严杰，曾繁彩，陈宏文

(1.广州海洋地质调查局 广州 510760； 2.国土资源部海底矿产资源重点实验室 广州 510760)



日韩海洋天然气水合物勘探研究进展及对我国的启示*

严杰1，2，曾繁彩1，陈宏文1

(1.广州海洋地质调查局 广州 510760； 2.国土资源部海底矿产资源重点实验室 广州 510760)

海底天然气水合物是一种重要的新型能源矿产，美国、加拿大、德国等发达国家都将水合物列入国家重点发展战略。而中国、日本、韩国的研究工作起步时间相对较晚，过去十年，日本实施了“21世纪水合物研究开发计划(MH21)”，韩国制订了“天然气水合物开发十年计划”。我国在水合物领域也做了大量的研究工作，在南海陆坡区钻探到了水合物样品，但与日、韩相比还存在一定的差距。文章通过总结日本、韩国天然气水合物研究的开发思路，旨在为我国海域天然气水合物的勘探开发和试开采计划提供借鉴和参考。

天然气水合物；海底水合物；南海；开采

天然气水合物(甲烷水合物)是甲烷和水的混合体在高压低温环境下形成的结晶固体，广泛分布于大陆架、海洋陆坡区和陆地永冻层下[1]，其储量巨大，有可能成为未来最重要的潜在能源之一，已引起世界各国的广泛关注，发达国家率先在这一领域展开了研究[2]。1971年，美国科学家Stoll等通过深海钻探取芯，在采集到的柱状样中首次发现了海洋天然气水合物，并正式提出“天然气水合物”的概念。近几年来，世界各地科学家对天然气水合物在海底的赋存类型、成藏模式、物理化学性质、形成原因、勘探开发手段以及水合物开采与环境效应之间的关系等科学问题进行了细致而深入的研究，取得了一系列的成果[3-7]。伴随着世界经济、科学技术的持续快速发展，新的替代资源水合物的勘探开发以前所未有的速度在世界许多国家掀起了研究热潮。美国、加拿大、德国等发达国家成立了专门的水合物研究机构，将水合物列入国家未来能源重点发展战略[8-9]。放眼东亚地区，中国、日本、韩国占据了本地区能源需求的绝大部分，三国的国内能源储量日趋紧张，除了依托进口外，新能源的勘探开发已迫在眉睫[10]。作为新能源代表的天然气水合物得到了这几个国家政府的高度重视。我国天然气水合物研究起步时间较晚，而周边国家日本、韩国的天然气水合物研究工作已经走在了世界的前列，为了能在东亚新能源竞争格局中占有一席之地，水合物的研究水平必须迎头赶上。因此搜集和总结日、韩海洋天然气水合物研究的理论成果和实践经验，可为我国开展海域天然气水合物勘探和试开采工作提供借鉴，为我国尽早实现天然气水合物的商业开采提供基础信息和技术储备，以缩短我国天然气水合物的研究进程，减小与国际先进水平之间的差距。

1 日本“21世纪水合物研究开发计划(MH21)”

1.1 勘探与开采计划

近几十年来，国际原油价格持续飙升，资源紧缺型国家往往要为油气等常规能源的进口付出巨大的成本，在这样的背景下，这些国家陆续开展对新能源的探索，尤其是在海洋领域开展天然气水合物的勘探研究。其中最引人注目的是日本正在执行的天然气水合物研发项目(图1)[11-13]。

图1 日本天然气水合物成矿远景分布

南海海槽是日本近海天然气水合物成矿条件相对最好的一个地区，被誉为亚太最大的水合物远景区。日本研究人员在日本周边海域圈定了12块远景矿区，总面积约45 000 km2；通过计算，在这些矿区中的天然气水合物储量达7.4×1012m3，相当于日本140年消耗的天然气总量[14-15]。1999年，日本科研团队首次在南海海槽东部BSR分布区域成功钻取大量天然气水合物样品。2001年4月日本政府启动了“甲烷水合物开发计划”(MH21 Methane Hydrate R&D Program)。项目预期18年，分3个阶段实施，研究内容基本涵盖了与天然气水合物开发相关的所有方面(表1)。

表1 日本“21世纪天然气水合物研究开发计划”

1.2 项目机构设置

本项目由日本产业省(METI)下属的石油天然气部领导实施，但管理工作由日本国家石油公团技术研究中心的天然气水合物项目组组织执行。天然气水合物国家专项指导委员会由日本工业和学术机构的石油天然气方面的资深专家及天然气水合物方面的主要研究人员组成，负责人是东京大学工程学院的退休教授田中(S. Tanaka)先生。指导委员会负责确定项目的研究内容、评估项目进展、决定项目发展方向。日本石油公团技术研究中心(JNOC—TRC)天然气水合物项目组的办公室主要负责向政府申请项目预算，向研究组分配资金，管理项目资产，以及其他与项目相关的行政管理工作。每个研究组由若干产业部门和学术机构的研究单位组成，分别负责一定的研究课题。项目共设有3个课题：地质与地球物理、生产、环境。

除了作为负责单位的JNOC—TRC天然气水合物项目组及日本石油勘探开发公司(JAPEX)以外，前日本地质调查所(GSJ)、东京大学、日本大洋钻探公司(JDC)、京都大学都是资源评估组的主要成员，一些国外研究机构也参与了研究活动。

1.3 取得的主要成果

项目第一阶段的工作取得了3个方面的重要成就：完成了日本海域的甲烷水合物资源评价、开发出一套水合物储层模拟系统(MH21-HYDRATES)、开发并野外试验确定了天然气生产技术[16]。2001-2002年进行了二维和三维地震调查，随后于2004年开展了多井钻探调查，钻井项目包括在随钻测井、电缆测井和取芯工作，钻井在本州岛近海太平洋海域的南海海槽的东部地区实施。调查发现，水合物稳定带位于海底以下117～345 m处，采集的样品显示，砂岩层的孔隙中以及砂泥带层中均分散有水合物[17]。这些调查不仅查清了BSR的分布，同时揭示了含水合物沉积的外观和内在特征的定量信息。最重要的成果是发现了在浊流砂岩中存在高浓度的充填型甲烷水合物带。开发出利用三维地震指标确定甲烷水合物富集带的方法，并利用该方法对南海海槽东部地区进行了资源评价。在已确定的4 678 km2的含天然气水合物区中有天然气1.13万亿m3，其中0.57万亿m3存在于高浓度富集带中[18]。

项目第二阶段正在进行中。下分4个研究团队：现场开发技术团队、资源评价团队、生产方法和模拟团队、环境影响评估组。生产方法和模拟技术团队开发了一套水合物储层模拟系统，来评价甲烷水合物资源的生产方法。该组同时也开发了甲烷水合物储层原位条件下研究岩芯特征的实验设备和技术，重点研究如何能保持从甲烷水合物中生产高比率的天然气。环境评价组完成了南海海槽东部海域海洋基线调查，并做了部分基础研究，如评价潜在环境风险的数学模型和监测声呐的开发。2012年2月，日本在静冈县延伸至和歌山县近海的“东部南海海槽”海域进行水合物生产试验的事前钻探作业，工区水深约1 000 m，向海底钻探约300 m，共设置4个钻井，其中1个钻井用于水合物的试开采，其余钻井用于观测试开采过程中周边环境的变化。

2013年3月日本成功地从赋存在爱知县近海东部的南海海槽海域地层内的甲烷水合物里分离出了甲烷气体。深海勘探船“地球”号在该海域通过降压法在水深约1 000 m的海底成功将甲烷水合物中的甲烷气体与水分离提取。这是世界上首次成功地从海底采集甲烷气体，并认为这次试开采标志着日本水合物开采朝商业化进程迈出了关键的一步。同年12月，日本水合物科研机构发布消息称在新潟县上越市海域发现大量裸露海底的天然气水合物，通过无人摄像机证实，在海底呈块状分布。日本计划在2015年要完成秋田县、山形县周边和北海道附近海域的天然气水合物资源调查[19]。根据目前的进度计划，日本要在2018年之前，做好天然气水合物商业化生产的技术准备[20]。

2 韩国“天然气水合物开发十年计划”

2.1 初步探索

韩国作为一个资源稀缺型国家近几十年来也加快了对新能源的探索研究。其东部海域是天然气水合物理想的赋存区，但缺少系统的调查和勘探工作。直到1997年韩国海洋开发与资源调查研究所开始在其东部海域郁龙盆地开展天然气水合物调查(图2)，由此确定了天然气水合物勘探参数和矿床存在的可能性，圈定了远景矿区。之后韩国能源部联合商业、工业部制定了甲烷水合物长期规划蓝图[21]。从2000年开始，韩国政府开始执行该规划蓝图第一阶段五年计划任务，相继发现了对发育水合物起重要作用的断裂构造、气晕、BSR及振幅空白带[22-24]。

图2 韩国东部海域郁龙盆地区位图

2000-2004年，韩国能源部联合商业、工业部(MOCIE)、韩国石油总公司(KNOC)、韩国天然气公司(KOGAS)设立联合研究项目，开展了其东部海域天然气水合物第一阶段的调查，此次调查任务由韩国地质矿产资源研究院具体负责执行，完成了约14 000 km2的深水区区域地震调查，进一步扩大了对其东部海域天然气水合物分布状况的认识。通过调查研究，发现水深大于1 000 m的海域存在BSR和气晕层，表明其东部海域具有良好的天然气水合物成矿条件，具有优良的水合物资源前景[25]。

2.2 十年计划进展

2005年，韩国政府正式启动“天然气水合物开发十年计划”，计划分3个阶段执行(表2)，开展地质与地球化学、地球物理、钻探和开发4个主题的研究。

依照进度，韩国政府在2007年及2010年先后两次在日本海的郁龙盆地进行了水合物钻探。2007年第一次钻探利用M/V Rem Etive调查船对盆地中的气体水合物的潜在储量进行了调查(第一个钻井命名为UBGH1)。其中在5个站位进行了随钻测井(LWD)和随钻测量(MWD)，3个站位获取了岩芯数据(图3)[26]，1个站位进行了电缆测井。站位主要部署在BSR与气烟囱共生的区域， BSR之上浊积层发育。钻探总进尺约1 115 m， 耗时281 h，3个取芯站位都发现了水合物样品，有些是以脉状和层状分布在黏土杂基中，有些是以充填物的形式分布在粉砂或砂层中[27]。研究认为大陆坡，碎屑流、浊流或半深海沉积物最适合水合物藏的发育。

表2 韩国“天然气水合物开发十年计划”执行阶段

图3 UBGH 1中随钻测井和取样站位图

2008年，在UBGH 1钻井的取样中发现水合物的区域进行了400 km2的3D地震调查(图4)。同年利用地震资料和UBGH 1测井数据对盆地中的气体水合物资源进行了评估。

图4 UBGH 1钻井站位的3D地震数据体(有气烟囱)

2010年，韩国在郁龙盆地进行了第二次的水合物钻探工作(UBGH2)。借鉴第一次的成功钻探经验，此次站位选择仍然主要以气烟囱、BSR、浊积层及半深海沉积物发育区域为主。在UBGH 2钻井实验中，运用遥控设备(ROV)进行了随钻测井(LWD)和随钻测量(MWD)、电缆测井和垂直地震剖面、传统的和保压取芯、海底观测、海底甲烷调查研究等等。船舶现场试验分析也包含了物理学[28]、沉积学、地球化学的测量。试验在13个站位完成了随钻测井和随钻测量的工作[29]。根据随钻测井和随钻测量资料的分析最后选择了10个站位进行岩芯取样。此外，还利用Fugro Alluvial海洋公司的微型设备在两个站位获取了电缆测井和垂直地震剖面资料(WL/VSP)[28]。试验在10个钻井站位中获取了各种类型的气体水合物样品(图5)[30-31]。从船舶现场观测的数据和航次结束后的实验数据分析结果显示：发现的气体水合物，一种是在不连续的砂质层中以孔隙填充的；另一种是在没有明显的岩性界面的泥质层中以脉状和瘤状分散填充的，或者说是以不均匀分散状填充在泥质层中[29]。此外，在硅藻土的孔隙中也发现了气体水合物的存在，水合物的表现形式主要是受到沉积物组分复杂变化的控制[29]。研究结果表明，韩国郁龙盆地水合物的形成和分布主要受岩性和裂隙构造的控制。UBGH2钻井提供了有价值的新资料来评价水合物在盆地中的存储和分布，而这些信息也是用于未来水合物试开采时的基本数据。

图5 在UBGH 2中获得的块状气体水合物

3 我国海洋天然气水合物研究进展

3.1 国内研究现状

我国政府高度重视天然气水合物资源调查工作。将天然气水合物这一战略性矿产资源列入优先启动的调查项目之一。从1999年开始，支持开展了“西沙海槽区天然气水合物资源前期调查”，调查发现天然气水合物矿层存在的地震综合异常信息(BSR、速度倒转、振幅空白带等)，初步证实我国海域可能存在天然气水合物资源[32]。

在近几年调查的基础上，我国在南海北部陆坡东沙、西沙、神狐海域通过地球物理、地球化学、地质和生物等多种调查手段，在表层、浅层、深层地层中相继发现了天然气水合物存在的多信息异常标志，并初步估算南海北部陆坡天然气水合物远景资源量约为744亿t油当量，证明南海北部陆坡具有良好的水合物资源远景[33-35]。广州海洋地质调查局通过优选南海北部陆坡西沙海槽、神狐、东沙及琼东南等4个海域，有重点、分层次地开展了水合物资源调查与评价，并在2007年成功实施了南海首次水合物钻探工程，在SH2、SH3和SH7共3个站位发现并取得含水合物的沉积物实物样品，取得了海域水合物勘查的阶段性突破[36]。2013年7月，我国在珠江口盆地东部海域实施3个航段13个站位的钻探任务，总进尺4 061 m，实现了600～1 100 m水深条件下的钻孔精确定位、随钻监控、锁定目标、获取样品，取得了层状、块状、结核状、脉状、浸染状等一批实物样品(图6)，这是在新的海域取得的天然气水合物找矿又一重大突破，证实了我国南海海域巨大的天然气水合物资源远景，为进一步锁定试开采目标区奠定了坚实的基础[37-38]。

图6 南海天然气水合物样品自然产状

虽然我国对海底天然气水合物的研究已取得一系列重大突破，但研究程度还较低，技术上与先进国家还有较大差距。

3.2 我国与日、韩天然气水合物研究进展对比

天然气水合物对于我国来说还是新能源，其研究起步时间较晚，邻国日本和韩国的起步时间与我国近似。但是这两个国家却在水合物研究工作起步不久就成立了国家性的水合物研究机构，将水合物研究上升到国家战略，并制定出详细的阶段规划。我国也投入大量的人力物力用于水合物资源的研究，但是与日、韩这两个国家相比已逐渐拉开了差距，具体表现在以下几个方面。

(1)技术装备不够先进。海洋天然气水合物勘探开发是一项时间跨度大、技术难度高需要长期技术积累的工作；也是需要高精度的仪器设备来辅助研究的工作。这方面我国与国外先进水平之间的差距就表现得很突出，具体比如目前采用的地震勘探、地球化学、微生物勘查技术等手段较为单一，勘探设备精度不够高，资源调查程度较肤浅。而日、韩有专门性的水合物研究机构，有雄厚的研究资金作为保障，先进的调查设备作支撑，因此他们能在较短的时间内通过高分辨率的二维、三维模拟来调查估算自己领域内的水合物储量，为后续工作奠定了坚实的基础[39-40]。

(2)阶段性发展规划不足。我国天然气水合物研究工作已经持续了15年，在南海陆坡海域已采集到水合物样品。但是依旧没有一个专门的科研组织机构来管理、规划、协调天然气水合物的研究工作，没有形成一个完整的规划蓝图，缺乏指导路线。反观日本和韩国，这两个国家在没有取得水合物样品之前就已成立专门的研究机构，制定出长期的水合物勘探开采规划，两国近期又在各自的海域发现大型的可燃冰藏。

(3)研究力量分散。我国首次取得水合物样品之后，水合物的研究热潮持续而来，不断启动国家自然科学基金，国家专项等多个水合物研究项目，耗费了大量人力、物力、财力，但水合物研究国际地位还是不如日本和韩国。究其原因，主要是我国水合物研究机构分散，机构之间信息流通不畅，由于涉密原因，很多研究成果不能共享，人为制造了通信壁垒，造成研究工作重复，效率低下。而日、韩有专门的水合物研究机构，可以在总的高度上部署研究工作，各股力量齐头并进，提高了工作效率，有利于成果的不断涌现。

3.3 建议

为了缩短与水合物研究发达国家之间的差距，特别是与邻国日本韩国的研究差距，为能在东亚能源竞争中占据有利形势，博采众长、采用先进的技术理念，日、韩水合物研究的思路是值得我国借鉴的，建议我国采取以下对策。

(1)成立国家层面的天然气水合物研究机构。天然气水合物从勘探到开采是一项极其复杂的任务，需要有一个国家性的研究机构专门来规划、协调和管理研究工作。成立国家层面的研究机构可以统筹各地方的水合物研究机构，将资源集中在一块，共同奋进，促进研究成果的定期交流，关键信息能够得到分享，减少基础工作的重复，避免无谓的资源浪费。特别是，我国近些年已在南海陆坡取得天然气水合物样品，水合物研究凸显巨大潜能，因此，建议尽快组建国家层面的水合物研究机构。

(2)制定天然气水合物长远规划蓝图。到目前为止中国还没有一个全面、系统的天然气水合物国家级产业计划与综合规划，已有的天然气水合物研究仅是在国家专项、“863”“973”等科研基金项目的支持和资助下进行的。总体而言，目前我国水合物研究在实验室模拟、基础理论、调查评价研究、钻探技术和工业化开采等多方面与国际水平还有较大差距。建议在设立国家专门的天然气水合物研究机构的基础上，促进水合物调查研究全面列入国家相关产业发展规划和科研规划。

(3)大力推进水合物开采技术的研究。日本韩国的天然气水合物专项计划均包含有开采技术的研究，因为这涉及能否达到商业化开采的问题。无论采取何种开采技术，均需通过钻孔进行。因此水合物开采技术的关键取决于深水钻探技术的发展。以往水合物取样的事实表明，水合物在钻取过程中由于周边温压环境发生了改变，极易导致其分解，进而可造成环境灾害。因此，实施天然气水合物科学的钻采方法研究已成为现阶段水合物科研的重要课题，建议尽快开展合理高效的深海水合物钻采技术的研究。

(4)加强与拥有国际先进技术和设备的国家和国际组织合作。美国、日本、加拿大等国在勘探海洋天然气水合物方面已有大量成功的案例，积累了充足的经验以及形成了可靠的勘探技术，这些海洋勘探技术都是我国将来实现海洋天然气水合物试开采必须要掌握的技术。我们应立足本国、借鉴国外、引进技术、创新思路、实现开发。建议对在水合物研究方面走在世界前沿的美国、加拿大、日本和德国有关科研单位进行实地考察、调研和学术交流，有利于我国快速追赶世界先进水平。

4 结论

天然气水合物是甲烷和水的混合体在高压低温环境下形成的冰状结晶体，广泛分布于大陆架、海洋陆坡区和陆地永冻层下，储量巨大，是未来理想的替代能源。以日本、韩国等能源缺乏型国家为代表，已积极开展了水合物试开采工作，并取得了丰富的研究成果。尽管我国已在南海北部陆坡区通过钻探成功取得了水合物样品，成为世界上为数不多的通过国家级研发计划采集到水合物实物样品的国家。但到目前为止，我国还缺少一个确切明晰的水合物开发思路，研究工作缺乏总体规划，较为零散，部分基础工作重复，资源利用率不高。因此，针对我国海洋天然气水合物的开发现状，邻国日、韩两国水合物勘探开发的进展对我国开展水合物研究相关工作具有重要的借鉴意义。

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国土资源部海底矿产资源重点实验室基金课题(KLMMR2013A36)；中国地质调查局专项(GZH201200512).

P744.4

A

1005-9857(2015)11-0020-08