佟 樂， 楊雙春， 王 璐, 王麗利， 榮繼光

(遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001)

天然氣水合物研究現(xiàn)狀和前景分析

佟 樂， 楊雙春， 王 璐, 王麗利， 榮繼光

(遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001)

近年來，天然氣水合物作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保的新型能源一直備受世界能源界的關注，其潛在價值不可忽視。整合了世界各國對天然氣水合物的研究歷史、研究現(xiàn)狀和前景分析，針對我國天然氣水合物起步較晚等一系列實際情況，提出了一套適合我國當前發(fā)展形式的研究策略，并對實際開采過程中面臨的一些問題進行了簡要介紹。

新型能源； 天然氣水合物； 開采； 儲量； 凍土

能源是人類活動的物質基礎，是國民經(jīng)濟發(fā)展的源動力，從某種程度上說，能源的研究、發(fā)展以及能源的彈性消費等制約社會與經(jīng)濟的發(fā)展。當前，煤炭、石油、天然氣等化石能源在世界能源消費中占據(jù)主導地位。進入21世紀以來，能源供應緊張、能源消耗過程中造成的環(huán)境污染等一系列問題變得越來越嚴峻。2016年國際石油價格持續(xù)走低，短期內國際原油市場供應過剩，但從長遠角度考慮，世界各國正在加快研究和開發(fā)利用新能源作為替代能源的步伐，這也是解決未來能源問題的主要出路[1]。天然氣水合物是一種非常規(guī)能源，在0～10 ℃的低溫及高于3 MPa的環(huán)境條件下，可形成白色固態(tài)的結晶水合物即天然氣水合物，天然氣水合物外觀似冰狀，在標準狀態(tài)下可以燃燒，所以又將其稱為可燃冰。天然氣水合物的儲量巨大，據(jù)1981年潛在氣體聯(lián)合會公布數(shù)據(jù)[2]，1.4×1013～3.4×1016m3的天然氣水合物資源存在于永久凍土區(qū)，如果加上海洋天然氣水合物資源，天然氣水合物資源總量應該超過7.6×1018m3，其中的碳含量約為當前已探明的所有化石燃料中碳含量總和的2倍[3-4]。

天然氣水合物具有特殊的籠形結構，燃燒產(chǎn)生的能量比煤、石油、天然氣等常規(guī)能源高出數(shù)十倍，而且天然氣水合物是蘊藏于地下的清潔能源，燃燒后的產(chǎn)物為水和二氧化碳氣體，污染極小，所以科學家們將其視為能源至寶，稱其為“屬于未來的能源”，從能源的長遠發(fā)展角度考慮，天然氣水合物勢必成為繼石油之后的又一重要能源[5-7]，人們對其追求的腳步將會逐步加快。

1 國外天然氣水合物研究歷史及現(xiàn)狀

國外對天然氣水合物的研究始于1810年，英國科學家D.Humphery在進行室內物理實驗時發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物的存在。1888年，V.Paul Ulrich人工合成了天然氣水合物(甲烷)，人類對天然氣水合物的重視程度逐漸增加[8-9]。隨著科學技術的發(fā)展和社會的進步，對天然氣水合物研究的步伐逐漸加快[10-12]。在隨后的200余年的時間內，對天然氣水合物開始進行廣泛的研究，研究主要經(jīng)歷了以下幾個階段。

第一階段是從1810年到20世紀30年代初。D.Humphery于1810年在英國倫敦皇家研究院實驗室人工模擬并合成了水合物，并于1811年著書立說，將其正式命名為“氣水合物”[13]。此后，各國科學家先后合成了各種水合物。1888年，V.Paul Ulrich在實驗室合成了CH4、C2H6、C2H4、C2H2等的水合物[14]。但是，在此期間對“氣水合物”的認識和研究僅僅停留在實驗室階段，并未有工業(yè)實質性的突破和進展[15-17]。

第二階段是從1934年到20世紀50年代。美國學者H.Hammerschmidt發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物造成輸氣管道堵塞的工業(yè)有關數(shù)據(jù)，天然氣水合物在管道中運輸時所產(chǎn)生的負面效果更加加深了科學家對天然氣水合物及其性質研究的興趣[18]。在此階段，天然氣水合物的組成、相態(tài)平衡、結構、生成條件及各影響因素是人們的主要研究內容，研究的目的是預防和清除工業(yè)水合物[19]。

第三階段是從20世紀60年代至今。在此階段，全球范圍內形成了對天然氣水合物大范圍勘探、普查、開發(fā)的格局。20世紀60年代到70年代，人們發(fā)現(xiàn)了以固態(tài)形式存在于地殼中的天然氣水合物[20]。1969年，前蘇聯(lián)的麥索亞哈氣田被發(fā)現(xiàn)并進行了試采可燃冰。1972年，美國在阿拉斯加北部的永久凍土層中取出水合物[21-23]。從20世紀80年代開始，人們進行了深海天然氣水合物的研究，天然氣水合物的研究也進入到了全面發(fā)展的新階段，天然氣水合物作為清潔、高效并且蘊藏量巨大的能源更加引起了全世界的關注，并進入到實際開發(fā)階段[24-25]。

全世界對天然氣水合物的廣泛關注使其成為一門新興學科，研究內容主要包括天然氣水合物的地球化學、地質學、區(qū)域工程地質學、天然氣水合物地球物理調查等方面。美國、俄羅斯、日本、德國、印度、加拿大、中國、韓國等國家都相繼制定了天然氣水合物的研究開發(fā)戰(zhàn)略部署。其中，日本是較為積極的國家，每年投入大量資金及技術人員進行調查研究[26]。2015年，日本投入超過300億日元的經(jīng)費用于深海礦藏能源、天然氣水合物等資源勘查和技術研發(fā)。2016年，加拿大、美國及日本對本國的天然氣水合物進行了工業(yè)開發(fā)，但存在的技術難題還有很多。天然氣水合物的巨大工業(yè)價值激起了人們對不可再生能源新的需求[27]。

天然氣水合物的分布地點相對于其他能源有特殊之處，目前探明的天然氣水合物所在地主要是溝盆、陸坡、深海盆地及北極地區(qū)。其中，海洋中的天然氣水合物主要分布在西太平洋海域；大陸中的天然氣水合物主要分布在阿拉斯加北坡、我國青藏高原凍土帶等[28]。

2 我國天然氣水合物研究歷史及現(xiàn)狀

中國國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)顯示，2015年，我國原油產(chǎn)量增加1.7%至歷史最高點的2.15億t，天然氣產(chǎn)量也達到了1 271億m3。但是，我國對能源的需求極大，2015年，我國石油總消費量約為5.43億t，石油凈進口量為 3.28億t，為世界第一大石油進口國。能源的巨大缺口，使我國國民經(jīng)濟的發(fā)展遇到了巨大挑戰(zhàn)。

我國成為油氣凈進口國家始于1993年，但是對天然氣水合物的研究比其他國家起步較晚。20世紀90年代，我國從室內實驗、現(xiàn)場調查和現(xiàn)場勘探等多方面入手開始進行研究，其間投入了大量的資金并設立了多個國家級項目[29-30]。

近幾年，國土資源部直屬的副部級事業(yè)單位中國地質調查局正在逐漸加快地質調查工作結構性調整，針對油氣、頁巖氣、天然氣水合物等資源進行地質勘查與評價工作。通過系統(tǒng)的勘探普查并評價，確定了天然氣水合物資源遠景區(qū)。我國南海北部地區(qū)天然氣水合物儲量豐富，但儲量精度及地質結構還有待進一步提高。

2007年，我國科學家及地質工作者在南海北部地區(qū)加大勘探力度并取得樣品； 2009年，在青藏高原北緣祁連山凍土區(qū)鉆得樣品；2013年，在南海北部陸坡神狐海域開展關于天然氣水合物沉積層特征的研究，發(fā)現(xiàn)了高飽和度的天然氣水合物層。在“十三五”期間，地質勘查工作重點是通過地質勘查開展高效清潔能源頁巖氣、煤層氣和天然氣水合物的勘探和試采。天然氣水合物的商業(yè)開采，已成為天然氣水合物勘探研究的重要目標[31-32]。

國土資源部公布，我國南沙海槽、西沙海槽北部、南海北部陸坡、西沙群島南部以及東沙群島南部等多處區(qū)域均發(fā)現(xiàn)天然氣水合物反射證據(jù)[33]，證明這些海域可能存在天然氣水合物。2015年，在我國神狐海域鉆探發(fā)現(xiàn)了具有超大型、大厚度、高孔隙度、高飽和度特征的天然氣水合物礦藏，通過重力取樣器取得海底淺表層水合物樣品，為海域水合物開采指出了重要目標區(qū)域。2016年6月29日，中國地質調查局采用定向鉆探技術設備，在祁連山木里永久凍土區(qū)域，成功實現(xiàn)兩口天然氣水合物試采井地下水平對接，建立開采通道進行試采。

除海域之外，我國青藏高原凍土區(qū)內烴源巖發(fā)育良好，有機質成熟度高，成藏條件好，有良好的儲集條件，可能存在大量的天然氣水合物。

雖然我國對天然氣水合物的研究起步晚，技術儲備少，但在很短的時間內我國已在天然氣水合物地質勘探、評價方面取得了一些成績。專家學者的努力，國家在政策上的支持及技術、經(jīng)濟上的持續(xù)投入，為我國進行天然氣水合物的商業(yè)開采打下了堅實的基礎[34]。

3 我國天然氣水合物研究策略

(1)正確認識天然氣水合物在未來新能源領域中的地位。從世界能源的消費量及我國能源結構及其所帶來的影響等方面考慮，常規(guī)與非常規(guī)天然氣開采已成為我國能源開發(fā)的主要目標。我國具有良好的天然氣水合物蘊藏潛力，為實現(xiàn)這一目標提供了堅實的物質基礎。從可持續(xù)發(fā)展的角度考慮，應將天然氣水合物的研究與開發(fā)作為一個系統(tǒng)的科學工程，有計劃、有目的、有層次地開展理論研究和技術革新，進一步確定我國天然氣水合物的分布區(qū)域、地質儲量及儲層地質結構，為天然氣水合物的商業(yè)性開采打下良好的基礎，從而逐步完善我國的能源結構。一種清潔、優(yōu)質、廉價的化石能源，可以有效促進我國經(jīng)濟增長和社會發(fā)展，增強國家安全，提升我國在國際上的地位，因此研究天然氣水合物具有極其重要的意義。

(2)建立一套長期有效的協(xié)調發(fā)展機制。針對目前我國天然氣水合物的研究現(xiàn)狀，國家地質局應盡快建立一套以5年或10年為一個階段的天然氣水合物研究發(fā)展方案。美國、日本、加拿大、德國等國家正在加強跨區(qū)域的技術合作，建立跨區(qū)域的研究機構，統(tǒng)籌分配專家，分解任務，共享技術資料[35]。我國應積極主動加入并向這些國際組織學習，統(tǒng)籌規(guī)劃我國負責油氣地質研究和勘探開發(fā)的相關系統(tǒng)、部門和單位的工作任務，實現(xiàn)人員和資源的合理調配，確保研究工作的順利進行；組織專家?guī)ь^、機構協(xié)作、統(tǒng)籌合理分配資源、共享技術并避免進行重復性的研究工作，使工作效率最大化。

(3)積極進行國家間的學術交流，學習先進技術。隨著人們對天然氣水合物認識的不斷加深，各國也將天然氣水合物的研究提到日程上來，美國、日本、俄羅斯、加拿大等國家把天然氣水合物的勘探、開發(fā)作為能源發(fā)展規(guī)劃的重要內容，并已取得一定成果。2013年3月，日本首先在海域進行先導試驗性生產(chǎn)，日本石油勘探公司選取志摩半島海域和渥美半島的第二渥美海丘實施方案，試用減壓法生產(chǎn)6 d，日產(chǎn)量高達20 000 m3，為全世界在海洋區(qū)域開采天然氣水合物增添了信心。美國、日本還分別制定了進行商業(yè)開采的時間表，而我國還處于理論研究的基礎階段。因此，應積極進行國家間的學術交流，加強國家間的合作，學習這些國家的先進技術，這樣可以更好地幫助我國進行天然氣水合物的勘探研究，避免走彎路。

目前，東海沖繩海槽邊坡、南海北部、西沙海槽、西沙群島南坡以及西藏青藏高原終年積雪的羌塘地區(qū)等都有可能是天然氣水合物形成帶，但是具體位置和相關地質情況還未確定，這就需要我國科研人員結合當前先進的科學技術和理論體系去勘探、開發(fā)，有目的性地尋找詳細的儲存區(qū)域，并查明更為詳細的地質資料。對天然氣水合物進行長期的開發(fā)及研究，是我國的宏觀能源戰(zhàn)略決策[36-37]。

(4)從國家層面制定政策，促進天然氣水合物的高效研發(fā)及利用。從國家長遠發(fā)展目標考慮，應將天然氣水合物視為重要的后備能源。應積極努力開展基礎理論、地質、技術資源研發(fā)等方面的工作，并制定有利于天然氣水合物發(fā)展的國家扶持政策，從政治角度鼓勵與關注天然氣水合物的研發(fā)，促進企業(yè)及科研院所的研發(fā)積極性。在開發(fā)天然氣水合物方面盡量放寬相關政策的限制，權衡利弊，適當開放才能使天然氣水合物的開發(fā)更加有效[5.38]。

4 面臨的問題

(1)開發(fā)對環(huán)境造成的污染。天然氣水合物的開發(fā)生產(chǎn)具有雙面效應，在給人類帶來儲量巨大的高效清潔能源的同時，在開發(fā)生產(chǎn)過程中對人類賴以生存的環(huán)境產(chǎn)生顯著的惡劣影響。天然氣水合物的特征組分是可燃性氣體甲烷，甲烷氣體的溫室效應遠遠高于二氧化碳氣體，當其濃度增加到一定程度時，會減少長波輻射進入太空的量，從而攔截對流層內的長波，造成地表溫度的升高。

溫室效應已經(jīng)成為影響氣候、環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展的重大問題，儲量巨大的天然氣水合物如果在生產(chǎn)過程中大量排向大氣，則對環(huán)境造成的污染非常嚴重[39]。在開發(fā)過程中，天然氣水合物在降壓過程中產(chǎn)生的水，將會成為影響環(huán)境問題的重要因素。

海洋中天然氣水合物的儲量巨大，在海洋區(qū)域進行勘探開發(fā)以及生產(chǎn)的過程中，甲烷一旦泄漏于海洋環(huán)境中，會迅速通過氧化反應改變海水的特性，改變海洋環(huán)境，使大量的海洋生物群死亡，破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)。同時，開發(fā)過程會改變儲層孔隙結構，破壞地應力系統(tǒng)，嚴重時會造成海底坍塌及滑坡，甚至大規(guī)模海嘯等嚴重地質災害，并破壞海底工程工具、管道及鉆井平臺地基等，后果極其嚴重。

(2)天然氣水合物運輸困難。天然氣水合物在低溫、高壓的管道及陸地運輸過程中，對設備的承壓、制冷技術等方面提出了很高的要求，并直接提高了運輸成本，而我國這個世界上最大的發(fā)展中國家正面臨由粗放型經(jīng)濟增長轉型節(jié)約型經(jīng)濟的過渡期，經(jīng)濟及技術的矛盾亟待解決[3，40]。

(3)開采難度大。天然氣水合物的開采主要有3種方式，分別是熱解法(熱激化法)、降壓法(減壓法)、置換法(注入劑法)。在天然氣水合物開采過程中，海底壓力巨大，儀器的耐壓性需要解決；在取芯的過程中，天然氣水合物極易融化，保壓取芯難度大；在鉆井過程中，受海水洋流因素的影響，井眼軌跡及井眼靶位極易變動；地層壓力巨大，甲烷氣體泄漏是更加嚴重的問題。天然氣水合物的大規(guī)模開發(fā)所面臨的技術難題還有很多，需要各國的科學家協(xié)同合作攻克這些技術難題。

(4)開采成本高。天然氣水合物開采成本高，且開采技術要求高，對其開發(fā)必須有資金雄厚的大型企業(yè)介入。日本石油天然氣金屬礦物資源機構(JOGMEC)公布的數(shù)據(jù)表明，在海底提取1 m3的天然氣需花費超過40日元的資金，因此商業(yè)化生產(chǎn)一再被推遲。

5 結 論

本文總結了國內外天然氣水合物的研究歷史，提出了適合我國國情的天然氣水合物研究策略。應正確認識天然氣水合物在能源體系中的地位，建立有效的發(fā)展機制，加強國家間的學術交流，從國家層面制定政策，促進天然氣水合物的高效研發(fā)及利用。我國具備可形成天然氣水合物天然條件的地域遼闊，其儲量巨大，在天然氣水合物的開發(fā)過程中，應權衡利弊，充分考慮開發(fā)過程中面臨的問題，盡可能降低對環(huán)境的損害。

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(編輯 宋錦玉)

Research State and Prospective of Natural Gas Hydrates

Tong Le， Yang Shuangchun， Wang Lu， Wang Lili， Rong Jiguang

(CollegeofPetroleumEngineering，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushunLiaoning113001，China)

In recent years, the natural gas hydrate as a new type of high efficiency, energy saving, environmental protection energy was praised by the world's energy industry, and its potential value could not be ignored. The study of gas hydrate was integrated in different countries of the world history, the present research situation and prospect analysis. In view of the natural gas hydrate in China started to be late and a series of actual situation, a set of research strategies suitable for the current development of our country was put forward, and some problems in the process of the actual mining were introduced.

The new energy； Natural gas hydrates; Mining； Reserves； Frozen earth

1672-6952(2017)02-0017-05

2016-08-01

2016-09-08

佟樂(1981-)，男，碩士，講師，從事油水井增產(chǎn)增注方面的研究；E-mail：vstongle@126.com。

TE

Adoi:10.3969/j.issn.1672-6952.2017.02.004

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn