李清平，周守為，趙佳飛，宋永臣，朱軍龍

（1.天然氣水合物國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；3.中國海洋石油集團(tuán)有限公司，北京 100027；4.海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024）

一、前言

在全球能源消耗總量中，傳統(tǒng)化石能源所占的比例較高（近90%）[1]，隨著1997 年《京都議定書》、2016 年《巴黎協(xié)定》的簽署，碳中和成為人類面臨的共同難題和國際政治與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的焦點(diǎn)問題。天然氣以清潔、可獲得、使用便捷、可儲(chǔ)存、供應(yīng)安全等優(yōu)勢(shì)成為歐美等國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和過程中的重要過渡能源，并有望與低碳、零碳能源長期共存。2021年，天然氣在全球能源結(jié)構(gòu)中的占比約為24.7%，在我國能源結(jié)構(gòu)中僅占比8.4%[2]，為了保障我國能源經(jīng)濟(jì)向著持續(xù)、穩(wěn)定、綠色、高效的方向發(fā)展，尋找清潔綠色的接續(xù)能源，提高能源利用效率，優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)成為必由之路[3]。

自1993年我國由石油輸出國轉(zhuǎn)變?yōu)槭瓦M(jìn)口國后，原油和天然氣對(duì)外依存度逐年攀升，2021年我國天然氣對(duì)外依存度高達(dá)45%[4]。因此加大常規(guī)天然氣勘探開發(fā)力度、拓展非常規(guī)天然氣勘探新領(lǐng)域成為我國實(shí)現(xiàn)天然氣綠色能源可持續(xù)發(fā)展和“雙碳”目標(biāo)的重要戰(zhàn)略。

天然氣水合物是目前尚未開發(fā)的、資源潛力最為巨大的非常規(guī)天然氣資源之一，主要分布于水深大于300 m深海陸坡區(qū)及陸地永久凍土帶[1]，其中海洋天然氣水合物資源量約占全球總資源量的97%。全球范圍內(nèi)已探明的天然氣水合物礦藏的碳含量約為現(xiàn)有化石能源碳含量的兩倍。截至目前，全球已存在超過230 處水合物勘探開發(fā)地區(qū)，天然氣水合物成為繼頁巖氣、煤層氣、致密氣之后最具開采潛力的接續(xù)能源，得到了世界各國學(xué)者的重視和關(guān)注[5]，成為世界各國力爭(zhēng)的未來能源戰(zhàn)略制高點(diǎn)和科技創(chuàng)新前沿。

作為在天然氣水合物礦藏資源中占比最大的一類，海洋環(huán)境中成藏的天然氣水合物資源的安全高效開發(fā)仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)[6]。與傳統(tǒng)的油氣藏相比，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的海洋天然氣水合物礦藏多賦存在深水陸坡區(qū)、埋深淺（墨西哥灣水合物位于泥線以下800 m以淺、我國南海400 m以淺）、壓力窗口窄、大多無致密的圈閉構(gòu)造、豐度低，安全高效勘探開發(fā)挑戰(zhàn)巨大。同時(shí)海洋天然氣水合物的特殊賦存環(huán)境使得其在開采過程中所要面臨的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境破壞風(fēng)險(xiǎn)要大很多。在天然氣水合物的分解過程中，倘若其分級(jí)過程逐漸不可控將可能引發(fā)海底甲烷氣體的大量外溢，可能引發(fā)溫室氣體效應(yīng)；天然氣水合物大多成藏于多孔介質(zhì)當(dāng)中，其大量分解可能會(huì)引起多孔介質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)的變化，甚至引發(fā)海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

天然氣水合物資源開采過程是一個(gè)改變天然氣水合物穩(wěn)定帶熱動(dòng)力學(xué)條件、固態(tài)水合物分解、發(fā)生液態(tài)水遷移、天然氣產(chǎn)出的耦合復(fù)雜進(jìn)程，通過打破天然氣水合物的相態(tài)平衡，目前已經(jīng)提出的天然氣水合物開發(fā)技術(shù)方法主要包括：降壓法、固態(tài)流化法、熱激法、化學(xué)勢(shì)差驅(qū)動(dòng)法（包括注劑以及CO2置換等）。2017—2020 年，我國在南海先后成功實(shí)施了三次海洋天然氣水合物試采，向水合物資源開發(fā)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展邁出了重要一步，但開采產(chǎn)氣效率仍有待提升，安全環(huán)保評(píng)價(jià)技術(shù)亟待建立。現(xiàn)有的開發(fā)技術(shù)中，降壓開采面臨著儲(chǔ)層顯熱、環(huán)境傳熱不足引發(fā)水合物再生逆反應(yīng)和冰的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致產(chǎn)氣不連續(xù)、效率降低；熱激法的常見方式主要有注入熱水或蒸汽、微波加熱以及電加熱等。然而，大量的注熱驅(qū)動(dòng)天然氣水合物分解的研究表明，注熱過程存在溫度傳遞差異，大部分的熱量被消耗在整個(gè)儲(chǔ)層溫度的加熱，開采熱效率并不高；而化學(xué)勢(shì)差驅(qū)動(dòng)法存在注劑破壞環(huán)境、置換開采效率差等難題。因此，開發(fā)經(jīng)濟(jì)可行、技術(shù)可靠的天然氣水合物開采方法，是實(shí)現(xiàn)我國南海水合物資源開發(fā)的關(guān)鍵，本文主要針對(duì)天然氣開采技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述和研究，提出適合我國南海泥質(zhì)粉砂天然氣水合物開采技術(shù)的發(fā)展方向。

二、天然氣水合物開采技術(shù)概述

（一）天然氣水合物資源分類

天然氣水合物的賦存狀態(tài)是決定模式的關(guān)鍵。目前世界多地獲取的天然氣水合物樣品，根據(jù)沉積物的性質(zhì)分為砂巖、非砂巖儲(chǔ)層、塊狀、細(xì)粒沉積物等多類，其中砂巖水合物是目前最有可能優(yōu)先開發(fā)的水合物礦藏。2007年起，我國陸續(xù)在南海北部陸坡獲取到海域天然氣水合物樣品，珠江口盆地自主獲取樣品見圖1，為細(xì)粒沉積物水合物樣品；2019年我國采用完全自主技術(shù)和裝備獲取了1720 m超深水海域天然氣水合物目標(biāo)區(qū)全井段代表性樣品，并首次獲得高純度海域水合物樣品，見圖2，為進(jìn)行海洋天然氣水合物穩(wěn)定試采和規(guī)模開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

圖1 南海珠江口盆地獲取到的泥質(zhì)粉砂水合物

圖2 南海瓊東南獲取到的高純度水合物樣品

本文從開發(fā)角度，引入成巖水合物和非成巖水合物的概念，將天然氣水合物儲(chǔ)層開采前后其巖石骨架應(yīng)力、應(yīng)變、穩(wěn)定程度作為主要?jiǎng)澐忠罁?jù)，將天然氣水合物儲(chǔ)層分為成巖、非成巖兩大類共6 個(gè)等級(jí)（見表1），考慮的主要因素有：是否成巖，巖石骨架結(jié)構(gòu)，中值粒徑及粒經(jīng)分布，顆粒膠結(jié)方式等。

結(jié)合海洋天然氣水合物賦存狀態(tài)，海床、海底淺層及一定埋深，以及成巖、非成巖特性，本文針對(duì)全層段多類型海洋天然氣水合物提出相應(yīng)的開采技術(shù)和方法設(shè)想，如針對(duì)位于深水海床上的天然氣水合物采用類似海底采礦的方式，即采掘破碎舉升為主的固態(tài)流化開發(fā)方式，對(duì)于有一定埋深具有可鉆性的區(qū)域，采用降壓開采方法、中深層固態(tài)流化開采方法、CO2置換開采以及注熱和注劑開采等多種開采方法（見圖3）。

（二）降壓開采

降壓開采就是利用人工抽取流體等方式將儲(chǔ)層的壓力通過降低至水合物相態(tài)平衡壓之下，從而誘發(fā)水合物分解氣、水產(chǎn)出。天然氣水合物的分解是吸熱過程，大量的水合物分解會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層失去大量的熱，致使儲(chǔ)層溫度急劇下降。嚴(yán)重時(shí)，極低的儲(chǔ)層溫度甚至有誘發(fā)結(jié)冰或者二次生成水合物等現(xiàn)象的發(fā)生，該現(xiàn)象的出現(xiàn)一方面會(huì)加劇產(chǎn)氣通道被堵塞的可能，另一方面也可能會(huì)堵塞產(chǎn)氣井口，直接導(dǎo)致產(chǎn)氣被迫中止[7]。

表1 天然氣水合物儲(chǔ)層分類

圖3 從海床到一定埋深具有可鉆形儲(chǔ)層全成段水合物開采模式設(shè)想

從20 世紀(jì)60 年代開始，伴隨著天然氣水合物資源勘探開發(fā)力度的不斷加大，針對(duì)降壓法的研究也有了長足的發(fā)展，并且在真實(shí)水合物試采實(shí)驗(yàn)中得到了應(yīng)用[8]。近十年間，多種降壓方案對(duì)天然氣水合物開采特性的影響得到了詳細(xì)的分析研究。在這之中，控制天然氣水合物分解速率的主要因素被認(rèn)為有三個(gè)：分別是產(chǎn)氣背壓、降壓幅度以及儲(chǔ)層傳熱。伴隨著水合物分解前緣概念的提出，有學(xué)者利用該概念提出了水合物分解邊界模型，并嘗試用該模型解釋水合物的分解過程[9]。從天然氣水合物的分解動(dòng)力學(xué)方面，有學(xué)者研究了降壓過程水合物的分解情況，并獲得了0.35 ℃、2.72 MPa條件下水合物的分解速率；還有的學(xué)者發(fā)現(xiàn)水合物分解實(shí)驗(yàn)規(guī)模對(duì)水合物分解特性的顯著影響，并創(chuàng)造性地提出一種水合物分解模型用來解釋水合物分解與傳熱傳質(zhì)特點(diǎn)之間的耦合關(guān)系[10]，該模型指明了儲(chǔ)層傳熱對(duì)水合物分解速率的重要作用，儲(chǔ)層顯熱控制著水合物分解初期的分解情況，而周圍環(huán)境傳熱則會(huì)在儲(chǔ)層顯熱消耗殆盡后，主導(dǎo)水合物的分解產(chǎn)氣。在降壓分解實(shí)驗(yàn)中，有研究人員發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層溫度出現(xiàn)局部溫度低于冰點(diǎn)的情況，說明儲(chǔ)層顯熱供給不足對(duì)水合物分解的抑制作用[11]。研究人員進(jìn)一步采用等溫實(shí)驗(yàn)條件誘導(dǎo)水合物分解產(chǎn)氣，闡明了壓降速率和壓降幅度對(duì)儲(chǔ)層中水合物分解的影響機(jī)制。此外，還有學(xué)者研究了不同粒徑和不同導(dǎo)熱性能的多孔介質(zhì)對(duì)儲(chǔ)層中水合物分解的影響情況。但是，總體來看，實(shí)驗(yàn)室尺度下進(jìn)行的水合物分解實(shí)驗(yàn)往往受限于時(shí)間和空間尺度，很難進(jìn)一步向大尺度推廣。因而，不少學(xué)者展開了降壓開采的模擬研究，通過搭建大尺度的數(shù)學(xué)模型，研究水合物的分解特性，并指明氣-水比對(duì)水合物開采效率的重要影響和調(diào)控氣-水產(chǎn)出特性的重要作用。儲(chǔ)層的滲透率對(duì)水合物的分解產(chǎn)氣也有明顯作用，伴隨著儲(chǔ)層滲透率的增強(qiáng)，其對(duì)水合物分解產(chǎn)氣的影響程度甚至要大于降壓幅度本身的影響情況[12]。

（三）固態(tài)流化開采

我國海洋環(huán)境中賦存的天然氣水合物具有弱膠結(jié)、無致密蓋層、賦存位置比較淺的特點(diǎn)。這樣的地質(zhì)環(huán)境賦予了固態(tài)流化開采方法合適的施展空間[13]。固態(tài)流化法的基本流程如圖4 所示，先利用海底的機(jī)械裝置將賦存有天然氣水合物的儲(chǔ)層進(jìn)行碎化處理，使其成為水合物漿液；而后將其輸送至海平面的開采平臺(tái)上進(jìn)行深加工[14]。在水合物漿液被舉升的過程中，伴隨著外界溫度壓力的變化，水合物逐漸分解，氣體得以回收，從而獲得天然氣。整個(gè)過程的核心步驟是儲(chǔ)層碎化，該步驟利用了海底自身的工況條件使天然氣水合物在碎化的過程中基本保持穩(wěn)定。固態(tài)流化的開采方法既可以做到碎化過程中水合物的基本穩(wěn)定，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)抬升過程中水合物的連續(xù)化可控分解，避免潛在大量分解引起的災(zāi)難性生產(chǎn)事故，儲(chǔ)層區(qū)域同時(shí)可以進(jìn)行沉積物分離和就地回填。固態(tài)流化開采方法在我國珠江口盆地水合物試采中已有應(yīng)用。

圖4 固態(tài)流化水合物開采方法的基本流程示意圖

（四）其他開采方法

注熱驅(qū)動(dòng)水合物分解是通過向儲(chǔ)層注入熱量的方式，促使水合物儲(chǔ)層溫度至水合物相態(tài)平衡溫度之上，從而誘發(fā)水合物分解氣、水產(chǎn)出[15]。儲(chǔ)層加熱的常見方式主要有注入熱水或蒸汽、微波加熱以及電加熱等，因此熱量的利用效率就成為最為重要的一個(gè)參考指標(biāo)[16]。目前已有的注熱方式為：注熱水、井筒電加熱以及熱吞吐等方式。井筒電加熱可以有針對(duì)性的就某一特定位置進(jìn)行加熱，既可以促進(jìn)水合物分解，還有助于緩解因?yàn)榻Y(jié)冰或者二次生成水合物造成的井筒堵塞問題，因此該方法往往可以獲得較高的熱量利用效率。除此之外，微波注熱作為一種新興的注熱手段，針對(duì)其的研究也在不斷豐富[17]。

注化學(xué)抑制劑法是將化學(xué)抑制劑直接注入水合物儲(chǔ)層，破壞水合物原有的相平衡條件，使其變得更為苛刻，從而可以在不改變儲(chǔ)層工況的情況下使水合物大量分解。常見的化學(xué)抑制劑有熱力學(xué)抑制劑和動(dòng)力學(xué)抑制劑。熱力學(xué)抑制劑的作用是破壞天然氣水合物的相平衡條件，如甲醇、乙二醇。動(dòng)力學(xué)抑制劑的作用是延緩天然氣水合物的生成速率，如氯化鈉、氯化鉀等。目前制約化學(xué)抑制劑作用效果的主要問題依舊是抑制劑本身和天然氣水合物不充分接觸的問題，這主要和儲(chǔ)層的滲透率以及流體、水合物的空間分布情況有關(guān)。此外，熱力學(xué)抑制劑對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重影響也是不容忽視的一個(gè)問題[18]。

置換開采法是利用二氧化碳水合物和甲烷水合物在相平衡特點(diǎn)方面的差異，在向儲(chǔ)層中注入二氧化碳的過程中，誘導(dǎo)儲(chǔ)層生成二氧化碳水合物從而置換出甲烷氣體分子。置換開采法的優(yōu)勢(shì)是在實(shí)現(xiàn)開采天然氣的同時(shí)，也封存了二氧化碳這一重要的溫室氣體。但是置換的機(jī)制目前仍然不清楚，置換開采受到較低置換效率的制約[19]。

三、天然氣水合物開采技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）降壓開采的應(yīng)用現(xiàn)狀

降壓開采被認(rèn)為是技術(shù)層面和經(jīng)濟(jì)層面上最有望應(yīng)用于天然氣水合物商業(yè)化開采的一種開采方式。在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行的多次水合物試采實(shí)驗(yàn)中，均有降壓法出現(xiàn)的身影。

2008 年冬季在加拿大Mallik 地區(qū)進(jìn)行了長達(dá)6 天的多階段降壓的水合物試采實(shí)驗(yàn)，井底壓力在第1階段從11.0 MPa降至7.4 MPa，保持時(shí)間兩天；再降至5.2 MPa，保持3 天；再降至4.5 MPa，保持1 天。各階段累計(jì)產(chǎn)氣量為4700 m3，5100 m3和3100 m3[20]。

2013年，日本首次在南海海槽區(qū)域開展了全球首個(gè)海域天然氣水合物的試采，在連續(xù)產(chǎn)氣階段最高實(shí)現(xiàn)平均產(chǎn)氣速率接近2000 m3/d，探明了其潛在的商業(yè)開采可能性。然而在開采后期，伴隨著流體流動(dòng)帶來的泥砂運(yùn)移造成了產(chǎn)氣井筒的堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致儲(chǔ)層內(nèi)部壓力的逐漸升高，甚至出現(xiàn)了內(nèi)部壓力高于水合物相平衡壓力的情況，最終此次試開采過程被迫選擇中止。此次試開采的重要意義在于證實(shí)了海洋環(huán)境中天然氣水合物資源具備開采的可能性。但是需要注意的是，泥砂淤積的情況對(duì)水合物的開采過程威脅甚重，需要進(jìn)行相關(guān)研究以探索出合適的井筒改造方法或者儲(chǔ)層改造技術(shù)來克服這一困難[21]。

2017 年，日本第二次在南開海槽AT1-P2 井的試采應(yīng)用了多階段降壓的方法?；诰讐毫Φ淖兓?，此次試采實(shí)施了兩階段的降壓操作，首次井底壓力是從13.0 MPa降至10.0 MPa，第二次降壓是從10.0 MPa 降至8.0 MPa，累計(jì)產(chǎn)氣時(shí)長為20 天。此次試采同樣出現(xiàn)了嚴(yán)重的出砂問題，再一次證明了關(guān)于防砂解堵的研究對(duì)于高效持續(xù)開采水合物資源的重要作用[21]。

我國于2017 年在南海神狐海域進(jìn)行了為期60天的首次天然氣水合物降壓開采實(shí)驗(yàn)，累產(chǎn)氣達(dá)3.09×105m3，平均日產(chǎn)氣量5150 m3。2020 年我國在南海神狐海域進(jìn)行了為期30天的天然氣水合物第二次降壓法試開采，本次試采首次采用水平井。從最終的產(chǎn)氣效果上來看，此次試采的累計(jì)產(chǎn)氣量為8.614×105m3，平均日產(chǎn)氣量為2.87×104m3，相較于我國進(jìn)行的首次水合物試采的表現(xiàn)而言，均有較大幅度的提升[22]。由于我國天然氣水合物的賦存環(huán)境大多為泥質(zhì)粉砂型儲(chǔ)層，在諸如井筒造斜、儲(chǔ)層改造方面均存在較大的挑戰(zhàn)，因而本次試開采的成功證實(shí)了開采泥質(zhì)粉砂型儲(chǔ)層中天然氣水合物資源的可行性。值得一提的是本次試開采在諸多重點(diǎn)技術(shù)問題方面實(shí)現(xiàn)了突破，如實(shí)現(xiàn)了深水吸力錨設(shè)備的自行研發(fā)設(shè)計(jì)；自主研發(fā)并成功應(yīng)用了在深水淺軟地層的定向造斜工具；儲(chǔ)層改造技術(shù)進(jìn)一步提升，并在開采地層環(huán)境中成功應(yīng)用，將井筒附近儲(chǔ)層的滲透性提高了4~6倍，有力保障了流體的滲流能力；首創(chuàng)了雙管注液控壓技術(shù)，有力保障了開采過程的精準(zhǔn)控壓和穩(wěn)定控壓的需求[23]。

（二）固態(tài)流化開采的應(yīng)用現(xiàn)狀

2017年5月在我國南海北部荔灣，中海油開展了全球首個(gè)海域固態(tài)流化天然氣水合物試采，試采過程中主要通過“海油石油708”深水工程勘察船實(shí)現(xiàn)固態(tài)流化試采，將海底水合物儲(chǔ)層粉碎成固體顆粒，在通過類泥漿輸運(yùn)，最終實(shí)現(xiàn)81 m3分解氣產(chǎn)出，其中甲烷含量高達(dá)99.2%~99.8%。整個(gè)試采區(qū)域在水深1310 m、泥深117~196 m 處進(jìn)行，該層位水合物層巖性主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖，地層平均孔隙度為43%，平均含水合物飽和度為40%[23]。

固態(tài)流化試采中由于沉積物的提升耗能過大，如果開采區(qū)域大，也需要對(duì)海底土層穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，避免地質(zhì)災(zāi)害和大規(guī)模的甲烷泄漏。在經(jīng)過一系列處理后又將殘余泥沙回填到采空區(qū)，避免出現(xiàn)采空區(qū)和對(duì)海底表層地貌以及生物的破壞[22]。

（三）其他開采方法的應(yīng)用現(xiàn)狀

2002年在阿拉斯加北坡，加拿大、日本等合作實(shí)現(xiàn)了兩次水合物試采。在第一次試采過程中主要進(jìn)行了局部井段地層的小規(guī)模降壓開采，證實(shí)了其現(xiàn)場(chǎng)的可行性與經(jīng)濟(jì)性；在第二次試采中，主要完成了連續(xù)五天的注熱開采，最終實(shí)現(xiàn)470 m3的天然氣產(chǎn)出，首次證實(shí)了注熱開采天然氣水合物的可行性[24]。

此后，2011 年和2016 年，我國在祁連山木里地區(qū)，由中國地質(zhì)調(diào)查局先后兩次實(shí)施了我國陸域天然氣水合物試采，通過降壓聯(lián)合注熱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)9天、連續(xù)產(chǎn)氣101 h的水合物試采，最終實(shí)現(xiàn)95 m3天然氣的產(chǎn)氣[25]。

而在2012年，美國地質(zhì)調(diào)查局等單位也在阿拉斯加北坡普拉德霍灣油田證實(shí)了置換開采天然氣水合物的可行性，整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試采過程在CH4水合物的相平衡之上進(jìn)行，向儲(chǔ)層中注入了23%CO2和77%N2的混合氣，最終累計(jì)產(chǎn)氣2000 m3（CH4）[26]。

四、天然氣水合物開采技術(shù)存在的問題

（一）天然氣水合物開采技術(shù)尚未得到根本突破

全球圍繞北極凍土和海域進(jìn)行了5 地10 次試采，見表2，其中我國2017年、2020年進(jìn)行了兩次降壓試采、1 次固態(tài)流化試采，邁出了海域天然氣水合物試采的第一步，對(duì)試采技術(shù)工藝進(jìn)行了驗(yàn)證，但目前試采時(shí)間、產(chǎn)氣量距離產(chǎn)業(yè)化開發(fā)還有很大距離，亟需基礎(chǔ)理論、核心技術(shù)和裝備的突破。我國海域天然氣水合物開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)如下。

（1）資源分布廣、品質(zhì)低、尚未探測(cè)到高品質(zhì)的水合物礦藏。目前已發(fā)現(xiàn)的海洋天然氣水合物大多賦存在深水陸坡區(qū)，資源分布廣、埋深淺（0~400 m），泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層為主，弱膠結(jié)，多無致密的圈閉構(gòu)造、窄壓力窗口、資源豐度低。天然氣水合物成藏機(jī)理和資源評(píng)價(jià)方法尚未建立，尚未發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)水合物礦藏，鎖定富集區(qū)和資源“甜點(diǎn)區(qū)”亟需理論和方法支撐。

（2）天然氣水合物開采涉及多學(xué)科交叉，基礎(chǔ)理論尚未根本突破。天然氣水合物特別是海洋天然氣水合物大多成藏于多孔介質(zhì)當(dāng)中（見圖5），是沉積層的組成部分，水合物開發(fā)過程伴隨著非連續(xù)、非均質(zhì)的沉積物潰散，開發(fā)過程中熱-流-力多場(chǎng)耦合機(jī)制、氣-水-砂-冰多相滲流、傳熱傳質(zhì)機(jī)制尚不清晰，涉及地質(zhì)、工程多學(xué)科交叉，尚未形成理論支撐和技術(shù)突破。

（3）制約天然氣水合物規(guī)模開發(fā)的三大安全因素尚未根本解決。天然氣水合物特別是海洋天然氣水合物特殊賦存環(huán)境使得其在開采過程中面臨著潛在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，天然氣水合物開發(fā)或大量分解可能會(huì)引起多孔介質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)的變化，甚至引發(fā)井壁失穩(wěn)、海底井場(chǎng)區(qū)失穩(wěn)、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，同時(shí)在天然氣水合物的分解過程中，倘若其分級(jí)過程逐漸不可控將可能引發(fā)溫室效應(yīng)。因此潛在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、生產(chǎn)控制和裝備風(fēng)險(xiǎn)等三大風(fēng)險(xiǎn)制約著天然氣水合物的規(guī)模開發(fā)。

表2 全球主要的天然氣水合物試采項(xiàng)目概況

圖5 海洋天然氣水合物在多孔介質(zhì)中的賦存狀態(tài)

（4）技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。隨著國家在天然氣水合物勘探開發(fā)領(lǐng)域資助力度的不斷加大，天然氣水合物的開采技術(shù)也獲得很大程度的提升，相信在不久的將來我們會(huì)迎來商業(yè)化的開采時(shí)代。但是，目前仍有許多開采難題需要克服：首先是鉆井成本。傳統(tǒng)油氣鉆井作業(yè)中，往往會(huì)使用諸如大型的鉆井作業(yè)船、鉆井作業(yè)機(jī)、高密度防水管以及防噴器等技術(shù)水平高、應(yīng)用成本大的設(shè)備[27]?？紤]到天然氣水合物藏和傳統(tǒng)油氣藏在成藏位置、地質(zhì)條件以及介質(zhì)屬性等方面的差異，應(yīng)該設(shè)計(jì)專門針對(duì)水合物藏的鉆井作業(yè)體系。其次，膠結(jié)程度較差的天然氣水合物儲(chǔ)層易發(fā)生垮塌風(fēng)險(xiǎn)，開采過程中結(jié)冰、水合物二次生成以及嚴(yán)重出砂等問題，都嚴(yán)重影響開采過程的安全高效，再者日產(chǎn)氣量有限，使得目前試采水合物時(shí)普遍存在經(jīng)濟(jì)性較差的情況[28]。

（二）深海作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)裝備與國外存在較大差距

我國制定了“深水進(jìn)入、深海探測(cè)、深海開發(fā)”等深海資源勘探開發(fā)戰(zhàn)略，深海資源勘察作業(yè)重大裝備、關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)取得重大突破，建立了了以“奮進(jìn)號(hào)”“藍(lán)鯨號(hào)”“海洋6 號(hào)”為代表的3000 m深水工程作業(yè)船隊(duì)，自主研發(fā)了海洋天然氣水合物隨鉆測(cè)井、鉆探取樣系列裝備，實(shí)現(xiàn)了海洋天然氣水合物由探索性到試驗(yàn)性試采的跨越，自主技術(shù)和裝備成功實(shí)施了超深水天然氣水合物目標(biāo)區(qū)全井段代表性取樣，全球首次提出并成功實(shí)施海洋非成巖天然氣水合物固態(tài)流化試采，海洋天然氣水合物鉆探和試采相關(guān)技術(shù)、工藝和裝備得到了海試現(xiàn)場(chǎng)的驗(yàn)證。與此同時(shí)，目前我國深海作業(yè)技術(shù)裝備的整體水平與國外先進(jìn)國家還存在較大差距[29]，只有集中優(yōu)勢(shì)力量逐步解決制約我國海洋資源開發(fā)的“卡脖子”問題，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備的高水平的自立自強(qiáng)及產(chǎn)業(yè)化，才有望實(shí)現(xiàn)我國海洋能源勘探開發(fā)事業(yè)的長期穩(wěn)定發(fā)展[30]。

（三）天然氣水合物開采方法評(píng)估中試尺度平臺(tái)缺乏

中試生產(chǎn)是實(shí)驗(yàn)研發(fā)出的科研成果在走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過程中的重要環(huán)節(jié)。在高校實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過初步小尺度實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，在結(jié)合企業(yè)向真正的生產(chǎn)實(shí)際場(chǎng)所中應(yīng)用時(shí)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證和補(bǔ)充相關(guān)數(shù)據(jù)，完善相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，奠定工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)，需要建立相關(guān)中試配套基地。由于我國關(guān)于水合物開采的研究起步時(shí)間較晚，使得在相當(dāng)長的時(shí)間中，我國水合物開采的實(shí)驗(yàn)研究停留在小尺度實(shí)驗(yàn)的程度（反應(yīng)釜的容積從0.24 L至10.06 L不等）[31]。小尺度實(shí)驗(yàn)可以更為精確地刻畫水合物的生成分解特性，方便從微觀的角度研究與水合物生成分解相關(guān)的相變和傳質(zhì)問題。然而，服務(wù)于水合物現(xiàn)場(chǎng)試采，僅有小尺度實(shí)驗(yàn)不足以模擬真實(shí)海洋環(huán)境中的相關(guān)工況條件，需要搭建更為貼合實(shí)際的中試尺度實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)成果的驗(yàn)證與完善。目前中國石油大學(xué)（北京）搭建了一套有效容積為196 L的水合物開采模擬裝置。中國海洋石油集團(tuán)有限公司自主研制出國際首套30 MPa、1695 L大尺度多功能天然氣水合物開采模擬系統(tǒng)。該研究成果將有效推進(jìn)我國南海天然氣水合物資源化利用的開發(fā)利用，對(duì)于我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有重要價(jià)值?？v觀全國，類似的開采實(shí)驗(yàn)中試平臺(tái)依舊比較缺乏，需要進(jìn)一步推動(dòng)相關(guān)項(xiàng)目的立項(xiàng)和實(shí)施[11]。

五、天然氣水合物開采技術(shù)發(fā)展建議

（一）推動(dòng)天然氣水合物、深部油氣等多氣源立體開采基礎(chǔ)研究和重大工程

墨西哥灣、北極凍土、我國南海海域等國內(nèi)外多地調(diào)查表明，天然氣水合物、淺層氣、深部油氣多具有空間共存、區(qū)域共生即同盆共生性。隨著陵水17-2、荔灣3-1等深水油氣田的開發(fā)，珠江口、瓊東南海洋天然氣水合物、淺層氣、深部油氣的一體化勘探與立體開發(fā)成為可能。基本思路為，以天然氣水合物所在區(qū)域整個(gè)地質(zhì)背景作為研究對(duì)象，國家層面組織跨部門力量制定天然氣水合物、淺層氣、深部油氣等多氣源綜合勘探與立體開發(fā)（見圖6）重大科技工程頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究、核心技術(shù)攻關(guān)和重大裝備研制。

天然氣水合物安全高效的技術(shù)尚未得到根本突破，屬于世界科技創(chuàng)新的前沿，美國、日本、韓國及歐洲等國多采用國家能源部門資助、相關(guān)企業(yè)、研究院所聯(lián)合攻關(guān)的模式穩(wěn)步推進(jìn)天然氣水合物領(lǐng)域的協(xié)同研究。為此，加快高水平的科技自立自強(qiáng)、助力海洋天然氣水合物的早日開發(fā)利用是當(dāng)前和今后一段時(shí)間的工作重點(diǎn)。首先是堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的發(fā)展戰(zhàn)略，統(tǒng)籌天然氣水合物科技創(chuàng)新力量，做好天然氣水合物勘探開發(fā)“產(chǎn)學(xué)研用”一體化頂層設(shè)計(jì)；其次是立足于重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新聯(lián)盟的定位，發(fā)揮好企業(yè)原創(chuàng)技術(shù)策源需求牽引作用，強(qiáng)化協(xié)同創(chuàng)新，支持天然氣水合物、常規(guī)油氣等多氣源立體開發(fā)相關(guān)基礎(chǔ)研究和工程化技術(shù)攻關(guān)；最后是強(qiáng)化跨行業(yè)、跨領(lǐng)域、跨學(xué)科交流與合作，充分引入各個(gè)學(xué)科的自身優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)在一些重大需求領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)突破，促進(jìn)我國天然氣水合物勘探開發(fā)事業(yè)不斷向前發(fā)展，以期早日實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的商業(yè)化開采利用。

圖6 海域天然氣水合物、淺層氣和深部油氣多氣合采與立體開發(fā)示意圖

（二）強(qiáng)化技術(shù)融合，推進(jìn)理論與實(shí)踐協(xié)同并進(jìn)

技術(shù)融合是天然氣水合物開采技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，將高效開采方案與實(shí)際試采對(duì)接起來，對(duì)于提升開采方案產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用能力至關(guān)重要。在強(qiáng)化開采方案的技術(shù)成熟度時(shí)，推進(jìn)相關(guān)中試尺度實(shí)驗(yàn)臺(tái)的建設(shè)和相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展是開采技術(shù)走向試采平臺(tái)的關(guān)鍵一步。要引導(dǎo)不同層級(jí)的科研單位協(xié)同創(chuàng)新，提升產(chǎn)業(yè)資源的協(xié)調(diào)利用，提升開采手段的產(chǎn)業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)潛力。天然氣水合物技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的建立是一個(gè)發(fā)展的契機(jī)，有望將天然氣水合物開采技術(shù)的發(fā)展帶入快車道。

（三）推進(jìn)天然氣水合物中試尺度實(shí)驗(yàn)和多場(chǎng)耦合的數(shù)值模擬大科學(xué)平臺(tái)建設(shè)

中試尺度實(shí)驗(yàn)是連接水合物開采實(shí)驗(yàn)室機(jī)理研究與礦場(chǎng)實(shí)踐的重要紐帶，是科研成果走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過程的重要環(huán)節(jié)，特別是對(duì)礦場(chǎng)開采成本較高的水合物藏。同時(shí)，數(shù)值模擬技術(shù)是預(yù)測(cè)水合物藏產(chǎn)氣、產(chǎn)水動(dòng)態(tài)和儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)變化的重要手段。水合物的開采是涉及相變、傳質(zhì)傳熱和儲(chǔ)層力學(xué)變形，甚至?xí)?dǎo)致出砂和海底地層滑坡的一個(gè)非常復(fù)雜的熱-流-力-化多場(chǎng)耦合過程，滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)-力學(xué)場(chǎng)-化學(xué)場(chǎng)之間的耦合關(guān)系復(fù)雜，如水合物分解過程中儲(chǔ)層孔隙度、滲透率以及兩相相對(duì)滲透率的演化關(guān)系復(fù)雜，水合物的賦存方式、分解過程等影響儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)的因素眾多且規(guī)律不明確。因此，亟需推進(jìn)中試實(shí)驗(yàn)尺度和多場(chǎng)耦合的數(shù)值模擬大科學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，優(yōu)化已有的開采方案，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的商業(yè)化開采提供基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)。

（四）建立健全天然氣水合物的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

2021年頒布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中指出，我國要實(shí)施國家能源資源安全戰(zhàn)略，其中特別指出油氣資源勘探開發(fā)對(duì)于實(shí)施能源安全戰(zhàn)略的重要作用，而開展南海等地區(qū)天然氣水合物試采更是成為強(qiáng)化戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源規(guī)劃，提升能源儲(chǔ)備安全保障能力的重要途徑之一。近年來，我國針對(duì)天然氣水合物勘探開發(fā)的研究方興未艾，眾多的科研創(chuàng)新思路競(jìng)相迸發(fā)，然而作為一種新興的能源利用技術(shù)，天然氣水合物相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的缺失問題是不容忽視的。出臺(tái)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以更好地引導(dǎo)相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方式，對(duì)于促進(jìn)我國南海天然氣水合物資源的勘探開發(fā)利用，服務(wù)于我國的能源戰(zhàn)略安全，推動(dòng)深水油氣資源的開發(fā)利用都具有重要的戰(zhàn)略意義。