知识窗▏天然气水合物(可燃冰）的深度专业透析
2017年5月18日，国土资源部中国地质调查局在我国南海神狐海域宣布可燃冰试开采成功，实现连续8天稳定产气，标志着我国成为在海域可燃冰试开采中少数几个获得连续稳定产气的国家。此次试开采同时达到了日均产气一万方以上以及连续一周不间断的国际公认指标，不仅表明我国天然气水合物勘查和开发的核心技术得到验证，也标志着中国在这一领域的综合实力达到世界顶尖水平。
为此，中共中央、国务院对此次试采成功发去贺电。贺电称，天然气水合物是资源量丰富的高效清洁能源，是未来全球能源发展的战略制高点。经过近20年不懈努力，我国取得了天然气水合物勘查开发理论、技术、工程、装备的自主创新，实现了历史性突破。这是我国在掌握深海进入、深海探测、深海开发等关键技术方面取得的重大成果，是中国人民勇攀世界科技高峰的又一标志性成就，对推动能源生产和消费革命具有重要而深远的影响。
南海神狐海域试采成功图片
一、各国天然气水合物的开发进程
海底天然气和水在低温、高压条件下可形成的一种类似状的可燃固态物质，称为天然气水合物，由于外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固体瓦斯”之称，在大陆边缘陆坡区等地区有较广泛发育。天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源，早在1965年，前苏联就首次在西西伯利亚永久冻土带发现天然气水合物矿藏，并引起多国科学家的注意。
1971年，美国学者Stoll等人在深海钻探岩心中首次发现海洋天然气水合物，并正式提出“天然气水合物”概念。1979年，DSDP第66和67航次在墨西哥湾实施深海钻探，从海底获得91.24米的天然气水合物岩心，首次验证了海底天然气水合物矿藏的存在。2000年开始，可燃冰的研究与勘探进入高峰期，世界上至少有30多个国家和地区参与其中。在2013年3月12日，日本成功地在爱知县渥美半岛以南70公里、水深1000米处海底开采出可燃冰并提取出甲烷，成为世界上首个掌握海底可燃冰采掘技术的国家。
天然气水合物（可燃冰）完全燃烧时只生成几乎无任何污染的二氧化碳和水，因此它是一种新型的绿色能源。天然气水合物在全球具有巨大的资源量，据估计其有机碳量相当于全世界已知和未知的化石燃料（煤、石油和天然气等）总有机碳量的两倍，这给能源日益短缺的人类带来希望。天然气水合物（可燃冰）的诞生至少要满足三个条件：第一是温度不能太高，如果温度高于20℃，它就会“烟消云散”，所以，海底的温度最适合可燃冰的形成；第二是压力要足够大，海底越深压力就越大，可燃冰也就越稳定；第三是要有甲烷气源，海底古生物尸体的沉积物，被细菌分解后会产生甲烷。
由于海底天然气水合物重要性，近30年来各国政府高度重视对其的调查研究工作，已在许多区域发现了海底天然气水合物存在的标志或实物样品。在海底区域，可燃冰的分布面积就达4000万平方公里，占地球海洋总面积的1/4。本世纪六十年代开始的深海钻探计划(DSDP) 和随后的大洋钻探计划 (ODP) 在世界各大洋与海域有计划地进行了大量的深海钻探和海洋地质地球物理勘查，在多处海底直接或间接地发现了天然气水合物。
作为世界上最大的发展中的海洋大国，中国能源短缺十分突出。为此，在国家发展改革委、财政部等大力支持下，整合了国内各方面优势力量，1999年国土资源部正式启动天然气水合物资源调查。2007年5月1日凌晨，中国在南海北部的首次采样成功，证实了中国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源。2013年6月～9月，广州海洋地质调查局在广东沿海珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度天然气水合物样品，并通过钻探获得可观的控制储量。此次发现的天然气水合物样品具有埋藏浅、厚度大、类型多、纯度高4个主要特点。
2017年1月，经10余年技术攻关，吉林大学科研团队研发出陆域天然气水合物冷钻热采关键技术，在海拔4000米的青海省木里盆地，实现了陆地天然气水合物试开采，填补了我国陆域天然气水合物钻采技术的空白。本次5月18日，中国地质调查局在南海神狐海域的开采成功，标志着我们在海洋领域取得了天然气水合物试开采的历史性突破。为我国未来可燃冰的商业化开发铺平道路，将对我国能源结构产生重大影响。
“蓝鲸一号”钻探平台上工作人员庆祝图片
二、海底天然气水合物的识别方法
天然气水合物是海底天然气的一种存在形式，是一种由天然气和水结合而成的固体物质，一种似冰状晶体矿物，发育于温度、压力、流体盐度等限定的特定地质环境中，即天然气水合物稳定带（GHSZ）中，同时受沉积物孔隙流体中甲烷等气体溶解量的控制。海底天然气水合物常伴生有浅层气分布，天然气水合物又可分解为气体，因此通过调查、检测浅层气进而推断天然气水合物存在也是海底天然气水合物识别方法之一，主要包括地球物理、地球化学、地质地貌等标志。地球物理探测中主要采用地震波、声波探测的方法。海底天然气水合物在地震波和声波探测剖面上通常表现为声混浊、增强反射、声空白带（空白反射带）、亮点、速度下拉、相位反转、气烟囱等特征。
⒈反射地震识别
地震方法（包括单道地震、多道地震等）是目前识别和预测海底天然气水合物的最有效方法之一，在发现海底天然气水合物中发挥了关键作用。海底含天然气水合物的地层，由于沉积物孔隙被水合物充填胶结，地震波速增大，而下伏的不含水合物地层由于常有游离气存在，波速要小得多，因此含水合物地层与下伏的不含水合物地层常引成一个负极性的强反射。同时含水合物地层内部由于沉积物孔隙被水合物充填胶结，使其在地震、声学上呈现均一响应，在地震剖面以空白反射带出现，如下图所示。
地震偏移剖面显示的似海底反射
需要指出的是，似海底反射受到构造作用、沉积作用、沉积物的碳含量以及水合物的含量等诸多因素的影响，天然气水合物分布与似海底反射并不存在一一对应关系，在运用似海底反射来识别海底天然气水合物时必须注意结合其它标志综合进行。由于水合物沉积层中存在游离气，水合物层与下伏沉积层之间在地震反射记录上没有明显的声速和阻抗差异，似海底反射一般不发育，因此无法用似海底反射来识别水合物，但可采用识别海底浅层气渗漏的相关方法进行识别，如下图。
反射地震剖面显示的似海底反射
⒉地球物理测井识别
由于天然气水合物在常温常压下不稳定，地球物理测井是现场测量含天然气水合物地层物理性质的重要工具，可用于：①确定天然气水合物、含天然气水合物沉积物在深度上的分布；②估算孔隙度与甲烷饱和度；③利用井孔信息对地面地震与其他地球物理资料作校正。一般而言，由于水合物替代孔隙中高电导率的海水，含水合物地层的电阻率测井值比饱和海水的电阻率大。水合物的存在使沉积物硬化，纵波速度与横波速度值会增加。在游离气存在的情况下，声波测井与垂直地震剖面（VSP）的速度会减小。根据岩石物性模型，利用电阻率、速度与水合物的相互关系，就可以通过电阻率测井数据与声波测井数据估算水合物饱和度随深度的分布，见下图。
声波测井曲线
上图中，在浓度局部高值区、458～475m存在孔隙水氯离子浓度局部低值区。声波测井、地质、地球化学资料的综合分析表明, 该站位出现了高速、速度倒转等含天然气水合物沉积层存在的特征，且天然气水合物稳定带的底界为475m左右。
⒊地球化学识别
地球化学标志在识别天然气水合物中起重要作用。除了常规的利用地球化学标志识别海底浅层气，进而识别天然气水合物的方法以外，Cl-离子浓度异常和SO42-浓度降低已经成为目前天然气水合物最为重要的地球化学指标。
所谓Cl-异常是指由于天然气水合物的形成与分解导致的沉积物孔隙水中Cl-浓度的异常变化，在水合物评价中一般指负异常，水合物分布层段沉积物的Cl-浓度急剧减小。一方面由于天然气水合物在其形成过程中的充分条件之一是需要有充足水源,因而要从邻近地层中汲取孔隙淡水；另一方面,由于Cl-太大以致于不能进入天然气水合物的笼型结构中，因此，水合物赋存层段的盐度降低而淡化，并使周围的海水盐度增高。
天然气水合物赋存层段沉积物的SO42--离子浓度同样呈现降低的趋势，其原因除了上述水合物形成过程导致的孔隙水淡化外，富烃类流体(主要是CH4)在向海底运移过程中(即烃渗漏过程中)，甲烷气体也会还原海底沉积物中的SO42-而将之不断消耗，从而造成SO42-浓度自海底向水合物稳定带的降低趋势。
⒋海底地形地貌分析
调查研究发现，海底天然气水合物富集受断裂、底辟、泥火山、海底滑塌及海底扇等多种构造地貌的控制。南海北部陆坡、台湾西南部和南海南部曾母盆地北部坳陷等海区有大量泥底辟、麻坑、海底滑塌及海底扇等发育。从具有天然气水合物的地区来看，泥底辟有利于天然气水合物的运移和保存，有统计表明，南海北部陆坡目前发现的海底天然气水合物35%左右有底辟构造与BSR相伴生。
根据高分辨率地震资料分析, 发现冲绳海槽南部西侧槽坡附近以及海槽内部发育有一系列泥火山(底辟)构造，在泥底辟构造顶部存在明显的似海底反射，其与海底反射波组极性相反，在似海底反射之上存在振幅空白带，在速度谱上出现速度异常，指示存在与泥底辟构造有关的天然气水合物。通过对这些与海底天然气水合物生成和分布密切相关的地貌体进行的深入调查研究，对识别海底天然气水合物有重要意义。
全球发现的天然气水合物分布图
三、我国近海天然气水合物的分布情况
⒈我国东海区域海底天然气水合物分布
根据海底天然气水合物的生存条件，东海区域可能的分布海区只有冲绳海槽地区。我国科学家根据多年来在冲绳海槽地区所开展的地震调查（二维多道地震和高分辨率地震调查）、沉积物调查、地球化学调查、地热流调查和广泛搜集资料，在东海陆坡和冲绳海槽盆地，特别是在中南部钓鱼岛附近海域，发现一系列反映海底天然气水合物存在的标志。通过高分辨率地震资料综合指标表明, 在冲绳海槽中南部、27°30′N以南至台湾东北部地区，特别是冲绳海槽西南部钓鱼岛附近海域的西侧槽坡及部分海槽轴线以西地段，是寻找东海天然气水合物最有利的远景区。其中冲绳海槽可靠类区域面积约3800km2，比较可靠类区域面积约7400km2，详见下图所示。
冲绳海槽地区海底天然气水合物远景区分布
这是由于在东海冲绳海槽南部陆坡区域，泥底辟发育，在底辟内部和周围地层中断层发育，中新世和更老的地层是天然气的源地，底辟和断层附近常出现流体势低值区，为天然气的运移提供了通道，成为天然气的聚集区，在这些天然气聚集区如果温压条件合适就有利于天然气水合物的形成。
⒉南海北部海底天然气水合物分布
南海北部的天然气水合物的研究是从BSR的研究开始的。广州海洋地质调查局经过数年的调查后，在南海北部陆坡的东沙群岛南部、珠江口盆地深水区神狐海域、西沙海槽的南北斜坡、笔架南盆地东缘等地发现了多处似海底反射。其它学者也相继在东沙海域、台湾西南海域识别出似海底反射，结合振幅空白和极性反转等其它地震标志和区域地质资料，认为该地区有良好的天然气水合物成矿前景。
除似海底反射外，空白带、速度振幅异常和波形反转等其它地球物理指标也是天然气水合物资源评估中不可忽略的指标。在南海北部天然气水合物的地球物理调查中也进行了空白带、速度振幅异常和波形反转等指标的调查，这些地球物理标志与似海底反射相伴随，说明了南海北部具有良好的天然气水合物成矿前景。2007年5月在南海北部神狐海域似海底反射区域采集到天然气水合物的实物样品，证实了以往地球物理研究成果的可靠性，5月18日在南海神狐海域的试采成功就是最好的证明。
此次试采的南海神狐海域位置图
广州海洋地质调查局早在2002年就在南海北部东沙群岛取得了冷泉碳酸盐岩，2004年中国地质调查局和德国基尔大学海洋科学研究所合作开展的科学考察也进一步证实了其存在，其面积可达430 km2，这是在南海北部发现天然气水合物存在的似海底反射证据以来的又一重要证据。在2005年的南海北部科学考察中，中国科学院南海海洋研究所又在南海北部发现了两个冷泉碳酸盐岩站位。
2004年广州海洋地质调查局在南海北部神狐海区获得了大量的碳酸盐岩烟囱的调查结果，对这些碳酸盐岩，我国研究者进行了岩石学、矿物学、地球化学以及生物学等方面的研究，结果表明：这些碳酸盐岩主要是由碳酸盐矿物、陆源碎屑和黏土矿物组成，含有少量的黄铁矿和针铁矿，将其与世界上获得天然气水合物地区的碳酸盐岩进行对比表明，南海北部存在有天然气水合物。
除了发现碳酸盐岩烟囱外，我国学者在南海北部还发现了与天然气水合物有关的地貌特征。由于南海北部陆缘属于被动大陆边缘，陡坡、陡坎、海底高原、陆坡台地、海底滑塌及海底扇等各种构造地貌发育，这些构造地貌为天然气水合物的形成提供了有利条件。有学者认为，该区域沉积速率高、构造复杂、流体活跃、含砂率适中(35～50%)、细粉沙黏土或细粒沉积物中，更有利于水合物成藏。区域内可能存在两种类型的水合物成藏模式：一种是以深部热解气为主的构造渗漏型;另一种是以浅层生物气为主的地层扩散型。
南海北部区域天然气水合物似海底反射的分布图
尤其是台西南盆地地区构造复杂、断层发育、存在底辟构造，为深层流体（水和气体）和热聚集提供良好的通道；而从东沙群岛西部的珠江口盆地的沉积环境相对比较稳定，位于隆起和坳陷分界处规模较大的活动断层相对比较少，缺乏气体运移通道；综合评价认为南海北部的台西南盆地、东沙群岛海域、西沙海槽、琼东南盆地是天然气水合物远景区，其中台西南盆地为最有利区。上图为南海北部区域天然气水合物似海底反射的分布图。
四、海底天然气水合物成灾机理
我们也应该看到，如此巨大的含碳量引起了人们对水合物在全球碳循环和温室效应中所起作用的关注，海底天然气水合物的分解释放出的大量甲烷会对环境造成严重影响，同时，天然气水合物的分解也引起海底滑坡等地质灾害。必须指出，天然气水合物（可燃冰）是一种极不稳定的物质，对温度和压力很敏感，只有在低温（0～10℃）和高压（10MPa）同时具备的条件下，它才能保持稳定状态。目前，只有在它的原始存储地，即深海海底或高寒冻土区才同时具备这样的条件。一旦把可燃冰从低温高压条件下取出，它就会迅速分解，释放出甲烷，在开采过程中如果控制不住，很容易出现甲烷泄漏，极易造成“井喷”。同时在脆弱的海洋生态系统中，机械钻探或化学试剂注入海底，将改变其物理性质，使海底软化，容易出现大规模的海底滑坡，毁坏海底采气及输送设施。开采中产生的井喷，可能造成海啸、海底滑坡、海水毒化等严重后果，下面就来具体谈谈。
⒈海底天然气水合物分解引起海底地层失稳
海底沉积物中的天然气水合物的稳定性严格依赖于特定的温度和压力，地震、火山等地质活动、全球气候变化、海平面的下降、大陆斜坡的连续沉积和沉积物的深部埋藏等自然因素以及海洋钻探等人为因素造成的海底温压条件的改变会引起其分解，从而使海底沉积物失稳甚至导致海底滑坡等地质灾害，造成海底管道、光缆、海洋平台等构筑物的损坏。
在海平面的下降过程中，静水压力的减小导致天然气水合物部分分解。天然气水合物层厚度的减小程度取决于海平面下降和由此导致的静水压力减小的量。例如，海平面下降100m将导致大陆架表面天然气水合物稳定带在水平带上的宽度至少减小100m。 当海平面下降时，海底沉积物中天然气水合物楔状体的底层变得不稳定并开始分解，使基底带固结程度降低，异常的富水和气，如果有一个较厚的天然气水合物的圈闭层存在于分解带之上，那么由于天然气水合物释放的水和气体的体积比天然气水合物本身所占据的空间大，压力将上升到高于静水压力。除了天然气水合物层的厚度由于这个增加的压力得到调整之外，低密度的泥和气体可能将从稳定带之下剧烈地喷出，它甚至能掀翻天然气水合物圈闭层最上部的薄边，如下图所示。
水合物分解与海底滑坡示意图
同时，被液化的分解带能形成一个向下的滑动面，沿该滑动面大块天然气水合物胶结的沉积物楔状体会向下滑动形成滑坡。海平面的变化使这些事件反复出现，因此能在斜坡下部形成一个厚的、混乱的沉积物滑坡体。
水合物分解诱发的海底滑坡示意图
天然气水合物的分解被认为是引起世界上多处大陆边缘海底滑坡的原因之一，有不少研究成果表明海底斜坡失稳与水合物分解之间存在的可能联系。据分析，历史上著名的挪威斯托里卡(Storegga)第二次海底滑坡、美国东海岸卡罗来纳州岸外的恐怖角（Cape Fear）滑坡、西地中海的巴利阿里（Balearic）巨型浊流层和西非大陆架的海底滑坡体等都是由天然气水合物的分解造成的。
天然气水合物对海洋油气勘探的危害性还表现在其分解将导致不均匀的地层承载力。无论是浅层生物气还是深部热成因气，这种含气区内部承载力的不均匀都将威胁到海洋工程的安全，如造成钻井平台桩腿的不均匀沉降，使平台倾斜甚至翻倒等。此外，气体的突然释放会对管道产生破坏作用，高压浅层气释放时轻则侵蚀套管，重则造成井喷，甚至可能引起钻井平台的燃烧或爆炸，造成生命及财产的损失。
2．天然气水合物对深水油气钻井的潜在风险
天然气水合物的形成和分解都严重影响深水油气钻井（包括井控、钻井液性能、井壁稳定和固井等方面），天然气水合物已成为深水工程安全控制必须考虑的重要因素，与水合物有关的深水工程安全问题日益受到关注。
天然气水合物可导致压井管线和节流管线堵塞：在钻井过程中，天然气水合物能够在防喷器闸板腔内形成。因为闸板防喷器是依靠压力辅助关闭，没有密封垫片阻止气体和天然气水合物进入到闸板腔内，从而可能导致形成的天然气水合物阻止了闸板再次打开。目前的防喷器设计尚无法消除天然气水合物的影响。
天然气水合物导致钻井液性质改变：在使用水基钻井液钻进时，气体在钻井液中形成水合物会消耗钻井液中的水分，改变钻井液的流变性，从而导致钻井液的黏度发生变化，使携岩能力改变，并会引起重晶石沉淀，堵塞卡钻。岩屑中水合物从环空上返过程中，其所处环境的钻井液压力逐渐减小，当低于水合物相平衡压力时，钻井液中的水合物就会快速分解，产生压力波动，容易引起井涌甚至井喷，当钻井液中气体含量很高时，会降低整个环空压力，从而导致更加严重的水合物分解，加剧井喷和井壁不稳定性。
天然气水合物导致井口周围下沉：天然气水合物分解降低了海底和近表地层的稳定性，沿着气体通道会产生失效面和弱化区域， 这可能会导致海底设施的不稳定，甚至影响到环境。在含水合物区域进行海洋钻井时，还需要考虑避免由于天然气水合物分解造成的承载力丧失和海底地基沉陷的危险。
天然气水合物的分子结构图
五、海底天然气水合物灾害的防治对策
⒈海底地层失稳的防治对策
水合物分解对管道、地层的变形和应力分布的影响显著，随着水合物分解范围的扩大，管道和地层的变形显著增大，管道由小变形逐渐变化为整体倾倒变形，即失稳。在工程设计中，为保证地层中管道的安全，应严格控制管道附近水合物的分解范围。防止水合物分解对管道破环的最主要措施就是加强管道外层的隔热(如加隔热套管)，将传热区域控制在有限的不会造成危害的范围。同时，在水合物层与其他层交接处，由于管道会产生较大的剪应力和弯矩，需要增大管道的强度和刚度，如加厚管壁。
⒉深水油气钻井时的防治对策
考虑到天然气水合物钻井时所潜在的风险，在该类地层钻进时，一方面要考虑钻井液性能和温度，保证其能在抑制天然气水合物分解的前提下进行钻进；另一方面还必须考虑在井内地层环境温度较低情况下循环钻井液的选择，该类地层钻进方法主要为分解抑制法，即通过提高钻井液密度、增大井内压力、冷却钻井液以及调整相关钻进参数，将天然气水合物维持在稳定状态的钻进方法。
“蓝鲸一号”钻探平台
六、结语
目前世界上“可燃冰”的开采方法主要有热激化法、置换法和降压法三种。开采的最大难点是保证井底稳定，使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。热激化法是利用“可燃冰”在加温时分解的特性，使其由固态分解出甲烷蒸汽，但此方法难处在于不好收集；“置换法”是将CO2液化，将CO2注射入海底的甲烷水合物储层，因CO2较之甲烷易于形成水合物，因而就可能将甲烷水合物中的甲烷分子“挤走”，从而将其置换出来。
这次在我国科学家在南海神狐海域的天然气水合物试开采成功，采用的是降压法。首先把海底原本稳定的压力降低，打破天然气水合物的成藏条件，之后，把分散在类似海绵空隙里一样的天然气水合物聚集，再利用我国自主研发的一套水、砂、气分离核心技术。本次采用降压方案是保证试采成功的一个关键因素，也是在国际上从理论到方法的一个重大技术创新，实现了我国在天然气水合物开发上的领跑。
同时必须指出，目前在世界上至少有30多个国家和地区也正在进行可燃冰的研究、调查与勘探，但是，对于如何开采可燃冰，目前基本上还处于研究、试验阶段。从开采成本上看，目前天然气水合物（可燃冰）的开发利用还缺乏现实的经济可行性，真正制约可燃冰开发利用的还在于它的开发风险。对此，大家应该有清醒的认识。
尽管距离真正的量产阶段还尚有时日，还有许多技术环节需要科学家们解决，但无论如何，本次我国天然气水合物的试开采成功还是值得欣喜且大书特书的，是万里长征走出的第一步，将会是继美国页岩气革命之后，我国引领的天然气水合物革命，将会推动整个世界能源利用格局的改变。同时，为实现天然气水合物将来在商业上的开发利用提供了技术储备，积累了宝贵经验。有关方面表示，下一步，试开采团队将继续在附近海域再进行二至三个不同矿区和类别的试开采工作，以期积累更多试开采经验，为在2030年前进行天然气水合物商业开发打下基础。
【特别声明】本文为我微信公众平台原创，转载务请备注出处，部分图片来自网络。本文相关资料来自海洋局第二海洋研究所潘国富研究员提供的材料，在此，向潘国富研究员表示衷心的感谢！
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