“雙碳”目標下我國天然氣水合物勘查開采發展建議

胡洪瑾，姜文利，李登華，趙 凱，鄭志紅，高 陽，姜 航

(1.自然資源部油氣資源戰略研究中心，北京 100860；2.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

0 引 言

2020年9月，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話并宣布，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。能源結構低碳化轉型是碳達峰、碳中和目標實現的關鍵之一。作為一種高效清潔的未來新型戰略能源，天然氣水合物在能源消費結構優化改善方面起著重要的作用[1-3]。理清天然氣水合物在助力“雙碳”目標實現方面的重要意義，全面系統梳理其勘查開采及研究現狀，查找制約天然氣水合物發展的主要問題，明確未來努力方向，是實現天然氣水合物高質量發展的關鍵。

1 “雙碳”目標與天然氣水合物

1.1 “雙碳”目標概述

從20世紀80年代開始，隨著全球氣溫不斷升高，氣候問題引起了廣泛關注。目前，“二氧化碳等溫室氣體增加導致氣溫上升”這一說法獲得了廣泛認同。世界各國多次組織召開氣候會議，商定碳減排的目標與細則[4]：1992年5月，聯合國大會正式通過《聯合國氣候變化框架公約》；1997年，各國簽署了《京都議定書》；2005年，《京都議定書》正式生效；2008年，《京都議定書》要求主要工業發達國家減排溫室氣體；2009年，《哥本哈根協議》發表，就減排問題達成共識；2011年，綠色氣候基金啟動；2013年，開始實施《京都議定書》第二承諾；2015年12月，巴黎氣候大會正式通過《巴黎協定》。截至2021年1月20日，全球已有127個國家和地區提出了碳中和目標，其中大多數國家預計到2050年實現碳中和，而瑞典、芬蘭等少數國家預計2035—2045年實現。

《聯合國氣候變化框架公約》明確了六種需要控制的溫室氣體，分別是二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟化碳和六氟化硫，其中，二氧化碳占比最大，約為60%。“碳排放”指的就是二氧化碳排放，也是溫室氣體排放的總稱與簡稱。“碳達峰”指的是一個組織的二氧化碳排放量進入平臺期的過程。平臺期指的是二氧化碳排放量穩定在某個水平，年均增速接近于零，不會發生明顯波動。“碳中和”指的是一個組織利用二氧化碳吸收技術抵銷一年內二氧化碳的排放量，簡單來說就是讓二氧化碳排放量與二氧化碳吸收量實現對等[4]。“雙碳”目標的實現需要能源結構、產業結構、消費結構等全面改革調整，需要碳捕集、利用與封存(CCUS)技術等低碳技術、負碳技術、零碳技術的全程賦能，其中，能源結構調整、實現碳減排是改革重點，CCUS技術是實現零碳排放的最佳途徑和“終極武器”。

1.2 天然氣水合物及其環境效應

天然氣水合物，又名可燃冰，是甲烷和水在海底高壓低溫下形成的白色固體燃料，可以被直接點燃。天然氣水合物是地圈淺部一個不穩定的碳庫，是全球碳循環的一個重要環節，在地圈與水圈、氣圈的碳交換中起到了重要作用，對全球碳循環及氣候變化具有雙重作用。

消極環境效應主要表現為水合物中甲烷氣直接或通過化學和生物化學以二氧化碳的形式間接釋放進入大氣。天然氣水合物自身的主要組成成分是甲烷，甲烷的含量極其豐富，是大氣中甲烷含量的3 000倍。此外，天然氣水合物是一種亞穩態物質，沉積物中的天然氣水合物在所處周圍環境條件發生變化時，溫度-壓力平衡會遭到破壞，極易造成天然氣水合物的分解、逸散和儲層結構變化等，從而可能引發甲烷泄露等環境問題[8]。而甲烷是一種活動性強的溫室氣體，其溫室效應是二氧化碳的21～80倍，甲烷泄露可能會對全球氣候產生重大的影響。因此，在充分挖掘天然氣水合物清潔能源特性的同時，要盡力減少負面環境效應的影響。

2 天然氣水合物勘查開采研究現狀

闡明天然氣水合物的勘查開采研究現狀，尤其是我國天然氣水合物發展現狀，是查找制約其發展的關鍵問題、充分發揮天然氣水合物資源及環境優勢、助力“雙碳”目標實現的前提和基礎。

2.1 理論、技術研究現狀

天然氣水合物理論研究主要包括實驗室水合物合成研究[9]、管道堵塞及防治研究[10]、資源調查研究[11]、開發利用研究[12]和環境效應研究[13]等五個方面。涉及到的關鍵技術包括天然氣水合物模擬實驗技術、勘查識別技術、開采技術等[14]。

天然氣水合物的勘查技術主要包括地球物理識別(主要包括地震與測井識別技術)和地球化學識別等技術手段[14-15]。地球物理識別技術是目前最常用的識別手段，包括似海底反射層(BSR)、振幅空白反射、速度倒置、速度-振幅異常結構等[16]。地球化學識別主要基于海底淺表層沉積物、沉積物中的自生礦物及底水進行分析和研究[17]。

天然氣水合物開發方法主要有熱激發法、減壓法、化學試劑注入法、二氧化碳置換法、固體開采法以及多種開采模式組合法等[18]。

2.2 國外勘查開采現狀

自人類發現天然氣水合物以來，大致經歷了實驗室研究、管道堵塞及防治、資源調查與開發利用等四個階段[19-20]。第一階段始于1810年英國科學家在實驗室合成了氯氣水合物，以實驗室研究為主。第二階段自1934年起始，美國科學家提出輸氣管道堵塞與天然氣水合物有關，從負面加深了對水合物的研究。第三階段是從20世紀60年代起始，蘇聯借助地球物理方法首次在西伯利亞永凍層中發現了天然氣水合物，有礙油氣輸送的阻塞物被重新定位為天然氣礦產資源；20世紀70年代末至80年代初，深海鉆探計劃(DSDP)和大洋鉆探計劃(ODP)陸續實施，在全球多處海底發現了天然氣水合物，天然氣水合物研究以及綜合普查勘探工作進入全面發展階段。21世紀開始進入開發利用階段，世界各國獨立或合作進行了試驗性開發。

國際上先后有美國、日本、印度、俄羅斯、加拿大與韓國等40余個國家和地區開展了天然氣水合物的相關工作，全球范圍內已發現的天然氣水合物礦點230余處，其中約97%分布于海洋中[19-22]。目前天然氣水合物研究重點已從資源勘查轉向開發利用，已進入試驗開采階段的有美國、日本、印度、韓國、俄羅斯和加拿大等國家。近年來，試采領域從陸地轉向海洋，試采規模逐漸擴大，試采方法也不斷更新。

如嘉靖五年五月，費宏為少師兼太子太師吏部尚書謹身殿大學士，楊一清為少師兼太子太傅吏部尚書武英殿大學士。太子太師高于太子太傅，故宏“居一清上”［7］（卷1，費宏傳）。嘉靖十年九月，李時為太子太保禮部尚書文淵閣大學士，翟鑾為禮部尚書文淵閣大學士。“時后入，以宮保官尊，反居鑾上。”［2］（卷193，李時傳）

2.3 國內勘查開采現狀

我國從20世紀80年代開始天然氣水合物研究，勘查開采歷程總體上可分為三個階段[22]。第一階段是研究預查階段(1985—2001年)，設立專項課題，首次證實在南海北部存在似海底反射層(BSR)，設立天然氣水合物模擬實驗室并成功合成樣品。第二階段是調查突破階段(2002—2010年)，在南海開展調查研究，初步圈定找礦重點目標區，2007年于神狐海域獲取第一件水合物實物樣品，同時在東北地區、青藏高原等永久凍土區展開調查并發現水合物存在標志。第三階段是勘查試開采階段(2011年至今)，于2011年和2016年在祁連山地區成功實施陸域天然氣水合物試采工程；2013年，在珠江口東部、神狐海域等第二次鉆獲水合物樣品，證實可觀的資源潛力；2017年和2020年在神狐海域開展兩次試采，分別采用直井和水平井鉆采技術，試采試氣分別持續60 d和30 d，累積產氣量分別超過30萬m3和86.14萬m3，平均日產氣5 000 m3以上和2.87 m3[23-24]，標志著我國天然氣水合物開采已經達到“技術上可行”，成為第一個實現在海域天然氣水合物試采且能夠連續穩產的國家，實現了從“探索性試采”向“試驗性試采”的重大跨越、從“跟跑”到“領跑”的歷史性一步。

3 存在的主要問題

針對天然氣水合物雙重環境效應，需要努力實現積極環境效應最大化和消極環境效應最小化，助力“雙碳”目標實現 。具體而言，天然氣水合物作為清潔替代能源，需要早日實現大規模商業開發，將豐富的資源潛力轉變為實際的儲產量；作為碳封存的有效儲集庫，要充分發揮其天然優勢；針對甲烷泄露等環境風險問題，要堅持“預防為主”，構建監測-防治體系。目前仍存在以下問題。

3.1 勘查方面：理論、技術研究弱，調查程度低，目標儲備區不足

目前，我國已形成了初步的天然氣水合物成礦及勘探理論技術，但仍然存在如下問題亟待解決。一是對水合物成因成藏理論研究不夠，尤其是烴源(天然氣成因及來源)問題尚不明確；二是缺乏有效的探測識別技術，水合物綜合判識方法體系有待進一步完善；三是基礎成藏理論研究的薄弱導致其資源量及商業開采規模等基本要素不確定，資源潛力預測方法科學性欠佳，合理的資源評價體系有待建立；四是水合物沉積層巖石物理方面的研究尚不深入，儲層探測技術不完善，制約開發生產設計。

我國雖然圈定了一批天然氣水合物找礦有利區，但調查程度較低，目前總體上仍處于起步階段，有利目標區和后備接續區不足，商業化開采的基礎弱。僅南海北部部分海域已進入到鉆探-試采階段，南海其他海域、東海海域和陸上凍土區等則仍處于概查階段或者普查階段。

3.2 開采方面：理論、技術尚不成熟，實現商業化開采任重道遠

雖然世界各國已開展了多輪試采，積累了一定的理論技術和實踐經驗。但目前開采利用仍缺乏完整的理論體系指導，大多仍處于試驗階段，已有開采技術方法存在生產效率低、開采條件要求高、所用材料昂貴、環境風險大以及出砂、井筒相變、產能不穩定等問題。目前，實現安全、高效、商業化開采仍有難度。

美國于2012年2月—4月在阿拉斯加北坡普拉德霍灣區開展試采，由于設備問題最終關井，實際生產時間30 d。日本于2017年5月和6月兩次試采，雖然成功從海底富砂儲層中實現產氣，但分別由于出砂和冰封的原因導致停產。俄羅斯在1972—2004年對麥索亞哈氣田進行開采，由于為間歇性產氣而最終宣告失敗。加拿大分別在2002年、2007年和2008年對麥肯齊三角洲陸域進行了水合物試采，產氣持續時間為14 d、12.5 h、6 d，最終由于出砂而停產。我國雖然在試采中初步實現了防砂技術的創新，但畢竟試采時間短，能否解決長期防砂實現商業化開采還需進一步試驗。

3.3 碳封存應用方面：二氧化碳-甲烷置換開采方式存在“卡脖子”問題

二氧化碳置換開采天然氣水合物中的甲烷被認為是能同時實現天然氣水合物開采與二氧化碳減排、封存的雙贏技術，具有保持天然氣水合物礦藏的地質力學穩定性、減少發生邊坡失穩風險的優勢。然而，由于置換形成的次生二氧化碳水合物會堵塞用于氣體置換的滲透性通道等原因，該方法具有置換效率低的缺點[20]。目前關于二氧化碳-甲烷置換機理還存在較大爭議，存在甲烷水合物先分解后再形成二氧化碳水合物或者二氧化碳直接在水合物籠內驅替甲烷的機理之爭[18,20]。置換機理的不明確，制約了置換效率的突破。

此外，二氧化碳置換開采中的捕獲、匯集等配套技術和設施尚不完善，水合物礦床碳封存能力(即可供封存二氧化碳的空間)定量評價體系研究也不深入。因此，要實現CCUS技術在天然氣水合物領域的高效、廣泛應用還需要開展多方面的工作。

3.4 環境風險方面：監測-防控體系不完善，氣候影響觀點仍存在爭議

一是針對勘查、開采過程中甲烷泄露的監測-防控體系尚不完善。目前研究僅涉及了天然氣水合物賦存區甲烷滲漏以及探采前后甲烷泄露識別等，鉆探、試采過程中甲烷泄露的監測及防控體系尚不完善。

二是天然氣水合物分解對環境、氣候變化和碳循環的影響作用目前尚處于推測和有爭議的階段。有學者提出甲烷流體活動的冰期-間冰期模式，認為水合物的形成與分解對全球氣候變化具有調節作用，但也有學者認為水合物分解在全球氣候變化中的作用被夸大，指出依托于沉積物及其中的微生物和水圈這兩道防線的保護作用，成功逃逸到大氣中的甲烷微乎其微[19]。

4 展望及建議

我國天然氣水合物成礦條件優越，資源潛力大，研究后來居上、發展迅速，有望繼美國“頁巖氣革命”之后引領新一輪“天然氣水合物革命”，推動整個世界能源利用格局的改變。面對“雙碳”目標實現的壓力和能源結構轉型的迫切性要求，應從戰略高度開展包含發展規劃、科研攻關、安全監督、政策法規、財政補貼等在內的頂層設計。

4.1 組建多機構、多學科聯合的國家級攻關團隊，助力推動勘探開發進程

天然氣水合物的勘探開發是一項大型的、高難度的綜合工程，涵蓋陸地和海洋工程、勘探、開發、材料、通訊、信息等眾多技術領域，以及物理、化學、熱力學、地質、地球物理、油氣工程等多個學科。這就需要充分發揮相關政府機構的優勢，統籌協調各學科領域的專家組建一支國家級攻關團隊，制定國家級水合物研究的發展戰略目標、研發計劃、技術路線、重點攻關方向和科學有效的組織實施方式。集中力量、選取有限的研究目標，力爭在天然氣水合物勘查開采理論、技術中的“卡脖子”問題上重點突破，努力實現核心關鍵技術的國產化替代，助力推進水合物產業化進程。

4.2 繼續加大海域和陸域天然氣水合物的資源調查和勘查開采力度

盡管目前天然氣水合物勘探開發面臨著諸多的挑戰，但從長遠來看，加快推進天然氣水合物勘查開采產業化進程，積極推動天然氣水合物行業發展符合我國能源轉型基本方向。當前的戰略重點是加大天然氣水合物資源勘查力度，要分層次、有重點地開展海域和陸域凍土區天然氣水合物資源調查評價，盡快確定我國天然氣水合物的資源潛力和分布情況，尋找更多可供試采的水合物礦區，為產業化提供資源基礎。此外，要加大理論、技術、工程、裝備研究力度，為產業化提供技術準備；建立我國天然氣水合物調查評價和開采標準體系，規范水合物地質調查和勘查開采工作。

4.3 加強環境風險監測、防控，積極參與國際合作

我國要積極研發環境風險監測-防控指標體系、配套系統和裝置，確立環境監測、防控措施，制定相應地環境風險防范管理制度。要保證“勘查-開采-環境風險防控”一體化、同步、全過程管理，實現天然氣水合物勘查開采中生態環境安全可控，在試采前開展了環境本底調查，在試采中建立大氣、水體、海底和井下四位一體的環境監測，實現全過程的實時監測和有效控制。將“防范環境風險”“高質量發展”貫穿整個行業的始終，更好地發揮天然氣水合物的資源優勢。

環境問題是全球關注的熱點問題，天然氣水合物對全球氣候變化影響的問題是國際研究課題，要積極參與到相關的國際研究組織中，提升我國在全球氣候領域中的地位和話語權。與此同時，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，追蹤和分享國外最新研究成果以及調查、試采、政策的最新動向，加強學習和積累理論技術研發、組織管理等方面的先進經驗，尋找適合我國的水合物開發道路。

4.4 完善與“雙碳”目標并行的天然氣水合物發展規劃與配套管理政策

一是政府應結合天然氣水合物現狀和“雙重”環境屬性，配合“雙碳”目標的總體布局，盡快制定我國天然氣水合物未來發展規劃，明確各個階段發展重點。二是要完善監管體系，將天然氣水合物納入監管范疇，制定涵蓋天然氣水合物勘探、開發、運輸等全產業鏈的技術標準體系，出臺相關的管理政策法規。三是在礦權頒布、開發政策、財稅政策等方面給予支持和優惠，積極鼓勵天然氣水合物勘探開發；建立符合我國天然氣水合物產業未來發展的金融支持體系，引入各類資本參與天然氣水合物勘采活動。