“双碳”目标下我国天然气水合物勘查开采发展建议

胡洪瑾，姜文利，李登华，赵 凯，郑志红，高 阳，姜 航

(1.自然资源部油气资源战略研究中心，北京 100860；2.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

0 引 言

2020年9月，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话并宣布，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。能源结构低碳化转型是碳达峰、碳中和目标实现的关键之一。作为一种高效清洁的未来新型战略能源，天然气水合物在能源消费结构优化改善方面起着重要的作用[1-3]。理清天然气水合物在助力“双碳”目标实现方面的重要意义，全面系统梳理其勘查开采及研究现状，查找制约天然气水合物发展的主要问题，明确未来努力方向，是实现天然气水合物高质量发展的关键。

1 “双碳”目标与天然气水合物

1.1 “双碳”目标概述

从20世纪80年代开始，随着全球气温不断升高，气候问题引起了广泛关注。目前，“二氧化碳等温室气体增加导致气温上升”这一说法获得了广泛认同。世界各国多次组织召开气候会议，商定碳减排的目标与细则[4]：1992年5月，联合国大会正式通过《联合国气候变化框架公约》；1997年，各国签署了《京都议定书》；2005年，《京都议定书》正式生效；2008年，《京都议定书》要求主要工业发达国家减排温室气体；2009年，《哥本哈根协议》发表，就减排问题达成共识；2011年，绿色气候基金启动；2013年，开始实施《京都议定书》第二承诺；2015年12月，巴黎气候大会正式通过《巴黎协定》。截至2021年1月20日，全球已有127个国家和地区提出了碳中和目标，其中大多数国家预计到2050年实现碳中和，而瑞典、芬兰等少数国家预计2035—2045年实现。

《联合国气候变化框架公约》明确了六种需要控制的温室气体，分别是二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟化碳和六氟化硫，其中，二氧化碳占比最大，约为60%。“碳排放”指的就是二氧化碳排放，也是温室气体排放的总称与简称。“碳达峰”指的是一个组织的二氧化碳排放量进入平台期的过程。平台期指的是二氧化碳排放量稳定在某个水平，年均增速接近于零，不会发生明显波动。“碳中和”指的是一个组织利用二氧化碳吸收技术抵销一年内二氧化碳的排放量，简单来说就是让二氧化碳排放量与二氧化碳吸收量实现对等[4]。“双碳”目标的实现需要能源结构、产业结构、消费结构等全面改革调整，需要碳捕集、利用与封存(CCUS)技术等低碳技术、负碳技术、零碳技术的全程赋能，其中，能源结构调整、实现碳减排是改革重点，CCUS技术是实现零碳排放的最佳途径和“终极武器”。

1.2 天然气水合物及其环境效应

天然气水合物，又名可燃冰，是甲烷和水在海底高压低温下形成的白色固体燃料，可以被直接点燃。天然气水合物是地圈浅部一个不稳定的碳库，是全球碳循环的一个重要环节，在地圈与水圈、气圈的碳交换中起到了重要作用，对全球碳循环及气候变化具有双重作用。

消极环境效应主要表现为水合物中甲烷气直接或通过化学和生物化学以二氧化碳的形式间接释放进入大气。天然气水合物自身的主要组成成分是甲烷，甲烷的含量极其丰富，是大气中甲烷含量的3 000倍。此外，天然气水合物是一种亚稳态物质，沉积物中的天然气水合物在所处周围环境条件发生变化时，温度-压力平衡会遭到破坏，极易造成天然气水合物的分解、逸散和储层结构变化等，从而可能引发甲烷泄露等环境问题[8]。而甲烷是一种活动性强的温室气体，其温室效应是二氧化碳的21～80倍，甲烷泄露可能会对全球气候产生重大的影响。因此，在充分挖掘天然气水合物清洁能源特性的同时，要尽力减少负面环境效应的影响。

2 天然气水合物勘查开采研究现状

阐明天然气水合物的勘查开采研究现状，尤其是我国天然气水合物发展现状，是查找制约其发展的关键问题、充分发挥天然气水合物资源及环境优势、助力“双碳”目标实现的前提和基础。

2.1 理论、技术研究现状

天然气水合物理论研究主要包括实验室水合物合成研究[9]、管道堵塞及防治研究[10]、资源调查研究[11]、开发利用研究[12]和环境效应研究[13]等五个方面。涉及到的关键技术包括天然气水合物模拟实验技术、勘查识别技术、开采技术等[14]。

天然气水合物的勘查技术主要包括地球物理识别(主要包括地震与测井识别技术)和地球化学识别等技术手段[14-15]。地球物理识别技术是目前最常用的识别手段，包括似海底反射层(BSR)、振幅空白反射、速度倒置、速度-振幅异常结构等[16]。地球化学识别主要基于海底浅表层沉积物、沉积物中的自生矿物及底水进行分析和研究[17]。

天然气水合物开发方法主要有热激发法、减压法、化学试剂注入法、二氧化碳置换法、固体开采法以及多种开采模式组合法等[18]。

2.2 国外勘查开采现状

自人类发现天然气水合物以来，大致经历了实验室研究、管道堵塞及防治、资源调查与开发利用等四个阶段[19-20]。第一阶段始于1810年英国科学家在实验室合成了氯气水合物，以实验室研究为主。第二阶段自1934年起始，美国科学家提出输气管道堵塞与天然气水合物有关，从负面加深了对水合物的研究。第三阶段是从20世纪60年代起始，苏联借助地球物理方法首次在西伯利亚永冻层中发现了天然气水合物，有碍油气输送的阻塞物被重新定位为天然气矿产资源；20世纪70年代末至80年代初，深海钻探计划(DSDP)和大洋钻探计划(ODP)陆续实施，在全球多处海底发现了天然气水合物，天然气水合物研究以及综合普查勘探工作进入全面发展阶段。21世纪开始进入开发利用阶段，世界各国独立或合作进行了试验性开发。

国际上先后有美国、日本、印度、俄罗斯、加拿大与韩国等40余个国家和地区开展了天然气水合物的相关工作，全球范围内已发现的天然气水合物矿点230余处，其中约97%分布于海洋中[19-22]。目前天然气水合物研究重点已从资源勘查转向开发利用，已进入试验开采阶段的有美国、日本、印度、韩国、俄罗斯和加拿大等国家。近年来，试采领域从陆地转向海洋，试采规模逐渐扩大，试采方法也不断更新。

如嘉靖五年五月，费宏为少师兼太子太师吏部尚书谨身殿大学士，杨一清为少师兼太子太傅吏部尚书武英殿大学士。太子太师高于太子太傅，故宏“居一清上”［7］（卷1，费宏传）。嘉靖十年九月，李时为太子太保礼部尚书文渊阁大学士，翟銮为礼部尚书文渊阁大学士。“时后入，以宫保官尊，反居銮上。”［2］（卷193，李时传）

2.3 国内勘查开采现状

我国从20世纪80年代开始天然气水合物研究，勘查开采历程总体上可分为三个阶段[22]。第一阶段是研究预查阶段(1985—2001年)，设立专项课题，首次证实在南海北部存在似海底反射层(BSR)，设立天然气水合物模拟实验室并成功合成样品。第二阶段是调查突破阶段(2002—2010年)，在南海开展调查研究，初步圈定找矿重点目标区，2007年于神狐海域获取第一件水合物实物样品，同时在东北地区、青藏高原等永久冻土区展开调查并发现水合物存在标志。第三阶段是勘查试开采阶段(2011年至今)，于2011年和2016年在祁连山地区成功实施陆域天然气水合物试采工程；2013年，在珠江口东部、神狐海域等第二次钻获水合物样品，证实可观的资源潜力；2017年和2020年在神狐海域开展两次试采，分别采用直井和水平井钻采技术，试采试气分别持续60 d和30 d，累积产气量分别超过30万m3和86.14万m3，平均日产气5 000 m3以上和2.87 m3[23-24]，标志着我国天然气水合物开采已经达到“技术上可行”，成为第一个实现在海域天然气水合物试采且能够连续稳产的国家，实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的重大跨越、从“跟跑”到“领跑”的历史性一步。

3 存在的主要问题

针对天然气水合物双重环境效应，需要努力实现积极环境效应最大化和消极环境效应最小化，助力“双碳”目标实现 。具体而言，天然气水合物作为清洁替代能源，需要早日实现大规模商业开发，将丰富的资源潜力转变为实际的储产量；作为碳封存的有效储集库，要充分发挥其天然优势；针对甲烷泄露等环境风险问题，要坚持“预防为主”，构建监测-防治体系。目前仍存在以下问题。

3.1 勘查方面：理论、技术研究弱，调查程度低，目标储备区不足

目前，我国已形成了初步的天然气水合物成矿及勘探理论技术，但仍然存在如下问题亟待解决。一是对水合物成因成藏理论研究不够，尤其是烃源(天然气成因及来源)问题尚不明确；二是缺乏有效的探测识别技术，水合物综合判识方法体系有待进一步完善；三是基础成藏理论研究的薄弱导致其资源量及商业开采规模等基本要素不确定，资源潜力预测方法科学性欠佳，合理的资源评价体系有待建立；四是水合物沉积层岩石物理方面的研究尚不深入，储层探测技术不完善，制约开发生产设计。

我国虽然圈定了一批天然气水合物找矿有利区，但调查程度较低，目前总体上仍处于起步阶段，有利目标区和后备接续区不足，商业化开采的基础弱。仅南海北部部分海域已进入到钻探-试采阶段，南海其他海域、东海海域和陆上冻土区等则仍处于概查阶段或者普查阶段。

3.2 开采方面：理论、技术尚不成熟，实现商业化开采任重道远

虽然世界各国已开展了多轮试采，积累了一定的理论技术和实践经验。但目前开采利用仍缺乏完整的理论体系指导，大多仍处于试验阶段，已有开采技术方法存在生产效率低、开采条件要求高、所用材料昂贵、环境风险大以及出砂、井筒相变、产能不稳定等问题。目前，实现安全、高效、商业化开采仍有难度。

美国于2012年2月—4月在阿拉斯加北坡普拉德霍湾区开展试采，由于设备问题最终关井，实际生产时间30 d。日本于2017年5月和6月两次试采，虽然成功从海底富砂储层中实现产气，但分别由于出砂和冰封的原因导致停产。俄罗斯在1972—2004年对麦索亚哈气田进行开采，由于为间歇性产气而最终宣告失败。加拿大分别在2002年、2007年和2008年对麦肯齐三角洲陆域进行了水合物试采，产气持续时间为14 d、12.5 h、6 d，最终由于出砂而停产。我国虽然在试采中初步实现了防砂技术的创新，但毕竟试采时间短，能否解决长期防砂实现商业化开采还需进一步试验。

3.3 碳封存应用方面：二氧化碳-甲烷置换开采方式存在“卡脖子”问题

二氧化碳置换开采天然气水合物中的甲烷被认为是能同时实现天然气水合物开采与二氧化碳减排、封存的双赢技术，具有保持天然气水合物矿藏的地质力学稳定性、减少发生边坡失稳风险的优势。然而，由于置换形成的次生二氧化碳水合物会堵塞用于气体置换的渗透性通道等原因，该方法具有置换效率低的缺点[20]。目前关于二氧化碳-甲烷置换机理还存在较大争议，存在甲烷水合物先分解后再形成二氧化碳水合物或者二氧化碳直接在水合物笼内驱替甲烷的机理之争[18,20]。置换机理的不明确，制约了置换效率的突破。

此外，二氧化碳置换开采中的捕获、汇集等配套技术和设施尚不完善，水合物矿床碳封存能力(即可供封存二氧化碳的空间)定量评价体系研究也不深入。因此，要实现CCUS技术在天然气水合物领域的高效、广泛应用还需要开展多方面的工作。

3.4 环境风险方面：监测-防控体系不完善，气候影响观点仍存在争议

一是针对勘查、开采过程中甲烷泄露的监测-防控体系尚不完善。目前研究仅涉及了天然气水合物赋存区甲烷渗漏以及探采前后甲烷泄露识别等，钻探、试采过程中甲烷泄露的监测及防控体系尚不完善。

二是天然气水合物分解对环境、气候变化和碳循环的影响作用目前尚处于推测和有争议的阶段。有学者提出甲烷流体活动的冰期-间冰期模式，认为水合物的形成与分解对全球气候变化具有调节作用，但也有学者认为水合物分解在全球气候变化中的作用被夸大，指出依托于沉积物及其中的微生物和水圈这两道防线的保护作用，成功逃逸到大气中的甲烷微乎其微[19]。

4 展望及建议

我国天然气水合物成矿条件优越，资源潜力大，研究后来居上、发展迅速，有望继美国“页岩气革命”之后引领新一轮“天然气水合物革命”，推动整个世界能源利用格局的改变。面对“双碳”目标实现的压力和能源结构转型的迫切性要求，应从战略高度开展包含发展规划、科研攻关、安全监督、政策法规、财政补贴等在内的顶层设计。

4.1 组建多机构、多学科联合的国家级攻关团队，助力推动勘探开发进程

天然气水合物的勘探开发是一项大型的、高难度的综合工程，涵盖陆地和海洋工程、勘探、开发、材料、通讯、信息等众多技术领域，以及物理、化学、热力学、地质、地球物理、油气工程等多个学科。这就需要充分发挥相关政府机构的优势，统筹协调各学科领域的专家组建一支国家级攻关团队，制定国家级水合物研究的发展战略目标、研发计划、技术路线、重点攻关方向和科学有效的组织实施方式。集中力量、选取有限的研究目标，力争在天然气水合物勘查开采理论、技术中的“卡脖子”问题上重点突破，努力实现核心关键技术的国产化替代，助力推进水合物产业化进程。

4.2 继续加大海域和陆域天然气水合物的资源调查和勘查开采力度

尽管目前天然气水合物勘探开发面临着诸多的挑战，但从长远来看，加快推进天然气水合物勘查开采产业化进程，积极推动天然气水合物行业发展符合我国能源转型基本方向。当前的战略重点是加大天然气水合物资源勘查力度，要分层次、有重点地开展海域和陆域冻土区天然气水合物资源调查评价，尽快确定我国天然气水合物的资源潜力和分布情况，寻找更多可供试采的水合物矿区，为产业化提供资源基础。此外，要加大理论、技术、工程、装备研究力度，为产业化提供技术准备；建立我国天然气水合物调查评价和开采标准体系，规范水合物地质调查和勘查开采工作。

4.3 加强环境风险监测、防控，积极参与国际合作

我国要积极研发环境风险监测-防控指标体系、配套系统和装置，确立环境监测、防控措施，制定相应地环境风险防范管理制度。要保证“勘查-开采-环境风险防控”一体化、同步、全过程管理，实现天然气水合物勘查开采中生态环境安全可控，在试采前开展了环境本底调查，在试采中建立大气、水体、海底和井下四位一体的环境监测，实现全过程的实时监测和有效控制。将“防范环境风险”“高质量发展”贯穿整个行业的始终，更好地发挥天然气水合物的资源优势。

环境问题是全球关注的热点问题，天然气水合物对全球气候变化影响的问题是国际研究课题，要积极参与到相关的国际研究组织中，提升我国在全球气候领域中的地位和话语权。与此同时，积极参与天然气水合物领域的国际性研发计划或项目，与相关政府机构、企业、学术机构等建立长期稳定的联系，追踪和分享国外最新研究成果以及调查、试采、政策的最新动向，加强学习和积累理论技术研发、组织管理等方面的先进经验，寻找适合我国的水合物开发道路。

4.4 完善与“双碳”目标并行的天然气水合物发展规划与配套管理政策

一是政府应结合天然气水合物现状和“双重”环境属性，配合“双碳”目标的总体布局，尽快制定我国天然气水合物未来发展规划，明确各个阶段发展重点。二是要完善监管体系，将天然气水合物纳入监管范畴，制定涵盖天然气水合物勘探、开发、运输等全产业链的技术标准体系，出台相关的管理政策法规。三是在矿权颁布、开发政策、财税政策等方面给予支持和优惠，积极鼓励天然气水合物勘探开发；建立符合我国天然气水合物产业未来发展的金融支持体系，引入各类资本参与天然气水合物勘采活动。