日韓海洋天然氣水合物勘探研究進展及對我國的啟示*

嚴杰，曾繁彩，陳宏文

(1.廣州海洋地質調查局 廣州 510760； 2.國土資源部海底礦產資源重點實驗室 廣州 510760)

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日韓海洋天然氣水合物勘探研究進展及對我國的啟示*

嚴杰1，2，曾繁彩1，陳宏文1

(1.廣州海洋地質調查局 廣州 510760； 2.國土資源部海底礦產資源重點實驗室 廣州 510760)

海底天然氣水合物是一種重要的新型能源礦產，美國、加拿大、德國等發達國家都將水合物列入國家重點發展戰略。而中國、日本、韓國的研究工作起步時間相對較晚，過去十年，日本實施了“21世紀水合物研究開發計劃(MH21)”，韓國制訂了“天然氣水合物開發十年計劃”。我國在水合物領域也做了大量的研究工作，在南海陸坡區鉆探到了水合物樣品，但與日、韓相比還存在一定的差距。文章通過總結日本、韓國天然氣水合物研究的開發思路，旨在為我國海域天然氣水合物的勘探開發和試開采計劃提供借鑒和參考。

天然氣水合物；海底水合物；南海；開采

天然氣水合物(甲烷水合物)是甲烷和水的混合體在高壓低溫環境下形成的結晶固體，廣泛分布于大陸架、海洋陸坡區和陸地永凍層下[1]，其儲量巨大，有可能成為未來最重要的潛在能源之一，已引起世界各國的廣泛關注，發達國家率先在這一領域展開了研究[2]。1971年，美國科學家Stoll等通過深海鉆探取芯，在采集到的柱狀樣中首次發現了海洋天然氣水合物，并正式提出“天然氣水合物”的概念。近幾年來，世界各地科學家對天然氣水合物在海底的賦存類型、成藏模式、物理化學性質、形成原因、勘探開發手段以及水合物開采與環境效應之間的關系等科學問題進行了細致而深入的研究，取得了一系列的成果[3-7]。伴隨著世界經濟、科學技術的持續快速發展，新的替代資源水合物的勘探開發以前所未有的速度在世界許多國家掀起了研究熱潮。美國、加拿大、德國等發達國家成立了專門的水合物研究機構，將水合物列入國家未來能源重點發展戰略[8-9]。放眼東亞地區，中國、日本、韓國占據了本地區能源需求的絕大部分，三國的國內能源儲量日趨緊張，除了依托進口外，新能源的勘探開發已迫在眉睫[10]。作為新能源代表的天然氣水合物得到了這幾個國家政府的高度重視。我國天然氣水合物研究起步時間較晚，而周邊國家日本、韓國的天然氣水合物研究工作已經走在了世界的前列，為了能在東亞新能源競爭格局中占有一席之地，水合物的研究水平必須迎頭趕上。因此搜集和總結日、韓海洋天然氣水合物研究的理論成果和實踐經驗，可為我國開展海域天然氣水合物勘探和試開采工作提供借鑒，為我國盡早實現天然氣水合物的商業開采提供基礎信息和技術儲備，以縮短我國天然氣水合物的研究進程，減小與國際先進水平之間的差距。

1 日本“21世紀水合物研究開發計劃(MH21)”

1.1 勘探與開采計劃

近幾十年來，國際原油價格持續飆升，資源緊缺型國家往往要為油氣等常規能源的進口付出巨大的成本，在這樣的背景下，這些國家陸續開展對新能源的探索，尤其是在海洋領域開展天然氣水合物的勘探研究。其中最引人注目的是日本正在執行的天然氣水合物研發項目(圖1)[11-13]。

圖1 日本天然氣水合物成礦遠景分布

南海海槽是日本近海天然氣水合物成礦條件相對最好的一個地區，被譽為亞太最大的水合物遠景區。日本研究人員在日本周邊海域圈定了12塊遠景礦區，總面積約45 000 km2；通過計算，在這些礦區中的天然氣水合物儲量達7.4×1012m3，相當于日本140年消耗的天然氣總量[14-15]。1999年，日本科研團隊首次在南海海槽東部BSR分布區域成功鉆取大量天然氣水合物樣品。2001年4月日本政府啟動了“甲烷水合物開發計劃”(MH21 Methane Hydrate R&D Program)。項目預期18年，分3個階段實施，研究內容基本涵蓋了與天然氣水合物開發相關的所有方面(表1)。

表1 日本“21世紀天然氣水合物研究開發計劃”

1.2 項目機構設置

本項目由日本產業省(METI)下屬的石油天然氣部領導實施，但管理工作由日本國家石油公團技術研究中心的天然氣水合物項目組組織執行。天然氣水合物國家專項指導委員會由日本工業和學術機構的石油天然氣方面的資深專家及天然氣水合物方面的主要研究人員組成，負責人是東京大學工程學院的退休教授田中(S. Tanaka)先生。指導委員會負責確定項目的研究內容、評估項目進展、決定項目發展方向。日本石油公團技術研究中心(JNOC—TRC)天然氣水合物項目組的辦公室主要負責向政府申請項目預算，向研究組分配資金，管理項目資產，以及其他與項目相關的行政管理工作。每個研究組由若干產業部門和學術機構的研究單位組成，分別負責一定的研究課題。項目共設有3個課題：地質與地球物理、生產、環境。

除了作為負責單位的JNOC—TRC天然氣水合物項目組及日本石油勘探開發公司(JAPEX)以外，前日本地質調查所(GSJ)、東京大學、日本大洋鉆探公司(JDC)、京都大學都是資源評估組的主要成員，一些國外研究機構也參與了研究活動。

1.3 取得的主要成果

項目第一階段的工作取得了3個方面的重要成就：完成了日本海域的甲烷水合物資源評價、開發出一套水合物儲層模擬系統(MH21-HYDRATES)、開發并野外試驗確定了天然氣生產技術[16]。2001-2002年進行了二維和三維地震調查，隨后于2004年開展了多井鉆探調查，鉆井項目包括在隨鉆測井、電纜測井和取芯工作，鉆井在本州島近海太平洋海域的南海海槽的東部地區實施。調查發現，水合物穩定帶位于海底以下117～345 m處，采集的樣品顯示，砂巖層的孔隙中以及砂泥帶層中均分散有水合物[17]。這些調查不僅查清了BSR的分布，同時揭示了含水合物沉積的外觀和內在特征的定量信息。最重要的成果是發現了在濁流砂巖中存在高濃度的充填型甲烷水合物帶。開發出利用三維地震指標確定甲烷水合物富集帶的方法，并利用該方法對南海海槽東部地區進行了資源評價。在已確定的4 678 km2的含天然氣水合物區中有天然氣1.13萬億m3，其中0.57萬億m3存在于高濃度富集帶中[18]。

項目第二階段正在進行中。下分4個研究團隊：現場開發技術團隊、資源評價團隊、生產方法和模擬團隊、環境影響評估組。生產方法和模擬技術團隊開發了一套水合物儲層模擬系統，來評價甲烷水合物資源的生產方法。該組同時也開發了甲烷水合物儲層原位條件下研究巖芯特征的實驗設備和技術，重點研究如何能保持從甲烷水合物中生產高比率的天然氣。環境評價組完成了南海海槽東部海域海洋基線調查，并做了部分基礎研究，如評價潛在環境風險的數學模型和監測聲吶的開發。2012年2月，日本在靜岡縣延伸至和歌山縣近海的“東部南海海槽”海域進行水合物生產試驗的事前鉆探作業，工區水深約1 000 m，向海底鉆探約300 m，共設置4個鉆井，其中1個鉆井用于水合物的試開采，其余鉆井用于觀測試開采過程中周邊環境的變化。

2013年3月日本成功地從賦存在愛知縣近海東部的南海海槽海域地層內的甲烷水合物里分離出了甲烷氣體。深海勘探船“地球”號在該海域通過降壓法在水深約1 000 m的海底成功將甲烷水合物中的甲烷氣體與水分離提取。這是世界上首次成功地從海底采集甲烷氣體，并認為這次試開采標志著日本水合物開采朝商業化進程邁出了關鍵的一步。同年12月，日本水合物科研機構發布消息稱在新潟縣上越市海域發現大量裸露海底的天然氣水合物，通過無人攝像機證實，在海底呈塊狀分布。日本計劃在2015年要完成秋田縣、山形縣周邊和北海道附近海域的天然氣水合物資源調查[19]。根據目前的進度計劃，日本要在2018年之前，做好天然氣水合物商業化生產的技術準備[20]。

2 韓國“天然氣水合物開發十年計劃”

2.1 初步探索

韓國作為一個資源稀缺型國家近幾十年來也加快了對新能源的探索研究。其東部海域是天然氣水合物理想的賦存區，但缺少系統的調查和勘探工作。直到1997年韓國海洋開發與資源調查研究所開始在其東部海域郁龍盆地開展天然氣水合物調查(圖2)，由此確定了天然氣水合物勘探參數和礦床存在的可能性，圈定了遠景礦區。之后韓國能源部聯合商業、工業部制定了甲烷水合物長期規劃藍圖[21]。從2000年開始，韓國政府開始執行該規劃藍圖第一階段五年計劃任務，相繼發現了對發育水合物起重要作用的斷裂構造、氣暈、BSR及振幅空白帶[22-24]。

圖2 韓國東部海域郁龍盆地區位圖

2000-2004年，韓國能源部聯合商業、工業部(MOCIE)、韓國石油總公司(KNOC)、韓國天然氣公司(KOGAS)設立聯合研究項目，開展了其東部海域天然氣水合物第一階段的調查，此次調查任務由韓國地質礦產資源研究院具體負責執行，完成了約14 000 km2的深水區區域地震調查，進一步擴大了對其東部海域天然氣水合物分布狀況的認識。通過調查研究，發現水深大于1 000 m的海域存在BSR和氣暈層，表明其東部海域具有良好的天然氣水合物成礦條件，具有優良的水合物資源前景[25]。

2.2 十年計劃進展

2005年，韓國政府正式啟動“天然氣水合物開發十年計劃”，計劃分3個階段執行(表2)，開展地質與地球化學、地球物理、鉆探和開發4個主題的研究。

依照進度，韓國政府在2007年及2010年先后兩次在日本海的郁龍盆地進行了水合物鉆探。2007年第一次鉆探利用M/V Rem Etive調查船對盆地中的氣體水合物的潛在儲量進行了調查(第一個鉆井命名為UBGH1)。其中在5個站位進行了隨鉆測井(LWD)和隨鉆測量(MWD)，3個站位獲取了巖芯數據(圖3)[26]，1個站位進行了電纜測井。站位主要部署在BSR與氣煙囪共生的區域， BSR之上濁積層發育。鉆探總進尺約1 115 m， 耗時281 h，3個取芯站位都發現了水合物樣品，有些是以脈狀和層狀分布在黏土雜基中，有些是以充填物的形式分布在粉砂或砂層中[27]。研究認為大陸坡，碎屑流、濁流或半深海沉積物最適合水合物藏的發育。

表2 韓國“天然氣水合物開發十年計劃”執行階段

圖3 UBGH 1中隨鉆測井和取樣站位圖

2008年，在UBGH 1鉆井的取樣中發現水合物的區域進行了400 km2的3D地震調查(圖4)。同年利用地震資料和UBGH 1測井數據對盆地中的氣體水合物資源進行了評估。

圖4 UBGH 1鉆井站位的3D地震數據體(有氣煙囪)

2010年，韓國在郁龍盆地進行了第二次的水合物鉆探工作(UBGH2)。借鑒第一次的成功鉆探經驗，此次站位選擇仍然主要以氣煙囪、BSR、濁積層及半深海沉積物發育區域為主。在UBGH 2鉆井實驗中，運用遙控設備(ROV)進行了隨鉆測井(LWD)和隨鉆測量(MWD)、電纜測井和垂直地震剖面、傳統的和保壓取芯、海底觀測、海底甲烷調查研究等等。船舶現場試驗分析也包含了物理學[28]、沉積學、地球化學的測量。試驗在13個站位完成了隨鉆測井和隨鉆測量的工作[29]。根據隨鉆測井和隨鉆測量資料的分析最后選擇了10個站位進行巖芯取樣。此外，還利用Fugro Alluvial海洋公司的微型設備在兩個站位獲取了電纜測井和垂直地震剖面資料(WL/VSP)[28]。試驗在10個鉆井站位中獲取了各種類型的氣體水合物樣品(圖5)[30-31]。從船舶現場觀測的數據和航次結束后的實驗數據分析結果顯示：發現的氣體水合物，一種是在不連續的砂質層中以孔隙填充的；另一種是在沒有明顯的巖性界面的泥質層中以脈狀和瘤狀分散填充的，或者說是以不均勻分散狀填充在泥質層中[29]。此外，在硅藻土的孔隙中也發現了氣體水合物的存在，水合物的表現形式主要是受到沉積物組分復雜變化的控制[29]。研究結果表明，韓國郁龍盆地水合物的形成和分布主要受巖性和裂隙構造的控制。UBGH2鉆井提供了有價值的新資料來評價水合物在盆地中的存儲和分布，而這些信息也是用于未來水合物試開采時的基本數據。

圖5 在UBGH 2中獲得的塊狀氣體水合物

3 我國海洋天然氣水合物研究進展

3.1 國內研究現狀

我國政府高度重視天然氣水合物資源調查工作。將天然氣水合物這一戰略性礦產資源列入優先啟動的調查項目之一。從1999年開始，支持開展了“西沙海槽區天然氣水合物資源前期調查”，調查發現天然氣水合物礦層存在的地震綜合異常信息(BSR、速度倒轉、振幅空白帶等)，初步證實我國海域可能存在天然氣水合物資源[32]。

在近幾年調查的基礎上，我國在南海北部陸坡東沙、西沙、神狐海域通過地球物理、地球化學、地質和生物等多種調查手段，在表層、淺層、深層地層中相繼發現了天然氣水合物存在的多信息異常標志，并初步估算南海北部陸坡天然氣水合物遠景資源量約為744億t油當量，證明南海北部陸坡具有良好的水合物資源遠景[33-35]。廣州海洋地質調查局通過優選南海北部陸坡西沙海槽、神狐、東沙及瓊東南等4個海域，有重點、分層次地開展了水合物資源調查與評價，并在2007年成功實施了南海首次水合物鉆探工程，在SH2、SH3和SH7共3個站位發現并取得含水合物的沉積物實物樣品，取得了海域水合物勘查的階段性突破[36]。2013年7月，我國在珠江口盆地東部海域實施3個航段13個站位的鉆探任務，總進尺4 061 m，實現了600～1 100 m水深條件下的鉆孔精確定位、隨鉆監控、鎖定目標、獲取樣品，取得了層狀、塊狀、結核狀、脈狀、浸染狀等一批實物樣品(圖6)，這是在新的海域取得的天然氣水合物找礦又一重大突破，證實了我國南海海域巨大的天然氣水合物資源遠景，為進一步鎖定試開采目標區奠定了堅實的基礎[37-38]。

圖6 南海天然氣水合物樣品自然產狀

雖然我國對海底天然氣水合物的研究已取得一系列重大突破，但研究程度還較低，技術上與先進國家還有較大差距。

3.2 我國與日、韓天然氣水合物研究進展對比

天然氣水合物對于我國來說還是新能源，其研究起步時間較晚，鄰國日本和韓國的起步時間與我國近似。但是這兩個國家卻在水合物研究工作起步不久就成立了國家性的水合物研究機構，將水合物研究上升到國家戰略，并制定出詳細的階段規劃。我國也投入大量的人力物力用于水合物資源的研究，但是與日、韓這兩個國家相比已逐漸拉開了差距，具體表現在以下幾個方面。

(1)技術裝備不夠先進。海洋天然氣水合物勘探開發是一項時間跨度大、技術難度高需要長期技術積累的工作；也是需要高精度的儀器設備來輔助研究的工作。這方面我國與國外先進水平之間的差距就表現得很突出，具體比如目前采用的地震勘探、地球化學、微生物勘查技術等手段較為單一，勘探設備精度不夠高，資源調查程度較膚淺。而日、韓有專門性的水合物研究機構，有雄厚的研究資金作為保障，先進的調查設備作支撐，因此他們能在較短的時間內通過高分辨率的二維、三維模擬來調查估算自己領域內的水合物儲量，為后續工作奠定了堅實的基礎[39-40]。

(2)階段性發展規劃不足。我國天然氣水合物研究工作已經持續了15年，在南海陸坡海域已采集到水合物樣品。但是依舊沒有一個專門的科研組織機構來管理、規劃、協調天然氣水合物的研究工作，沒有形成一個完整的規劃藍圖，缺乏指導路線。反觀日本和韓國，這兩個國家在沒有取得水合物樣品之前就已成立專門的研究機構，制定出長期的水合物勘探開采規劃，兩國近期又在各自的海域發現大型的可燃冰藏。

(3)研究力量分散。我國首次取得水合物樣品之后，水合物的研究熱潮持續而來，不斷啟動國家自然科學基金，國家專項等多個水合物研究項目，耗費了大量人力、物力、財力，但水合物研究國際地位還是不如日本和韓國。究其原因，主要是我國水合物研究機構分散，機構之間信息流通不暢，由于涉密原因，很多研究成果不能共享，人為制造了通信壁壘，造成研究工作重復，效率低下。而日、韓有專門的水合物研究機構，可以在總的高度上部署研究工作，各股力量齊頭并進，提高了工作效率，有利于成果的不斷涌現。

3.3 建議

為了縮短與水合物研究發達國家之間的差距，特別是與鄰國日本韓國的研究差距，為能在東亞能源競爭中占據有利形勢，博采眾長、采用先進的技術理念，日、韓水合物研究的思路是值得我國借鑒的，建議我國采取以下對策。

(1)成立國家層面的天然氣水合物研究機構。天然氣水合物從勘探到開采是一項極其復雜的任務，需要有一個國家性的研究機構專門來規劃、協調和管理研究工作。成立國家層面的研究機構可以統籌各地方的水合物研究機構，將資源集中在一塊，共同奮進，促進研究成果的定期交流，關鍵信息能夠得到分享，減少基礎工作的重復，避免無謂的資源浪費。特別是，我國近些年已在南海陸坡取得天然氣水合物樣品，水合物研究凸顯巨大潛能，因此，建議盡快組建國家層面的水合物研究機構。

(2)制定天然氣水合物長遠規劃藍圖。到目前為止中國還沒有一個全面、系統的天然氣水合物國家級產業計劃與綜合規劃，已有的天然氣水合物研究僅是在國家專項、“863”“973”等科研基金項目的支持和資助下進行的。總體而言，目前我國水合物研究在實驗室模擬、基礎理論、調查評價研究、鉆探技術和工業化開采等多方面與國際水平還有較大差距。建議在設立國家專門的天然氣水合物研究機構的基礎上，促進水合物調查研究全面列入國家相關產業發展規劃和科研規劃。

(3)大力推進水合物開采技術的研究。日本韓國的天然氣水合物專項計劃均包含有開采技術的研究，因為這涉及能否達到商業化開采的問題。無論采取何種開采技術，均需通過鉆孔進行。因此水合物開采技術的關鍵取決于深水鉆探技術的發展。以往水合物取樣的事實表明，水合物在鉆取過程中由于周邊溫壓環境發生了改變，極易導致其分解，進而可造成環境災害。因此，實施天然氣水合物科學的鉆采方法研究已成為現階段水合物科研的重要課題，建議盡快開展合理高效的深海水合物鉆采技術的研究。

(4)加強與擁有國際先進技術和設備的國家和國際組織合作。美國、日本、加拿大等國在勘探海洋天然氣水合物方面已有大量成功的案例，積累了充足的經驗以及形成了可靠的勘探技術，這些海洋勘探技術都是我國將來實現海洋天然氣水合物試開采必須要掌握的技術。我們應立足本國、借鑒國外、引進技術、創新思路、實現開發。建議對在水合物研究方面走在世界前沿的美國、加拿大、日本和德國有關科研單位進行實地考察、調研和學術交流，有利于我國快速追趕世界先進水平。

4 結論

天然氣水合物是甲烷和水的混合體在高壓低溫環境下形成的冰狀結晶體，廣泛分布于大陸架、海洋陸坡區和陸地永凍層下，儲量巨大，是未來理想的替代能源。以日本、韓國等能源缺乏型國家為代表，已積極開展了水合物試開采工作，并取得了豐富的研究成果。盡管我國已在南海北部陸坡區通過鉆探成功取得了水合物樣品，成為世界上為數不多的通過國家級研發計劃采集到水合物實物樣品的國家。但到目前為止，我國還缺少一個確切明晰的水合物開發思路，研究工作缺乏總體規劃，較為零散，部分基礎工作重復，資源利用率不高。因此，針對我國海洋天然氣水合物的開發現狀，鄰國日、韓兩國水合物勘探開發的進展對我國開展水合物研究相關工作具有重要的借鑒意義。

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國土資源部海底礦產資源重點實驗室基金課題(KLMMR2013A36)；中國地質調查局專項(GZH201200512).

P744.4

A

1005-9857(2015)11-0020-08