廣東省天然氣水合物技術發展現狀及對策

□文/楊 含 莫煒程

（廣東省海洋發展規劃研究中心 廣東·廣州）

［提要］天然氣水合物作為一種潛在的新能源，世界主要科技大國紛紛投入巨資開展勘查與試采工作，國際競爭態勢日趨激烈。本文重點分析國內外天然氣水合物勘查與試采現狀，以及廣東省天然氣水合物技術發展現狀及存在問題，并提出廣東省天然氣水合物產業化發展建議。

一、天然氣水合物發展背景及戰略意義

（一）發展背景。天然氣水合物發展儲量豐富，資源發展潛力大，國際開發競爭力強勁。天然氣水合物是賦存于自然界的固態結晶物質，外觀多呈白色或淺灰色，也稱“可燃冰”。據統計，全球天然氣水合物的資源量大約為2.0×1，016m3，大約是已知煤炭、石油和天然氣有機碳總量的2倍。全球98%的天然氣水合物賦存于海洋中，我國海域天然氣水合物資源量約為800億噸油當量，其中南海約為744億噸油當量。1立方米天然氣水合物在標準狀態下分解可釋放160～180m3甲烷氣體，其能量密度是常規天然氣的2倍，且燃燒排放的二氧化碳氣體較少，溫室效應低于常規天然氣，是最有可能接替煤炭、石油的一種低碳新能源。因此，開發利用天然氣水合物是未來全球能源發展的戰略制高點。世界上各主要國家競相搶占天然氣水合物的開發利用先機，美國、日本、韓國、印度等國家都將天然氣水合物列入國家重點能源發展戰略，并投入巨資開展勘查與試采工作，國際競爭態勢日趨激烈。

（二）戰略意義。加快實現天然氣水合物產業化是改變全球能源供需格局、保障我國能源安全的重要選擇。《世界能源發展報告2018》指出，全球能源正在向高效、清潔、多元化的特征方向加速轉型推進，全球能源供需格局正進入深刻調整的階段。我國天然氣水合物勘探開發工作進入新的發展階段，先后于2017年、2020年在廣東省神狐海域天然氣水合物兩次試采成功，創造了持續產氣時長、產氣總量兩項世界紀錄，實現了天然氣水合物勘查開發理論、技術、工程、裝備的自主創新，多個領域實現了從跟跑到領跑的轉變，搶占了全球天然氣水合物科技創新制高點，有可能成為繼美國引領“頁巖氣革命”之后，引領“天然氣水合物革命”的國家，由此大大加劇了國際天然氣水合物勘探開發競爭態勢。世界各國紛紛制定了天然氣水合物勘探試采研究計劃，其中日本在新一期海洋能源礦產資源開發計劃中擬定了2022年前開展海上試驗，2027年正式商業開采的戰略目標；美、日于2019年1月聯合在阿拉斯加凍土帶實施監測井鉆探；印度也啟動了天然氣水合物試采計劃。同時，全球學術界也加大了對天然氣水合物勘查試采技術的研究力度。

加快實現天然氣水合物產業化是推動我國能源結構調整、實現高質量發展的重要途徑。我國現有能源消費結構仍以化石能源為主，能源轉型發展戰略應以保障國家能源安全為核心，繼續進行能源消費總量和強度雙控制，把清潔低碳能源作為發展的主導方向，有序推進能源生產供給和消費多元化、清潔化、高效化。2017年11月3日，我國政府正式批準將天然氣水合物列為新礦種，成為第173個礦種，標志著天然氣水合物礦業權市場進一步放開，通過法律確立了天然氣水合物在我國能源生產中的重要地位。天然氣水合物產業化具有豐富的商業價值，根據我國初步預測的天然氣水合物遠景資源量，15%能實現商業化生產，按照目前我國每年的能源消耗量可滿足我國使用150多年。目前，我國天然氣水合物勘探開發工作已進入新的發展階段，加速天然氣水合物產業化進程對實現我國經濟高質量發展具有重要意義。

加快實現天然氣水合物產業化是培育廣東現代海洋產業、促進海洋經濟高質量發展的重要抓手。目前，廣東天然氣水合物勘查、鉆探及采集主要還是以自然資源部廣州海洋地質調查局為主，其他企業尚不具備勘查、鉆探、采集等條件。實現南海天然氣水合物產業化，不但可以滿足廣東對清潔能源日益增長的需求，也有利于帶動海工裝備、天然氣儲運、應用等上中下游產業鏈的發展，推動能源開發利用機制體制改革。

二、國內外天然氣水合物發展現狀

（一）國外天然氣水合物發展現狀

1、資源勘查開發情況。世界各國高度重視天然氣水合物勘查開發，目前已有30余個國家和地區開展天然氣水合物研究。中國、美國、日本、韓國和印度等國制定了國家級天然氣水合物研究開發計劃，美國、日本、加拿大等率先啟動開發技術研究，并于2002年開始在陸域和海域進行多次試驗性開采，取得了重要進展。目前，國際天然氣水合物勘查開發呈現出以下趨勢：一是紛紛制定天然氣水合物開發計劃。圍繞國家能源安全、國家經濟安全、戰略科技創新等角度出發，美國、日本、印度、韓國等國家制定了國家級天然氣水合物勘查開發計劃，加大投入、加速推進。二是從主要國家天然氣水合物產業化進程看，已從資源勘查發現向試采技術攻關、產業化開發轉變。

2、試采情況。天然氣水合物產業化大致可分為理論研究與模擬試驗、探索性試采、試驗性試采、生產性試采、商業開采5個階段。目前，全球多個區域組織實施了天然氣水合物試采，并在兩個陸域凍土區和兩個海域進行了開采試驗。（表1）

表1 全球天然氣水合物試采情況一覽表

（二）國內天然氣水合物發展現狀

1、資源勘查開發情況。我國天然氣水合物資源調查研究工作起步較晚。從1995年地質礦產部設立天然氣水合物調研項目開始，至今大致經歷了4個階段：1995～1998年的預研階段；1999～2001年的前期調查；2002～2010年的調查與評價；2011年開始的勘查與試采等階段，目前已建立了適合我國海域特點的勘查試采理論和裝備體系，取得突破性成果。

2、試采情況。天然氣水合物的產業化進程大致分為理論研究與模擬試驗、探索性試采、試驗性試采、生產性試采、商業開采5個階段。2017年，我國海域天然氣水合物第一輪試采完成了“探索性試采”，解決了“能否安全、連續開采出來”的問題。第二輪試采完成“試驗性試采”，解決的是“如何提高產氣規模”的問題。但是，推進天然氣水合物勘查開采產業化后續任務依然艱巨繁重，下一步還要進行生產性試采攻關，力爭盡早實現天然氣水合物商業開采。

三、廣東省天然氣水合物技術發展現狀

（一）發展現狀

1、關鍵技術。天然氣水合物第一輪試采采用垂直井鉆采技術，井筒垂直穿過天然氣水合物儲層。第二輪試采采用水平井鉆采技術，井筒可橫向順層穿越，與水合物儲層接觸的面積更大，能夠有效提高產氣規模。試采團隊經過兩年多的集中攻關，掌握了以水平井為核心的32項關鍵技術，自主研發了12項核心裝備，其中控制井口穩定的裝置吸力錨打破了國外壟斷。這些核心裝備不僅可為推進水合物產業化提供有力保障，而且還可在海洋資源開發、涉海工程建設等領域中廣泛應用，將帶動形成新的深海技術裝備產業鏈，增強我國“深海進入、深海探測、深海開發”能力。2017年首次試采成功搶占了國際天然氣水合物勘查試采科技創新的制高點，此次使用水平井鉆采技術成功開采，國際“領跑”優勢地位進一步增強。

2、科研平臺建設。目前，廣東省天然氣水合物重大科研平臺主要有廣州海洋地質調查局天然氣水合物工程技術中心、中科院廣州能源所、中科院南海所、中科院廣州地化所、中山大學、華南理工大學、南方海洋科學與工程廣東省實驗室等。2019年，南方海洋科學與工程廣東省實驗室于廣州、珠海、湛江相繼揭牌，逐步形成科技資源合作共享整體合力。廣州南沙新區國家科技興海產業示范基地項目加快推進，重點發展和培育海洋高端工程裝備制造業、海洋新材料新能源等高新技術，打造南沙新的增長級。中國地質調查局廣州地質調查局、中山大學、中國科學院南海海洋研究所等單位正式成立協同創新聯盟，同時推動聯盟和省海洋與漁業廳、廣州市南沙區政府協商共建協同創新中心。

（二）存在的問題

1、資源及分布有待摸清。我國通過天然氣水合物專項開展了近20年的系統調查，基本了解南海北部陸坡調查區的水合物資源潛力及其分布情況，但海域整體調查程度較低，還未實現全覆蓋，特別是鉆探程度低。

2、地質成藏理論有待完善。盡管在全球海域包括我國的南海北部陸坡海域已鉆獲天然氣水合物實物樣品，但由于海洋基礎地質調查工作程度不均，海域天然氣水合物成礦地質理論研究相對滯后，特別是海域深水區獨特的地質條件與多類型的水合物形成機理、成礦機制及成藏規律等研究欠缺，這些科學問題將直接影響對水合物資源潛力的科學評價及成礦區的有效預測。

3、勘采裝備研制能力有待提升。天然氣水合物資源勘查與試開采是一項高新技術密集的龐大系統工程。目前，水合物開采裝備和技術都面臨著水合物在深海淺層賦存、儲層地質條件復雜等問題，傳統海洋油氣開采裝備難以直接利用，需要不斷探索、研制從鉆完井到開采測試的整套專用裝備，重點支持勘探作業裝備、工程勘察與施工裝備、工程支持船等裝備研發。

4、開采技術方法有待突破。天然氣水合物開采一直是世界性難題，目前主要有加熱法、降壓法、注化學試劑法、CO2置換法等開采技術方法，但上述方法各有弊端。我國此次南海水合物試開采所采用的方法是在傳統降壓法的基礎上，創新研發了“地層流體抽取法”，實現了“三相控制”開采理論自主創新。盡管目前加、美、日、中已進行小規模試開采，但距離大規模、長周期、商業化開發仍有較大差距，需進一步改進或創新試開采方法，需研發關鍵技術工藝，不斷提高采收率及提升產能，才能實現產業化。

5、開采經濟效益有待提高。由于水合物開采條件更為復雜，除常規氣體收集外，還需經歷“將甲烷與水分子分離”，以實現連續穩定產氣，客觀上使水合物開采需投入更高成本。以目前開采成本測算，相對于天然氣、煤層氣和頁巖氣開采，水合物開采尚不具備經濟性，開采成本還存在明顯劣勢。由于在產業化之前，水合物產業鏈不具備盈利條件，因此企業參與產業鏈上下游行業的積極性不會太高。如未來水合物的開采技術大幅提升、成本大幅降低，則有望大幅提升其經濟性。

四、對策建議

（一）加快落實天然氣水合物資源儲量及分布。積極開展天然氣水合物資源調查工作，為天然氣水合物開采奠定資源基礎。要分區分層次、有重點地開展不同海域天然氣水合物資源調查評價，盡快明確我國天然氣水合物的資源潛力、分布情況和重點探區儲量規模。

（二）加速勘探與開發關鍵技術與核心裝備攻關。大力推進天然氣水合物勘查開采先導試驗區建設，攻克深水未固結儲層多井型開采的鉆完井關鍵技術與裝備。推動建立大科學裝置“冷泉系統實驗裝置”，加快廣州海洋地質調查局國家工程研究中心、深海科技創新中心基地建設，初步建成世界領先的天然氣水合物勘查開發技術及裝備的工程化開發平臺。研發近海底高精度探測和隨鉆測井等勘查技術裝備、高效產能模擬實驗裝置、天然氣水合物開采海底沉降等環境監測設備，形成集天然氣水合物勘查、產能模擬、開發和環境保護于一體的系列裝備。支持成立涵蓋天然氣水合物勘探、開發、儲運、服務等環節為一體的工程公司，加快天然氣水合物產業化進程。

（三）建立天然氣水合物調查評價標準體系和機制。加快建立完善用海機制，切實解決天然氣水合物資源開發風險高、敏感地區外交環境復雜多變等方面的問題。加快制定天然氣水合物儲量分級和開采可行性標準，推動形成天然氣水合物勘探開發有序進入、充分競爭的市場機制。支持上游放開市場準入，通過競爭或協議方式取得天然氣水合物礦業權。鼓勵發展混合所有制和社會資本參與綜合開發利用南海石油天然氣等資源；激活微觀市場主體活力，鼓勵社會資本和民營企業廣泛參與天然氣水合物勘探開發，激發市場積極性。