日本可燃冰开发技术发展进程_田顺花

三次元捕捉方法，经过基础试钻、调整基础试钻 前的设定数据、再解析等过程，综合运用地球物 理学、地质学、堆积学、地球化学的专业知识， 确立了可燃冰层横向分布的探测方法，以此确定 可燃冰密集层。
据研究，可燃冰密集层满足以下四个条件： 第一，BSR的存在。BSR显示可燃冰储集层的存 在，因此可燃冰密集层的探测从BSR的探测开 始。第二，浊流岩砂泥互层的分布。深海浅层的 可燃冰密集层由砂质层构成，甲烷气则含藏于该 砂泥互层的砂层结构。因此，要探测可燃冰密集 层，必须对BSR领域的砂泥互层有充分的了解。 据研究，所含砂层比例大的砂泥互层则属于可燃 冰密集层的可能性大。第三，强振幅反射波。由 于可燃冰储集层以特殊的固体结构形成，具有与 一般海底地层截然不同的物理特性，进而在地震 探测中呈现出不同的声波反射和传播方法，即强 振幅反射法。第四，高速声波传播能力。海水的 声波传播速度约为1 500 米/秒，深海浅层堆积物 中声波传播速度为1 500～1 700米/秒。然而，在可 燃冰密集层高品质（高可燃冰饱和率）地层中声 波传播速度超过2 000米/秒。因此，MH21研究财 团对于地层的探测数据进行特殊的加工处理，取 得不同的声波传播速度后，根据声波传播速度的 大小判断可燃冰密集层。
专题综述 General Review of Special Subject
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日本可燃冰开发技术发展进程
田顺花
（中国石化集团公司经济技术研究院，北京100029）
摘 要：日本在国土狭小、能源短缺、核电受挫等国家背景下，在研究和开采可燃冰方面表现 得尤为积极。在技术方面从零开始着手研究，目前已确立了诸多有效可行的探测技术 和分析、计测、评估方法，并在实际生产试验中获得成功。综述了日本可燃冰的开发 背景、储量以及探测方法，详细介绍了领先世界的日本可燃冰开采技术进展。
2013年3月，MH21研究财团在东部南海第 二渥美海丘如期进行了海洋生产试验。此次试验 由日本经济产业省属下的石油天然气和金属矿物
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可燃冰原始资源量=堆积层体积×砂层比例× 孔隙率×可燃冰饱和率×体积倍率×笼体占有率
在可燃冰原始资源量基础上，乘以甲烷气采 收率则是可燃冰可采资源量。
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田顺花. 日本可燃冰开发技术发展进程
专题综述 General Review of Special Subject
4 领先世界的日本可燃冰生产技术 由于可燃冰在深海浅层以固体状存在，而
可燃冰广泛分布在深海地层和永久冻土层 中，资源量巨大。据统计，世界可燃冰资源量超过 全球所有煤炭、石油、天然气资源总量的两倍。目 前世界上有100多个国家发现了可燃冰存在的实物 样品。但是，可燃冰的大规模商业开采仍面对诸 多困难，很多国家还处于勘探或试开采阶段。
但日本是个例外，它对可燃冰的关注超乎其 他国家，其原因主要来自三个方面：其一，日本 一直以来迫切希望摆脱能源进口依赖。日本对进 口化石燃料依赖度过高，而天然气资源又处在世 界各国的激烈争夺之中。其二，日本作为海洋国 家，周边海域的可燃冰储量十分丰富。据研究， 日本海域的可燃冰储量，足以满足日本100多年的 天然气需求。其三，2011年3月日本经历了前所未 有的东日本大地震，被迫停运许多核电站，为填 补其能源缺口日本只能增加火力发电量，因此，
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图1 日本周边海域的BSR分布情况
3.1 可燃冰密集层探测方法 MH21研究财团通过地震探测法确认BSR，但
是BSR只能确定可燃冰储集层的纵向分布，要进 行可燃冰的资源量评估，还需掌握其储集层的横 向分布。因此，MH21研究财团挑战可燃冰储集层
关键词：可燃冰 探测方法 开采技术 模拟生产装置 海洋生产试验
1 日本可燃冰开发背景 可燃冰呈现冰状白色固态晶体，在深海的高
压低温条件下，水分子通过氢键紧密结合成立体 网状结构，网状体包含一个甲烷分子形成笼状气 体水合物，即可燃冰。根据可燃冰的结构分析， 单位可燃冰包含8个甲烷分子和46个水分子，其分 子数比例为CH4∶H2O=1∶5.75。即，每一克水中 约含210毫升甲烷气。
且不像常规油气资源一经采掘即可自喷，因此， 要想开采沉睡在海底的可燃冰并将其用于能源领 域，就必须在地层内分解可燃冰使其成为甲烷气 和水，然后将分解出的甲烷气运输到海面，这就 是可燃冰的生产过程。
可燃冰的分解原理比较简单，即通过生成、 解离平衡条件将处于稳定状态的可燃冰从低温高 压状态转化为高温或低压状态，使其进行分解即 可。但是，可燃冰的商业开采需要以有效的生产 方法及甲烷气产能评估等技术作支撑。另外，为 观察可燃冰开采可能会导致的地层变形、压力和 密度变化等周边环境影响，还需开发储集层特性 评价技术。基于以上课题，日本MH21研究财团致 力于各项技术研发，并且已获得了一定的成果。 4.1 高度科技化的生产方法
可燃冰作为新型清洁能源，具有分布广泛、 储量可观的优势。与此同时，可燃冰资源的开采 可能会导致海底滑坡、气体泄漏、地盘下沉等环 境风险。因此，日本MH21研究财团着手开发地层 变形模拟装置（COTHMA），试图在实验室模拟 实际生产过程进行环境风险评估。另外，开发地
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对发电燃料石油与天然气的需求大幅增加。据统 计，2011-2012年度天然气在日本发电领域所占的 份额从2010年的30%扩大到40%。
作为世界主要的油气消费国，在天然气需求 急剧增加的能源压力下，日本为确保资源并保障 能源供应稳定，致力于有望成为新型能源资源的 可燃冰的商业开采。
2 日本可燃冰储量 通过地质探测，日本确定其东部南海海域
日本MH21研究财团认为可燃冰密集层必须同 时满足以上四个指标体系。而在此领域，日本首 次建立了领先世界的四个探测指标体系。 3.2 资源量评估方法
通过东部南海海域的地质探测，日本掌握了 可燃冰砂泥互层结构的物理特性，确立了可燃冰 密集层抽出技术。然而，要进行精确的甲烷气资 源量评估（可燃冰原始资源量），需要建立可燃 冰密集层的容积评估法。日本MH21研究财团通过 改进常规油气资源的资源量评估方法，进而结合 可燃冰密集层固有特性确立了原始资源量评估方 法。公式如下：
其东部南海海域具有巨大的可燃冰矿藏。在第二 阶段进程中，以从可燃冰储集层中分离并提取甲 烷气为目的，MH21研究财团决定于2013年3月在 东部南海第二渥美海丘进行世界首次可燃冰海洋 生产试验。而且2012年安倍晋三再度胜选日本首 相后，为摆脱能源进口依赖实施了加快推进可燃 冰商业开采的政策，并增加了一个目标矿藏。
3 日本采用的探测方法 日本MH21研究财团利用地质探测法进行可
燃冰矿藏的探索。地震探查技术能够确定可燃 冰储集层稳定领域的下界线，即似海底反射层 （BSR）。MH21研究财团在静冈县至和歌山县的 东部南海海域进行地震探测和调查，已确定该海 域有广泛的BSR。另外，采用岩芯取样法确定可 燃冰及其资源量评价。早期的岩芯取样法具有局 限性，因为在取芯过程或在样品分析前，样品已 发生分解，失去了研究的意义。为了克服这个缺 陷，日本深海探测船“地球号”研制了一套特殊 的取样压力容器，即在海底采样过程中，将沉积 物装满容器后，立即封闭该容器，以免岩芯试样 发生物性变化。另外，MH21研究财团还开发可燃 冰密集层探测方法及资源量评估方法。图1为日本 周边海域的BSR分布情况。
层变形模拟装置的计算程序，用该计算程序对可 燃冰特有的未固结层进行综合性评价，分析可燃 冰的商业开采对周边地层可能会造成的应力状况 或地层变形。通过各种实验与分析，MH21研究财 团已初步判定其商业开采造成地层下滑、漏气等 环境风险的可能性并不大。
5 在海洋生产试验中取得成功 可燃冰开发计划的第一阶段中，日本已确认
MH21研究财团利用其独自开发的生产模拟装 置（MH21-HYDRES）进行模拟试验，以此观察 可燃冰生产可能导致的储集层变化。经过多次模 拟试验，开发了具有高信赖度的产量评估系统及 储集层变化评价技术。
伴随可燃冰生产，储集层可能在渗透性、热 传导性、压力、密度等方面发生变化甚至导致生 产障碍，为此，MH21研究财团在开发相应的评 价、解析程序的同时，通过陆上生产试验和海洋 生产试验，进一步强化并完善了模拟生产装置的 功能。另一方面，利用模拟生产装置，输入断层 等既不连续又不均质的储集层参数，对可燃冰的 商业开采可能会导致的地层变化进行评估，然后 总结其成果最终选择了最优的生产方法与生产系 统并对其进行了综合评价。日本已拥有世界最高 水平的可燃冰资源分析方法。但是，仅靠局限于 实验室的测验和分析，还不能贸然进行实际生产 试验。因此，MH21研究财团改造医疗用X射线CT 装置，利用该装置在室内进行可燃冰的形成和分 解等物理化学过程的模拟实验，以此实现了可燃 冰堆积层分解过程的可视化。这个方法接近于可 燃冰的实际生产过程，反映出更加真实的可燃冰 物理化学特性。 4.3 开发可燃冰储集层特性评价系统
日本MH21研究财团为开发高效节能的可燃冰 生产方法，对包括热分解法、减压法、分解促进 剂注入法以及二氧化碳置换法在内的十余种生产 方法进行了研究分析。而通过模拟实验及加拿大 陆上生产试验实证，最终确定减压法最具生产有 效性和经济性。
减压法是利用“地球号”的新型深海竖管钻 井系统，利用钻机上的泵式动力将特制泥浆运输 到钻探管内，降低井口压力使可燃冰分解并高速 形成甲烷气，在泥浆重复循环的过程中将生成的甲 烷气随流体带入钻探管，完成甲烷气的海上运输。 “地球号”之所以具有如此强大的钻井能力，是因 为通过泥浆循环得以保障钻井内的压力平衡和温度 平衡，这是可燃冰生产中的关键所在。
储藏着典型的孔隙填充型砂质可燃冰层，日本科 学家称之为“可燃冰密集层”。可燃冰密集层具 有一定的宽度和厚度，甲烷气储量多，被日本专 家认定为可以现有技术开发的理想矿床。日本利 用地震探测和物理探测在世界首次确立了可燃冰 密集层的抽出方法，并在其东部南海海域发现了 10个以上的可燃冰密集层。据日本地质调查局探 测，日本东部南海海域拥有11 415亿立方米可燃 冰原始储量。其中，可开采密集层占5 739亿立方
复合生产方法（并用法），利用特制泥浆实现经 济有效的热供应，以此解决可燃冰层周边环境温 度渐降的问题。此外，着眼于渗透性好的储集层 特性，在工艺细节上开发了增进回收法和渗透率 改进法，以此提高了生产初期的甲烷气产量。
另外，对于可燃冰开采中可能会发生的出 砂、储集层渗透性下降及其导致的气体流动障碍 等现象，MH21研究财团进行定量解析，并寻求制 约技术，力求解决甲烷气产量趋缓的问题，以保 证可燃冰的持续性生产。 4.2 开发生产量评估系统及储集层评价技术
MH21研究财团还已确定减压法在日本海域的 可燃冰生产中最具能源效率和经济效益。因为如 果采用减压法，只需提供泥浆循环所需的泵式动 力，无疑具有高能源效率。减压法的能源效率还 根据减压度等生产条件的变化而发生变化，但一 般情况下可以创出两位数的能源效率。然而，利 用减压法生产可燃冰，产量及采收率会受可燃冰 储集层温度变化的影响，生产过程中可能出现的 储积层温度下降等现象将导致产量下降等问题。 因此，为保持储集层温度，研究团队致力于开发
收稿日期：2013-05-15。 作者简介：田顺花，2005年毕业于日本广岛国际学 院大学情报工学专业，现在职攻读中国人民大学企 业管理硕士学位，主要从事石化信息研究工作。
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专题综述 General Review of Special Subject
米，足以满足日本约11年的天然气需求。而日本 周边海域则拥有46 550亿立方米可开采可燃冰储 量，能够满足日本100多年的天然气需求。