世界天然氣水合物發展前景

孫浩源 張連梓

俄羅斯人民友誼大學礦產資源利用及石油天然氣工程學院，俄羅斯·莫斯科 117198

1 引言

自20世紀中葉以來，人類正處于能源危機的邊緣，這主要與礦物儲量枯竭以及從深處開采礦物而導致的成本增加有關。因此，新型礦物，包括非常規氣體、氣體水合物等，正變得特別重要。論文主要研究世界上生產和使用氣體水合物的前景及相關問題。

根據國際能源署（IEA）的資料顯示，已探明的天然氣世界儲量的范圍從177 到213 萬億立方米，而非常規天然氣，包括預測的世界天然氣水合物資源，為920 萬億立方米，理論上他們可以持續使用250年[1]。

天然氣水合物的生產和使用前景主要與能源依賴強度較大的國家有關，這些國家的自然條件適宜，人口密度低。目前天然氣水合物的生產技術需要很大的支持，并符合高標準的環境要求。因此，從理論和實踐的角度來看，天然氣水合物的開采和使用具有特別的現實意義。

近年來，石油和天然氣行業的科學家和專家越來越多地討論開發天然氣水合物礦床的前景。當然，這種趨勢許多經濟上存在合理性的論點，但它也具有實施層面上的某些局限性，以及由此引發重大的環境威脅，這使得科學界有必要加強進一步的研究以解決現存問題。

2 世界非常規天然氣產量預測

天然氣，包括非常規天然氣（天然氣水合物），是全球能源市場穩定發展的重要組成部分，它是一種全燃燒燃料，實用且分布廣泛。當用于發電時，氣體產生的二氧化碳排放量比煤炭少50%～70%[2]。天然氣也可以作為汽車的發動機燃料在氣體或液化狀態下，通過冷卻或化學處理獲得。

與其他任何電力來源相比，燃氣發電廠的建造成本要低得多，在相同的能源容量下，他們建設的成本幾乎比燃煤電廠的相應成本低一半，比核電站低1/3 以上，約占建設風電場成本的15%。

美國曾是世界上第一個在天然氣水合物領域實施天然氣生產，運輸和儲存項目等方面，獨立克服重大技術，環境和經濟問題的國家。這使其當時能夠在天然氣生產中占據世界領導者的地位，并幾乎完全用自己的資源滿足國內需求[3]。特別是美國國會早在20世紀90年代通過了一項關于天然氣水合物勘探，儲備評估和天然氣水合物開發技術領域基礎研究的法案，美國的成功經驗和世界大多數地區預計天然氣水合物儲量的指標表明了發展這種能源供應的真正機會已經到來。因此，解決世界不同國家（如日本、俄羅斯、中國、印度、韓國、英國）的天然氣水合物問題具有重大的戰略意義，如在今天的俄羅斯，“俄羅斯天然氣工業公司”的長期天然氣水合物計劃，各種研究機構的員工參與其中。又如自1995年以來，在日本“天然氣水合物研究和研究計劃”開始實施。

在非常規氣體類型中，今天天然氣水合物可以被認為是最有前途的氣體燃料類型之一。世界各地的生產技術發展如此迅速，以至于天然氣價格的快速降低將迫使許多國家重新考慮其戰略發展方向，甚至可能影響地緣政治的方向。圖1顯示了世界非常規天然氣產量的預測[4]。

圖1 到2030年世界非常規天然氣產量預測（億立方米）

根據國際能源署（IEA）基線情景，計劃將非常規天然氣的產量（主要是由于技術的改進）從2016年4670 億立方米增加到2030年9400 億，非常規天然氣在全球天然氣總產量中的份額將從12%增加到15%[5]，美國和加拿大在產量方面繼續占據主導地位。非常規來源的天然氣在美國總產量中的份額將從2015年的63%增加到2030年的約79%。歐洲國家發展天然氣水合物的主要原因誘因是他們希望減少對傳統天然氣進口的依賴，預計將從2016年的65%增加到2030年90%。

3 世界各種重視天然氣水合物發展的因素

近年來，對天然氣水合物的重視有以下原因可以通過以下因素來解釋：

①在能源資源匱乏的國家尋找傳統烴類燃料烴原料的替代品。

②研究天然氣水合物形成的規律性，以證明傳統烴類礦床的搜索和勘探（天然水合物可能是傳統油氣田的先兆。

③需要評估氣體水合物在地球圈中的作用，特別是其可能對全球氣候變化的影響有關。

④向節能和環保技術的過渡，降低運營成本以紡織工業氣體生產系統中的水合物形成的可行性。

⑤在天然氣的生產，儲存和運輸中使用天然氣水合物技術的可能性。

與此同時，應該指出的是，氣體天然氣水合物的開發存在許多重大困難，即：

①從地質學和生產成本的角度來看，對礦床的了解不足。

②對資源有限的物理調查和了解（分布分散，深度大），嚴重違反了地下巖石圈的完整性。

此外，與傳統天然氣相比，天然氣水合物的提取與由于以下原因而產生的額外成本相關：

①大面積的礦藏高達12 萬平方公里。只在高生產力地區開發是具有成本效益的，這些地區占總面積的10%～20%。

②需要建造大量井（比傳統天然氣大多50～100 倍），其成本通常高于傳統井；為了證明該地區的經濟可行性，需要鉆10～20 個勘探井。

③需要吸引30年或更長時間的重大投資；初始投資的投資回收期長（15～20年），需要不斷的技術優化和成本降低。

④為每個含氣地層開發單獨的技術解決方案。

圖2顯示了氣田儲量的金字塔，清楚地顯示了獲取和提取天然氣水合物的困難。

圖2 氣田儲量的金字塔

4 天然氣水合物發展過程中的環境影響

隨著天然氣水合物生產的經濟和生產問題的深入，應特別注意環境威脅。

環保人士認為，天然氣水合物礦床的發展會導致負面后果，因為甲烷從礦床釋放到大氣中會進一步增強溫室效應。如果甲烷從氣體水合物從水下大量進入大氣中，溫室效應和臭氧層的破壞過程將比二氧化碳快20 倍。

科學家們正在廣泛討論天然氣水合物釋放后可能的假設，當溫度上升，由于全球變暖所謂的“包合槍”假說。甲烷的釋放將導致進一步變暖，甚至更多的甲烷釋放，這一進程將是不可能停止的。在西伯利亞北極地區進行的研究表明，已經有數百萬噸的甲烷在那里釋放，其在某些地區的濃度達到比正常值高一百倍的值，天然氣水合物開采的負面后果的例子是研究勘探期間的事故。例如，在1989年，佐賀石油公司，鉆井在挪威海的北部，因為這個原因遭受重大損失[6]。根據一些研究人員的說法，正是由于海洋底部沉積物中氣體水合物的積累釋放了大量氣體，導致北部和里海的生產平臺被破壞，因為這個原因遭受了重大損失[7]。

5 結語

因為世界上巨大的天然氣水合物資源的開發具有顯著的前景，這種類型的非常規天然氣是傳統油田天然氣的重要競爭對手，但由于缺乏技術和需要大量投資，大規模量生產天然氣水合物仍然沒有進行。開發天然氣水合物礦床的成本顯著高于傳統天然氣，因為鉆井作業，土地征用和高環境確保符合高環保要求的成本很高。

與此同時，盡管存在許多所有困難，但在能源需求不斷增長和傳統生產成本增加的條件下，這一天然氣供應領域具有巨大的發展潛力。

此外，為了防止天然氣水合物礦床開發過程中的環境災難，建議制定勘探和生產天然氣水合物的環境安全計劃，特別是通過使用納米技術。