碳達峰目標下中國深海天然氣水合物開發戰略

魏 納 白睿玲 周守為 羅平亞 趙金洲 張 耀 薛 瑾

“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學

1 深海天然氣水合物發展機遇

為有效應對全球氣候變暖的問題，國際社會積極推進碳減排，通過《巴黎協定》對2020年后應對氣候變化的國際機制作出了安排，進一步提出努力實現1.5 ℃的升溫控制目標[1-2]。鑒于中國超百億噸的年二氧化碳排放量及其尚處于快速增長階段等現實情況，在2030年前碳排放達峰，意味著中國占全部溫室氣體排放量73%的能源行業將在未來十年步入深度低碳轉型的加速期。

中國能源體系以化石能源為主，在目前“雙碳”目標的背景下碳減排壓力巨大，亟待推進能源技術革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系[3]。非化石能源替代化石能源是根本舉措，但短期內這個目標難以實現。在發電工業端，受資源和安全環保要求限制，核能和水能增量空間不足；光伏、風電受天氣及地域的影響較大且調峰能力差。而在供熱工業端，氫能和可再生能源發電取熱技術由于成本過高，尚不具備大范圍推廣的條件。綜上所述，提高非化石能源比重任重道遠，在化石能源里提高低碳能源的消費比例是中國實現碳達峰、碳中和的有效途徑。

與煤炭、石油相比，天然氣熱值高、碳排放量少且燃燒后無廢渣、廢水產生，具有使用安全、熱值高、潔凈等優勢，作為高污染化石能源向清潔能源轉換的重要橋梁，天然氣將成為中國能源結構調整的主要增長點和低碳轉型的主力軍，是中國建立清潔低碳、安全高效的能源體系和兌現“碳達峰、碳中和”目標的必然選擇。“十四五”國家經濟發展規劃綱要中也明確指出，應逐步構建以綠色和低碳能源為主導的新的能源消費結構體系，提高天然氣在一次能源中的消費比例。

盡管國內天然氣產量在過去十幾年增速很快，但是遠趕不上消費增速，2020年，中國天然氣年產量為 1 900×108m3，年消費量為 3 200×108m3，對外依存度達43%，預測2025年中國天然氣年產量峰值為 2 500×108～ 2 700×108m3，年消費量峰值介于 5 500×108～ 6 000×108m3，對外依存度將超過50%[4]。隨著全球地緣經濟政治格局的深刻調整和新冠肺炎疫情的持續蔓延、全球貿易爭端加劇等因素給中國天然氣進口帶來較大的不穩定性，過度依賴進口天然氣來滿足國內需求，顯然存在長期的隱患。應盡可能延緩天然氣對外依存度迅速上升的趨勢，為能源轉型過程中增強天然氣的自主保障能力爭取時間和空間。

天然氣水合物（以下簡稱水合物）具有儲氣密度高、燃燒熱值高等特點，是一種清潔高效的能源資源和化工原料[5-6]，主要分布在陸地凍土帶和沿海大陸架，全球已累計發現超過230個水合物礦區，總量達7.6×1018m3，是已知含碳化合物（包括煤、石油和常規天然氣等）總和的2倍[7]。其中，海洋水合物超過90%，僅中國南海的資源量就約85×1012m3，是全國陸地常規天然氣總儲量的2.12倍，是繼頁巖氣、致密氣、煤層氣等之后潛力巨大的接替能源[8-11]。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》將“水合物開發技術”部署為27項前沿技術之一[12]；國家《能源發展戰略行動計劃》提出加大水合物勘探開發技術攻關力度，積極推進試采工程[13]；國家《能源技術革命創新行動計劃》提出突破水合物勘探開發關鍵技術，開展先導鉆探和試采試驗[14]。2017年11月，國土資源部宣布水合物獲批成為中國第173個新礦種[15]。隨著“雙碳”目標以及“擱置爭議、共同開發”雙軌維權的推進，水合物的規模化開發將迎來最佳歷史發展機遇，在常規氣供給缺乏彈性、非常規氣增產有限的條件下，若實現資源量巨大的水合物規模化開發，2035年可增加天然氣產量超過800×108m3，使中國天然氣對外依存度大幅降低，有助于改變中國的能源供給格局，改善能源消費結構，加快實現碳達峰、碳中和的目標任務。

2 水合物開發研究現狀

2.1 水合物開采方法

目前，水合物開采方法可歸納為4種類型，即降壓開采法、注熱開采法、注化學劑開采法、其他開采方法。開采原理大部分為采用各種方法破壞水合物的相平衡狀態，使天然氣從水合物中分解后采出。

2.1.1 降壓開采法

通過降低水合物儲層壓力，打破水合物的相平衡條件，促成分解產氣，能夠同時開采氣藏和水合物藏[16]。

2.1.2 注熱開采法

通過向水合物儲層注入熱水、熱鹽水、蒸汽、其他熱流體或者采用電加熱、微波加熱、就地燃燒重油、電磁加熱等方法升高儲層溫度，從而打破水合物的相平衡條件，促成其分解產氣[17]。

2.1.3 注化學劑開采法

水合物的相平衡條件在化學試劑的作用下會發生改變，此時水合物在較低的溫度下即可發生分解。利用此原理向水合物儲層注入醇類、鹽類化學試劑，促使水合物分解的方法即為注化學劑開采法[18]。

2.1.4 其他開采方法

CO2置換法、陸上開采近海水合物法、四合一法等新的開采方法正在研究中。CO2置換法是用CO2置換水合物中的甲烷氣體，新形成的CO2水合物能夠保持沉積物的力學穩定性，同時將CO2儲存在地層中以減少部分溫室效應[19-20]。陸上開采近海水合物法是采用陸地鉆斜井并配合井下鉆孔作為采氣通道的開采方法，其安全開采水合物的同時無需海洋油氣相關設備[21]；四合一法即利用氧化、還原、催化、置換等4種原理進行水合物開采，直接在井下放一個高溫催化爐，催化甲烷成為氫氣、一氧化碳時釋放出熱量從而促使水合物分解[22]。

2.2 水合物試采工程及中國水合物開發技術水平

2.2.1 水合物試采工程

全球已有以下5個水合物試開采區：蘇聯麥索雅哈凍土區、加拿大麥肯齊三角洲凍土區、美國阿拉斯加北坡凍土區、日本南海海槽、中國南海神狐海域。1965年，蘇聯首次在西西伯利亞發現凍土水合物，1970年實施開采，是全球公認最早開采實例[23]；加拿大分別于2002年和2008年在麥肯齊凍土區采用降壓法實施了兩次水合物試開采計劃，日產氣速率高達 0.2×104～ 0.4×104m3[24]；美國能源部建立專門針對水合物開發的基礎、應用研究國家級項目，即“甲烷水合物調查研究和開發行動法案”（Methane Hydrate Research and Development Act），主要目標為建立全球水合物數據庫，解決開采技術難題，評估其對國家能源安全貢獻值以及對常規油氣的影響。1971年，美國在大西洋大陸性洋脊布萊克海臺首次發現海洋水合物，1980年采集到水合物樣品，2007年美國在阿拉斯加北坡凍土區采用降壓法實施了水合物試采，最高日產氣量為5 300 m3[25]；日本分別于2013年和2017年采用降壓法在愛知縣海域進行了兩輪海洋水合物試采，2013年累積產氣量 11.95×104m3，2017 年累積產氣量 22.3×104m3，均因儲層出水和水合物二次生成堵塞井筒等問題中斷生產[26]；2017年和2020年中國利用降壓法分別開展了兩輪海域水合物試采工程，2017年連續試氣點火60天，累積產氣30.9×104m3，創造了持續產氣時間最長的世界紀錄，2020年在為期30天的連續產氣試驗中累積產氣86.14×104m3，日均產氣2.87×104m3，創造了日均產氣和產氣總量兩項新的世界紀錄，實現了從“探索性試采”向“試驗性試采”的重大跨越[27]。

目前已實施的降壓法水合物試采，均借鑒常規油氣開采工藝，無論是針對成巖水合物還是非成巖水合物都是短期科研試采，回避了長期開采面臨的環境、裝備、生產和工程地質等安全風險。且該方法在開采海洋非成巖水合物時存在很大的局限性，水合物在地層內無序分解，分解后的天然氣容易逸散到海底，無法大規模商業化應用。

2012年，周守為等[28-29]針對海洋非成巖水合物的自然屬性，提出了固態流化開采設想，其科學實質是將非成巖不可控水合物藏轉變為密閉管道內可控水合物藏，實現水合物在密閉管道內可控有序分解。西南石油大學聯合中海油研究總院有限責任公司、航天科工宏華集團有限公司歷時5年發明和研制成功全球首個具有完全自主知識產權的“海洋非成巖水合物固態流化開采大型物理模擬實驗系統及實驗方法”，實現了水合物固態流化開采全過程模擬[30-31]。依托該實驗系統，通過大量模擬實驗優化南海神狐海域目標井關鍵施工參數，制定了首輪固態流化海域試采工程的方案，并于2017年5月在南海神狐海域成功實施全球首次海洋水合物固態流化試采，采收率達80.1%，證明固態流化開采技術原理可行、開采工藝可行。隨著該系統和技術的進一步升級，有望成為中國引領世界前沿的一項顛覆性技術，加快中國乃至全球水合物商業化開發進程。

2.2.2 中國水合物開發技術水平

從世界主要國家研究與試采現狀可以看出，中國水合物研究相較于世界其他國家總體呈現“工程集成適度領先、單元技術部分落后、基礎理論亟待突破”的特點（圖1）。

圖1 中國水合物開發技術水平與國際水平對比簡圖

3 深海水合物開發方向

中國南海水合物以泥質粉砂非成巖水合物為主，沒有常規油氣藏致密蓋層，大多表現為與下伏游離氣縱向耦合共生關系，豐度低、產量低，如圖2所示[32]。雖然，中國試開采水平已躋身國際領先地位，但水合物規模化開發仍面臨以下理論與技術難題：①豐度低，連續試采困難，難以實現安全環保經濟開采，資源等級定量劃分和開發模式響應關系尚未建立；②開采過程中儲層熱、流、力、空間、結構、多場時空演化不清，尚未找到較好解決水合物試采影響生態環境的方法；③開采過程儲層、井筒到水下采油樹、海底管道及下游工藝設施中氣—液—砂—水合物四相復雜流動規律不清、水合物再生機制不明。

圖2 水合物與下伏常規氣耦合共生關系圖

基于上述理論與技術難題，利用中國工程院戰略咨詢智能支持系統對2000—2020年國內外水合物相關論文專利進行聚類分析，根據分析結果，將水合物研究與開發劃分為：室內模擬測試技術、地質勘探技術、鉆探取樣技術、三氣合采技術、環境風險監測技術5種類型，其具體發展方向分析如下。

3.1 深海水合物室內模擬測試技術

伴隨水合物試采進程加快，針對多類型水合物聯合開采的微觀—介觀—宏觀的多尺度開采模擬方法與進一步精確模擬和評測水合物物性的水合物多功能一體化評測實驗裝置將成為研發重點。深海水合物室內模擬測試技術研究現狀與發展方向如表1所示。

表1 深海水合物室內模擬測試技術研究現狀與發展方向表

3.2 深海水合物勘探技術

以水合物探測和試采、產業化開發為核心，高技術交叉領域快速發展，多學科、多方法綜合調查研究的找礦方法及高精度、立體化、綜合探測技術將是未來的發展方向。深海水合物勘探技術研究現狀與發展方向如表2所示。

表2 深海水合物勘探技術研究現狀與發展方向表

3.3 深海水合物鉆探取樣技術

水合物鉆探取樣技術研究呈現多元化，大型可視開采模擬、數值模擬與試采、工業開發計劃逐步實施，不同賦存形式表層、淺表層、深層水合物安全高效開采工藝將是未來的發展方向。深海水合物鉆探取樣技術研究現狀與發展方向如表3所示。

3.4 三氣合采技術

隨著資源開發模式與試采工程趨向水合物和油氣聯合開發，水合物、淺層氣、天然氣藏的縱向立體開發技術將是未來的發展方向。水合物三氣合采技術研究現狀與發展方向如表4所示。

表4 水合物三氣合采技術研究現狀與發展方向表

圖3 深海水合物全過程開采大型實驗物理模擬系統照片

3.5 深海水合物環境風險監測技術

該技術的研究現狀與發展方向如表5所示。水合物局部—整體、短期—長期的綜合監測、系統評價及高分辨、大尺度、實時化、立體化的探測和監測將是未來的發展方向。

表5 水合物環境風險監測技術研究現狀與發展方向表

4 中國深海水合物開發路徑

4.1 深海水合物研究開發鏈和技術路線圖

結合國內外深海水合物試采現狀、中國能源需求與資源稟賦、水合物發展方向，制定出中國深海水合物研究開發鏈（圖8）和2020—2035年深海水合物開發理論與技術路線圖（圖9），并在此基礎上提出相關戰略支撐與保障建議，以推進水合物規模化開發進程，保障中國天然氣能源的可持續安全供給，助力碳達峰碳中和目標加快實現。

圖4 三維地震與海底高頻地震聯合探測技術圖

圖5 大型多功能、高精度工程勘探船照片

圖6 多氣合采立體開發技術圖

圖7 深海水合物鉆井風險管理技術體系圖

圖8 中國深海水合物研究開發鏈圖

圖9 2020—2035年中國深海水合物開發理論與技術路線圖

4.2 統籌部署、分步實施

目前，中國已建立水合物國家重點實驗室、海洋水合物開發省部共建協同創新中心、深海水合物高效開發學科創新引智基地等多個水合物開發基礎研究平臺，建議接下來依托研究平臺，聯合國內優勢力量啟動“深海水合物、淺層氣、油氣一體化勘探開發”重大科技工程，以實現深海水合物規模開發為目標，技術經濟可采為攻關方向，統籌部署、分步實施：①2022—2025年，探索南海先導試驗區成藏機制和資源評價方法，建立綜合勘查技術裝備體系，實現鉆探取樣、在線測試裝備國產化，形成穩定試采工藝、防砂工藝、流動安全保障工藝，實現水合物和常規氣合采；②2026—2030年，鎖定南海先導示范區水合物及常規氣富集區，實現井下機具ESP等國產化，完善固態流化和降壓法聯合試采技術及工藝，實現水合物—油氣一體化開發技術與裝備配套，實現試采過程安全監測設施國產化，建成先導示范區，實現規模化試采；③2031—2035年，初步建立南海水合物規模開發技術方法，形成完全自主的作業裝備、技術和工藝體系，建立示范區建設規范和標準，構建規模開發環境風險控制技術體系，建成商業化示范區，實現商業化開采。

4.3 相關建議

4.3.1 強化頂層設計

水合物開發利用是一項龐大而復雜的系統工程，跨多學科，涉及基礎科學、應用技術和工程技術，需要相關領域的領先機構通力合作、共促發展。應充分發揮政府機構、企業、高校及科研院所的優勢，開展水合物開發技術研究工作，避免人力財力浪費；建議從國家層面，開展水合物規模化開發政策研究，制定相應的投資法規、稅收、產權保護等產業發展政策，在國家科技計劃中設立“水合物資源開發”重點專項，統籌建設水合物國家技術創新中心，積極引導跨部門合作，對水合物開發創新技術協同攻關，整合國內優勢科技力量和資源，在研究方向上進行統籌性的規劃與分工，“產、學、研、用”相結合，實現水合物資源開發統籌部署、資源勘查與試采技術、開采裝備等研究的無縫銜接，共同推進水合物勘探開發技術研究，占領國際水合物開采理論和技術研究的制高點。

4.3.2 發揮企業主體作用

企業具有創新資源富集、技術布局完備、產業鏈韌性高、外溢及帶動效應明顯等特征，在產業鏈中占據重要位置，是重要的創新戰略實施平臺。建議在開發利用水合物的過程中，發揮企業主體作用，在基礎理論和勘探開發方面，結合現有傳統油氣工業的經驗與特長與國內領先的科研院所合作，摸清水合物的資源分布與物性特征，大力發展水合物勘探開發技術；在工程裝備研發制造方面，結合油氣工程裝備制造優勢，與領先的海洋工程裝備研發機構合作，形成擁有自主知識產權的水合物開發裝備體系；在水合物安全風險監測方面，加強水合物開采風險控制，開展綜合技術經濟評價和環境監測研究，發揮企業的資本優勢，與金融等行業合作，在水合物開發利用初期探索實施聯合投資，實現利益共享、責任均擔，最大程度降低水合物開發中可能面臨的各類風險。

4.3.3 積極開展國際合作

應抓住新一輪能源結構調整和能源技術變革的機會，推動水合物產業化發展。水合物開發利用作為中國著力推進的面向國家重大需求戰略高技術研究領域之一，其規模化開發需要長期持續的技術研發和巨大的人力財力支撐，國際長時間處于水合物研究領域前沿的機構，對水合物開發利用技術研究深入，與這樣的研究機構進行技術交流與合作，可學習先進經驗、取長補短，使中國始終保持在水合物開發利用研究的前列，及時掌握水合物研究領域最前沿的理論技術，降低研究成本，保障水合物開發利用研究長期可持續，是推動水合物規模化開發技術進步的重要途徑。

5 結束語

海洋水合物開發作為國家能源重大發展戰略，不僅是國家經濟社會發展的重大現實需求，也是能源發展方式轉變的重大現實需求，其開采技術具有意義重大和難度巨大的雙重屬性，在國家層面具有戰略性和革命性特征，在技術層面具有前沿性和競爭性特點。

通過制定水合物領域全球技術清單可以發現，針對深水淺層水合物、淺層氣、深部油氣的共存成藏機理以及地質分布特征，高精度探測技術、地球物理、地質及測井、鉆探等立體化、綜合探測技術是未來主要發展方向。隨著試采數據的獲取，其資源評價方法正在向精細化發展，為保障安全鉆采作業，資源開發模式與試采工程趨向水合物和油氣聯合開發，新型合采技術和合采設備將是研發熱點和前沿方向，而針對深海水合物不同開發模式，急需建立局部—整體、短期—長期的綜合監測、系統評價機制，確保水合物的穩定試采和規模化開發。