關于加強青藏高原多年凍土區天然氣水合物開發研究的建議

孟 弘

（中國科學技術發展戰略研究院，北京 100038）

關于加強青藏高原多年凍土區天然氣水合物開發研究的建議

孟 弘

（中國科學技術發展戰略研究院，北京 100038）

天然氣水合物具有污染小、儲量大、分布廣、能量密度高等獨特的資源優勢，被譽為未來的戰略接替能源，引起了世界各國的高度重視。雖然我國已分別在南海和青藏高原多年凍土區鉆獲了天然氣水合物實物樣品，但與天然氣水合物開發研究強國相比技術差距仍然很大。鑒于陸域天然氣水合物比海域天然氣水合物勘查成本低、開采安全系數高、開采對生態環境影響小，建議當前我國應選擇青藏高原多年凍土區重點部署天然氣水合物的開發，并采取制定國家規劃、加大投入力度、建立研發基地等措施加強其開發研究。

天然氣水合物；青藏高原；開發研究

能源和環境問題是人類面臨的兩大難題，開發利用新型潔凈能源，實現綠色發展是人類共同的追求。在人類即將面臨傳統化石能源枯竭、全球環境日益惡化之時，眾多國家紛紛把目光投向了一種被稱為“可燃冰”的可持續發展綠色能源——天然氣水合物的開發利用上，并展開了一場國家間新的能源競賽。

1 天然氣水合物是未來的戰略接替能源

1.1 天然氣水合物的本來面目

天然氣水合物（Natural Gas Hydrate）是由天然氣（主要成分為甲烷）與水在高壓、低溫條件下形成的冰狀固體物質，可以像固體酒精一樣直接被點燃，因此又被形象地稱為“可燃冰”。

聯合國政府間氣候變化專門委員會的報告認為，天然氣水合物可能的資源量約為地球上其他所有化石能源資源量總和的2倍，預計可開發部分也與油氣資源總量相當［1］。國際科學界普遍認為，天然氣水合物是世界尚未開發的已知的最大的化石能源，必將成為石油、天然氣之后最佳的戰略接替能源，有望解決人類的千年能源之憂。

1.2 天然氣水合物的獨特資源優勢

（1）污染小。天然氣水合物是天然氣和水組成的籠形包合物，釋放的天然氣中的甲烷純度高，有害氣體少，燃燒以后幾乎不產生任何殘渣或廢棄物，污染比煤、石油要小得多，是公認的人類21世紀可接替利用的新型潔凈能源。

（2）儲量大。許多研究者對全球天然氣水合物中的甲烷蘊藏量進行了估計，目前比較權威的陸上估計值為：1.4×1013～3.4×1016m3，海底估計值為：1.8×1016～3.4×1017m3。這個儲量相當于在標準狀態下，大約40米厚的甲烷氣覆蓋在整個地球表面，其資源量至少相當于迄今為止地球上所發現的全部煤炭、石油、天然氣資源量總和的兩倍［2］。

（3）分布廣。天然氣水合物廣泛存在于水深大于300米的海底沉積物和陸地多年凍土區中，大約27%的陸地（極地凍土區和高山凍土區）和90%的大洋水域是其潛在資源分布區，世界上已有79個國家和地區發現了天然氣水合物氣藏。

（4）能量密度高。從能源角度講，天然氣水合物可視為被高度壓縮的非常規天然氣資源。據估算，1立方米天然氣水合物可以釋放出160立方米的天然氣，其能量密度（標準狀態下單位體積沉積物中的甲烷量）是其他非傳統能源的10倍，是常規天然氣能量密度的 2—5 倍［3］。

1.3 開發天然氣水合物是一柄“雙刃劍”

天然氣水合物的獨特資源優勢使得“誰掌握了天然氣水合物，誰就主導了下一代全球能源”的論斷成為共識，它將改變人類的能源信念，并將徹底改變世界各國的能源架構和全球競爭力。

但天然氣水合物的開發也存在潛在風險，稍有不慎就可能給人類帶來嚴重的環境災難。由于天然氣水合物的高能量密度，當開采不當時往往導致大量甲烷氣體的瞬間釋放，巨大的瞬間壓力釋放會引發海底滑坡、塌陷、海嘯等地質災害。此外，天然氣水合物中絕大部分是甲烷這種反應快速、溫室效應比二氧化碳強20倍的氣體，如果開采時甲烷氣體大量泄漏，造成的溫室效應將災難性地威脅人類生存環境。

2 國內外開發天然氣水合物的現狀

為有效開發天然氣水合物，所需的研究工作可分為上游、中游、下游3個過程，其研究開發鏈見圖1［4］。由圖1可見，天然氣水合物開發研究的核心環節就是開采技術，按其技術發展又可分為實驗室模擬開采、礦區試開采和商業開采三個階段。

2.1 國外開發天然氣水合物的現狀

1965年，在俄羅斯西伯利亞多年凍土區麥索雅哈氣田首次發現了天然氣水合物。1972—1974年，美國、加拿大分別在阿拉斯加、麥肯齊三角洲凍土帶的油氣田區發現了大規模的水合物礦藏。1979年，國際深海鉆探計劃（DSDP）第66、67航次在中美洲海槽危地馬拉的鉆孔巖芯中首次發現了海底天然氣水合物［5］。20世紀90年代以來，隨著對天然氣水合物的資源前景和環境效應的逐步認識，美國、日本、俄羅斯、加拿大等國都把天然氣水合物的勘查、開發作為國家資源產業計劃的一部分，目前都已取得重大發現。印度、韓國也把天然氣水合物資源的勘查提到國家戰略計劃之中，得到了高度重視。

到目前為止，世界上至少已有30多個國家和地區開展了天然氣水合物的研究與勘查評價工作，已在世界各地發現了多處海域和陸域天然氣水合物礦藏。由于天然氣水合物巨大的開采難度，目前實際開展試開采的只有三個極地凍土區的礦藏，尚無真正商業開采的案例，它們是俄羅斯西伯利亞麥索雅哈、美國阿拉斯加北坡和加拿大麥肯齊三角洲。此外，美國還在墨西哥灣成功進行了鉆井實驗，日本除參加加拿大麥肯齊三角洲多年凍土區天然氣水合物試開采外，還成功進行了南海海槽的鉆井實驗。總體而言，俄羅斯、美國、加拿大、日本等國處于天然氣水合物開發研究的前沿，已基本完成第一階段實驗室模擬開采，進入第二階段礦區試驗開采研究階段，美國和日本分別制定了2015年和2016年進行商業開采的時間表。

迄今為止，世界上天然氣水合物試開采最成功的案例當屬俄羅斯西伯利亞麥索雅哈（Messoyakha）氣田。該氣田于1969年開始試開采天然氣水合物，到1990年最終停產，已成功地半連續生產了17年，開采出的天然氣中約36%（約51.7億立方米）的氣體是天然氣水合物。俄羅斯麥索雅哈的開采實踐表明，與常規天然氣資源相比，無論是開采年限、布井密度，還是開采成本，天然氣水合物均具極強的競爭力。

2.2 幾個主要國家的研發投入與組織模式［6］

1998年5月24日，美國參議院能源委員會一致通過了1418號議案——“天然氣水合物研究與資源開發計劃”，將天然氣水合物資源作為國家發展的戰略能源列入長遠計劃，該議案批準天然氣水合物資源研究開發年投入經費2000萬美元，要求能源部制訂統一的研究規劃，組織國內科研單位進行聯合研究，并于2015年實施商業性開采。1994年，日本成立了天然氣水合物開發促進委員會，先后啟動了“天然氣水合物研究及開發推進初步計劃”和“開發利用天然氣水合物”國家計劃。由日本通產省協調，日本地質調查局加上10家石油公司共同組織進行早期調查勘探、鉆探，其研究開發國家五年計劃（1995—1999年）投入經費6400萬美元。韓國在Ulleung（郁龍）盆地局部地區完成了天然氣水合物地球物理調查后，MOCIE（商業、工業和能源部）制定了天然氣水合物長期規劃藍圖，從2000年開始，韓國穩定地執行該規劃調查和研究三階段第一階段五年計劃的年度任務。印度對天然氣水合物的投入相當于9000萬元人民幣/年（1996—2000年），目前分別在其東、西部近海的孟加拉灣與阿拉伯海開展了天然氣水合物調查研究工作。盡管德國沒有天然氣水合物資源，但德國投入9000萬馬克設立了國家天然氣水合物調查研究專項，組織實施了德、美、加、俄4國合作項目，德國“太陽號”科學調查船的活動和成果在全球最為引人注目［6］。

2.3 我國天然氣水合物研究的現狀與差距

我國天然氣水合物研究工作始于20世紀90年代初，比美國、俄羅斯、加拿大、日本、德國等發達國家晚了近20年。1998年，國土資源部把天然氣水合物勘探目標鎖定在南海北部陸坡。1999年，南海首次發現了天然氣水合物存在的各項重要標志，初步確認了天然氣水合物的存在。2002年起，由中國地質調查局主持的國家專項，開展了中國海域天然氣水合物調查。2007年5月1日，我國在南海北部成功鉆獲天然氣水合物實物樣品，從而成為繼美國、日本、印度之后第四個通過國家級研發計劃采到水合物實物樣品的國家。2009年9月25日，我國又在青藏高原多年凍土區獲得天然氣水合物實物樣品，由此成為世界上首次在中低緯度地區發現天然氣水合物的國家。

隨著研究的深入，我國天然氣水合物資源勘查已經形成國家調查專項、國家“863”計劃項目、“973”項目及三大石油公司的勘查項目形成的立體、多層次的勘查投入體系。近年來，科技部、國土資源部、中國地質調查局、國家海洋局等國家部委都高度重視天然氣水合物的開發研究，開展了大量工作。中國科學院、中國地質科學院、中國地質大學、青島海洋大學等科研院所，中國海洋石油公司、中國石化及中國石油等石油公司的科研力量已經能夠滿足天然氣水合物研究的需要，為我國天然氣水合物的開發應用奠定了良好的基礎。

綜上所述，我國對天然氣水合物的研究還處在調查評價的前期階段，開采研究才剛剛開始，尚未開展試開采研究。雖已初步掌握其研究方法，并取得一些重要進展，然而與發達國家相比，我國天然氣水合物研究在實驗室模擬、基礎理論、調查評價研究、鉆探技術和鉆探裝備、實驗區選擇、工業化開采和新技術開發等多方面還有很大差距。

3 加強我國天然氣水合物開發研究的戰略選擇

隨著工業化和城鎮化的加快發展，我國能源供需矛盾日益突出，繼1993年成為石油凈進口國之后，今年我國將成為煤炭凈進口國，這種不斷加大的石油和煤炭對外依存度對我國能源安全提出了嚴峻的挑戰。此外，發展綠色經濟、走可持續發展道路已經成為全球的共識，應對氣候變化和環境保護的壓力又要求我國加快調整以煤炭、石油、天然氣等傳統化石能源為主的能源消費結構，實現綠色發展。在這樣的大背景下，加強我國天然氣水合物的開發研究已迫在眉睫。

3.1 青藏高原多年凍土區天然氣水合物開發的比較優勢

從國際天然氣水合物勘探開發史可以看出，天然氣水合物的勘探開發利用首先最有可能在陸地上的凍土區進行攻關和突破，然后再借鑒到海底天然氣水合物的勘探開發上。由于深海鉆探面臨的特殊困難，以及海洋環境特別是深海生態系統的脆弱性，大規模商業化開采存在巨大困難。與海底天然氣水合物開發相比，陸上多年凍土區中的天然氣水合物勘查成本低、開采安全系數高，開采對生態環境影響小，被譽為海底天然氣水合物開發利用的天然試驗場。此外，凍土區具有便利的交通條件和后勤保障措施，為大面積凍土區天然氣水合物開采提供了有力支持。因此，陸域多年凍土區天然氣水合物的開采較海域天然氣水合物的開采便利，是天然氣水合物開發研究的首選之地。

我國是世界第三大凍土大國，在青藏高原和大興安嶺地區存在著大片凍土區，多年凍土面積達215萬平方公里，占國土總面積的22.4%。青藏高原多年凍土區是世界中低緯度區海拔最高、面積最大的凍土區，也是典型的高山凍土區，平均海拔高達4000米，面積達150萬平方公里，約占全國凍土面積的70%，多年凍土區面積占世界多年凍土面積的7%，是天然氣水合物一個重要的資源遠景區。2009年9月25日，我國在青藏高原多年凍土區（青海省天峻縣木里礦區）發現并成功鉆探獲取到了“可燃冰”實物樣品，這是世界上第一次在中低緯度凍土區發現天然氣水合物，也是繼加拿大1992年在北美麥肯齊三角洲、美國2007年在阿拉斯加北坡通過國家計劃鉆探發現天然氣水合物之后，在陸域通過鉆探獲得天然氣水合物樣品的第三個國家。科學家初略估算，其遠景資源量至少有350億噸油當量。

伴隨著青藏鐵路的全線貫通和商業運行，我國已經掌握了大量多年凍土區的地質數據、氣候數據，并有較好的施工基礎，再加上較為便利的交通，這些都使得青藏高原多年凍土區天然氣水合物開發具有較強的比較優勢。

簡而言之，當前我國應選擇青藏高原多年凍土區重點部署天然氣水合物的開發研究，先從多年凍土區天然氣水合物的開發研究入手，實施開采實驗，同時積累開采經驗和開采技術，等開采工藝及技術成熟之后，再轉向海域天然氣水合物的開發利用。

3.2 盡快探明青藏高原天然氣水合物的資源儲量狀況

相比較而言，我國青藏高原多年凍土區天然氣水合物的調查研究工作還顯得很不足，對整個青藏高原多年凍土區天然氣水合物的可能分布狀況和資源潛力在整體上還并不清楚。因而，準確評價青藏高原多年凍土區天然氣水合物的儲量分布是當務之急。

目前世界上多年凍土區天然氣水合物的開發研究主要集中在俄羅斯西伯利亞、美國阿拉斯加以及加拿大麥肯齊三角洲等地區，這些地區的地理位置都在北極圈附近，屬于極地多年凍土區。我國青藏高原多年凍土區都分布在中緯度地帶，與極地多年凍土區的狀態不完全相同，由此可能引起天然氣水合物賦存條件和基本特征的差異（見表1［7］），需要在借鑒國外經驗的同時充分考慮我國青藏高原的特殊性。

由于嚴酷的自然地理條件和氣候條件阻礙了地質工作的進展，使得青藏高原成為我國地質礦產調查程度最低的地區之一，基礎地質數據缺乏，其中的某些地區至今仍是地質礦產工作的空白區。盡管已經青藏高原凍土區開展了凍土、區域地質、油氣資源等相關調查研究，但因地理條件的限制，其工作程度較低，且多集中在青藏鐵路沿線，而對凍土區腹地所開展的工作極少。就天然氣水合物來說，目前的工作集中在成礦條件研究方面，調查工作相對較少，迫切需要開展深入的調查研究。

鑒于青藏高原多年凍土區薄弱的地質工作基礎，當前應首先開展實際地質、地球物理、地球化學、鉆探調查，開展多年凍土區多孔介質體系中天然氣水合物的成藏機理、多年凍土和天然氣水合物的地球物理和地球化學等識別方法和技術、勘查技術方法和方案研究，力爭在最短的時間內探明青藏高原天然氣水合物的資源儲量狀況，為青藏高原多年凍土區天然氣水合物的開發利用奠定堅實的基礎。

3.3 積極開發具有自主知識產權的開采技術

開采天然氣水合物可能像一柄“雙刃劍”，在獲得寶貴資源的同時，也可能給人類帶來嚴重的環境災難。世界各國的經驗表明，天然氣水合物開采過程中的最大難題就是保證井底穩定，防止因瞬間壓力釋放引發滑塌等地質災害，同時更要防止其所含甲烷氣體釋放而加劇全球“溫室效應”。因此，經濟、高效、安全和可靠的開采技術就成了實現天然氣水合物開發利用的決定性因素。

目前，已經提出的天然氣水合物開采方法主要有熱解法、減壓法、化學試劑法、二氧化碳置換法和固體開采法等，從技術角度上看，天然氣水合物開采已具有可行性，但迄今為止仍然沒有真正實現經濟、高效、安全、可靠的開采方法。因而，如何對現有的開采技術進行完善并開發新技術，尋找較為理想的開采方法將是一個非常重要的任務。當前，我國應加大天然氣水合物開采技術的基礎研究，深入開展實驗室模擬開采的理論探討與實踐研究，為實際開采提供基礎數據和操作條件。

鑒于世界各國對天然氣水合物開采技術的嚴格封鎖，我國在最大限度地加強國際合作，充分吸收借鑒國際上天然氣水合物特別是凍土區天然氣水合物開采經驗的同時，更要立足自主創新，積極開發具有自主知識產權的開采技術，保持我國在未來能源格局中的戰略地位。

3.4 合理兼顧與天然氣水合物相關的新技術

與天然氣水合物相關的新技術還有水合物法氣體儲運技術、氣體分離技術等。

以氣體水合物的形式儲運氣體是一項新興技術，它是指在一定的壓力和溫度條件下，將氣體和水進行水合反應，固化成水合物后進行儲運的方法，包括氣體水合物的生產、儲運和分解氣化過程。由于水合物法氣體儲運方式儲氣量高、成本較低、安全性好，必將產生巨大的經濟和社會效益，可望對經濟地解決西氣東輸問題提供支撐。水合物法氣體分離技術是利用易生成水合物的氣體組分發生相態轉移，實現混合氣體的分離，具有方法簡單，操作條件低等特點，可用于電力、石化、鋼鐵等CO2高排放工業中新型CO2分離方法，并將CO2注入海洋中天然氣水合物儲層，不僅封存CO2，同時置換開采天然氣水合物，被認為是CO2永久封存的有力選擇。

4 加強青藏高原天然氣水合物開發研究的建議

4.1 制定青藏高原天然氣水合物開發研究的國家規劃

在全球能源競爭日趨激烈的格局下，天然氣水合物的開發利用已經成為各國能源科學實驗和技術創新的重要戰場，更是各國競相攻關的戰略制高點。任何一個世界大國發展能源、推進能源轉型都必須對天然氣水合物有國家層面的戰略部署和長期安排，美國和日本就是通過國家規劃的實施使其天然氣水合物研究水平走到了世界的前列。

盡管我國天然氣水合物的研究已經得到了科技部、中國地質調查局、國家自然科學基金委員會等部委的廣泛關注，并通過國家調查專項、“863”計劃、“973”計劃、自然科學基金等進行支持或資助，但目前為止我國還沒有一個全面的天然氣水合物產業的國家級綜合規劃，這就導致各部委之間、各科技計劃之間缺乏有效的溝通協調機制，各資助渠道各自為戰的結果就是我國天然氣水合物的研究缺乏系統性、資源配置無法達到最優化，制約了我國天然氣水合物開發利用的進程。

因此，在天然氣水合物資源勘查評價和商業性后續的開發研究中，亟須從國家戰略層面制定我國青藏高原多年凍土區天然氣水合物開發研究的國家規劃，發揮社會主義國家集中力量辦大事的優勢，統籌謀劃、系統布局青藏高原多年凍土區天然氣水合物的開發研究，盡早制定我國青藏高原多年凍土區天然氣水合物試驗性開采和商業開采的時間表。應借鑒國外經驗，在國家規劃的指引下，走聯合攻關、協同作戰之路，采取新型舉國體制，設立科技重大專項，合理有序地推進青藏高原多年凍土區天然氣水合物的開發研究。

4.2 加大我國天然氣水合物開發研究的投入力度

國外天然氣水合物開發利用的經驗表明，天然氣水合物的開發利用是一項長期的科技攻關工程，必須保證足夠多的經費投入和足夠長的科研周期才能成功。

目前，我國天然氣水合物的研究在國家調查專項、“863”計劃、“973”計劃、自然科學基金等項目的支持下已經開展了卓有成效的工作，但經費投入力度與天然氣水合物開發強國相比仍存在很大差距。

建議在青藏高原天然氣水合物開發研究國家規劃的框架下，成立專門基金以加大我國天然氣水合物開發研究的投入力度，充分發揮財政資金的引導作用，采取稅收優惠等手段吸引民間資本和社會企業向天然氣水合物研究投資。推進我國各主要能源企業（特別是三大石油公司）開展天然氣水合物的商業研究，努力使企業成為青藏高原天然氣水合物開發研究的創新主體。

4.3 以國家實驗室形式建立國家級研發基地

目前，我國天然氣水合物的研究是通過分散在全國各地的研究力量進行的，數據、樣品、研究成果難以共享，往往增加了各自研究的難度并造成研究工作的重復和低效。另外，天然氣水合物的開發研究是一個龐大的系統工程，涉及工程熱物理、化工、化學、物理、地質、地球物理、環境等多門學科，需要不同學術背景的科研人員、技術人員和管理人員協同作戰方能完成。

考慮青海省得天獨厚的地理和區位優勢，建議依托中國科學院、中國地質科學院、大學和企業的研究力量，在西寧組建青藏高原多年凍土區天然氣水合物國家實驗室，作為長期進行天然氣水合物開發利用的研發基地。以“小核心、大網絡”的組織形式，整合全國現有研發資源，匯聚全國天然氣水合物研究的優秀人才，進行優勢互補、資源共享，盡快完成天然氣水合物勘探、開采、環境評價等工作的基礎研究和應用基礎研究，為以后的商業開采奠定堅實的基礎。同時，在國家實驗室的框架下，培養一支國家級的、具有國際競爭力的天然氣水合物研究隊伍，全面提高我國天然氣水合物開發利用的自主創新能力，確保我國后續能源的安全供給。

［1］江澤民.對中國能源問題的思考［J］.上海交通大學學報，2008，42（3）：345-359.

［2］ 王宏語，紀云龍.認識一種新興資源——天然氣水合物［J］.資源.產業，2005，7（1）：59-63.

［3］張俊霞，任建業.天然氣水合物研究中的幾個重要問題［J］.地質科技情報，2001，21（1）：44-48.

［4］樊栓獅.天然氣水合物開發利用面臨的問題及應對策略［J］.中外能源，2007，12（4）：9-12.

［5］吳必豪，張光學，祝有海等.中國近海天然氣水合物的研究進展［J］.地學前緣（中國地質大學，北京），2003，10（1）：177-189.

［6］許紅，黃君權，夏斌等.最新國際天然氣水合物研究現狀及資源潛力評估（下）［J］.天然氣工業，2005，25（6）：1-6.

［7］盧振權，Sultan Nabil，金春爽等.青藏高原多年凍土區天然氣水合物形成條件模擬研究 ［J］.地球物理學報，2009，52（1）：157-168.

（責任編輯 胡瓊靜）

Strengthening Development and Research of Natural Gas Hydrates in Qinghai-Tibet Plateau Permafrost

Meng Hong
（Chinese Academy of Science and Technology for Development,Beijing 100038,China）

Due to its little pollution,large reserves,wide distribution,high energy density,natural gas hydrate(NGH)has been known as a future strategic energy to succeed and attracted the world’s high attention.Although NGH samples has been achieved in the South China Sea and Qinghai-Tibet Plateau permafrost,the technology gap of China remains large compared to the NGH dominant countries.In view of the lower cost,higher safety factor and smaller impact on the environment of exploiting NGH in land than in sea,this paper proposes China to firstly choose the Qinghai-Tibet Plateau permafrost to deploy the development of NGH,and to take some measures to strengthen its development research,such as making national plan,increasing investment,establishing R&D base.

natural gas hydrate;Qinghai-Tibet Plateau;development research

TE99

A

國家軟科學研究計劃（2008GXS3K046）。

2010-10-13

孟弘（1979－），男，博士，中國科學技術發展戰略研究院助理研究員；研究方向：科技預測與評價、資源與環境科技、技術路線圖。