天然氣水合物勘探開發(fā)技術發(fā)展綜述

李麗松 苗 琦

1.中國煤炭地質總局勘查總院，北京 100039；2.中國煤炭地質總局，北京 100038

0 前言

天然氣水合物又稱“可燃冰”，是水和天然氣在高壓低溫環(huán)境條件下形成的冰態(tài)、籠形化合物［1］，它是自然界中天然氣存在的一種特殊形式，主要分布在水深大于300 m 的海洋及陸地永久凍土帶，其中海洋天然氣水合物資源是全球性的，其資源量是陸地凍土帶的100 倍以上。天然氣水合物的顯著特點是分布廣、儲量大，1 m3天然氣水合物可釋放出164 m3CH4和0.8 m3H2O。據估計，全球天然氣水合物的資源總量換算成CH4氣體約為1.8×1016～2.1×1016m3，有機碳儲量相當于全球已探明礦物燃料（煤炭、石油和天然氣等）的2 倍［2］。因此，天然氣水合物，特別是海洋天然氣水合物被普遍認為將是二十一世紀替代煤炭、石油和天然氣的新型清潔能源，其研究受到了世界各國高度重視。

1 國際天然氣水合物勘探開發(fā)技術

1.1 研究歷程

水合物的研究歷史最早可追朔到1810 年，截止目前，其相關研究歷程大致可分為三個主要階段：

第一階段（1810-1934 年），最初學者們對水合物的研究源于學術興趣，主要為確定何種物質能形成水合物及其所需溫度和壓力條件等［3］。

第二階段（1934-1965 年），水合物研究快速發(fā)展，1934 年Hammerschmidt［4］用實驗確認了堵塞天然氣管道的固體物質是天然氣與水形成的水合物。當時正值美國油氣工業(yè)高速發(fā)展時期，為了在管道輸送和加工過程中抑制水合物生成，一些研究機構相繼開始對水合物進行深入研究，從而使得水合物的研究逐漸走向實際應用。

第三階段（1965-），1965 年Makogon［5］等蘇聯研究人員在西伯利亞永凍土層中發(fā)現了天然氣水合物，此后在全球其它許多地方又陸續(xù)發(fā)現了天然氣水合物存在的證據。據估計，以天然氣水合物形式存在于地層中的CH4貯藏量至少相當于已探明的礦物燃料總儲存量的2倍。在傳統石油能源日益枯竭之際，這對全世界而言無疑是一個巨大喜訊。天然氣水合物在能源開發(fā)利用方面展現出的廣闊前景引起了許多國家的高度重視，吸引著世界各國在勘探、試采、配套技術、環(huán)境影響等方面不斷深入研究,特別是進入二十一世紀以來，美國、加拿大、德國、挪威以及我國周邊的日本、印度、韓國、越南等國家都制定了天然氣水合物長期研究計劃，一陸三海的格局初步形成。

國際天然氣水合物資源的勘探和開發(fā)技術發(fā)展狀況：

a）初步取樣調查階段（1968-1980 年）。1968 年，以美國為首的深海鉆探計劃（DSDP）開始實施，主要目的是開展天然氣水合物資源普查。隨后，世界上許多國家都將天然氣水合物列入國家重點發(fā)展戰(zhàn)略，并從能源儲備戰(zhàn)略角度考慮，作為政府行為，投入巨大的人力和物力資源進行，相繼開展本國專屬經濟區(qū)和國際海底區(qū)域內的水合物資源調查、評價和進行有關天然氣水合物的基礎研究。

b）大規(guī)模鉆探階段（1980-1990 年）。1985 年，作為DSDP 計劃的延續(xù)，一個規(guī)模更大、多國合作的大洋鉆探計劃（ODP）正式實施。至20 世紀90 年代中期，以DSDP 和ODP 兩大計劃為標志，美國、俄羅斯、荷蘭、德國、加拿大、日本等諸多國家探測天然氣水合物的目標和范圍已覆蓋了世界上幾乎所有大洋陸緣的重要潛在遠景地區(qū)以及高緯度極地永久凍土地帶。其中有23 個站位通過鉆孔直接找到了天然氣水合物存在的證據，其它地區(qū)則是通過收集地震數據進行預測。在這一時期，天然氣水合物研究和普查勘探被推向一個嶄新階段，天然氣水合物資源開發(fā)及其商業(yè)化成為重要研究目標。 1993 年，第一屆天然氣水合物國際會議召開，拉開了一個水合物發(fā)展的契機，隨后該會每3 年召開1 次，2014 年的會議將在北京召開。

c）取樣階段（2000-）。自2000 年開始，天然氣水合物資源的研究進入了大規(guī)模發(fā)展階段。這一時期，眾多國家進行了天然氣水合物鉆探并取得了樣品。1998年加拿大Mallik 地區(qū)成功取樣，2006 年印度獲取巖心，2007 年中國獲取海域巖心，2008 年韓國獲取海域巖心，2009 年中國獲取凍土巖心，2011 年日本成功鉆探取樣，2012 年日本開始進行海域試采準備。

1.2 部分國家發(fā)展規(guī)劃

隨著深海鉆探計劃、大洋鉆探計劃的進行和水合物巖心、樣品的取得，許多國家都將天然氣水合物列入國家重點發(fā)展戰(zhàn)略，制定了國家級的水合物研究計劃，一個深入展開的天然氣水合物研究熱潮正在全球掀起。

1.2.1 美國研究計劃及進展

20 世紀90 年代，美國地質調查局和能源部開展了全美天然氣水合物研究計劃。2000 年美國參議院通過了天然氣水合物研究與開發(fā)法案（S.330 法案)，圍繞天然氣水合物的資源特征、開發(fā)、全球碳循環(huán)、安全及海底穩(wěn)定性4 個主題，制定了長達10 年(2001-2010 年)的詳細計劃。2005 年，美國對上述計劃進行了重新審定，決定大幅度增加天然氣水合物調查研究和開發(fā)的資金投入，此后，美國進行了多次取樣和試采試驗。目前，受到頁巖氣迅速發(fā)展的影響，美國放慢了天然氣水合物研究的腳步。

1.2.2 加拿大研究計劃及進展

加拿大政府非常重視對其海洋天然氣水合物和北極加拿大地區(qū)凍土區(qū)天然氣水合物的研究。1972 年，加拿大帝國石油公司在Mallik 地區(qū)鉆Mallik L-38 井時，就注意到了天然氣水合物的存在。1998 年，加拿大與日本合作，在西北Mackenzie 三角洲進行了水合物鉆探和取樣。隨后在2002 年和2008 年又2 次在該地區(qū)進行了試采，這一時期，加拿大的水合物研究處于一個蓬勃發(fā)展的快速階段。目前，受美國頁巖氣快速發(fā)展的影響，加上自身油氣資源豐富，加拿大水合物發(fā)展計劃有所擱置。

1.2.3 歐洲等國研究計劃及進展

2000 年，德國正式推出長達15 年的《地球工程學—地球系統：從過程認識到地球管理》大型研究計劃，并于2000-2003 年完成了該計劃下的“地質系統中的天然氣水合物”項目。2004-2007 年，德國設立了“地質—生物系統中的甲烷”項目，下設黑海和墨西哥灣海底甲烷噴溢研究、天然氣水合物特征研究、天然氣水合物中微生物的循環(huán)和代謝作用研究、海洋含天然氣水合物沉積物中甲烷通量的控制因素及其氣候效應研究等項目。

1.2.4 俄羅斯研究計劃及進展

俄羅斯很早就開始涉足天然氣水合物研究。早在20 世紀30 年代，為了預防和疏通西伯利亞油氣管道的水合物堵塞，保障油氣管道暢通，蘇聯科學家開始對水合物的結構和形成條件進行研究。20 世紀70、80 年代，蘇聯在其周圍海域和內陸海中開展了大量的天然氣水合物調查與研究工作。但二十世紀末和二十一世紀初，當全球掀起新一輪水合物研究熱潮時，由于自身經濟發(fā)展緩慢，加上本土擁有相對豐富的常規(guī)油氣資源，俄羅斯僅在巴倫支海和鄂霍茨克海等海域進行了少量的天然氣水合物調查與研究。

值得一提的是，蘇聯的麥索亞哈氣田被公認為是對天然氣水合物進行開采的最早實例，為其后水合物的商業(yè)開發(fā)積累了寶貴經驗。

1.2.5 日本研究計劃及進展

日本于2000 年開始 “二十一世紀天然氣水合物研究開發(fā)計劃（MH21，2001-2016 年)”，該計劃歷時15年，分三階段實施，涵蓋了天然氣水合物藏勘探、開發(fā)、環(huán)境影響、海上開采工程方案以及價值化研究等各個方面。計劃第一階段（2001-2006 年）確定天然氣水合物富集區(qū)，研究天然氣水合物開發(fā)方案、鉆完井技術以及開采模擬技術，評價天然氣水合物開發(fā)對環(huán)境影響；第二階段（2007-2011 年）進行海上開發(fā)試驗、技術和經濟評估；第三階段（2012-2016 年）進入商業(yè)開采。該計劃目前正逐步實施，但進度有所推遲， 2013 年1 月，日本進行了海上天然氣水合物試采。

1.2.6 韓國研究計劃及進展

2005 年韓國政府啟動了“天然氣水合物開發(fā)十年計劃”， 制定了“三步走”方針，采取了多部門聯合、國內外合作的技術思路，計劃通過10 年時間，最終在2015 年實現天然氣水合物的商業(yè)性試采。

1.2.7 印度研究計劃及進展

1995 年，印度地質調查局對其海域進行了有關天然氣水合物的地質、地球化學和地震資料的初勘與復勘。在此基礎上，印度科學和工業(yè)委員會于2001 年啟動了國家天然氣水合物研究開發(fā)5 年計劃，對其周邊海域的天然氣水合物進行前期調查研究。其后，印度政府又擬定一項新的計劃，共分為兩個階段，第一階段旨在進行一項深度超過600 m 的深水勘探，第二階段將鉆2 口或更多的勘探井。

1.2.8 澳大利亞研究計劃及進展

澳大利亞通過與法國合作，利用地震反射勘探技術，于1998 年繪制了Tasman 海BSR 的分布范圍。在該海域，水合物分布在水深1 500～3 000 m 處，水合物礦藏厚200 m 左右，位于海底以下400～600 m，證明該海域天然氣水合物資源量巨大。

1.3 代表性天然氣水合物利用現場試驗

隨著水合物勘探成果的取得，一些較大型的水合物現場試采試驗逐步得以實施，特別是加拿大凍土帶Mallik 試采項目、BP 牽頭的阿拉斯加熱冰計劃、雪佛龍為首的墨西哥灣深水水合物試采項目，這三個試驗性開采工業(yè)聯合項目吸引了諸多國家的研究機構參與，許多新技術在這些項目中得以呈現、驗證和發(fā)展。

1.3.1 蘇聯麥索亞哈工業(yè)開采

1969 年，蘇聯在西伯利亞地區(qū)開發(fā)麥索亞哈氣田時，無意中利用降壓法和注劑法成功開采了世界上第一個天然氣水合物藏。最后的分析結果表明，在17年的生產過程中，從該天然氣水合物藏中共生產出約30×108m3天然氣，占氣田總產量的36%。此后，從20世紀70 年代開始，蘇聯緊跟美國步伐，在其周圍海域和內陸海中開展天然氣水合物調查與研究工作。

1.3.2 加拿大Mallik 試采

1998 年，日本為了國內的水合物藏開采項目立項提供依據，資助加拿大在Mallik 地區(qū)進行了1 次水合物藏鉆探。鉆井位為2L-38，鉆井深度1 150 m，發(fā)現水合物分布在897～1 110 m 間，以3 個水合物藏帶的形式存在，總厚度約110 m。

2002 年，日本又聯合加拿大、美國、德國和印度等國在Mallik 地區(qū)進行了水合物試采，共鉆3 口探井，其中1 口生產井，2 口觀察井，實驗采用的是注熱和降壓聯合的方法。在約5 d 的開采時間內，共產氣516 m3，開采的水合物層厚度13 m。根據試采方案設計，2口觀察井位于生產井兩邊各40 m 處，用于監(jiān)測試采過程中地層參數的變化，為水合物開采過程中地質災害的研究提供基礎數據。

2007-2008 年，日本聯合加拿大再一次在Mallik地區(qū)利用降壓法進行了水合物試開采。生產時間為2008 年3 月10-16 日，為了實驗研究，產氣速率控制在2 000～4 000 m3/d 的范圍內。在約6 d 的開采時間內，總產氣量為13 000 m3，水合物藏的開采層厚度12 m。Mallik 項目的成功實施證明了天然氣水合物藏開發(fā)的可實現性，在天然氣水合物開發(fā)利用史上具有里程碑意義。

1.3.3 美國阿拉斯加試采

為了確定阿拉斯加北坡水合物資源特征和資源量，研究有效的水合物開采方法，使水合物能夠真正成為替代能源，從2001 年開始，美國能源部和BP 石油公司在阿拉斯加北坡進行了數年的水合物研究［6］。BP 石油公司將該研究分為三個階段，各階段計劃主要工作如下：

第一階段（2003-2004 年）：主要集中于實驗室開采模擬研究。

第二階段（2005 年）：對阿拉斯加北坡的水合物資源量進行評估，并進行后期的野外試采計劃工作。

第三a 階段（2006-2008 年）：獲取進行試采需要的數據，包括鉆井，取樣和樣品分析等。

第三b 階段（2009 年-）：進行長期試采。

最終，BP石油公司完成了該計劃第三a階段的工作，在阿拉斯加北坡的Milne Point Unit 進行了水合物鉆井取樣，選定了4 個長期水合物試采地點，但并沒有進行第三b 階段計劃的長期試采工作，而是將第三b 階段的工作轉讓給了康菲石油公司。

2008 年10 月1 日-2013 年6 月30 日，康菲石油公司接替BP 石油公司，在阿拉斯加北坡的普拉德霍灣（Prudhoe Bay Unit）進行了利用CO2氣體置換開采甲烷水合物和降壓開采水合物的實驗，實驗目的是評估水合物生產方法的可行性以及了解其在現場應用中的意義。

在試采實驗中，注入的氣體為N2和CO2的混合氣體。總的氣體注入體積為6 113.64 m3，其中N2氣4 737.43 m3，CO2氣體1 376. 21 m3。在注氣開采水合物試驗中，最終結果顯示，總注氣量中，大約70 %的N2氣被回收，CO2的回收率約40 %，在約1 個月的試開采時間內，總共生產獲得的甲烷氣體約24 211.04 m3，同時有180.70 m3水伴隨氣體產出，并有10.65 m3的砂產生。

1.3.4 美國墨西哥彎聯合工業(yè)項目

2003 年，美國能源部聯合美國地質調查局等部門，在墨西哥灣黏土地帶開展了第一期水合物聯合工業(yè)發(fā)展計劃（Gulf of Mexico Gas Hydrate Joint Industry Project (JIP) Leg I）。該計劃主要目的是為了取得在墨西哥灣鉆井所需的基礎數據、鉆取水合物樣品、確定井的穩(wěn)定性，為進一步的水合物藏試采工作打好基礎，同時分析水合物藏開采存在的風險。2005 年，該項目結束，在為期35 d 的海上作業(yè)過程中，共進行了7 次鉆井取樣，其中最深的井達到海底泥土線494 m 以下，整個項目基本達到了試驗目的。在此后的總結工作中，研究者們根據試驗結果為下一步的勘探工作提出了指導性的意見。

2009 年5 月6 日，GOM-JIP Leg II 計劃正式啟動，這一次項目的主要目的是為了證明在墨西哥灣地區(qū)存在高飽和度的水合物藏。在3 個鉆井位共鉆7 口探井，鉆井結果表明至少在其中的2 個鉆井位發(fā)現了高飽和度的水合物藏，鉆取的樣品中水合物的飽和度最低50%，最高90%。這一發(fā)現證明了水合物作為未來石油接替能源的可能，為水合物的發(fā)展提供了廣闊的前景。此外，該次鉆井的結果與第一次鉆井后的預測結果基本相吻合，證實了第一次鉆井后提出的水合物藏發(fā)展理論。

GOM-JIP Leg II還試驗了一些新的水合物勘探技術，如鉆井過程中的水合物沉積物三維圖像現場演示技術等。GOM-JIP Leg II 項目總計在海上作業(yè)21 d，共花費1 120 萬美元。目前，GOM-JIP Leg III 正在實施。

1.3.5 日本愛知海試采

2013 年1 月，日本在愛知縣沿岸海域開展了可燃冰鉆井和試采測試，試采處水深約1 000 m，水合物水底埋深約300 m，共鉆井4口，其中1口鉆井用作實際生產試驗，其余則監(jiān)察生產前后周圍環(huán)境及溫度變化，收集數據。

試采采用降低地層壓力的方法，將混合著沙粒以固體形態(tài)存在的可燃冰分解為H2O 和CH4氣體，并收集CH4氣體，整個海上試采共采集到12×104m3氣體。

日本經濟產業(yè)省早前于東部海域一帶進行調查時發(fā)現，該處海底蘊藏最少1.1×1012m3的水合物，約等于日本14 a 的天然氣消耗量。

福島核事故后，日本再次肯定了水合物等替代能源的重要性。

1.4 發(fā)展趨勢

當前國際上天然氣水合物開發(fā)技術研究趨勢總體表現為：

a）多個國際性、綜合性天然氣水合物試采研究計劃的實施，帶動天然氣水合物技術的重大突破。目前眾多國家都加入了GOM-JIP 等項目，在這些項目中，各國可用共同出資的方式進行水合物試采技術探索，分攤前期研究成本，共同分享最新的水合物試采技術。

b）以天然氣水合物勘探、試采和商業(yè)開發(fā)為核心的高技術交叉領域快速發(fā)展，找礦方法上呈現出多學科、多方法的綜合性調查研究。美國、加拿大、日本及印度等國已初步圈定了鄰近海域的天然氣水合物分布范圍，廣泛開展了勘探技術、經濟評價、環(huán)境效應等方面的研究。 c）天然氣水合物勘探和監(jiān)測向高分辨、大尺度、實時化、立體化發(fā)展，目前大型、可視開采模擬裝置成為物理模擬的主要手段，室內模擬、數值模擬與試采、工業(yè)開發(fā)計劃正在逐步實施。天然氣水合物開采技術研究呈多元化，在傳統的加熱、注劑、降壓開采方法逐步深入的同時，開始探索CO2置換、電磁加熱等新開采方法。 d）與水合物相關的其它技術得以迅速發(fā)展。水合物在油氣儲運、深水淺層沉積物中的分解可能導致的海底滑坡、海上結構物不穩(wěn)定、環(huán)境影響等方面的研究逐步引起重視。

2 國內天然氣水合物勘探開發(fā)技術

國內對天然氣水合物利用的研究起步較晚，1990年才由中國科學院蘭州冰川凍土研究所與莫斯科大學合作，進行天然氣水合物人工合成實驗并取得成功，此后的近十年內，主要是對國外資料、文獻進行調研和跟蹤分析，有部分學者開始了基礎理論研究和對我國天然氣水合物資源遠景進行預測。

2.1 成藏機理研究進展

2008 年9 月，我國啟動973 項目“南海天然氣水合物富集規(guī)律與開采基礎研究”，項目為期5a，從氣源、熱力學條件和地質條件等角度分析了我國水合物成藏機理［6］。目的是針對南海天然氣水合物成藏規(guī)律進行詳盡研究，其研究成果最終匯集成了一本專集，獲得了國內外同行認同。

2.2 勘探技術研究進展

1999 年，廣州海洋地質調查局在南海北部陸坡區(qū)開展了天然氣水合物資源調查，總工作量為：高分辨率多道地震調查4 470 km，海底淺表層地質取樣138 站位，海底攝像59 站位，淺層剖面2 100 km，并取得了豐碩成果，發(fā)現了水合物存在的地質、地球物理和地球化學異常標志，初步證實我國海域存在天然氣水合物。

2002 年，我國啟動118 專項“天然氣水含物資源調查項目”對水合物資源調查關鍵技術進行研究。2006 年12 月，國家啟動863 計劃“天然氣水合物勘探開發(fā)關鍵技術研究”重大專項，項目為期5a，下設7 個子課題，包括了天然氣水合物的勘探、成藏、取心和開采等主要方面的內容。

此研究分別在海上和陸上取得了真實的水合物樣品，成為我國的水合物資源勘探標志性的成果。2007 年5 月，國土資源部在南海神狐海槽成功鉆探取樣得到天然氣水合物巖心，取樣處水深1 800 m，水合物藏埋深300 m，水合物藏的測量厚度分布在18～34 m 的范圍內，測得的水合物飽和度分布范圍為20%～45%，水合物分解氣99%為CH4。最終在西沙海槽、東沙海域、神狐海域和瓊東南海域圈定了數個有利的天然氣水合物資源遠景區(qū)。2008-2009 年，中國地質調查局組織中國地質科學院礦產資源研究所、勘探技術研究所和青海煤炭地質105 勘探隊等單位，在祁連山木里地區(qū)開始施工“祁連山凍土區(qū)水合物科學鉆探工程”并取得水合物樣品。

2.3 開采技術研究進展

隨著勘探技術的發(fā)展，我國水合物開采技術研究也取得了飛速進步。中國石油大學（北京）建立的水合物成藏實驗裝置體積近200 L (φ500 ×1 200 mm)，操作壓力可達32 MPa，除溫度、壓力等常規(guī)因素外，也將供氣方式、地溫梯度、流量、擾動、地質構造等因素納入水合物成藏考察范圍，同時可用聲、電、熱聯合探測水合物空間分布，可模擬多種成藏模式及演化過程。中科院廣州能源研究所建立的水合物開發(fā)研究裝置有效體積117.8 L（φ500×600 mm），模擬開采儲層壓力達到30 MPa，溫度范圍為-15 ～190 ℃，布置了4 個可視窗口并配備高精度數碼相機和3根光纖探針實現可視化，144 個溫度和6 個濃度分布探測器，用于測定水合物開采過程的動態(tài)變化特征。

軟件方面，開發(fā)了天然氣水合物藏開采模擬軟件，軟件可用于降壓、注熱、電磁加熱、注劑和聯合開采等不同開采方法的模擬研究，適用于多孔介質和裂縫結構等復雜地質條件，并可應用于井網部署的模擬，為天然氣水合物藏開采提供了手段。

在天然氣水合物開采過程中風險和防控技術方面，部分研究者重點關注了海上開采過程中水合物無序分解導致氣體溶解、擴散、上升和逸出海面時可能引起的海水和大氣變化，建立了相應的計算模型。同時，海上水合物分解觸發(fā)的地質滑塌對油氣設施帶來的破壞也是一個重點研究對象。

我國天然氣水合物資源利用技術研究雖取得了迅速發(fā)展，但整體還是落后于發(fā)達國家，目前尚處于取樣階段，還未開展現場試采試驗。

3 天然氣水合物資源利用展望及建議

自然界存在的天然氣水合物具有豐富的資源量。但由于該領域科學技術發(fā)展的有限性，目前，人類對于這一資源的認識和評估還處在于起步階段，利用價值還有待進一步研究。一方面，除受本領域技術發(fā)展限制外，還受石油、天然氣、頁巖氣、煤層氣、油砂等其它能源發(fā)展情況和各國自身國情的影響；另一方面，天然氣水合物藏利用的經濟性和導致的氣候環(huán)境和工程地質災害等問題，都是必須面對的重大問題。只有結合自身國情，綜合考慮各種能源的發(fā)展現狀，真正確認天然氣水合物資源具有工業(yè)開采經濟價值時，這一能源才能為人類的發(fā)展做出貢獻。

我國對于天然氣水合物這一前景還不清晰的資源，建議目前采取策略是：

a）密切關注國外天然氣水合物利用研究的最新現狀和趨勢的同時做好基礎技術儲備，一旦天然氣水合物經濟開采技術取得突破，可迅速投入該領域。

b）加入國際天然氣水合物JIP 發(fā)展項目，以較小的成本，分享國際最新研究成果，為天然氣水合物利用奠定基礎。

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