海洋天然氣水合物（水合物）廣泛分布于全球海底，是一種儲量巨大的清潔能源。我國南海的水合物資源儲量約為800億噸油當(dāng)量，可以滿足我國近百年的天然氣需求。實(shí)現(xiàn)水合物的商業(yè)化開采，對于保障我國能源安全具有重要戰(zhàn)略意義。盡管國內(nèi)外在水合物開采技術(shù)方面已開展了大量研究工作，我國也成功完成了兩次試采，但是水合物的商業(yè)化開采仍面臨安全性和經(jīng)濟(jì)性兩大挑戰(zhàn)。
水合物多分布在千米水深的海域，這些區(qū)域通常伴隨豐富的傳統(tǒng)石油和天然氣資源。如南海北部的水合物礦區(qū)周圍已經(jīng)布滿了石油和天然氣開采設(shè)施。水合物像煤層一樣埋藏在海底以下數(shù)十到數(shù)百米的淺沙層中，其開采必然會引起海底地層松動，面臨地質(zhì)滑坡等風(fēng)險。因此，開采后的地質(zhì)修復(fù)對于保障水合物的安全開采至關(guān)重要。此外，水合物資源雖然豐富，但是分布密度較低，不具備通過壓裂等手段進(jìn)行開采的條件，難于形成具備經(jīng)濟(jì)開采價值的高產(chǎn)氣井。因此，需要從多方面入手改善開采的經(jīng)濟(jì)性。
清華大學(xué)深圳國際研究生院/環(huán)境學(xué)院陳道毅教授團(tuán)隊(duì)致力于解決水合物開采的安全性和經(jīng)濟(jì)性問題，創(chuàng)新性地將國際上通過二氧化碳（CO2）在分子層面置換甲烷的技術(shù)，改為在開采后期注入CO2形成固態(tài)水合物，替換水合物對地層的支撐作用，從而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)修復(fù)，解決開采安全性問題，同時帶來碳封存的額外效益，提升了經(jīng)濟(jì)性。通過熱動力學(xué)可行性試驗(yàn)，重點(diǎn)探索中試、小試規(guī)模下該技術(shù)的應(yīng)用效果，并結(jié)合真實(shí)海洋條件，對其機(jī)制和工藝進(jìn)行深入研究，最終成功開發(fā)出“新一代海域天然氣水合物開采、固碳和地質(zhì)修復(fù)三聯(lián)技術(shù)”，從而為未來水合物商業(yè)化開采提供了一條極具前景的技術(shù)路線。相關(guān)研究認(rèn)識刊登在《石油學(xué)報(bào)》第45卷第8期。
（1）基于現(xiàn)有開采技術(shù)和海域天然氣水合物儲層特點(diǎn)，首次提出了“新一代海域天然氣水合物開采、固碳和地質(zhì)修復(fù)三聯(lián)開采技術(shù)”（簡稱“三聯(lián)開采技術(shù)”），總體技術(shù)路線是采用降壓法分解產(chǎn)氣，并注入CO2混合氣刺激水合物分解并實(shí)現(xiàn)對天然氣的驅(qū)替增產(chǎn)，在產(chǎn)氣后期注入高壓富CO2混合氣恢復(fù)儲層壓力，并通過生成混合水合物對開采后的沉積物孔隙進(jìn)行結(jié)構(gòu)修復(fù)。
（2）針對南海天然氣水合物儲層的高溫高壓限制，開展了該技術(shù)熱力學(xué)、動力學(xué)可行性分析。研究揭示，降壓采氣后剩余甲烷氣體對于后續(xù)CO2/CO2+N2水合物生長和地質(zhì)修復(fù)具有積極作用，同時揭示了混合氣體組分對于水合物的二次生長或分解作用的重要影響機(jī)制。
（3）三聯(lián)開采技術(shù)開發(fā)過程中，建立了高仿真度海域水合物樣品成藏—降壓產(chǎn)氣—連續(xù)注氣—混合水合物生長修復(fù)地層一體的研究模式。通過室內(nèi)小試、中試試驗(yàn)等多尺度驗(yàn)證工藝的可行性，并進(jìn)一步進(jìn)行工藝優(yōu)化，以提高開采和碳封存效率。協(xié)調(diào)并優(yōu)化降壓與注氣修復(fù)聯(lián)合作業(yè)過程，形成并完善開采—封存—修復(fù)過程的全生命周期。
（4）在三聯(lián)開采技術(shù)實(shí)施過程中，揭示了體系中多相流體運(yùn)移和非均質(zhì)分布規(guī)律。研究表明，該技術(shù)在海域水合物儲層中顯著提高了開采效率與碳封存能力，有效維護(hù)了儲層的流動安全與穩(wěn)定性，并為后續(xù)的CO2注入和長期儲存提供了有力支持。
論文鏈接：http://www.syxb-cps.com.cn/CN/10.7623/syxb202408009
