摘要：天然气水合物是20世纪发现的一种新型后备能源，被喻为21世纪石油天然气的理想替代资源，是目前地球上尚未开发的最大未知能源库。本文介绍了天然气水合物的开发 历程、资源状况、现有的开发技术方法与发展趋势，同时也总结了天然气水合物开发领域取得最新成果和认识。最后得出天然气水合物的研究方向，并建议广泛的参与国际合作。

关键词： 开发天然气水合物  资源现状  开发技术  最新进展 

一、天然气水合物开发历程

    天然气水合物是以甲烷CH₄为主的气态烃类物质（含少量CO₂、H₂S等非烃分子）充填或被束缚在笼状水分子结构中形成的冰晶状化合物，是在高压、低温条件下形成的。它是继煤、石油和天然气等能源之后的一种潜在的新型能源,广泛存在于沟盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘和北极地区的永久冻土区。

    20世纪60年代初，前苏联借助地球物理方法首次在西伯利亚永冻层中发现了天然气水合物，随后美、加在加拉斯加北坡、马更些三角洲冻土带相继发现了大规模的水合物矿藏。70年代初英国地调所科学家在美国东海岸大陆边缘所进行的地震探测中发现了“似海底反射层”(Bottom Similating Reflector,英文称BSR)。紧接着于1974年又在深海钻探岩芯中获取天然气水合物样品并释放出大量甲烷,证实了“似海底反射”与天然气水含物有关。70年代和80年代，深海钻探计划(DSI)和大洋钻探计划(ODP)陆续实施，在全球多处海底发现了天然气水合物，大规模的国际合作相继开展，天然气水合物研究以及综合普查勘探工作进人全面发展阶段。1991年美国能源部组织召开“美国国家天然气水合物学术讨论会”。1995年冬ODP64航次在大西洋西部布莱克海台组织了专门的天然气水合物调查,打了一系列深海钻孔,首次证明天然气水会物广泛分布,肯定其具有商业开发的价值。同时指出天然气水会物矿层之下的游离气也具有经济意义。如今，新技术、新方法的大量应用使天然气水合物的研究朝着更全面、更精深的方向发展。

二、天然气水合物资源现状
    1.天然气水合物储量

图1 世界有机碳分布（单位：10¹⁵吨）

    天然气水合物资源总估算值的差别非常大,从标准温度压力下的1×10¹⁵立方米到5×10¹⁵立方米 ,再到21×10¹⁵立方米 。这远比常规天然气资源的总估算值(57×10¹³立方米 )大得多。天然气水合物估算值为天然气地质储量值，实际产量仅仅是这一数量的百分之几。但是,天然气的可能生产量仍然会高于常规天然气资源的产量（如图1）。目前各国科学家对全球天然气水合物资源量较为一致的评价为2×10¹⁶,是剩余天然气储量(156×10¹⁴m³)的136倍。
    2.天然气水合物产量

    目前，除了小型现场试验之外,唯一实现开采的是俄罗斯的麦索亚哈天然气水合物气田,所以未来的产量尚不确定。但是由于水合物矿藏自身的厚度非常的大（可达几百米），全世界甲烷水合物潜在产量将非常可观。

    参与试验性开采比较积极的国家有日本、加拿大、美国、德国和印度等。依据近年来试验性开采的成果和今后的技术进步看，在2015~2020年发达国家实现工业规模开采水合物在技术上是可行的，但实现商业开采则值得探讨。

    3.天然气水合物资源分布

    已发现的天然气水合物主要存在于世界范围内的沟盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘,尤其是与泥火山、热水活动、盐泥底辟及大型断裂构造有关的深海盆地中,可能还包括扩张盆地（图2）和北极地区的永久冻土区。大西洋的85%、太平洋的95%、印度洋的96%的地区中含有天然气水合物,且主要分布于洋底之下200～600米的深度范围。

图2全球天然气水合物分布[NextPage]

    （1）海洋中的分布

    目前,世界已调查发现并圈定有天然气水合物的海域主要分布在西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、南海海槽、苏拉威西海、新西兰北岛；东太平洋海域的中美海槽、北加利福尼亚-俄勒冈滨外、秘鲁海槽；大西洋海域的美国东海岸外布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海、南美东海岸外陆缘、非洲西西海岸海域；印度洋的阿曼海湾；北极的巴伦支海和波弗特海；南极的罗斯海和威德尔海,以及黑海与里海等。中国在西沙海槽、东沙陆坡、台湾西南陆坡、冲绳海槽、南海北部等区域也发现了天然气水合物的大量地球物理与地球化学证据。

    目前世界这些海域内有88处直接或间接发现了天然气水合物,其中26处岩芯见到天然气水合物, 62处见到有天然气水合物地震标志的似海底反射(BSR),许多地方见有生物及碳酸盐结壳标志。

    （2） 大陆中的分布

    全球天然气水合物在大陆主要分布于阿拉斯加北坡、加拿大马更些三角洲等地(详见表1)。有调查证据显示,中国青藏高原永久冻土带区域也可能蕴藏着大量的天然气水合物资源。

表1　全球天然气水合物在大陆的主要分布地点

三、 天然气水合物开发技术与方法

    从20世纪60年代苏联发现麦索雅哈气田至今,天然气水合物的开发思路基本上都是首先考虑如何使蕴藏在沉积物中的天然气水合物分解,然后再将天然气采至地面。一般来说,人为地打破天然气水合物稳定存在的温度压力条件,造成其分解,是目前开发天然气水合物中甲烷资源的主要方法。现阶段提出的方法可以归为这么几类：加热法、降压法、添加化学剂法 、驱替法、综合法等

1.加热法

    将蒸汽、热水、热盐水或其它热流体从地面泵入水合物地层,也可采用开采重油时使用的火驱法,总之只要能促使温度上升达到水合物分解的方法都可称为热激发法。热开采技术的主要不足是会造成大量的热损失,效率很低。特别是在永久冻土区,即使利用绝热管道,永冻层也会降低传递给储层的有效热量。在热刺激模型中,水合物产生的热传导控制技术有两种:

    (1)用热水或蒸汽循环注入预热井。通过数值实验表明:水合物的储层最小应有15%的孔隙度,厚度应有7.5 cm。如果注射液的温度为340 K～395 K之间,则可满足其经济可行性的需要。

    (2)利用电磁或微波等直接加热。为了更有效利用热能,可在井下安装加热装置,设备较复杂,也可利用微波加热,通过波导将微波导入井底,直接加热水合物或水。

图3  加热法开采天然气水合物

    近年来,在用加热法开采稠油时,为了提高加热效率,采用井下装置加热技术,井下电磁加热方法就是其中之一,实践证明电磁加热法是一种比常规开采技术更为有效的方法。这种方法就是在垂直(或水平)井中沿井的延伸方向在紧邻天然气水合物带的上下层内(或天然气水合物层内)放入不同的电极,再通以交变电流直接对储层进行加热。电磁热还很好地降低了流体的粘度,促进了气体的流动。Islam进行的模拟计算结果表明,利用该方法分解水合物是可行的。[NextPage]

2.降压法

    通过降低压力而使天然气水合物稳定的相平衡曲线移动,从而达到促使水合物分解的目的。一般是在水合物层之下的游离气聚集层中“降低”天然气压力或形成一个天然气空腔(可由热激发或化学试剂作用人为形成),使与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水。开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法,另外通过调节天然气的提取速度可以达到控制储层压力的目的,进而达到控制水合物分解的效果。减压法最大的特点是不需要昂贵的连续激发,因而其可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。但是,单使用减压法开采天然气是很慢的,是一种弱化被动式开采。

    研究者认为,当水合物层下面存在自由气藏时,降压开采是最有效的方法。前苏联麦索雅哈气田的开采实践即证明了这一点。

    3.添加化学剂法

    某些化学剂,如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等可以改变水合物形成的相平衡条件,降低水合物稳定的温度。当将上述化学剂从井孔泵入后,就会引起天然气水合物的分解。添加化学剂法较加热法作用缓慢,但确有降低初始能源输入的优点,其最大缺点是费用太高。

    4.其他方法

    近期有学者提出用CO^₂置换开采,用压力将相平衡压力较低,更容易形成水合物的CO^₂通入天然气水合物储层,通过形成二氧化碳水合物放出的热量来分解天然气水合物,同时可以用来处理工业排放的CO^₂。

    也有人提出直接在井底放一个高温催化炉,把甲烷催化成一氧化碳和氢气,利用放出的热量来分解水合物。

    除了以上常见的开发方法,一种新的天然气水合物开发方法是在深海使天然气水合物颗粒化,或将天然气水合物装入一种可膨胀的软式气袋(其内部保持天然气水合物稳定所需要的温度压力条件)中,再用潜水艇把天然气水合物拖到大陆架附近的浅水地区,在那里,天然气水合物能够缓慢地分解,产生燃料和水。最近,日本学者用试验证实了将空气中的CO₂分离与天然气水合物开发相结合的可能性。

    从方法的使用来看,单单采用某一种方法来开采天然气水合物是不经济的,只有结合不同方法的优点才能达到对水合物的有效开采。例如将降压法和热开采技术结合使用,即先用热激发法分解天然气水合物,后用降压法提取游离气体（如图4），这样取得的效果可能会更好一些。

图4  综合法开采天然气水合物

四、 天然气水合物开发技术新进展

    20世纪中后期特别是进人21世纪以来，世界天然气水合物研发取得了一系列新进展和技术进步，主要有:①一些国家开始执行新一轮国家计划，以《大洋钻井计划》水合物调查为代表的国际合作项目完成，其他国际合作项目亦成绩斐然，水合物国际学术交流活动日益频繁，文献量逐年增多；②加拿大麦肯齐三角洲Mallik3IJ-38，Mallik4L-38和MallikSIJ-38井组完成了永久冻土带水合物的试验性开采(旨在解决每口井的水合物气采收率，每口井的产量，开采成本和水合物气价等问题)，日本和美国制定了明确的商业开采时间表，并着手进行海洋水合物试验性开采；③水合物地质学和地球化学研究在气源、运移和成藏模式上有新发现和新见地，高分辨率三维地震勘探和其他新的地球物理调查技术确定井位的成功率提高，钻井取样技术趋于成熟；⑤在室内实验模拟和陆上永冻土区开采试验(包括钻井、试井、测井和完井试验)基础上，海洋水合物工业开采技术将接受海底条件的检验和进一步积累经验。[NextPage]

    在描述和讨论了天然气水合物开发领域的最新发展和成果，如果天然气水合物受降压或增温的影响,在温度不稳定的情况下,水合物会分解为气和水。若天然气水合物在粗粒沉积物孔隙内,井筒周围降压会造成水合物分解,释放出来的气体会流经多孔介质,流到井筒,最后到达地面设施。水合物生产甲烷的技术有可能是从常规油气生产技术直接改进而得。没有人通过水合物矿藏生产能力的长期测试来探明甲烷量,大部分水合物矿藏的大小和地质环境也尚未界定。但是,阿拉斯加和加拿大北极现场进行的小型流动测试以及对这些己确定矿藏的模拟说明,运用改进的常规天然气生产技术可从水合物中生产甲烷。

    在甲烷从下伏沉积物上升至海底的区域,天然气水合物可能也会在海底形成矿藏。这些矿藏不会被认为是;在的商业来源,因为它们是化合性生物群落的主体。开采海底矿藏的主要障碍是在收集这些漂浮块体的过程中甲炕有被释放到空气中的危险。

以下是最近国外的相关试验和研究项目进展：

     1.阿拉斯加北坡生产试验 

    2007年美国能源部(DOE)与英国石油公司(BP)合作钻了一口垂直参数井,用于验证地震预测并采集岩心和地球物理测井资料供分析和模拟所用。从此井中采出了130米含有天然气水合物的岩心。含有水合物区域的水合物饱和度达到孔隙体积的75%。天然气水合物饱和度随着砂粒质量的不同而不同,砂层越干净,水合物饱和度越高。采集了一整套裸眼井地球物理测井曲线,并在两个含水合物地区进行了压降测试。压降测试结果表明气体流动以及地层的迅速冷却与水合物分解的气体有关。计划大概在2009年在此处进行长期的生产测试。

    2.墨西哥湾地震预测技术试验

    2001年,为了了解天然生成的天然气水合物如何圈闭浅层油气,以及如何影响北墨西哥湾的海底稳定性,美国能源部与雪佛龙石油技术公司以及其他公司、学术机构联合启动了一项工业联合项目。 墨西哥湾是一个主要的油气生产区域,行业与政府管理者需要了解水合物对海底稳定性的影响以及对钻井、生产与油气管道的潜在影响。此项研究所获得的大部分信息也适用于水合物中潜在甲烷的生产。事实上,自从2005年,此项目己经将其研究重点转移到了墨西哥湾大型水合物矿藏的探测、量化以及其潜在的产量上。

    含有天然气水合物区域的井筒稳定性可能会遭到破坏,因为钻井的热量和钻井液的循环可能会加剧水合物的分解。尽管水合物稳定区暴露了许多天,但2005年墨西哥湾的井没有出现任何井筒问题。钻井证实了井筒稳定模型的正确性,此模型用于预测钻井之前的情况。

图5  2005年能源部工业联合项目在墨西哥湾 所钻天然气水合物井的位置
(图片来自美国地质调查所)

    2005年,为了获取地球物理测井曲线或岩心, 在墨西哥湾的两个地方---keathley峡谷151区块与Atwater山谷13和14区块---约1300米水深处钻了七口井。在常规三维地震基础上,这些井的资料证实了对甲烷水合物地点的预测。由于目标地点为解决海底稳定问题的区域,所以选择了水合物饱和度较低的区域,一般低于孔隙体积的20%。饱和度这样低可能没有产量,因此没有进行压降试井。为了2008-2009年的钻井地球物理测井和取心,2007年此项目对墨西哥湾天然气水合物矿藏高度集中的地方进行了评估。如果选定了适合的矿藏,在未来的几年中会进行生产测试。

    3.生产模拟与油藏模拟 

    所谓油藏模拟是指根据生产技术(如压力下降或热力增产措施)运用计算机对储层流体流动建模。由于没有进行大型生产试验,在不需要精确技术的情况下,油藏模拟是当前评估未来天然气水合物矿藏产能、未来研究与发展直接经费支出的最佳技术。天然气水合物油藏模拟软件可模拟含水合物地质系统,评价永冻层与海洋环境下水合物的开采策略,包括热力增产措施、降压法以及缓凝剂诱发增强分解。

    美国劳伦斯伯克利国家实验室最近完成了天然气水合物储层的模拟,包括低浓度沉积物与高饱和度海相砂岩。研究成果表明扩散型低浓度沉积物没有生产潜力,但高浓度沉积物可能有较高的生产能力。

    一般通过评估油藏模拟软件的储层历史动态拟合能力来评价它们的准确性。由于没有用作测试实例的天然气水合物历史产量,于是通过对比几个模拟软件对相同数据集的反应来评价和改进它们。本次所使用的计算机模拟程序为:TOUGH+/ HYDRATE,由美国能源部/劳伦斯伯克利国家实验室开发:MH-21水合物模拟软件,由国家先进工业科技协会、日本石油工程有限公司与东京大学开发:STOMFHYD,由位于费尔班克斯的阿拉斯加大学石油工程系开发以及用于天然气水合物且经过改进的CMG STARS,由英国石油公司、卡尔加里大学与阿拉斯加一费尔班克斯大学开发。

    4.Mallik地区的开采试验

    Mallik地区的天然气水合物矿床富集度极高,由于赋存状态非常之好,其周围环境都未发生变化。2003年12月,在日本千叶城举行的题为“From Mallik to the Future”的研讨会上,公布了人们期待已久的关于2002年Mallik研究计划的资料:水合物变成真正资源的可能性增大；减压法比另外两种方法简单得多；把热水或热流注入地层的方法在其次；把诸如甲醇这样的化学物质注入地层的方法居末位。

    5.美国加快天然气水合物的研究

    目前，美国能源部下属的国家能源技术实验室（NETL）对天然气水合物的研究开始逐渐转移到了如何从北极地区水合物气藏中开发天然气和安全的钻井的方向上来。由NETL牵头，联合BP阿拉斯加勘探公司和USGS，一同在阿拉斯加北部对天然气水合物分布情况进行了勘探，分析水合物的特性、储量和研究商业性开采的可行性。2007年2月，在Milne Point区域完成了一口试验井，获得的数据显示，在阿拉斯加北坡永冻层下的沉积物中，可以进行安全有效的作业，并获得了甲烷水合物沉积的综合资料，在技术上实现了三项重要的突破：

    在北坡水合物气藏中首次通过降压采集到天然气水合物的样品；对水合物气藏首次进行压降反应裸眼测试；首次应用可回收绳索连续取心，取心率达到了85%。

    研究人员将利用收集到的信息，对含水合物砂岩的潜在产能进行一系列长期的生产测试，在深海区域，NETL将继续引导和支持多个全球钻井和取心计划。主要目的是为了分析天然气水合物的成因和分布区域；测试对预钻区域认识和分析的效果。

五、 结论与认识

    尽管对天然气水合物物理性质和开发的研究已经取得了很大的进展,但仍需进行天然气水合物的资源特征、生产开发、对环境的影响、安全性和海底稳定性等方面的研究，并需要进行大型生产测试,用以决定此资源是否能够供人们高效益的大规模开采。进行国际项目合作是进行此类费用高昂且比较复杂研究的最有效方法。