王平康 祝有海 趙越 劉建民 張旭輝

（1中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京100029；2中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京100037；3中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081；4中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100190）

0 引言

天然氣水合物是由具有相對(duì)較低分子質(zhì)量的氣體（如甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮?dú)獾龋┰谝欢囟群蛪毫l件下與水形成的一種內(nèi)含籠形結(jié)構(gòu)的固態(tài)類(lèi)冰狀物質(zhì)。自然界中，它所包含的氣體分子多以甲烷為主（90%），也被稱(chēng)為甲烷水合物，俗稱(chēng)“可燃冰”。天然氣水合物具有巨大的儲(chǔ)氣能力，單位體積的天然氣水合物，在常溫常壓下，可以釋放出150—180單位體積的天然氣［1］。天然氣水合物作為一種新型能源，主要賦存于南北極和青藏高原永久凍土帶、海底沉積地層和一些深水湖泊底部沉積物中［2-6］，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，迄今為止全球已經(jīng)累計(jì)發(fā)現(xiàn)超過(guò)220個(gè)天然氣水合物礦點(diǎn)［7］。據(jù)估算，全球海洋與陸地上天然氣水合物礦藏所蘊(yùn)藏的甲烷氣體約7.4×104Gt［8］，遠(yuǎn)超過(guò)了全世界已知的天然氣總儲(chǔ)量［9］。天然氣水合物因其能量密度高、分布廣、規(guī)模大、埋藏淺，被視為21世紀(jì)的一種潛在能源［10］。

極地天然氣水合物分布于南北極大陸及其毗鄰海域的沉積物（巖）中，與廣泛分布的永久凍土帶密切相關(guān)［1］，資源潛力巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前已在北極和南極地區(qū)分別發(fā)現(xiàn)19處和5處天然氣水合物礦點(diǎn)（圖1）?？碧胶脱芯拷Y(jié)果表明，極地天然氣水合物儲(chǔ)層類(lèi)型主要為富砂沉積物儲(chǔ)層［1，10］，能提供天然氣水合物高濃度聚集所需的儲(chǔ)集滲透性，最可能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)景勘探和商業(yè)利用［11］。由于北極和南極地區(qū)特殊的地理位置以及將來(lái)不可避免的全球能源危機(jī)，極地天然氣水合物已被極地國(guó)家視為一種重要的戰(zhàn)略性能源。目前，環(huán)北冰洋國(guó)家如美國(guó)、加拿大、俄羅斯等都加大了對(duì)北極地區(qū)天然氣水合物資源勘查和研究力度，并開(kāi)始進(jìn)行水合物開(kāi)發(fā)工藝研究和開(kāi)采試驗(yàn)，而且非極地國(guó)家如日本、韓國(guó)等業(yè)已積極地以國(guó)際合作形式參與其中。近年來(lái)，極地天然氣水合物研究在成藏理論、勘查技術(shù)和試采裝備等方面取得了一系列突破性進(jìn)展，而真正實(shí)現(xiàn)天然氣水合物商業(yè)化開(kāi)采僅是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題。隨著全球氣候變暖，北冰洋海冰加速融化和航道開(kāi)通，北極地區(qū)蘊(yùn)藏的豐富資源都將從潛在利益變成現(xiàn)實(shí)利益，各國(guó)的權(quán)益紛爭(zhēng)也將愈演愈烈。中國(guó)雖不屬于極地國(guó)家，但在2007和2008年，分別在南海北部海域和青藏高原凍土區(qū)成功鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品［6，12］，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)海陸域天然氣水合物找礦的重大突破，使得中國(guó)成為目前世界上在中低緯度地區(qū)唯一擁有海底和陸上凍土區(qū)天然氣水合物資源的國(guó)家，因此，在立足和發(fā)揮中國(guó)海陸域天然氣水合物資源優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，如何參與極地天然氣水合物研究和開(kāi)發(fā)，以及提升中國(guó)在極地國(guó)際事務(wù)中的地位和話(huà)語(yǔ)權(quán)，已成為中國(guó)極地戰(zhàn)略所面臨的新機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

圖1 全球天然氣水合物分布及極地和中國(guó)主要的天然氣水合物研究區(qū)（據(jù)文獻(xiàn)［6，12-14］，修改）Fig.1.Globalmap of recovered and inferred gas hydrate and themain research areas for gas hydrate in Polar Regions and China（modified from［6，12-14］）

1 極地天然氣水合物勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

1.1 極地天然氣水合物分布及資源潛力

地球兩極地區(qū)存在大面積的永久凍土層，具有天然氣水合物形成的溫度和壓力條件。通常認(rèn)為，在北極地區(qū)有利于凍土和天然氣水合物形成的熱條件從上新世（約 1.88 Ma）開(kāi)始持續(xù)至今［4，15］?，F(xiàn)今北半球大約20%的陸地面積被凍土所覆蓋，Collet等［1，9］依據(jù)美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心（NSIDC）的凍土數(shù)據(jù)描繪了北半球陸上連續(xù)永久凍土和殘留的海底永久凍土帶的可能范圍（圖2A），指出陸上和近岸的天然氣水合物僅能存在于與其密切聯(lián)系的永久凍土帶中，因此永久凍土帶的分布范圍也就指示了陸上和近岸天然氣水合物存在的可能區(qū)域［1］。鉆探取樣、鉆孔測(cè)井和地球物理調(diào)查研究表明，北極陸上天然氣水合物主要聚集于俄羅斯、美國(guó)阿拉斯加和加拿大的永久凍土區(qū)，其中主要包括西西伯利亞盆地及俄羅斯北部一些永凍區(qū)［2，9，13，16］、北美阿拉斯加北坡［1］、加拿大馬更些三角洲和北極群島［17-18］。除此之外，在挪威斯瓦爾巴群島和挪威島也有可能存在天然氣水合物［19］。在永久凍土區(qū)，天然氣水合物可能存在于地下130—2 000 m深度范圍［1］。北極海洋天然氣水合物分布除受有利的低溫底層水體影響外，還受大陸坡、陸?。ㄉ钏Ｅ_(tái)）等地形和地質(zhì)構(gòu)造單元控制，Max和Lowrie［20］依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造單元?jiǎng)澐殖鋈?jí)水合物分布有利區(qū)，其中介于500—3 000 mbsf間的大陸坡為一級(jí)有利區(qū)，低于3 000 mbsf的深海區(qū)為二級(jí)有利區(qū)（例如加拿大海盆、弗蘭格爾深海平原、巴倫支海-拉普帖夫海海嶺、阿爾法海嶺盆地）和覆有沉積物的活動(dòng)轉(zhuǎn)換帶或活動(dòng)海嶺為三級(jí)有利區(qū)。Grantz等［21］和 Kvenvolden等［22］認(rèn)為阿拉斯加波弗特海北部陸架外緣、陸坡和陸隆上部的海底之下有廣泛的水合物聚集，海底之下300—700 m處存在明顯的地球物理BSR標(biāo)志。挪威西北巴倫支海的熊島盆地［23-25］和斯匹茲卑爾根地區(qū)［26］海底發(fā)現(xiàn)強(qiáng)反射的BSR，推測(cè)存在天然氣水合物。Соловьев［27］指出東西伯利亞海、拉普帖夫海、喀拉海、巴倫支海和楚克奇海等北冰洋邊海均為天然氣水合物存在的有利地區(qū)（圖2A）。

南極大陸是聯(lián)合古陸不斷裂離后的殘余產(chǎn)物，其大陸邊緣多為非活動(dòng)型大陸邊緣，但在南極半島附近海域，由于古菲尼斯板塊的不斷俯沖，形成了以南設(shè)得蘭海溝為代表的活動(dòng)型大陸邊緣［28］。南極陸緣發(fā)育有十余個(gè)中新生代沉積盆地［29-30］，大多盆地具有時(shí)顯的裂谷盆地特征，是在張性構(gòu)造環(huán)境下發(fā)育形成的，下伏的深大斷裂可以保證來(lái)自深部的熱能供給，為有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄榈葻N類(lèi)的過(guò)程中起著催化劑的作用［31］，同時(shí)，這些盆地大多被新生界冰川沉積所覆蓋［32］，以及具有比其他大陸陸架坡折帶較深的水深（300—900 m）［33］，具備天然氣水合物形成的溫壓條件。南極地區(qū)天然氣水合物調(diào)查和研究始于20世紀(jì)70年代，McIver［34］首次報(bào)道了南極陸緣存在天然氣水合物的信息。依據(jù)海洋地質(zhì)、地球物理BSR和地球化學(xué)調(diào)查資料，推測(cè)天然氣水合物則可能主要存在于南設(shè)得蘭陸緣［35-39］、南極半島的太平洋陸緣［40-42］、羅斯海陸緣［34，43-45］、威爾克斯地陸緣［46-48］、普里茲灣陸緣［49-50］、里瑟-拉森海陸緣［51-52］和南奧克尼群島東南陸緣［53-54］。新近，王力峰等［31］根據(jù)天然氣水合物的熱穩(wěn)定性，利用國(guó)際地?zé)嵛瘑T會(huì)數(shù)據(jù)庫(kù)資料，修正計(jì)算了天然氣水合穩(wěn)定帶底界深度的計(jì)算參數(shù)，初步分析了南極陸緣盆地的天然氣水合物資源潛力并圈定出了天然氣水合物分布的有利分布區(qū)（圖2B）。Wadham等［55］依據(jù)南極冰川下的環(huán)境實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用模擬方法證實(shí)南極沉積海盆中具有甲烷水合物積累的潛能，計(jì)算結(jié)果顯示南極地區(qū)天然氣水合物資源量可能與新近北極凍土區(qū)的評(píng)估值在同一數(shù)量級(jí)。南極大陸95%以上的面積常年為巨厚的冰雪所覆蓋，同樣具備天然氣水合物形成的溫壓條件，但目前尚未發(fā)現(xiàn)有指示陸上天然氣水合物存在的報(bào)道。

圖2 極地天然氣水合物有利分布地區(qū).A—北極.深藍(lán)和淺藍(lán)色區(qū)分別指示陸上連續(xù)永久凍土帶和近?？赡軞埓鎯鐾翈В彩翘烊粴馑衔锎嬖诘挠欣植嫉貐^(qū)，黃色區(qū)是海洋天然氣水合物存在的有利分布地區(qū)，凍土帶分布資料引自文獻(xiàn)［1］，北極海域天然氣水合物存在的有利分布區(qū)數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)［20，27］；B—南極.黃色區(qū)是陸緣天然氣水合物存在的有利分布地區(qū)，水合物分布資料引自文獻(xiàn)［31］Fig.2.Favorable geographical distribution for the accumulation of gas hydrates in the Polar Regions A—Arctic：dark blue and light blue areas indicate onshore continuous permafrost and offshore possible relic permafrost，respectively；the permafrostareasmay be favorable for the accumulation ofgas hydrates；yellow areas indicate the favorable area for the accumulation of gas hydrate in marine；source of permafrost data from［1］and source of gas hydrate distribution data from［20，27］.B—Antarctic：yellow areas indicate the favorable area for the accumulation of gas hydrate in antarcticmargins；source of gas hydrate distribution data from［31］

極地天然氣水合物研究和勘查程度相比海洋水合物較為薄弱，盡管有關(guān)極地天然氣水合物礦藏的規(guī)模和資源量數(shù)據(jù)不是很多，但從已有估算結(jié)果來(lái)看，其資源量亦是非常巨大的（表1）。以美國(guó)阿拉斯加北坡為例，最新評(píng)估結(jié)果顯示阿拉斯加北坡未探明的技術(shù)可采天然氣水合物資源量介于（0.71—4.47）×1012m3，平均估算為 2.42×1012m3［1］。據(jù)美國(guó)能源部能源信息署資料，按照當(dāng)前美國(guó)的能源消費(fèi)速率，阿拉斯加北坡的水合物中的天然氣資源可滿(mǎn)足1億普通美國(guó)家庭10年對(duì)天然氣供熱的能源需求。極地如此規(guī)模巨大的天然氣水合物資源量，對(duì)未來(lái)極地國(guó)家的能源政策和其國(guó)內(nèi)的能源供需關(guān)系將會(huì)產(chǎn)生重要影響。

表1 極地主要地區(qū)天然氣水合物礦藏資源量評(píng)估Table 1.Gas hydrate resource estimate in Polar Regions

1.2 極地國(guó)家天然氣水合物勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

自1970—1972年在極地多年凍土區(qū)獲取天然氣水合物實(shí)物樣品以來(lái)，科學(xué)家就開(kāi)始對(duì)多年凍土區(qū)天然氣水合物的地質(zhì)成因、地球物理和地球化學(xué)勘探方法、資源評(píng)估對(duì)氣候變化和環(huán)境的影響和天然氣水合物開(kāi)采進(jìn)行了研究［60］。距今，極地多年凍土區(qū)天然氣水合物研究有近50年的歷史，俄羅斯西伯利亞盆地的麥索雅哈氣田、加拿大馬更些三角洲和美國(guó)阿拉斯加北坡已成為目前極地凍土區(qū)天然氣水合物勘探開(kāi)發(fā)和國(guó)際關(guān)注程度較高的三大地區(qū)。

1.2.1 俄羅斯麥索雅哈（Messoyakha）氣田

俄羅斯麥索雅哈氣田是凍土區(qū)水合物進(jìn)行天然氣開(kāi)采的第一個(gè)實(shí)例，是目前世界上唯一一個(gè)與深部天然氣田聯(lián)合的水合物商業(yè)化開(kāi)采氣田。該氣田位于西西伯利亞的北部（圖2），毗鄰麥索雅哈河，在葉尼塞河入?？诟浇谋睒O圈地帶。該礦田在西西伯利亞的克拉通盆地內(nèi)，其本身是一個(gè)12.5 km×19 km的大背斜，覆蓋面積達(dá)237 km2，凍土層厚度為420—480 m。地質(zhì)資料顯示，麥索雅哈氣田的天然氣水合物礦藏儲(chǔ)層為伏于第四系沉積物之下的中侏羅統(tǒng)、白堊系-古新世的砂質(zhì)粘土巖沉積，屬于Dolgan組的上部，構(gòu)造圈閉的水合物層厚度約為84 m；孔隙度為16%—38%，平均為25%；殘余水飽和度為29%—50%，平均為40%；滲透率為10—1 000 mD，平均為125 mD；儲(chǔ)層溫度為8—12℃，壓力為7.8 MPa；孔隙水鹽度＜15‰；氣體組成中甲烷含量為98.6%，乙烷含量為0.1%，丙烷含量為0.1%，二氧化碳含量為 0.5%，氮?dú)夂繛?0.7%［7］。

麥索雅哈氣田于1969—2005年間，半連續(xù)采用注入化學(xué)劑法、降壓法以及兩種方法相結(jié)合進(jìn)行天然氣水合物開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。其中采用降壓法開(kāi)采試驗(yàn)（圖3），保證了水合物長(zhǎng)期的分解，并取得了較好的效果。具體可分為以下五個(gè)階段：第一階段（1969—1971年），該氣田儲(chǔ)層壓力尚未降到水合物的穩(wěn)定條件之下，開(kāi)采的天然氣全部來(lái)自于下部的游離氣層；第二階段（1972—1975年），開(kāi)采過(guò)程中的儲(chǔ)層壓力超過(guò)了單純開(kāi)采游離氣所預(yù)測(cè)的儲(chǔ)層壓力，壓力偏移表明天然氣水合物開(kāi)始分解，有部分天然氣產(chǎn)自于水合物層；第三階段（1976—1977年），產(chǎn)氣量絕大部分來(lái)自于水合物層；第四階段（1978—1981年），產(chǎn)氣量逐年下降，并最終停產(chǎn)，且隨著水合物層的持續(xù)分解，儲(chǔ)層壓力開(kāi)始回升；第五階段（1982年以后），氣田開(kāi)始轉(zhuǎn)入適度采氣階段，其產(chǎn)氣量主要來(lái)自于水合物層［61］。到2005年1月，麥索雅哈氣田生產(chǎn)的天然氣為12.6×109m3，其中6.9×109m3是隨儲(chǔ)層壓力降低水合物分解所產(chǎn)生的［7］。

麥索雅哈氣田天然氣水合物礦藏的開(kāi)發(fā)有效地促進(jìn)和推動(dòng)了全球針對(duì)天然氣水合物的研究。該氣田的成功開(kāi)采不僅證實(shí)天然氣水合物礦藏的存在，而且首次證明水合物商業(yè)化開(kāi)發(fā)是真正可能的。同時(shí)，這種成功的天然氣水合物開(kāi)采方法也表明通過(guò)先開(kāi)采天然氣水合物層之下的游離氣層，使得儲(chǔ)層壓力降低，導(dǎo)致作為蓋層的水合物層分解并釋放出甲烷氣體，再經(jīng)現(xiàn)有管道回收這些氣體在技術(shù)上是完全可行的，而且在這里降壓法生產(chǎn)無(wú)需增加投資，是非常經(jīng)濟(jì)的，使得麥索雅哈氣田成為全球唯一商業(yè)性開(kāi)采天然氣水合物的實(shí)例［62］。

圖3 麥索雅哈天然氣水合物礦藏儲(chǔ)層壓力和產(chǎn)量以時(shí)間為函數(shù)的變化圖［7］Fig.3.Production-reservoir pressure on development of Messoyakha gas hydrate deposit［7］

1.2.2 加拿大馬更些三角洲

馬更些三角洲位于加拿大西北部的永久凍土帶，是廣義的波弗特海-馬更些盆地的重要組成部分，是加拿大重要的油氣分布區(qū)域之一［63］。在地質(zhì)構(gòu)造上，該地區(qū)屬于北美大陸陸緣，是晚白堊世海底擴(kuò)張形成的加拿大盆地和波弗特海的大陸邊緣。波弗特海陸坡馬更些三角洲的沉積層主要為快速沉積的陸源碎屑砂巖，含豐富的有機(jī)質(zhì)。馬更些三角洲多年凍土區(qū)Mallik研究井位于加拿大西北部波弗特海沿岸（圖2），是目前世界上天然氣水合物研究井最密集的研究區(qū)，天然氣水合物研究歷史超過(guò)30年。1970—1972年通過(guò)Mallik L-38鉆井記錄和鉆孔堵塞證實(shí)和發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物存在的證據(jù)［64］。1980—1990年間對(duì)該地區(qū)天然氣水合物資源進(jìn)行調(diào)查和評(píng)估，開(kāi)展了145個(gè)鉆孔調(diào)查，其中25個(gè)（17%）鉆孔證實(shí)了天然氣水合物的存在［65］，天然氣水合物主要發(fā)育在多年凍土層下300—700 m深度范圍內(nèi)，在92 GSC Taglu鉆孔中發(fā)現(xiàn)了在多年凍土層間發(fā)育有天然氣水合物［66］。1998年由加拿大地質(zhì)調(diào)查局和日本國(guó)家石油公司（JNOC）牽頭，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局、美國(guó)能源部、工業(yè)部門(mén)、高校以及政府研究機(jī)構(gòu)參與，在Mallik L-38研究井場(chǎng)地開(kāi)展了科學(xué)與工程聯(lián)合研究，并鉆取了Mallik 2L-38研究井，證實(shí)了該井存在5層水合物，初步估算Mallik區(qū)水合物的資源量相當(dāng)于1.1億立方米的天然氣。隨后又完鉆 Mallik 3L-38，Mallik 4L-38和 Mallik 5L-38井［10］。研究結(jié)果顯示，Mallik區(qū)富含水合物的砂巖層埋深為890—1 106m，某些地層的厚度超過(guò)30 m，局部層位水合物飽和度高達(dá)80%［67］。

馬更些三角洲凍土帶水合物開(kāi)發(fā)試驗(yàn)計(jì)劃（Mallik計(jì)劃）是天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)試驗(yàn)中最成功的?！癕allik 2002”項(xiàng)目主要目的在于評(píng)估天然氣水合物的生產(chǎn)潛力，以注熱法為主，并對(duì)短期降壓法進(jìn)行了嘗試，取得了大量的現(xiàn)場(chǎng)試開(kāi)采資料，由日本、加拿大、美國(guó)等多國(guó)50多個(gè)研究機(jī)構(gòu)的200多位科學(xué)家參加。該項(xiàng)目在日本石油資源勘探公司施工的Mallik 5L-38天然氣水合物生產(chǎn)研究井（Mallik 3L-38和Mallik 4L-38觀測(cè)井）進(jìn)行開(kāi)發(fā)試生產(chǎn)，試圖通過(guò)降壓法和加熱法的短期試生產(chǎn)來(lái)證實(shí)從天然氣水合物中生產(chǎn)天然氣的可行性。由于試生產(chǎn)的目的是觀測(cè)水合物的原位響應(yīng)及其生產(chǎn)模擬提供必不可少的技術(shù)參數(shù)，因此這次試驗(yàn)并未考慮商業(yè)可行性。試生產(chǎn)結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)123.65 h的熱流循環(huán)后，總共生產(chǎn)出516 m3的天然氣［68］。可見(jiàn)，單獨(dú)的加熱法或降壓法均能使水合物發(fā)生分解并釋放出天然氣，但沉積物類(lèi)型、水合物飽和度及其離水合物相平衡點(diǎn)的遠(yuǎn)近程度均影響著水合物的生產(chǎn)過(guò)程［63］。同時(shí)生產(chǎn)工作中所使用的簡(jiǎn)單熱水循環(huán)系統(tǒng)（圖4）的井底設(shè)備以及地面設(shè)備簡(jiǎn)單可靠，在井底可以維持相對(duì)穩(wěn)定的溫度和壓力條件。雖然天然氣水合物分解后，地層中的水氣滲流會(huì)對(duì)熱量傳播有所貢獻(xiàn)，但由于分解范圍小，滲透性小，天然氣水合物分解所需能量主要以熱傳導(dǎo)的方式在天然氣水合物地層中傳播。由于這是控制性的短期試生產(chǎn)而不是長(zhǎng)期試生產(chǎn)，這次試生產(chǎn)的總產(chǎn)出量相對(duì)較小，但這為以后長(zhǎng)期試生產(chǎn)直至最終的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)一步的模擬結(jié)果表明，由于水合物分解的吸熱效應(yīng)和熱傳導(dǎo)過(guò)程中的消耗作用，簡(jiǎn)單的垂直鉆孔熱開(kāi)發(fā)方案似乎并不是將來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)的有效方法。同樣，由于Mallik地區(qū)水合物層之下并不存在游離氣，單純的垂直鉆孔降壓法也不是可行的方法［63］。

圖4 Mallik 5L-38井天然氣水合物注熱法試生產(chǎn)循環(huán)流程示意圖［68］Fig.4.Schematic diagram of the gas production via thermal stimulation from Mallik 5L-38 gas hydrate production research well［68］

圖5 Mallik 2L-38井天然氣水合物降壓法試開(kāi)采示意圖［70-71］Fig.5.Schematic diagram of the gas production via depressurization from Mallik 2L-38 gas hydrate production research well［70-71］

“Mallik 2007”項(xiàng)目起始于 2006年，終止于2008年，也稱(chēng)作“Mallik 2006—2008”項(xiàng)目，主要目的在于采用降壓法對(duì)天然氣水合物進(jìn)行較長(zhǎng)期的試開(kāi)采工作，并監(jiān)測(cè)試開(kāi)采過(guò)程中天然氣水合物的地層響應(yīng)，獲得了豐富的試開(kāi)采和監(jiān)測(cè)資料，由日本石油、天然氣與金屬公司（JOGMEC）、加拿大自然資源部和Aurora學(xué)院負(fù)責(zé)執(zhí)行。該項(xiàng)目在Mallik 2L-38井的基礎(chǔ)上，改進(jìn)后用于降壓法現(xiàn)場(chǎng)試生產(chǎn)，主要目的在于測(cè)量和監(jiān)測(cè)降壓法試生產(chǎn)過(guò)程中陸地環(huán)境（凍土環(huán)境）下天然氣水合物地層的響應(yīng)。該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)試生產(chǎn)采用降壓法（圖5），天然氣水合物分解所需熱量主要來(lái)源于水合物地層。天然氣水合物地層的溫度和水合物地層中未分解區(qū)域向水合物地層分解區(qū)域的導(dǎo)熱量控制著天然氣水合物降壓法試生產(chǎn)的產(chǎn)氣量。降壓法試生產(chǎn)的天然氣水合物分解產(chǎn)生的水氣兩相滲流方向與熱傳導(dǎo)方向相同，大大增加了熱傳導(dǎo)的效率，提高了天然氣水合物分解產(chǎn)氣效率。水氣兩相滲流主要受天然氣水合物地層有效滲透率的影響，且隨著天然氣水合物的分解，水合物地層的有效滲透率會(huì)不斷增大，不斷提高熱傳導(dǎo)效率。2007年度試生產(chǎn)以降壓法為主、注熱法為輔，經(jīng)12.5 h，累計(jì)生產(chǎn)天然氣830m3［69］。2008年度試生產(chǎn)采用降壓法，經(jīng)139 h，累計(jì)生產(chǎn)天然氣13 000m3，日產(chǎn)氣量為2 000—4 000 m3［70］。降壓法試生產(chǎn)結(jié)果表明，水合物中的持續(xù)生產(chǎn)是可以單獨(dú)由降壓法實(shí)現(xiàn)，降壓法具有較高的產(chǎn)生效率，是今后天然氣水合物大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)采的首選方式。在生產(chǎn)方面，降壓法試生產(chǎn)也存在著一些問(wèn)題，其中最主要的問(wèn)題是降壓法引起的流沙問(wèn)題，隨分解產(chǎn)生的水氣滲流運(yùn)移出來(lái)的沙子可能堵塞管道，引起降壓泵的失靈等，其次，降壓法試生產(chǎn)引起的地層溫度的降低也會(huì)導(dǎo)致地層水結(jié)冰以及分解產(chǎn)氣和水再次形成水合物，減小水合物地層的有效滲透率，降低天然氣水合物分解產(chǎn)氣效率，這些問(wèn)題還需要繼續(xù)研究，來(lái)不斷探索開(kāi)采天然氣水合物的最優(yōu)化方法。

1.2.3 美國(guó)阿拉斯加北坡

20世紀(jì)90年代進(jìn)行的為期5年的調(diào)查顯示，美國(guó)阿拉斯加北部的普羅德霍灣和庫(kù)帕勒克地區(qū)、阿拉斯加北部斜坡區(qū)及其海域都蘊(yùn)藏豐富的水合物。美國(guó)在普羅德霍灣油田和庫(kù)帕勒克油田地區(qū)鉆井特征表明，普羅德霍灣存在天然氣水合物／游離氣的情況與俄羅斯的麥索雅哈氣田相似。該地區(qū)天然氣水合物穩(wěn)定帶的上界大約為210—240 m，在普羅德霍灣天然氣水合物穩(wěn)定帶厚度最大超過(guò)了1 000 m，平均深度范圍為 210—950 m［57］。1998年由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局、加拿大地質(zhì)調(diào)查局以及日本國(guó)家石油、天然氣與金屬公司聯(lián)合在該區(qū)開(kāi)展天然氣水合物研究井和開(kāi)采試驗(yàn)計(jì)劃。2003—2004年美國(guó)能源部資助開(kāi)展了“Hotice-1”項(xiàng)目，開(kāi)展多年凍土區(qū)天然氣水合物的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。一個(gè)最重要的發(fā)展是于2007年在阿拉斯加北坡的Milne Point地區(qū)施工完成的Mount Elbert天然氣水合物試驗(yàn)井，位置見(jiàn)圖2。該井在下-中始新統(tǒng)Sagavanirktok組的海相和非海相沉積物中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)主要的含天然氣水合物層砂層，含水合物層飽和度為60%—75%［72］。利用降壓法對(duì)該井進(jìn)行天然氣水合物生產(chǎn)測(cè)試的結(jié)果顯示，當(dāng)井壓高于水合物穩(wěn)定壓力時(shí)，原地有效滲透率范圍在0.12—0.17 mD；當(dāng)井壓降低到水合物穩(wěn)定壓力以下時(shí)，孔隙空間中的水合物發(fā)生分解，有效滲透率增加［71］。此次試驗(yàn)與加拿大Mallik工程一起，首次對(duì)天然氣水合物生產(chǎn)技術(shù)和觀念進(jìn)行了合理評(píng)估。

2012年，美國(guó)能源部和日本國(guó)家石油、天然氣與金屬公司以及康菲石油共同合作，利用2011年由康菲石油和美國(guó)能源部化石能源局國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在普羅德霍灣地區(qū)實(shí)施完成的“Ig·nik Sikumi”天然氣水合物試驗(yàn)井，開(kāi)展了一項(xiàng)甲烷水合物開(kāi)采創(chuàng)新技術(shù)—利用注入CO2法進(jìn)行水合物生產(chǎn)。其原理是，在一定的溫度條件下甲烷水合物保持穩(wěn)定所需要的壓力要比CO2水合物更高，在某一特定的壓力范圍內(nèi)CO2水合物更易于形成并保持穩(wěn)定，而甲烷水合物則會(huì)分解。具體手段是向甲烷水合物層注入CO2，CO2氣體就可能與天然氣水合物分解出的水生成CO2水合物，這種作用釋放出的熱量可促使天然氣水合物的分解反應(yīng)得以持續(xù)進(jìn)行，甲烷水合物被CO2不斷置換，從而達(dá)到釋放和采集甲烷的目的（圖6）。與天然氣水合物試生產(chǎn)注入階段相關(guān)的野外試驗(yàn)開(kāi)始于2012年2月15日，完成于2月28日。在這期間成功向水合物飽和的砂巖層注入約6 000 m3的CO2和N2混合氣體，累計(jì)生產(chǎn)天然氣量約3×104m3［73］。測(cè)試結(jié)果顯示，這種混合氣能促進(jìn)天然氣生產(chǎn)，從甲烷水合物中能安全地獲取到穩(wěn)定的天然氣流，同時(shí)所獲得的大量數(shù)據(jù)還將被用來(lái)分析和測(cè)定天然氣水合物儲(chǔ)層中同步CO2存儲(chǔ)效率，而且為評(píng)估各種不同的天然氣水合物生產(chǎn)工藝提供了關(guān)鍵性的信息。該項(xiàng)試驗(yàn)的完成，被美國(guó)能源部宣稱(chēng)為一項(xiàng)成功的、史無(wú)前例的試驗(yàn)技術(shù)。

2 極地國(guó)家天然氣水合物研究開(kāi)發(fā)政策

圖6 Ig·nik Sikumi井利用注入CO2法進(jìn)行水合物生產(chǎn)的原理圖Fig.6.Schematic diagram of the gas production via injecting CO2 from Ig·nik Sikumigas hydrate production research well

在極地資源開(kāi)發(fā)的國(guó)際背景下，美國(guó)、加拿大和俄羅斯等國(guó)家對(duì)天然氣水合物作為一種潛在的戰(zhàn)略性能源所持態(tài)度有所不同。天然氣水合物作為未來(lái)能源的商業(yè)可行性主要取決于市場(chǎng)上能源，特別是天然氣中長(zhǎng)期的供需關(guān)系和價(jià)格。受全球天然氣需求的快速增長(zhǎng)和天然氣儲(chǔ)采比衰減的影響，美國(guó)從2000年開(kāi)始，便制訂了與甲烷水合物有關(guān)的未來(lái)美國(guó)能源政策［74］。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，天然氣水合物研究已進(jìn)入開(kāi)采試驗(yàn)階段，美國(guó)針對(duì)本國(guó)極地區(qū)域水合物和海洋水合物制定了較為長(zhǎng)遠(yuǎn)的研究和開(kāi)發(fā)計(jì)劃。從2001—2012年，美國(guó)共投入1.27億美元開(kāi)展與天然氣水合物有關(guān)的研究，其中用于水合物特征研究和開(kāi)采方面的經(jīng)費(fèi)分別高達(dá)5 400萬(wàn)美元和5 200萬(wàn)美元［75］。在未來(lái)的10—20年，美國(guó)將繼續(xù)進(jìn)行陸上和海底的試驗(yàn)開(kāi)采，在未來(lái)的20—30年，將是天然氣水合物進(jìn)入商業(yè)開(kāi)采的關(guān)鍵時(shí)期。從美國(guó)2012—2020年的天然氣水合物開(kāi)發(fā)和研究規(guī)劃（表2）來(lái)看，繼續(xù)開(kāi)展阿拉斯加地區(qū)的天然氣水合物開(kāi)采試驗(yàn)研究仍將是美國(guó)水合物研究的一個(gè)重要方向。當(dāng)開(kāi)采技術(shù)成熟、設(shè)備完備時(shí)，美國(guó)不排除對(duì)該地區(qū)盡早進(jìn)行工業(yè)開(kāi)采的可能。

加拿大雖然擁有Mallik凍土區(qū)和Cascadia邊緣海兩大世界上水合物研究最為集中的地方，并在水合物化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理特征研究領(lǐng)域具有很高的權(quán)威性，但與美國(guó)相比，加拿大在天然氣水合物作為一種潛在能源方面只有非常小的工業(yè)投資。盡管加拿大在Mallik地區(qū)開(kāi)展了高質(zhì)量的天然氣水合物開(kāi)采試驗(yàn)（Mallik 2002和Mallik 2007項(xiàng)目），但是對(duì)于其沿海和凍土區(qū)仍沒(méi)有進(jìn)行全面的天然氣水合物調(diào)查研究，至今沒(méi)有國(guó)家級(jí)的涵蓋實(shí)驗(yàn)室和野外調(diào)查研究的天然氣水合物研究和開(kāi)發(fā)計(jì)劃，僅是政府科學(xué)家們與高校以及工業(yè)界研究者們開(kāi)展的一些正式或非正式的合作。一直以來(lái)，加拿大對(duì)于天然氣水合物開(kāi)發(fā)預(yù)期持相對(duì)保守的態(tài)度。面對(duì)全球天然氣水合物發(fā)展的新機(jī)遇和挑戰(zhàn)，2008年，加拿大科學(xué)院委員會(huì)提出了加拿大政府未來(lái)參與水合物研究和開(kāi)發(fā)的途徑，指出科學(xué)研究和有限開(kāi)發(fā)途徑以及重點(diǎn)針對(duì)性研究和開(kāi)發(fā)途徑雖然存在一些金融風(fēng)險(xiǎn)，但會(huì)使加拿大在全球天然氣水合物研究和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域保持較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)還指出，進(jìn)行重點(diǎn)針對(duì)性研究和開(kāi)發(fā)天然氣水合物能有效降低未來(lái)碳排放，也是北美能源安全更放心的最佳選擇之一［77］。加拿大政府考慮到天然氣水合物商業(yè)潛力存在巨大不確定性和風(fēng)險(xiǎn)，目前提供的財(cái)政資金主要用于開(kāi)展本國(guó)天然氣水合物資源勘查，圈定資源分布范圍和評(píng)價(jià)開(kāi)采潛力，開(kāi)展天然氣水合物開(kāi)發(fā)技術(shù)和與開(kāi)采水合物有關(guān)的環(huán)境研究，并進(jìn)一步評(píng)估水合物開(kāi)發(fā)成本、風(fēng)險(xiǎn)和利益。同時(shí)，鼓勵(lì)參與更多的國(guó)際合作和出口與水合物開(kāi)發(fā)相關(guān)的儀器、鉆探和陸上工藝新技術(shù)［77］。新近，在全球持續(xù)的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)熱潮的背景下，加拿大再次放慢了天然氣水合物研究開(kāi)發(fā)步伐。2013年3月，加拿大自然資源部宣布中止有關(guān)開(kāi)采甲烷水合物研究方面的財(cái)政資金資助，但不包括有關(guān)海洋天然氣水合物勘探和與水合物有關(guān)的氣候響應(yīng)研究項(xiàng)目，并預(yù)言加拿大下一步將進(jìn)行一個(gè)長(zhǎng)期性（6個(gè)月—1年）的生產(chǎn)試驗(yàn)，但具體的進(jìn)行時(shí)間沒(méi)有透露?？梢?jiàn)，加拿大對(duì)這種潛在商業(yè)化能源的興趣和熱度在逐漸減弱。

表2 美國(guó)2012—2020年天然氣水合物研究和開(kāi)發(fā)計(jì)劃［76］Table 2.U.S.gas hydrate research and development planning from 2012 to 2020［76］

俄羅斯是最早發(fā)現(xiàn)和全方位開(kāi)展天然氣水合物資源調(diào)查評(píng)價(jià)的國(guó)家之一。即使當(dāng)前國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)比較困難，仍堅(jiān)持在巴倫支海、鄂霍茨克海等海域以及貝加爾湖進(jìn)行天然氣水合物調(diào)查研究工作，在凍土區(qū)則多集中于對(duì)甲烷氣體釋放的環(huán)境監(jiān)測(cè)和效應(yīng)研究，目前尚沒(méi)有公布明確的官方極地天然氣水合物研究和開(kāi)發(fā)規(guī)劃。新近，俄羅斯在北極、鄂霍次克海、黑海等地區(qū)建立了用于勘探和監(jiān)測(cè)水合物的水聲納系統(tǒng)，并在鄂霍次克海-日本海域發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。除此而外，俄羅斯、日本和韓國(guó)合作在撒哈林斜坡正在開(kāi)展一項(xiàng)國(guó)際性的天然氣水合物研究項(xiàng)目［78］。

3 對(duì)中國(guó)的啟示和建議

3.1 中國(guó)天然氣水合物勘查開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

自1999年開(kāi)始，中國(guó)先后開(kāi)展了南海、東海、陸上凍土區(qū)和國(guó)際海底區(qū)域天然氣水合物的調(diào)查研究，相繼發(fā)現(xiàn)了一系列地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)異常標(biāo)志［12］。初步調(diào)查結(jié)果顯示，中國(guó)南海、東海和青藏高原、東北漠河凍土區(qū)具備較好的天然氣水合物形成條件和找礦前景，先后在南海北部的神狐、東沙海域和青海祁連山木里凍土區(qū)（圖2）成功鉆獲天然氣水合物樣品，取得了找礦工作的重大突破，并顯示出良好的找礦前景［6，12，79］。據(jù)國(guó)土資源部初步測(cè)算，2013年在南海北部東沙海域發(fā)現(xiàn)的可燃冰，僅其55 km2內(nèi)的資源量就達(dá)1 500億立方米，相當(dāng)于陸上一個(gè)特大型常規(guī)天然氣田［79］?？梢?jiàn)，中國(guó)海陸域天然氣水合物資源潛力巨大。近年來(lái)，中國(guó)在陸域天然氣水合物試采方面也取得了一些重要進(jìn)展。2011年度，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局針對(duì)祁連山凍土區(qū)天然氣水合物進(jìn)行了試采，運(yùn)用自然降壓法和加熱法進(jìn)行了首次試采，取得了中國(guó)陸上凍土區(qū)水合物試采的重大突破，并初步掌握了試采的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 啟示和建議

從目前主要極地國(guó)家天然氣水合物勘查開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀和相關(guān)國(guó)家政策來(lái)看，美國(guó)已將極地天然氣水合物列為一種長(zhǎng)期的、具有戰(zhàn)略性的能源，對(duì)于未來(lái)實(shí)現(xiàn)天然氣水合物商業(yè)化生產(chǎn)所持有的熱度最高，阿拉斯加北坡凍土區(qū)的天然氣水合物有可能最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。新近在阿拉斯加北坡成功完成的利用CO2置換法進(jìn)行水合物試開(kāi)采試驗(yàn)，雖然比傳統(tǒng)的降壓法、加熱法和化學(xué)抑制劑法投資要高，但總體來(lái)說(shuō)，能耗相對(duì)較少，而且還屬于一種環(huán)保的綠色開(kāi)采方式，既實(shí)現(xiàn)了天然氣水合物中甲烷氣體生產(chǎn)，又實(shí)現(xiàn)了大氣中的碳埋藏。可以預(yù)見(jiàn)，當(dāng)真正實(shí)現(xiàn)天然氣水合物商業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，其開(kāi)采技術(shù)將具有更高的科技含量。由此美國(guó)可能會(huì)因其開(kāi)采技術(shù)優(yōu)勢(shì)再次引領(lǐng)全球掀起一場(chǎng)新能源革命的浪潮。

基于中國(guó)天然氣水合物勘查開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，為防止未來(lái)在天然氣水合物商業(yè)化開(kāi)發(fā)中產(chǎn)生被動(dòng)以及對(duì)于極地天然氣水合物資源的戰(zhàn)略性考慮，中國(guó)一方面應(yīng)堅(jiān)持海陸域水合物勘查開(kāi)發(fā)并舉的戰(zhàn)略規(guī)劃長(zhǎng)期不變，發(fā)揮中國(guó)陸域凍土區(qū)資源和地理優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)國(guó)際水合物開(kāi)采技術(shù)的交流與合作，加快本土凍土區(qū)水合物的試開(kāi)采試驗(yàn)，爭(zhēng)取在開(kāi)采工藝上有所突破和創(chuàng)新，總結(jié)出適用于凍土區(qū)水合物經(jīng)濟(jì)可行的開(kāi)采方法，進(jìn)一步為海域天然氣水合物商業(yè)開(kāi)發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。在開(kāi)采技術(shù)方面的自主創(chuàng)新將會(huì)成為中國(guó)參與極地水合物開(kāi)發(fā)中的一個(gè)很好的介入點(diǎn)。新近，日本在其東南部海域成功實(shí)現(xiàn)海底水合物試采就是一個(gè)開(kāi)采技術(shù)創(chuàng)新的例子。日本通過(guò)長(zhǎng)期與加拿大、美國(guó)合作在極地凍土區(qū)開(kāi)展了一系列的試生產(chǎn)試驗(yàn)，利用學(xué)習(xí)和積累來(lái)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本國(guó)海域水合物礦藏條件，通過(guò)開(kāi)采技術(shù)創(chuàng)新成功的實(shí)現(xiàn)了海底水合物的試采，加速了日本實(shí)現(xiàn)海洋水合物商業(yè)化開(kāi)發(fā)進(jìn)程。目前，日本通過(guò)掌握水合物關(guān)鍵性開(kāi)發(fā)技術(shù)已成為極地國(guó)家未來(lái)水合物開(kāi)采過(guò)程中不可或缺的合作伙伴。

另一方面大力鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)大型油氣公司，通過(guò)以合作、參股或并購(gòu)的形式積極參與極地油氣田開(kāi)發(fā)，為參與未來(lái)的天然氣水合物開(kāi)發(fā)搶占先機(jī)。以韓國(guó)為例，2011年首次取得北極圈資源的開(kāi)發(fā)權(quán)，并成功收購(gòu)加拿大能源公司MGM擁有的位于馬更些三角洲地區(qū)的Umiak氣田20%的股份，以此為契機(jī)作為其參與開(kāi)發(fā)北極圈的跳板。2012年，韓國(guó)會(huì)同加拿大、美國(guó)在北極波弗特海的加拿大專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)，利用韓國(guó)“ARAON”號(hào)破冰船開(kāi)展了有關(guān)永久凍土層、天然氣水合物分布以及甲烷排放對(duì)環(huán)境影響方面的勘探活動(dòng)，再次為開(kāi)拓北極圈做準(zhǔn)備，并預(yù)測(cè)在波弗特海能夠穩(wěn)妥推進(jìn)天然氣水合物等能源資源開(kāi)發(fā)，等實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)時(shí)將有助于韓國(guó)能源企業(yè)參與其中。

再一方面，極地天然氣水合物是以亞穩(wěn)定態(tài)存在于極地凍土區(qū)和海底，其所含的甲烷是全球變暖的一種潛在的重要來(lái)源，并且，分解后會(huì)產(chǎn)生大量游離氣，增加沉積層的孔隙壓力，降低海底地層的膠結(jié)強(qiáng)度，使得含氣沉積層的抗剪強(qiáng)度和承載能力降低，有可能引發(fā)滑坡、地層塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，成為開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中不可忽視的生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題。新近，美國(guó)宇航局地球觀測(cè)站公布的衛(wèi)星照片顯示，美國(guó)阿拉斯加北部北冰洋冰蓋上存在一些裂縫，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，海洋表面已成為新增甲烷的潛在來(lái)源，海水表層的甲烷從這些裂縫釋放到空氣中。因此，中國(guó)還應(yīng)著力加強(qiáng)與環(huán)北冰洋國(guó)家合作開(kāi)展甲烷環(huán)境氣候效應(yīng)研究，評(píng)估未來(lái)極地水合物開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中可能會(huì)引起的環(huán)境影響。

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