天然气水合物资源发展历程及产业化前景

杨 振许振强

1.广州海洋地质调查局 广州 510075

2.南方海洋科学与工程广东省实验室（广州） 广州 511458

天然气水合物（俗称可燃冰），在自然界中是由甲烷为主的烃类气体与水在高压低温条件下形成的似冰状固态结晶物质，高效清洁，能量密度高，1立方米天然气水合物在标准状态下分解可释放160～180立方米甲烷气体，其能量密度是煤炭或碳质页岩的10倍、常规天然气的2倍。主要分布于水深大于300米、海底以下1 500米的松散沉积层中，在陆域冻土带和内陆湖的深水环境也有少量的分布。我国是世界上极少数既有海底天然气水合物也有陆上冻土区天然气水合物的国家之一。实现天然气水合物产业化意义重大，世界各国竞相角逐，积极抢占天然气水合物产业化先机。美国政府顾问马克认为“可燃冰将可能改变现在的地缘政治模式，现存的世界能源市场将彻底改变”。

1 天然气水合物产业化意义

天然气水合物是资源量丰富的高效清洁能源，实现天然气水合物产业化，对缓解能源资源短缺危机，提升社会绿色发展水平，保障国家能源战略安全，以及孕育新蓝色经济增长极等均具有重大意义。

1.1 缓解能源资源短缺危机

当今世界石油资源日益紧缺，寻找其他可再生资源代替石油已是大势所趋。美国地质调查局经过多年调查认为，天然气水合物将成为21世纪的主要能源之一，是能源之中的一个“新领域”。全球天然气水合物地质资源量达20万亿吨油当量，大致相当于全球煤炭、石油和天然气等化石燃料总资源量的2倍，天然气水合物作为21世纪的替代能源是世界能源发展的大趋势。在探明的资源里即使其中15%能实现商业化生产，按照目前的能源消费水平也能够满足人类使用200年，极大地缓解了油气资源紧缺的问题。

1.2 提升社会绿色发展水平

在新技术变革、气候变化以及碳排放压力等多重因素影响下，未来能源结构将会发生显著变化，化石能源所占比重将不断下降。天然气水合物资源量丰富，是能量密度非常高的清洁能源。加强对天然气水合物的开采利用研究，将进一步推动开采成本降低，增强天然气水合物取代煤炭成第二大燃料的可能性，有望逐步改变以煤炭为主的能源结构，满足经济社会发展对清洁能源的需求，对构建资源节约、环境友好的生产方式和消费模式，增强可持续发展能力，提高生态文明水平，以及推进绿色发展等均具有重大意义。

1.3 保障国家能源战略安全

能源是经济发展和社会进步所不可或缺，稳定的能源供给是国家竞争力的重要组成部分。我国海域天然气水合物分布广、类型多、资源量大，可用于民用、工业燃料、化工和发电等，是我国重要的战略后备资源，初步预测我国海域天然气水合物远景资源量约为800亿吨油当量。鉴于我国天然气水合物资源潜力大，成功实现规模化、产业化开发，必将增强我国非常规油气资源供给保障能力，对于缓解我国天然气紧缺，减少能源对外依赖，提升我国能源外交和贸易话语权，以及促进经济社会发展等均具有十分重要的意义。

1.4 孕育新蓝色经济增长极

天然气水合物勘查开发是一项系统性、创新性工程，涉及核心仪器研发、高新材料研制、智能装备制造、自动工程控制等深海战略前沿科技。推动天然气水合物勘查开发理论、技术、装备的研究和创新力度，搭建科研到产业的“桥梁”，促进科研成果的转化，将产生巨大的经济效益。不但能为传统经济转型升级、提质增效、降本减排提供优质能源，还可带动形成从资源勘探、生产开发、装备制造、物流运输到工业应用的全产业链，成为沿海地区新的经济增长点。

2 世界各国加强能源战略部署，竞争日趋激烈

鉴于天然气水合物巨大的资源量与广阔的应用前景，20世纪80年代以来，天然气水合物的研究得到快速发展，美国、日本、加拿大、韩国、印度、俄罗斯、欧盟等高度重视天然气水合物产业化工作，纷纷投入巨资开展天然气水合物资源调查、钻探、试采及环境影响评价等系统研究，旨在加快抢占天然气水合物开发利用的科技制高点。

2.1 世界天然气水合物勘查工作取得重要进展

美国是开展天然气水合物调查研究最早的国家。1970年，深海钻探计划（DSDP）Leg10航次首次在墨西哥湾成功获取含天然气水合物岩心。1983年以来，由美国主导的大洋钻探计划（ODP）、综合大洋钻探计划（IODP）先后完成了Legl64、Leg204和Leg311等天然气水合物钻探航次。1999年制定了“2000甲烷水合物调查研究和开发行动计划”，2000年通过了《天然气水合物研究与开发法案》，由能源部负责实施天然气水合物开发基础及应用性研究国家计划。2001年以来，由雪佛龙公司主导实施了天然气水合物联合工业项目（JIP），分两阶段在墨西哥湾海域实施钻探，评价天然气水合物开采潜力。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换甲烷水合物生产试验。2014年，美国能源部联合日本石油、天然气和金属矿产资源研究所推进阿拉斯加陆域天然气水合物试采。2015年，美国能源部牵头成立基于美国联邦部门间的水合物技术合作组（TCT），协调推进美国天然气水合物基础研究及勘查开发工作，实施新一轮天然气水合物研究开发计划。美国计划联合日本于2018—2024年在阿拉斯加冻土带开展长期陆域试采，2019年1月实施监测井钻探，正式启动了试采工程。另外，美国计划从2020年开始在墨西哥湾实施科学钻探和取心来评估天然气水合物开发的可行性与经济性。

日本十分重视天然气水合物资源开发利用。1995年，原日本石油工团（JNOC）负责实施南海海槽天然气水合物钻探项目，1999年11月至2000年2月在南海海槽完成了6口钻探井，确认了4个具有高饱和度天然气水合物的富砂层段。2001年，成立“21世纪甲烷水合物资源开发研究联盟（MH21）”，正式启动为期18年的日本天然气水合物开发计划，该计划分三期实施。2004年，在南海海槽完成了32口井钻探作业，确定了天然气水合物类型、分布及资源潜力。2013年，正式立项对日本海天然气水合物进行系统勘查。2012—2013年，首次在南海海槽实施天然气水合物试采。2017年实施了第二次试采，对开采技术工艺进行了验证。2018年，日本政府明确提出在2023—2027年期间实现天然气水合物商业化开采目标。2019年，发布了新的“海洋能源与矿物资源开发计划”，进一步明确了天然气水合物商业开发路线图。

加拿大于1972年在麦肯齐三角洲发现天然气水合物，1994年通过ODP146航次在喀斯卡迪亚海域发现天然气水合物。1998年与日本、美国等合作，在麦肯齐三角洲的马立克冻土区实施了天然气水合物钻探。2002年与日本、美国、德国、印度等合作，实施“马立克天然气水合物试生产井”项目，钻探Mallik 5L-38井，进行了加热法试开采。2007年和2008年，在马立克地区再次进行了降压与加热联合开采试验，证明通过注热和降压法实现陆域天然气水合物开发可行。

俄罗斯陆域冻土区天然气水合物资源十分丰富，主要分布在雅库特地区和西伯利亚地区，据统计已发现超过30个含天然气水合物的气田。1969年12月，麦索亚哈气田投入开发，该气田生产近30年，进入生产后期，地层压力降低诱发天然气水合物分解，产出了天然气。1972年，苏联天然气研究所科研人员在黑海深水区海底获取了天然气水合物样品。1984年，苏联开展鄂霍茨海天然气水合物研究，指出在该海域存在大量天然气水合物。2001年，国际科研项目“贝加尔湖钻探”证实湖底存在大量天然气水合物。2007—2009年，俄罗斯与日本、比利时等国家合作，在贝加尔湖进行了天然气水合物开采技术工艺试验。

韩国于2005年启动“天然气水合物开发十年计划”，2007年和2010年先后成功实施天然气水合物钻探航次，原计划2018年实施天然气水合物试采，但由于技术原因暂缓实施试采。印度于1997年启动国家天然气水合物计划（NGPH），先后于2006年和2016年成功实施天然气水合物钻探航次，正在积极与美国、日本等国家合作，开展试采准备工作。澳大利亚、法国、德国、挪威、阿根廷等国家也开展了天然气水合物资源调查、环境安全和开采技术研究等工作。

总体上，国际天然气水合物勘查开发呈现出以下趋势：一是纷纷制定天然气水合物开发计划。围绕国家能源安全、国家经济安全、战略科技创新等角度出发，美国、日本、印度、韩国等国家制定了国家级天然气水合物勘查开发计划，加大投入、加快推进。二是从主要国家天然气水合物产业化进程看，已从资源勘查发现向试采技术攻关、产业化开发转变。

2.2 试采取得积极进展，产业化进程加快

天然气水合物储层类型可归纳为金字塔分布（图1），位于金字塔顶端的储层由于渗透性高最具资源开发潜力，而金字塔底端的天然气水合物储层泥质含量高、渗透率极低，其开采难度最大，自然界中这部分天然气水合物储层类型占比最大，我国南海天然气水合物储层主要以这种类型为主。实现天然气水合物产业化大致可分为理论研究与模拟试验、探索性试采、试验性试采、生产性试采、商业开采5个阶段。全球多个区域组织实施了天然气水合物试采。目前已在两个陆域冻土区和两个海域进行了开采试验（表1）。一是2002、2007、2008年在加拿大马立克冻土区采用了降压法和加热法进行开采试验，但是由于效率低和出砂问题被迫中止。二是2012年在美国阿拉斯加北坡运用降压法和CO2置换法进行开采试验，同样效率不高。三是2013年、2017年在日本南海海槽的开采试验，2013年日本在南海海槽首次实施天然气水合物试采，维持了6天因出砂问题而被迫中止；2017年实施第二次试采，第一口井再次因出砂问题而停产，第二口井产气24天，产气量约20万立方米，两口井的产量都未获有效提高，表明生产技术仍有待改进。

图1 天然气水合物资源金字塔

表1 全球天然气水合物试采情况

在我国2017年天然气水合物首次试采成功后，美国加大资金投入开展墨西哥湾天然气水合物资源调查，并计划在阿拉斯加北部开展长期试采。美国能源部甲烷水合物咨询委员会在致美国能源部部长的信中提到， “尽管美国在天然气水合物相关技术领域处于领先地位，但正面临着来自中国、日本、印度的挑战”。日本致力于实现天然气水合物的商业开采，但许多技术问题尚待解决，正积极寻求与其他国家合作，提出了在2023—2027年实现商业化开发目标。印度联合美国、日本在印度洋开展资源调查工作，计划于2020年前后实施试采。美国康菲石油公司和雪佛龙公司、英国石油公司、韩国国家石油公司以及印度石油和天然气公司等能源企业参与热情也空前高涨。由此可见，在天然气水合物勘查开发这一领域的国际竞争日趋激烈，产业化进程将进一步加快。

从目前发展趋势看，美欧日等发达国家和地区围绕海洋科技和海洋经济进一步加强科技创新部署，从海底测绘技术及模型、基于大数据的海洋监测等技术领域，为海域天然气水合物相关研究、勘查、开发等提供强有力的技术支撑。且随着天然气水合物产业化进程的加快，国际能源企业参与的热情空前高涨，目前国外已开展的天然气水合物试采项目均有企业的参与，旨在联合多方力量，加快抢占天然气水合物开发利用的科技制高点。

3 我国天然气水合物研究进展

我国自1999年开始天然气水合物调查，初步查清了我国海域天然气水合物资源量，钻探调查取得了重要突破，2014年我国正式启动实施海域天然气水合物试采工程。在起步晚、起点低、无经验可循的条件下，用较短的时间掌握了粉砂质储层水合物试采的核心技术，于2017年实施海域天然气水合物首次试采，取得探索性试采成功，实现了历史性突破，抢占了国际天然气水合物科技创新制高点，赶上了国外近60年的勘查水平。2020年，组织实施的天然气水合物第二次试采，取得实验性试采成功，国际领先优势进一步增强。

3.1 初步摸清天然气水合物资源家底

我国天然气水合物勘查研究始于1999年，广州海洋地质调查局首次在南海北部西沙海槽，勘查发现了天然气水合物重要地球物理标志—似海底反射层（BSR）。南海早期天然气水合物海洋地质调查及地质评价，主要根据海洋地质调查及大洋钻探计划项目（ODP）所获酸解气/吸附气信息以及地球物理资料分析解释，圈定烃类显示异常区。其后综合利用地质、地球物理和地球化学等多种调查技术手段，分层次开展了南海北部海域天然气水合物资源调查，开展了南海北部天然气水合物资源普查和重点海域详查。通过天然气水合物成藏地质条件分析及综合评价预测，在南海北部陆坡深水区判识确定了两大天然气水合物成藏富集带（以2 000 m水深为界）和三大水合物富集区[1]。通过对天然气水合物资源分析评价，在南海北部多处海域系统发现了深层-浅层-表层的地球物理、地球化学、地质和生物等指示水合物存在的异常标志，圈定了6个资源远景区、29个区带、25个区块[2-3]，初步预测南海天然气水合物资源规模达744亿吨油当量，取得了该区天然气水合物勘查的阶段性重大成果[4]。

3.2 钻探调查取得了重大突破

在持续开展南海海域天然气水合物资源勘查评价的基础上，围绕有利成矿带选定钻探井位，经过精心部署，多方论证，先后在南海北部海域实施了8次水合物钻探计划。2007年在南海北部神狐海域首次实施水合物钻探，钻获具有高甲烷含量、高饱和度等特点的水合物实物样品，使得我国成为继美国、日本、印度之后，第4个通过国家级研发计划在海底钻获天然气水合物实物样品的国家（图2）。此次钻探获取了海量多学科地质调查数据，钻探证实了2个千亿方级的天然气水合物矿藏，在南海北部海域发现了多种类型的高品位水合物储层，实现了海域找矿的重大突破。

图2 南海北部海域钻获的天然气水合物样品

3.3 基础理论研究与技术装备研发实现重大创新

3.3.1 系统形成了海域天然气水合物成矿新理论

从天然气水合物形成的气体来源、气体运移、储集条件、温压稳定域及其在地质时空下的演化匹配关系出发，对南海北部天然气水合物成藏地质条件和系统成藏特征进行了深入分析。依托海域天然气水合物试采工程实施，揭示了天然气水合物成藏控矿机制、天然气水合物异常特征及响应机理、天然气水合物富集特征及分布规律，初步形成了适合我国南海海域天然气水合物“系统成藏”理论，创新形成了南海北部天然气水合物区带富集成藏理论[5]。在此基础上发展完善了海域天然气水合物的多学科找矿方法，有效指导了南海天然气水合物勘查部署和找矿突破，在天然气水合物试采目标优选、水合物资源勘查突破中发挥了重要作用，为天然气水合物产业化提供了有力支撑。

3.3.2 建立了服务于天然气水合物勘查试采的环境评价体系

围绕试采平台建立了井下、海底、海水及海表大气“四位一体”环境监测体系。针对试采区海洋环境变化，利用水合物储层温压监测、海底沉积物土力学参数监测、海底甲烷泄漏及海底地层稳定性监测（沉降、滑坡）、全剖面海水环境监测、试采平台及周边区域水气甲烷交换通量监测等多种技术手段，进行自海床至中层海水达海平面的自下而上、从点至面的全方位立体监测，为客观评价试采的环境影响提供了技术装备支撑，有力保障了天然气水合物资源的绿色开发。

3.3.3 天然气水合物调查装备和技术研发能力得到大幅提升

成功自主研制“海马”号4 500米作业级深海非载人遥控探测潜水器，国产化率超过90%，填补了国内空白，为我国天然气水合物勘查及深海矿产资源调查增添了新利器。高分辨率小道距多道地震、海洋可控源电磁探测、保压取心钻具等关键核心技术装置均取得突破，并在天然气水合物勘查中逐步应用。使用“海马”号在珠江口盆地西部海域发现了活动“冷泉”标志，随后利用大型重力活塞取样器获取了天然气水合物实物样品，凸显了科技创新的强大力量。

3.4 成功实施两次海域天然气水合物试采

3.4.1 探索性试采

2017年，由中国地质调查局组织实施的我国首次海域天然气水合物试开采取得圆满成功。此次试采从正式开钻、成功点火至关井，连续稳定产气60天，累计产气超过了3.0×105立方米，平均日产气量超过5 000立方米，甲烷含量最高达99.5%[6]。这次试采是世界首次成功实现对资源量占全球90%以上、开发难度最大的泥质粉砂型天然气水合物的安全可控开采，标志着我国实现了天然气水合物勘查开发理论、技术、工程、装备的自主创新的历史突破，对推动能源生产和消费革命具有重要而深远的影响。

3.4.2 试验性试采

2020年，中国地质调查局联合中国石油天然气集团、北京大学等国内外70余家单位近千名业务骨干，克服了无先例可循、恶劣海况、新冠肺炎疫情防控等困难，成功实施了中国海域水合物第二轮试采，并取得一系列重大突破[7]。一是创造了“产气总量、日均产气量”两项世界纪录，试采1个月产气总量86.14万立方米、日均产气量2.87万立方米，圆满完成既定目标，实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的重大跨越。二是攻克了深海浅软地层水平井钻采核心关键技术，实现产气规模大幅提升。我国也成为全球首个采用水平井钻采技术试采海域天然气水合物的国家。三是自主研发了一套实现天然气水合物勘查开采产业化的关键技术装备体系，大大提高了深海探测与开发能力。形成了6大类32项关键技术，研发了12项核心装备，其中控制井口稳定的装置吸力锚打破了国外垄断，增强了我国“深海进入、深海探测、深海开发”能力。四是创建了大气、水体、海底、井下“四位一体”环境监测体系，进一步证实了天然气水合物绿色开发的可行性。

综上所述，目前我国已经积累了丰富的海域天然气水合物勘查和试采经验，形成了国际先进的勘查试采技术，形成了较强的协同创新合作凝聚力和行业引领能力，拥有优势领先、梯队合理的科研及工程技术人才队伍，具有良好的天然气水合物产业化科技创新平台。总体来看，我国天然气水合物勘查试采处于国际领先水平。

4 存在问题与工作建议

实现天然气水合物高效开发是一项极为复杂的系统性工程，涉及理论、技术、工程、装备研发等众多方面，制约实现天然气水合物高效开发之根本是关键技术尚未突破，尤其是高精度勘查、储层产能模拟、开发工程技术、环境安全防护等方面亟待攻关。此外，天然气水合物作为一个新兴矿种，目前并没有与之相匹配的矿业权管理制度，亟待相关部门尽快制定勘查开发管理的规范性文件及相关扶持政策，推动勘查开发理论技术、工程装备和相关政策先行先试。

针对上述问题需重点开展4方面工作，一是加大天然气水合物资源勘查与试采的投入力度，尽快掌握资源家底，提供一批具有开发前景的天然气水合物资源战略储备区，促进国家能源战略目标的实现。二是制定天然气水合物地质勘查规范，明确不同资源量的分类及计算方法，同时制定天然气水合物资源/储量分类标准，统一标准，为该行业的勘查提供指导和规范。三是构建“政产学研用”合作创新机制，政府牵头，科研院所、高校、企业、社会投资机构组建创新联合体，形成合力、协同攻关，全力推进产业化工作。四是参照现行煤层气、页岩气优惠政策，探索制定天然气水合物开发的财政补贴等优惠政策，积极鼓励产业化示范区先行先试。