天然气水合物
? 未来新能源及其勘探开发难度
中国工程院院士 刘广志
一
20世纪40年代初，国内外科学界对天然气水合物的化学成分、物理结构、形成机制以及其生成与赋存环境与条件都知之甚少，以致对一些突发事件无法解释。例如第二次世界大战胜利后，在南美的百慕大地区不知何故引起天然气水合物的巨量分解，造成严重的海水汽化和海啸，使在该海域航行的数艘船只沉没海底；由于严重的海啸产生的海水动荡和气流负压卷吸作用，竟然将五架军用飞机吸入海底，无影无踪。当时无法解释这种怪现象，于是有人将百慕大地区称为“魔鬼三角”。那时欧洲一带海上石油钻探处于初始阶段，在钻探船定位地点钻探石油，对海域天然气水合物未经勘察，致使天然气水合物大量释放，施工海域的海水严重汽化，顿时数艘钻井平台相继倾覆。
20世纪60年代以后，由于海洋科学钻探(DSDP和ODP，Deep Sea Drilling Programe and Ocean Drilling Programe)的大力开展，海上地球物理勘察技术迅速发展。如长距离的地震勘查海床模拟反射(BSR，Bed Simulating Refliction)方法的应用，在世界范围的陆缘地区、海湾地区发现了大量天然气水合物的赋存区域，引起了全世界科学技术界的惊讶和普遍关注，各发达国家政府大量投资，开展研究工作。此后，在北美的北部、美国和加拿大接壤的地区，以及俄罗斯北部的永冻层地区也陆续发现了大量的天然气水合物。
天然气水合物是一种清洁能源，是可持续发展的绿色能源，已经成为大多数国家在能源战略平衡发展中必须加以考虑的重要因素。在地球上矿物能源日益短缺的今天，天然气水合物无疑给人类带来一种新的希望。据目前一些专家们估计，全世界天然气水合物的资源量约为5×1018m3，相当于目前世界年能源消耗的200倍。据1999年11月日本资源能源厅调查，日本南部海沟的4200km2范围内，其蕴藏量为日本年天然气消耗量的1400倍。
二
煤、石油、天然气是当今世界各国的主要矿物能源，已开采使用近百年。据专家们估计，再有30~40年左右，就会面临能源枯竭的局面。国际能源机构曾指出世界油气产量在2001~2020年将达到顶峰，此后，就不可避免地持续下降。强烈的能源忧患意识产生寻找新的替代新能源的热潮。估计90%的海域和占陆地26%的高纬度长年永冻区所发现的天然气水合物，势必引起各国政府和企业界的高度重视，投巨资、强化研究、希冀尽快有新的突破。
1934年美国科学家在冬季低温情况下，首次发现长距离输气管道被一种白色结冰(即天然气水合物)所堵塞，不仅影响输气，还很难处理，引起了对堵塞管道的天然气水合物的研究。
1965年前苏联在西伯利亚麦索亚哈气田，发现了天然气水合物的矿层，引起许多国家科学家的
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重视。
20世纪70年代世界各大陆边缘和高纬度极地永冻层发现天然气水合物，主要为甲烷水合物，为世界范围的广泛认可。在美国，新泽西州和乔治亚天然气水合物集中区已经绘在图上。美国东南部海外有一处(仅30000 km2)处于快速沉积形成山脊带，蕴藏着美国年消耗天然气量近30倍的天然气水合物，这一地区称为布拉克山脊(Black Ridge)。与此同时，在许多其他地区，如西伯利亚、表麦齐河三角洲、阿拉斯加的北坡，都探察到可观数量的天然气水合物，北坡地区还试钻了两口开发井，取得了可喜的效果。从库页岛以东的鄂霍茨克海中，水深708m处，贯入海底沉积物2m取出了形状不规则的天然气水合物岩心。
1979年深海钻探计划(DSDP)第66、67航次和此后的大洋钻探计划，都取得了岩心，发现了天然气水合物。
1974年前苏联在黑海1950m水深处，取得天然气水合物冻状样品。此后在黑海、贝加尔湖等地海底取样与地震探测，纷纷发现天然气水合物。
1980年末德国用“太阳号”调查船与其他国家合作，先后在东太平洋、西太平洋白令海域、南沙海槽、苏拉威西海域都获得了样品和地震标志。
日本是个矿物能源缺乏的国家，1991年底，据日本资源能源厅公布勘查结果：在静岗至四国海域的南部海沟，有厚达30m、面积为42000km2的埋藏可燃冰，约等于日本年天然气产量的1400倍，埋藏量约74000亿m3，可供100年使用的天然气水合物。
1999年国土资源部中国地质调查局广州海洋地质调查局，拥有海洋调查船4艘，在我国海域南海北部西沙海槽区采集高分辨率多道地震测线534.3km，至少在130km剖面上识别出BSR标志，矿层厚80~300m，拉开了我国天然气水合物资源调查的序幕。2000年该所又完成了高分辨率多道地震测量1523.3km，多波束海底国土资源部广州海洋地质调查局海洋地质、地球物理综合调查船及调查设备简表 地形测量703.5km及多种现
船参数及拥 有的设备 代化取样措施，经综合分析调查船参数 拥有的调查设备 船 名 表明，南海北部西沙海槽区
a.地质采样设备 的天然气水合物存在面积较船长104.21m，宽13.7m，b.导航定位设备 吃水深度4.95m满载排水大，是一个可观的远景区，c.环境调查设备 “海洋四号”船 量3300t，主机为2台d.地球物理调查设备 2001年至今工作仍在继续。 4800HP柴油机，副机台e.现场分析及测试设备 2100kw，续航能力30天 国家海洋局二所也传来f.Seabeam-2112深水多波束测深系统 捷报，预示已找到可燃冰大a.地震采集震源系统、地震采集电缆接船长86.63m，宽14m，吃收系统、地震采集数据记录系统、地震量存在的BSR标志。经初步
水深度4.87m，总吨位资料处理系统； 估算，勾画出分布区域，计“探宝号”船 2619t，主机为4台柴油机，b.导航定位控制系统 共5700匹马力，巡航速度c.重力测量系统(KSS-5型海洋重力仪) 算出稳定带的厚度，对其资
15.5节，续航能力60天 d.磁力测量系统(G821磁力仪) 源量作出评估，约为中国石e.水深测量系统(Simrad EA200测深仪) 油总量的1/2。 a.地震采集震源系统、地震采集电缆接船长68.45m，宽10m，吃收系统、地震采集数据记录系统； 经过世界各国政府和科水深度3.7m，总吨位b.导航定位控制系统； 856.84t，主机为2台柴油学家的努力，一个世界范围“奋斗四号”船 c.重力测量系统(KSS-5型海洋重力仪) 机，共2200匹马力，巡航d.磁力测量系统(G801磁力仪) 勘查海底天然气水合物的战速度14节，续航能力30e.水深测量系统(DSF-6000测深仪) 天 役已经沸沸扬扬地展开，发f. Seabeam-EM950浅水多波束测深系统 现矿区与日俱增，1980年仅船长68.45m，宽10m，吃a.地震采集系统(单道、浅剖、旁扫和水深度3.75m，满载排水量OU高分率地震仪)； 9处，到2000年已猛增到88
3300t，主机为2台1100HPb.导航定位控制系统； “奋斗五号”船 处。 柴油机，副机共900kw，c.钻探设备(300米钻机)； 巡航速度1-15节，续航能d.地质采样设备；
力20天 e.水深测量系统(DSF-6000测深仪)
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三
天然气水合物是由甲烷和水(CH4·H2O)在不同的低温(1~10℃)，高压(>3MPa)的条件下构成的, 天然气水合物结晶结构图见图1。呈固体状态，外观像冰或固体酒精，取到地面上来，点火就可以燃烧，所以又叫“可燃冰”。1m3的“可燃冰”可释放约为164m3天然气释放的能量。专家们乐观地认为：即使在世界矿石能源枯竭的情况下，“可燃冰”将为人类提供可持续性、替代性新能源带来新的希望。而且，据广州海洋地质调查局金庆焕院士提供“世界各大洋可燃冰赋 存区域图”表明，其总能量约为煤、油、气总和的2~3倍，
图1 天然气水合物结晶结构图
分布地域之广令人惊讶。天然气水合物在不同的低温高压条
件下水分子的氢键连接形成不同的笼式、空洞、孔穴，其间充满以甲烷为主的气体，其分子式是MnH2O，M代表甲烷(Methane)，n代表水分子数。世界各海区已知海底天然气水合物分布，见图2和图3(均由金庆焕院士提供)。
图2 世界各大洋海底天然气水合物赋存区域 及其地质地理位置编号图
图3 东北亚海域天然气水合物分布图
四
国际上预测：世界各地海底地球浅壳层(海底约300~1500m)，普遍存在着几乎是纯甲烷的天然气水合物，仅甲烷有机碳储量就约为全球石化燃料含碳量的2倍，燃烧结果为H2O和CO2。尽管预测总量还不一定准确，但天然气水合物作为能源重要载体作为未来可替代新能源的看法是深信不疑的。
然而事物都有好坏、优劣的两个方面：甲烷是一种反应快，影响明显的温室气体，导致全球气候变暖作用，要比二氧化碳大10多倍。据计算，天然气水合物中甲烷含量约为大气中甲烷总量的3000倍。一旦天然气水合物失去稳定，大大加剧全球气候变暖的趋势将不可小视。此外，还会产生海啸、滑坡、油气管道堵塞、爆炸等灾害，对此是要有足够的安全预防措施。
如果不久的将来，钻井和开采天然气水合物的设备、工艺过关成熟，在高科技控制下，供工业使用或作为化工原料是不应该有问题的。至于民用的前景如何，还很难预料。当前石油、天然气钻采与集输已逾百年，技术成熟，市场竞争激烈。在许多技术难题未尝解决或刚刚解决，形成一套完
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整天然气水合物钻采工艺的初期，天然气水合物的商业价格会高于石油、天然气的。它的钻采费用、经济开采价值，关键是要看2015~2020年这十几、二十几年各国科研成果如何了。
五
天然气水合物的科研工作，引起了世界各国政府的高度重视，美、俄、日、法、瑞典等国较为广泛、深入，并且科研经费高投入支撑此项工作，期望钻探设备与工艺早日进入商业开采阶段。科研范畴大致分为两大领域：一为以地质、物探为基础的基础科学研究，另一重大领域是海上大量已知天然气水合物矿藏的钻探、开采、集输、安全技术等等。后者比前者要难度高、投资大。
美国：1995年他们动用了ODP大洋科学钻探船JOIDES Resolution决定号(当前世界上钻探设备最完备的深海钻探船)对美国东部的布拉克海域进行了3个月164航次的勘察，完成一系列深海勘探，证明水合物分布广泛、连续，有商业开采价值。水合物矿层下面还有游离气体，有经济意义。该海域水合物资源量可供美国105年需要。1988年通过一个为期10年天然气水合物研究与资源开发计划，年投入2
千万美元，2010年达到预期目
标，2015年投入工业生产。
日本：80年代末，与ODP
合作深入到东北亚天然气水合物重要富集区，经ODP127，131
航次进行日本周边深海钻探，获
取天然气水合物与BSR异常区，据说还在海槽完成了两口试验
井，获高达42000km2的水合物资源量，可供日本用100年，从而投资6.4千万美元，执行
1995~1999年研究计划。 印度：1995年以后，认为天然气水合物已成为地质工作主
题。投资5.6千万美元对印度东西海域，勘察到BSR异常区，表明有良好找矿前景。
我国开发海域油气钻探已有30余年的历史，也积累了许多施工经验，但我国目前拥有的半潜
式或自升式钻井船没有动力定位系统(Dynamic positioning
图4 海洋天然气水合物勘探开发存在的主要难题
说明(作者解读)：
本图选自日本海洋钻井公司市川佑一郎文“甲烷水合物的勘探与开发”，
勘探所田志坤译。
图面显示左侧曲线图是地表、海水与地层三处温度相关关系曲线，说明水合物形成时的地层温度条件。
右侧曲线图显示地层压力梯度与地层破坏压力梯度(单位：atm/m)，以
警示钻进压力达到地层压力时，水合物释放大量气体，造成海水汽化，酿成
巨大海难事故。 图中间的两条钻井船：
左侧表明一条普通钻井船，或是半潜式钻井船。这类钻井船没有动力定位系统(DPS)，有时附加上抛锚定位，也不配备隔水管；一些普通钻井船只
从井底到海底井口装一段隔水管，管头装一个漏斗，叫“重返装置”，为了下钻具时，钻头能顺利进入(重返入井口)；有时在海流和风速较大时，钻头
和井口重返装置之间还要装上声纳器，钻头和重返装置的声纳器相互呼应，
以便帮助钻具进入井口。这类船只能在海上钻探浅层石油。
右侧是一艘比较齐全的钻井船。它配备动力定位系统(DSP)，船艏和船尾装有推进器，以随时调整船的前后位置和方位，保持船位基本稳定。有时
还要辅助以抛锚定位，才能保持船的平稳性更好。这种船的隔水管是从井底一直装到船甲板上，以便使泥浆从井口泵入，到井底直接循环回船甲板。每
节隔水管外还包扎一捆塑料作漂浮物，减轻隔水管重量。隔水管柱的井口处还得装上防喷器组(BOPS)和压井管线，在必要时由甲板上液压系统通过管
线输送高压油关闭防喷器。 这类钻井船是迄今为止，设备最先进的，用隔水管系统和动力定位系统
装备起来的钻井船，也就是IODP设计制造的隔水管系统科学钻探船(IODP Scientific Riser System Driling Vessel)，它比DSDP用的GLOMAR
CHALLENGER(挑战者号)和ODP用的RESOLUTION(决心号)的装备都先进，看来，日本人是想在勘探与开发天然气水合物上，下些功夫以期有所突
破。
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system，即DPS)，井口无钻具重返井孔的引导声纳装置，对取心钻探过程中，起下钻具频繁作业，难以完成。半潜式钻井平台(见图4)也没有DPS系统，靠抛锚定位，而且隔水管系统与防喷气组(BOP)，可以遥控，但隔水管系统不能像图中所示，一直可延伸到半潜式钻井船上，依然解决不了钻具返钻孔作业的需要。
更为严重的是，天然气水合物低温热水熔解后，它很可能从海底井口四周溢出，从而造成海水气化，或造成海底井口周围地基下沉，或BSR底部下沉，若发生这类情况是很难补救与处理的，而且会造成海难。
因此，考虑适合我国国情的水合物勘探开发钻探计划的思路，我认为制定一个逐步渐进的发展原则为好：先钻采陆地永冻层水合物→滨海从陆缘钻大位移水平井→下海钻采水合物
这个原则体现了：
(1)先易后难，与时俱进，逐步提高；
(2)赢取时间充分准备高科技钻探船的设计建造； (3)先陆路练兵，再下海开发。 中国：我国这方面研究的勘察工作，开展较晚，但在东海、南海、黄海海域都发现了大面积BSR标志层，分别作为水合物的顶底界，西沙海槽一带约在海底下200~700m。
当前参加研究的单位很多，投资分散，基础研究过于重复分散，但另一重要方面的钻探，完井工艺、安全等方面的研究项目极少，投资很少，科技力量不足等，制约了水合物的深入勘探与开发。
六
天然气水合物矿藏的最终勘探与开发还必须通过钻探工程、海上施工，我国困难很多，因此提出一项建议：
借修青藏铁路之机，勘探开发铁路沿线永冻层中蕴藏的天然气水合物资源。
天然气水合物是近年来在世界范围内发现的一种可替代性的新能源，它是以甲烷为主的可燃气体，在低温高压环境下和水形成的一种外貌很像冰的固体燃料，点火就可以燃烧，所以又叫“可燃冰”。难怪发现它以后，立刻引进了全世界各国的高度重视，迄今为止，沿各大陆的海域边缘(陆缘)地带的海里都有发现，此外，在北美洲沿北极海一带的长年永冻层里也大量发现。经过科学家的测试，1m3的“可燃冰”能释放出164 m3的甲烷气体。而且矿层分布极为广泛，目前在世界各海域已发现88处“可燃冰”矿区，据估计天然气水合物中的甲烷的碳总量约是全球石油、天然气和煤中的碳总量的2倍。专家们乐观的认为：即使在世界矿物能源枯竭的情况下，“可燃冰”将会为人类提供一种可持续性，替代性能源带来新希望。但是海底的天然气水合物，开采起来十分困难，目前还没有成熟的技术方法，一旦出现井喷事件，就会造成海水气化，发生海啸翻船。幸而专家们还发现，在高寒长年永冻层中也赋存着天然气水合物，而且开采起来比在海上开采要安全得多，容易得多。
我国正在修建的青藏铁路沿线，正好处于4000~5000m以上的高寒地区，广泛分布着长年永冻层，据说永冻层长达550多km，是形成天然气水合物的良好环境，这一带又严重缺乏燃料，何不调几只地质钻探队去，用我国探矿科研部门研究开发的而且已经沿用多年的定向钻探技术和钻对接双井的技术，在修铁路的同时，沿铁路线开展“可燃冰”的较大规模的勘探工作，一旦得到证实，并求得一定储量，即可立即投入开采，这样即解决青藏铁路沿线燃料紧缺问题，又对支援西部大开发作出更大贡献。
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参考文献
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