中國天然氣水合物資源潛力及試開采進(jìn)展

祝有海，龐守吉，王平康，2，張 帥，肖 睿

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；2.中國地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037）

0 引言

天然氣水合物是低溫高壓條件下由氣體與水形成的固體類冰狀物質(zhì)，主要產(chǎn)于海底沉積物和陸上永久凍土帶中。這是一種新型潛在能源，全球資源量達(dá)2.1 ×1015m3，具有巨大的能源潛力，并有重要的環(huán)境及地質(zhì)災(zāi)害意義，引起世界各國的高度關(guān)注（Kvenvolden，1988；Milkov，2004）。中國政府也高度重視天然氣水合物的調(diào)查研究，其中中國地質(zhì)調(diào)查局主導(dǎo)資源調(diào)查評價、試采及配套研究工作，取得了一系列重要進(jìn)展（張洪濤等，2007；張洪濤和祝有海，2011）。近年來，中國在天然氣水合物調(diào)查發(fā)現(xiàn)、資源評價及試采方面進(jìn)展神速，本文試圖簡要總結(jié)這方面的主要成果，供國內(nèi)外同行參考。

1 發(fā)展簡史

人們認(rèn)識天然氣水合物已有200 多年的歷史，大致經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)和實驗室合成、管道堵塞及防治、資源調(diào)查、開發(fā)利用四個階段。目前世界各國天然氣水合物調(diào)查研究的重點仍集中于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)地、確定產(chǎn)狀和解釋成因，進(jìn)而計算資源量，只有部分國家開展試生產(chǎn)研究，且進(jìn)展喜人，研究重點逐漸從資源調(diào)查轉(zhuǎn)向開發(fā)利用。預(yù)計在解決了開發(fā)技術(shù)難題后，在開發(fā)動力（包括經(jīng)濟(jì)動力和政治動力）的推動下最終實現(xiàn)商業(yè)化利用（Collett，2002）。

中國對天然氣水合物的調(diào)查研究起步較晚，20世紀(jì)80 年代初才有少量學(xué)者關(guān)注國際天然氣水合物的調(diào)查研究動態(tài)，并將相關(guān)成果介紹到國內(nèi)（史斗和鄭軍衛(wèi)，1999）。隨后資源領(lǐng)域的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段（圖1），90 年代中晚期為資源預(yù)測階段，我國部分學(xué)者對南海、青藏高原天然氣水合物的形成條件、異常標(biāo)志及找礦前景進(jìn)行了初步研究和預(yù)測（姚伯初，1998；徐學(xué)祖等，1999）。1999 年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局對南海西沙海槽進(jìn)行天然氣水合物首次地球物理調(diào)查，發(fā)現(xiàn)與天然氣水合物有關(guān)的地球物理標(biāo)志——Bottom Simulating Reflection（BSR），開啟了中國天然氣水合物資源調(diào)查階段，特別是自2002 年開始實施的“我國海域天然氣水合物資源調(diào)查與評價”國家專項及其他項目，對我國南海、東海、陸域凍土區(qū)開展了系列資源調(diào)查工作，相繼于2007 年及2008 年在南海神狐地區(qū)、祁連山木里地區(qū)鉆獲天然氣水合物實物樣品（Zhang et al.，2007；祝有海等，2009），取得了找礦發(fā)現(xiàn)的重大突破。2011 年開始實施的“天然氣水合物資源勘查與試采工程”國家專項，除對我國海域、陸域凍土區(qū)繼續(xù)開展資源調(diào)查外，重點轉(zhuǎn)向試采領(lǐng)域，分別于2011 年和2016 年對祁連山成功實施了兩次陸域水合物試采工程，2017 年和2020 年先后三次對南海神狐地區(qū)成功實施海域水合物試采工程，取得試采領(lǐng)域的重大突破，由此進(jìn)入資源試采階段。預(yù)計在攻克一系列技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境難題后，有望在2030年前后實現(xiàn)商業(yè)化利用。

圖1 中國天然氣水合物資源調(diào)查開發(fā)歷程示意圖Fig.1 Sketch showing resource investigation and development history of China’s natural gas hydrates

2 天然氣水合物分布特征

目前已在中國南海、東海及青藏高原發(fā)現(xiàn)天然氣水合物樣品5 處，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等賦存標(biāo)志7 處（表1、圖2），并在其他地區(qū)發(fā)現(xiàn)一系列異常標(biāo)志。

表1 中國天然氣水合物產(chǎn)地簡表Table 1 Overview of China’s natural gas hydrate occurrences

圖2 中國天然氣水合物分布圖Fig.2 Map showing distribution of China’s natural gas hydrates

2.1 南海

南海是西太平洋地區(qū)最大的邊緣海，總面積約350 ×104km2，絕大部分陸坡均具有形成天然氣水合物的溫壓條件及氣源條件，面積約126.4 ×104km2。Hinz et al.（1989）最早報道了南海存在與天然氣水合物有關(guān)的BSR，姚伯初（1998）利用已有地震資料在東沙和西沙海槽識別出BSR。1999 年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在西沙海槽的首次調(diào)查發(fā)現(xiàn)了BSR，隨后在南海北部的西沙海槽、東沙群島南部、神狐地區(qū)及瓊東南盆地開展了地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)調(diào)查，完成高分辨率多道地震16.7 ×104km，鉆探井88 口，共發(fā)現(xiàn)BSR 分布區(qū)26 處，圈定11 個有利遠(yuǎn)景區(qū)，分布面積達(dá)32750km2（蘇丕波等，2017；梁金強等，2016）。2007 年起中國地質(zhì)調(diào)查局組織實施了4 次天然氣水合物鉆探工程，先后在神狐、東沙和瓊東南等地獲得了水合物實物樣品（Zhang et al.，2007；Yang et al.，2017）。

神狐地區(qū)位于珠江口盆地珠二坳陷，海底地形復(fù)雜，新生代以來構(gòu)造運動活躍，沉積速率較大，油氣資源豐富，是形成天然氣水合物的有利地區(qū)。廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局先后于2007 年（GMGS1）、2015年（GMGS3）和2016 年（GMGS4）在神狐海域進(jìn)行天然氣水合物鉆探，發(fā)現(xiàn)了結(jié)核狀、脈狀、薄層狀、厚層狀和分散狀等多種水合物（圖3A）。水合物分布水深為900～1500m，產(chǎn)于海底以下150～300m，含水合物層厚18～34m，最厚達(dá)80m，水合物飽和度20%～43%，最大達(dá)75%。該區(qū)水合物具有分布廣、厚度大、飽和度高等特點（楊勝雄等，2017；蘇丕波等，2017）。

東沙地區(qū)位于珠江口盆地東部，水深300～2000m，海底地形復(fù)雜，也是形成天然氣水合物的有利地區(qū)。2004 年，中德兩國開展了為期42 天的SO-177 航次聯(lián)合調(diào)查，在東沙群島附近地區(qū)發(fā)現(xiàn)了世界上最大的冷泉碳酸鹽巖——九龍甲烷礁（Jiulong Methane Reef，面積近430km2），并發(fā)現(xiàn)了大量與天然氣水合物有關(guān)的地質(zhì)、地球化學(xué)和生物學(xué)證據(jù)，如極淺的硫酸鹽／甲烷界面（SMI）、化能生物群等，顯示下部應(yīng)有天然氣水合物存在（黃永樣等，2008）。2013 年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在東沙海域?qū)嵤┝算@探（GMGS2），發(fā)現(xiàn)了塊狀、層狀、結(jié)核狀、脈狀和分散狀天然氣水合物（圖3B、圖3C）。水合物賦存于水深600～1100m 處，具有埋藏淺、厚度大、類型多、飽和度高等特征。值得一提的是，該區(qū)發(fā)現(xiàn)上下兩個水合物層，其中上水合物層發(fā)育于海底以下0～90m 范圍內(nèi)，水合物多呈塊狀、脈狀、結(jié)核狀產(chǎn)出或充填在細(xì)粒沉積物裂隙中，厚約15～32m，飽和度10%～33%；下水合物層發(fā)育于海底以下91～226m范圍內(nèi)，水合物呈分散狀產(chǎn)出，厚約6～37m，飽和度一般為10%～33%（張光學(xué)等，2017；Sha et al.，2015）。

2015 年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局通過“海馬”號潛水器，在瓊東南盆地發(fā)現(xiàn)了活動性冷泉“海馬冷泉”。該冷泉總體呈東西向條帶狀展布，水深1350～1430m，面積約350 km2。冷泉區(qū)淺層沉積物中賦存有天然氣水合物，重力柱狀取樣器在ROV1 和ROV2 站位海底以下數(shù)米處即采獲水合物樣品，最淺僅為0.15m。此外，該區(qū)還發(fā)現(xiàn)大量自生碳酸鹽巖和冷泉生物群，包括結(jié)核狀、結(jié)殼狀和層狀自生碳酸鹽巖和管狀蠕蟲、蛤類及貽貝等多種冷泉生物（蘇丕波等，2017）。2018 年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在瓊東南盆地實施了鉆探航次（GMGS5），發(fā)現(xiàn)了塊狀（圖3D）、層狀、結(jié)核狀、脈狀和分散狀水合物樣品，水合物飽和度0～63%（Wei et al.，2019）。

圖3 中國采獲的天然氣水合物樣品A.南海神狐分散狀水合物在水中強烈冒泡（Zhang et al.，2007）；B.南海東沙塊狀水合物（Zhang et al.，2014）；C.南海東沙脈狀水合物樣品（Zhang et al.，2014）；D.南海瓊東南盆地塊狀水合物樣品（Wei et al.，2019）；E.臺灣西南斜坡塊狀水合物樣品（Huang et al.，2021）；F.青海木里裂隙面上的水合物（祝有海等，2009）Fig.3 Photos showing natural gas hydrate samples obtained in China

臺灣西南斜坡也是形成天然氣水合物的有利地區(qū)，由于南海板塊俯沖于呂宋島弧之下并與之碰撞，形成以恒春海脊為代表的疊瓦狀增生楔，其上發(fā)現(xiàn)了面積達(dá)2 ×104km2的BSR，并推測該區(qū)域存在天然氣水合物（Chi et al.，1998；Reed et al.，1992；Chow et al.，2000）。2018 年，臺灣利用法國R／V Marion Dufresned調(diào)查船上的大型活塞取樣器在臺灣西南斜坡的兩個站位上采到塊狀水合物樣品（圖3E），其中一個產(chǎn)于海底之下約5.5m 處，另一個產(chǎn)于氣煙囪附近的近海底處（Huang et al.，2021）。

西沙海槽位于西沙群島的北部，是一近東西向的弓形海槽，長約430km，槽底寬6～14km，水深1500～3400 m，有利于形成天然氣水合物。1999 年10 月，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在西沙海槽發(fā)現(xiàn)典型的BSR 標(biāo)志，面積達(dá)5700km2，BSR 分布于海底之下180～750m，其上發(fā)育厚約80～620m的振幅空白帶（蘇丕波等，2010）。隨后該區(qū)發(fā)現(xiàn)一系列地質(zhì)、地球化學(xué)標(biāo)志，如冷泉碳酸鹽、孔隙水異常、烴類氣體異常等，找礦前景良好。

南海南部特別是南沙海槽、曾母盆地、巴拉望盆地具有良好的天然氣水合物形成條件，其中南沙海槽為NE-SW 向的深海槽，水深2800～2900m，油氣資源豐富。國外對南沙海槽天然氣水合物的調(diào)查研究較早，Hinz et al.（1989）利用巴拉望─沙巴外海采集的多道地震資料進(jìn)行處理分析，最早報道了南沙海槽存在BSR，Berner and Faber（1990）再次報道了在南沙海槽識別出BSR。隨后，比較淺的SMI、甲烷含量異常、自然鋁等可能與天然氣水合物分解有關(guān)的地質(zhì)地球化學(xué)標(biāo)志相繼被報道（陳忠等，2007），顯示出南沙海槽可能存在天然氣水合物。

此外，在文萊─沙巴盆地的Gumusut-Kakap 深水油氣區(qū)中也發(fā)現(xiàn)有BSR，在鉆穿水合物層位時泥漿池中有氣泡釋出，并伴隨有測井響應(yīng)，推測有水合物存在。BSR產(chǎn)于海底之下150～180m處，側(cè)向連續(xù)分布，測井證據(jù)顯示水合物層厚約150m，飽和度20%～50%（McConnell et al.，2012）。

南海西南部也廣泛發(fā)育有BSR，如萬安盆地、曾母盆地等。BSR 通常產(chǎn)于海底之下數(shù)百米處的上新統(tǒng)—第四系沉積物中，水深1200～3000m，且往往與底層水水溶甲烷異常相伴生，顯示也有可能存在天然氣水合物（Trung et al.，2012）。

2.2 東海沖繩海槽

東海沖繩海槽是西太平洋溝-弧-盆體系中的一個弧后盆地，長約1200km，寬100～230km，面積約22 ×104km2。初步研究結(jié)果顯示，沖繩海槽特別是其北側(cè)槽坡具備形成天然氣水合物的溫壓、氣源及構(gòu)造條件。多道地震資料顯示沖繩海槽存在有較為可靠的BSR、振幅空白帶、極性反轉(zhuǎn)、速度反轉(zhuǎn)等地球物理標(biāo)志，BSR 主要分布于沖繩海槽南部，中部次之，北部較少，其分布水深一般在300～1500m，多位于海底之下380～470m（方銀霞等，2001；徐寧等，2006）。此外，沖繩海槽還發(fā)現(xiàn)一些與水合物有關(guān)的地質(zhì)、地球化學(xué)標(biāo)志，如海底冷泉、泥火山、底層海水烴類異常、碳酸鹽結(jié)核、自生黃鐵礦等，并在沖繩海槽中部的JADE 熱液活動區(qū)發(fā)現(xiàn)CO2水合物（Sakai et al.，1999），顯示出良好的天然氣水合物找礦前景。

2.3 青藏高原

中國是世界上第三凍土大國，在青藏高原和大興安嶺地區(qū)存在著大片凍土區(qū)，多年凍土面積達(dá)215 ×104km2（周幼吾等，2000）。鑒于凍土區(qū)天然氣水合物的重要意義，中國地質(zhì)調(diào)查局自2002 開始對我國凍土區(qū)天然氣水合物的成礦條件、異常標(biāo)志和找礦前景開展調(diào)查研究，迄今已在青藏高原發(fā)現(xiàn)水合物產(chǎn)地一個，推測產(chǎn)地兩個。

祁連山木里地區(qū)的天然氣水合物發(fā)現(xiàn)于2008年，是世界上第一個在中緯度高山凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物。水合物均產(chǎn)于凍土層之下，埋深133～396m，主要賦存于中侏羅統(tǒng)江倉組，水合物以薄層狀、片狀、團(tuán)塊狀賦存于粉砂巖、泥巖、油頁巖的裂隙面中（圖3F），或是以浸染狀賦存于細(xì)粉砂巖的孔隙中。水合物中的氣體組分較為復(fù)雜，除甲烷外還含有較高的乙烷、丙烷等重?zé)N組分，部分樣品甚至還含有一定量的CO2，為一種較為罕見的水合物（祝有海等，2009）。

昆侖山埡口盆地為上新世—中更新世斷陷盆地，面積約50km2，沉積了約600m 厚的新近紀(jì)—第四紀(jì)沉積物。2013 年施工的昆鉆3 井（KZ-3），發(fā)現(xiàn)了一系列天然氣水合物賦存的證據(jù)，如在250m 以下的多個巖層中發(fā)現(xiàn)大量氣體釋放現(xiàn)象，甲烷含量達(dá)22%～32%，且具有天然氣水合物分解的間歇性釋放特征。這些氣體釋放層位還伴有密度降低、側(cè)向電阻率和聲波波速增大等測井標(biāo)志，并發(fā)現(xiàn)有與水合物分解有關(guān)的自生碳酸鹽、黃鐵礦等自生礦物標(biāo)志，顯示這一地區(qū)可能賦存有天然氣水合物（吳青柏等，2015）。

2015 年，青海南部烏麗地區(qū)TK-2 孔于52～241m間的二疊系那益雄組巖心中，發(fā)現(xiàn)有強烈冒泡、“冒汗”現(xiàn)象（水合物分解后釋放出氣體和水），并有紅外低溫異常、點火助燃等標(biāo)志，測井曲線上呈現(xiàn)出密度降低、聲波速度增大、側(cè)向電阻率增高等標(biāo)志，并有泄氣構(gòu)造、自生礦物及鹽析現(xiàn)象等，具有明顯的天然氣水合物賦存標(biāo)志。此外，2016 年施工的TK-3 孔氣測錄井結(jié)果顯示，在那益雄組多層段發(fā)現(xiàn)豐富CO2顯示，CO2含量最高達(dá)91.09%，平均為31.03%，暗示該地區(qū)有可能存在CO2水合物（劉暉等，2019）。

3 天然氣水合物資源潛力

天然氣水合物資源量（Resources）是指地層（沉積物）中所蘊藏的水合物資源總量，不管發(fā)現(xiàn)與否以及能否被開發(fā)利用。依據(jù)工作程度可將資源量分成已發(fā)現(xiàn)資源量（Identified Resources）和待發(fā)現(xiàn)資源量（Undiscovered Resources）兩部分，并可進(jìn)一步細(xì)分成潛在（Speculative）資源量、理論（Hypothetical）資源量、推測（Inferred）資源量、推定（Indicated）資源量、可采（Probable）資源量和探明（Proved）資源量等（圖4）。儲量（Reserves）則指經(jīng)過合理評價得出的有經(jīng)濟(jì)開發(fā)價值的天然氣水合物量，依地質(zhì)工作程度可細(xì)分成推測（Inferred）儲量、推定（Indicated）儲量、可采（Probable）儲量和探明（Proved）儲量等（Milkov，2004）。

圖4 天然氣水合物資源潛力評估術(shù)語及其實例Fig.4 Evaluation terms and examples of the resource potential of natural gas hydrates

姚伯初（2001）運用體積法對南海天然氣水合物資源量進(jìn)行估算，結(jié)果約為64.3 ×1012m3。隨后，其他學(xué)者也用體積法對南?；蚱渚植康貐^(qū)的水合物資源量進(jìn)行計算（表2、圖5），其中南海北部天然氣水合物資源量約為15 × 1012m3（Wu et al.，2005），南海南部約為23.2 ×1012m3（王淑紅等，2005），瓊東南盆地約為1.6 ×1012m3（陳多福等，2004）。梁金強等（2006）則利用“概率統(tǒng)計法”對南海天然氣水合物資源潛力進(jìn)行了估算，結(jié)果表明在90%概率下約為7.6 ×1012m3，在50%概率下約64.9 ×1012m3，在10%概率下約195.1 ×1012m3，其中值與前人用“體積法”的預(yù)測結(jié)果基本相當(dāng)。葛倩等（2006）運用Visual Basic Net 編程分析南海水合物穩(wěn)定帶得出的水合物資源量約為6 ×1012m3，比大多數(shù)學(xué)者的估算結(jié)果低了一個數(shù)量級。

表2 中國天然氣水合物資源潛力估算表Table 2 Resource estimates of natural gas hydrates in China

圖5 中國天然氣水合物資源潛力估算結(jié)果變化圖Fig.5 Resource estimates of China’s natural gas hydrates

東海沖繩海槽天然氣水合物的資源量也較為可觀，方銀霞等（2001）依據(jù)穩(wěn)定帶計算出的資源量約為24.1 ×1012m3，陳建文（2014）的估算結(jié)果與此類似。唐勇等（2005）也利用穩(wěn)定帶分別計算了南區(qū)資源量為18.9 ×1012m3、中區(qū)為3.3 ×1012m3、北區(qū)為10.4 ×1012m3，總資源量為32.6 ×1012m3。楊文達(dá)等（2004）則根據(jù)BSR 等異常標(biāo)志估算出東海陸坡區(qū)的資源量為（1.97～9.86）×1012m3，比前兩者低一個數(shù)量級。

陸域凍土區(qū)的估算結(jié)果差異較大，陳多福等（2005）依據(jù)穩(wěn)定帶估算的青藏高原資源量為（0.12～240）×1012m3，庫新勃等（2007）估算的結(jié)果為（4.5～298）×1012m3。祝有海等（2011）運用體積法估算出的青藏高原天然氣水合物資源量為（10.8～90.7）×1012m3，運用蒙特卡羅法估算出的資源量則為（21.9～153）×1012m3，綜合體積法和蒙特卡羅法后青藏高原的資源量約為70 ×1012m3，東北漠河盆地資源量約為5.5 ×1012m3，我國凍土區(qū)總資源量約為75.5×1012m3。最近，Wang et al.（2018）也估算了我國陸域凍土區(qū)的水合物資源量為（3.5～5.1）×1012m3，其中青藏高原為（1.7～2.8）×1012m3，東北漠河盆地為（0.5～0.8）×1012m3，西北地區(qū)為1.2 ×1012m3，比其他學(xué)者的估算結(jié)果低了一個數(shù)量級。

綜合上述各家估算結(jié)果，南海天然氣水合物資源量約為64 ×1012m3，東海沖繩海槽約為24 ×1012m3，陸域凍土區(qū)的保守資源量約為38 ×1012m3，全國合計約為126 ×1012m3，這一結(jié)果顯示我國具有巨大的天然氣水合物資源潛力，約是我國常規(guī)天然氣資源量（63 ×1012m3；李建忠等，2012）的2 倍，占全球天然氣水合物總資源量的0.60%。

以上只是根據(jù)天然氣水合物穩(wěn)定帶或BSR 及地質(zhì)、地球化學(xué)證據(jù)推算的天然氣水合物資源量，最多只能達(dá)到推測資源量量級。2007 年后分別在南海神狐、東沙和祁連山木里地區(qū)鉆獲天然氣水合物樣品，據(jù)此就可根據(jù)鉆探取心、測井、原位溫度和孔隙水等詳細(xì)測試資料，能較準(zhǔn)確地確定天然氣水合物的分布特征及有關(guān)參數(shù)，進(jìn)而更準(zhǔn)確地計算天然氣水合物資源量，如Wu et al.（2010）根據(jù)神狐鉆探區(qū)的各種參數(shù)（水合物分布面積15km2，含水合物層厚度10～40m，沉積物孔隙度55%～65%，水合物飽和度20%～48%等），認(rèn)為在概率為50%條件下，神狐鉆探區(qū)的資源量約為160 ×108m3。王秀娟等（2010）則依據(jù)鉆探結(jié)果，對神狐約350km2的BSR分布區(qū)進(jìn)行估算，結(jié)果表明水合物資源量約為1.03×1011m3。沙志彬等（2015）則通過東沙地區(qū)23 個鉆孔圈定的55 km2內(nèi)水合物資源量進(jìn)行估算，結(jié)果為（1.0～1.5）×1011m3。盧振權(quán)等（2010）依據(jù)祁連山木里地區(qū)較詳細(xì)的鉆探數(shù)據(jù)，計算0.04km2鉆探區(qū)內(nèi)孔隙中的水合物資源量約為6.24 ×104m3，裂隙中的資源量約為88 ×104m3，總資源量約為94.2 ×104m3。李永紅等（2015）則依據(jù)進(jìn)一步的鉆探成果，對木里三露天地區(qū)兩個塊段（面積分別為0.6 km2和0.25 km2）進(jìn)行了評價，其資源量約為213.85 ×104m3。以上局部鉆探地區(qū)的各種參數(shù)較為準(zhǔn)確，鉆孔數(shù)量也較多，所計算的資源量能達(dá)到推定資源量級，甚至可達(dá)到可采資源量或探明資源量級。

4 天然氣水合物試開采

目前國際上先后在俄羅斯麥索雅哈、加拿大馬更些三角洲、中國祁連山、美國阿拉斯加北坡凍土區(qū)和日本南海海槽、中國南海神狐地區(qū)進(jìn)行過開采試驗（圖6、表3）。俄羅斯麥索雅哈氣田早在1969年就用減壓法和注入化學(xué)試劑法（如甲醇和CaCl2）對水合物進(jìn)行開發(fā)，是目前世界上唯一的商業(yè)化開發(fā)案例，并穩(wěn)產(chǎn)至今（Makogon et al.，2007）。但麥索雅哈案例只是常規(guī)氣田開發(fā)時的意外收獲，常規(guī)天然氣的開發(fā)降低了儲層壓力，促使上覆水合物層分解。加拿大麥肯齊三角洲的Mallik地區(qū)則是第一個進(jìn)行水合物開采試驗的地區(qū)，2002 年的第一次試采，通過向井中注入約80℃的鉆井液來分解水合物，123.65 小時內(nèi)共產(chǎn)氣516 m3，具有天然氣水合物開發(fā)利用史上的里程碑意義。2007 年在Mallik地區(qū)采用減壓法進(jìn)行了第二次試采，但因出砂問題只持續(xù)了不到一天就不得不終止。2008 年采用減壓法進(jìn)行第三次試采，連續(xù)生產(chǎn)了6 天，總產(chǎn)量達(dá)到1.3 × 104m3，顯示出減壓法試采的良好前景（Yamamoto and Dallimore，2008）。2012 年在美國阿拉斯加北坡Ignik Sikumi地區(qū)成功進(jìn)行了CO2置換法試采，30 天的試采共采獲氣體約2.4 × 104m3（Boswell et al，2018）。2013 年，日本在其東南部的南海海槽進(jìn)行了世界上首次海域水合物試采，運用降壓法連續(xù)生產(chǎn)了6 天，總產(chǎn)氣量12 × 104m3（Konno et al，2017），但因出砂嚴(yán)重不得不提前結(jié)束試采。2017 年，日本在南海海槽進(jìn)行了第二次試采，兩口井共試采36 天，產(chǎn)氣量為23.5 ×104m3（Yamamoto et al.，2019）。

圖6 全球天然氣水合物試采地分布圖Fig.6 Map showing locations of test production of global natural gas hydrates

表3 全球天然氣水合物試采狀況簡表Table 3 Overview of test production of global natural gas hydrates

4.1 祁連山木里地區(qū)試采

2011 年9—10 月，我們用降壓法和加熱法對祁連山木里地區(qū)天然氣水合物進(jìn)行了試采。本次試采采用單直井方案，在DK-8 試采孔確定水合物產(chǎn)出層位后，安裝開采套管（花管）并固井止水，然后在井底安裝高壓潛水泵，對井深146～305m 間的水合物層進(jìn)行分層試采。試采過程中，啟動孔底潛水泵進(jìn)行排水，隨著水位的降低，水合物儲層的壓力下降，促使水合物分解釋放出甲烷氣體（圖7A），然后在地表回收。降壓試采結(jié)束后，采用電磁加熱、太陽能加熱和水蒸氣加熱等方法進(jìn)行試采。試采共斷續(xù)進(jìn)行9 天，累計101 小時，產(chǎn)氣量為95m3。

圖7 中國天然氣水合物試采點火燃燒照片A.2011 年祁連山木里地區(qū)單直井試采；B.2016 年祁連山木里地區(qū)水平對接井試采；C.2017 年南海神狐海域直井試采；D.南海神狐海域水平井試采Fig.7 Photos showing flames from the gas hydrate of test production fields in China

2016 年10—11 月，為提高開采效率和產(chǎn)氣量，我們運用“山”字形水平對接井對祁連山木里地區(qū)的天然氣水合物進(jìn)行再次試采，由1 口主井（SK-0）和水平距達(dá)629.7m 的2 口分支井（SK-1 和SK-2）組成（圖8），試采目標(biāo)層為地下350m 處的水合物富集層，試采方法為排水降壓法。試采分兩個階段進(jìn)行，累計生產(chǎn)23 天，總產(chǎn)氣量1078.4m3，最高日產(chǎn)量136.55m3（圖7B）。與2011 年的單井試采相比，水平井試采產(chǎn)量明顯提高，說明水平井是提高產(chǎn)量的有效方法。

圖8 祁連山木里地區(qū)“山字型”水平對接井結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Diagram showing structure of an epsilon-shaped horizontally butted well in the Muli area of Qilian Mountain

4.2 南海神狐地區(qū)試采

2017 年5—7 月，中國地質(zhì)調(diào)查局優(yōu)選南海神狐地區(qū)實施海域水合物首次試采，由“藍(lán)鯨一號”平臺實施，試采井位SHSC-4 井水深1266m，試采目標(biāo)層為海底以下203～277m 間的粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂儲層。自2017 年5 月10 日開始試采點火（圖7C），至7 月9 日主動關(guān)井，共連續(xù)試采60 天，總產(chǎn)氣量30.9 ×104m3，平均日產(chǎn)量0.52 ×104m3，最高日產(chǎn)量達(dá)3.5 ×104m3（Ye et al.，2018）。本次試采取得了持續(xù)產(chǎn)氣時間最長、產(chǎn)氣總量最大的世界紀(jì)錄，使我國水合物試采技術(shù)躍居世界前列。

針對南海非成巖天然氣水合物的賦存特點，周守為等（2019）提出固態(tài)流化試采方案，其核心思想是將淺層非成巖天然氣水合物礦體通過機械破碎流化轉(zhuǎn)移到密閉的氣、液、固多相舉升管道內(nèi)，利用舉升過程中海水溫度升高、靜水壓力降低的自然規(guī)律使水合物逐步氣化，實現(xiàn)深水淺層天然氣水合物安全試采。基于這一機理于2017 年5 月25 日在南海北部荔灣3 站位（鄰近前述神狐地區(qū)SHSC-4 試采井），對水深1310m、埋深117～196m 處的水合物礦層進(jìn)行了為期10 天的試采，產(chǎn)氣量為81 m3（周守為等，2017）。隨后，周守為院士等提出加強天然氣水合物、淺層氣、常規(guī)油氣等三氣合采的新思路。

中國地質(zhì)調(diào)查局于2019 年10 月—2020 年4 月對南海神狐地區(qū)水深1225 m 的水合物層進(jìn)行了第二次試采。本次試采攻克了鉆井井口穩(wěn)定性、水平井定向鉆進(jìn)、儲層增產(chǎn)改造與防砂、精準(zhǔn)降壓等一系列深水淺軟地層水平井技術(shù)難題，采用水平井開采技術(shù)，大大增加了井眼與儲層的接觸面積，實現(xiàn)連續(xù)試采30 天，總產(chǎn)氣量86.14 ×104m3，日均產(chǎn)氣2.87 ×104m3，是首次試采日產(chǎn)氣量的5.57 倍，大大提高了日產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣總量（圖7D）。試采監(jiān)測結(jié)果表明，整個試采過程海底、海水及大氣甲烷含量無異常（葉建良等，2020）。

最值得關(guān)注的是，神狐地區(qū)的試采目標(biāo)層是極細(xì)粒的泥質(zhì)粉砂儲層，具有低孔隙度、低滲透率等特點，且松軟易塌，技術(shù)難度遠(yuǎn)極大。本次試采是世界水合物開發(fā)利用史上的一項重大突破，有可能改變水合物資源開發(fā)利用“金字塔”的結(jié)構(gòu)版圖（圖9）。傳統(tǒng)上一直認(rèn)為位于金字塔塔尖上的凍土區(qū)砂質(zhì)儲層中的水合物開采前景最好，海底砂質(zhì)儲層中的水合物次之，而海底泥質(zhì)粉砂儲層中的水合物因低孔隙度、低滲透率開采難度極大（Boswell and Collett，2006）。本次試采有可能使得位于金字塔塔基且資源量巨大的水合物成為未來的開發(fā)對象。

圖9 天然氣水合物資源金字塔分類示意圖（據(jù)Boswell and Collett，2006修改）Fig.9 Diagrammatic sketch showing the pyramid classification of natural gas hydrate resources

5 結(jié)語

中國是能源短缺國家，天然氣水合物具有巨大的能源潛力，盡管對其的調(diào)查研究起步較晚，但近期在資源調(diào)查、試采方面進(jìn)展神速，部分領(lǐng)域已躍居世界前列。天然氣水合物的開發(fā)利用既是機遇，也是挑戰(zhàn)，如何盡快開發(fā)這一規(guī)模巨大的潛在能源，緩解中國能源供應(yīng)緊張的局面，需要我們?nèi)轿弧⒍鄬哟?、多學(xué)科地開展各項調(diào)查研究，近期宜繼續(xù)加大資源調(diào)查力度，盡快查明資源家底，同時加強試采技術(shù)研究并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和環(huán)境評價，加快商業(yè)化開發(fā)進(jìn)程，使這一潛在能源能在不久的將來真正造福于人類社會。