天然氣水合物資源發展歷程及產業化前景

楊 振許振強

1.廣州海洋地質調查局 廣州 510075

2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州） 廣州 511458

天然氣水合物（俗稱可燃冰），在自然界中是由甲烷為主的烴類氣體與水在高壓低溫條件下形成的似冰狀固態結晶物質，高效清潔，能量密度高，1立方米天然氣水合物在標準狀態下分解可釋放160～180立方米甲烷氣體，其能量密度是煤炭或碳質頁巖的10倍、常規天然氣的2倍。主要分布于水深大于300米、海底以下1 500米的松散沉積層中，在陸域凍土帶和內陸湖的深水環境也有少量的分布。我國是世界上極少數既有海底天然氣水合物也有陸上凍土區天然氣水合物的國家之一。實現天然氣水合物產業化意義重大，世界各國競相角逐，積極搶占天然氣水合物產業化先機。美國政府顧問馬克認為“可燃冰將可能改變現在的地緣政治模式，現存的世界能源市場將徹底改變”。

1 天然氣水合物產業化意義

天然氣水合物是資源量豐富的高效清潔能源，實現天然氣水合物產業化，對緩解能源資源短缺危機，提升社會綠色發展水平，保障國家能源戰略安全，以及孕育新藍色經濟增長極等均具有重大意義。

1.1 緩解能源資源短缺危機

當今世界石油資源日益緊缺，尋找其他可再生資源代替石油已是大勢所趨。美國地質調查局經過多年調查認為，天然氣水合物將成為21世紀的主要能源之一，是能源之中的一個“新領域”。全球天然氣水合物地質資源量達20萬億噸油當量，大致相當于全球煤炭、石油和天然氣等化石燃料總資源量的2倍，天然氣水合物作為21世紀的替代能源是世界能源發展的大趨勢。在探明的資源里即使其中15%能實現商業化生產，按照目前的能源消費水平也能夠滿足人類使用200年，極大地緩解了油氣資源緊缺的問題。

1.2 提升社會綠色發展水平

在新技術變革、氣候變化以及碳排放壓力等多重因素影響下，未來能源結構將會發生顯著變化，化石能源所占比重將不斷下降。天然氣水合物資源量豐富，是能量密度非常高的清潔能源。加強對天然氣水合物的開采利用研究，將進一步推動開采成本降低，增強天然氣水合物取代煤炭成第二大燃料的可能性，有望逐步改變以煤炭為主的能源結構，滿足經濟社會發展對清潔能源的需求，對構建資源節約、環境友好的生產方式和消費模式，增強可持續發展能力，提高生態文明水平，以及推進綠色發展等均具有重大意義。

1.3 保障國家能源戰略安全

能源是經濟發展和社會進步所不可或缺，穩定的能源供給是國家競爭力的重要組成部分。我國海域天然氣水合物分布廣、類型多、資源量大，可用于民用、工業燃料、化工和發電等，是我國重要的戰略后備資源，初步預測我國海域天然氣水合物遠景資源量約為800億噸油當量。鑒于我國天然氣水合物資源潛力大，成功實現規模化、產業化開發，必將增強我國非常規油氣資源供給保障能力，對于緩解我國天然氣緊缺，減少能源對外依賴，提升我國能源外交和貿易話語權，以及促進經濟社會發展等均具有十分重要的意義。

1.4 孕育新藍色經濟增長極

天然氣水合物勘查開發是一項系統性、創新性工程，涉及核心儀器研發、高新材料研制、智能裝備制造、自動工程控制等深海戰略前沿科技。推動天然氣水合物勘查開發理論、技術、裝備的研究和創新力度，搭建科研到產業的“橋梁”，促進科研成果的轉化，將產生巨大的經濟效益。不但能為傳統經濟轉型升級、提質增效、降本減排提供優質能源，還可帶動形成從資源勘探、生產開發、裝備制造、物流運輸到工業應用的全產業鏈，成為沿海地區新的經濟增長點。

2 世界各國加強能源戰略部署，競爭日趨激烈

鑒于天然氣水合物巨大的資源量與廣闊的應用前景，20世紀80年代以來，天然氣水合物的研究得到快速發展，美國、日本、加拿大、韓國、印度、俄羅斯、歐盟等高度重視天然氣水合物產業化工作，紛紛投入巨資開展天然氣水合物資源調查、鉆探、試采及環境影響評價等系統研究，旨在加快搶占天然氣水合物開發利用的科技制高點。

2.1 世界天然氣水合物勘查工作取得重要進展

美國是開展天然氣水合物調查研究最早的國家。1970年，深海鉆探計劃（DSDP）Leg10航次首次在墨西哥灣成功獲取含天然氣水合物巖心。1983年以來，由美國主導的大洋鉆探計劃（ODP）、綜合大洋鉆探計劃（IODP）先后完成了Legl64、Leg204和Leg311等天然氣水合物鉆探航次。1999年制定了“2000甲烷水合物調查研究和開發行動計劃”，2000年通過了《天然氣水合物研究與開發法案》，由能源部負責實施天然氣水合物開發基礎及應用性研究國家計劃。2001年以來，由雪佛龍公司主導實施了天然氣水合物聯合工業項目（JIP），分兩階段在墨西哥灣海域實施鉆探，評價天然氣水合物開采潛力。2012年，康菲石油公司在阿拉斯加北坡成功完成了二氧化碳置換甲烷水合物生產試驗。2014年，美國能源部聯合日本石油、天然氣和金屬礦產資源研究所推進阿拉斯加陸域天然氣水合物試采。2015年，美國能源部牽頭成立基于美國聯邦部門間的水合物技術合作組（TCT），協調推進美國天然氣水合物基礎研究及勘查開發工作，實施新一輪天然氣水合物研究開發計劃。美國計劃聯合日本于2018—2024年在阿拉斯加凍土帶開展長期陸域試采，2019年1月實施監測井鉆探，正式啟動了試采工程。另外，美國計劃從2020年開始在墨西哥灣實施科學鉆探和取心來評估天然氣水合物開發的可行性與經濟性。

日本十分重視天然氣水合物資源開發利用。1995年，原日本石油工團（JNOC）負責實施南海海槽天然氣水合物鉆探項目，1999年11月至2000年2月在南海海槽完成了6口鉆探井，確認了4個具有高飽和度天然氣水合物的富砂層段。2001年，成立“21世紀甲烷水合物資源開發研究聯盟（MH21）”，正式啟動為期18年的日本天然氣水合物開發計劃，該計劃分三期實施。2004年，在南海海槽完成了32口井鉆探作業，確定了天然氣水合物類型、分布及資源潛力。2013年，正式立項對日本海天然氣水合物進行系統勘查。2012—2013年，首次在南海海槽實施天然氣水合物試采。2017年實施了第二次試采，對開采技術工藝進行了驗證。2018年，日本政府明確提出在2023—2027年期間實現天然氣水合物商業化開采目標。2019年，發布了新的“海洋能源與礦物資源開發計劃”，進一步明確了天然氣水合物商業開發路線圖。

加拿大于1972年在麥肯齊三角洲發現天然氣水合物，1994年通過ODP146航次在喀斯卡迪亞海域發現天然氣水合物。1998年與日本、美國等合作，在麥肯齊三角洲的馬立克凍土區實施了天然氣水合物鉆探。2002年與日本、美國、德國、印度等合作，實施“馬立克天然氣水合物試生產井”項目，鉆探Mallik 5L-38井，進行了加熱法試開采。2007年和2008年，在馬立克地區再次進行了降壓與加熱聯合開采試驗，證明通過注熱和降壓法實現陸域天然氣水合物開發可行。

俄羅斯陸域凍土區天然氣水合物資源十分豐富，主要分布在雅庫特地區和西伯利亞地區，據統計已發現超過30個含天然氣水合物的氣田。1969年12月，麥索亞哈氣田投入開發，該氣田生產近30年，進入生產后期，地層壓力降低誘發天然氣水合物分解，產出了天然氣。1972年，蘇聯天然氣研究所科研人員在黑海深水區海底獲取了天然氣水合物樣品。1984年，蘇聯開展鄂霍茨海天然氣水合物研究，指出在該海域存在大量天然氣水合物。2001年，國際科研項目“貝加爾湖鉆探”證實湖底存在大量天然氣水合物。2007—2009年，俄羅斯與日本、比利時等國家合作，在貝加爾湖進行了天然氣水合物開采技術工藝試驗。

韓國于2005年啟動“天然氣水合物開發十年計劃”，2007年和2010年先后成功實施天然氣水合物鉆探航次，原計劃2018年實施天然氣水合物試采，但由于技術原因暫緩實施試采。印度于1997年啟動國家天然氣水合物計劃（NGPH），先后于2006年和2016年成功實施天然氣水合物鉆探航次，正在積極與美國、日本等國家合作，開展試采準備工作。澳大利亞、法國、德國、挪威、阿根廷等國家也開展了天然氣水合物資源調查、環境安全和開采技術研究等工作。

總體上，國際天然氣水合物勘查開發呈現出以下趨勢：一是紛紛制定天然氣水合物開發計劃。圍繞國家能源安全、國家經濟安全、戰略科技創新等角度出發，美國、日本、印度、韓國等國家制定了國家級天然氣水合物勘查開發計劃，加大投入、加快推進。二是從主要國家天然氣水合物產業化進程看，已從資源勘查發現向試采技術攻關、產業化開發轉變。

2.2 試采取得積極進展，產業化進程加快

天然氣水合物儲層類型可歸納為金字塔分布（圖1），位于金字塔頂端的儲層由于滲透性高最具資源開發潛力，而金字塔底端的天然氣水合物儲層泥質含量高、滲透率極低，其開采難度最大，自然界中這部分天然氣水合物儲層類型占比最大，我國南海天然氣水合物儲層主要以這種類型為主。實現天然氣水合物產業化大致可分為理論研究與模擬試驗、探索性試采、試驗性試采、生產性試采、商業開采5個階段。全球多個區域組織實施了天然氣水合物試采。目前已在兩個陸域凍土區和兩個海域進行了開采試驗（表1）。一是2002、2007、2008年在加拿大馬立克凍土區采用了降壓法和加熱法進行開采試驗，但是由于效率低和出砂問題被迫中止。二是2012年在美國阿拉斯加北坡運用降壓法和CO2置換法進行開采試驗，同樣效率不高。三是2013年、2017年在日本南海海槽的開采試驗，2013年日本在南海海槽首次實施天然氣水合物試采，維持了6天因出砂問題而被迫中止；2017年實施第二次試采，第一口井再次因出砂問題而停產，第二口井產氣24天，產氣量約20萬立方米，兩口井的產量都未獲有效提高，表明生產技術仍有待改進。

圖1 天然氣水合物資源金字塔

表1 全球天然氣水合物試采情況

在我國2017年天然氣水合物首次試采成功后，美國加大資金投入開展墨西哥灣天然氣水合物資源調查，并計劃在阿拉斯加北部開展長期試采。美國能源部甲烷水合物咨詢委員會在致美國能源部部長的信中提到， “盡管美國在天然氣水合物相關技術領域處于領先地位，但正面臨著來自中國、日本、印度的挑戰”。日本致力于實現天然氣水合物的商業開采，但許多技術問題尚待解決，正積極尋求與其他國家合作，提出了在2023—2027年實現商業化開發目標。印度聯合美國、日本在印度洋開展資源調查工作，計劃于2020年前后實施試采。美國康菲石油公司和雪佛龍公司、英國石油公司、韓國國家石油公司以及印度石油和天然氣公司等能源企業參與熱情也空前高漲。由此可見，在天然氣水合物勘查開發這一領域的國際競爭日趨激烈，產業化進程將進一步加快。

從目前發展趨勢看，美歐日等發達國家和地區圍繞海洋科技和海洋經濟進一步加強科技創新部署，從海底測繪技術及模型、基于大數據的海洋監測等技術領域，為海域天然氣水合物相關研究、勘查、開發等提供強有力的技術支撐。且隨著天然氣水合物產業化進程的加快，國際能源企業參與的熱情空前高漲，目前國外已開展的天然氣水合物試采項目均有企業的參與，旨在聯合多方力量，加快搶占天然氣水合物開發利用的科技制高點。

3 我國天然氣水合物研究進展

我國自1999年開始天然氣水合物調查，初步查清了我國海域天然氣水合物資源量，鉆探調查取得了重要突破，2014年我國正式啟動實施海域天然氣水合物試采工程。在起步晚、起點低、無經驗可循的條件下，用較短的時間掌握了粉砂質儲層水合物試采的核心技術，于2017年實施海域天然氣水合物首次試采，取得探索性試采成功，實現了歷史性突破，搶占了國際天然氣水合物科技創新制高點，趕上了國外近60年的勘查水平。2020年，組織實施的天然氣水合物第二次試采，取得實驗性試采成功，國際領先優勢進一步增強。

3.1 初步摸清天然氣水合物資源家底

我國天然氣水合物勘查研究始于1999年，廣州海洋地質調查局首次在南海北部西沙海槽，勘查發現了天然氣水合物重要地球物理標志—似海底反射層（BSR）。南海早期天然氣水合物海洋地質調查及地質評價，主要根據海洋地質調查及大洋鉆探計劃項目（ODP）所獲酸解氣/吸附氣信息以及地球物理資料分析解釋，圈定烴類顯示異常區。其后綜合利用地質、地球物理和地球化學等多種調查技術手段，分層次開展了南海北部海域天然氣水合物資源調查，開展了南海北部天然氣水合物資源普查和重點海域詳查。通過天然氣水合物成藏地質條件分析及綜合評價預測，在南海北部陸坡深水區判識確定了兩大天然氣水合物成藏富集帶（以2 000 m水深為界）和三大水合物富集區[1]。通過對天然氣水合物資源分析評價，在南海北部多處海域系統發現了深層-淺層-表層的地球物理、地球化學、地質和生物等指示水合物存在的異常標志，圈定了6個資源遠景區、29個區帶、25個區塊[2-3]，初步預測南海天然氣水合物資源規模達744億噸油當量，取得了該區天然氣水合物勘查的階段性重大成果[4]。

3.2 鉆探調查取得了重大突破

在持續開展南海海域天然氣水合物資源勘查評價的基礎上，圍繞有利成礦帶選定鉆探井位，經過精心部署，多方論證，先后在南海北部海域實施了8次水合物鉆探計劃。2007年在南海北部神狐海域首次實施水合物鉆探，鉆獲具有高甲烷含量、高飽和度等特點的水合物實物樣品，使得我國成為繼美國、日本、印度之后，第4個通過國家級研發計劃在海底鉆獲天然氣水合物實物樣品的國家（圖2）。此次鉆探獲取了海量多學科地質調查數據，鉆探證實了2個千億方級的天然氣水合物礦藏，在南海北部海域發現了多種類型的高品位水合物儲層，實現了海域找礦的重大突破。

圖2 南海北部海域鉆獲的天然氣水合物樣品

3.3 基礎理論研究與技術裝備研發實現重大創新

3.3.1 系統形成了海域天然氣水合物成礦新理論

從天然氣水合物形成的氣體來源、氣體運移、儲集條件、溫壓穩定域及其在地質時空下的演化匹配關系出發，對南海北部天然氣水合物成藏地質條件和系統成藏特征進行了深入分析。依托海域天然氣水合物試采工程實施，揭示了天然氣水合物成藏控礦機制、天然氣水合物異常特征及響應機理、天然氣水合物富集特征及分布規律，初步形成了適合我國南海海域天然氣水合物“系統成藏”理論，創新形成了南海北部天然氣水合物區帶富集成藏理論[5]。在此基礎上發展完善了海域天然氣水合物的多學科找礦方法，有效指導了南海天然氣水合物勘查部署和找礦突破，在天然氣水合物試采目標優選、水合物資源勘查突破中發揮了重要作用，為天然氣水合物產業化提供了有力支撐。

3.3.2 建立了服務于天然氣水合物勘查試采的環境評價體系

圍繞試采平臺建立了井下、海底、海水及海表大氣“四位一體”環境監測體系。針對試采區海洋環境變化，利用水合物儲層溫壓監測、海底沉積物土力學參數監測、海底甲烷泄漏及海底地層穩定性監測（沉降、滑坡）、全剖面海水環境監測、試采平臺及周邊區域水氣甲烷交換通量監測等多種技術手段，進行自海床至中層海水達海平面的自下而上、從點至面的全方位立體監測，為客觀評價試采的環境影響提供了技術裝備支撐，有力保障了天然氣水合物資源的綠色開發。

3.3.3 天然氣水合物調查裝備和技術研發能力得到大幅提升

成功自主研制“海馬”號4 500米作業級深海非載人遙控探測潛水器，國產化率超過90%，填補了國內空白，為我國天然氣水合物勘查及深海礦產資源調查增添了新利器。高分辨率小道距多道地震、海洋可控源電磁探測、保壓取心鉆具等關鍵核心技術裝置均取得突破，并在天然氣水合物勘查中逐步應用。使用“海馬”號在珠江口盆地西部海域發現了活動“冷泉”標志，隨后利用大型重力活塞取樣器獲取了天然氣水合物實物樣品，凸顯了科技創新的強大力量。

3.4 成功實施兩次海域天然氣水合物試采

3.4.1 探索性試采

2017年，由中國地質調查局組織實施的我國首次海域天然氣水合物試開采取得圓滿成功。此次試采從正式開鉆、成功點火至關井，連續穩定產氣60天，累計產氣超過了3.0×105立方米，平均日產氣量超過5 000立方米，甲烷含量最高達99.5%[6]。這次試采是世界首次成功實現對資源量占全球90%以上、開發難度最大的泥質粉砂型天然氣水合物的安全可控開采，標志著我國實現了天然氣水合物勘查開發理論、技術、工程、裝備的自主創新的歷史突破，對推動能源生產和消費革命具有重要而深遠的影響。

3.4.2 試驗性試采

2020年，中國地質調查局聯合中國石油天然氣集團、北京大學等國內外70余家單位近千名業務骨干，克服了無先例可循、惡劣海況、新冠肺炎疫情防控等困難，成功實施了中國海域水合物第二輪試采，并取得一系列重大突破[7]。一是創造了“產氣總量、日均產氣量”兩項世界紀錄，試采1個月產氣總量86.14萬立方米、日均產氣量2.87萬立方米，圓滿完成既定目標，實現了從“探索性試采”向“試驗性試采”的重大跨越。二是攻克了深海淺軟地層水平井鉆采核心關鍵技術，實現產氣規模大幅提升。我國也成為全球首個采用水平井鉆采技術試采海域天然氣水合物的國家。三是自主研發了一套實現天然氣水合物勘查開采產業化的關鍵技術裝備體系，大大提高了深海探測與開發能力。形成了6大類32項關鍵技術，研發了12項核心裝備，其中控制井口穩定的裝置吸力錨打破了國外壟斷，增強了我國“深海進入、深海探測、深海開發”能力。四是創建了大氣、水體、海底、井下“四位一體”環境監測體系，進一步證實了天然氣水合物綠色開發的可行性。

綜上所述，目前我國已經積累了豐富的海域天然氣水合物勘查和試采經驗，形成了國際先進的勘查試采技術，形成了較強的協同創新合作凝聚力和行業引領能力，擁有優勢領先、梯隊合理的科研及工程技術人才隊伍，具有良好的天然氣水合物產業化科技創新平臺。總體來看，我國天然氣水合物勘查試采處于國際領先水平。

4 存在問題與工作建議

實現天然氣水合物高效開發是一項極為復雜的系統性工程，涉及理論、技術、工程、裝備研發等眾多方面，制約實現天然氣水合物高效開發之根本是關鍵技術尚未突破，尤其是高精度勘查、儲層產能模擬、開發工程技術、環境安全防護等方面亟待攻關。此外，天然氣水合物作為一個新興礦種，目前并沒有與之相匹配的礦業權管理制度，亟待相關部門盡快制定勘查開發管理的規范性文件及相關扶持政策，推動勘查開發理論技術、工程裝備和相關政策先行先試。

針對上述問題需重點開展4方面工作，一是加大天然氣水合物資源勘查與試采的投入力度，盡快掌握資源家底，提供一批具有開發前景的天然氣水合物資源戰略儲備區，促進國家能源戰略目標的實現。二是制定天然氣水合物地質勘查規范，明確不同資源量的分類及計算方法，同時制定天然氣水合物資源/儲量分類標準，統一標準，為該行業的勘查提供指導和規范。三是構建“政產學研用”合作創新機制，政府牽頭，科研院所、高校、企業、社會投資機構組建創新聯合體，形成合力、協同攻關，全力推進產業化工作。四是參照現行煤層氣、頁巖氣優惠政策，探索制定天然氣水合物開發的財政補貼等優惠政策，積極鼓勵產業化示范區先行先試。