天然气水合物新能源简介—对全球试采、开发和研究天然气水合物现状的综述

天然气水合物是烷烃类天然气被包进水分子组成的结晶格架中，在海底低温与高压条件下形成的一种透明结晶状物质，多呈白色和冰雪十分相似，化学上属于“笼形包合物”，理论分子式为CH4·5.75H2O，因为能点火燃烧、俗称可燃冰。

通常，1m3的天然气水合物在常温常压下，分解后释放出164m3的天然气和0.8m3的水，因此它是一种比较高效的清洁能源。推测，世界上储存的可燃冰中的“碳”至少有10x104亿t，约为当今探明的化石燃料中碳含量总和的2倍，是一种“凝固的天然气”。由于可燃冰分布广、规模大、能量密度高，它必将成为21世纪的一种新能源【1】。

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1 国外天然气水合物的发现、勘查和开采试验简史

水合物最初是由Sir Humphrey Davy于1810年在实验室中发现的，确定了气体可以和水一起形成水合物。因此，这一时期一直是科学家在实验室里配制和检测的人造物质。直到1934年，因在天然气输气管线途中常有“人造天然气水合物”的形成、导致管路阻碍和设备破损，才引起科技人员重视，那时目的仅限于防止天然气管线不被水合物破坏或阻塞管道。

到了1965年，在前苏联西伯利亚麦索亚哈气田中，首次发现天然气水合物的地层，这才引起科学家的重视。是人类首次在地层中发现的自然生成的天然气水合物，且首次进行了开采试验，具重大里程碑意义。

1970年后，美国在阿拉斯加的西布鲁德霍湾的艾林钻井的岩心中发现天然气水合物；1974年在美国东海岸近海地震物探中发现“拟海底反射层，简称 BSR”的存在，也即地震波速度异常的现象，经钻探发现可燃冰。因此，史托认为“拟海底反射层 BSR”的震波异常现象，是天然气水合物存在的标志。1974年，加拿大也在马更些三角洲冻土地带浅部地层发现了天然气水合物。后来，“拟海底反射层BSR”在世界各海洋的海底沉积层中相继被发现，如北太平洋的白令海；西太平洋的鄂霍茨克海、日本海、南海海槽、冲绳海槽；台湾西南海域，南海北部陆坡；东太平洋的中美海槽、北加利福尼亚—俄勒冈近海、秘鲁海槽；大西洋美国东部近海布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海、南美洲东部的“外陆缘”、非洲西部近海；北极的巴伦支海和波弗特海；南极的罗斯海和威德尔海；印度半岛的东西近海、孟加拉湾、阿拉伯湾；以及黑海、里海、贝加尔湖等，几乎遍布世界各地。当时，希聰研究认为，具有商业开采价值“可燃冰”的地区包括美国阿拉斯加的北极石油区、加拿大的马更些三角洲及北极群島，俄罗斯的西西伯利亚北部等。从此，天然气水合物作为一种非传统的新型能源展现在世人面前。

已发现天然气水合物资源的地区有：大西洋美洲陆缘的纽芬兰近海、巴尔的摩海槽、布莱克海脊、墨西哥湾；在东太平洋美洲近海有喀斯卡特水合物脊，加州近海、中美海槽、巴拿马盆地等；西太平洋近海有鄂霍次克海、日本海、南海海槽、南海北部陆坡、以及印度洋的印度半岛近海和东帝汶海沟等。

2）不准分立面拆架或在上下两步同时进行拆架。做到一步一清、一杆一清。拆立杆时，要先抱住立杆再拆开最后两个扣。拆除大横杆、斜撑、剪刀撑时，应先拆中间扣件，然后托住中间，再解端头扣。所有连墙杆等必须随脚手架拆除同步下降，严禁先将连墙件整层或数层拆除后再拆脚手架，分段拆除高差不应大于2步，如高差大于2步，应增设连墙件加固。

2013年5月，日本在南海海槽进行了可燃冰开采试验，这是全球首次进行的海底天然气水合物的试开采。

2 中国对“可燃冰”的研究和开发简史【2】

2.1 早期初创阶段（1980～1999年）

1980年后，中国科学院兰州分院图书馆、中国地质科学院矿床所等单位开始注意收集和追踪可燃冰的信息和资料，关心未来新能源进展的科学家有郭天明、涂光炽、李庭栋、陈毓川、汪集旸、金庆焕、杜乐天、吴必豪、刘玉山、祝有海等。中国地质科学院还派人到国外进行技术考察，聘请国外专家来华讲学，开始有计划的培养人材。

陆地上天然气水合物几乎全产在永久冻土带，天然气水合物处于热力学稳定平衡状态，多数矿藏位于主权国家境内，埋藏浅、距工业基地近、交通方便。开采中，首先让可燃冰分解、转变成气体再抽取上来；经验证明用密封钻井式的开采技术是可行的，通过管道将天然气输送到气体储集站；全过程不能外泄甲烷气体，才符合环保要求。

2.2 中期勘探评价（1999～2013年）

从1999年起，中国开始大规模进入天然气水合物的实质勘查研究阶段。中国地质调查局先后在西沙海槽盆地组织了试验性的调查和初步评价，首获地震地球物理和地球化学异常的标志，初步确认了广州海洋地质局等国内调查、研究单位的实力，为以后大规模调查做好了技术和组织的准备。

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中国从2004年起，对我国天然气水合物钻采进行了攻关，成功研发了国内外首创的具有自主知识产权的天然气水合物“冷钻热采”的关键技术，终于在2007年和2008年分别在南海北部和青藏高原钻取到海洋型和冻土带的天然气水合物。

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2008年，中国在地质调查局部门和“陆域冻土带天然气水合物资源调查与评价”项目支持下，刘玉山、祝有海和吴必豪研究员等开始收集和编纂国内外有关天然气水合物领域的信息和资料,特别关注2012年后新勘探的矿床特征以及开采技术上的新成果，于2017年4月由海洋出版社出版了他们合作完成的专著《天然气水合物：21世纪的新能源》。该书比较全面系统地论述了天然气水合物的物理化学性质、形成机理及全球重点地区可燃冰矿床的特征和开发的有关内容。

2.3 后期创新开发（2013～2017年）

2013年，广州海洋地质调查局又一次在南海北坡开展了新一轮的大规模钻探调查，在珠江口外探明具有一定储量的高饱和度可燃冰矿藏；在青藏高原冻土带也陆续发现了层状天然气水合物的赋存和天然气井喷，我国海域和陆地“可燃冰”调查都取得了重大进展。

2017年3月28日起，我国实现了“可燃冰”全流程试采技术的重要突破，形成了国际领先的新型试采工艺，第一次针对粉砂质地层水合物进行了开采试验。监测结果显示了60 d全过程的安全、可控和环保试采。此次试采中使用了大量国产化装备，从此中国可燃冰开采也迈入世界前列，中国已成为继前苏联、美国、加拿大和日本之后钻探或开发天然气水合物先进之列。

2.4 南海可燃冰试采成功（2017年5月10日～7月9日）

天然气水合物的形成需要丰富的烃类气体来源保障和长时间的积累。自然界中烃类气体形成可分为有机和无机成因两大类。有机成因的气体包含生物气和热解气二种。生物气是指沉积物在堆积过程中，在温度为4～55℃时，静水压力大、有机质在细菌的生物化学作用和还原环境下转化形成甲烷、乙烷及丙烷等烃类气体。

未来我国将进一步加大天然气水合物资源的勘察力度，为产业化提供资源保障，还要加大理论、技术、工程、装备等研究，为产业化提供技术准备。为了保护海洋生态环境，研究提供勘探开发管理规范性文件和产业政策，为可燃冰绿色矿业开发和产业化提供相关保障。

3 天然气水合物在全球的分布【3】

“可燃冰”主要分布于世界三大洋近海海底和大陆永久冻土带，以及内陆湖海中。在全球各大洋赋存于主动和被动陆缘（大陆）与半岛的陆坡及陆隆的海底沉积层中，分布比较广泛。一般水深大于300m，最深可达2000m，在赤道水深300m的海底水温约 0℃，天然气水合物存在于海床至海床下1100m的海底沉积物中。在极地和高纬度冻土带的岩层中，“可燃冰”存在深度为150～2000m。海洋“可燃冰”资源量占全球总量的 90%以上，陆上仅占10%左右。

2002和2008年，加拿大、日本和美国对Malik和阿拉斯加冻土带地区天然气水合物成功进行了试验性开采，表明用降压和热激相结合的方法，开采天然气水合物的技术是可行的。

可燃冰分布多与石油天然气产区重合或部分重合这是一个规律，如在阿拉斯加、墨西哥湾及西西伯利亚。一方面对油气工业开采带来不少安全问题，另一方面却为天然气水合物的勘探开发带来许多有利条件，可充分利用油气工业原有钻探开采和生产管道等基础设施减少投资。例如，美国阿拉斯加北坡大油田，于1972年发现了可燃冰，之后检查了几百口工业油气井的测井资料，发现至少直50口生产井可能存在水合物，厚薄不等，个别厚度可达3～31m。

4 天然气水合物的类型【4】

大陆冻土带天然气水合物开采的主要方法有二种，即降压法和热激开采法。降压法是通过钻孔和其它途径降低可燃冰层的平衡压力，或通过矿层裂隙抽取其中的流体直接降压、破坏矿层的压力平衡，使其发生分解、释放出甲烷气体，是一种常用的开采技术。热激法又称热水注入开采法，是向天然气水合物矿层注入热水、热卤水或蒸汽等，对矿层加热、促使“可燃冰”发生分解，再用导管采集分解出来的甲烷气送至“贮藏器”内。

陆上的可燃冰多属适于开发的砂岩型天然气水合物，优点是比海洋型可燃冰开采风险小、工艺简单、成本低；海洋型可燃冰开发过程中，因天然气水合物矿层的骤然分解或采空可能导致海底坍塌、滑坡或海啸。但海洋型“可燃冰”资源量占总量90%，是最大优势。

上海市对保障范围进一步扩围，是在继续做好本市户籍中等或中等偏下收入住房困难家庭基本保障，保障力度只增不减、保障房源确保供应的基础上，聚焦在上海创业、稳定就业并长期为上海经济社会发展做出贡献的新市民，有序将持证年限较长、学历层次高、符合上海市产业发展导向、为上海市经济社会发展做出贡献的非户籍住房困难家庭纳入保障范围。

1) 有利于各国就协调权的行使达成良好的默契。既然搜救国协调权本身并不单纯是一个法律意义上的权利，那么实践中国家与国家之间在海上救助中行使及运用这一权利时就需要相互之间的默契和配合，而建立这种默契和配合的有效方式就是通过国家之间的救助演习，其中包括制定相对完备的救助合作计划、进行实战操练等。

进一步分析发现，在地温方面，松桃县、碧江区、德江县主要传统花生种植区4月的第一侯5厘米深处地温已达15摄氏度以上，万山4月第4侯已超过15摄氏度(表2)，满足播种所需的地温要求。

从1995年起，在大洋开发协会、国土资源部和国家“863”计划的支持下，地科院矿产资源研究所牵头先后与广州海洋地质调查局、中国地质矿产信息研究院、中国科学院地质与地球物理研究所协作，承担了西太平洋和中国近海天然气水合物找矿远景、探查关键技术等课专题的研究。

紧隨“可燃冰”工业开发的兴起，有学者提出按资源的“质量和可采度”对水合物进行新的划分，分为 4类：（1）砂岩水合物；（2）破裂泥页岩水合物；（3）海床之上和浅部的块状水合物；（4）泥页岩中的低品位浸染状水合物。此外，还存在以砂岩和泥岩为格架的复合型水合物。其中（1）和（2）类是可优先开采的对象。

5 天然气水合物的成因【2～4】

经过37年的潜心研究，中国在南海试采可燃冰创下多项新纪录，宣称这次试采取得产气时间最长，产气量最大，气流稳定和环境安全等多项重大突破成果，点火产气连续 60 d，累计产气30.9×104m3的世界纪录。试采地点于南中国海北部的“神狐”海域，距离广东省珠海 320km。试采从水深1266m海底以下203～277m的泥质粉砂岩型天然气水合物矿藏中采出天然气，平均日产气5000m3以上，甲烷含量高达99.5%，获得科学试验数据 647万组，表明我国天然气水合物开采理论、技术、工程和装备都在世界范围内具有先进优势。

细菌活动的深度可达海床之下 700～800m，深部有的细菌活动比表层更活跃。陆地地表下的地层也是生产甲烷的细菌活动重要领域，这里厌氧细菌的密度可达106～107Cells/mL。在寒冷的冻土带和湿地地表之下，各种细菌活动会造成缺氧的还原环境，有利于甲烷的生成。

镁合金是极重要的有色金属，是常用的金属材料中最轻的，密度大约为铝的2/3，钢的1/4.镁合金在散热、吸震以及压铸等性能方面均强于铝合金.我国经过“十五”镁合金重大专项攻关，将镁合金已经应用于一些车型的变速箱、壳体、方向盘骨架等.以长安微车为例，镁合金的应用量达到9 kg.镁合金的主要缺点在于价格过高、应变能力差等，随着镁合金应用量增大、技术水平提高，这些问题也将得到解决[26].

生物成因“可燃冰”几乎全部由甲烷组成（甲烷＞99%），其甲烷气的δ13C很小，多数为60‰～90‰。目前认为，天然气水合物主要是生物成因形成的。

热解气是指埋深大于数千米的沉积物，温度、压力进一步升高，其中的有机质热解形成的烃类气体，也含有深部幔源上升带来的气体，可称为深源气（无机成因气），有时也被归并到热解气中。热解气以甲烷碳同位素值和乙烷、丙烷含量较高为特征。

6 国外天然气水合物的开采方法简介【2,4】

自然界产出的天然气水合物可划分为海洋型和大陆型两大类型。海洋型可燃冰多埋藏于海洋水底沉积物中，大陆型主要分布在寒冷地区的永久冻土带。目前，已发现200多处产地或矿点。

科技界首先对大陆上“可燃冰”进行了开采试验。早在1970年前后，前苏联对西伯利亚冻土带的麦索亚哈气田中“可燃冰”进行了30年的开采试验；2002年和2008年加拿大、日本等多个国家合作对加拿大的“MalliK”地区“可燃冰”进行开采试验，主要用降压法，证明是安全和实用的。随后，美国也对在阿拉斯加北坡冻土带的“可燃冰”做了试验开采，为了验证大陆上降压法在深海海底的可燃冰开采适用性，日本石油天然气金属公司（J0GMEC）在商贸工业省的支持下，于2013年3月在南海海槽的大日—渥美海丘进行了为期 6 d的海底可燃冰的试验开采，成功采出12×104m3甲烷气体，这是全球第一次海底“可燃冰”成功开采，也具有重要里程碑意义。

7 天然气水合物开采中存在的风险及对策探索【2,5】

天然气水合物既是一种清洁能源，同时又是一种具有风险的能源。因为甲烷的温室效应是二氧化碳的23倍。如可燃冰开采不当，甲烷气体泄漏，不仅会使地球变得更暖，也会诱导突发事件的发生。海洋温度升高，可燃冰分解可引发海底滑坡、坍塌，引起温室效应，改变全球气候，这是其一；其二是，若在海底长期开发，可能引起可燃冰的分解，形成甲烷气体大量渗漏、喷发或爆炸，造成钻井工程及管道损坏；其三，有人认为可燃冰的自然分解变化可能是引起地球上火山爆发、地震和大面积雾霾等自然灾害和事件的原因之一。可燃冰和核能应用相似，都有风险一面，如果工程技术上做到十分安全保障，则是一种可开发利用的新能源。

质谱条件：EI源，电子能量70 eV，离子源温度200℃，四级杆温度150℃，质量数扫描范围35～350 amu。

2002年开始启动了中国天然气水合物资源调查与评价的专项工作。中国地质调查局继续承担该项任务，制定了战略方向，组织了国内外的广泛协作，明確广州海洋地质调查局和油气资源调查中心（原为中国地质科学院承担）分别为实施海上和陆上作业的主要单位，选择了南海西沙海槽、神孤、东沙、琼东南等海域和青藏高原及东北冻土带分別作为重点研究区。

如今，对可燃冰的资源类型的新的分类和评估，以及陆上和海底水合物开采技术方法等的研究都取得了突破性的成就、降压法的开采技术和开采的数学模拟已成功用于加拿大MalliK和阿拉斯加冻土带的试采，以及中国在南海长达60天连续成功的试采，证明只要安全有保障，全球将迎来“可燃冰”商业开采的高潮。

近年来，日本研究出一种水平钻采技术，沿天然气水合物储层水平开采，效率可提高 30%；除传统的降压、热激和试剂注入 3种方法外、还可向开采中的天然气水合物储层中注入液态二氧化碳，使其形成二氧化碳水合物，同时置換采出甲烷天然气。这样，既充填了采空岩层，又把工业产生的二氧化碳贮存于地下深部，起到了“固碳作用”、又防止了矿层破坏坍塌，一举多得。为预防开采可能带来的安全事故，美国矿物管理局一直致力“可燃冰”开采中相关的安全研究。例如，在墨西哥湾测量和绘制海床的3D地震图，监测海底地形的变动，用测井技术长期监测深部岩层的物理性质、温度和压力参数。此外，还建立了含水合物岩层研究实验室，用于测量和模拟开采时天然岩层物性的演变。

近来，联合国“政府间气候变化委员会”的报告指出，过去十几年发生过甲烷脉动外逸，每年向大气层注入的甲烷约 3700x104t（Brewer，1999）；“固碳作用”是把温室气体封存于海底岩层中。现在，一个更大规模保护环境的研究高潮已在全球各地兴起，总名称就叫“碳的捕获与贮存”。

8 结语

天然气水合物是一种清洁能源，其勘探备受世界瞩目。2017年11月16日，中国国土资源部正式批准天然气水合物（可燃冰）为新矿种，成为我国第173个矿种，为21世纪一种新能源，是21世纪石油天然气的理想替代资源。未来我国将进一步加大天然气水合物资源的勘察开发力度，实现天然气水合物资源的利用。

参 考 资 料

1 苏更林. 感受可燃冰的“温度”[J]. 百科知识，2017，07A：17～18

2 刘玉山，祝有海，吴必豪. 天然气水合物：21世纪的新能源[M]. 北京：海洋出版社，2017

3 庞名立. 非常规油气资源[M]. 北京：中国石化出版社，2013，8：67～75

4 李钟模. 我国可燃冰开采研究取得新进展，钟模科普作品选[M]. 北京：化学工业出版社，2016：112

世界以痛吻我，我或许不能报之以歌，但我可以做些什么继续活下去。活得好坏也许不重要，庆幸的是，我活着。那些遭遇生活打击却依然活着的人们，就像大海中航行的小船，不管是迷途还是停滞，只要还在航行，只要还没有沉默，茫茫大海上就总会有灯塔，在努力向他们投射光亮。

5 宣之强，李钟模. 冰中取火—可燃冰[J]. 地球，2017，11