天然气水合物勘探开发技术发展综述

李丽松 苗 琦

1.中国煤炭地质总局勘查总院，北京 100039；2.中国煤炭地质总局，北京 100038

0 前言

天然气水合物又称“可燃冰”，是水和天然气在高压低温环境条件下形成的冰态、笼形化合物［1］，它是自然界中天然气存在的一种特殊形式，主要分布在水深大于300 m 的海洋及陆地永久冻土带，其中海洋天然气水合物资源是全球性的，其资源量是陆地冻土带的100 倍以上。天然气水合物的显著特点是分布广、储量大，1 m3天然气水合物可释放出164 m3CH4和0.8 m3H2O。据估计，全球天然气水合物的资源总量换算成CH4气体约为1.8×1016～2.1×1016m3，有机碳储量相当于全球已探明矿物燃料（煤炭、石油和天然气等）的2 倍［2］。因此，天然气水合物，特别是海洋天然气水合物被普遍认为将是二十一世纪替代煤炭、石油和天然气的新型清洁能源，其研究受到了世界各国高度重视。

1 国际天然气水合物勘探开发技术

1.1 研究历程

水合物的研究历史最早可追朔到1810 年，截止目前，其相关研究历程大致可分为三个主要阶段：

第一阶段（1810-1934 年），最初学者们对水合物的研究源于学术兴趣，主要为确定何种物质能形成水合物及其所需温度和压力条件等［3］。

第二阶段（1934-1965 年），水合物研究快速发展，1934 年Hammerschmidt［4］用实验确认了堵塞天然气管道的固体物质是天然气与水形成的水合物。当时正值美国油气工业高速发展时期，为了在管道输送和加工过程中抑制水合物生成，一些研究机构相继开始对水合物进行深入研究，从而使得水合物的研究逐渐走向实际应用。

第三阶段（1965-），1965 年Makogon［5］等苏联研究人员在西伯利亚永冻土层中发现了天然气水合物，此后在全球其它许多地方又陆续发现了天然气水合物存在的证据。据估计，以天然气水合物形式存在于地层中的CH4贮藏量至少相当于已探明的矿物燃料总储存量的2倍。在传统石油能源日益枯竭之际，这对全世界而言无疑是一个巨大喜讯。天然气水合物在能源开发利用方面展现出的广阔前景引起了许多国家的高度重视，吸引着世界各国在勘探、试采、配套技术、环境影响等方面不断深入研究,特别是进入二十一世纪以来，美国、加拿大、德国、挪威以及我国周边的日本、印度、韩国、越南等国家都制定了天然气水合物长期研究计划，一陆三海的格局初步形成。

国际天然气水合物资源的勘探和开发技术发展状况：

a）初步取样调查阶段（1968-1980 年）。1968 年，以美国为首的深海钻探计划（DSDP）开始实施，主要目的是开展天然气水合物资源普查。随后，世界上许多国家都将天然气水合物列入国家重点发展战略，并从能源储备战略角度考虑，作为政府行为，投入巨大的人力和物力资源进行，相继开展本国专属经济区和国际海底区域内的水合物资源调查、评价和进行有关天然气水合物的基础研究。

b）大规模钻探阶段（1980-1990 年）。1985 年，作为DSDP 计划的延续，一个规模更大、多国合作的大洋钻探计划（ODP）正式实施。至20 世纪90 年代中期，以DSDP 和ODP 两大计划为标志，美国、俄罗斯、荷兰、德国、加拿大、日本等诸多国家探测天然气水合物的目标和范围已覆盖了世界上几乎所有大洋陆缘的重要潜在远景地区以及高纬度极地永久冻土地带。其中有23 个站位通过钻孔直接找到了天然气水合物存在的证据，其它地区则是通过收集地震数据进行预测。在这一时期，天然气水合物研究和普查勘探被推向一个崭新阶段，天然气水合物资源开发及其商业化成为重要研究目标。 1993 年，第一届天然气水合物国际会议召开，拉开了一个水合物发展的契机，随后该会每3 年召开1 次，2014 年的会议将在北京召开。

c）取样阶段（2000-）。自2000 年开始，天然气水合物资源的研究进入了大规模发展阶段。这一时期，众多国家进行了天然气水合物钻探并取得了样品。1998年加拿大Mallik 地区成功取样，2006 年印度获取岩心，2007 年中国获取海域岩心，2008 年韩国获取海域岩心，2009 年中国获取冻土岩心，2011 年日本成功钻探取样，2012 年日本开始进行海域试采准备。

1.2 部分国家发展规划

随着深海钻探计划、大洋钻探计划的进行和水合物岩心、样品的取得，许多国家都将天然气水合物列入国家重点发展战略，制定了国家级的水合物研究计划，一个深入展开的天然气水合物研究热潮正在全球掀起。

1.2.1 美国研究计划及进展

20 世纪90 年代，美国地质调查局和能源部开展了全美天然气水合物研究计划。2000 年美国参议院通过了天然气水合物研究与开发法案（S.330 法案)，围绕天然气水合物的资源特征、开发、全球碳循环、安全及海底稳定性4 个主题，制定了长达10 年(2001-2010 年)的详细计划。2005 年，美国对上述计划进行了重新审定，决定大幅度增加天然气水合物调查研究和开发的资金投入，此后，美国进行了多次取样和试采试验。目前，受到页岩气迅速发展的影响，美国放慢了天然气水合物研究的脚步。

1.2.2 加拿大研究计划及进展

加拿大政府非常重视对其海洋天然气水合物和北极加拿大地区冻土区天然气水合物的研究。1972 年，加拿大帝国石油公司在Mallik 地区钻Mallik L-38 井时，就注意到了天然气水合物的存在。1998 年，加拿大与日本合作，在西北Mackenzie 三角洲进行了水合物钻探和取样。随后在2002 年和2008 年又2 次在该地区进行了试采，这一时期，加拿大的水合物研究处于一个蓬勃发展的快速阶段。目前，受美国页岩气快速发展的影响，加上自身油气资源丰富，加拿大水合物发展计划有所搁置。

1.2.3 欧洲等国研究计划及进展

2000 年，德国正式推出长达15 年的《地球工程学—地球系统：从过程认识到地球管理》大型研究计划，并于2000-2003 年完成了该计划下的“地质系统中的天然气水合物”项目。2004-2007 年，德国设立了“地质—生物系统中的甲烷”项目，下设黑海和墨西哥湾海底甲烷喷溢研究、天然气水合物特征研究、天然气水合物中微生物的循环和代谢作用研究、海洋含天然气水合物沉积物中甲烷通量的控制因素及其气候效应研究等项目。

1.2.4 俄罗斯研究计划及进展

俄罗斯很早就开始涉足天然气水合物研究。早在20 世纪30 年代，为了预防和疏通西伯利亚油气管道的水合物堵塞，保障油气管道畅通，苏联科学家开始对水合物的结构和形成条件进行研究。20 世纪70、80 年代，苏联在其周围海域和内陆海中开展了大量的天然气水合物调查与研究工作。但二十世纪末和二十一世纪初，当全球掀起新一轮水合物研究热潮时，由于自身经济发展缓慢，加上本土拥有相对丰富的常规油气资源，俄罗斯仅在巴伦支海和鄂霍茨克海等海域进行了少量的天然气水合物调查与研究。

值得一提的是，苏联的麦索亚哈气田被公认为是对天然气水合物进行开采的最早实例，为其后水合物的商业开发积累了宝贵经验。

1.2.5 日本研究计划及进展

日本于2000 年开始 “二十一世纪天然气水合物研究开发计划（MH21，2001-2016 年)”，该计划历时15年，分三阶段实施，涵盖了天然气水合物藏勘探、开发、环境影响、海上开采工程方案以及价值化研究等各个方面。计划第一阶段（2001-2006 年）确定天然气水合物富集区，研究天然气水合物开发方案、钻完井技术以及开采模拟技术，评价天然气水合物开发对环境影响；第二阶段（2007-2011 年）进行海上开发试验、技术和经济评估；第三阶段（2012-2016 年）进入商业开采。该计划目前正逐步实施，但进度有所推迟， 2013 年1 月，日本进行了海上天然气水合物试采。

1.2.6 韩国研究计划及进展

2005 年韩国政府启动了“天然气水合物开发十年计划”， 制定了“三步走”方针，采取了多部门联合、国内外合作的技术思路，计划通过10 年时间，最终在2015 年实现天然气水合物的商业性试采。

1.2.7 印度研究计划及进展

1995 年，印度地质调查局对其海域进行了有关天然气水合物的地质、地球化学和地震资料的初勘与复勘。在此基础上，印度科学和工业委员会于2001 年启动了国家天然气水合物研究开发5 年计划，对其周边海域的天然气水合物进行前期调查研究。其后，印度政府又拟定一项新的计划，共分为两个阶段，第一阶段旨在进行一项深度超过600 m 的深水勘探，第二阶段将钻2 口或更多的勘探井。

1.2.8 澳大利亚研究计划及进展

澳大利亚通过与法国合作，利用地震反射勘探技术，于1998 年绘制了Tasman 海BSR 的分布范围。在该海域，水合物分布在水深1 500～3 000 m 处，水合物矿藏厚200 m 左右，位于海底以下400～600 m，证明该海域天然气水合物资源量巨大。

1.3 代表性天然气水合物利用现场试验

随着水合物勘探成果的取得，一些较大型的水合物现场试采试验逐步得以实施，特别是加拿大冻土带Mallik 试采项目、BP 牵头的阿拉斯加热冰计划、雪佛龙为首的墨西哥湾深水水合物试采项目，这三个试验性开采工业联合项目吸引了诸多国家的研究机构参与，许多新技术在这些项目中得以呈现、验证和发展。

1.3.1 苏联麦索亚哈工业开采

1969 年，苏联在西伯利亚地区开发麦索亚哈气田时，无意中利用降压法和注剂法成功开采了世界上第一个天然气水合物藏。最后的分析结果表明，在17年的生产过程中，从该天然气水合物藏中共生产出约30×108m3天然气，占气田总产量的36%。此后，从20世纪70 年代开始，苏联紧跟美国步伐，在其周围海域和内陆海中开展天然气水合物调查与研究工作。

1.3.2 加拿大Mallik 试采

1998 年，日本为了国内的水合物藏开采项目立项提供依据，资助加拿大在Mallik 地区进行了1 次水合物藏钻探。钻井位为2L-38，钻井深度1 150 m，发现水合物分布在897～1 110 m 间，以3 个水合物藏带的形式存在，总厚度约110 m。

2002 年，日本又联合加拿大、美国、德国和印度等国在Mallik 地区进行了水合物试采，共钻3 口探井，其中1 口生产井，2 口观察井，实验采用的是注热和降压联合的方法。在约5 d 的开采时间内，共产气516 m3，开采的水合物层厚度13 m。根据试采方案设计，2口观察井位于生产井两边各40 m 处，用于监测试采过程中地层参数的变化，为水合物开采过程中地质灾害的研究提供基础数据。

2007-2008 年，日本联合加拿大再一次在Mallik地区利用降压法进行了水合物试开采。生产时间为2008 年3 月10-16 日，为了实验研究，产气速率控制在2 000～4 000 m3/d 的范围内。在约6 d 的开采时间内，总产气量为13 000 m3，水合物藏的开采层厚度12 m。Mallik 项目的成功实施证明了天然气水合物藏开发的可实现性，在天然气水合物开发利用史上具有里程碑意义。

1.3.3 美国阿拉斯加试采

为了确定阿拉斯加北坡水合物资源特征和资源量，研究有效的水合物开采方法，使水合物能够真正成为替代能源，从2001 年开始，美国能源部和BP 石油公司在阿拉斯加北坡进行了数年的水合物研究［6］。BP 石油公司将该研究分为三个阶段，各阶段计划主要工作如下：

第一阶段（2003-2004 年）：主要集中于实验室开采模拟研究。

第二阶段（2005 年）：对阿拉斯加北坡的水合物资源量进行评估，并进行后期的野外试采计划工作。

第三a 阶段（2006-2008 年）：获取进行试采需要的数据，包括钻井，取样和样品分析等。

第三b 阶段（2009 年-）：进行长期试采。

最终，BP石油公司完成了该计划第三a阶段的工作，在阿拉斯加北坡的Milne Point Unit 进行了水合物钻井取样，选定了4 个长期水合物试采地点，但并没有进行第三b 阶段计划的长期试采工作，而是将第三b 阶段的工作转让给了康菲石油公司。

2008 年10 月1 日-2013 年6 月30 日，康菲石油公司接替BP 石油公司，在阿拉斯加北坡的普拉德霍湾（Prudhoe Bay Unit）进行了利用CO2气体置换开采甲烷水合物和降压开采水合物的实验，实验目的是评估水合物生产方法的可行性以及了解其在现场应用中的意义。

在试采实验中，注入的气体为N2和CO2的混合气体。总的气体注入体积为6 113.64 m3，其中N2气4 737.43 m3，CO2气体1 376. 21 m3。在注气开采水合物试验中，最终结果显示，总注气量中，大约70 %的N2气被回收，CO2的回收率约40 %，在约1 个月的试开采时间内，总共生产获得的甲烷气体约24 211.04 m3，同时有180.70 m3水伴随气体产出，并有10.65 m3的砂产生。

1.3.4 美国墨西哥弯联合工业项目

2003 年，美国能源部联合美国地质调查局等部门，在墨西哥湾黏土地带开展了第一期水合物联合工业发展计划（Gulf of Mexico Gas Hydrate Joint Industry Project (JIP) Leg I）。该计划主要目的是为了取得在墨西哥湾钻井所需的基础数据、钻取水合物样品、确定井的稳定性，为进一步的水合物藏试采工作打好基础，同时分析水合物藏开采存在的风险。2005 年，该项目结束，在为期35 d 的海上作业过程中，共进行了7 次钻井取样，其中最深的井达到海底泥土线494 m 以下，整个项目基本达到了试验目的。在此后的总结工作中，研究者们根据试验结果为下一步的勘探工作提出了指导性的意见。

2009 年5 月6 日，GOM-JIP Leg II 计划正式启动，这一次项目的主要目的是为了证明在墨西哥湾地区存在高饱和度的水合物藏。在3 个钻井位共钻7 口探井，钻井结果表明至少在其中的2 个钻井位发现了高饱和度的水合物藏，钻取的样品中水合物的饱和度最低50%，最高90%。这一发现证明了水合物作为未来石油接替能源的可能，为水合物的发展提供了广阔的前景。此外，该次钻井的结果与第一次钻井后的预测结果基本相吻合，证实了第一次钻井后提出的水合物藏发展理论。

GOM-JIP Leg II还试验了一些新的水合物勘探技术，如钻井过程中的水合物沉积物三维图像现场演示技术等。GOM-JIP Leg II 项目总计在海上作业21 d，共花费1 120 万美元。目前，GOM-JIP Leg III 正在实施。

1.3.5 日本爱知海试采

2013 年1 月，日本在爱知县沿岸海域开展了可燃冰钻井和试采测试，试采处水深约1 000 m，水合物水底埋深约300 m，共钻井4口，其中1口钻井用作实际生产试验，其余则监察生产前后周围环境及温度变化，收集数据。

试采采用降低地层压力的方法，将混合着沙粒以固体形态存在的可燃冰分解为H2O 和CH4气体，并收集CH4气体，整个海上试采共采集到12×104m3气体。

日本经济产业省早前于东部海域一带进行调查时发现，该处海底蕴藏最少1.1×1012m3的水合物，约等于日本14 a 的天然气消耗量。

福岛核事故后，日本再次肯定了水合物等替代能源的重要性。

1.4 发展趋势

当前国际上天然气水合物开发技术研究趋势总体表现为：

a）多个国际性、综合性天然气水合物试采研究计划的实施，带动天然气水合物技术的重大突破。目前众多国家都加入了GOM-JIP 等项目，在这些项目中，各国可用共同出资的方式进行水合物试采技术探索，分摊前期研究成本，共同分享最新的水合物试采技术。

b）以天然气水合物勘探、试采和商业开发为核心的高技术交叉领域快速发展，找矿方法上呈现出多学科、多方法的综合性调查研究。美国、加拿大、日本及印度等国已初步圈定了邻近海域的天然气水合物分布范围，广泛开展了勘探技术、经济评价、环境效应等方面的研究。 c）天然气水合物勘探和监测向高分辨、大尺度、实时化、立体化发展，目前大型、可视开采模拟装置成为物理模拟的主要手段，室内模拟、数值模拟与试采、工业开发计划正在逐步实施。天然气水合物开采技术研究呈多元化，在传统的加热、注剂、降压开采方法逐步深入的同时，开始探索CO2置换、电磁加热等新开采方法。 d）与水合物相关的其它技术得以迅速发展。水合物在油气储运、深水浅层沉积物中的分解可能导致的海底滑坡、海上结构物不稳定、环境影响等方面的研究逐步引起重视。

2 国内天然气水合物勘探开发技术

国内对天然气水合物利用的研究起步较晚，1990年才由中国科学院兰州冰川冻土研究所与莫斯科大学合作，进行天然气水合物人工合成实验并取得成功，此后的近十年内，主要是对国外资料、文献进行调研和跟踪分析，有部分学者开始了基础理论研究和对我国天然气水合物资源远景进行预测。

2.1 成藏机理研究进展

2008 年9 月，我国启动973 项目“南海天然气水合物富集规律与开采基础研究”，项目为期5a，从气源、热力学条件和地质条件等角度分析了我国水合物成藏机理［6］。目的是针对南海天然气水合物成藏规律进行详尽研究，其研究成果最终汇集成了一本专集，获得了国内外同行认同。

2.2 勘探技术研究进展

1999 年，广州海洋地质调查局在南海北部陆坡区开展了天然气水合物资源调查，总工作量为：高分辨率多道地震调查4 470 km，海底浅表层地质取样138 站位，海底摄像59 站位，浅层剖面2 100 km，并取得了丰硕成果，发现了水合物存在的地质、地球物理和地球化学异常标志，初步证实我国海域存在天然气水合物。

2002 年，我国启动118 专项“天然气水含物资源调查项目”对水合物资源调查关键技术进行研究。2006 年12 月，国家启动863 计划“天然气水合物勘探开发关键技术研究”重大专项，项目为期5a，下设7 个子课题，包括了天然气水合物的勘探、成藏、取心和开采等主要方面的内容。

此研究分别在海上和陆上取得了真实的水合物样品，成为我国的水合物资源勘探标志性的成果。2007 年5 月，国土资源部在南海神狐海槽成功钻探取样得到天然气水合物岩心，取样处水深1 800 m，水合物藏埋深300 m，水合物藏的测量厚度分布在18～34 m 的范围内，测得的水合物饱和度分布范围为20%～45%，水合物分解气99%为CH4。最终在西沙海槽、东沙海域、神狐海域和琼东南海域圈定了数个有利的天然气水合物资源远景区。2008-2009 年，中国地质调查局组织中国地质科学院矿产资源研究所、勘探技术研究所和青海煤炭地质105 勘探队等单位，在祁连山木里地区开始施工“祁连山冻土区水合物科学钻探工程”并取得水合物样品。

2.3 开采技术研究进展

随着勘探技术的发展，我国水合物开采技术研究也取得了飞速进步。中国石油大学（北京）建立的水合物成藏实验装置体积近200 L (φ500 ×1 200 mm)，操作压力可达32 MPa，除温度、压力等常规因素外，也将供气方式、地温梯度、流量、扰动、地质构造等因素纳入水合物成藏考察范围，同时可用声、电、热联合探测水合物空间分布，可模拟多种成藏模式及演化过程。中科院广州能源研究所建立的水合物开发研究装置有效体积117.8 L（φ500×600 mm），模拟开采储层压力达到30 MPa，温度范围为-15 ～190 ℃，布置了4 个可视窗口并配备高精度数码相机和3根光纤探针实现可视化，144 个温度和6 个浓度分布探测器，用于测定水合物开采过程的动态变化特征。

软件方面，开发了天然气水合物藏开采模拟软件，软件可用于降压、注热、电磁加热、注剂和联合开采等不同开采方法的模拟研究，适用于多孔介质和裂缝结构等复杂地质条件，并可应用于井网部署的模拟，为天然气水合物藏开采提供了手段。

在天然气水合物开采过程中风险和防控技术方面，部分研究者重点关注了海上开采过程中水合物无序分解导致气体溶解、扩散、上升和逸出海面时可能引起的海水和大气变化，建立了相应的计算模型。同时，海上水合物分解触发的地质滑塌对油气设施带来的破坏也是一个重点研究对象。

我国天然气水合物资源利用技术研究虽取得了迅速发展，但整体还是落后于发达国家，目前尚处于取样阶段，还未开展现场试采试验。

3 天然气水合物资源利用展望及建议

自然界存在的天然气水合物具有丰富的资源量。但由于该领域科学技术发展的有限性，目前，人类对于这一资源的认识和评估还处在于起步阶段，利用价值还有待进一步研究。一方面，除受本领域技术发展限制外，还受石油、天然气、页岩气、煤层气、油砂等其它能源发展情况和各国自身国情的影响；另一方面，天然气水合物藏利用的经济性和导致的气候环境和工程地质灾害等问题，都是必须面对的重大问题。只有结合自身国情，综合考虑各种能源的发展现状，真正确认天然气水合物资源具有工业开采经济价值时，这一能源才能为人类的发展做出贡献。

我国对于天然气水合物这一前景还不清晰的资源，建议目前采取策略是：

a）密切关注国外天然气水合物利用研究的最新现状和趋势的同时做好基础技术储备，一旦天然气水合物经济开采技术取得突破，可迅速投入该领域。

b）加入国际天然气水合物JIP 发展项目，以较小的成本，分享国际最新研究成果，为天然气水合物利用奠定基础。

［1］Sloan E D, Koh C A. Clathrate Hydrates of Natural Gases (Third Edition)［M］. New York: Taylor & Francis Group, 2007.1-29.

［2］陈光进，孙长宇，马庆兰.气体水合物科学与技术［M］.北京：化学工业出版社，2008.1-5.Chen Guangjin, Sun Changyu, Ma Qingla. Science and Technology of Gas Hydrate［M］. Beijing: Chemical Industry Press, 2008.1-5.

［3］Davy H. The Bakerian Lecture: On Some of the Combinations of Oxymuriatic Acid and Oxygen, and on the Chemical Relations to These Principles to Inflammable Bodies［J］. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1811, (101): 1-35.

［4］Hammerschmidt E G. Formation of Gas Hydrates in Natural Gas Transmission Lines［J］. Industrial & Engineering Chemistry, 1934, 26(8): 851-855.

［5］Makogon Y F. Hydrates of Hydrocarbons［M］.Oaklahoma: Penn Well Books, 1997. 335-452.

［6］李伟华, 陈永峤.青藏高原多年冻土区天然气水合物成藏条件［J］. 天然气与石油，2011, 29(2): 50-53.Li Weihua，Chen Yongqiao. Study on Accumulation Conditions of Natural Gas Hydrate in Permafrost Regions of Qinghai-Tibet Plateau［J］. Natural Gas and Oil, 2011, 29(2): 50-53.