我國天然氣水合物開發(fā)前景一片光明
——訪中國科學(xué)院院士戴金星先生

■ 本刊特約記者 王大銳

可燃冰（天然氣水合物）是由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀結(jié)晶物質(zhì)，燃燒后僅會(huì)生成少量的二氧化碳和水，污染比煤、石油小很多，但能量高出十倍，被國際公認(rèn)為煤、石油、天然氣的接替能源。2017年11月16日，國土資源部宣布將可燃冰列為新礦種，成為我國第173個(gè)礦種。為了使更多的讀者認(rèn)識(shí)這種新礦種和新能源，我專門采訪了我國著名天然氣地球化學(xué)專家、中國科學(xué)院院士戴金星先生。

問：戴院士，請(qǐng)給我們簡(jiǎn)單介紹一下天然氣水合物和此類礦產(chǎn)研究的進(jìn)展

答：化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)天然氣水合物差不多有200年了，在前期相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間沒有認(rèn)識(shí)其在能源上的重大意義。俄羅斯科學(xué)家在60年代首先發(fā)現(xiàn)巖石圈存在天然氣水合物。1968年在西西伯利亞盆地北部，發(fā)現(xiàn)了世界上第一個(gè)天然氣水合物氣田Messoyakha氣田。70年代早期一些科學(xué)家推測(cè)水合物存在于永久凍土和海洋沉積物中。在80年代早期，科學(xué)家在深海鉆探取心中發(fā)現(xiàn)陸緣海外圍的沉積物中含有天然氣水合物；在美國阿拉斯加北坡凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)Tarm和Eileen水合物氣藏，加拿大馬更些河三角洲凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)Mallik水合物聚集。全球天然氣水合物聚集體中的天然氣資源量巨大，一般被引用很廣全球天然氣水合物資源量為Kvenvolden提出的2×1016立方米。在世界能源消費(fèi)日益增長(zhǎng)、污染加重的情況下，一些國家開始嘗試在阿拉斯加北部、馬更些三角洲、日本南海海槽海域開展天然氣水合物試采。

中國天然氣水合物的研究和調(diào)查起步較晚。20世紀(jì)80-90年代地質(zhì)礦產(chǎn)部、中國科學(xué)院、教育部有關(guān)單位翻譯和搜集國外水合物調(diào)查和研究成果，為我國海域水合物調(diào)查做準(zhǔn)備。廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于1999-2001年率先在南海北部西沙海槽區(qū)開展高分辨率多道地震調(diào)查。2002年正式啟動(dòng)了“我國海域天然氣水合物資源調(diào)查與評(píng)價(jià)”國家專項(xiàng)。爾后，我國不僅在南海北部陸坡，還在凍土區(qū)開展水合物研究和調(diào)查，2008年在祁連山凍土帶天然氣水合物鉆探獲得重要進(jìn)展。在天然氣水合物試采上，后來居上，在神狐海域2017年5月10日至7月9日，60天試采產(chǎn)氣超過30.0×104立方米天然氣，創(chuàng)造了天然氣水合物產(chǎn)氣時(shí)間長(zhǎng)和總量大的世界紀(jì)錄，比日本在Nankai海槽2017年6月5日至6月28日共24日試采產(chǎn)氣約20×104立方米勝出一籌。

問：天然氣水合物形成條件和分布情況是怎樣的？

答：天然氣水合物形成要具備四個(gè)條件：一是低溫，最佳溫度是0～10℃；二是高壓，應(yīng)大于1.01×107帕。若0℃時(shí)需要30個(gè)大氣壓，相當(dāng)于300米靜水壓力；三是充足氣源。等深流作用強(qiáng)的海區(qū)，一般是水合物的有利富集區(qū)，因等深流具有充足氣源，例如布萊克海臺(tái)水合物可能與等深流作用有關(guān)；四是水是天然氣水合物氣體賦存籠形結(jié)構(gòu)物質(zhì)主體，氣體和水共同體才構(gòu)成天然氣水合物，故水是天然氣水合物形成的重要物質(zhì)之一。

雖然天然氣水合物資源量巨大而豐富，但受形成四個(gè)因素控制，其分布是不均的。全球已發(fā)現(xiàn)天然氣水合物資源量98%在海洋陸坡，僅有2%分布大陸極地、凍土帶、內(nèi)陸海和湖泊。我國在南海北部西沙海槽盆地、瓊東南盆地、珠江口盆地和臺(tái)西南盆地的深水區(qū)域均發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物存在的地質(zhì)、地球物理及地球化學(xué)證據(jù)，還在東海、臺(tái)灣東部海域、南沙海槽和南沙海域也有天然氣水合物。在祁連山凍土帶青海省木里地區(qū)在2008年以來，多井鉆獲多處天然氣水合物。羌塘盆地和東北漠河地區(qū)多年凍土區(qū)，天然氣水合物勘探也有良好顯示。

祁連山多年凍土面積達(dá)10×104平方公里，年平均氣溫低于零下2攝氏度，凍土層厚度為50～139米，具有良好的天然氣水合物形成條件和勘探前景。2000年至今，在南祁連盆地木里坳陷，即在祁連山南緣青海省天峻縣木里鎮(zhèn)木里煤田聚乎更礦區(qū)，中國地質(zhì)調(diào)查局先后實(shí)施天然氣水合物科學(xué)鉆探井共10多口，其中發(fā)現(xiàn)天然氣水合物探井11口。天然氣水合物主要儲(chǔ)集于中侏羅統(tǒng)江倉組粉砂巖和泥巖中，其次產(chǎn)在砂巖孔隙中，其產(chǎn)狀不穩(wěn)定，產(chǎn)出與斷裂關(guān)系較密切，埋深133.0～396.0米。

戴院士（前排中）及學(xué)生參加第二屆天然氣地球科學(xué)論壇。

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局分別于2007年、2013年、2015年及2016年4次在南海北部陸坡海域?qū)嵤┨烊粴馑衔镢@探，成功鉆獲天然氣水合物，證實(shí)了此地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的天然氣水合物資源。鉆探和調(diào)查研究證明，南海北部陸緣從西部-中部-東部具有不同地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，天然氣水合物成藏條件的差異性明顯，對(duì)其成藏過程、成藏模式及空間分布產(chǎn)生深刻影響。目前，僅在珠江口盆地和臺(tái)西南盆地有天然氣水合物氣的地球化學(xué)報(bào)導(dǎo)。

神狐海域目前是天然氣水合物鉆探獲樣品最多和氣的地球化學(xué)研究成果最多地區(qū)。2007年在神狐海域首次實(shí)施天然氣水合物鉆探，在三個(gè)井獲得天然氣水合物樣品。除神狐海域外，在珠江口盆地東部也有幾口井獲得天然氣水合物。

問：構(gòu)成這些水合物的氣來自何方？

答：氣源對(duì)比和鑒定是天然氣成藏聚集、運(yùn)移和資源評(píng)估的重要支撐性研究。與常規(guī)天然氣，甚至包括非常規(guī)氣中致密氣相比，天然氣水合物資源98%分布在海洋并大部分為干氣的生物成因氣，往往缺失重?zé)N氣和輕烴等科學(xué)信息，致使氣源對(duì)比和鑒定難度增大，只能依靠水合物氣組分中低碳分子氣組分及其碳?xì)渫凰赜嘘P(guān)的參數(shù)進(jìn)行氣源研究。近30多年來，中國學(xué)者在氣源鑒別和對(duì)比上，從天然氣碳?xì)渫凰?、組分、輕烴和生物標(biāo)志化合物四方面對(duì)生物成因氣、煤成氣和油型氣氣源對(duì)比鑒別而提出可信度高的系列鑒別指標(biāo)、圖版和公式，使中國氣源對(duì)比研究處于世界前列，出現(xiàn)許多高水平成果。

由于天然氣水合物氣大部分為貧重?zé)N氣的干氣，所以缺乏輕烴和生物標(biāo)志化合物兩個(gè)方面鑒別指標(biāo)的科學(xué)信息，而碳?xì)渫凰睾徒M分兩個(gè)方面鑒別指標(biāo)的科學(xué)信息可以利用。經(jīng)過一些學(xué)者的精心對(duì)比，可以認(rèn)為，我國祁連山發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物的氣主要為原油伴生氣，并有少量煤成氣和生物氣。祁連山凍土帶天然氣水合物中天然氣為油型伴生氣，屬油型氣。

南海北部陸坡珠江口盆地白云凹陷神狐海域天然氣水合物氣的地球化學(xué)研究較多，關(guān)于本區(qū)天然氣水合物氣的成因類型，基本有兩種觀點(diǎn)：一是天然氣水合物的烴類氣主要是生物成因的甲烷，與熱成因甲烷關(guān)系不大；二是神狐海域天然氣水合物的烴類氣主要來源于微生物氣，同時(shí)混合少量熱解氣。兩種觀點(diǎn)共同點(diǎn)都認(rèn)為水合物的甲烷主要是CO2還原型生物成因氣。

南海陸坡天然氣水合物氣主要是CO2還原型生物成因氣同時(shí)也有少量熱成因氣。以往眾多研究者都肯定熱解成因天然氣水合物氣，但未深入研究其應(yīng)包括油型氣和煤成氣。

綜合了國內(nèi)外20個(gè)地區(qū)（盆地）相關(guān)天然氣水合物氣地球化學(xué)資料，我們認(rèn)為，目前發(fā)現(xiàn)的世界天然氣水合物氣熱解氣中既有油型氣也有煤成氣，以油型氣為主，而在中國祁連山和加拿大溫哥華島附近發(fā)現(xiàn)了少量煤成氣型的天然氣水合物。

天然氣水合物是高效清潔的新型戰(zhàn)略能源，國際社會(huì)高度關(guān)注其未來的開發(fā)利用前景。近年來，天然氣水合物資源勘查與試采工作取得了重要進(jìn)展，天然氣水合物資源開發(fā)利用的前景光明。目前的天然氣水合物試采成功只是萬里長(zhǎng)征邁出的關(guān)鍵一步，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化仍然面臨著提高產(chǎn)量、降低成本、保護(hù)環(huán)境等諸多挑戰(zhàn)。