天然氣水合物

有兩種不同種類的海洋存量。絕大多數（＞ 99%）都是甲烷包覆於結構一型的包合物，而且一般都在沉澱物的深處才能發現。在此結構下，甲烷中的碳同位素較輕（δ¹³C ＜ -60‰），因此指出其是微生物由CO₂的氧化還原作用而來。這些位於深處礦牀的包合物，一般認為應該是從微生物產生的甲烷環境中原處形成，因為這些包合物與四周溶解的甲烷其δ¹³C值是相似的。 ^[11] 

這些礦牀坐落於中深度範圍的區域內，大約300-500m厚的沉積物中，稱作氣水化合物穩定帶（GasHydrate Stability Zone或 GHSZ），且該處共存着溶於孔隙水的甲烷。在這區域之下，甲烷只會以溶解型態存在，並隨着沉積物表層的距離而濃度逐漸遞減。而在這之上，甲烷是氣態的。在大西洋大陸脊的布雷克海脊，GHSZ在190m的深度開始延伸至450m處，並於該點達到氣態的相平衡。測量結果指出，甲烷在GHSZ的體積佔了0-9% ，而在氣態區域佔了大約12%的體積。 ^[11] 

在接近沉積物表層所發現較少見的第二種結構中，某些樣本有較高比例的碳氫化合物長鏈（＜99% 甲烷）包含於結構二型的包合物中。其甲烷的碳同位素較重（δ¹³C 為 -29 至 -57 ‰），據推斷是由沉積物深處的有機物質，經熱分解後形成甲烷而往上遷移而成。此種類型的礦牀在墨西哥灣和裏海等海域出現。 ^[11] 

某些礦牀具有介於微生物生成和熱生成類型的特性，因此預估會出現兩種混合的型態。 ^[11] 

氣水化合物的甲烷主要由缺氧環境下有機物質的細菌分解。在沉積物最上方几釐米的有機物質會先被好氧細菌所分解，產生CO₂，並從沉積物中釋放進水團中。在此區域的好氧細菌活動中，硫酸鹽會被轉變成硫化物。若沉澱率很低（＜1釐米/千年）、有機碳成分很低（＜1%），且含氧量充足時，好氧細菌會耗光所有沉積物中的有機物質。但該處的沉澱率和有機碳成分都很高，沉積物中的孔隙水僅在幾釐米深的地方是缺氧態的，而甲烷會經由厭氧細菌產生。此類甲烷的生成是更為複雜的程序，需要各個種類的細菌活動、一個還原環境（Eh -350 to -450 mV），且環境pH 值需介於6至8之間。在某些海域（例如墨西哥灣）包合物中的甲烷至少會有部份是由有機物質的熱分解所產生，但大多是從石油分解而成。包合物中的甲烷一般會具有細菌性的同位素特徵，以及很高的 δ¹³C 值（-40 to -100‰），平均大約是-65‰。在固態包合物地帶的下方處，沉積物裏的大量甲烷可能以氣泡的方式釋放出來。 ^[11] 

在給定的地點內判定該處是否含有包合物，大多可以透過觀測“海底仿擬反射”（BottomSimulatingReflector，或稱BSR）分佈，以震測反射（seismicreflection）的方式來掃描洋底沉積物與包合物穩定帶之間的接口處，因而可觀測出一般沉積物和那些藴藏包合物沉積物之間的密度差異。 ^[12] 

海洋生成的甲烷包合物，藴藏量鮮為人知。自從1960至1970年代，包合物首次發現可能存在海洋中的那段時期，其預估的藴藏量就每十年以數量級的概估速度遞減。曾經預估過的藴藏量（高達3×1018m³）是建構在假設包合物非常稠密地散佈在整片深海海牀上。然而，隨着人類對包合物化學和沉積學等知識進一步的瞭解，發現水合物只會在某個狹窄範圍內（大陸棚）的深度下形成，以及某些地點的深度範圍內才會存在（10-30%部分的 GHSZ 區），而且通常是在低濃度（體積的0.9-1.5%）的地點。最新的估計強制採用直接取樣的方式，指出全球含量介於 1×10¹⁵和 5×10¹⁵ m³之間。這個預估結果，對應出大約500至2500個十億噸單位的碳 (Gt C)，比預估所有礦物燃料的5000GtC數量還少，但整體上卻超過所預估其他天然氣來源的約230Gt C。在北極圈的永凍地帶，其儲藏量預估可達約400Gt C，但在南極區域並未估出可能的藴藏量。這些是很大的數字。相較於大氣中的總碳數也才大約700個Gt C。 ^{[11]  [12]} 

這些近代的估計結果，與當初人們以為包合物為礦物燃料來源時（MacDonald 1990,Kvenvolden 1998）所提出的10,000to11,000 Gt C （2×10¹⁶ m³），數量上明顯的要少。包合物藏量的縮減，並未使其失去經濟價值，但縮減的整體含量和多數產地明顯過低的採集密度，的確指出僅限某些地區的包合物礦牀才能提供經濟上的實質價值。 ^[12] 

在大陸岩石內的甲烷包合物會受限在深度800m以上的砂岩或粉沙岩岩牀中。採樣結果指出，這些包合物以熱力或微生物分解氣體的混合方式形成，其中較重的碳氫化合物之後才會選擇性地被分解。這類的型態存在於阿拉斯加和西伯利亞。 ^[12] 

儲量比地球上石油的總儲量還大幾百倍。這些可燃冰都藴藏在全球各地的450米深的海牀上，表面看起來，很像乾冰，實際卻能燃燒。在美東南沿海水下2700平方米麪積的水化物中，含有足夠供應美國70多年的可燃冰。其儲量預計是常規儲量的2.6倍，如果全部開發利用，可使用100年左右。中國地質大學(武漢)和中南石油局第五物探大隊在藏北高原羌塘盆地開展的大規模地球物理勘探成果表明：繼塔里木盆地後，西藏地區很有可能成為中國21世紀第二個石油資源戰略接替區。 ^[12] 

天然氣水合物在自然界廣泛分佈在大陸、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內陸湖的深水環境。在標準狀況下，一單位體積的天然氣水合物分解最多可產生164單位體積的甲烷氣體。 ^[13] 

世界上海底天然氣水合物已發現的主要分佈區是大西洋海域的墨西哥灣、加勒比海、南美東部陸緣、非洲西部陸緣和美國東海岸外的布萊克海台等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千島海溝、沖繩海槽、日本海、四國海槽、中國南海海槽、蘇拉威西海和新西蘭北部海域等，東太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亞濱外和秘魯海槽等，印度洋的阿曼海灣，南極的羅斯海和威德爾海，北極的巴倫支海和波弗特海，以及大陸內的黑海與裏海等。 ^[11] 

在地球上大約有27%的陸地是可以形成天然氣水合物的潛在地區，而在世界大洋水域中約有90%的面積也屬這樣的潛在區域。已發現的天然氣水合物主要存在於北極地區的永久凍土區和世界範圍內的海底、陸坡、陸基及海溝中。由於採用的標準不同，不同機構對全世界天然氣水合物儲量的估計值差別很大。 ^[12] 

據潛在氣體聯合會（PGC，1981）估計，永久凍土區天然氣水合物資源量為1.4×10¹³～3.4×10¹⁶m³，包括海洋天然氣水合物在內的資源總量為7.6×10¹⁸m³。但是，大多數人認為儲存在氣水合物中的碳至少有1×10¹³t，約是當前已探明的所有化石燃料（包括煤、石油和天然氣）中碳含量總和的2倍。由於天然氣水合物的非滲透性，常常可以作為其下層遊離天然氣的封蓋層。因而，加上氣水合物下層的遊離氣體量這種估計還可能會大些。如果能證明這些預計屬實的話，天然氣水合物將成為一種未來豐富的重要能源。 ^[12] 

甲烷氣水包合物受限於淺層的岩石圈內（即 ＜2000m深）。發現，在一些必要條件下，唯獨在極地大陸的沉積岩，其表面温度低於0°C，或是在水深超過300m ，深層水温大約2°C的海洋沉積物底下。大陸區域的藴藏量已確定位在西伯利亞和阿拉斯加800m深的砂岩和泥岩牀中。海生型態的礦牀似乎分佈於整個大陸棚，且可能出現於沉積物的底下或是沉積物與海水接觸的表面。他們甚至可能涵蓋更大量的氣態甲烷。 ^[12] 

全球藴藏的常規石油天然氣資源消耗巨大，很快就會枯竭。科學家的評價結果表明，僅在海底區域，可燃冰的分佈面積就達4000萬平方公里，佔地球海洋總面積的 1/4。2011年，世界上已發現的可燃冰分佈區多達116處，其礦層之厚、規模之大，是常規天然氣田無法相比的。科學家估計，海底可燃冰的儲量至少夠人類使用1000年。 ^[14] 

中國國內可燃冰主要分佈在南海海域、東海海域、青藏高原凍土帶以及東北凍土帶，據粗略估算，其資源量分別約為64.97x10¹²m³、3.38x10¹²m³、12.5x10¹²m³和2.8x10¹²m³。並且已在南海北部神狐海域和青海省祁連山永久凍土帶取得了可燃冰實物樣品。 ^[15] 

在本州島海岸線30英里外，科學家們發現了一條藴藏量驚人的海溝：在海溝裏的甲烷呈水晶狀，大約有500m厚，總量達40萬億m³。這個儲量儘管還不能與沙特或者俄羅斯的石油資源相比，但也足夠日本用上一陣了。 ^[16] 

2018年10月18日，在天津舉行的2018（第二十屆）中國國際礦業大會上，《中國礦產資源報告2018》正式發佈。據報告顯示，初步預測，中國海域天然氣水合物資源量約800億t油當量。 ^[4] 

因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以又被稱作“可燃冰”。其資源密度高，全球分佈廣泛，具有極高的資源價值，因而成為油氣工業界長期研究熱點。自20世紀60年代起，以美國、日本、德國、中國、韓國、印度為代表的一些國家都制訂了天然氣水合物勘探開發研究計劃。迄今，人們已在近海海域與凍土區發現水合物礦點超過230處，湧現出一大批天然氣水合物熱點研究區。 ^[17] 

1810年，首次在實驗室發現天然氣水合物。 ^[18] 

1934年，美國人哈默·施密特(Hammer Schmidt)在被堵塞的輸氣管道中發現了可以燃燒的冰塊，這是人類首次發現“甲烷氣水合物”。 ^[1] 

1946年，蘇聯學者斯特里諾夫認為：只要有合適的温度和壓力，自然界必定會有天然氣水合物的形成。不僅能夠形成，而且還能夠聚集成為“天然氣水合物礦產“。比如，處於極冷的地區或壓力足夠高的地下，就可能形成“天然氣水合物礦產“。 ^[1] 

1968年，蘇聯地質學家在一年四季都冷風刺骨的西伯利亞麥索雅哈發現了“天然氣水合物礦產“。 ^[1] 

1972年，美國人首次在阿拉斯加冰膠結的永凍層中採到天然氣水合物的樣品。西伯利亞和阿拉斯加常年凍土，風雪嚴寒，自然具有形成“天然氣水合物“的極冷條件。 ^[1] 

1968年，美國“地球深部取樣海洋研究機構聯合體(JOIDES)“實施深海鑽探計劃(DSDP)，其目的是在世界大洋打大量不太深的鑽井，採集沉積岩心，取得洋底地殼上層的資料。執行任務的挑戰者號鑽探船上的地球物理學家為此進行了大量的地震勘探，卻發現地震波反射剖面上出現了奇怪的現象：原本是一層層有序的、向深部速度呈遞增的波列，卻出現了與海底平行的波列、淺部高速度疊置在深部低速度層上的波列，出現了海底某一段沒有反射的“空白”波列——這些被地球物理學家稱為“似海底反射層”的怪現象，引起了海洋地質學家的懷疑；淺部的高速度層，會不會是被海底低温的冰凍結的地層，會不會是成層狀的可燃冰。 ^[1] 

1979年，美國挑戰者號執行深海鑽探計劃第66、67航次，開赴中美洲海槽，找到了存在“似海底反射層”這一怪現象的海域，打鑽的結果是看到了科學家們期待已久的可燃冰。這使科學家們確信，只要有“似海底反射層”這一怪現象存在的海域，就可能存在着可燃冰。 ^[1] 

1981-1986年間，DSDP第84、96、112航次在秘魯海槽、南墨西哥濱海帶、危地馬拉濱海帶等地發現了可燃冰的存在。 ^[1] 

1990-1993年間，又在太平洋西岸、美國西海岸、日本濱海、日本南海海溝等地發現了可燃冰的存在。 ^[1] 

1992年，大洋鑽探計劃(ODP)第146航次在美國俄勒岡州西部大陸邊緣Cascadia海台取得了天然氣水合物岩心。 ^[11] 

1995年，ODP第164航次在美國東部海域布萊克海台實施了一系列深海鑽探，取得了大量水合物岩心，證明了天然氣水合物具有商業價值。 ^[11] 

1997年，大洋鑽探計劃考察隊利用潛水艇在美國南卡羅來納海上的布萊克海台首次完成了水合物的直接測量和海底觀察。同年，ODP在加拿大西海岸胡安-德夫卡洋中脊陸坡區實施了深海鑽探，取得了天然氣水合物岩心。至此，以美國為首的DSDP及其後繼的ODP在10個深海地區發現了大規模天然氣水合物聚集：秘魯海溝陸坡、中美洲海溝陸坡(哥斯達黎加、危地馬拉、墨西哥)、美國東南大西洋海域、美洲西部太平洋海域、日本的兩個海域、阿拉斯加近海和墨西哥灣等海域。 ^[11] 

1996年和1999年期間，德國和美國科學家通過深潛觀察和抓鬥取樣，在美國俄勒岡州岸外Cascadia海台的海底沉積物中取到嘶嘶冒着氣泡的白色水合物塊狀樣品，該水合物塊可以被點燃，併發出熊熊的火焰。 ^[12] 

1998年，日本通過與加拿大合作，在加拿大西北Mackenzie三角洲進行了水合物鑽探，在890～952米深處獲得37米水合物岩心。該鑽井深1150米，是高緯度地區永凍土帶研究氣體水合物的第一口井。 ^[11] 

1999年，日本在其靜岡縣御前崎近海挖掘出外觀看起來像濕潤雪團一樣的天然氣水合物。 ^[11] 

1999~2001年，中國地質調查局科技人員首次在南海西沙海槽發現了顯示天然氣水合物存在的地震異常信息（似海底地震發射波“BSR”）。2002年國務院批准設立我國海域天然氣水合物資源調查專項。 ^[19] 

2000年開始，可燃冰的研究與勘探進入高峯期，世界上至少有30多個國家和地區參與其中。其中以美國的計劃最為完善━━總統科學技術委員會建議研究開發可燃冰。為開發這種新能源，國際上成立了由19個國家參與的地層深處海洋地質取樣研究聯合機構，有50個科技人員駕駛着一艘裝備有先進實驗設施的輪船從美國東海岸出發進行海底可燃冰勘探。這艘可燃冰勘探專用輪船是當時世界上僅有的一艘能從深海下岩石中取樣的輪船，船上裝備有能用於研究沉積層學、古人種學、岩石學、地球化學、地球物理學等的實驗設備。這艘專用輪船由得克薩斯州A·M大學主管，英、德、法、日、澳、美科學基金會及歐洲聯合科學基金會為其提供經濟援助。 ^[20] 

自2002年起，中國地質調查局對我國凍土區特別是青藏高原凍土區開展了地質、地球物理、地球化學和遙感調查，發現我國凍土區具備較好的天然氣水合物成礦條件和找礦前景，其中羌塘盆地為Ⅰ級遠景區，祁連山、漠河盆地和風火山—烏麗地區為Ⅱ級遠景區。 ^[19] 

1999年在國家發展改革委、財政部等大力支持下，國土資源部正式啓動天然氣水合物資源調查，包括在珠江口盆地開展天然氣水合物綜合調查40個航次，完成高分辨率多道地震測量45800公里、多波束測量36800公里、淺地層剖面測量7100公里、海底地質取樣1480個站位、海底熱流測量222個站位等調查工作。 ^[21] 

2005年4月14日，中國在北京舉行中國地質博物館收藏中國首次發現的天然氣水合物碳酸鹽巖標本儀式。宣佈中國首次發現世界上規模最大被作為“可燃冰”即天然氣水合物存在重要證據的“冷泉”碳酸鹽巖分佈區，其面積約為430平方公里。 ^[20] 

根據《中華人民共和國礦產資源法實施細則》有關規定，經國務院批准，天然氣水合物成為我國第173個礦種，發現單位為中國地質調查局。我國海域天然氣水合物首次發現時間為2007年6月，產地為南海神狐海域，地理座標為東經115度20.058分，北緯19度55.711分；我國陸域天然氣水合物首次發現時間為2008年11月，產地為青海祁連山，地理座標為東經99度10.260分，北緯38度5.591分。 ^[41] 

2007年實施的天然氣水合物取樣，首次成功獲取了實物樣品，證實了我國南海北部藴藏有豐富的天然氣水合物資源。由此，使我國成為繼美國、日本、印度之後第四個通過國家級研發計劃採到天然氣水合物實物樣品的國家。 ^[19] 

2007年5月1日凌晨，中國在南海北部的首次採樣成功，證實了中國南海北部藴藏豐富的天然氣水合物資源，標誌着中國天然氣水合物調查研究水平已步入世界先進行列。中國在南海北部成功鑽獲天然氣水合物實物樣品“可燃冰”，從而成為繼美國、日本、印度之後第4個通過國家級研發計劃採到水合物實物樣品的國家。 ^[22] 

2009年9月中國地質部門公佈，在青藏高原發現了一種名為可燃冰(又稱天然氣水合物)的環保新能源，預計十年左右能投入使用。初步估算，遠景資源量至少有350億噸油當量。 ^[23] 

2009年，中國地質調查局組織實施的《祁連山凍土區天然氣水合物科學鑽探工程》施工完成的8個鑽井中，有5個鑽井鑽獲天然氣水合物實物樣品。這是我國凍土區首次鑽獲天然氣水合物實物樣品，也是全球首次在中低緯度高山凍土區發現天然氣水合物實物樣品。 ^[19] 

2011年國務院批准設立了新的天然氣水合物國家專項。中國地質調查局廣州海洋地質調查局通過進一步勘查，在珠江口盆地東部海域發現了天然氣水合物有利目標區。2013年5月～9月，在該區域實施了3個航段共計102天的鑽探取樣工作。 ^[19] 

2013年6月~9月，我國海洋地質科技人員在廣東沿海珠江口盆地東部海域首次鑽獲高純度天然氣水合物（俗稱“可燃冰”）樣品，並通過鑽探獲得可觀的控制儲量。此次發現的天然氣水合物樣品具有埋藏淺、厚度大、類型多、純度高4個主要特點。控制儲量1000億立方米~1500億立方米，相當於特大型常規天然氣規模。 ^[24] 

日本2013年3月12日宣佈成功從愛知縣附近深海可燃冰層中提取出甲烷，成為世界上首個掌握海底可燃冰採掘技術的國家。日本希望2018年開發出成熟技術，實現大規模商業化生產。 ^[25] 

採掘試驗由日本經濟產業省屬下的石油天然氣金屬礦物資源機構實施。該機構利用地球深處探測船“地球”號，從愛知縣渥美半島附近約1000米的海底挖入330米，到達可燃冰層後，通過把可燃冰中的水分抽出降低其壓力，使水和甲烷分離，然後提取出甲烷。該機構將繼續在該海域進行為期兩週左右的採掘試驗，以進一步完善技術。 ^[25] 

2013年8月，《祁連山及鄰區天然氣水合物資源勘查》項目組再次在青海省天峻縣木裏鎮DK-9科學鑽探試驗井中，成功鑽獲天然氣水合物實物樣品，單層厚度超過20米。 ^[19] 

2014年，由中國地質調查局與中國科學院主辦的第八屆國際天然氣水合物大會29日在北京開幕，記者從大會上獲悉，我國計劃於2015年在中國海域實施天然氣水合物的鑽探工程，將有力推動中國“可燃冰”勘探與開發的進程，引發中國能源開發利用的“革命”。 ^[26] 

2016年6月25日上午，廣州海洋地質調查局通報，繼我國在南海發現大面積可燃冰分佈後，我國首次在南海北部陸坡西部海域發現規模空前的活動性冷泉“海馬冷泉”，分佈面積約618平方公里。它的發現是我國天然氣水合例勘查的重大突破。 ^[27] 

2017年1月，經10餘年技術攻關，吉林大學科研團隊研發出陸域天然氣水合物冷鑽熱採關鍵技術，填補了國內該領域空白，總體達到國際先進水平。 ^[28] 

與國際上通用的“被動式保壓保温取樣”鑽探原理不同，新技術首次提出“主動式降温冷凍取樣”原理，發明了鑽井泥漿強化製冷方法、水合物孔底快速冷凍取樣方法和高温脈衝熱激發開採技術，主要技術指標超過國外同類技術。 ^[28] 

2017年5月，中國首次海域天然氣水合物（可燃冰）試採成功。5月18日，中共中央、國務院向參加這次任務的全體參研參試單位和人員，表示熱烈的祝賀。 ^[2-3] 

2017年，我國在南海北部神狐海域進行的可燃冰試採獲得成功。本次試採作業區位於珠海市東南320公里的神狐海域。

2017年3月28日第一口試採井開鑽。

2017年5月10日下午14時 52分點火成功，從水深1266米海底以下203-277米的天然氣水合物礦產開採出天然氣。

至2017年5月18日上午10時，連續產氣近8天，平均日產超過1.6萬立方米，超額完成“日產萬方、持續一週”的預定目標。國土資源部部長姜大明在現場宣佈我國海域天然氣水合物首次試採成功，中共中央、國務院發來賀電。中國成為世界上首個成功試採海域天然氣水合物的國家。 ^{[29]  [39]} 

至2017年5月26日，試採井連續產氣16天，平均日產超過1萬立方米。

2017年5月27日開始，按照施工方案整體安排開展温度、壓力變化對儲層、井底、井筒、氣體流量等影響的科學測試與研究工作。

至2017年6月10日14時52分，總產氣量達21萬立方米，平均日產7000立方米，獲得各項測試數據264萬組。產氣過程平穩，井底狀況良好，為下一步工作奠定了堅實基礎。 ^[30] 

天然氣水合物燃燒後幾乎不產生任何殘渣，污染比煤、石油、天然氣都要小得多。1立方米可燃冰可轉化為164立方米的天然氣和0.8立方米的水。開採時只需將固體的“天然氣水合物”升温減壓就可釋放出大量的甲烷氣體。 ^[31] 

固體狀的天然氣水合物往往分佈於水深大於 300 米 以上的海底沉積物或寒冷的永久凍土中。海底天然氣水合物依賴巨厚水層的壓力來維持其固體狀態，其分佈可以從海底到海底之下 1000 米 的範圍以內，再往深處則由於地温升高其固體狀態遭到破壞而難以存在。 ^[32] 

從物理性質來看，天然氣水合物的密度接近並稍低於冰的密度，剪切係數、電解常數和熱傳導率均低於冰。天然氣水合物的聲波傳播速度明顯高於含氣沉積物和飽和水沉積物，中子孔隙度低於飽和水沉積物，這些差別是物探方法識別天然氣水合物的理論基礎。此外，天然氣水合物的毛細管孔隙壓力較高。 ^[32] 

形成可燃冰有三個基本條件：温度、壓力和原材料。 ^[33] 

首先，可燃冰在0-10℃時生成，超過20℃便會分解。海底温度一般保持在2-4℃左右； ^[33] 

其次，可燃冰在0℃時，只需30個大氣壓即可生成，而以海洋的深度，30個大氣壓很容易保證，並且氣壓越大，水合物就越不容易分解。 ^[33] 

最後，海底的有機物沉澱，其中豐富的碳經過生物轉化，可產生充足的氣源。海底的地層是多孔介質，在温度、壓力、氣源三者都具備的條件下，可燃冰晶體就會在介質的空隙間中生成。 ^[33] 

天然氣水合物是一種白色固體物質，有強大的燃燒力，主要由水分子和烴類氣體分子（主要是甲烷）組成，它是在一定條件（合適的温度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、pH值等）下，由氣體或揮發性液體與水相互作用過程中形成的白色固態結晶物質。一旦温度升高或壓強降低，甲烷氣則會逸出，固體水合物便趨於崩解。 ^[32] 

在高壓狀態下，甲烷氣水包合物在18℃的温度下的結構依然可以穩定。一般的甲烷氣水化合物組成為1摩爾的甲烷及每575摩爾的水，然而這個比例取決於多少的甲烷分子“嵌入”水晶格各種不同的包覆結構中。據觀測的密度大約在0.9克／立方厘米。一升的甲烷氣水包合物固體，平均包含168升的甲烷氣體。 ^[11] 

甲烷形成一種結構一型水合物，其每單位晶胞內有兩個十二面體(20個端點因此有20個水分子)和六個十四面體（24個水分子）的水龍頭結構。其水合值20可由MASNMR來求得。甲烷氣水包合物頻譜於275開爾文和31兆帕斯卡下記錄，顯示出每個籠形都反映出峯值，且氣態的甲烷也有個別的峯值。 ^[11] 

(1) 熱激發開採法　熱激發開採法是直接對天然氣水合物層進行加熱，使天然氣水合物層的温度超過其平衡温度，從而促使天然氣水合物分解為水與天然氣的開採方法。這種方法經歷了直接向天然氣水合物層中注入熱流體加熱、火驅法加熱、井下電磁加熱以及微波加熱等發展歷程。熱激發開採法可實現循環注熱，且作用方式較快。加熱方式的不斷改進，促進了熱激發開採法的發展。但這種方法尚未很好地解決熱利用效率較低的問題，而且只能進行局部加熱，因此該方法尚有待進一步完善。 ^[34] 

(2) 減壓開採法　 減壓開採法是一種通過降低壓力促使天然氣水合物分解的開採方法。減壓途徑主要有兩種： ①採用低密度泥漿鑽井達到減壓目的；②當天然氣水合物層下方存在遊離氣或其他流體時，通過泵出天然氣水合物層下方的遊離氣或其他流體來降低天然氣水合物層的壓力。減壓開採法不需要連續激發，成本較低，適合大面積開採，尤其適用於存在下浮游離氣層的天然氣水合物產的開採，是天然氣水合物傳統開採方法中最有前景的一種技術。但它對天然氣水合物產的性質有特殊的要求，只有當天然氣水合物產位於温壓平衡邊界附近時，減壓開採法才具有經濟可行性。 ^[34] 

(3) 化學試劑注入開採法　化學試劑注入開採法通過向天然氣水合物層中注入某些化學試劑，如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，破壞天然氣水合物產的相平衡條件，促使天然氣水合物分解。這種方法雖然可降低初期能量輸入，但缺陷卻很明顯，它所需的化學試劑費用昂貴，對天然氣水合物層的作用緩慢，而且還會帶來一些環境問題，所以，對這種方法投入的研究相對較少。 ^[34] 

(1) CO₂置換開採法。這種方法首先由日本研究者提出，方法依據的仍然是天然氣水合物穩定帶的壓力條件。在一定的温度條件下，天然氣水合物保持穩定需要的壓力比CO₂水合物更高。因此在某一特定的壓力範圍內，天然氣水合物會分解，而CO₂水合物則易於形成並保持穩定。如果此時向天然氣水合物產內注入CO₂氣體，CO₂氣體就可能與天然氣水合物分解出的水生成CO₂水合物。這種作用釋放出的熱量可使天然氣水合物的分解反應得以持續地進行下去。 ^[34] 

(2)固體開採法。固體開採法最初是直接採集海底固態天然氣水合物，將天然氣水合物拖至淺水區進行控制性分解。這種方法進而演化為混合開採法或稱礦泥漿開採法。該方法的具體步驟是，首先促使天然氣水合物在原地分解為氣液混合相，採集混有氣、液、固體水合物的混合泥漿，然後將這種混合泥漿導入海面作業船或生產平台進行處理，促使天然氣水合物徹底分解，從而獲取天然氣。 ^[34] 

麥索亞哈氣田發現於20 世紀60 年代末，是第一個也是迄今為止僅有的一個對天然氣水合物產進行了商業性開採的氣田。該氣田位於前蘇聯西西伯利亞西北部，氣田區常年凍土層厚度大於500 m，具有天然氣水合物賦存的有利條件。麥索亞哈氣田為常規氣田，氣田中的天然氣透過蓋層發生運移，在有利的環境條件下，在氣田上方形成了天然氣水合物層。該氣田的天然氣水合物產首先是經由減壓途徑無意中得以開採的。通過開採天然氣水合物產之下的常規天然氣，致使天然氣水合物層壓力降低，天然氣水合物發生分解。後來，為了促使天然氣水合物的進一步分解，維持產氣量，特意向天然氣水合物礦產中注入了甲醇和氯化鈣等化學抑制劑。 ^[34] 

麥肯齊三角洲地區天然氣水合物試採集

麥肯齊三角洲地區位於加拿大西北部，地處北極寒冷環境，具有天然氣水合物生成與保存的有利條件。該區天然氣水合物研究具有悠久的歷史。早在1971～1972 年間，在該區鑽探常規勘探井MallikL-38 井時，偶然於永凍層下800～1100 m 井段發現了天然氣水合物存在的證據；1998 年專為天然氣水合物勘探鑽探了Mallik 2L-38 井，該井於897～952 m 井段發現了天然氣水合物，並採出了天然氣水合物岩心。2002 年，在麥肯齊三角洲地區實施了一項舉世關注的天然氣水合物試採研究。該項目由加拿大地質調查局、日本石油公團、德國地球科學研究所、美國地質調查局、美國能源部、印度燃氣供給公司、印度石油與天然氣公司等5 個國家9 個機構共同參與投資，是該區有史以來的首次天然氣水合物開採試驗，也是世界上首次這樣大規模對天然氣水合物進行的國際性合作試採研究。 ^[34] 

美國阿拉斯加北部普拉德霍灣—庫帕勒克河地區，位於阿拉斯加北部斜坡地帶。1972年阿科石油公司和埃克森石油公司在普拉德霍灣油田鑽探常規油氣井時於664～667m層段採出了天然氣水合物岩心。其後在阿拉斯加北部斜坡區進行了大量天然氣水合物研究。在此基礎上，2003年在該區實施了一項引人注目的天然氣水合物試採研究項目。該項目由美國Anadarko石油公司、Noble公司、Maurer技術公司以及美國能源部甲烷水合物研究與開發計劃處聯合發起，目標是鑽探天然氣水合物研究與試採井———熱冰1井。這是阿拉斯加北部斜坡區專為天然氣水合物研究和試採而鑽的第一口探井。 ^[34] 

天然氣水合物開採中的環境問題

天然氣水合物產的開採會改變天然氣水合物賴以賦存的温壓條件，引起天然氣水合物的分解。在天然氣水合物產的開採過程中如果不能有效地實現對温壓條件的控制，就可能產生一系列環境問題，如温室效應的加劇、海洋生態的變化以及海底滑塌事件等。 ^[34] 

（1）甲烷作為強温室氣體，它對大氣輻射平衡的貢獻僅次於二氧化碳。一方面，全球天然氣水合物中藴含的甲烷量約是大氣圈中甲烷量的3000倍；另一方面，天然氣水合物分解產生的甲烷進入大氣的量即使只有大氣甲烷總量的0.5 %，也會明顯加速全球變暖的進程。因此，天然氣水合物開採過程中如果不能很好地對甲烷氣體進行控制，就必然會加劇全球温室效應。除温室效應之外，海洋環境中的天然氣水合物開採還會帶來更多問題。①進入海水中的甲烷會影響海洋生態。甲烷進入海水中後會發生較快的微生物氧化作用，影響海水的化學性質。甲烷氣體如果大量排入海水中，其氧化作用會消耗海水中大量的氧氣，使海洋形成缺氧環境，從而對海洋微生物的生長髮育帶來危害。②進入海水中的甲烷量如果特別大，則還可能造成海水汽化和海嘯，甚至會產生海水動盪和氣流負壓捲吸作用，嚴重危害海面作業甚至海域航空作業。 ^[34] 

（2）開採過程中天然氣水合物的分解還會產生大量的水，釋放岩層孔隙空間，使天然氣水合物賦存區地層的固結性變差，引發地質災變。海洋天然氣水合物的分解則可能導致海底滑塌事件。研究發現，因海底天然氣水合物分解而導致陸坡區穩定性降低是海底滑塌事件產生的重要原因。鑽井過程中如果引起天然氣水合物大量分解，還可能導致鑽井變形，加大海上鑽井平台的風險。 ^[34] 

（3）如何在天然氣水合物開採中對天然氣水合物分解所產生的水進行處理，也是一個應該引起重視的問題。 ^[34] 

2017年7月9日，由國土資源部中國地質調查局組織實施的南海天然氣水合物試採工程全面完成預期目標，第一口井的試開採產氣和現場測試研究工作取得圓滿成功，並正式實施關井作業。自5月10日試氣點火以來，已連續試開採60天，累計產氣超過30萬立方米，取得了持續產氣時間最長、產氣總量最大、氣流穩定、環境安全等多項重大突破性成果，創造了產氣時長和總量的世界紀錄。 ^[35] 

本次試開採作業區位於珠海市東南320公里的神狐海域。3月28日第一口試開採井開鑽，5月10日下午14時52分點火成功，從水深1266米海底以下203-277米的天然氣水合物礦產開採出天然氣。截止7月9日14時52分，我國天然氣水合物試開採連續試氣點火2個月，累計產氣量超過30萬立方米，平均日產5000立方米以上，最高產量達3.5萬立方米/天，甲烷含量最高達99.5%。獲取科學試驗數據647萬組，為後續的科學研究積累了大量的翔實可靠的數據資料。 ^[35] 

此次試開採成功是我國首次、也是世界首次成功實現資源量佔全球90%以上、開發難度最大的泥質粉砂型天然氣水合物安全可控開採。經過近20年不懈努力，我國取得了天然氣水合物勘查開發理論、技術、工程、裝備的自主創新，實現了歷史性突破。 ^[35] 

2020年2月17日，第二輪試採點火成功，持續至3月18日完成預定目標任務。本輪試採1個月產氣總量86.14萬立方米、日均產氣量2.87萬立方米，是第一輪60天產氣總量的2.8倍。試採攻克了深海淺軟地層水平井鑽採核心關鍵技術，實現產氣規模大幅提升，為生產性試採、商業開採奠定了堅實的技術基礎。我國也成為全球首個採用水平井鑽採技術試採海域天然氣水合物的國家。 ^[5] 

2020年3月26日，記者從自然資源部召開的彙報視頻會上獲悉，我國海域天然氣水合物第二輪試採日前取得成功並超額完成任務。 ^[6] 

“可燃冰”的開發既複雜又相當危險。 在天然氣水合物開採過程中如果不能有效地實現對温壓條件的控制，就可能產生一系列環境問題，如温室效應的加劇、 海洋生態的變化以及海底滑塌事件等。 ^[36] 

因為天然氣水合物是在低温高壓下形成的，一旦脱離地下或洋底，便迅速氣化。 長期禁錮在洋底的天然氣水合物像被打開的潘多拉魔盒一樣，大量釋放甲烷氣， 其猛烈程度可能導致海牀崩塌或者其他災害，這是十分危險的。 因此，美國地質調查所發出這樣的警告：“開發可燃冰必須謹慎從事，免釀後患。 ” ^[36] 

天然氣水合物在給人類帶來新的能源前景的同時，對人類生存環境也提出了嚴峻的挑戰。天然氣水合物中的甲烷，其温室效應為CO₂的20倍，而全球海底天然氣水合物中的甲烷總量約為地球大氣中甲烷總量的3000倍，若有不慎，讓海底天然氣水合物中的甲烷氣逃逸到大氣中去，將產生無法想象的後果。而且固結在海底沉積物中的水合物，一旦條件變化使甲烷氣從水合物中釋出，還會改變沉積物的物理性質，極大地降低海底沉積物的工程力學特性，使海底軟化，出現大規模的海底滑坡，毀壞海底工程設施，如：海底輸電或通訊電纜和海洋石油鑽井平台等。 ^[36] 

眾所周知， 世界上有一些空難、 海難高發海域，被人們譽為“魔鬼海域”，譬如百慕大三角區。儘管存在異議，20 世紀 80 年代，美國、加拿大、前蘇聯科學家聯合考察後的結果認為，造成這些海域災難的兇手是海底天然氣水合物。 以固態形式存在於海底的天然氣水合物， 一旦温度升高或壓力降低便分解、 氣化， 並溢出海面到空氣中。 大量氣泡必然使海水密度降低，浮力減小，過往船隻會因浮力不足忽然沉入海底。 而穿越此海區的飛機， 也因為灼熱尾氣引燃冒出洋麪的天然氣而燒燬。 ^[36] 

天然可燃冰呈固態， 不會像石油開採那樣自噴流出。 如果把它從海底一塊塊搬出，在從海底到海面的運送過程中，甲烷就會揮發殆盡，同時還會給大氣造成巨大危害。 ^[36] 

天然氣水合物可以通過底質沉積物取樣、鑽探取樣和深潛考察等方式直接識別，也可以通過擬海底反射層（BSR）、速度和震幅異常結構、地球化學異常、多波速測深與海底電視攝像等方式間接識別。下面介紹一些間接標誌。 ^[37] 

海洋天然氣水合物存在的主要地震標誌有擬海底反射層（BSR）、振幅變形（空白反射）、速度倒置、速度-振幅異常結構（VAMP）。大規模的甲烷水合物聚集可以通過高電阻率（＞100歐/米）聲波速度、低體積密度等號數進行直接判讀。 ^[37] 

BSR是地震剖面上的一個平行或基本平行於海底、可切過一切層面或斷層的反射界面，天然氣水合物穩定帶之下還常圈閉着大量的遊離甲烷氣體，從而導致在地震反射剖面上產生BSR。現已證實，BSR代表的是氣體水合物穩定帶的基底，其上為固態的水合物層段，聲波速率高，其下為遊離氣或僅孔隙水充填的沉積物，聲波速率低，因而在地震剖面上形成強的負阻抗反射界面。因此，BSR是由於低滲透率的水合物層與其下大量遊離天然氣及飽和水沉積物之間在聲阻抗（或聲波傳播速度）上存在較大差別引起的。因為水合物層的底界面主要受所在海域的地温梯度控制，往往位於海底以下一定的深度，因此BSR基本平行於海底，被稱為“擬海底反射層”。BSR除被用來識別天然氣水合物的存在和編制水合物分佈圖外，還被用來判斷天然氣水合物層的頂底界和產狀，計算水合物層深度、厚度和體積。 ^[37] 

然而，並不是所有的水合物都存在BSR。在平緩的海底，即使有天然氣水合物，也不易識別出BSR。常常出現BSR的位置，在斜坡或地形起伏的海域。另外，也並不是所有的BSR都對應有天然氣水合物。在極少數情況下，其它因素也可能導致BSR。還應注意的是，儘管絕大部分水合物層都位於BSR之上，但並不是所有的水合物層都位於BSR之上，這已被深海鑽探證明。因此，BSR不能被作為天然氣水合物的僅有的標誌，應結合其它方法綜合判斷。分析和研究地震的速度結構成為該學科領域的前沿。水合物層是高速層，其下飽氣或飽水層是低速層。在速度曲線上，BSR界面處的速度會出現突然降低，表現出明顯的速度異常結構。此外，分析振幅結構也可識別天然氣水合物。相比而言，水合物層是剛性層，其下飽氣或飽水層是塑性層，在振幅曲線上，BSR界面處的振幅會出現突然減小，表現出明顯的振幅異常結構。這些方法對海底平緩的海域來説，尤其顯得重要。 ^[37] 

淺層沉積物和底層海水的甲烷濃度異常高、淺層沉積物孔隙水Cl^-含量（或礦化度）和δ180異常高、出現富含重氧的菱鐵礦等，均可作為天然氣水合物的地球化學標誌。 ^[37] 

在海洋環境中，水合物富集區烴類氣體的滲逸可在海底形成特殊環境和特殊的微地形地貌。天然氣水合物的地貌標誌主要有泄氣窗、甲烷氣苗、泥火山、麻點狀地形、碳酸鹽殼、化學合成生物羣等。在德國基爾大學Geomar研究所通過海底觀測，在美國俄勒岡州西部大陸邊緣Cascadia水合物海台就發現了許多不連續分佈、大小在5cm²左右的水合物泄氣窗，泄氣窗中甲烷氣苗一股一股地滲出，滲氣速度為每分鐘5公升。在該滲氣流的周圍有微生物、蛤和碳酸鹽殼。 ^[37] 

全球天然氣水合物的儲量是現有天然氣、石油儲量的兩倍，具有廣闊的開發前景，美國、日本等國均已經在各自海域發現並開採出天然氣水合物，據測算，中國南海天然氣水合物的資源量為700億噸油當量，約相當中國陸上石油、天然氣資源量總數的二分之一。 ^[11] 

在人類日益為能源所困的時代，可燃冰的成功試採自然是萬眾矚目。此次我國在全球範圍內首次成功試開採，實現了六大技術體系二十項關鍵技術自主創新。但這僅是萬里長征邁出關鍵性一步，未來要實現產業化和商業化開採，仍有長路要走。 ^[3] 

2017年6月9日，經濟日報·中國經濟網記者乘坐直升機從珠海起飛，在浩瀚的南海上空飛行一個半小時後，穩穩降落在一個屹立於海面的龐然大物上——“藍鯨一號”鑽井平台。 ^[3] 

這是一座37層樓高的大傢伙，是我國自主建造的世界最大作業水深、最深鑽井深度的半潛式鑽井平台。近來這裏正吸引着全世界的目光，我國在這裏成功實現了可燃冰的試開採。 ^[3] 

可燃冰，簡而言之，即可以燃燒的冰塊，學名為“天然氣水合物”，是由甲烷為主的有機分子被水分子包裹而成，其熱值約相當於石油的1/6，燃燒後只生成二氧化碳和水，儲量據稱可供人類使用千年。 ^[3] 

因此，2017年5月18日，我國宣佈試採可燃冰成功，成為全球首個海域可燃冰試採獲得連續穩定氣流的國家後，誇讚和質疑撲面而來。有人説，可燃冰開採沒那麼容易，環保是否過關得打個問號。還有人認為，開採成功後很快將產業化，資本市場上沾些邊的股票隨之一飛沖天。 ^[3] 

記者此番前來，就是要一探究竟：我們可以安全環保地開採可燃冰嗎？技術上我們能在全球實現領跑嗎？產業化究竟還有多長的路要走。 ^[3] 

從“藍鯨一號”鑽井平台往海中望去，蔚藍的海面上波光粼粼，時不時有碩大的魚跳躍出來。 ^[3] 

可燃冰被譽為“未來的能源”。1立方米的固體可燃冰分解後可釋放出164立方米標準狀況的氣態天然氣，只相當於1/6立方米的液體或固體天然氣，因此熱值只相當於石油的約1/6。 ^[3] 

但是，可燃冰開採難度之大也是業界公認的。可燃冰靠低温高壓封存，如温度升高，水合物中的甲烷可能溢出；或者如冰塊消融、壓力回升，一旦控制不當，可能造成海底滑坡等地質災害。 ^[3] 

中國地質調查局總工程師嚴光生説，對於這兩個難點，試採前就已經充分考慮、反覆論證，部署了多個監測點實時監測，周邊氣體和海底地形都沒有變化。 ^[3] 

據瞭解，在試採前，中國地質調查局開展了10餘個航次的環境基線調查，獲取了海洋地質、海洋生物、海水化學等本底數據，以及海底地層力學參數等。在試採過程中，按照國際環境管理體系、工藝安全風險管理等標準，採取了嚴格的環境保護措施。 ^[3] 

試採現場指揮部辦公室副主任陸敬安説，試採過程中，通過大氣、海水、海底和井下四位一體監測體系，對甲烷、二氧化碳等及海底沉降實行了實時監測。與本底數據對比顯示，甲烷無異常變化，海底地形無變化，沒有環境污染，未發生地質災害。同時，我國第一台4500米作業級水下機器人“海馬號”潛入海底，也沒有發現海底地形變化和甲烷泄漏。 ^[3] 

“藍鯨一號”鑽井平台長117米，寬度也有近百米。甲板很是開闊，試採現場指揮部辦公室副主任謝文衞告訴記者，這個鑽井平台配有雙鑽塔，可分別作業，井下環境監測儀，可實時監測數據，試採結束後，將一併取出。 ^[3] 

陸敬安表示，試採結束後，還將繼續進行全方位的立體環境監測，為制定天然氣水合物開採的環境保護方案提供科學依據。 ^[3] 

在“藍鯨一號”鑽井平台外，一個熊熊火炬耀眼地燃燒着。為安全起見，巨大的水幕把火炬和平台隔開。這個火炬燃燒的，就是從水深1266米海底以下200多米開採出來的天然氣。 ^[3] 

廣州海洋局總工程師楊勝雄説，這是全球首次實現泥質粉砂型可燃冰的安全可控開採。這種類型的可燃冰，資源量佔全球90%以上，開發難度最大。 ^[3] 

據介紹，此次試採中我國實現了六大技術體系二十項關鍵技術自主創新。第一，防砂技術3項。包括“地層流體抽取”、未成巖超細儲層防砂和天然氣水合物二次生成預防技術。第二，儲層改造技術3項。包括儲層快速精細評價、產能動態評價等技術。第三，鑽井和完井技術3項。包括窄密度窗口平衡鑽井、井口穩定性增強和井中測試系統集成技術。第四，勘查技術4項。包括4500米級無人遙控潛水器探測、保壓取樣、海洋高分辨率地震探測和海洋可控源電磁探測技術等。 ^[3] 

不少大國在可燃冰領域開展角逐。其中，美國5月12日宣佈，正在墨西哥灣開展可燃冰開採研究。2013年，日本在南海海槽開展了海上試採，但因出砂等技術問題失敗。2017年4月份日本在同一海域第二次試採，5月15日再次因出砂問題中止產氣。 ^[3] 

有關專家表示，可燃冰是未來全球能源發展的戰略制高點，中國在全球率先試採成功，實現了在這一領域的領跑而不是跟隨。 ^[3] 

可燃冰在全球主要分佈在兩類地區：一是水深300米至3000米的海底；二是陸上凍土區，尤其是南北極凍土區。有預測顯示，全球天然氣水合物資源量相當於21萬億噸油當量。 ^[3] 

試採現場指揮部辦公室主任邱海峻表示，我國海域天然氣水合物資源量約800億噸油當量。通過重點地區普查，已經圈定11個有利遠景區，19個成礦區帶。經過鑽探驗證圈定了兩個千億方級的礦藏。 ^[3] 

有關專家表示，此次我國在全球範圍內實現首次成功試開採，僅是萬里長征邁出關鍵性一步，未來要實現產業化和商業化開採，仍有長路要走。 ^[3] 

邱海峻表示，今後將圍繞加快推進產業化進程的目標，爭取神狐海域試採成果最大化。同時，繼續加大天然氣水合物資源調查力度，開展重點目標區的詳查，提供2個至4個大型資源基地，為推進產業化奠定資源基礎。此外，開展不同類型天然氣水合物試採，把加強環境保護放在突出位置。 ^[3] 

他表示，基於中國可燃冰調查研究和技術儲備的現狀，預計我國在2030年左右有望實現可燃冰的商業化開採。 ^[3] 

“可燃冰”，專家們稱之為“天然氣水合物”或“甲烷水合物”，是水和天然氣在高壓和低温條件下混合產生的一種固態物質，外貌類似冰或固體酒精，點火即可燃燒。“可燃冰”儲量豐富、分佈廣闊，科學家們預測，它是常規石油和天然氣的最佳替代能源。 ^[38] 

中國海底和陸域藴藏着豐富的頁岩氣和可燃冰資源，完全能夠滿足中國能源需求，提高能源自給率，保障能源安全供應，從而實現經濟社會持續健康發展。 ^[38] 

中國是“可燃冰”資源儲量最多的國家之一。2004年，中德聯合科考隊的“太陽號”考察船在南海海底發現了當今全球最大的碳酸鹽結殼，面積達430平方公里。它充分證實了海底甲烷水合物曾釋放出大量的甲烷。據專家預測，中國南海西沙海槽、台灣西南陸坡、南沙海槽、沖繩海槽海底可能存在大量的甲烷水合物資源，可以滿足中國今後數百年的需求。2009年夏，在祁連山南緣，一簇火苗的燃燒，成為令人振奮的消息：中國成為世界上第一個在中低緯度凍土區發現“可燃冰”的國家。據專家們估計，中國“可燃冰”的資源儲量為803 .44億噸油當量，接近於我國常規石油資源量，約是中國常規天然氣資源量的兩倍。據國土資源部專家估計，中國陸域“可燃冰”遠景資源量至少有350億噸油當量，可供中國使用近90年。 ^[38]