21世纪新能源—天然气水合物

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上世纪60年代，前苏联在西伯利亚麦索亚哈气田发现世界上第一处天然气水合物。此后，美国、日本、德国、加拿大、印度、韩国、中国等相继开展天然气水合物资源调查和开发技术研究，在全球陆续发现并推测天然气水合物产地150多处。进入21世纪以来，随着全球天然气需求的快速增长和环保压力的日益增大，资源量巨大、高效、清洁、低碳的天然气水合物逐渐成为人类社会的新宠。新近，美国阿拉斯加北坡和日本南海海槽天然气水合物的试开采，再次引起世界各国对天然气水合物的高度关注。

何为天然气水合物

天然气水合物是指水和气体（甲烷、乙烷、丙烷等烃类气体及氮气、二氧化碳、氯化氢等非烃类气体）分子在低温（<10℃）和高压（<10MPa）条件下形成的类冰状固态物质。因其外貌极像冰雪，遇火即可燃烧，俗称“可燃冰”、“气冰”、“固体天然气”或“固体瓦斯”等，多呈白色和淡黄色。在自然界中天然气水合物以块状、层状、透镜状、结核状、脉状、浸染状等多种形态产出，多称为“可燃冰”或“甲烷水合物”。从微观角度看，天然气水合物是一种笼形晶体包络物，水分子借氢键结合形成笼形骨架，气体分子则被包裹在笼形骨架之中。

天然气水合物因能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅，且使用方便、燃烧值高、清洁无污染等特点，被公认为地球上尚未开发的规模最大的新型能源，也被誉为21世纪最有希望的战略接替能源。在常温常压条件下，1立方米体积的固态天然气水合物分解后可转化约164立方米的天然气和0.8立方米的水，其能量密度是常规天然气的2—5倍，是煤炭的10 倍。天然氣水合物分解释放出的气体主要是甲烷，它比常规天然气所含的杂质更少，燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比常规天然气还要小，是未来理想的清洁能源。

天然气水合物分布及潜力

天然气水合物主要分布于海底沉积物和陆上冻土区中，前者多在水深300—3000米的海底海床下1500米以浅，后者多在环北冰洋的高纬度冻土区和部分高山冻土区。目前全球已发现及推测的天然气水合物产地有156处，其中陆上冻土区有10处，其余均产于海底沉积物中，主要分布于环太平洋周边、大西洋两岸、印度洋北部、南极近海及北冰洋周边，地中海、黑海、里海等内陆海以及贝加尔湖等湖底也有零星分布。

全球天然气水合物产地分布图

天然气水合物是一种具有巨大潜能的新型非常规能源。据国际天然气潜力委员会上世纪80年代统计，全球天然气水合物资源量约相当于2.1万万亿立方米的天然气，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两倍，即使其中的15%能实现商业性生产，按目前的能源消费水平也能够满足人类使用200年。

我国是世界上既有海底天然气水合物也有陆上天然气水合物的极少数几个国家之一。初步调查结果显示，我国近海珠江口、东海盆地及青藏高原冻土区具备较好的天然气水合物形成条件和找矿前景，我国地质工作者先后在珠江口盆地中部和东部海域及青海祁连山冻土区成功钻获天然气水合物样品，证实我国也存在这一规模巨大的清洁能源。据国土资源部2013年发布的成果，珠江口盆地东部海域仅55平方公里内的资源量就达到1000—1500亿立方米，相当于陆上一个特大型常规天然气田。据初步估算，我国陆域和海域天然气水合物的资源潜力相当于500—1000亿吨油当量。

天然气水合物勘查开发技术

与常规油气和页岩气、煤层气等非常规油气相比，天然气水合物的形成和赋存需要低温高压环境和独特的地质条件，勘探难度较大。目前，通过钻探获得样品的天然气水合物产地尚属少数，绝大多数是通过地质、地球物理和地球化学等间接方法来确定的。用于寻找海底天然气水合物的主要方法为地震方法，包括拟海底反射层（BSR）、空白反射带、极性反转等。此外，以气体组分、稳定同位素和孔隙水体离子浓度异常为代表的地球化学方法也发挥着重要作用。

开采天然气水合物，就是回收其中的甲烷气体，使这一潜在能源作为常规天然气加以利用。由于天然气水合物埋藏在海底沉积物或冻土区的岩层中，传统的油气开采技术难以简单地移植到天然气水合物的开发利用上，只能研发出全新的开发方案。依据天然气水合物只有在低温高压条件下才能稳定存在的特征，用升高温度、降低压力或改变天然气水合物组分的方式，来促使天然气水合物分解并释放出天然气，目前国际上主要有四种开发技术，即加热法、降压法、注入抑制剂法和二氧化碳置换法。加热法是通过将水蒸气、热水或表层海水输入到天然气水合物层，来促使天然气水合物分解。减压法是通过钻探或其他方法，来降低天然气水合物层的压力，使其变得不稳定而分解。注入抑制剂法则是通过加入乙醇、卤水等阻凝剂来降低天然气水合物的冷凝点，促使天然气水合物分解。二氧化碳置换法则是将二氧化碳输入到天然气水合物层，置换出天然气水合物中的甲烷气体。

上述几种方法中，降压法和加热法在技术上易于实现，但加热法成本较高，降压法则具有低成本和较高的采气效率等优点，是近期试采使用的主要方法，也应是未来开采天然气水合物的主要方法。二氧化碳置换法具有更高的技术含量，也需要更多的经济投入，但因其兼顾环境保护因素，既能开发出天然气水合物中的甲烷气体，又能实现二氧化碳埋藏，已成为国际上最为关注的开采方法。

天然气水合物试验开采

目前，除俄罗斯在西伯利亚麦索亚哈气田实现商业性开采天然气水合物外，其他国家均只进行过试验性开发，还不具备实际产能，天然气水合物这一规模巨大的清洁能源仍停留在潜在能源阶段。

自1969年开始，前苏联在西伯利亚麦索亚哈气田中应用降压法实现了天然气水合物的试开采，通过先开采天然气水合物层下的天然气，使得天然气水合物储层压力降低，导致作为盖层的天然气水合物分解并释放出甲烷气体，并经天然气管道回收。由此表明，降压法开采天然气水合物在技术上是完全可行的，且这一生产方式无需增加额外投资，是非常经济的，这也使得麦索亚哈气田成为全球唯一商业性开采天然气水合物的实例，迄今已断续生产了40余年。

2002年至2008年，美国、日本、加拿大等多国合作，对天然气水合物进行了试采。随着试采技术的进步，总采气量及日均采气量均大幅增加。2012年，美国能源部和康菲等石油公司合作试采，共生产出约3万立方米的天然气。这一成果被美国能源部宣称为一项史无前例的成果。2013年，日本在其东南部海域试采，日均产气量达2万立方米，首次实现了海底天然气水合物的试采突破。

我国也高度重视天然气水合物的试采研究。2011年国土资源部对祁连山冻土区的天然气水合物进行了试采，利用自然降压法和加热法试采了101小时，共产出95立方米的天然气，取得了我国天然气水合物试采的重大突破，并初步掌握了试采的关键技术。

可以预见，随着试采技术的不断完善，试采成本的不断降低，天然气水合物这一规模巨大的潜在能源终将为人类社会所开发利用。

天然气水合物对环境的影响

天然气水合物是温室气体甲烷的最大载体，它的不适当勘探、开发可能会影响全球气候变化并诱发各种地质灾害，其环境效应已引起世界各国的高度重视。

天然气水合物引起的环境影响主要包括：天然气水合物分解产生的甲烷气体排放到大气中，将引起全球气候变暖；天然气水合物分解产生的富甲烷流体进入到海水中，引起海洋生态环境恶化，导致生物大规模死亡甚至生物灭绝事件；天然气水合物分解会导致海底沉积物失稳，从而引起海底滑坡、海啸等地质灾害。

在勘探开发过程中，天然气水合物不可避免地会发生分解。例如钻探时由于泥浆温度和钻井过程中的热效应可能会导致天然气水合物分解，固井时由于水泥固化所散发出的热量，也会使天然气水合物分解。若气体大量释出，使井径扩大、将套管压扁，有可能导致井喷、塌井或地基沉降事故。美国、俄罗斯、加拿大等国历史上均曾发生过类似事故。因此，在未来天然气水合物勘探开发过程中，应采取各种应对措施，控制相关环境风险，使天然气水合物成为一种环境友好型能源。

（作者：车长波，国土资源部地质勘查司副司长、研究员；祝有海，中国地质调查局油气中心研究员）