天然气水合物产业化看本世纪中叶——专访中国地质大学（武汉）教授、俄罗斯自然科学院外籍院士宁伏龙

文／本刊记者 陆晓如

我国天然气水合物开发已取得显著成绩，但实现产业化还有很长的路要走。

3月26日，自然资源部传出好消息：中国海域天然气水合物第二轮试采取得成功并超额完成目标任务。在水深1225米的南海神狐海域，试采创造了“产气总量86.14万立方米、日均产气量2.87万立方米”两项新的世界纪录。这标志着我国天然气水合物产业化正在稳步推进。

但是，我们距离真正的天然气水合物产业化还有多远？面临着哪些挑战？还要做哪些切实的工作？为此，本刊记者采访了在天然气水合物研究方面颇有建树的中国地质大学（武汉）教授、俄罗斯自然科学院外籍院士宁伏龙。

多方关注

中国石油石化：宁教授，您好！请问为什么越来越多的国家开始重视天然气水合物开发？

宁伏龙：这是因为天然气水合物正成为全球主要大国间能源竞争的战略高地。众所周知，能源是社会可持续发展的基础。未来能源特别是清洁能源短缺，是不得不面对的现实挑战。自然界中的天然气水合物，具有分布广、储量大、清洁低碳无污染等优点。因此，美国、日本、中国、德国、英国、印度等国非常重视天然气水合物开发。各国的根本目的，是想实现能源的供给安全。

天然气水合物分布广，海洋和冻土带广大地区都满足天然气水合物形成条件，赋存规模巨大。有估算认为，海洋及大陆冻土带中的天然气水合物碳数量是常规化石燃料碳储量的两倍左右。其经济价值足以令各国心动，特别是对能源进口大国，如日本、韩国、印度等。试验性的开采结果表明，从大陆边缘海底和冻土带天然气水合物中获取天然气是完全有可能的。

1993年开始，每三年一届的国际天然气水合物大会（ICGH）迄今已举办了9届，重点讨论天然气水合物作为潜在新能源的发展前景和技术突破。此外，每两年一次的高登研究大会（GRC）下的天然气水合物系统分会，以及国际甲烷水合物研究与发展论坛，都在关注如何安全高效可控地开采自然界中的天然气水合物。

中国石油石化：目前，全球天然气水合物研究和开发进展情况如何？

宁伏龙：天然气水合物已成为当前地球科学和能源领域研究的一大热点。各国政府、研究机构和工业界，持续合作开展了大量现场地质、地球物理、地球化学、钻探等相关调查工作以及室内广泛的实验和数值模拟研究，主要集中在天然气水合物的成藏机理、储层物性特征、资源潜力、勘探和开采技术及环境影响等方面。

迄今，国际上已经钻探了超过100口专门用于天然气水合物地质勘探、环境影响和生产试采的井。日本参与了2002年在加拿大冻土带进行的天然气水合物陆上试开采，获得了宝贵的试采经验，进而在2013年成功进行了全球首次海洋天然气水合物试开采，为全球海域天然气水合物开发迈出了关键一步。美国在陆上阿拉斯加和海域墨西哥湾进行了多年的天然气水合物调查工作，但海域试采一直没有进行。印度和韩国则准备近几年进行海域天然气水合物试采。

目前，国际上已经形成了几种天然气水合物开采方案，包括：注热激发法，通过钻孔将热水或热蒸汽注入，或者井下定向加热天然气水合物储层，使地层温度超过地层压力条件下的天然气水合物相平衡温度，从而激发天然气水合物分解，释放甲烷等气体；降压法，通过钻井排水释放储层地层原位压力，当压力降低到天然气水合物稳定区域外，天然气水合物就会分解并释放甲烷等气体，在井筒和储层压差作用下流到井筒采出；注抑制剂法，是将化学热力学抑制剂注入储层中，通过改变相平衡条件实现水合物分解产气；CO2置换法，通过注入CO2进入天然气水合物储层，从而置换出笼型晶体中的甲烷。

室内实验和现场试采结果表明，所有的这些方法在技术经济性和环境影响存在一些问题。如注热激发法很不经济；降压法会导致二次水合物形成，后期效率不高。因此，安全经济开发天然气水合物还需要科学界和工业界更多的研究。

成绩突出

中国石油石化：天然气水合物的开发对我国来说有怎样的意义？

宁伏龙：意义非常大。我国能源供需矛盾仍十分突出，能源安全形势十分严峻，充分挖掘自身天然气供给能力迫在眉睫。

我国天然气水合物资源前景巨大。保守估算，在50%概率条件下，南海海域天然气水合物资源总量约为6.5×1013立方米，陆上青藏高原和东北冻土带的天然气水合物资源量约为1.2×1011立方米。南海是我国天然气水合物产业化的重点区域。其中，东沙、神狐、琼东南是三大天然气水合物富集区。据广州海洋地质调查局预测，南海天然气水合物远景资源量达744亿吨油当量。

可以说，开发天然气水合物是国家能源战略安全的重要保障，是改善我国能源消费结构、建设生态文明的重大需求。

中国石油石化：目前，我国天然气水合物的开发处于什么样的阶段？

宁伏龙：总体看，我国天然气水合物的开发处在从试采到商业开发的过渡阶段，目前正努力实现从试验性试采到生产性试采的跨越。

我国天然气水合物的研究工作起步较晚。上世纪80年代中期开始跟踪，1999年才启动海洋地质调查，但之后推进的速度比较快。2011年实现首次陆上试采，2016年进行了第二次陆上试采。2017年在南海神狐海域成功实施了我国首次海域天然气水合物试采工程。同年，天然气水合物被列为我国第173个矿种。2017年和2018年先后在神狐和琼东南海域设立了水合物勘查开采先导试验区。今年我们又成功进行了第二轮试采。可以说我国水合物开发正处于产业化加速推进时期。

总的来看，经过水合物人20年的研究，我国在冻土和海洋天然气水合物研究方面取得了巨大进步和丰硕成果。在天然气水合物开发领域，我国已从跟跑变成并跑并实现了局部领跑，走在天然气水合物开发前沿。

成绩虽有目共睹，但不可否认的是，我国在天然气水合物开采基础领域与日本、美国还有一定的差距。此外，受制于石油工业和先进材料领域的一些差距，我们在安全高效开采相关基础理论、设备和工具方面落后。但是，在工艺方法和产业化体系上我认为我们是领先的，特别是针对低渗弱固结的泥质粉砂天然气水合物储层，我们的经验和方法是领先的。但天然气水合物的开发是世界性难题，产业化仍有待科研攻关，实现天然气水合物产业化，我们还有很长的路要走。

挑战重重

中国石油石化：要实现天然气水合物产业化利用存在哪些困难？

宁伏龙：天然气水合物产业化是一个系统工程，涉及上、中、下游相关配套技术的发展，还面临全球政治和经济格局的制约。如果不考虑社会和环境因素，只看上游勘探开发，我个人认为目前天然气水合物开发还存在四个突出问题。

一是天然气水合物储层认识不足。天然气水合物具有分布复杂、相变、深水、浅埋等特性，加之储层的非均质性、各向异性以及缺乏适合天然气水合物的测井评价模型和安全可靠的高保真取样器、岩心保真转移设备，导致精细刻画天然气水合物储层异常困难。现有的储层原位测试要求高、费用贵，而实验测试又难以合成贴近原位的有代表性的样品，尺寸效应非常明显。所有这些，进一步制约了我们对储层的准确认识。

二是开采成本高，经济效益低，缺乏突破性的开采方式。现有降压开采存在成本高、产量递减快、稳产高产难等问题。比如现有试采都采用常规深水油气钻井平台，日均运行成本高，对于厚度只有300米左右的天然气水合物储层来说有点大材小用。此外，储层增产改造困难，虽容易压裂、无诱发地震风险，但不易维持缝网通道。采用水平多分支井、径向井甚至对接井等复杂井型可提高产能，但在海域浅软成井相对困难，成本较高。

三是长期开采安全与环境风险较高。开采过程中储层响应行为复杂，具有多尺度、非线性、强耦合时空演化特征，很难准确预测。因此，难以有针对性对储层进行控制，导致储层失稳、出砂，产量偏低，乃至引发地质灾害甚至人身安全事故。

四是重工程轻机理。目前，我们比较关心高产稳产技术、防砂技术、防止储层失稳和气体泄漏的技术，但对这些工程技术背后的科学问题，特别是对前面提到的开采过程中储层动态响应内在机理重视不够。天然气水合物储层之所以区别常规和其他非常规油气储层，就是因其自身特性及其相变行为。这种相变行为，与储层渗流、传热行为、力学行为以及相应的流固（水、气、泥砂）产出行为在时空上强烈耦合在一起。要定量刻画这种耦合行为及其机制，目前还是非常困难的。此外，当前研究多考虑水合物“量”的工程影响对其“质”的作用，如表面形貌、自身力学性质以及与骨架颗粒间的相互作用等机理方面的研究还明显不足。

中国石油石化：如何解决这些困难？

宁伏龙：如何安全高效、长期可控地开采天然气水合物，是实现产业化的关键。而这里面的难点、堵点和痛点，就是储层特别是井周储层精细刻画及其开采过程中的动态响应规律。

储层精细刻画是基础，储层响应行为表征是关键，储层行为控制与改造是目标。因此，解决上述困难首先要围绕储层精细刻画与评价方法进行突破。比如，针对天然气水合物储层的更好的测井识别和评价方法、基于大数据深度学习的资源评价与有利选区评价技术、储层微观结构与水合物定量表征技术、“甜点区”关键地质参数定量表征技术等。

进而从开采过程中储层动态响应机理、耦合行为规律与控制入手，通过研究储层响应机理，找到储层失稳、出砂和产量偏低的控制因素，通过研究储层力学行为规律、渗流行为规律、传热和相变行为规律，以及四者的耦合，研究流固产出和井眼稳定一体化分析预测技术。这是储层生产控制的基础，可为后续储层增产改造、防砂、井眼稳定一体控制技术提供理论和技术支撑。而在控制技术上，我们可尝试一些创新的化学工程与材料技术甚至人工智能技术，解决储层失稳、出砂、产量低等工程难题。

前景光明

中国石油石化：在您看来，如何才能加快我国天然气水合物产业化的步伐？

●供图/人民视觉

宁伏龙：在我看来，首先要确定科学的开发理念和技术思路。地质—工程一体化是公认的非常规油气实现效益开发的最佳途径。水合物储层工程地质特性决定了其高效开发也需要地质—工程一体化。此外，水合物赋存区域生态脆弱、开采可能诱发的甲烷泄露和海底地质灾害等环境风险高，因此，地质—工程—环境一体化开发理念应是水合物产业化的必由之路。此外，多尺度表征刻画、多场耦合分析预测、多学科交叉控制、多部门协作攻关的技术思路，对加快我国天然气水合物产业化发展十分重要。

正如我前面所说，首先我们需要夯实基础理论，通过多学科交叉、多尺度表征研究天然气水合物在沉积物中的聚散机理，如相变热力学和动力学理论等，研究天然气水合物储层开采过程中的力学行为特征、渗流行为规律、传热行为模式，进而发展基础的相变渗流理论、相变传热理论和相变力学理论，厘清储层多场耦合机制，并建立相应的基于数据驱动的全耦合模型。

其次，需要掌握天然气水合物储层禀赋特征，包括成藏条件与富集机制、资源量估算、地质甜点识别和评价方法、开采过程中上盖层、储层、下伏层结构和物性演化特征等。

再次，需要厘清井眼—储层构效关系。不管采用何种井身结构，还是后续储层增产改造，都需要厘清井身、井网、裂缝结构与储层产能的关系，进而确定工程和环境甜点，开发低成本成井和开采工艺。总的来说，应将储层工程地质特性、井身结构、完井方式、井内工具、储层改造、环境监测与生产制度一体化考虑，基于地质—工程—环境一体化思路，实现开采过程中储层稳定、泥砂管控与产能最大化的有机平衡。

最后，需要产—学—研—政相结合，加强统筹谋划，做好顶层设计。现在天然气水合物项目很多，甚至有些项目类似，比较浪费资源。需要打破利益屏障，优化资源配置，集中全国力量进行攻关。我们可以借鉴美国、日本的经验，成立国家天然气水合物开发委员会，发布统一的国家天然气水合物研究开发计划，将政府—研究机构—产业界—公众教育无缝衔接起来。

中国石油石化：您对我国实现天然气水合物产业化利用乐观吗？

宁伏龙：当然乐观，但我们不能求快，要稳扎稳打。对能源的渴求之心，不能超过对自然的敬畏之心和对环境的保护之心。

目前，我国天然气水合物开发利用正处在关键时期，全球天然气水合物开发也处在十字路口，面临多重选择。我们需要沉下心来，稳住并思考我们的长远目标是什么。

由于海域水合物常与盆地中的常规油气共生共存，因此我个人是支持浅层气、天然气水合物、常规游离气和水的“三气一水”共探共采。因为不管是哪类气，我们的目的是要获得清洁的天然气资源，同时还能解决平台大材小用问题。因此，应从整个水合物油气系统角度进行思考和开发规划。在统筹规划的基础上，可分阶段、分步骤实施产业化突破。比如，第一步可先尝试新井身结构，第二步可尝试储层增产改造新方法，并在单井层次上实现地质—工程—环境一体化开采。第三步可尝试水合物气和游离气的两气合采，最后实现海底开采井的网络化和智能化。最终，在单井、井网平台和区块三个层次上实现地质—工程—环境一体化开发。

万事开头难。但随着技术的进步，我们有理由乐观地认为，到本世纪中叶，冰笼之火——天然气水合物将成为人类清洁能源的重要组成部分。我想以毛主席“雄关漫道真如铁，而今迈步从头越”这句词，与研究天然气水合物的同仁们一起共勉！