海洋天然气水合物（水合物）广泛分布于全球海底，是一种储量巨大的清洁能源。我国南海的水合物资源储量约为800亿吨油当量，可以满足我国近百年的天然气需求。实现水合物的商业化开采，对于保障我国能源安全具有重要战略意义。尽管国内外在水合物开采技术方面已开展了大量研究工作，我国也成功完成了两次试采，但是水合物的商业化开采仍面临安全性和经济性两大挑战。
水合物多分布在千米水深的海域，这些区域通常伴随丰富的传统石油和天然气资源。如南海北部的水合物矿区周围已经布满了石油和天然气开采设施。水合物像煤层一样埋藏在海底以下数十到数百米的浅沙层中，其开采必然会引起海底地层松动，面临地质滑坡等风险。因此，开采后的地质修复对于保障水合物的安全开采至关重要。此外，水合物资源虽然丰富，但是分布密度较低，不具备通过压裂等手段进行开采的条件，难于形成具备经济开采价值的高产气井。因此，需要从多方面入手改善开采的经济性。
清华大学深圳国际研究生院/环境学院陈道毅教授团队致力于解决水合物开采的安全性和经济性问题，创新性地将国际上通过二氧化碳（CO2）在分子层面置换甲烷的技术，改为在开采后期注入CO2形成固态水合物，替换水合物对地层的支撑作用，从而实现地质修复，解决开采安全性问题，同时带来碳封存的额外效益，提升了经济性。通过热动力学可行性试验，重点探索中试、小试规模下该技术的应用效果，并结合真实海洋条件，对其机制和工艺进行深入研究，最终成功开发出“新一代海域天然气水合物开采、固碳和地质修复三联技术”，从而为未来水合物商业化开采提供了一条极具前景的技术路线。相关研究认识刊登在《石油学报》第45卷第8期。
（1）基于现有开采技术和海域天然气水合物储层特点，首次提出了“新一代海域天然气水合物开采、固碳和地质修复三联开采技术”（简称“三联开采技术”），总体技术路线是采用降压法分解产气，并注入CO2混合气刺激水合物分解并实现对天然气的驱替增产，在产气后期注入高压富CO2混合气恢复储层压力，并通过生成混合水合物对开采后的沉积物孔隙进行结构修复。
（2）针对南海天然气水合物储层的高温高压限制，开展了该技术热力学、动力学可行性分析。研究揭示，降压采气后剩余甲烷气体对于后续CO2/CO2+N2水合物生长和地质修复具有积极作用，同时揭示了混合气体组分对于水合物的二次生长或分解作用的重要影响机制。
（3）三联开采技术开发过程中，建立了高仿真度海域水合物样品成藏—降压产气—连续注气—混合水合物生长修复地层一体的研究模式。通过室内小试、中试试验等多尺度验证工艺的可行性，并进一步进行工艺优化，以提高开采和碳封存效率。协调并优化降压与注气修复联合作业过程，形成并完善开采—封存—修复过程的全生命周期。
（4）在三联开采技术实施过程中，揭示了体系中多相流体运移和非均质分布规律。研究表明，该技术在海域水合物储层中显著提高了开采效率与碳封存能力，有效维护了储层的流动安全与稳定性，并为后续的CO2注入和长期储存提供了有力支持。
论文链接：http://www.syxb-cps.com.cn/CN/10.7623/syxb202408009
