2017 年天然气水合物研发热点回眸

2018 年 3 月 12 日 科技导报 魏伟，张金华等

天然气水合物是一种非常规天然气资源，以固态形式赋存于深海沉积物中和永久冻土地区，资源量巨大，且99% 存在于海洋中，海洋沉积物中赋存的天然气水合物也已成为勘探开采研究的重点。2017 年，国际天然气水合物领域见证了一系列研究热点和重要事件。本文对2017 年天然气水合物成藏研究、开采方法、安全与环境效应、勘探与试采等领域取得的代表性成果作一简要盘点。

研究热点

围绕墨西哥湾、日本南海海槽、中国南海北部、日本海郁龙盆地、印度大陆边缘等区域开展天然气水合物油气系统等成藏与富集规律研究

近年来，天然气水合物勘探区域主要集中在墨西哥湾、韩国郁龙盆地、印度孟加拉湾、日本南海海槽、中国南海北部等海域（图1），取得了积极进展，2017 年6月25—30日，在美国科罗拉多州丹佛市召开的第九届国际天然气水合物大会（ICGH9）针对这些区域分别设立了天然气水合物专题进行研讨。系统论成为天然气水合物成藏研究的趋势，天然气水合物油气系统的概念已逐步被接受，并运用到区域的天然气水合物成藏研究中。普遍认为赋存于富砂/粉砂沉积物中的高饱和度孔隙充填型天然气水合物是当前有利的开发目标。

图1 当前天然气水合物勘探热点区域示意

天然气水合物的分布规律与特定的海洋地质特征之间存在着极其密切的关系。区域构造地质条件是天然气水合物成藏重要影响因素之一，同时成藏与富集规律研究离不开勘查及钻探等工作。依托钻探岩心、测井等资料，主要围绕天然气水合物成藏特征、成藏演化、储层及分布特征、沉积物特征、气源类型及运移机制、资源量预测、站位选择等进行探讨。研究认为天然气水合物的形成和分布受气源、沉积、岩性、温压和构造等条件影响，天然气水合物在地层中的赋存形态主要包括块状形、脉状形、分散形等（图2（a））。充足的气源供给、良好的运聚输导系统和高压低温稳定带三大要素的时空耦合配置发挥着关键性作用。研究显示微生物成因气是各区域天然气水合物中甲烷气体的主要来源。海洋泥岩和薄砂层间存在着甲烷从无砂体的裂缝型泥岩中运移到局部形成天然气水合物、甲烷从裂缝发育的泥岩到薄砂体的短距离运移、甲烷从深部气源到分散的含天然气水合物砂体中的长距离运移等多种气体运移机制。当海洋泥岩中赋存砂体且发育裂缝时，天然气水合物优先在砂体中形成和发育。

图2 天然气水合物主要赋存形态及神狐海域天然气水合物成藏序列

在资源评价方面，充分利用区域内常规油气测录井等勘探资料，结合天然气水合物勘探的三维叠前地震资料、录井资料和岩心数据，建立数学模型等，开展储层刻画、天然气水合物资源赋存情况分析、天然气水合物饱和度预测以及小范围内更为精细的天然气水合物资源量计算。在区域选择方面，基于地震资料，进行泥火山和气烟囱等流体运移通道、似海底反射（bottom simulation reflector，BSR）和高阻抗等天然气水合物赋存指示标志的识别辨析，积极探索基于均方根振幅和瞬时频率等振幅属性、波阻抗反演等多属性联合评价方法，开展天然气水合物甜点区选择研究。

针对墨西哥湾，2017 年5 月，美国开展了UT-GOM²-1 航次的天然气水合物钻探，该航次主要由德克萨斯大学（UT）奥斯汀分校主导，美国地质调查局（USGS）、俄勒冈大学、哥伦比亚大学等机构参与。针对墨西哥湾北部GC955 区块富砂质储层中的天然气水合物，开展保压取芯设备的测试，并采集足够多的样品从而保障在实验室开展深水区砂质储层中的天然气水合物的性质和赋存情况等相关科学问题的研究。该航次共钻探了两口井（GC955H-002和GC955H-005），钻井位于2009 年墨西哥湾天然气水合物联合工业计划第二航次（JIP Leg II）的GC955-H 井附近，水深约2000 m，钻获了极低扰动的总长超过30 m的保压岩心样品。

中国南海北部天然气水合物成藏研究尤为突出，《地学前缘》2017 年第4期刊登了“南海天然气水合物研究进展”主题专辑。相关研究表明，神狐地区主要存在厚层状、分散状、斑块状、断层附近和薄层状天然气水合物（图2（b）），储集层以黏土质粉砂细粒沉积物为主，较弱的沉积压实作用及有孔虫化石的沉积使储集层具有较高的孔渗性，增大了高饱和度天然气水合物形成和赋存的空间。扩散、渗漏驱动的二元成藏动力学过程综合作用致使南海北部形成了上下多层的复式天然气水合物矿藏，深部热解气通过断层运移至天然气水合物稳定带形成构造渗漏型天然气水合物，浅层生物气横向运移形成薄层状扩散型天然气水合物。2017 年，中国新一代远洋综合科考船“科学”号在执行中国科学院战略性先导科技专项中，通过“发现”号无人潜水器携带的深海激光拉曼光谱探针，科考团队在中国南海约1100 m的深海海底，探测到2 个站点存在裸露于海底的天然气水合物（图3），1个站点分布在冷泉化能极端生物群落中，动态合成并分解的天然气水合物可以为深海冷泉化能极端生命提供甲烷和硫化氢等能量源；另一个天然气水合物站点位于一个活动冷泉喷口的内壁。这是在中国南海海域首次发现裸露海底的天然气水合物。现场探测数据显示，快速生成的天然气水合物并非单一笼型结构，其内部存在大量的甲烷、硫化氢等自由气体，这也是国际上首次使用原位拉曼光谱数据证实这一科学结论。

图3 中国南海海域首次发现裸露在海底的天然气水合物

天然气水合物基础研究方兴未艾，开发方法和技术处于积极探索中，并取得重要进展

天然气水合物基础物性参数研究主要基于室内人工合成的天然气水合物沉积物，随着对天然气水合物研究的深入与分析测试技术的发展，许多先进的检测方法、分析技术和大型仪器被用于天然气水合物的分析与鉴定中，通过运用晶体学、谱学、形态学、地球化学及热学等分析技术，对天然气水合物的本征特性进行系统研究。通过实验室模拟实验，利用天然气水合物储层高电阻率特点，研究沉积物中天然气水合物生成与分解过程中电阻率的变化规律，了解天然气水合物沉积物电学特性与饱和度之间的关系；利用可以反映岩性、天然气水合物分布及含量等信息的声学特性，开展天然气水合物声学性质及天然气水合物饱和度、温度、压力、频率等因素对天然气水合物沉积物纵横波速度与幅度等声学参数的影响规律研究，获取不同的岩性特征和天然气水合物分布信息，从而指导天然气水合物勘探及资源评价。

天然气水合物动力学抑制剂的研发对天然气（尤其是深海天然气）/天然气水合物开采、天然气集输等具有重要意义，是当前研究的热点。动力学天然气水合物抑制剂（kinetic hydrate inhibitors，KHIs）通常是低剂量的水溶性高分子，可扰乱水分子和客体分子之间的有序状态，延缓或阻止天然气水合物临界晶核的形成，降低成核速率，而不改变热力学条件。随着动力学天然气水合物抑制剂研发的不断深入，为了评价抑制剂的性能和对抑制剂的选择，实验室通常模拟天然气水合物生成环境，采用多种检测手段与分析技术对天然气水合物的结构、形成与分解等问题进行研究。

天然气水合物特别是海洋天然气水合物的安全、高效开发是当前世界的前沿创新技术领域，海洋天然气水合物有效经济开采面临的资源评价、开采技术方法、储层地质参数和工程地质风险等方面的科学挑战。要实现海洋天然气水合物的有效经济开采，资源评价是基础，开采技术方法是关键。目前天然气水合物开采方法主要热激法、降压法和化学试剂法等，普遍认为，降压法开采天然气水合物是目前技术较为成熟、环境相对友好的一种试采方法。中国、日本也通过降压法成功实施了海洋天然气水合物试采，证实了简单的降压开采是可行的，但产气速率较低。模拟分析显示，天然气水合物分解和产气速率取决于天然气水合物储层的地球物理属性、储层的传热和传质作用、地层间的相对渗透率、降压幅度及模型的环境，特别是渗透率和可用于分解天然气水合物的热量起着非常重要的作用。同时，积极探索固态流化法、地下转化工艺技术（in-situ conversion process，ICP）、蒸汽辅助重力驱油技术（steam assisted gravity drainage，SAGD）、降压法结合加热法等在天然气水合物开采中的应用及模拟研究。针对海洋非成岩天然气水合物的物理特征、成藏特点，依据天然气水合物固态流化开采法的工艺流程，在西南石油大学建立了海洋天然气水合物固态流化开采实验室，天然气水合物固态流化开采主要思路是采用机械破碎而后进行管输，利用天然气水合物自动解析、举升，顺势开发，变不可控为可控，最终实现安全、绿色钻采，该技术在2017 年5月中国南海荔湾天然气水合物试采中得到了应用和实践。

天然气水合物资源与安全、气候环境效应等研究受到广泛关注

含天然气水合物沉积物的温度-压力机制及其对沉积物稳定性的作用等是当前天然气水合物研究的热点之一。当天然气水合物分解时，天然气水合物对沉积物储层的填充和胶结作用降低，沉积物层的有效应力和孔隙压力等发生改变，容易引发地层变形、滑动、生产平台坍塌等，导致自然类和工业类的地质灾害，将严重制约天然气水合物的安全开发。已有研究表明海床的稳定性与海洋沉积物的刚度、剪切强度参数（黏聚力和摩擦角）及沉降参数等力学与变形特征直接相关。天然气水合物硬度、强度、应力与应变及压缩系数等力学性能指标及天然气水合物类型与饱和度、温度、压力与应变等因素对天然气水合物沉积物的力学性质影响规律研究对指导天然气水合物开采具有重要意义。天然气水合物沉积物岩土力学特性、稳定性分析及本构模型等是天然气水合物开发地质安全评价的重点，而三轴力学试验是获取天然气水合物沉积物力学参数最直接有效的手段之一，通常针对甲烷、二氧化碳和四氢呋喃等不同类型的天然气水合物沉积物，以砂土为骨架，分析天然气水合物沉积物的力学参数等特性。

天然气水合物的资源和环境效应是目前天然气水合物研究的热点问题之一，而关于环境不稳定导致甲烷释放的变化的相关研究在未来将继续是一个重大的科学目标。据估算天然气水合物中甲烷总含量约为大气中甲烷量的3000倍，作为大气中甲烷的一种重要来源，天然气水合物在控制全球长期气候变化方面起着重要的作用。科学界认为在地质历史时期，极地表面温度的升高，海底底层水温的升高或者海平面下降引起的压力变化及快速沉积作用等都可以改变海洋沉积物的温度和压力，导致海底天然气水合物的失稳分解释放出甲烷，从而造成全球气候变化。另一方面，全球气候变化反过来又将影响甲烷海底逸出速率，加剧气候变化的波动性。天然气水合物分解对全球气候变化的影响，尤其海底天然气水合物对全球变化的影响的合理评价还待于大量的观测与研究。此外，对于天然气水合物生物效应的研究主要集中在冷泉生态群落的结构、多样性与分布、运转机制与控制因素、以及冷泉生态群落对于天然气水合物失稳造成甲烷释放的响应等方面。

2017 年11月26日，以“蠕变中的天然气水合物滑动和希库兰吉随钻测井”为主旨的IODP372 航次在澳大利亚弗里曼特尔维多利亚港口起航。IODP 372 航次时间安排为2017 年11月26日至2018 年1月4日，该航次的2 个主要目标为：1）调查天然气水合物和水下滑坡的关系；2）沿着希库兰吉俯冲带界面，刻画与再发的浅部缓慢滑动事件有关联的沉积物和断层区域结构和物理属性。新西兰东部的希库兰吉大陆边缘为两个研究主题提供了独特的研究靶体。在希库兰吉大陆边缘的Tuaheni 滑坡复合体显示出了活动的蠕变变形的特征证据，并且更为值得关注的是，蠕变中的近陆边缘与海底的天然气水合物稳定带底部的尖灭相一致。

重大事件

日本实施第二次海洋天然气水合物试采

针对2013 年第1 次海洋天然气水合物试采遇到的出砂、井下气水分离、长期稳定生产等技术问题，制定了相关研究方案和对策，以期在实际场地验证解决方案的有效性，并通过验证工作获取更长期试采和未来产业化所需的储层响应数据，为此，第2次试采站位选择等方面与第1次试采相同，并在作业平台选择方面也同样利用“地球号”实施现场钻探和产气试验作业。

2017 年4 月7 日，“地球号”从清水港出发驶往第二渥美海丘开始进行第2次海域试采的准备工作，5 月4日开始从水深1000 m的海底下部350 m的含天然气水合物储层中产气，5 月15日，由于大量地层砂进入第1口生产井内，决定临时中断产气试验，为期12 天的产气试验累计产气量3.5×10⁴ m³。6月6日完成第2口生产井的切换作业，并进行了为期24 天的产气实验，累计产气约20×10⁴ m³，平均日产量超过8000 m³。针对防砂采取的措施，采用了利用形状记忆聚合物（SMP）的膨胀封堵井壁与地层间环形空间的GeoFORM 防砂系统。试采结果表明，在第2 次试采中，两口生产井中的第1口遇到了出砂问题，第2 口井没有遇到该问题，其原因可能是第1口井所采用的预先膨胀的GeoFORM 防砂系统未能有效地封堵井壁与地层间的环形空间，而第2 口井的封堵效果良好则可能是因为采用了在井下膨胀的GeoFORM防砂系统。

中国神狐海域天然气水合物试采创造了产气时间和累产气量的世界纪录

2017 年5—7 月，中国地质调查局在南海神狐海域采用流体抽取法成功实施天然气水合物试采（图4），从水深1266 m海底以下203~277 m的粉砂质黏土、黏土质粉砂储层中开采出天然气，2017 年5月10日至7月9日连续稳定试采60 天，累计产气30.9×10⁴ m³，平均日产5151 m³，甲烷含量最高达99.5%，最高初产3.5×10⁴ m³/d，取得持续产气时间最长、产气总量最大、气流稳定、环境安全等多项重大突破性成果，创造了产气时间和产气总量的两项世界纪录。这是国际上首次针对细粒沉积物储层实现试采，具有重大的科学和能源意义。2017 年5月18日，中共中央、国务院对海域天然气水合物试采成功发来贺电指出，“经过近20 年不懈努力，我国取得了天然气水合物勘查开发理论、技术、工程、装备的自主创新，实现了历史性突破。”“海域天然气水合物试采成功只是万里长征迈出的关键一步，后续任务依然艰巨繁重。”

图4 南海神狐海域天然气水合物成功试采（图片来源：国土资源部）

执行本次试采技术服务的钻井平台“蓝鲸I号”是目前全球作业水深、钻井深度最深的半潜式钻井平台，适用于全球深海作业。通过试验探索和科学研究，取得了一些新的成果和认识：1）防砂技术先进，方法可靠，持续有效发挥作用，保障产气通道状态良好；2）在举升方式等多方面实现创新，提高产量效果显著；3）调控产能平稳有效，气流稳定，持续时间已达到生产性试开采要求，为产业化发展奠定了坚实的基础；4）海水及周边大气等甲烷浓度无异常，环境无污染；5）井壁和地层稳定，未发生地质灾害，实现了安全可持续生产；6）试采理论、技术、工程和装备领跑优势不断扩大。

中国首次成功实施海洋浅层非成岩天然气水合物固态流化试采

针对深水浅层几米到上百米、非成岩全新的开采模式，提出了固态流化开采新方法，并以南海北部海洋天然气水合物储集区为试采目标区，研究制定了海洋天然气水合物目标勘探、钻探取样和固态流化试采一体化实施方案。2017 年5月25日，在南海北部荔湾3站位依托“海洋石油708”深水工程勘察船，利用完全自主研制技术、工艺和装备在水深1310 m、天然气水合物矿体埋深117~196 m处，全球首次成功实施海洋浅层非成岩天然气水合物固态流化试采作业，在海洋浅层天然气水合物的安全、绿色试采方面进行了创新性的探索，流化期间原设计将获得分解气100 m³，实际获得气体81 m³，气体中甲烷含量高达99.8%。

此次固态流化试采针对深水浅层、具有一定埋深弱胶结天然气水合物层位展开，自主研发的无隔水管钻完井技术、连续油管举升技术、高效气液固分离技术以及深水工作船钻完井作业技术是技术体系的主要创新点，显示着中国天然气水合物勘探开发关键技术已取得历史性突破。

天然气水合物成为中国第173 个矿种

2017 年11月3日，国务院正式批准将天然气水合物列为新矿种，成为中国第173个矿种。矿种发现单位为中国地质调查局，发现时间及产地分别为：中国海域天然气水合物首次发现时间为2007 年6月，产地为南海神狐海域，地理坐标为115°20′3.45″E，19°55′42.66″N；中国陆域天然气水合物首次发现时间为2008 年11月，产地为青海祁连山，地理坐标为99°10′15.6″E，38°5′35.46″N。

确立天然气水合物新矿种的重要意义：一是有利于保障国家能源资源安全；二是有利于优化能源生产和消费格局；三是有利于放开天然气水合物矿业权市场；四是有利于促进天然气水合物勘查开采科技创新；五是有利于带动相关产业发展。

国务院批准将天然气水合物列为新矿种，确立了其法律地位，将极大地促使中国天然气水合物勘探开发工作进入新的发展阶段。

未来热点

安全经济高效开采天然气水合物是开展天然气水合物研究的终极目标之一。天然气水合物从资源到储量，并最终实现商业化开采是一个漫长的过程，还面临着理论、技术、环境风险等难题。美国、加拿大、德国以及中国周边的日本、印度、韩国等国家都制定了天然气水合物长期研究计划。通过总结研究热点和重大事件基础上，可以推断，未来研究热点之一将围绕天然气勘探开发基础理论和技术开展攻关，基于墨西哥湾、日本南海海槽、中国南海北部、韩国郁龙盆地、印度大陆边缘等地区详实的勘探资料，深入开展富集有利区优选、提高单井产气量、深水浅层钻完井技术等关键理论和技术瓶颈的攻关，核心科学问题包括甜点区选择、增产机制与方法、开采机制与方法、流动安全保障机制、防砂机制和方法、开发过程中固-气-液多相渗流规律、储层变形规律及失稳机制、原位生物生态环境影响、灾害评估与风险预警等。

从天然气水合物成藏动力学角度，充分发挥油气勘探的优势，吸收常规天然气勘探中的经验，重视从源到汇的整体性分析，对天然气水合物资源进行综合评价。目前世界上所发现的天然气水合物大多数为微生物成因气，但是富生烃凹陷深部优异的生排烃潜力能够提供较为充足的热成因气这一事实仍然不能忽视。热成因气天然气水合物的规模如何、深部热成因气在浅部天然气水合物形成和聚集过程中发挥了怎样的作用也还需要进一步探讨研究。

从天然气水合物基础和微观研究角度，核心科学问题包括天然气水合物分子动态聚散的微观过程、气-水-沉积物-天然气水合物相互作用的热力学及动力学过程、物性响应特征与物性参数定量关系、微观尺度监测水合物生成与分解对沉积物物性特征的影响等方面。此外，基于天然气水合物的应用技术将是未来另一个研究热点，如天然气储运、海水淡化、二氧化碳存储等应用技术等，核心科学问题包括天然气水合物储气密度和生成速度、天然气水合物生成装置与储运条件等方面。

参考文献（略）