天然气水合物研究现状和前景分析

佟 乐， 杨双春， 王 璐, 王丽利， 荣继光

(辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001)

天然气水合物研究现状和前景分析

佟 乐， 杨双春， 王 璐, 王丽利， 荣继光

(辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001)

近年来，天然气水合物作为一种高效、节能、环保的新型能源一直备受世界能源界的关注，其潜在价值不可忽视。整合了世界各国对天然气水合物的研究历史、研究现状和前景分析，针对我国天然气水合物起步较晚等一系列实际情况，提出了一套适合我国当前发展形式的研究策略，并对实际开采过程中面临的一些问题进行了简要介绍。

新型能源； 天然气水合物； 开采； 储量； 冻土

能源是人类活动的物质基础，是国民经济发展的源动力，从某种程度上说，能源的研究、发展以及能源的弹性消费等制约社会与经济的发展。当前，煤炭、石油、天然气等化石能源在世界能源消费中占据主导地位。进入21世纪以来，能源供应紧张、能源消耗过程中造成的环境污染等一系列问题变得越来越严峻。2016年国际石油价格持续走低，短期内国际原油市场供应过剩，但从长远角度考虑，世界各国正在加快研究和开发利用新能源作为替代能源的步伐，这也是解决未来能源问题的主要出路[1]。天然气水合物是一种非常规能源，在0～10 ℃的低温及高于3 MPa的环境条件下，可形成白色固态的结晶水合物即天然气水合物，天然气水合物外观似冰状，在标准状态下可以燃烧，所以又将其称为可燃冰。天然气水合物的储量巨大，据1981年潜在气体联合会公布数据[2]，1.4×1013～3.4×1016m3的天然气水合物资源存在于永久冻土区，如果加上海洋天然气水合物资源，天然气水合物资源总量应该超过7.6×1018m3，其中的碳含量约为当前已探明的所有化石燃料中碳含量总和的2倍[3-4]。

天然气水合物具有特殊的笼形结构，燃烧产生的能量比煤、石油、天然气等常规能源高出数十倍，而且天然气水合物是蕴藏于地下的清洁能源，燃烧后的产物为水和二氧化碳气体，污染极小，所以科学家们将其视为能源至宝，称其为“属于未来的能源”，从能源的长远发展角度考虑，天然气水合物势必成为继石油之后的又一重要能源[5-7]，人们对其追求的脚步将会逐步加快。

1 国外天然气水合物研究历史及现状

国外对天然气水合物的研究始于1810年，英国科学家D.Humphery在进行室内物理实验时发现了天然气水合物的存在。1888年，V.Paul Ulrich人工合成了天然气水合物(甲烷)，人类对天然气水合物的重视程度逐渐增加[8-9]。随着科学技术的发展和社会的进步，对天然气水合物研究的步伐逐渐加快[10-12]。在随后的200余年的时间内，对天然气水合物开始进行广泛的研究，研究主要经历了以下几个阶段。

第一阶段是从1810年到20世纪30年代初。D.Humphery于1810年在英国伦敦皇家研究院实验室人工模拟并合成了水合物，并于1811年著书立说，将其正式命名为“气水合物”[13]。此后，各国科学家先后合成了各种水合物。1888年，V.Paul Ulrich在实验室合成了CH4、C2H6、C2H4、C2H2等的水合物[14]。但是，在此期间对“气水合物”的认识和研究仅仅停留在实验室阶段，并未有工业实质性的突破和进展[15-17]。

第二阶段是从1934年到20世纪50年代。美国学者H.Hammerschmidt发现了天然气水合物造成输气管道堵塞的工业有关数据，天然气水合物在管道中运输时所产生的负面效果更加加深了科学家对天然气水合物及其性质研究的兴趣[18]。在此阶段，天然气水合物的组成、相态平衡、结构、生成条件及各影响因素是人们的主要研究内容，研究的目的是预防和清除工业水合物[19]。

第三阶段是从20世纪60年代至今。在此阶段，全球范围内形成了对天然气水合物大范围勘探、普查、开发的格局。20世纪60年代到70年代，人们发现了以固态形式存在于地壳中的天然气水合物[20]。1969年，前苏联的麦索亚哈气田被发现并进行了试采可燃冰。1972年，美国在阿拉斯加北部的永久冻土层中取出水合物[21-23]。从20世纪80年代开始，人们进行了深海天然气水合物的研究，天然气水合物的研究也进入到了全面发展的新阶段，天然气水合物作为清洁、高效并且蕴藏量巨大的能源更加引起了全世界的关注，并进入到实际开发阶段[24-25]。

全世界对天然气水合物的广泛关注使其成为一门新兴学科，研究内容主要包括天然气水合物的地球化学、地质学、区域工程地质学、天然气水合物地球物理调查等方面。美国、俄罗斯、日本、德国、印度、加拿大、中国、韩国等国家都相继制定了天然气水合物的研究开发战略部署。其中，日本是较为积极的国家，每年投入大量资金及技术人员进行调查研究[26]。2015年，日本投入超过300亿日元的经费用于深海矿藏能源、天然气水合物等资源勘查和技术研发。2016年，加拿大、美国及日本对本国的天然气水合物进行了工业开发，但存在的技术难题还有很多。天然气水合物的巨大工业价值激起了人们对不可再生能源新的需求[27]。

天然气水合物的分布地点相对于其他能源有特殊之处，目前探明的天然气水合物所在地主要是沟盆、陆坡、深海盆地及北极地区。其中，海洋中的天然气水合物主要分布在西太平洋海域；大陆中的天然气水合物主要分布在阿拉斯加北坡、我国青藏高原冻土带等[28]。

2 我国天然气水合物研究历史及现状

中国国家统计局公布的数据显示，2015年，我国原油产量增加1.7%至历史最高点的2.15亿t，天然气产量也达到了1 271亿m3。但是，我国对能源的需求极大，2015年，我国石油总消费量约为5.43亿t，石油净进口量为 3.28亿t，为世界第一大石油进口国。能源的巨大缺口，使我国国民经济的发展遇到了巨大挑战。

我国成为油气净进口国家始于1993年，但是对天然气水合物的研究比其他国家起步较晚。20世纪90年代，我国从室内实验、现场调查和现场勘探等多方面入手开始进行研究，其间投入了大量的资金并设立了多个国家级项目[29-30]。

近几年，国土资源部直属的副部级事业单位中国地质调查局正在逐渐加快地质调查工作结构性调整，针对油气、页岩气、天然气水合物等资源进行地质勘查与评价工作。通过系统的勘探普查并评价，确定了天然气水合物资源远景区。我国南海北部地区天然气水合物储量丰富，但储量精度及地质结构还有待进一步提高。

2007年，我国科学家及地质工作者在南海北部地区加大勘探力度并取得样品； 2009年，在青藏高原北缘祁连山冻土区钻得样品；2013年，在南海北部陆坡神狐海域开展关于天然气水合物沉积层特征的研究，发现了高饱和度的天然气水合物层。在“十三五”期间，地质勘查工作重点是通过地质勘查开展高效清洁能源页岩气、煤层气和天然气水合物的勘探和试采。天然气水合物的商业开采，已成为天然气水合物勘探研究的重要目标[31-32]。

国土资源部公布，我国南沙海槽、西沙海槽北部、南海北部陆坡、西沙群岛南部以及东沙群岛南部等多处区域均发现天然气水合物反射证据[33]，证明这些海域可能存在天然气水合物。2015年，在我国神狐海域钻探发现了具有超大型、大厚度、高孔隙度、高饱和度特征的天然气水合物矿藏，通过重力取样器取得海底浅表层水合物样品，为海域水合物开采指出了重要目标区域。2016年6月29日，中国地质调查局采用定向钻探技术设备，在祁连山木里永久冻土区域，成功实现两口天然气水合物试采井地下水平对接，建立开采通道进行试采。

除海域之外，我国青藏高原冻土区内烃源岩发育良好，有机质成熟度高，成藏条件好，有良好的储集条件，可能存在大量的天然气水合物。

虽然我国对天然气水合物的研究起步晚，技术储备少，但在很短的时间内我国已在天然气水合物地质勘探、评价方面取得了一些成绩。专家学者的努力，国家在政策上的支持及技术、经济上的持续投入，为我国进行天然气水合物的商业开采打下了坚实的基础[34]。

3 我国天然气水合物研究策略

(1)正确认识天然气水合物在未来新能源领域中的地位。从世界能源的消费量及我国能源结构及其所带来的影响等方面考虑，常规与非常规天然气开采已成为我国能源开发的主要目标。我国具有良好的天然气水合物蕴藏潜力，为实现这一目标提供了坚实的物质基础。从可持续发展的角度考虑，应将天然气水合物的研究与开发作为一个系统的科学工程，有计划、有目的、有层次地开展理论研究和技术革新，进一步确定我国天然气水合物的分布区域、地质储量及储层地质结构，为天然气水合物的商业性开采打下良好的基础，从而逐步完善我国的能源结构。一种清洁、优质、廉价的化石能源，可以有效促进我国经济增长和社会发展，增强国家安全，提升我国在国际上的地位，因此研究天然气水合物具有极其重要的意义。

(2)建立一套长期有效的协调发展机制。针对目前我国天然气水合物的研究现状，国家地质局应尽快建立一套以5年或10年为一个阶段的天然气水合物研究发展方案。美国、日本、加拿大、德国等国家正在加强跨区域的技术合作，建立跨区域的研究机构，统筹分配专家，分解任务，共享技术资料[35]。我国应积极主动加入并向这些国际组织学习，统筹规划我国负责油气地质研究和勘探开发的相关系统、部门和单位的工作任务，实现人员和资源的合理调配，确保研究工作的顺利进行；组织专家带头、机构协作、统筹合理分配资源、共享技术并避免进行重复性的研究工作，使工作效率最大化。

(3)积极进行国家间的学术交流，学习先进技术。随着人们对天然气水合物认识的不断加深，各国也将天然气水合物的研究提到日程上来，美国、日本、俄罗斯、加拿大等国家把天然气水合物的勘探、开发作为能源发展规划的重要内容，并已取得一定成果。2013年3月，日本首先在海域进行先导试验性生产，日本石油勘探公司选取志摩半岛海域和渥美半岛的第二渥美海丘实施方案，试用减压法生产6 d，日产量高达20 000 m3，为全世界在海洋区域开采天然气水合物增添了信心。美国、日本还分别制定了进行商业开采的时间表，而我国还处于理论研究的基础阶段。因此，应积极进行国家间的学术交流，加强国家间的合作，学习这些国家的先进技术，这样可以更好地帮助我国进行天然气水合物的勘探研究，避免走弯路。

目前，东海冲绳海槽边坡、南海北部、西沙海槽、西沙群岛南坡以及西藏青藏高原终年积雪的羌塘地区等都有可能是天然气水合物形成带，但是具体位置和相关地质情况还未确定，这就需要我国科研人员结合当前先进的科学技术和理论体系去勘探、开发，有目的性地寻找详细的储存区域，并查明更为详细的地质资料。对天然气水合物进行长期的开发及研究，是我国的宏观能源战略决策[36-37]。

(4)从国家层面制定政策，促进天然气水合物的高效研发及利用。从国家长远发展目标考虑，应将天然气水合物视为重要的后备能源。应积极努力开展基础理论、地质、技术资源研发等方面的工作，并制定有利于天然气水合物发展的国家扶持政策，从政治角度鼓励与关注天然气水合物的研发，促进企业及科研院所的研发积极性。在开发天然气水合物方面尽量放宽相关政策的限制，权衡利弊，适当开放才能使天然气水合物的开发更加有效[5.38]。

4 面临的问题

(1)开发对环境造成的污染。天然气水合物的开发生产具有双面效应，在给人类带来储量巨大的高效清洁能源的同时，在开发生产过程中对人类赖以生存的环境产生显著的恶劣影响。天然气水合物的特征组分是可燃性气体甲烷，甲烷气体的温室效应远远高于二氧化碳气体，当其浓度增加到一定程度时，会减少长波辐射进入太空的量，从而拦截对流层内的长波，造成地表温度的升高。

温室效应已经成为影响气候、环境、经济发展的重大问题，储量巨大的天然气水合物如果在生产过程中大量排向大气，则对环境造成的污染非常严重[39]。在开发过程中，天然气水合物在降压过程中产生的水，将会成为影响环境问题的重要因素。

海洋中天然气水合物的储量巨大，在海洋区域进行勘探开发以及生产的过程中，甲烷一旦泄漏于海洋环境中，会迅速通过氧化反应改变海水的特性，改变海洋环境，使大量的海洋生物群死亡，破坏海洋生态系统。同时，开发过程会改变储层孔隙结构，破坏地应力系统，严重时会造成海底坍塌及滑坡，甚至大规模海啸等严重地质灾害，并破坏海底工程工具、管道及钻井平台地基等，后果极其严重。

(2)天然气水合物运输困难。天然气水合物在低温、高压的管道及陆地运输过程中，对设备的承压、制冷技术等方面提出了很高的要求，并直接提高了运输成本，而我国这个世界上最大的发展中国家正面临由粗放型经济增长转型节约型经济的过渡期，经济及技术的矛盾亟待解决[3，40]。

(3)开采难度大。天然气水合物的开采主要有3种方式，分别是热解法(热激化法)、降压法(减压法)、置换法(注入剂法)。在天然气水合物开采过程中，海底压力巨大，仪器的耐压性需要解决；在取芯的过程中，天然气水合物极易融化，保压取芯难度大；在钻井过程中，受海水洋流因素的影响，井眼轨迹及井眼靶位极易变动；地层压力巨大，甲烷气体泄漏是更加严重的问题。天然气水合物的大规模开发所面临的技术难题还有很多，需要各国的科学家协同合作攻克这些技术难题。

(4)开采成本高。天然气水合物开采成本高，且开采技术要求高，对其开发必须有资金雄厚的大型企业介入。日本石油天然气金属矿物资源机构(JOGMEC)公布的数据表明，在海底提取1 m3的天然气需花费超过40日元的资金，因此商业化生产一再被推迟。

5 结 论

本文总结了国内外天然气水合物的研究历史，提出了适合我国国情的天然气水合物研究策略。应正确认识天然气水合物在能源体系中的地位，建立有效的发展机制，加强国家间的学术交流，从国家层面制定政策，促进天然气水合物的高效研发及利用。我国具备可形成天然气水合物天然条件的地域辽阔，其储量巨大，在天然气水合物的开发过程中，应权衡利弊，充分考虑开发过程中面临的问题，尽可能降低对环境的损害。

[1] 周长茂，王海燕.国石油产业波及效果的经济计量分析[J].辽宁石油化工大学学报，2011，31(3)：84-88.

[2] 潘一，杨双春.天然气水合物研究进展[J].当代化工，2012，41(4)：401-404.

[3] Fellet M，Ramos M.Research aims for cleaner crude from Canadian tar sands[J].MRS Bulletin，2015， 40(3)：216-217.

[4] Burke A E，Guralnick S，Hicks P.The association of pediatric program directors' strategic plan：An opportunity for transformational change[J].Academic Pediatrics，2010，10(4)：220-221.

[5] 张寒松.清洁能源可燃冰研究现状与前景[J].应用能源技术，2014(8)：54-59.

[6] Ajiro H，Takemoto Y，Akashi M，et al.Study of the kinetic hydrate inhibitor performance of a series of poly(A'-alkyl-A-vinylacetamide)s[J].Energy and Fuels，2010，24(12)：6400-6410.

[7] 孙春岩，王维熙, 牛滨华，等.气态烃快速探测系统在海洋油气资源勘探中的应用[J].地质与勘探，2003，39(6)：49-52.

[8] Serié C，Huuse M，Schodt N H.Gas hydrate pingoes: Deep seafloor evidence of focused fluid flow on continental margins[J].Geology，2012，40(3)：207-210.

[9] 唐志远，胡云亭，郭清正，等.天然气水合物勘探开发新技术进展[J].地球物理学进展, 2015，30(2)：805-816.

[10] Freire A F M.Matsumoto R，Akiba F.Geochemical analysis as a complementary tool to estimate the uplift of sediments caused by shallow gas hydrates in mounds at the seafloor of joetsu basin, eastern margin of the Japan Sea[J].Journal of Geological Research，2015，2012(2012)：6225-6241.

[11] Hu G W，Ye Y G，Zhang J，et al.Acoustic response of gas hydrate formation in sediments from South China Sea[J].Marine and Petroleum Geology, 2014，52(1)：1-8.

[12] 祝有海，张永勤，文怀军，等.祁连山冻土区天然气水合物及其基本特征[J].地球学报，2010，31(1)：7-16.

[13] 唐黎明，郝敏.天然气水合物开发与应用研究进展[J].化工进展，2010，29(S)：519-522．

[14] Andrew R，Gorman，Kim S G.Defining the updip extent of the gas hydrate stability zone on continental margins with low geothermal gradients[J].Journal of Geophysical Research. Solid Earth，2010，115(B7)：307-309.

[15] 李鹏龙，王卫强，刘钊.天然气水合物开采技术研究进展[J].当代化工， 2015，44(3)：524-526.

[16] Koji Yamamoto.Overview and introduction: Pressure core-sampling and analyses in the 2012-2013 MH21 offshore test of gas production from methane hydrates in the eastern Nankai Trough[J].Marine and Petroleum Geology，2015，66(2)：296-309.

[17] Vedachalam N，Srinivasalu S，Rajendran G，et al.Review of unconventional hydrocarbon resources in major energy consuming countries and efforts in realizing natural gas hydrates as a future source of energy[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering，2015，26：163-175.

[18] Feng J C，Wang Y，Li X S，et al.Production performance of gas hydrate accumulation at the GMGS2-Site 16 of the Pearl River Mouth Basin in the South China Sea[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering，2015，27(1)：306-320.

[19] 胡亚飞，蔡晶，徐纯刚，等.气体水合物相变热研究进展[J].化工进展，2016，35(7)：2021-2032.

[20] Phrampus B J，Hornbach M J.Recent changes to the Gulf Stream causing widespread gas hydrate destabilization[J].Nature, 2012，490：527-530.

[21] Boswell R.Gulf of Mexico gas hydrate drilling and logging expedition underway[J].Fire in the Ice，2009，3(1)：41-61.

[22] Hu S，Kim T H，Park J G，et al. Effect of different deposition mediums on the adhesion and removal of particles[J].Journal of the Electrochemical Society，2010，157(6)：243-253.

[23] Sum A K，Koh C A，Sloan E D. Developing a comprehensive understanding and model of hydrate in multiphase flow：From laboratory measurements to field applications[J].Energy and Fuels，2012，26(7)：4046.

[24] Aman Z M，Leith W J，Grasso G A，et al.Adhesion force between cyclopentane hydrate and mineral surfaces[J].Langmuir，2013，29(50)：15551.

[25] Di Lorenzo M，Aman Z M，Soto G S，et al.Hydrate formation in gas-dominant systems using a single-pass flowloop[J]. Energy & Fuels，2014，28(5)：3043.

[26] 罗敏，王宏斌，杨胜雄，等.南海天然气水合物研究进展[J].矿物岩石地球化学通报，2013， 32(1)：56-69.

[27] Nakarit C，Malcolm A K，Liu D J，et al.Cationic kinetic hydrate inhibitors and the effect on performance of incorporating cationic monomers into N-vinyl lactam copolymers[J].Chemical Engineering Science，2013，102：424-431.

[28] 宋光喜，雷怀玉，王柏苍，等.国内外天然气水合物发展现状与思考[J].国际石油经济，2013(11)：69-76.

[29] 李欣，李进.长输天然气气质对管道内腐蚀的影响研究[J].石油化工高等学校学报，2015，28(2)：69-72.

[30] 陈惠玲.我海域天然气水合物调查获四大成果[N/OL].中国国土资源报，(2011-01-06)[2016-09-25],http://www.mlr.gov.cn/xwdt/jrxw/201101/t20110106_810040.htm.

[31] 江怀友，乔卫杰，钟太贤，等.世界天然气水合物资源勘探开发现状与展望[J].中外能源，2008，13(6)：19-25.

[32] 刘刚，李朝玮.天然气水合物研究现状及应用前景[J].北京石油化工学院学报，2011，19(3)：60-64.

[33] 付强，周守为，李清平.天然气水合物资源勘探与试采技术研究现状与发展战略[J].中国工程科学，2015，17(9)：123-132.

[34] 苏明，沙志彬，匡增桂，等.海底峡谷侵蚀-沉积作用与天然气水合物成藏[J].现代地质，2015，29(1)：155-162.

[35] Rao I，Koh C A，Sloan E D，et al.Gas hydrate deposition on a cold surface in water-saturated gas systems[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2013，52(18)：6262.

[36] Pei C C，Malcolm A K. Poly(N-vinyl azacyclooctanone): A more powerful structure II kinetic hydrate inhibitor than poly(N-vinyl caprolactam)[J].Energy & Fuels，2012，26(7)：4481-4485.

[37] 梁永兴，曾溅辉，郭依群，等.神狐钻探区天然气水合物成藏地质条件分析[J].现代地质，2013，27(2)：425-434.

[38] 班晓辉, 翟宇佳, 刘玉樱. 天然气水合物开采研究现状[J].工业，2015(21)：39.

[39] 周海峰，李海斌，田方正.天然气水合物研究及开发前景[J].辽宁化工，2016，45(4)：533-535.

[40] 白玉湖，李清平.海洋天然气水合物藏开采若干问题研究[J].中国工程科学，2011，13(5)：103-111.

(编辑 宋锦玉)

Research State and Prospective of Natural Gas Hydrates

Tong Le， Yang Shuangchun， Wang Lu， Wang Lili， Rong Jiguang

(CollegeofPetroleumEngineering，LiaoningShihuaUniversity，FushunLiaoning113001，China)

In recent years, the natural gas hydrate as a new type of high efficiency, energy saving, environmental protection energy was praised by the world's energy industry, and its potential value could not be ignored. The study of gas hydrate was integrated in different countries of the world history, the present research situation and prospect analysis. In view of the natural gas hydrate in China started to be late and a series of actual situation, a set of research strategies suitable for the current development of our country was put forward, and some problems in the process of the actual mining were introduced.

The new energy； Natural gas hydrates; Mining； Reserves； Frozen earth

1672-6952(2017)02-0017-05

2016-08-01

2016-09-08

佟乐(1981-)，男，硕士，讲师，从事油水井增产增注方面的研究；E-mail：vstongle@126.com。

TE

Adoi:10.3969/j.issn.1672-6952.2017.02.004

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn