它方法为辅。如2008年加拿大Mallik永冻带水合物开采，以降压法为主，在生产井下安置加热器以热注法辅助；2012年美国阿拉斯加北坡永冻带水合物试采，以CO2-CH4置换法为主，而在生产井内安置喷射泵以降低储层压力为辅。当然，将来也许会出现一些新的天然气水合物开采方法。

(7)2017年5—7月，我国在南海神狐海域天然气试采取得圆满成功。连续试采60 d，累计产气30.9万m3。此次试采获得了持续产气时间最长、产气总量最大、气流稳定、环境安全等多项重大实破性成果，创造了产气时间和总量的世界纪录，使我国海域天然气水合物的试采技术水平目前处于世界领先水平。

(8)天然气水合物的商业化开采是个漫长的过程。开采技术完善成熟需要时间，解决防止灾害环境保护，加强研究和布署需要时间，更重要的是，要将水合物开采的甲烷气体产品以有竞争力的价格打入市场，更是极大的挑战和困难，特别是在常规油气，甚至其它非常规油气(页岩油气、致密油气等)在市场上尚能够长期足量提供的情况下。太阳能、风能等更为“清洁”的可再生能源迅速的开发和广泛应用，也将是未来能源市场上的强劲对手。所以，水合物的商业化开采任重道远，宜从基础研究抓起，稳扎稳打，逐步地建立起完整的、成熟的水合物调查和开发体系，不断地提高水合物试采的综合技术经济指标，水合物商业化开采的时日或许能够早日到来。

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致谢：本文主要参考文献取自美国能源部(DOE,US)下属国家能源技术实验室(NETL)所办 “冰中之火-气体水合物通讯”(Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter)期刊、国际大洋发现计划(IODP)与国际大陆科学钻探计划(ICDP)联办的“科学钻探期刊”(Scientific Drilling Journal)，与日本国家油气和金属公司网站( www.jogmec.go.jp/)，以及其他相关文献。在本文撰写结束之际，笔者对美国NETL的Fire in The Ice-Gas Hydrate Newsletter, IODP与ICDP 联办的Scientific Drilling Journal期刊，www.jogmec.go.jp网站，及其中各相关文章的作者，以及其它国内外参考文献的网站、书籍的作者和译者表示深切的谢意!