天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化看本世紀中葉
——專訪中國地質(zhì)大學（武漢）教授、俄羅斯自然科學院外籍院士寧伏龍

文／本刊記者 陸曉如

我國天然氣水合物開發(fā)已取得顯著成績，但實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走。

3月26日，自然資源部傳出好消息：中國海域天然氣水合物第二輪試采取得成功并超額完成目標任務(wù)。在水深1225米的南海神狐海域，試采創(chuàng)造了“產(chǎn)氣總量86.14萬立方米、日均產(chǎn)氣量2.87萬立方米”兩項新的世界紀錄。這標志著我國天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化正在穩(wěn)步推進。

但是，我們距離真正的天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化還有多遠？面臨著哪些挑戰(zhàn)？還要做哪些切實的工作？為此，本刊記者采訪了在天然氣水合物研究方面頗有建樹的中國地質(zhì)大學（武漢）教授、俄羅斯自然科學院外籍院士寧伏龍。

多方關(guān)注

中國石油石化：寧教授，您好！請問為什么越來越多的國家開始重視天然氣水合物開發(fā)？

寧伏龍：這是因為天然氣水合物正成為全球主要大國間能源競爭的戰(zhàn)略高地。眾所周知，能源是社會可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。未來能源特別是清潔能源短缺，是不得不面對的現(xiàn)實挑戰(zhàn)。自然界中的天然氣水合物，具有分布廣、儲量大、清潔低碳無污染等優(yōu)點。因此，美國、日本、中國、德國、英國、印度等國非常重視天然氣水合物開發(fā)。各國的根本目的，是想實現(xiàn)能源的供給安全。

天然氣水合物分布廣，海洋和凍土帶廣大地區(qū)都滿足天然氣水合物形成條件，賦存規(guī)模巨大。有估算認為，海洋及大陸凍土帶中的天然氣水合物碳數(shù)量是常規(guī)化石燃料碳儲量的兩倍左右。其經(jīng)濟價值足以令各國心動，特別是對能源進口大國，如日本、韓國、印度等。試驗性的開采結(jié)果表明，從大陸邊緣海底和凍土帶天然氣水合物中獲取天然氣是完全有可能的。

1993年開始，每三年一屆的國際天然氣水合物大會（ICGH）迄今已舉辦了9屆，重點討論天然氣水合物作為潛在新能源的發(fā)展前景和技術(shù)突破。此外，每兩年一次的高登研究大會（GRC）下的天然氣水合物系統(tǒng)分會，以及國際甲烷水合物研究與發(fā)展論壇，都在關(guān)注如何安全高效可控地開采自然界中的天然氣水合物。

中國石油石化：目前，全球天然氣水合物研究和開發(fā)進展情況如何？

寧伏龍：天然氣水合物已成為當前地球科學和能源領(lǐng)域研究的一大熱點。各國政府、研究機構(gòu)和工業(yè)界，持續(xù)合作開展了大量現(xiàn)場地質(zhì)、地球物理、地球化學、鉆探等相關(guān)調(diào)查工作以及室內(nèi)廣泛的實驗和數(shù)值模擬研究，主要集中在天然氣水合物的成藏機理、儲層物性特征、資源潛力、勘探和開采技術(shù)及環(huán)境影響等方面。

迄今，國際上已經(jīng)鉆探了超過100口專門用于天然氣水合物地質(zhì)勘探、環(huán)境影響和生產(chǎn)試采的井。日本參與了2002年在加拿大凍土帶進行的天然氣水合物陸上試開采，獲得了寶貴的試采經(jīng)驗，進而在2013年成功進行了全球首次海洋天然氣水合物試開采，為全球海域天然氣水合物開發(fā)邁出了關(guān)鍵一步。美國在陸上阿拉斯加和海域墨西哥灣進行了多年的天然氣水合物調(diào)查工作，但海域試采一直沒有進行。印度和韓國則準備近幾年進行海域天然氣水合物試采。

目前，國際上已經(jīng)形成了幾種天然氣水合物開采方案，包括：注熱激發(fā)法，通過鉆孔將熱水或熱蒸汽注入，或者井下定向加熱天然氣水合物儲層，使地層溫度超過地層壓力條件下的天然氣水合物相平衡溫度，從而激發(fā)天然氣水合物分解，釋放甲烷等氣體；降壓法，通過鉆井排水釋放儲層地層原位壓力，當壓力降低到天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)域外，天然氣水合物就會分解并釋放甲烷等氣體，在井筒和儲層壓差作用下流到井筒采出；注抑制劑法，是將化學熱力學抑制劑注入儲層中，通過改變相平衡條件實現(xiàn)水合物分解產(chǎn)氣；CO2置換法，通過注入CO2進入天然氣水合物儲層，從而置換出籠型晶體中的甲烷。

室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試采結(jié)果表明，所有的這些方法在技術(shù)經(jīng)濟性和環(huán)境影響存在一些問題。如注熱激發(fā)法很不經(jīng)濟；降壓法會導致二次水合物形成，后期效率不高。因此，安全經(jīng)濟開發(fā)天然氣水合物還需要科學界和工業(yè)界更多的研究。

成績突出

中國石油石化：天然氣水合物的開發(fā)對我國來說有怎樣的意義？

寧伏龍：意義非常大。我國能源供需矛盾仍十分突出，能源安全形勢十分嚴峻，充分挖掘自身天然氣供給能力迫在眉睫。

我國天然氣水合物資源前景巨大。保守估算，在50%概率條件下，南海海域天然氣水合物資源總量約為6.5×1013立方米，陸上青藏高原和東北凍土帶的天然氣水合物資源量約為1.2×1011立方米。南海是我國天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化的重點區(qū)域。其中，東沙、神狐、瓊東南是三大天然氣水合物富集區(qū)。據(jù)廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局預測，南海天然氣水合物遠景資源量達744億噸油當量。

可以說，開發(fā)天然氣水合物是國家能源戰(zhàn)略安全的重要保障，是改善我國能源消費結(jié)構(gòu)、建設(shè)生態(tài)文明的重大需求。

中國石油石化：目前，我國天然氣水合物的開發(fā)處于什么樣的階段？

寧伏龍：總體看，我國天然氣水合物的開發(fā)處在從試采到商業(yè)開發(fā)的過渡階段，目前正努力實現(xiàn)從試驗性試采到生產(chǎn)性試采的跨越。

我國天然氣水合物的研究工作起步較晚。上世紀80年代中期開始跟蹤，1999年才啟動海洋地質(zhì)調(diào)查，但之后推進的速度比較快。2011年實現(xiàn)首次陸上試采，2016年進行了第二次陸上試采。2017年在南海神狐海域成功實施了我國首次海域天然氣水合物試采工程。同年，天然氣水合物被列為我國第173個礦種。2017年和2018年先后在神狐和瓊東南海域設(shè)立了水合物勘查開采先導試驗區(qū)。今年我們又成功進行了第二輪試采?？梢哉f我國水合物開發(fā)正處于產(chǎn)業(yè)化加速推進時期。

總的來看，經(jīng)過水合物人20年的研究，我國在凍土和海洋天然氣水合物研究方面取得了巨大進步和豐碩成果。在天然氣水合物開發(fā)領(lǐng)域，我國已從跟跑變成并跑并實現(xiàn)了局部領(lǐng)跑，走在天然氣水合物開發(fā)前沿。

成績雖有目共睹，但不可否認的是，我國在天然氣水合物開采基礎(chǔ)領(lǐng)域與日本、美國還有一定的差距。此外，受制于石油工業(yè)和先進材料領(lǐng)域的一些差距，我們在安全高效開采相關(guān)基礎(chǔ)理論、設(shè)備和工具方面落后。但是，在工藝方法和產(chǎn)業(yè)化體系上我認為我們是領(lǐng)先的，特別是針對低滲弱固結(jié)的泥質(zhì)粉砂天然氣水合物儲層，我們的經(jīng)驗和方法是領(lǐng)先的。但天然氣水合物的開發(fā)是世界性難題，產(chǎn)業(yè)化仍有待科研攻關(guān)，實現(xiàn)天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化，我們還有很長的路要走。

挑戰(zhàn)重重

中國石油石化：要實現(xiàn)天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化利用存在哪些困難？

寧伏龍：天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化是一個系統(tǒng)工程，涉及上、中、下游相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展，還面臨全球政治和經(jīng)濟格局的制約。如果不考慮社會和環(huán)境因素，只看上游勘探開發(fā)，我個人認為目前天然氣水合物開發(fā)還存在四個突出問題。

一是天然氣水合物儲層認識不足。天然氣水合物具有分布復雜、相變、深水、淺埋等特性，加之儲層的非均質(zhì)性、各向異性以及缺乏適合天然氣水合物的測井評價模型和安全可靠的高保真取樣器、巖心保真轉(zhuǎn)移設(shè)備，導致精細刻畫天然氣水合物儲層異常困難。現(xiàn)有的儲層原位測試要求高、費用貴，而實驗測試又難以合成貼近原位的有代表性的樣品，尺寸效應(yīng)非常明顯。所有這些，進一步制約了我們對儲層的準確認識。

二是開采成本高，經(jīng)濟效益低，缺乏突破性的開采方式?，F(xiàn)有降壓開采存在成本高、產(chǎn)量遞減快、穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)難等問題。比如現(xiàn)有試采都采用常規(guī)深水油氣鉆井平臺，日均運行成本高，對于厚度只有300米左右的天然氣水合物儲層來說有點大材小用。此外，儲層增產(chǎn)改造困難，雖容易壓裂、無誘發(fā)地震風險，但不易維持縫網(wǎng)通道。采用水平多分支井、徑向井甚至對接井等復雜井型可提高產(chǎn)能，但在海域淺軟成井相對困難，成本較高。

三是長期開采安全與環(huán)境風險較高。開采過程中儲層響應(yīng)行為復雜，具有多尺度、非線性、強耦合時空演化特征，很難準確預測。因此，難以有針對性對儲層進行控制，導致儲層失穩(wěn)、出砂，產(chǎn)量偏低，乃至引發(fā)地質(zhì)災害甚至人身安全事故。

四是重工程輕機理。目前，我們比較關(guān)心高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)、防砂技術(shù)、防止儲層失穩(wěn)和氣體泄漏的技術(shù)，但對這些工程技術(shù)背后的科學問題，特別是對前面提到的開采過程中儲層動態(tài)響應(yīng)內(nèi)在機理重視不夠。天然氣水合物儲層之所以區(qū)別常規(guī)和其他非常規(guī)油氣儲層，就是因其自身特性及其相變行為。這種相變行為，與儲層滲流、傳熱行為、力學行為以及相應(yīng)的流固（水、氣、泥砂）產(chǎn)出行為在時空上強烈耦合在一起。要定量刻畫這種耦合行為及其機制，目前還是非常困難的。此外，當前研究多考慮水合物“量”的工程影響對其“質(zhì)”的作用，如表面形貌、自身力學性質(zhì)以及與骨架顆粒間的相互作用等機理方面的研究還明顯不足。

中國石油石化：如何解決這些困難？

寧伏龍：如何安全高效、長期可控地開采天然氣水合物，是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。而這里面的難點、堵點和痛點，就是儲層特別是井周儲層精細刻畫及其開采過程中的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律。

儲層精細刻畫是基礎(chǔ)，儲層響應(yīng)行為表征是關(guān)鍵，儲層行為控制與改造是目標。因此，解決上述困難首先要圍繞儲層精細刻畫與評價方法進行突破。比如，針對天然氣水合物儲層的更好的測井識別和評價方法、基于大數(shù)據(jù)深度學習的資源評價與有利選區(qū)評價技術(shù)、儲層微觀結(jié)構(gòu)與水合物定量表征技術(shù)、“甜點區(qū)”關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)定量表征技術(shù)等。

進而從開采過程中儲層動態(tài)響應(yīng)機理、耦合行為規(guī)律與控制入手，通過研究儲層響應(yīng)機理，找到儲層失穩(wěn)、出砂和產(chǎn)量偏低的控制因素，通過研究儲層力學行為規(guī)律、滲流行為規(guī)律、傳熱和相變行為規(guī)律，以及四者的耦合，研究流固產(chǎn)出和井眼穩(wěn)定一體化分析預測技術(shù)。這是儲層生產(chǎn)控制的基礎(chǔ)，可為后續(xù)儲層增產(chǎn)改造、防砂、井眼穩(wěn)定一體控制技術(shù)提供理論和技術(shù)支撐。而在控制技術(shù)上，我們可嘗試一些創(chuàng)新的化學工程與材料技術(shù)甚至人工智能技術(shù)，解決儲層失穩(wěn)、出砂、產(chǎn)量低等工程難題。

前景光明

中國石油石化：在您看來，如何才能加快我國天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化的步伐？

●供圖/人民視覺

寧伏龍：在我看來，首先要確定科學的開發(fā)理念和技術(shù)思路。地質(zhì)—工程一體化是公認的非常規(guī)油氣實現(xiàn)效益開發(fā)的最佳途徑。水合物儲層工程地質(zhì)特性決定了其高效開發(fā)也需要地質(zhì)—工程一體化。此外，水合物賦存區(qū)域生態(tài)脆弱、開采可能誘發(fā)的甲烷泄露和海底地質(zhì)災害等環(huán)境風險高，因此，地質(zhì)—工程—環(huán)境一體化開發(fā)理念應(yīng)是水合物產(chǎn)業(yè)化的必由之路。此外，多尺度表征刻畫、多場耦合分析預測、多學科交叉控制、多部門協(xié)作攻關(guān)的技術(shù)思路，對加快我國天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化發(fā)展十分重要。

正如我前面所說，首先我們需要夯實基礎(chǔ)理論，通過多學科交叉、多尺度表征研究天然氣水合物在沉積物中的聚散機理，如相變熱力學和動力學理論等，研究天然氣水合物儲層開采過程中的力學行為特征、滲流行為規(guī)律、傳熱行為模式，進而發(fā)展基礎(chǔ)的相變滲流理論、相變傳熱理論和相變力學理論，厘清儲層多場耦合機制，并建立相應(yīng)的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的全耦合模型。

其次，需要掌握天然氣水合物儲層稟賦特征，包括成藏條件與富集機制、資源量估算、地質(zhì)甜點識別和評價方法、開采過程中上蓋層、儲層、下伏層結(jié)構(gòu)和物性演化特征等。

再次，需要厘清井眼—儲層構(gòu)效關(guān)系。不管采用何種井身結(jié)構(gòu)，還是后續(xù)儲層增產(chǎn)改造，都需要厘清井身、井網(wǎng)、裂縫結(jié)構(gòu)與儲層產(chǎn)能的關(guān)系，進而確定工程和環(huán)境甜點，開發(fā)低成本成井和開采工藝?？偟膩碚f，應(yīng)將儲層工程地質(zhì)特性、井身結(jié)構(gòu)、完井方式、井內(nèi)工具、儲層改造、環(huán)境監(jiān)測與生產(chǎn)制度一體化考慮，基于地質(zhì)—工程—環(huán)境一體化思路，實現(xiàn)開采過程中儲層穩(wěn)定、泥砂管控與產(chǎn)能最大化的有機平衡。

最后，需要產(chǎn)—學—研—政相結(jié)合，加強統(tǒng)籌謀劃，做好頂層設(shè)計?，F(xiàn)在天然氣水合物項目很多，甚至有些項目類似，比較浪費資源。需要打破利益屏障，優(yōu)化資源配置，集中全國力量進行攻關(guān)。我們可以借鑒美國、日本的經(jīng)驗，成立國家天然氣水合物開發(fā)委員會，發(fā)布統(tǒng)一的國家天然氣水合物研究開發(fā)計劃，將政府—研究機構(gòu)—產(chǎn)業(yè)界—公眾教育無縫銜接起來。

中國石油石化：您對我國實現(xiàn)天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化利用樂觀嗎？

寧伏龍：當然樂觀，但我們不能求快，要穩(wěn)扎穩(wěn)打。對能源的渴求之心，不能超過對自然的敬畏之心和對環(huán)境的保護之心。

目前，我國天然氣水合物開發(fā)利用正處在關(guān)鍵時期，全球天然氣水合物開發(fā)也處在十字路口，面臨多重選擇。我們需要沉下心來，穩(wěn)住并思考我們的長遠目標是什么。

由于海域水合物常與盆地中的常規(guī)油氣共生共存，因此我個人是支持淺層氣、天然氣水合物、常規(guī)游離氣和水的“三氣一水”共探共采。因為不管是哪類氣，我們的目的是要獲得清潔的天然氣資源，同時還能解決平臺大材小用問題。因此，應(yīng)從整個水合物油氣系統(tǒng)角度進行思考和開發(fā)規(guī)劃。在統(tǒng)籌規(guī)劃的基礎(chǔ)上，可分階段、分步驟實施產(chǎn)業(yè)化突破。比如，第一步可先嘗試新井身結(jié)構(gòu)，第二步可嘗試儲層增產(chǎn)改造新方法，并在單井層次上實現(xiàn)地質(zhì)—工程—環(huán)境一體化開采。第三步可嘗試水合物氣和游離氣的兩氣合采，最后實現(xiàn)海底開采井的網(wǎng)絡(luò)化和智能化。最終，在單井、井網(wǎng)平臺和區(qū)塊三個層次上實現(xiàn)地質(zhì)—工程—環(huán)境一體化開發(fā)。

萬事開頭難。但隨著技術(shù)的進步，我們有理由樂觀地認為，到本世紀中葉，冰籠之火——天然氣水合物將成為人類清潔能源的重要組成部分。我想以毛主席“雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越”這句詞，與研究天然氣水合物的同仁們一起共勉！