美國天然氣水合物研發進展及對中國的啟示

張 煒，王淑玲

（1. 中國地質圖書館，北京 100083；2. 中國地質調查局地學文獻中心，北京 100083）

美國天然氣水合物研發進展及對中國的啟示

張 煒1,2，王淑玲1,2

（1. 中國地質圖書館，北京 100083；2. 中國地質調查局地學文獻中心，北京 100083）

天然氣水合物作為一種潛在的能源資源，因其資源量豐富以及分布廣泛，愈來愈受到世界各國的關注。盡管目前尚無法實現對天然氣水合物的商業化開發，但部分國家，如美國、日本、加拿大、韓國等，已針對相關領域開展了數十年的研究工作。其中，美國于2000年通過了甲烷水合物研發法案，推動了國家級甲烷水合物研發計劃的制定和實施。經過美國聯邦機構、私人機構和學術機構間的跨機構合作，在勘探、資源量評估、基礎理論研究、開采、環境影響評價等方面取得了顯著的進展，處于世界領先地位。本文系統歸納了美國國家甲烷水合物研發計劃的建立、工作進展和未來方向，并基于分析為改進和完善中國的甲烷水合物研發工作提出建議。

能源資源；天然氣水合物；甲烷水合物；研發計劃；勘探開發

盡管人類很早就認識到氣體水合物的存在，但直到20世紀60年代末和70年代初，才通過前蘇聯西伯利亞和美國阿拉斯加多年凍土帶的油氣作業開始意識到水合物在自然界中的賦存及其中天然氣資源的潛力[1,2]。直到20世紀80年代和90年代，通過一系列的深海考察和實驗研究才發現海洋中賦存有資源量巨大的甲烷水合物[1]，從而開啟了針對甲烷水合物的資源勘查和研發工作。美國作為最早建立國家級甲烷水合物研發計劃的國家之一，其在計劃設立、組織結構構建和研發進展等方面值得我國借鑒，以建立和完善可以充分發揮政府、國有企業、私人企業、研究院所和高校等機構在甲烷水合物研發領域上的優勢的國家級計劃。本文系統歸納美國國家甲烷水合物研發計劃的建立、工作進展和未來方向，并基于分析為改進和完善中國的甲烷水合物研發工作提出建議。

1 美國甲烷水合物研發概況

從1982年至1992年，美國能源部（DOE）投入了超過800萬美元建立對天然甲烷水合物埋藏分布和物理/化學性質的基本認識，并逐漸向短期勘探和生產研發領域擴展。但是，20世紀90年代末美國和其他國家的研究結果表明美國聯邦政府需要立即關注有關甲烷水合物的問題。因此，1997年DOE開始了多機構協作模式下的國家天然氣水合物研發計劃。1998年，DOE發布了甲烷水合物研發戰略，目的是通過為期10年的科學和技術發展在2015年前獲取甲烷水合物商業化生產所需的知識和技術，并應對隨之而來的環境和安全問題。在上述研發戰略基礎上，DOE于1999年發布了國家甲烷水合物多年研發計劃，目的是通過技術開發支持甲烷水合物研發活動，主要集中在4個技術領域：資源表征、生產、全球碳循環以及安全和海底穩定性。2000年，美國國會和總統簽署通過了甲烷水合物研發法案。該法案要求DOE聯合美國國家科學基金會（NSF）、美國商務部（DOC）（由美國國家海洋和大氣局（NOAA）代表）、美國國防部（由美國海軍研究實驗室（NRL）代表）和美國內政部（由美國礦產資源管理局（MMS）和美國地質調查局（USGS）代表）共同制定一個國家級的研發計劃，以充分利用聯邦機構、私人機構和學術機構的資源[3]。該法案的目的是通過國家層面上的研發工作，認識近海和多年凍土帶沉積地層中所賦存甲烷水合物的物理性質，建立用于勘探和量化甲烷水合物藏的方法，了解鉆探和生產等擾動下甲烷水合物的穩定性和變化情況，確定從甲烷水合物中生產甲烷的技術要求，以及研究甲烷水合物分解可能造成的環境影響[4]。同年8月，DOE和美國雪佛龍公司共同召開墨西哥灣甲烷水合物研發計劃的專題研討會，計劃在墨西哥灣開展甲烷水合物研發工作。2001至2005年針對該計劃的年均撥款穩定在950萬美元左右。2005年8月，能源法案獲得通過，2005年至2010年的總撥款達到1.55億美元，并增加了美國土地管理局（BLM）的參與。2006年7月，DOE公布了跨機構甲烷水合物研發路線圖[5]，該路線圖根據2000年甲烷水合物研發法案和2005年能源法案制定了相應的活動計劃，如資源潛力、海底穩定性、鉆探安全和環境問題等。2007年6月，DOE發布了跨機構甲

烷水合物研發5年計劃[3]。2011年10月1日，美國海洋能源管理、監督和執行局（BOEMRE）（前美國礦產資源管理局）的職能被美國海洋能源管理局（BOEM）和美國安全與環境執法局（BSEE）所取代，由前者參加水合物研發計劃。2013年5月，DOE發布了新的跨機構甲烷水合物研發計劃（2015～2030年）。

2 工作進展

2000年以來，美國國家甲烷水合物研發計劃廣泛支持實驗室、工程和現場項目，以增加對水合物性質、含水合物沉積物以及全球甲烷水合物儲層與世界海洋和大氣間相互作用的理解。下面對已開展的主要甲烷水合物研發工作和重要成果作簡要介紹：

（1）2001年9月，在DOE的主要資助下，英國石油公司阿拉斯加勘探分公司啟動了阿拉斯加北坡天然氣水合物儲層表征項目，目的是基于之前USGS對阿拉斯加北坡天然氣水合物中未探明技術可采天然氣資源量的估算（2.42萬億m3），通過3D地震勘探圈定Milne Point油氣區內的甲烷水合物資源范圍，并通過現場和實驗室研究確定從甲烷水合物中生產甲烷的可能。該項目的工作分為3個階段，主要成果包括：①圈定、表征和評估了Milne Point區域中14個分散的天然氣水合物藏的資源潛力（原地氣儲量達170億m3）；②開展可進行地震屬性與水合物儲層參數（如厚度和水合物飽和度）間相關性分析的地球物理模擬；③分析了Milne Point區域的地震數據，并整合了該區域及其周圍普拉德霍灣（Prudhoe Bay）和Kuparuk River油氣區的相關測井數據。

（2）2001年，工業參與者和政府機構與DOE合作成立了以美國雪佛龍公司為主導的墨西哥灣天然氣水合物聯合工業項目，目的是研究與含水合物沉積層中的鉆探有關的地質災害，開發和測試地質和地球物理工具以預測和表征甲烷水合物的賦存，以及通過取樣獲取分析海洋甲烷水合物資源和生產問題所需要的數據。在該項目2005年的第一階段工作中開展了科學鉆探、取心和井下測井來評估具低濃度甲烷水合物的細粒沉積層中可能的安全和海底穩定性問題。

（3）2007年，DOE、英國石油公司阿拉斯加勘探分公司、USGS等機構在阿拉斯加北坡的Milne Point區域實施了科學鉆探和數據收集計劃。除了證實在正在進行工業活動的地區開展安全且高效的科學數據收集計劃的能力，又確定了由USGS開發的地球物理技術可用于圈定和表征Milne Point區域內14個分散的氣體水合物藏。對所獲測井、巖心和井底壓力響應數據的分析可用于解釋阿拉斯加北坡典型水合物藏的演化、巖石物理特性和可能的生產行為。該項目已于2014年3月31日宣告結束，因多方面原因，并沒有按計劃開展長期的水合物生產測試[6]。

（4）MMS利用2D和3D地震數據、井數據以及地質、地球化學和古生物學信息估計墨西哥灣內有較大區域（面積約45km2）的壓力和溫度條件可使水合物處于穩定，水合物中的總原地氣評估儲量為315萬億～975萬億m3[7]，平均儲量為607萬億m3，其中賦存于砂巖儲層中的約190萬億m3，賦存于頁巖和裂縫性儲層中的約417萬億m3[4]。但需要注意的是，此次儲量評估工作未給出技術或經濟可采資源量。

（5）2008年11月，USGS發布了針對阿拉斯加北坡陸域甲烷水合物的資源量評估結果。此次評估采用油氣系統方法，是首次評估利用常規油氣生產技術可從甲烷水合物中采出的甲烷的資源量。針對不同的水合物生產技術，USGS指出降壓法是最具前景的。評估結果表明，阿拉斯加北坡中甲烷水合物的未探明天然氣技術可采資源量為0.7萬億～4.5萬億m3，平均資源量為2.4萬億m3[4]。

（6）2009年4月，在墨西哥灣天然氣水合物聯合工業項目第一階段工作的基礎上，美國雪佛龍公司領導開展了第二階段工作，目的是證實在墨西哥灣深水中的砂巖儲層賦存有甲烷水合物，以及在鉆探前通過綜合性的地球物理和地質勘探方法確定和表征砂巖儲層中具體的甲烷水合物藏，其中以采集含甲烷水合物砂巖儲層中一整套隨鉆測井數據為主[8]。在墨西哥灣3處場地的7口井中開展了隨鉆測井作業。首次利用結合了含天然氣水合物地層的直接物理證據、水合物穩定性條件范圍的評估、氣源的存在、預期的儲層巖性（砂巖）以及烴源巖和儲集層間的氣體運移通道的地質和地球物理勘探方法來選擇井場。7口井中有6口井證實了鉆前的預期，其中4口井中的天然氣水合物飽和度為50%～80%，余下2口井的飽和度則較低[7]。總的來說，從作業角度，第二階段的工作非常成功，在預算范圍內按時完成且零傷亡。隨鉆測井工具的表現也很突出，沒有因設備問題耽誤作業時間。本階段獲得了針對砂巖儲層中賦存的低至高飽和度甲烷水合物以及泥巖儲層中厚段裂隙充填型甲烷水合物的極具價值的數據集。

（7）墨西哥灣天然氣水合物聯合工業項目第三階段的重點是表征粗顆粒層段中富集的天然氣水合物藏，這有助于量化該項目的水合物地震和地質預測方法，從而獲得對富集水合物藏更有價值的認識。另一個目的是推動該項目在評估海洋水合物儲層和確定海洋水合物技術可采性上的目標。2013年11月，在俄克拉何馬州的Catoosa實驗設施完成了對項目所研制保壓取心系統（PCS）的陸基鉆探/取心測試。技術評估組根據此次現場測試深入研究和評估了PCS的性能和作業過程中存在的問題，并為改進PCS的性能提出了建議[9]。

（8）2012年，BOEM指出美國本土外大陸架的天然氣水合物中蘊藏有約1454萬億m3的天然氣。其中，墨西哥灣砂巖儲層中所賦存的高富集度水合物藏的天然氣總量為190萬億m3，而沿美國大西洋邊緣分布的砂巖儲層中的天然氣

總量為447萬億m3[10]。

（9）2012年5月2日，DOE前部長朱棣文宣布，由DOE、美國康菲石油公司、日本石油天然氣金屬礦物資源機構（JOGMEC）共同在美國阿拉斯加北坡普拉德霍灣區開展的Ignik Sikumi現場試驗成功完成[11,12]。這是首個設計用于調查研究天然氣水合物藏中CO2-CH4置換潛力的現場試驗工程。試驗準備工作完成后，2012年2月15～28日間，約有6000m3含有少量化學示蹤劑的CO2（23%）和N2（77%）被成功注入地層中[12,13]。同年3月4日，重新開井生產混合氣體，并于4月11日最終關井，由于設備問題，實際生產時間為30天。整個生產周期內氣體總產量約為28300m3。2013年3月，DOE發布了此次現場試驗的測井和生產測試數據，所有的研究人員和公眾都可以獲取這些數據用于分析和評估[14]。2013年7月，美國康菲石油公司完成了此次水合物生產試驗的最終技術報告[15]。

（10）在DOE所屬美國國家能源技術實驗室（NETL）的資助下，美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）開發了第一個對公眾開放下載且只用于評估天然氣水合物儲層行為和生產潛力的模擬程序TOUGH+/HYDRATE。該模擬程序通過與FLAC3D模擬程序的耦合可評估與因水合物失穩相關的地質力學問題，利用現場數據可應對愈加復雜的研究以及模擬天然氣水合物在較長時間尺度下對環境變化的響應。此外，NETL還免費發布了該早期版本（HydrateResSim）的源代碼，NETL將為這一版本提供有限的用戶支持，包括基于改進和/或用戶建議對其的升級。美國太平洋西北國家實驗室（PNNL）開發的STOMP-HYD模擬程序，可用于研究利用CO2注入從甲烷水合物中通過置換反應生產CH4的可能[16]，并通過不斷改進開發了可考慮甲烷水合物和二氧化碳水合物以外的第三種水合物的形成（即引入了N2）的新模擬程序STOMP-HYDT-KE[17]。

（11）NETL和USGS正在努力開展甲烷水合物儲層模擬器間的比較性研究。其目的是交換可用于改進儲層模擬的天然氣水合物分解和物理特性信息；通過交流和模擬結果的交叉驗證，建立對所有主要模擬器的信任；建立和收集不同天然氣水合物相關試驗/生產方案下，模擬器對它們的預測，以達到相互比較的目的。

（12）在實驗室工作方面，美國國家研發計劃持續給予資助，目的是通過建立新認識和研發新設備，推動對現場試驗中能源潛力、安全和環境影響的研究。新數據的獲得可用于對計算機程序的進一步測試和改進，以模擬甲烷水合物在自然環境和其他誘發環境下的行為變化。這些模型對評估天然氣水合物在海底穩定性、全球氣候和未來能源供給中所起作用上十分必要。

（13）2013年11月，在DOE的資助下，美國海洋發展領導聯盟（COL）組建的甲烷水合物項目科學小組（成員來自學術界、工業界和政府機構）發布了海洋甲烷水合物現場研究計劃，該計劃的目的是為大洋科學鉆探提供指南，以確定在數據和信息收集上具有最大潛力的鉆探靶區和航次，從而應對甲烷水合物在科學和技術上面臨的重要挑戰[18]。

3 未來的挑戰及對中國的啟示

COL組建的甲烷水合物項目科學小組，在《海洋甲烷水合物現場研究計劃》中提出了天然氣水合物研發工作未來面臨的挑戰，主要涉及如下領域：

（1）甲烷水合物的資源量評估和全球碳循環：海洋系統中以甲烷形式賦存的碳的總量和通量隨時間的變化及其影響因素，對甲烷水合物藏的可靠評估，甲烷水合物儲層對自然和人為擾動的響應；

（2）甲烷水合物的生產：近海甲烷水合物生產測試中優先采用的生產方法，影響近海甲烷水合物儲層中生產率的關鍵儲層參數，確定近海甲烷水合物生產的經濟可行性所需要的最小生產率和測試時長；

（3）與甲烷水合物相關的地質災害：影響甲烷水合物生產的地質災害，自然過程是否是誘發甲烷水合物地質災害的唯一因素；

（4）模擬、實驗室和現場系統的要求和集成：開展實驗室測量以輔助對現場數據的校正和解釋，改進現場表征工具以應對關鍵的甲烷水合物科學挑戰，增加儲層模擬器的準確性和可靠性以評估甲烷水合物的資源潛力及甲烷水合物在地質災害和氣候變化中所起的作用，更好地整合模擬、試驗和現場數據。

中國的天然氣水合物研究始于20世紀80年代，盡管起步較晚，但在天然氣水合物基礎理論、資源勘查和評價等方面取得了顯著的進展并獲得了國際同行的認可，在2011年于英國召開的第七屆國際天然氣水合物大會上，中國從美國、日本、韓國、印度等多國競爭中脫穎而出，成功獲得第八屆國際天然氣水合物大會的主辦權。該大會已于2014年7月29日～8月1日在北京成功召開。縱觀美國國家天然氣水合物研發計劃的經驗，我們應重點開展以下幾方面的工作：

（1）盡管甲烷水合物中的天然氣資源潛力極其巨大，但因地質條件（如溫度、壓力）和賦存形式（固相水合物）的特殊以及潛在的安全和環境問題等，對其的開發不同于常規或其他非常規天然氣資源，在短時間內很難實現經濟和社會效益，這就需要政府長期而穩定的政策和資金支持，以國有企業、研究機構和高校等為依托，全面、系統、深入地開展甲烷水合物的相關科學研究和技術研發工作。

（2）重視基礎科學研究和技術研發，加大政策和資金的支持力度，如天然氣水合物的基本物理化學性質（結構形態、熱力學性質、力學性質）及其測試技術和方法、

勘探方法（成藏機理、地震響應特征、測井識別特征、地球化學特征、生物學特征）、資源量評估方法、取樣技術(非保溫保壓取樣技術、保溫保壓取樣技術)、開采方法。

（3）隨著天然氣水合物研發工作的不斷深入，部分國家已開展了對陸域和海域天然氣水合物的試采，如加拿大馬更些三角洲的Mallik、美國阿拉斯加北坡的Mount Elbert和Ignik Sikumi以及日本的Nankai海槽。我國計劃于2015年在中國海域實施天然氣水合物試采工程，根據已有的經驗，為了更好地開展水合物試采工作，應深入了解天然氣水合物儲層的特征，通過室內試驗與生產模擬分別測量和量化不同天然氣水合物藏的生產響應，確定可影響天然氣水合物最終資源潛力的環境問題[10]。

（4）盡管天然氣水合物的開發利用對滿足人類的能源需求有著重要的意義，但也不應忽略水合物開發可能造成的環境和地質災害問題，應首先確定可能產生的主要風險因素，如甲烷泄漏、地面（海底）沉降、海底滑坡等，然后針對不同的地質條件建立更可靠的環境和地質災害風險評價方法，最后根據可能的環境和地質災害風險制定作業規范和應對措施。

（5）天然氣水合物研發是一項綜合性的工作，涉及物理、化學、熱力學、地質、地球物理、油氣工程等多個學科，涵蓋陸地和海洋，這就需要像美國一樣在國家級甲烷水合物研發計劃的制定和實施中發揮相關政府機構（如國土資源部所屬的中國地質調查局和國家海洋局、國家發展和改革委員會所屬的國家能源局、科技部）的優勢，統一協調天然氣水合物的研發工作。

（6）積極參與天然氣水合物領域的國際性研發計劃或項目，與相關政府機構、企業、學術機構等建立長期穩定的聯系，一方面追蹤和分享國外最新研究成果，另一方面加強學習和積累技術研發和項目管理等方面的先進經驗。

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Progress on research on the development of natural gas hydrates in the United States and its application to China

ZHANG Wei1,2, WANG Shu-Ling1,2
(1. National Geological Library of China, Beijing 100083, China; 2. Geoscience Documentation Center, China Geological Survey, Beijing 100083, China)Abstract: Natural gas hydrates are being given increasing attention due to their extensive distribution and role as a potential energy source. Commercial production of natural gas hydrates is not yet feasible; however, countries such as USA, Japan, Canada, and Korea have been researching this energy source for decades. The Methane Hydrate Research and Development (R&D) Act of 2000 was authorized by U.S. Congress, to promote the planning and implementation of a national methane hydrate R&D program. Through cooperation among federal agencies, private institutions, and academics, significant progress has been made in areas such as exploration, resource assessment, fundamental research, production, and environmental impact assessments. This paper firstly summarizes the establishment, progress, and future direction of America's methane hydrate R&D program, and then provides suggestions for improving methane hydrate R&D in China.

energy resources; natural gas hydrate; methane hydrate; research and development program; exploration and exploitation

P618.13

A

2095-1329(2015)02-0079-4

2014-12-24

2015-02-16

張煒(1981-),男,博士,高級工程師,主要從事多組分多相流反應溶質運移和水巖相互作用數值模擬研究以及地學文獻情報研究.

電子郵箱: zhangwei@cgl.org.cn

聯系電話: 010-66554879

中國地質調查局工作項目“國外地質文獻資料集成服務與分析研究”(1212011220914);中國地質調查局工作項目“非常規能源資源調查評價選區研究”(1212011220794)

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.02.018