深海天然气水合物开采中的岩土工程问题及的研究思路初探.pdfVIP

深海天然气水合物开采中的岩土工程问题及研 究思路初探 蒋明镜1一，肖俞1’2，筒琦薇1’2，刘芳k2 作者简介：蒋明镜(1965-)，男，特聘教授，博士生导师，日本京都大学特别研究者，加拿大 Laval、英国曼彻斯特大学和诺丁汉大学出站博士后，主要从事太空土、深海能源土、天然结构性黏 土、砂土、非饱和土宏观微观试验、本构模型和数值分析研究以及土体渐进破坏分析，并从事相关 【摘要]天然气水合物是一种由甲烷和水在高压、低温环境条件下形成的冰状白色固态晶 体，其蕴藏量约为地球现有化石燃料(石油、天然气和煤)含碳量总和的2倍，被认为具有巨大潜力 替代石油、煤和天然气等传统能源的新型能源。本文介绍了开采深海天然气水合物过程中将面临的 相关岩土工程问题以及现行相关研究方法的特点和局限，并提出了可行的研究方法和新思路。 1．前言 天然气水合物被科学家喻为“易燃冰”或“可燃冰”，它是一种由气体(主要是甲烷)和水在高 压、低温条件下形成的冰状白色固态晶体，水分子一般通过氢键合成多面体笼，笼中含有客体的天 然气分子。天然气水合物主要存在于陆地永久冻土区和深海沉积物中，其蕴藏量约为现有地球化石 燃料(石油、天然气和煤)含碳量总和的2倍，被公认为是替代石油、煤和天然气的新型能源，在能 源稀缺的今天，若能够实现天然气水合物的大规模开采，对于缓解人类当前的能源危机具有重要的 战略意义。近年来，美、日、德、加拿大、印度、韩国和比利时等多国政府，相继投入了巨大的人 力与财力，分别制定了各自的多年研发计划，对天然气水合物进行系统且深入的研究，以期实现天 美元用于研究天然气水合物的开采利用，2001年增加到1100万美元，2003年增加到1200万美元， 并建议制定投资1．5亿’2亿美元的十年研发计划；日本于1990年起制定了多个研发计划，并委托 日本国家石油公司实施其计划Ⅲ1副。我国对天然气水合物的研究起步较晚，但发展迅速。中国科学 院广州天然气水合物中心和中科院广州天然气水合物研究中心于2004年3月和5月先后成立，并于 2007年5月我国成功在南海钻取含天然气水合物的岩心样。目前，已探明我国南海海域存在大量的 天然气水合物，具有广阔的开发前景。 深海天然气水合物的大规模开采势必对原有的海底表层结构造成重大影响，引起海洋沉积物性 质的改变，从而引发一系列的环境问题和工程问题。本文旨在讨论深海水合物开采过程中可能引发 的相关岩土工程问题及其常用研究方法的特点和局限性，并提出相应的可行的研究方法和思路。 2．水合物开采中的岩土工程问题 目前国内外地质、工业和环境科学领域的科学家对气体水合物研究较多，而岩土工程专家对之 研究得非常少。然而，深海天然气水合物的大规模开采往往会导致海洋沉积物的稳定性受到破坏从而 引发海底滑坡以及海啸。海洋沉积物的稳定性分析主要属于岩土力学研究范畴，对深海天然气水合 物开采的安全性存在巨大影响，而绝大多数岩土工程科学家对气体水合物又不太熟悉，故在这方面 的研究未见重大进展，即使在开采方法的研究方面对其中的岩土工程问题也未做出相关探讨。目前， 只有少数国家的岩土力学科学家已开始高度关注这一问题，例如美国和日本已将水合物对沉积物力 学性质、海底稳定性的影响研究列入了其多年研发计划中。我们认为天然气水合物的大规模开采对 海底沉积物的力学特性及稳定性的影响主要体现在以下几个方面： (a)天然气水合物以胶结物的形式存在于沉积物颗粒之间的孔隙中，对沉积物的稳定性和强度 有一定贡献。当沉积物赋存的温压条件改变时或者受到扰动时，会引起水合物的分解，已有的研究 1同济大学土木学院地下建筑与工程系，上海200092 2岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092 84 表明水合物的分解会大大劣化沉积物的力学特性u1。 (b)现行的水合物钻探方法(加热法、降压法、注入外加剂法嘲)都需要打钻探井，另外，在 深海石油开采过程中也可能遇到含水合物的区域。含水合物区域的深海旋工或钻探的过程可能会改 变沉积物中的水合物赋存温压环境或者扰动沉积物，引起水合物的分解，降低沉积物的强度，造成 钻孔或者钻井平台失稳H1叫。 (c)在地震波、风暴波等的影响下，沉积物中的水合物可能会受到扰动，引起大体积水合物分 解，以至于海底沉积物连续破坏而引起海底滑坡，甚至海啸，给海上石油平台、海底管道、光缆等 造成毁灭性的破坏睁1。历史上几次著名的海底滑坡如丹麦的Storegga滑坡就疑与水合物的分解有 关‘1¨。