直击我国海域天然气水合物（可燃冰）成功试采

直击我国海域天然气水合物（可燃冰）成功试采

我国海域天然气水合物试采成功，这是在我国南海神狐海域进行天然气水合物试采作业的“蓝鲸一号”钻探平台。由国土资源部中国地质调查局组织实施的我国海域天然气水合物试采在南海神狐海域实现连续8天稳定产气，试采取得圆满成功，实现了我国天然气水合物开发的历史性突破。（新华社提供）

国土资源部部长姜大明宣布可燃冰试采成功

隐痛：巨量新能源沉睡海底

1999年“奋斗五号”船首次赴南海开展天然气水合物调查。

天然气水合物分布于深海沉积物或陆域永久冻土中，是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状化合物。因其外观似冰，且遇火燃烧，又被人称为可燃冰。

可燃冰具有巨大的经济价值。1立方米可燃冰可以分解出160～170立方米的天然气，其燃烧后分解为二氧化碳和水，被誉为清洁能源。其储量丰富，全球储量约是当前已探明的所有化石能源包括煤、石油、天然气中碳含量综合的2倍。据研究，97%的可燃冰资源分布于海洋。目前，全球已发现的可燃冰分布区超过110多处。据科学家们估计，可燃冰的储量至少够人类使用1000年。因而，各国都将其视为石油天然气的替代能源。自上世纪中叶起，美国、日本、加拿大等国先后投入巨资，开展了海域可燃冰资源的调查评价，并在上世纪八九十年代获取了海域可燃冰的实物样品。

“中国可燃冰资源一样丰富。”国土资源部党组成员、中国地质调查局局长钟自然说，“除陆地冻土区外，经过近20年的勘查，我国南海可燃冰地质资源量约为800亿吨油当量。”这意味着，如果全部开采出来，可稳定供应我国消费200年。

然而，对于人类而言，可燃冰却似“水中月、镜中花”。一是其赋存于尚未石化的海底砂层中，赋存空间犹如用砂构筑的蜂巢，开采时可燃冰分解为天然气和水后，“蜂巢壁”极可能坍塌并被带走，进而堵塞采气管道。二是只要温度、压力条件一变，可燃冰即挥发成气体进入大气，瞬间变成环境杀手。因开采难度极大，其在海域被发现至今的几十年间，开采一直无重大进展。美国、加拿大在陆地上进行过试采，但效果不理想。日本在2013年开展的首次海上试开采工作，因出砂等技术问题而失败。2017年4月，日本进行了第二次试采，累计采气近3.5万立方米，5月15日因出砂问题中止。

我国的试采技术研究储备始于2011年。“我国南海天然气水合物试采区，与日本试采区比较，具有储层水深大、埋藏浅、渗透性差、饱和度低、储层粒度更细、水合物类型更复杂等特点。仅储层类型而言，日本试采区为细砂质类型，我国南海为泥质粉砂质类型。目前，国际上试采储层类型的一般为砂砾型，简而言之，就整体开采难度而言，中国较日本更高，目前没有开采经验可循。”在试采平台，中国地质调查局副总工程师、广州海洋地质调查局局长、试采现场指挥部总指挥叶建良说，“砂细导致渗透率更低，同时我国的可燃冰试采区水深更大，储层埋藏浅，开采施工难度更大。”

一边是我国能源特别是油气资源对外依存度居高不下，一边是巨量的新能源沉睡海底。这一现实，也成为中国人，尤其是中国地质人心中的一大隐痛。

导向：国家需求压出角色转换

可喜的是，新中国地质人早已形成以国家需求为导向的传统。更可喜的是，地质人能将满足国家需求变成工作动力。

20世纪80年代中期，当我国经济发展速度进入快车道，常规油气资源供需矛盾越来越大时，地质人开始关注到国际上可燃冰有关报道和研究成果。

1995年，在中国大洋协会、原地质矿产部和国家科委的支持下，中国地科院矿产资源研究所曾先后在南海和太平洋国际海底开展了可燃冰的前期调研。

1999年，中国地质调查局成立后，我国可燃冰研究进入到加速发展阶段。同年，广州海洋地质调查局在南海北部西沙海域开展了可燃冰前期调查，发现了其存在的重要地震标志——似海底反射（BSR），第一次在我国海域找到了可燃冰的踪影，引起国家高度重视。

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可燃冰是什么？

可燃冰，是由气体分子与水分子组成的一种冰状的固体物质，学名为“天然气水合物”，外观多呈白色或浅灰色晶体，外貌似冰雪，可直接点燃，故被称为“可燃冰”。

根据可燃冰的分子晶体结构，可为三种类型：Ⅰ型为立方晶体结构，组成的气体分子主要为甲烷（含量大于93%）；Ⅱ型为菱形晶体结构，组成的气体分子除甲烷外，还含有相当数量的乙烷、丙烷和异丁烷；H型为六方晶体结构，由直径较大的气体分子构成，如二氧化碳等。

可燃冰的形成需具备四个基本条件：低温、高压环境以及充足的气源和水。自然界中的可燃冰主要赋存于高压、低温环境的海底浅表层沉积物和高纬度冻土里，约有97%可燃冰分布于海洋中，仅3%分布在陆地冻土带。可燃冰可在低于10℃时生成，超过20℃便会分解。在0℃时，只需30个大气压即可生成，压力越大越稳定。

海洋中，可燃冰往往分布于水深大于300米的海底沉积物中，分布范围从海底到海底之下1000米左右，气体主要来源于海底浅部的生物成因气和地层深部热解气。目前，在全球直接或间接发现水合物的矿点已达到234处，在49处获得了水合物样品。在5个矿点开展了试开采或开采，其中海域有两个矿点：中国1个、日本1个；陆域有三个矿点，美国1个、加拿大1个、俄罗斯1个。

可燃冰的自然产出状态有块状、脉状、结核状、分散状等，其成因主要有两种类型：一种是由于气体渗漏到地层的孔洞或裂缝中，呈块状、脉状或结核状；另外一种是气体扩散到沉积物的孔隙中，形成微小的可燃冰颗粒充填于沉积物的孔隙中，通常不为肉眼所识别，这种可燃冰就像一杯水倒进沙子里，什么都看不到一样。

在标准状态下，1体积的可燃冰大概可以分解为164体积的甲烷气体。据估算，全球可燃冰中的有机碳占全球有机碳的53.3%，而煤、石油和天然气三者的总量才占到26.6%。储量巨大和高效清洁的特点使得可燃冰被誉为21世纪的绿色能源。由于可燃冰的重大战略资源意义，从20世纪80年代开始，美国、英国、德国、加拿大、日本、印度、韩国等相继投入巨资开展勘查开发及科学研究。

根据可燃冰的储集类型，目前认为自然界中大部分可燃冰分布在海洋黏土质或粉砂质细粒沉积物中，其次是分布在地层的孔洞或裂缝中的可视型可燃冰，再其次是分布在海洋砂层中的可燃冰和陆域冻土带砂层中的水合物。据估算，全球赋存在砂层可燃冰中的气体量可能超过1217万亿立方米，约占全球可燃冰原地资源量的中间范围估值的5%。从目前的技术条件看，砂岩中的可燃冰较容易开采，陆域及日本海域目前主要针对砂岩储层中的可燃冰进行开采试验，而中国在神狐海域开采的可燃冰储集类型是黏土质粉砂储层，开采难度较大。

如何揭开南海可燃冰的神秘面纱？

在国土资源部、中国地质调查领导下，广州海洋地质调查局负责实施南海可燃冰勘查试采工作，广泛吸收国内外优势力量，在南海水合物勘查、试采、成藏地质理论研究、技术装备研发等发挥了主导作用。自1999年开始，历经前期调查（1999-2001年）、调查与评价国家专项（2002-2010年）、勘查与试采国家专项（2011年至目前）三个阶段，通过近20年的攻关，我国创新集成了具有南海特点的水合物综合探测技术体系，初步形成了天然气水合物成矿、控矿、找矿理论，建立了南海水合物资源评价、区带评价及目标预测理论和方法，取得一系列重大找矿突破和开拓性创新成果，实现了从国内空白到领跑世界的跨越发展。

目前，广州海洋地质调查局在南海已完成高分辨率多道地震13万千米、多波束测量7万千米、浅层剖面测量2.4万千米、热流测量522个站位、地质取样2272个站位、OBS调查195台站、可控源电磁测量20台站、深潜器（ROV）调查23站位，在南海北部陆坡基本完成地质-地球物理普查测网调查，在重点目标区开展了以三维地震探测为主的多手段详查，钻井87口。通过系统勘查评价，预测南海海域水合物远景资源量达800亿吨油当量，并圈定了6个水合物成矿远景区、19个成矿区带、25个有利区块、24个钻探目标区，发现珠江口盆地东部海域和神狐海域2个千亿方级的水合物矿藏。

我国可燃冰的勘探开发历程已有近20年的历时。1999年，我国首次在南海西沙海域可燃冰存在的地震反射证据——似海底反射界面（BSR）。2004年，首次在台西南盆地发现“九龙甲烷礁”。2007年，首次在南海神狐海域钻探获取实物样品，使我国成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划在海底钻探获得可燃冰实物样品的国家。

2013年，在南海珠江口盆地东部海域首次钻获大量块状、脉状、分散状等多类型的高饱和度水合物样品，首次证实超千亿方级天然气水合物矿藏。

2015年，在南海北部神狐海域实现水合物钻获成功率100%，再次钻探证实超千亿方级天然气水合物矿藏。利用自主研发“海马”号深潜器在珠江口盆地西部海域发现“海马冷泉”，并利用大型重力活塞取样器获取块状水合物实物样品。

2016年，通过钻探锁定试采目标，系统获取了试采目标井储层关键数据，为试采实施奠定了坚实基础。

2017年，首次在世界上成功实现连续安全可控试采，实现了我国海域水合物试采历史性突破。

可燃冰能被开发利用吗？

近年来，国际可燃冰研发态势已逐步从勘查阶段进入试采验证阶段，迄今已在加拿大麦肯齐三角洲、美国阿拉斯加北坡、中国祁连山冻土区、日本南海海槽和中国南海神狐海域实施了试验性开采，前苏联在西西伯利亚麦索亚哈气田进行了可燃冰开发。

1969-1990年，前苏联在麦索亚哈气田对水合物藏进行商业开采。该气田为常规气田，在气田上方形成水合物藏。该水合物层经由减压途径无意中得以开采的，通过开采水合物藏之下的常规天然气，导致水合物层压力降低发生分解。气田的最高年产量为21亿立方米。从该气藏的游离气中大约生产出80亿立方米天然气，从分解的水合物中生产出约30亿立方米天然气。

2002年，加拿大、日本等在加拿大西北部麦肯齐三角洲（马利克地区）进行第一次陆上试采，采用“热水循环法”在全球首次成功从水合物层中产出天然气，生产持续5天，总产气量470立方米。2007年进行第二次陆上试采，采用“降压法”实现连续12.5小时从水合物层中产出天然气，总产气量850立方米。2008年进行第三次陆上试采，采用“降压法”实现连续5天从水合物层中产出天然气，总产气量1.3万立方米。

2011年，中国在青海祁连山冻土区成功实施陆域天然气水合物试开采，采用降压法和加热法成功将地下130米～400米处的天然气水合物分解出天然气。

2012年，康菲石油公司等在美国阿拉斯加北部斜坡完成了利用二氧化碳置换可燃冰的开采测试。在整个开采阶段，包括后续6天的气体回收，共开采出甲烷约24210.9立方米，在固相中实现了甲烷—二氧化碳的置换。

2013年，日本在其南海海槽利用降压法进行可燃冰试采，开采出气持续6天，生产天然气12万立方米，后因严重出砂被迫终止。

国际上试验性开采均针对高渗砂质储层，我国首次瞄准低渗细粒水合物储层进行试采，难度更大，极具挑战性。

2017年5月10日，中国在南海神狐海域首次试采可燃冰点火成功，至5月18日连续产气8天，平均日产超过1.6万立方米。截至6月10日，连续产气31天，总产气量21万立方米，平均日产6800立方米。试采井产气过程平稳，井底状态良好，钻井作业安全，海底海洋环境监测未发现异常，无海底甲烷气体泄漏情况。取得了持续时间长、气流稳定、环境安全等多项重大突破性成果。

中国海域水合物试采成功具有十分重大的意义，必将引领和推动世界可燃冰开发基础研究和技术方法发展，加快人类开发利用可燃冰的步伐。（中国国土资源报）

块状

脉状

结核状

分散状

我国可燃冰实质性调查与研究就此展开。随后，广州海洋地质调查局（以下简称广海局）扩大调查范围和战果，在我国南海北部多处海区发现了可燃冰踪迹。

2002年，国家批准设立专项，在我国海域开展可燃冰综合调查与评价工作。以广海局为主力，并广泛吸收高等院校、科研院所、国家石油公司等参与，发现了我国南海北部可燃冰赋存的大量的地质、地球物理、地球化学及生物等异常标志，初步圈定出可燃冰资源远景最有利的重点目标区，并在国家科技计划等给予支持，持续开展了探测关键技术等研究。同时，中国地质调查局在青岛海洋地质研究所建成了可燃冰模拟重点实验室，并人工合成可燃冰。

2007年，在中国地质调查局的组织下，广海局联合国内外先进调查勘探力量，在南海北部神狐海域实施了我国首次可燃冰钻探，成功获取实物样品，成为继美国、日本、印度之后第四个通过国家计划在海底钻获可燃冰实物样品的国家。

为尽早开发利用可燃冰，2011年，以加快南海北部水合物资源远景区勘查评价、选择重点靶区实施水合物试验性开采为目标的可燃冰勘查与试采专项工作启动，可燃冰调查进入了全新阶段。

在开展分层次多学科综合性勘查评价后，新的钻探靶区被确定在了珠江口盆地东部海域。2013年，广海局组织实施了珠江口盆地东部海域可燃冰钻探航次，钻获获取到大量层状、块状、脉状及分散装等多种类型可燃冰样品，并发现超千亿方级可燃冰大型矿藏。2015年，广海局通过调查，在珠江口盆地西部海域首次发现大型活动冷泉——“海马冷泉”，并成功采获大量浅表层可燃冰实物样品。同年，再次在神狐海域组织实施钻探并取得重大发现——钻探区天然气控制资源量超过1500亿立方米，为特大型可燃冰矿藏，为本次试采提供了重要参考靶区。

为加速我国可燃冰勘查开发进程，2016年，中国地质调查局明确由广海局作为可燃冰试采工程项目承担单位，在广海局成立试开采现场指挥部，叶建良担任总指挥，青岛海洋地质所所长吴能友担任副总指挥，并在广海局成立了可燃冰工程技术中心，创新研发了试采关键技术和装备体系，锁定全球最先进的超深水双钻塔半潜式钻井作业平台，完成了试采工程实施方案和长线物质相关服务准备。同时，在试采经费尚未落实的情况下，广海洋局抽调近50人组织开展了试采攻关，以强力推进试采科技攻关。

2017年，中国地质调查局将可燃冰试开采列入重中之重工作“1号工程”，并明确了获得日产万方天然气、持续试采一周，获取完整有效科学数据科学目标，以及确保试采安全、环保、顺利等可燃冰试采工程目标。中国石油天然气集团公司、北京大学等相关单位人员组成试开采团队，创新制定了科学的技术方案。

可燃冰成功试采一直是叶建良心中的梦想。2003年，叶建良获得地质工程博士学位，博士论文即是以可燃冰为题，此后，他组织编写了可燃冰专著，积极推动陆域可燃冰的发现等。2016年，他出任广海局局长，成为了中国地质调查局可燃冰试采的最优专家人选，并一直坚守在平台上，全身心投入到试采工作中。今年3月14日，平台“蓝鲸1号”抵达试采目标区——南海神狐海域；3月28日，中国海域首次天然气水合物试开采正式开钻。5月10日上午，叶建良一声令下，降压工作正式开始，14点52分，排气管一次点火成功。至5月18日10时，已连续产气7天19小时，最高产量3.5万立方米/天，平均日产超1.6万立方米，累计产气超12万立方米，天然气产量稳定，甲烷含量>最高达99.5%，实现了预定目标。

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压力就是动力，动力催生成果。经过近20年的不懈努力，我国取得了天然气水合物勘查开发理论、技术、工程、装备的自主创新，实现了历史性的跨越，成为中国人民勇攀世界科技高峰的又一标志性成就。

突破：对人类的一大贡献

经过几十年的研究，国际上公认的海域可燃冰开采主要有三种方案，即热解、置换和降压。其中，热解和置换两种方法因成本高昂而不具经济可行性，降压法成为人类利用可燃冰的最有前景的一道可通之门。

在无成功先例、无成熟团队、无成熟平台、无成熟工艺的情况下，试开采团队以我国南海神狐海域水深1266米海底以下203米～277米的可燃冰矿藏为试采区，超额实现了试采目标。这次成功试采，既是中国首次也是世界首次对此类可燃冰的成功试采。

“试采成功是我国天然气水合物开发利用重大突破，标志着我国在这一领域实现了历史性跨越。”钟自然在给予了高度评价的同时，对试采成功的贡献进行了高度概括：实现了可燃冰勘探开发理论、全流程试采核心技术和开采环境安全防控三大重大突破。

在可燃冰勘探开发理论上，试采工程实施项目负责人、现场指挥部办公室副主任、广海局水合物室主任陆敬安说，在多年调查研究的基础上，建立了可燃冰“两期三型”成矿理论，指导发现了两个超千亿方级矿藏，并精准锁定了试采目标；创建了可燃冰成藏系统理论等。这些指导了试采实施方案的科学制定，并在此次试采中得到了证实。

在可燃冰全流程试采核心技术上，现场指挥部办公室副主任、中国地调局基础部主任助理、广海局局长助理谢文卫介绍说，已形成了国际领先的新型试采工艺，首创“地层流体抽取”新型试采方法，实现了小幅降压取得产能增加的突破；掌握了钻完井核心技术，研发特殊的平衡钻井、井口稳定性增强等技术，构建了深水浅层钻完井技术体系等。

在试采环境安全防控上，中国地质调查局基础部副主任、广海局局长助理、现场指挥部办公室主任邱海峻说，通过试采，已建立了可燃冰环境效应评价技术方法，全面调查获得试采前环境本底数据；构建大气、海水、海底、井下“四位一体”的立体环境监测网，实现了对温度、压力、甲烷浓度及海底稳定性参数实时监测及安全预警；综合评价结果显示，试采未对周边大气和海洋环境造成影响。

国家千人计划学者、北京大学卢海龙教授介绍说，本次南海神狐海域试采的可燃冰储层类型为泥质粉砂型，具有特低孔隙度、特低渗透率等特点，开采难度极大。但该类型在全球分布最为广泛，资源量在全球占比超过90%。我国首次成功试采，为可燃冰广泛开发利用提供了技术储备，奠定了坚实基础。

对此，中国地质调查局副局长李金发说得更为直接：“这有可能是继美国引领页岩气革命之后，由我国引领的可燃冰革命，标志着人类已经找到鱼和熊掌兼得的可燃冰开采之路。”

特色：中国模式魅力再显

“试采成功，带有鲜明的中国特色。”试采平台上，叶建良感慨地说，中国特色体现在，一是发挥了社会主义制度可以集中力量办大事的政治优势，二是参研单位积极实施创新驱动发展战略。

自开展可燃冰的系统研究后，国家先后实施可燃冰调查与评价，以及勘查与试采两个国家专项。专项实施过程中，国家多个部委提供了政策、资金等各种强力支持，国土资源部、中国地质调查局举全系统之力，整合形成了集地质调查、科研、装备研发和油气生产单位紧密配合、集中攻关的模式，从而使我国在较短时间内，完成了可燃冰成矿理论、预测、调查评价到勘查试开采全流程理论和方法技术体系的建立。

广海局作为国家水合物专项，以及试采工程实施项目的主要承担单位，初步形成了我国海域天然气水合物综合探测技术体系，并首次建立起我国南海天然气水合物基础研究系统理论，为南海天然气水合物资源调查实现重大突破以及试采成功提供了重要的理论和技术支撑。

中国地质调查局青岛海洋地质研究所已建成了可燃冰综合实验室，为试采提供了准确的物化参数等技术支持。

这次试采，整合了中国地调局系统内的这两家海洋地质调查单位，并联合系统内勘探技术所、油气调查中心、水环中心、探矿工程所和测试中心等直属单位优势专业力量，构建起以中国地质调查局为核心层，以中石油、北京大学为紧密层，以其他科研院所和第三方服务商为协作层，创新制定了科学的技术路线和详细的试采工程实施方案，优化形成了四种防砂方案和两种人工举升方式，选定全球最先进的第七代半潜式钻井平台，连续奋战18个月，终于实现我国海域可燃冰试开采成功。

未来：产业化任重道远

5月17日晚，前来参加试采现场会的中石油海洋公司总经理刘圣志、“蓝鲸1号”制造商中集集团公司副总裁于亚兴奋异常。

“商业化开采的矿区准备好了吗？什么时候组织区块招拍挂？”一见面，刘圣志就向广州海洋局副局长秦绪文抛出了自己的问题。

而于亚则向同事说出了今后的打算：“会后要根据这次试采形成的相关参数，组织人员进行自主设计的研究工作，形成完全自主知识产权的适合我国海域可燃冰赋存特点的钻井平台。”

原来，“蓝鲸1号”本是外国一家公司支付订金的海洋石油钻井平台，无奈在其建造快完成时遭遇全球油价大跌。于是，平时推崇契约精神的外国公司撕毁了当初合同，订金、平台都不要了。在这种情况下，中集集团公司决定以砸在手里的钻井平台为基础，联手中石油海洋公司组建专门的海洋油气钻探施工队伍。双方意向刚一达成，就遇上了我国首次海域可燃冰试采工作。

相对两位市场人士的热情，秦绪文冷静表示，试采虽然成功，但仍面临许多难题需要攻克，市场化之路还有很多坎要过。

“美国页岩气革命从成功到商业化开发利用，前后走了20多年时间。”秦绪文说，可燃冰专用钻井平台的研制一定要尽快进行，“‘大马拉小车’的情况结束得越早越好。这样，我们就可以在相同投入的情况下，进行对更多海域不同储层可燃冰的试采，为商业化开发积累更多的经验。”

据了解，本次试采工作确定要施工3口开采井和1口监测井，将分别根据海域和储层情况，制定不同的方案、采用不同的工艺和装备，以进一步丰富、完善海域可燃冰开采理论和方法技术体系。

“一口井到底降压范围有多大？海底井口封堵装备是不是适应所有海域等，都需要我们今后不断试验才能得出结论。”对此，谢文卫解释说。

清醒认识的结果，是中国地质调查局在试采成功后，立即理出了今后工作的思路：加大区域勘查力度，摸清资源家底。提高南海北部可燃冰资源潜力，拓展找矿空间；深化开采技术研发，巩固领跑优势。优化完善泥质粉砂储层试采技术工艺，促进产业化进程，开展多种类型可燃冰试采，加快建立适合我国资源特点的开发利用技术体系；加强科技平台建设，提升创新能力。创建可燃冰国家重点实验室，深化基础理论研究，建设可燃冰国家工程技术中心，增强关键技术自主研发和成果转化能力，全面提升可燃冰勘探开发和深海科技创新能力。

路漫漫其修远兮。保障国家能源安全，向地球深部进军，中国地质人仍在路上……（新华社）