碳达峰目标下中国深海天然气水合物开发战略

魏 纳 白睿玲 周守为 罗平亚 赵金洲 张 耀 薛 瑾

“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学

1 深海天然气水合物发展机遇

为有效应对全球气候变暖的问题，国际社会积极推进碳减排，通过《巴黎协定》对2020年后应对气候变化的国际机制作出了安排，进一步提出努力实现1.5 ℃的升温控制目标[1-2]。鉴于中国超百亿吨的年二氧化碳排放量及其尚处于快速增长阶段等现实情况，在2030年前碳排放达峰，意味着中国占全部温室气体排放量73%的能源行业将在未来十年步入深度低碳转型的加速期。

中国能源体系以化石能源为主，在目前“双碳”目标的背景下碳减排压力巨大，亟待推进能源技术革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系[3]。非化石能源替代化石能源是根本举措，但短期内这个目标难以实现。在发电工业端，受资源和安全环保要求限制，核能和水能增量空间不足；光伏、风电受天气及地域的影响较大且调峰能力差。而在供热工业端，氢能和可再生能源发电取热技术由于成本过高，尚不具备大范围推广的条件。综上所述，提高非化石能源比重任重道远，在化石能源里提高低碳能源的消费比例是中国实现碳达峰、碳中和的有效途径。

与煤炭、石油相比，天然气热值高、碳排放量少且燃烧后无废渣、废水产生，具有使用安全、热值高、洁净等优势，作为高污染化石能源向清洁能源转换的重要桥梁，天然气将成为中国能源结构调整的主要增长点和低碳转型的主力军，是中国建立清洁低碳、安全高效的能源体系和兑现“碳达峰、碳中和”目标的必然选择。“十四五”国家经济发展规划纲要中也明确指出，应逐步构建以绿色和低碳能源为主导的新的能源消费结构体系，提高天然气在一次能源中的消费比例。

尽管国内天然气产量在过去十几年增速很快，但是远赶不上消费增速，2020年，中国天然气年产量为 1 900×108m3，年消费量为 3 200×108m3，对外依存度达43%，预测2025年中国天然气年产量峰值为 2 500×108～ 2 700×108m3，年消费量峰值介于 5 500×108～ 6 000×108m3，对外依存度将超过50%[4]。随着全球地缘经济政治格局的深刻调整和新冠肺炎疫情的持续蔓延、全球贸易争端加剧等因素给中国天然气进口带来较大的不稳定性，过度依赖进口天然气来满足国内需求，显然存在长期的隐患。应尽可能延缓天然气对外依存度迅速上升的趋势，为能源转型过程中增强天然气的自主保障能力争取时间和空间。

天然气水合物（以下简称水合物）具有储气密度高、燃烧热值高等特点，是一种清洁高效的能源资源和化工原料[5-6]，主要分布在陆地冻土带和沿海大陆架，全球已累计发现超过230个水合物矿区，总量达7.6×1018m3，是已知含碳化合物（包括煤、石油和常规天然气等）总和的2倍[7]。其中，海洋水合物超过90%，仅中国南海的资源量就约85×1012m3，是全国陆地常规天然气总储量的2.12倍，是继页岩气、致密气、煤层气等之后潜力巨大的接替能源[8-11]。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“水合物开发技术”部署为27项前沿技术之一[12]；国家《能源发展战略行动计划》提出加大水合物勘探开发技术攻关力度，积极推进试采工程[13]；国家《能源技术革命创新行动计划》提出突破水合物勘探开发关键技术，开展先导钻探和试采试验[14]。2017年11月，国土资源部宣布水合物获批成为中国第173个新矿种[15]。随着“双碳”目标以及“搁置争议、共同开发”双轨维权的推进，水合物的规模化开发将迎来最佳历史发展机遇，在常规气供给缺乏弹性、非常规气增产有限的条件下，若实现资源量巨大的水合物规模化开发，2035年可增加天然气产量超过800×108m3，使中国天然气对外依存度大幅降低，有助于改变中国的能源供给格局，改善能源消费结构，加快实现碳达峰、碳中和的目标任务。

2 水合物开发研究现状

2.1 水合物开采方法

目前，水合物开采方法可归纳为4种类型，即降压开采法、注热开采法、注化学剂开采法、其他开采方法。开采原理大部分为采用各种方法破坏水合物的相平衡状态，使天然气从水合物中分解后采出。

2.1.1 降压开采法

通过降低水合物储层压力，打破水合物的相平衡条件，促成分解产气，能够同时开采气藏和水合物藏[16]。

2.1.2 注热开采法

通过向水合物储层注入热水、热盐水、蒸汽、其他热流体或者采用电加热、微波加热、就地燃烧重油、电磁加热等方法升高储层温度，从而打破水合物的相平衡条件，促成其分解产气[17]。

2.1.3 注化学剂开采法

水合物的相平衡条件在化学试剂的作用下会发生改变，此时水合物在较低的温度下即可发生分解。利用此原理向水合物储层注入醇类、盐类化学试剂，促使水合物分解的方法即为注化学剂开采法[18]。

2.1.4 其他开采方法

CO2置换法、陆上开采近海水合物法、四合一法等新的开采方法正在研究中。CO2置换法是用CO2置换水合物中的甲烷气体，新形成的CO2水合物能够保持沉积物的力学稳定性，同时将CO2储存在地层中以减少部分温室效应[19-20]。陆上开采近海水合物法是采用陆地钻斜井并配合井下钻孔作为采气通道的开采方法，其安全开采水合物的同时无需海洋油气相关设备[21]；四合一法即利用氧化、还原、催化、置换等4种原理进行水合物开采，直接在井下放一个高温催化炉，催化甲烷成为氢气、一氧化碳时释放出热量从而促使水合物分解[22]。

2.2 水合物试采工程及中国水合物开发技术水平

2.2.1 水合物试采工程

全球已有以下5个水合物试开采区：苏联麦索雅哈冻土区、加拿大麦肯齐三角洲冻土区、美国阿拉斯加北坡冻土区、日本南海海槽、中国南海神狐海域。1965年，苏联首次在西西伯利亚发现冻土水合物，1970年实施开采，是全球公认最早开采实例[23]；加拿大分别于2002年和2008年在麦肯齐冻土区采用降压法实施了两次水合物试开采计划，日产气速率高达 0.2×104～ 0.4×104m3[24]；美国能源部建立专门针对水合物开发的基础、应用研究国家级项目，即“甲烷水合物调查研究和开发行动法案”（Methane Hydrate Research and Development Act），主要目标为建立全球水合物数据库，解决开采技术难题，评估其对国家能源安全贡献值以及对常规油气的影响。1971年，美国在大西洋大陆性洋脊布莱克海台首次发现海洋水合物，1980年采集到水合物样品，2007年美国在阿拉斯加北坡冻土区采用降压法实施了水合物试采，最高日产气量为5 300 m3[25]；日本分别于2013年和2017年采用降压法在爱知县海域进行了两轮海洋水合物试采，2013年累积产气量 11.95×104m3，2017 年累积产气量 22.3×104m3，均因储层出水和水合物二次生成堵塞井筒等问题中断生产[26]；2017年和2020年中国利用降压法分别开展了两轮海域水合物试采工程，2017年连续试气点火60天，累积产气30.9×104m3，创造了持续产气时间最长的世界纪录，2020年在为期30天的连续产气试验中累积产气86.14×104m3，日均产气2.87×104m3，创造了日均产气和产气总量两项新的世界纪录，实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的重大跨越[27]。

目前已实施的降压法水合物试采，均借鉴常规油气开采工艺，无论是针对成岩水合物还是非成岩水合物都是短期科研试采，回避了长期开采面临的环境、装备、生产和工程地质等安全风险。且该方法在开采海洋非成岩水合物时存在很大的局限性，水合物在地层内无序分解，分解后的天然气容易逸散到海底，无法大规模商业化应用。

2012年，周守为等[28-29]针对海洋非成岩水合物的自然属性，提出了固态流化开采设想，其科学实质是将非成岩不可控水合物藏转变为密闭管道内可控水合物藏，实现水合物在密闭管道内可控有序分解。西南石油大学联合中海油研究总院有限责任公司、航天科工宏华集团有限公司历时5年发明和研制成功全球首个具有完全自主知识产权的“海洋非成岩水合物固态流化开采大型物理模拟实验系统及实验方法”，实现了水合物固态流化开采全过程模拟[30-31]。依托该实验系统，通过大量模拟实验优化南海神狐海域目标井关键施工参数，制定了首轮固态流化海域试采工程的方案，并于2017年5月在南海神狐海域成功实施全球首次海洋水合物固态流化试采，采收率达80.1%，证明固态流化开采技术原理可行、开采工艺可行。随着该系统和技术的进一步升级，有望成为中国引领世界前沿的一项颠覆性技术，加快中国乃至全球水合物商业化开发进程。

2.2.2 中国水合物开发技术水平

从世界主要国家研究与试采现状可以看出，中国水合物研究相较于世界其他国家总体呈现“工程集成适度领先、单元技术部分落后、基础理论亟待突破”的特点（图1）。

图1 中国水合物开发技术水平与国际水平对比简图

3 深海水合物开发方向

中国南海水合物以泥质粉砂非成岩水合物为主，没有常规油气藏致密盖层，大多表现为与下伏游离气纵向耦合共生关系，丰度低、产量低，如图2所示[32]。虽然，中国试开采水平已跻身国际领先地位，但水合物规模化开发仍面临以下理论与技术难题：①丰度低，连续试采困难，难以实现安全环保经济开采，资源等级定量划分和开发模式响应关系尚未建立；②开采过程中储层热、流、力、空间、结构、多场时空演化不清，尚未找到较好解决水合物试采影响生态环境的方法；③开采过程储层、井筒到水下采油树、海底管道及下游工艺设施中气—液—砂—水合物四相复杂流动规律不清、水合物再生机制不明。

图2 水合物与下伏常规气耦合共生关系图

基于上述理论与技术难题，利用中国工程院战略咨询智能支持系统对2000—2020年国内外水合物相关论文专利进行聚类分析，根据分析结果，将水合物研究与开发划分为：室内模拟测试技术、地质勘探技术、钻探取样技术、三气合采技术、环境风险监测技术5种类型，其具体发展方向分析如下。

3.1 深海水合物室内模拟测试技术

伴随水合物试采进程加快，针对多类型水合物联合开采的微观—介观—宏观的多尺度开采模拟方法与进一步精确模拟和评测水合物物性的水合物多功能一体化评测实验装置将成为研发重点。深海水合物室内模拟测试技术研究现状与发展方向如表1所示。

表1 深海水合物室内模拟测试技术研究现状与发展方向表

3.2 深海水合物勘探技术

以水合物探测和试采、产业化开发为核心，高技术交叉领域快速发展，多学科、多方法综合调查研究的找矿方法及高精度、立体化、综合探测技术将是未来的发展方向。深海水合物勘探技术研究现状与发展方向如表2所示。

表2 深海水合物勘探技术研究现状与发展方向表

3.3 深海水合物钻探取样技术

水合物钻探取样技术研究呈现多元化，大型可视开采模拟、数值模拟与试采、工业开发计划逐步实施，不同赋存形式表层、浅表层、深层水合物安全高效开采工艺将是未来的发展方向。深海水合物钻探取样技术研究现状与发展方向如表3所示。

3.4 三气合采技术

随着资源开发模式与试采工程趋向水合物和油气联合开发，水合物、浅层气、天然气藏的纵向立体开发技术将是未来的发展方向。水合物三气合采技术研究现状与发展方向如表4所示。

表4 水合物三气合采技术研究现状与发展方向表

图3 深海水合物全过程开采大型实验物理模拟系统照片

3.5 深海水合物环境风险监测技术

该技术的研究现状与发展方向如表5所示。水合物局部—整体、短期—长期的综合监测、系统评价及高分辨、大尺度、实时化、立体化的探测和监测将是未来的发展方向。

表5 水合物环境风险监测技术研究现状与发展方向表

4 中国深海水合物开发路径

4.1 深海水合物研究开发链和技术路线图

结合国内外深海水合物试采现状、中国能源需求与资源禀赋、水合物发展方向，制定出中国深海水合物研究开发链（图8）和2020—2035年深海水合物开发理论与技术路线图（图9），并在此基础上提出相关战略支撑与保障建议，以推进水合物规模化开发进程，保障中国天然气能源的可持续安全供给，助力碳达峰碳中和目标加快实现。

图4 三维地震与海底高频地震联合探测技术图

图5 大型多功能、高精度工程勘探船照片

图6 多气合采立体开发技术图

图7 深海水合物钻井风险管理技术体系图

图8 中国深海水合物研究开发链图

图9 2020—2035年中国深海水合物开发理论与技术路线图

4.2 统筹部署、分步实施

目前，中国已建立水合物国家重点实验室、海洋水合物开发省部共建协同创新中心、深海水合物高效开发学科创新引智基地等多个水合物开发基础研究平台，建议接下来依托研究平台，联合国内优势力量启动“深海水合物、浅层气、油气一体化勘探开发”重大科技工程，以实现深海水合物规模开发为目标，技术经济可采为攻关方向，统筹部署、分步实施：①2022—2025年，探索南海先导试验区成藏机制和资源评价方法，建立综合勘查技术装备体系，实现钻探取样、在线测试装备国产化，形成稳定试采工艺、防砂工艺、流动安全保障工艺，实现水合物和常规气合采；②2026—2030年，锁定南海先导示范区水合物及常规气富集区，实现井下机具ESP等国产化，完善固态流化和降压法联合试采技术及工艺，实现水合物—油气一体化开发技术与装备配套，实现试采过程安全监测设施国产化，建成先导示范区，实现规模化试采；③2031—2035年，初步建立南海水合物规模开发技术方法，形成完全自主的作业装备、技术和工艺体系，建立示范区建设规范和标准，构建规模开发环境风险控制技术体系，建成商业化示范区，实现商业化开采。

4.3 相关建议

4.3.1 强化顶层设计

水合物开发利用是一项庞大而复杂的系统工程，跨多学科，涉及基础科学、应用技术和工程技术，需要相关领域的领先机构通力合作、共促发展。应充分发挥政府机构、企业、高校及科研院所的优势，开展水合物开发技术研究工作，避免人力财力浪费；建议从国家层面，开展水合物规模化开发政策研究，制定相应的投资法规、税收、产权保护等产业发展政策，在国家科技计划中设立“水合物资源开发”重点专项，统筹建设水合物国家技术创新中心，积极引导跨部门合作，对水合物开发创新技术协同攻关，整合国内优势科技力量和资源，在研究方向上进行统筹性的规划与分工，“产、学、研、用”相结合，实现水合物资源开发统筹部署、资源勘查与试采技术、开采装备等研究的无缝衔接，共同推进水合物勘探开发技术研究，占领国际水合物开采理论和技术研究的制高点。

4.3.2 发挥企业主体作用

企业具有创新资源富集、技术布局完备、产业链韧性高、外溢及带动效应明显等特征，在产业链中占据重要位置，是重要的创新战略实施平台。建议在开发利用水合物的过程中，发挥企业主体作用，在基础理论和勘探开发方面，结合现有传统油气工业的经验与特长与国内领先的科研院所合作，摸清水合物的资源分布与物性特征，大力发展水合物勘探开发技术；在工程装备研发制造方面，结合油气工程装备制造优势，与领先的海洋工程装备研发机构合作，形成拥有自主知识产权的水合物开发装备体系；在水合物安全风险监测方面，加强水合物开采风险控制，开展综合技术经济评价和环境监测研究，发挥企业的资本优势，与金融等行业合作，在水合物开发利用初期探索实施联合投资，实现利益共享、责任均担，最大程度降低水合物开发中可能面临的各类风险。

4.3.3 积极开展国际合作

应抓住新一轮能源结构调整和能源技术变革的机会，推动水合物产业化发展。水合物开发利用作为中国着力推进的面向国家重大需求战略高技术研究领域之一，其规模化开发需要长期持续的技术研发和巨大的人力财力支撑，国际长时间处于水合物研究领域前沿的机构，对水合物开发利用技术研究深入，与这样的研究机构进行技术交流与合作，可学习先进经验、取长补短，使中国始终保持在水合物开发利用研究的前列，及时掌握水合物研究领域最前沿的理论技术，降低研究成本，保障水合物开发利用研究长期可持续，是推动水合物规模化开发技术进步的重要途径。

5 结束语

海洋水合物开发作为国家能源重大发展战略，不仅是国家经济社会发展的重大现实需求，也是能源发展方式转变的重大现实需求，其开采技术具有意义重大和难度巨大的双重属性，在国家层面具有战略性和革命性特征，在技术层面具有前沿性和竞争性特点。

通过制定水合物领域全球技术清单可以发现，针对深水浅层水合物、浅层气、深部油气的共存成藏机理以及地质分布特征，高精度探测技术、地球物理、地质及测井、钻探等立体化、综合探测技术是未来主要发展方向。随着试采数据的获取，其资源评价方法正在向精细化发展，为保障安全钻采作业，资源开发模式与试采工程趋向水合物和油气联合开发，新型合采技术和合采设备将是研发热点和前沿方向，而针对深海水合物不同开发模式，急需建立局部—整体、短期—长期的综合监测、系统评价机制，确保水合物的稳定试采和规模化开发。