天然氣水合物產業化看本世紀中葉
——專訪中國地質大學（武漢）教授、俄羅斯自然科學院外籍院士寧伏龍

文／本刊記者 陸曉如

我國天然氣水合物開發已取得顯著成績，但實現產業化還有很長的路要走。

3月26日，自然資源部傳出好消息：中國海域天然氣水合物第二輪試采取得成功并超額完成目標任務。在水深1225米的南海神狐海域，試采創造了“產氣總量86.14萬立方米、日均產氣量2.87萬立方米”兩項新的世界紀錄。這標志著我國天然氣水合物產業化正在穩步推進。

但是，我們距離真正的天然氣水合物產業化還有多遠？面臨著哪些挑戰？還要做哪些切實的工作？為此，本刊記者采訪了在天然氣水合物研究方面頗有建樹的中國地質大學（武漢）教授、俄羅斯自然科學院外籍院士寧伏龍。

多方關注

中國石油石化：寧教授，您好！請問為什么越來越多的國家開始重視天然氣水合物開發？

寧伏龍：這是因為天然氣水合物正成為全球主要大國間能源競爭的戰略高地。眾所周知，能源是社會可持續發展的基礎。未來能源特別是清潔能源短缺，是不得不面對的現實挑戰。自然界中的天然氣水合物，具有分布廣、儲量大、清潔低碳無污染等優點。因此，美國、日本、中國、德國、英國、印度等國非常重視天然氣水合物開發。各國的根本目的，是想實現能源的供給安全。

天然氣水合物分布廣，海洋和凍土帶廣大地區都滿足天然氣水合物形成條件，賦存規模巨大。有估算認為，海洋及大陸凍土帶中的天然氣水合物碳數量是常規化石燃料碳儲量的兩倍左右。其經濟價值足以令各國心動，特別是對能源進口大國，如日本、韓國、印度等。試驗性的開采結果表明，從大陸邊緣海底和凍土帶天然氣水合物中獲取天然氣是完全有可能的。

1993年開始，每三年一屆的國際天然氣水合物大會（ICGH）迄今已舉辦了9屆，重點討論天然氣水合物作為潛在新能源的發展前景和技術突破。此外，每兩年一次的高登研究大會（GRC）下的天然氣水合物系統分會，以及國際甲烷水合物研究與發展論壇，都在關注如何安全高效可控地開采自然界中的天然氣水合物。

中國石油石化：目前，全球天然氣水合物研究和開發進展情況如何？

寧伏龍：天然氣水合物已成為當前地球科學和能源領域研究的一大熱點。各國政府、研究機構和工業界，持續合作開展了大量現場地質、地球物理、地球化學、鉆探等相關調查工作以及室內廣泛的實驗和數值模擬研究，主要集中在天然氣水合物的成藏機理、儲層物性特征、資源潛力、勘探和開采技術及環境影響等方面。

迄今，國際上已經鉆探了超過100口專門用于天然氣水合物地質勘探、環境影響和生產試采的井。日本參與了2002年在加拿大凍土帶進行的天然氣水合物陸上試開采，獲得了寶貴的試采經驗，進而在2013年成功進行了全球首次海洋天然氣水合物試開采，為全球海域天然氣水合物開發邁出了關鍵一步。美國在陸上阿拉斯加和海域墨西哥灣進行了多年的天然氣水合物調查工作，但海域試采一直沒有進行。印度和韓國則準備近幾年進行海域天然氣水合物試采。

目前，國際上已經形成了幾種天然氣水合物開采方案，包括：注熱激發法，通過鉆孔將熱水或熱蒸汽注入，或者井下定向加熱天然氣水合物儲層，使地層溫度超過地層壓力條件下的天然氣水合物相平衡溫度，從而激發天然氣水合物分解，釋放甲烷等氣體；降壓法，通過鉆井排水釋放儲層地層原位壓力，當壓力降低到天然氣水合物穩定區域外，天然氣水合物就會分解并釋放甲烷等氣體，在井筒和儲層壓差作用下流到井筒采出；注抑制劑法，是將化學熱力學抑制劑注入儲層中，通過改變相平衡條件實現水合物分解產氣；CO2置換法，通過注入CO2進入天然氣水合物儲層，從而置換出籠型晶體中的甲烷。

室內實驗和現場試采結果表明，所有的這些方法在技術經濟性和環境影響存在一些問題。如注熱激發法很不經濟；降壓法會導致二次水合物形成，后期效率不高。因此，安全經濟開發天然氣水合物還需要科學界和工業界更多的研究。

成績突出

中國石油石化：天然氣水合物的開發對我國來說有怎樣的意義？

寧伏龍：意義非常大。我國能源供需矛盾仍十分突出，能源安全形勢十分嚴峻，充分挖掘自身天然氣供給能力迫在眉睫。

我國天然氣水合物資源前景巨大。保守估算，在50%概率條件下，南海海域天然氣水合物資源總量約為6.5×1013立方米，陸上青藏高原和東北凍土帶的天然氣水合物資源量約為1.2×1011立方米。南海是我國天然氣水合物產業化的重點區域。其中，東沙、神狐、瓊東南是三大天然氣水合物富集區。據廣州海洋地質調查局預測，南海天然氣水合物遠景資源量達744億噸油當量。

可以說，開發天然氣水合物是國家能源戰略安全的重要保障，是改善我國能源消費結構、建設生態文明的重大需求。

中國石油石化：目前，我國天然氣水合物的開發處于什么樣的階段？

寧伏龍：總體看，我國天然氣水合物的開發處在從試采到商業開發的過渡階段，目前正努力實現從試驗性試采到生產性試采的跨越。

我國天然氣水合物的研究工作起步較晚。上世紀80年代中期開始跟蹤，1999年才啟動海洋地質調查，但之后推進的速度比較快。2011年實現首次陸上試采，2016年進行了第二次陸上試采。2017年在南海神狐海域成功實施了我國首次海域天然氣水合物試采工程。同年，天然氣水合物被列為我國第173個礦種。2017年和2018年先后在神狐和瓊東南海域設立了水合物勘查開采先導試驗區。今年我們又成功進行了第二輪試采。可以說我國水合物開發正處于產業化加速推進時期。

總的來看，經過水合物人20年的研究，我國在凍土和海洋天然氣水合物研究方面取得了巨大進步和豐碩成果。在天然氣水合物開發領域，我國已從跟跑變成并跑并實現了局部領跑，走在天然氣水合物開發前沿。

成績雖有目共睹，但不可否認的是，我國在天然氣水合物開采基礎領域與日本、美國還有一定的差距。此外，受制于石油工業和先進材料領域的一些差距，我們在安全高效開采相關基礎理論、設備和工具方面落后。但是，在工藝方法和產業化體系上我認為我們是領先的，特別是針對低滲弱固結的泥質粉砂天然氣水合物儲層，我們的經驗和方法是領先的。但天然氣水合物的開發是世界性難題，產業化仍有待科研攻關，實現天然氣水合物產業化，我們還有很長的路要走。

挑戰重重

中國石油石化：要實現天然氣水合物產業化利用存在哪些困難？

寧伏龍：天然氣水合物產業化是一個系統工程，涉及上、中、下游相關配套技術的發展，還面臨全球政治和經濟格局的制約。如果不考慮社會和環境因素，只看上游勘探開發，我個人認為目前天然氣水合物開發還存在四個突出問題。

一是天然氣水合物儲層認識不足。天然氣水合物具有分布復雜、相變、深水、淺埋等特性，加之儲層的非均質性、各向異性以及缺乏適合天然氣水合物的測井評價模型和安全可靠的高保真取樣器、巖心保真轉移設備，導致精細刻畫天然氣水合物儲層異常困難。現有的儲層原位測試要求高、費用貴，而實驗測試又難以合成貼近原位的有代表性的樣品，尺寸效應非常明顯。所有這些，進一步制約了我們對儲層的準確認識。

二是開采成本高，經濟效益低，缺乏突破性的開采方式。現有降壓開采存在成本高、產量遞減快、穩產高產難等問題。比如現有試采都采用常規深水油氣鉆井平臺，日均運行成本高，對于厚度只有300米左右的天然氣水合物儲層來說有點大材小用。此外，儲層增產改造困難，雖容易壓裂、無誘發地震風險，但不易維持縫網通道。采用水平多分支井、徑向井甚至對接井等復雜井型可提高產能，但在海域淺軟成井相對困難，成本較高。

三是長期開采安全與環境風險較高。開采過程中儲層響應行為復雜，具有多尺度、非線性、強耦合時空演化特征，很難準確預測。因此，難以有針對性對儲層進行控制，導致儲層失穩、出砂，產量偏低，乃至引發地質災害甚至人身安全事故。

四是重工程輕機理。目前，我們比較關心高產穩產技術、防砂技術、防止儲層失穩和氣體泄漏的技術，但對這些工程技術背后的科學問題，特別是對前面提到的開采過程中儲層動態響應內在機理重視不夠。天然氣水合物儲層之所以區別常規和其他非常規油氣儲層，就是因其自身特性及其相變行為。這種相變行為，與儲層滲流、傳熱行為、力學行為以及相應的流固（水、氣、泥砂）產出行為在時空上強烈耦合在一起。要定量刻畫這種耦合行為及其機制，目前還是非常困難的。此外，當前研究多考慮水合物“量”的工程影響對其“質”的作用，如表面形貌、自身力學性質以及與骨架顆粒間的相互作用等機理方面的研究還明顯不足。

中國石油石化：如何解決這些困難？

寧伏龍：如何安全高效、長期可控地開采天然氣水合物，是實現產業化的關鍵。而這里面的難點、堵點和痛點，就是儲層特別是井周儲層精細刻畫及其開采過程中的動態響應規律。

儲層精細刻畫是基礎，儲層響應行為表征是關鍵，儲層行為控制與改造是目標。因此，解決上述困難首先要圍繞儲層精細刻畫與評價方法進行突破。比如，針對天然氣水合物儲層的更好的測井識別和評價方法、基于大數據深度學習的資源評價與有利選區評價技術、儲層微觀結構與水合物定量表征技術、“甜點區”關鍵地質參數定量表征技術等。

進而從開采過程中儲層動態響應機理、耦合行為規律與控制入手，通過研究儲層響應機理，找到儲層失穩、出砂和產量偏低的控制因素，通過研究儲層力學行為規律、滲流行為規律、傳熱和相變行為規律，以及四者的耦合，研究流固產出和井眼穩定一體化分析預測技術。這是儲層生產控制的基礎，可為后續儲層增產改造、防砂、井眼穩定一體控制技術提供理論和技術支撐。而在控制技術上，我們可嘗試一些創新的化學工程與材料技術甚至人工智能技術，解決儲層失穩、出砂、產量低等工程難題。

前景光明

中國石油石化：在您看來，如何才能加快我國天然氣水合物產業化的步伐？

●供圖/人民視覺

寧伏龍：在我看來，首先要確定科學的開發理念和技術思路。地質—工程一體化是公認的非常規油氣實現效益開發的最佳途徑。水合物儲層工程地質特性決定了其高效開發也需要地質—工程一體化。此外，水合物賦存區域生態脆弱、開采可能誘發的甲烷泄露和海底地質災害等環境風險高，因此，地質—工程—環境一體化開發理念應是水合物產業化的必由之路。此外，多尺度表征刻畫、多場耦合分析預測、多學科交叉控制、多部門協作攻關的技術思路，對加快我國天然氣水合物產業化發展十分重要。

正如我前面所說，首先我們需要夯實基礎理論，通過多學科交叉、多尺度表征研究天然氣水合物在沉積物中的聚散機理，如相變熱力學和動力學理論等，研究天然氣水合物儲層開采過程中的力學行為特征、滲流行為規律、傳熱行為模式，進而發展基礎的相變滲流理論、相變傳熱理論和相變力學理論，厘清儲層多場耦合機制，并建立相應的基于數據驅動的全耦合模型。

其次，需要掌握天然氣水合物儲層稟賦特征，包括成藏條件與富集機制、資源量估算、地質甜點識別和評價方法、開采過程中上蓋層、儲層、下伏層結構和物性演化特征等。

再次，需要厘清井眼—儲層構效關系。不管采用何種井身結構，還是后續儲層增產改造，都需要厘清井身、井網、裂縫結構與儲層產能的關系，進而確定工程和環境甜點，開發低成本成井和開采工藝。總的來說，應將儲層工程地質特性、井身結構、完井方式、井內工具、儲層改造、環境監測與生產制度一體化考慮，基于地質—工程—環境一體化思路，實現開采過程中儲層穩定、泥砂管控與產能最大化的有機平衡。

最后，需要產—學—研—政相結合，加強統籌謀劃，做好頂層設計。現在天然氣水合物項目很多，甚至有些項目類似，比較浪費資源。需要打破利益屏障，優化資源配置，集中全國力量進行攻關。我們可以借鑒美國、日本的經驗，成立國家天然氣水合物開發委員會，發布統一的國家天然氣水合物研究開發計劃，將政府—研究機構—產業界—公眾教育無縫銜接起來。

中國石油石化：您對我國實現天然氣水合物產業化利用樂觀嗎？

寧伏龍：當然樂觀，但我們不能求快，要穩扎穩打。對能源的渴求之心，不能超過對自然的敬畏之心和對環境的保護之心。

目前，我國天然氣水合物開發利用正處在關鍵時期，全球天然氣水合物開發也處在十字路口，面臨多重選擇。我們需要沉下心來，穩住并思考我們的長遠目標是什么。

由于海域水合物常與盆地中的常規油氣共生共存，因此我個人是支持淺層氣、天然氣水合物、常規游離氣和水的“三氣一水”共探共采。因為不管是哪類氣，我們的目的是要獲得清潔的天然氣資源，同時還能解決平臺大材小用問題。因此，應從整個水合物油氣系統角度進行思考和開發規劃。在統籌規劃的基礎上，可分階段、分步驟實施產業化突破。比如，第一步可先嘗試新井身結構，第二步可嘗試儲層增產改造新方法，并在單井層次上實現地質—工程—環境一體化開采。第三步可嘗試水合物氣和游離氣的兩氣合采，最后實現海底開采井的網絡化和智能化。最終，在單井、井網平臺和區塊三個層次上實現地質—工程—環境一體化開發。

萬事開頭難。但隨著技術的進步，我們有理由樂觀地認為，到本世紀中葉，冰籠之火——天然氣水合物將成為人類清潔能源的重要組成部分。我想以毛主席“雄關漫道真如鐵，而今邁步從頭越”這句詞，與研究天然氣水合物的同仁們一起共勉！