2017 年天然氣水合物研發熱點回眸

天然氣水合物是一種非常規天然氣資源，以固態形式賦存於深海沉積物中和永久凍土地區，資源量巨大，且99%存在於海洋中，海洋沉積物中賦存的天然氣水合物也已成為勘探開採研究的重點。2017年，國際天然氣水合物領域見證了一系列研究熱點和重要事件。本文對2017年天然氣水合物成藏研究、開採方法、安全與環境效應、勘探與試采等領域取得的代表性成果作一簡要盤點。

01

研究熱點

圍繞墨西哥灣、日本南海海槽、中國南海北部、日本海郁龍盆地、印度大陸邊緣等區域開展天然氣水合物油氣系統等成藏與富集規律研究

近年來，天然氣水合物勘探區域主要集中在墨西哥灣、韓國郁龍盆地、印度孟加拉灣、日本南海海槽、中國南海北部等海域（圖1），取得了積極進展，2017年6月25—30日，在美國科羅拉多州丹佛市召開的第九屆國際天然氣水合物大會（ICGH9）針對這些區域分別設立了天然氣水合物專題進行研討。系統論成為天然氣水合物成藏研究的趨勢，天然氣水合物油氣系統的概念已逐步被接受，並運用到區域的天然氣水合物成藏研究中。普遍認為賦存於富砂/粉砂沉積物中的高飽和度孔隙充填型天然氣水合物是當前有利的開發目標。

圖1 當前天然氣水合物勘探熱點區域示意

天然氣水合物的分布規律與特定的海洋地質特徵之間存在著極其密切的關係。區域構造地質條件是天然氣水合物成藏重要影響因素之一，同時成藏與富集規律研究離不開勘查及鑽探等工作。依託鑽探岩心、測井等資料，主要圍繞天然氣水合物成藏特徵、成藏演化、儲層及分布特徵、沉積物特徵、氣源類型及運移機制、資源量預測、站位選擇等進行探討。研究認為天然氣水合物的形成和分布受氣源、沉積、岩性、溫壓和構造等條件影響，天然氣水合物在地層中的賦存形態主要包括塊狀形、脈狀形、分散形等（圖2（a））。充足的氣源供給、良好的運聚輸導系統和高壓低溫穩定帶三大要素的時空耦合配置發揮著關鍵性作用。研究顯示微生物成因氣是各區域天然氣水合物中甲烷氣體的主要來源。海洋泥岩和薄砂層間存在著甲烷從無砂體的裂縫型泥岩中運移到局部形成天然氣水合物、甲烷從裂縫發育的泥岩到薄砂體的短距離運移、甲烷從深部氣源到分散的含天然氣水合物砂體中的長距離運移等多種氣體運移機制。當海洋泥岩中賦存砂體且發育裂縫時，天然氣水合物優先在砂體中形成和發育。

圖2 天然氣水合物主要賦存形態及神狐海域天然氣水合物成藏序列

在資源評價方面，充分利用區域內常規油氣測錄井等勘探資料，結合天然氣水合物勘探的三維疊前地震資料、錄井資料和岩心數據，建立數學模型等，開展儲層刻畫、天然氣水合物資源賦存情況分析、天然氣水合物飽和度預測以及小範圍內更為精細的天然氣水合物資源量計算。在區域選擇方面，基於地震資料，進行泥火山和氣煙囪等流體運移通道、似海底反射（bottom simulation reflector，BSR）和高阻抗等天然氣水合物賦存指示標誌的識別辨析，積極探索基於均方根振幅和瞬時頻率等振幅屬性、波阻抗反演等多屬性聯合評價方法，開展天然氣水合物甜點區選擇研究。

針對墨西哥灣，2017年5月，美國開展了UT-GOM2-1航次的天然氣水合物鑽探，該航次主要由德克薩斯大學（UT）奧斯汀分校主導，美國地質調查局（USGS）、俄勒岡大學、哥倫比亞大學等機構參與。針對墨西哥灣北部GC955區塊富砂質儲層中的天然氣水合物，開展保壓取芯設備的測試，並採集足夠多的樣品從而保障在實驗室開展深水區砂質儲層中的天然氣水合物的性質和賦存情況等相關科學問題的研究。該航次共鑽探了兩口井（GC955H-002和GC955H-005），鑽井位於2009年墨西哥灣天然氣水合物聯合工業計劃第二航次（JIP Leg II）的GC955-H井附近，水深約2000 m，鑽獲了極低擾動的總長超過30 m的保壓岩心樣品。

中國南海北部天然氣水合物成藏研究尤為突出，《地學前緣》2017年第4期刊登了「南海天然氣水合物研究進展」主題專輯。相關研究表明，神狐地區主要存在厚層狀、分散狀、斑塊狀、斷層附近和薄層狀天然氣水合物（圖2（b）），儲集層以黏土質粉砂細粒沉積物為主，較弱的沉積壓實作用及有孔蟲化石的沉積使儲集層具有較高的孔滲性，增大了高飽和度天然氣水合物形成和賦存的空間。擴散、滲漏驅動的二元成藏動力學過程綜合作用致使南海北部形成了上下多層的複式天然氣水合物礦藏，深部熱解氣通過斷層運移至天然氣水合物穩定帶形成構造滲漏型天然氣水合物，淺層生物氣橫向運移形成薄層狀擴散型天然氣水合物。2017年，中國新一代遠洋綜合科考船「科學」號在執行中國科學院戰略性先導科技專項中，通過「發現」號無人潛水器攜帶的深海激光拉曼光譜探針，科考團隊在中國南海約1100 m的深海海底，探測到2個站點存在裸露于海底的天然氣水合物（圖3），1個站點分布在冷泉化能極端生物群落中，動態合成並分解的天然氣水合物可以為深海冷泉化能極端生命提供甲烷和硫化氫等能量源；另一個天然氣水合物站點位於一個活動冷泉噴口的內壁。這是在中國南海海域首次發現裸露海底的天然氣水合物。現場探測數據顯示，快速生成的天然氣水合物並非單一籠型結構，其內部存在大量的甲烷、硫化氫等自由氣體，這也是國際上首次使用原位拉曼光譜數據證實這一科學結論。

圖3 中國南海海域首次發現裸露在海底的天然氣水合物

天然氣水合物基礎研究方興未艾，開發方法和技術處於積極探索中，並取得重要進展

天然氣水合物基礎物性參數研究主要基於室內人工合成的天然氣水合物沉積物，隨著對天然氣水合物研究的深入與分析測試技術的發展，許多先進的檢測方法、分析技術和大型儀器被用於天然氣水合物的分析與鑒定中，通過運用晶體學、譜學、形態學、地球化學及熱學等分析技術，對天然氣水合物的本徵特性進行系統研究。通過實驗室模擬實驗，利用天然氣水合物儲層高電阻率特點，研究沉積物中天然氣水合物生成與分解過程中電阻率的變化規律，了解天然氣水合物沉積物電學特性與飽和度之間的關係；利用可以反映岩性、天然氣水合物分布及含量等信息的聲學特性，開展天然氣水合物聲學性質及天然氣水合物飽和度、溫度、壓力、頻率等因素對天然氣水合物沉積物縱橫波速度與幅度等聲學參數的影響規律研究，獲取不同的岩性特徵和天然氣水合物分布信息，從而指導天然氣水合物勘探及資源評價。

天然氣水合物動力學抑製劑的研發對天然氣（尤其是深海天然氣）/天然氣水合物開採、天然氣集輸等具有重要意義，是當前研究的熱點。動力學天然氣水合物抑製劑（kinetic hydrate inhibitors，KHIs）通常是低劑量的水溶性高分子，可擾亂水分子和客體分子之間的有序狀態，延緩或阻止天然氣水合物臨界晶核的形成，降低成核速率，而不改變熱力學條件。隨著動力學天然氣水合物抑製劑研發的不斷深入，為了評價抑製劑的性能和對抑製劑的選擇，實驗室通常模擬天然氣水合物生成環境，採用多種檢測手段與分析技術對天然氣水合物的結構、形成與分解等問題進行研究。

天然氣水合物特別是海洋天然氣水合物的安全、高效開發是當前世界的前沿創新技術領域，海洋天然氣水合物有效經濟開採面臨的資源評價、開採技術方法、儲層地質參數和工程地質風險等方面的科學挑戰。要實現海洋天然氣水合物的有效經濟開採，資源評價是基礎，開採技術方法是關鍵。目前天然氣水合物開採方法主要熱激法、降壓法和化學試劑法等，普遍認為，降壓法開採天然氣水合物是目前技術較為成熟、環境相對友好的一種試采方法。中國、日本也通過降壓法成功實施了海洋天然氣水合物試采，證實了簡單的降壓開採是可行的，但產氣速率較低。模擬分析顯示，天然氣水合物分解和產氣速率取決於天然氣水合物儲層的地球物理屬性、儲層的傳熱和傳質作用、地層間的相對滲透率、降壓幅度及模型的環境，特別是滲透率和可用於分解天然氣水合物的熱量起著非常重要的作用。同時，積極探索固態流化法、地下轉化工藝技術（in-situ conversion process，ICP）、蒸汽輔助重力驅油技術（steam assisted gravity drainage，SAGD）、降壓法結合加熱法等在天然氣水合物開採中的應用及模擬研究。針對海洋非成岩天然氣水合物的物理特徵、成藏特點，依據天然氣水合物固態流化開採法的工藝流程，在西南石油大學建立了海洋天然氣水合物固態流化開採實驗室，天然氣水合物固態流化開採主要思路是採用機械破碎而後進行管輸，利用天然氣水合物自動解析、舉升，順勢開發，變不可控為可控，最終實現安全、綠色鑽采，該技術在2017年5月中國南海荔灣天然氣水合物試采中得到了應用和實踐。

天然氣水合物資源與安全、氣候環境效應等研究受到廣泛關注

含天然氣水合物沉積物的溫度-壓力機制及其對沉積物穩定性的作用等是當前天然氣水合物研究的熱點之一。當天然氣水合物分解時，天然氣水合物對沉積物儲層的填充和膠結作用降低，沉積物層的有效應力和孔隙壓力等發生改變，容易引發地層變形、滑動、生產平台坍塌等，導致自然類和工業類的地質災害，將嚴重製約天然氣水合物的安全開發。已有研究表明海床的穩定性與海洋沉積物的剛度、剪切強度參數（黏聚力和摩擦角）及沉降參數等力學與變形特徵直接相關。天然氣水合物硬度、強度、應力與應變及壓縮係數等力學性能指標及天然氣水合物類型與飽和度、溫度、壓力與應變等因素對天然氣水合物沉積物的力學性質影響規律研究對指導天然氣水合物開採具有重要意義。天然氣水合物沉積物岩土力學特性、穩定性分析及本構模型等是天然氣水合物開發地質安全評價的重點，而三軸力學試驗是獲取天然氣水合物沉積物力學參數最直接有效的手段之一，通常針對甲烷、二氧化碳和四氫呋喃等不同類型的天然氣水合物沉積物，以砂土為骨架，分析天然氣水合物沉積物的力學參數等特性。

天然氣水合物的資源和環境效應是目前天然氣水合物研究的熱點問題之一，而關於環境不穩定導致甲烷釋放的變化的相關研究在未來將繼續是一個重大的科學目標。據估算天然氣水合物中甲烷總含量約為大氣中甲烷量的3000倍，作為大氣中甲烷的一種重要來源，天然氣水合物在控制全球長期氣候變化方面起著重要的作用。科學界認為在地質歷史時期，極地表面溫度的升高，海底底層水溫的升高或者海平面下降引起的壓力變化及快速沉積作用等都可以改變海洋沉積物的溫度和壓力，導致海底天然氣水合物的失穩分解釋放出甲烷，從而造成全球氣候變化。另一方面，全球氣候變化反過來又將影響甲烷海底逸出速率，加劇氣候變化的波動性。天然氣水合物分解對全球氣候變化的影響，尤其海底天然氣水合物對全球變化的影響的合理評價還待於大量的觀測與研究。此外，對於天然氣水合物生物效應的研究主要集中在冷泉生態群落的結構、多樣性與分布、運轉機制與控制因素、以及冷泉生態群落對於天然氣水合物失穩造成甲烷釋放的響應等方面。

2017年11月26日，以「蠕變中的天然氣水合物滑動和希庫蘭吉隨鑽測井」為主旨的IODP372航次在澳大利亞弗里曼特爾維多利亞港口起航。IODP 372航次時間安排為2017年11月26日至2018年1月4日，該航次的2個主要目標為：1）調查天然氣水合物和水下滑坡的關係；2）沿著希庫蘭吉俯衝帶界面，刻畫與再發的淺部緩慢滑動事件有關聯的沉積物和斷層區域結構和物理屬性。紐西蘭東部的希庫蘭吉大陸邊緣為兩個研究主題提供了獨特的研究靶體。在希庫蘭吉大陸邊緣的Tuaheni滑坡複合體顯示出了活動的蠕變變形的特徵證據，並且更為值得關注的是，蠕變中的近陸邊緣與海底的天然氣水合物穩定帶底部的尖滅相一致。

02

重大事件

日本實施第二次海洋天然氣水合物試采

針對2013年第1次海洋天然氣水合物試采遇到的出砂、井下氣水分離、長期穩定生產等技術問題，制定了相關研究方案和對策，以期在實際場地驗證解決方案的有效性，並通過驗證工作獲取更長期試采和未來產業化所需的儲層響應數據，為此，第2次試采站位選擇等方面與第1次試采相同，並在作業平台選擇方面也同樣利用「地球號」實施現場鑽探和產氣試驗作業。

2017年4月7日，「地球號」從清水港出發駛往第二渥美海丘開始進行第2次海域試採的準備工作，5月4日開始從水深1000 m的海底下部350 m的含天然氣水合物儲層中產氣，5月15日，由於大量地層砂進入第1口生產井內，決定臨時中斷產氣試驗，為期12天的產氣試驗累計產氣量3.5×104m3。6月6日完成第2口生產井的切換作業，並進行了為期24天的產氣實驗，累計產氣約20×104m3，平均日產量超過8000 m3。針對防砂採取的措施，採用了利用形狀記憶聚合物（SMP）的膨脹封堵井壁與地層間環形空間的GeoFORM防砂系統。試采結果表明，在第2次試采中，兩口生產井中的第1口遇到了出砂問題，第2口井沒有遇到該問題，其原因可能是第1口井所採用的預先膨脹的GeoFORM防砂系統未能有效地封堵井壁與地層間的環形空間，而第2口井的封堵效果良好則可能是因為採用了在井下膨脹的GeoFORM防砂系統。

中國神狐海域天然氣水合物試采創造了產氣時間和累產氣量的世界紀錄

2017年5—7月，中國地質調查局在南海神狐海域採用流體抽取法成功實施天然氣水合物試采（圖4），從水深1266 m海底以下203~277 m的粉砂質黏土、黏土質粉砂儲層中開採出天然氣，2017年5月10日至7月9日連續穩定試采60天，累計產氣30.9×104m3，平均日產5151 m3，甲烷含量最高達99.5%，最高初產3.5×104m3/d，取得持續產氣時間最長、產氣總量最大、氣流穩定、環境安全等多項重大突破性成果，創造了產氣時間和產氣總量的兩項世界紀錄。這是國際上首次針對細粒沉積物儲層實現試采，具有重大的科學和能源意義。2017年5月18日，中共中央、國務院對海域天然氣水合物試采成功發來賀電指出，「經過近20年不懈努力，我國取得了天然氣水合物勘查開發理論、技術、工程、裝備的自主創新，實現了歷史性突破。」「海域天然氣水合物試采成功只是萬里長征邁出的關鍵一步，後續任務依然艱巨繁重。」

圖4 南海神狐海域天然氣水合物成功試采（圖片來源：國土資源部）

執行本次試采技術服務的鑽井平台「藍鯨I號」是目前全球作業水深、鑽井深度最深的半潛式鑽井平台，適用於全球深海作業。通過試驗探索和科學研究，取得了一些新的成果和認識：1）防砂技術先進，方法可靠，持續有效發揮作用，保障產氣通道狀態良好；2）在舉升方式等多方面實現創新，提高產量效果顯著；3）調控產能平穩有效，氣流穩定，持續時間已達到生產性試開採要求，為產業化發展奠定了堅實的基礎；4）海水及周邊大氣等甲烷濃度無異常，環境無污染；5）井壁和地層穩定，未發生地質災害，實現了安全可持續生產；6）試采理論、技術、工程和裝備領跑優勢不斷擴大。

中國首次成功實施海洋淺層非成岩天然氣水合物固態流化試采

針對深水淺層幾米到上百米、非成岩全新的開採模式，提出了固態流化開採新方法，並以南海北部海洋天然氣水合物儲集區為試采目標區，研究制定了海洋天然氣水合物目標勘探、鑽探取樣和固態流化試采一體化實施方案。2017年5月25日，在南海北部荔灣3站位依託「海洋石油708」深水工程勘察船，利用完全自主研製技術、工藝和裝備在水深1310 m、天然氣水合物礦體埋深117~196 m處，全球首次成功實施海洋淺層非成岩天然氣水合物固態流化試采作業，在海洋淺層天然氣水合物的安全、綠色試采方面進行了創新性的探索，流化期間原設計將獲得分解氣100 m3，實際獲得氣體81 m3，氣體中甲烷含量高達99.8%。

此次固態流化試采針對深水淺層、具有一定埋深弱膠結天然氣水合物層位展開，自主研發的無隔水管鑽完井技術、連續油管舉升技術、高效氣液固分離技術以及深水工作船鑽完井作業技術是技術體系的主要創新點，顯示著中國天然氣水合物勘探開發關鍵技術已取得歷史性突破。

天然氣水合物成為中國第173個礦種

2017年11月3日，國務院正式批准將天然氣水合物列為新礦種，成為中國第173個礦種。礦種發現單位為中國地質調查局，發現時間及產地分別為：中國海域天然氣水合物首次發現時間為2007年6月，產地為南海神狐海域，地理坐標為115°20′3.45″E，19°55′42.66″N；中國陸域天然氣水合物首次發現時間為2008年11月，產地為青海祁連山，地理坐標為99°10′15.6″E，38°5′35.46″N。

確立天然氣水合物新礦種的重要意義：一是有利於保障國家能源資源安全；二是有利於優化能源生產和消費格局；三是有利於放開天然氣水合物礦業權市場；四是有利於促進天然氣水合物勘查開採科技創新；五是有利於帶動相關產業發展。

國務院批准將天然氣水合物列為新礦種，確立了其法律地位，將極大地促使中國天然氣水合物勘探開發工作進入新的發展階段。

03

未來熱點

安全經濟高效開採天然氣水合物是開展天然氣水合物研究的終極目標之一。天然氣水合物從資源到儲量，並最終實現商業化開採是一個漫長的過程，還面臨著理論、技術、環境風險等難題。美國、加拿大、德國以及中國周邊的日本、印度、韓國等國家都制定了天然氣水合物長期研究計劃。通過總結研究熱點和重大事件基礎上，可以推斷，未來研究熱點之一將圍繞天然氣勘探開發基礎理論和技術開展攻關，基於墨西哥灣、日本南海海槽、中國南海北部、韓國郁龍盆地、印度大陸邊緣等地區詳實的勘探資料，深入開展富集有利區優選、提高單井產氣量、深水淺層鑽完井技術等關鍵理論和技術瓶頸的攻關，核心科學問題包括甜點區選擇、增產機制與方法、開採機制與方法、流動安全保障機制、防砂機制和方法、開發過程中固-氣-液多相滲流規律、儲層變形規律及失穩機制、原位生物生態環境影響、災害評估與風險預警等。

從天然氣水合物成藏動力學角度，充分發揮油氣勘探的優勢，吸收常規天然氣勘探中的經驗，重視從源到匯的整體性分析，對天然氣水合物資源進行綜合評價。目前世界上所發現的天然氣水合物大多數為微生物成因氣，但是富生烴凹陷深部優異的生排烴潛力能夠提供較為充足的熱成因氣這一事實仍然不能忽視。熱成因氣天然氣水合物的規模如何、深部熱成因氣在淺部天然氣水合物形成和聚集過程中發揮了怎樣的作用也還需要進一步探討研究。

從天然氣水合物基礎和微觀研究角度，核心科學問題包括天然氣水合物分子動態聚散的微觀過程、氣-水-沉積物-天然氣水合物相互作用的熱力學及動力學過程、物性響應特徵與物性參數定量關係、微觀尺度監測水合物生成與分解對沉積物物性特徵的影響等方面。此外，基於天然氣水合物的應用技術將是未來另一個研究熱點，如天然氣儲運、海水淡化、二氧化碳存儲等應用技術等，核心科學問題包括天然氣水合物儲氣密度和生成速度、天然氣水合物生成裝置與儲運條件等方面。

參考文獻（略）

文 /魏偉，張金華，於榮澤，林斌斌，陳龍橋，彭涌，肖紅平

作者簡介：魏偉，中國石油勘探開發研究院新能源研究所，高級工程師，研究方向為天然氣水合物等非常規能源；張金華（通信作者），中國石油勘探開發研究院新能源研究所，工程師，研究方向為天然氣水合物等非常規能源。

注：本文發表於《科技導報》2018年第1期，敬請關注。

（責任編輯 劉志遠）

《科技導報》

中國科協學術會刊

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