天然氣水合物的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

天然氣水合物的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

天然氣水合物是一種新型的潛在能源，主要分布在海底沉積物和永久性陸地凍土帶中。據(jù)初步估算,全球天然氣水合物資源量約為21×1015m3,是煤炭、石油和天然氣資源總量的2倍,足夠人類使用千年以上。自1810年英國(guó)科學(xué)家Davy在實(shí)驗(yàn)室合成了氯氣水合物以來,人類就從未停止過對(duì)天然氣水合物的研究和探索,期間也曾出現(xiàn)過數(shù)次研究高潮,20世紀(jì)60年代特別是80年代末以來,由于其巨大的能源潛力和環(huán)境效應(yīng),世界各國(guó)開始對(duì)天然氣水合物展開了全方位研究,掀起了天然氣水合物的又一個(gè)研究高潮。中國(guó)對(duì)天然氣水合物的調(diào)查研究起步較晚,20世紀(jì)80年代初僅有少部分研究人員關(guān)注國(guó)際天然氣水合物的研究進(jìn)展,并將相關(guān)成果介紹到國(guó)內(nèi),90年代末期才進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期,初步形成了天然氣水合物調(diào)查研究的小高潮。筆者擬對(duì)中國(guó)天然氣水合物調(diào)查研究的歷史、現(xiàn)狀及其問題進(jìn)行初步總結(jié),并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行展望,供相關(guān)部門和人員參考。1天然氣水合物的產(chǎn)生與發(fā)展歷程自人類發(fā)現(xiàn)天然氣水合物以來,大致經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)室研究、管道堵塞及防治、資源調(diào)查與開發(fā)利用4個(gè)階段(圖1)。傳統(tǒng)上一直認(rèn)為天然氣水合物的研究歷史始自1810年的Davy合成氯氣水合物,但早在1778年,英國(guó)化學(xué)家Priestley有可能就在實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)了二氧化硫水合物。之后的研究幾乎均在化學(xué)家們的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,試圖合成各種各樣的水合物,并希望能定量地描述它們的化學(xué)成分及其物理性質(zhì)。1934年,美國(guó)科學(xué)家Hammerschmidt發(fā)現(xiàn)天然氣水合物會(huì)堵塞輸氣管道,影響天然氣的輸送,為此美國(guó)、前蘇聯(lián)、荷蘭、德國(guó)等國(guó)先后開展了水合物的形成動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)研究以及如何防治輸氣管道中形成水合物問題,由此進(jìn)入到管道堵塞及防治研究階段,這一階段的水合物被認(rèn)為是令人厭煩的東西。1965年,前蘇聯(lián)在西伯利亞麥索亞哈(Messoyakha)油氣田區(qū)首次發(fā)現(xiàn)天然產(chǎn)出的天然氣水合物,之后美國(guó)、加拿大也相繼在阿拉斯加、馬更些(Mackenzie)三角洲等陸上凍土區(qū)中發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。1974年,前蘇聯(lián)科學(xué)家在黑海的沉積物中發(fā)現(xiàn)大塊的水合物結(jié)核。1979年,國(guó)際深海鉆探計(jì)劃(DSDP)第66、67航次先后在中美海槽的鉆孔巖心中發(fā)現(xiàn)了海底的天然氣水合物。此后,水合物成為許多國(guó)家和部分國(guó)際組織關(guān)注的熱點(diǎn),美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本、德國(guó)、加拿大、英國(guó)、挪威等國(guó)以及DSDP和隨后的大洋鉆探計(jì)劃(ODP)、綜合大洋鉆探計(jì)劃(IODP)進(jìn)行了大量調(diào)查研究,先后在世界各地直接或間接地發(fā)現(xiàn)了大量天然氣水合物產(chǎn)地。2002年春,美國(guó)、日本、加拿大、德國(guó)、印度等5國(guó)合作對(duì)加拿大馬更些凍土區(qū)Mallik5L-38井的天然氣水合物進(jìn)行了試驗(yàn)性開發(fā),通過注入約80℃的鉆探泥漿,成功地從1200m深的水合物層中分離出甲烷并予以回收,同時(shí)進(jìn)行的減壓法試驗(yàn)也獲得了成功,由此進(jìn)入到開發(fā)利用階段。目前世界各國(guó)都在大力開展天然氣水合物的開發(fā)利用研究,預(yù)計(jì)在2020年前后能實(shí)現(xiàn)陸上凍土區(qū)水合物的商業(yè)性開發(fā),2030—2050年前后有望實(shí)現(xiàn)海底水合物的商業(yè)性開發(fā)。與國(guó)外相比,中國(guó)在這一領(lǐng)域的調(diào)查研究起步較晚,直至1980—1995年前后、西南石油學(xué)院、中國(guó)石油大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院蘭州地質(zhì)研究所等單位才開始在實(shí)驗(yàn)室合成水合物研究,1999年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局對(duì)南海西沙海槽開展試驗(yàn)性的地球物理調(diào)查,2002年中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所等單位對(duì)青藏高原凍土區(qū)開展試驗(yàn)性調(diào)查。中國(guó)總體上仍處于資源調(diào)查階段的早期,還未進(jìn)入開發(fā)利用階段。2氣體水合物的地質(zhì)特征與國(guó)外的發(fā)展歷程相似,中國(guó)天然氣水合物也起始于實(shí)驗(yàn)室研究,然后再擴(kuò)展到資源調(diào)查領(lǐng)域。中國(guó)在1999年正式實(shí)施試驗(yàn)性調(diào)查前還經(jīng)歷了一段短暫的預(yù)研究階段,中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)于1995年設(shè)立了“西太平洋氣體水合物找礦前景與方法的調(diào)研”課題,這是中國(guó)天然氣水合物資源領(lǐng)域的第一個(gè)調(diào)研課題,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所等單位就天然氣水合物在世界各大洋的分布特征及找礦方法進(jìn)行了分析和總結(jié),并對(duì)西太平洋的找礦遠(yuǎn)景進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)。隨后原地質(zhì)礦產(chǎn)部于1997年設(shè)立了“中國(guó)海域天然氣水合物勘測(cè)研究調(diào)研”課題,國(guó)家863計(jì)劃820主題也于1998年設(shè)立了“海底氣體水合物資源勘查的關(guān)鍵技術(shù)”課題,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所等單位對(duì)中國(guó)近海天然氣水合物的成礦條件、調(diào)查方法、遠(yuǎn)景預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行了前期預(yù)研究,為中國(guó)開展天然氣水合物調(diào)查做好了資料和技術(shù)準(zhǔn)備。2.1地質(zhì)、地質(zhì)概況南海是西太平洋最大的邊緣海,總面積約350×104km2,依次分布著大陸架、大陸坡和中央海盆,面積分別約168.5×104km2(占南海的48.14%)、126.4×104km2(占南海的36.12%)和55.1×104km2(只占15.74%)。預(yù)研究結(jié)果表明,南海具備良好的天然氣水合物成礦條件和找礦前景,尤以北部陸坡區(qū)和南部陸坡區(qū)為佳,廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局還通過復(fù)查原有地震資料在西沙海槽、東沙群島南部、筆架南盆地、南沙斷陷盆地等地發(fā)現(xiàn)天然氣水合物存在的擬海底反射層(BSR)標(biāo)志。1999年10月,為執(zhí)行中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的“西沙海槽天然氣水合物資源前期調(diào)查”項(xiàng)目,廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“奮斗五號(hào)”調(diào)查船開啟了中國(guó)天然氣水合物調(diào)查的處女航,在西沙海槽開展高分辨率多道地震調(diào)查,由此揭開了中國(guó)天然氣水合物調(diào)查的新篇章。該航次調(diào)查結(jié)果表明西沙海槽存在多段具有極性發(fā)轉(zhuǎn)、上部空白反射、近似平行海底、地震速度局部增高的典型BSR標(biāo)志,這一結(jié)果大大增強(qiáng)了中國(guó)決策部門和國(guó)內(nèi)同行在南海尋找天然氣水合物的信心。2002年,中國(guó)政府正式設(shè)立《我國(guó)海域天然氣水合物資源調(diào)查與評(píng)價(jià)》國(guó)家專項(xiàng),加上2000—2001年間的專項(xiàng)預(yù)研究項(xiàng)目,廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局迄今共在南海北部陸坡完成了19個(gè)航次的地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)調(diào)查,開展了高分辨多道地震、多波束、淺層剖面、單道地震、地質(zhì)地球化學(xué)取樣、海底攝像、熱流測(cè)量等調(diào)查工作。與此同時(shí),廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局及其合作單位進(jìn)行了相應(yīng)的配套研究。通過上述工作,我們初步掌握了南海北部陸坡區(qū)天然氣水合物的資源潛力及其分布狀況,圈定了天然氣水合物存在的BSR分布范圍,發(fā)現(xiàn)了與天然氣水合物有關(guān)的地質(zhì)地球化學(xué)異常標(biāo)志,初步預(yù)測(cè)了天然氣水合物的分布范圍、厚度并估算了資源量。2007年5月1日,由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局實(shí)施、輝固國(guó)際集團(tuán)公司Bavenit號(hào)船具體承擔(dān)的中國(guó)天然氣水合物鉆探工程在南海北部成功鉆獲了天然氣水合物實(shí)物樣品,取得了找礦工作的重大突破。鉆獲水合物樣品的具體位置為珠江口盆地南部的神狐地區(qū),水深1230~1245m,初步結(jié)果顯示水合物樣品采自于海底以下183~225m處,呈分散浸染狀分布,含水合物層段厚18~34m,水合物飽和度20%~43%,釋放出的氣體中甲烷含量達(dá)99.7%~99.8%。中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所也在一些調(diào)查航次中發(fā)現(xiàn)與天然氣水合物有關(guān)的異常標(biāo)志,如在2005年度的公共航次中分別在瓊東南盆地和東沙群島西南部地區(qū)發(fā)現(xiàn)冷泉碳酸鹽結(jié)核等標(biāo)志,鄧輝等則通過對(duì)1989年采集的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,解釋出南沙海區(qū)也存在BSR,顯示出這些地區(qū)也可能存在天然氣水合物。另外,國(guó)家973項(xiàng)目“中國(guó)邊緣海形成演化及重大資源的關(guān)鍵問題”于2001年委托廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“探寶號(hào)”調(diào)查船對(duì)南海東北部至菲律賓海盆進(jìn)行了“973測(cè)線”的地震數(shù)據(jù)采集,通過數(shù)據(jù)處理也在臺(tái)灣西南地區(qū)發(fā)現(xiàn)有BSR。在國(guó)際合作方面,1999年2—4月,大洋鉆探計(jì)劃(ODP)的“JOIDESResolution”號(hào)首航南海,開展“東亞季風(fēng)演變歷史在南海的記錄及其全球氣候意義”的第184航次調(diào)查,共在南海完成了6個(gè)站位17個(gè)鉆孔的鉆探任務(wù)?？紤]到該航次的部分站位恰好位于天然氣水合物成礦遠(yuǎn)景區(qū)內(nèi),我們建議ODP組織及其該航次的首席科學(xué)家在184航次搭載天然氣水合物研究,結(jié)果在南海北部陸坡的1146站位深部發(fā)現(xiàn)孔隙水氯度降低、高甲烷含量和富18O的自生菱鐵礦結(jié)核等異常標(biāo)志,顯示可能存在天然氣水合物,宋海斌等則通過地球物理數(shù)據(jù)的分析處理,認(rèn)為1144站位附近也存在BSR。2004年6—7月,廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局與德國(guó)基爾大學(xué)Leibniz海洋科學(xué)研究所(GEOMAR)組織了“南海北部陸坡甲烷和天然氣水合物分布、形成及其對(duì)環(huán)境的影響研究”合作項(xiàng)目,中德兩國(guó)10個(gè)單位26名科學(xué)家開展了為期42天的SO-177航次的聯(lián)合調(diào)查,在東沙群島附近海域發(fā)現(xiàn)了世界上最大的冷泉碳酸鹽巖———九龍甲烷礁(總面積近430km2),并發(fā)現(xiàn)了大量與天然氣水合物有關(guān)的地質(zhì)、地球化學(xué)和生物學(xué)證據(jù),如極淺的硫酸鹽/甲烷界面(SMI)、化能生物群等,顯示下部應(yīng)有天然氣水合物存在。在廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局對(duì)西沙海槽開展試驗(yàn)性調(diào)查以前,Hinz等(1989)利用聯(lián)邦德國(guó)地球科學(xué)與自然資源研究所(BGR)于1986年7—8月在巴拉望─沙巴外海采集的多道地震資料進(jìn)行處理分析,在南沙海槽發(fā)現(xiàn)有BSR,臺(tái)灣同行也在臺(tái)灣西南斜坡發(fā)現(xiàn)有BSR。南海是中國(guó)天然氣水合物成礦條件和找礦前景最好的地區(qū),也是調(diào)查研究程度最高的地區(qū),且已取得找礦工作的重大突破。目前的各種調(diào)查研究結(jié)果顯示,南海北部陸坡區(qū)和南部陸坡區(qū)最有可能找到天然氣水合物,西部陸坡區(qū)如中建南盆地、萬安北盆地也有可能找到天然氣水合物(圖2)。2.2充填海槽bsr分布東海是西太平洋溝-弧-盆體系中的一個(gè)弧后盆地,主要包括東海陸架、沖繩海槽等單元,總面積約77×104km2,其中東海陸架約53×104km2,沖繩海槽約22×104km2。從水深、海底溫度、熱流值、沉積厚度、沉積速率、有機(jī)碳含量等區(qū)域地質(zhì)條件來看,沖繩海槽特別是其西南斜坡具有良好的天然氣水合物形成條件。東海海域迄今尚未開展過針對(duì)天然氣水合物的專門調(diào)查,但楊文達(dá)等、孟憲偉等和方銀霞等在2000年就利用原來的地球物理資料進(jìn)行分析和處理,在沖繩海槽發(fā)現(xiàn)與天然氣水合物有關(guān)的BSR標(biāo)志。最近,唐勇等收集了沖繩海槽附近共45條測(cè)線的多道地震數(shù)據(jù),經(jīng)過AVO、波形反演等特殊處理技術(shù),在沖繩海槽北部、中部和南部的16條地震剖面上發(fā)現(xiàn)了BSR,其中沖繩海槽中部和南部的BSR分布面積較廣且比較典型。此外,Sakai等于1990年報(bào)道了在沖繩海槽發(fā)現(xiàn)CO2型水合物。由此可見,沖繩海槽特別是其中南部也可能存在天然氣水合物(圖2)。2.3青海湖凍土區(qū)天然氣水合物形成條件的確定中國(guó)多年凍土面積達(dá)215×104km2,占國(guó)土總面積的22.4%,是僅次于俄羅斯、加拿大的世界第三凍土大國(guó)。凍土區(qū)主要分布于青藏高原、大興安嶺及其他高山地區(qū)(圖3)。根據(jù)原有地質(zhì)和凍土資料,中國(guó)科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所等單位的有關(guān)人員對(duì)青藏高原天然氣水合物的形成條件進(jìn)行了初步研究和預(yù)測(cè),并建議有關(guān)部門對(duì)青藏高原凍土區(qū)開展相應(yīng)的調(diào)查研究。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局于2002年開始先后設(shè)立了4個(gè)調(diào)查研究項(xiàng)目,即“青藏高原多年凍土區(qū)天然氣水合物地球化學(xué)勘查預(yù)研究”、“青藏鐵路沿線天然氣水合物遙感識(shí)別標(biāo)志研究”、“我國(guó)陸域永久凍土帶天然氣水合物資源遠(yuǎn)景調(diào)查”和“陸地永久凍土天然氣水合物鉆探技術(shù)研究”,國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)也于2005年設(shè)立了“青藏高原多年凍土區(qū)天然氣水合物的形成條件探討”的面上科研項(xiàng)目。為完成上述任務(wù),中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所等單位對(duì)中國(guó)凍土區(qū)特別是青藏高原凍土區(qū)開展了地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和遙感等方面的探索性調(diào)查和評(píng)價(jià)工作,初步調(diào)查研究結(jié)果顯示,青藏高原特別是羌塘盆地具備良好的天然氣水合物成礦條件和找礦前景,其次是祁連山木里地區(qū)、東北漠河盆地和青藏高原的風(fēng)火山地區(qū)等(圖3),并在祁連山木里地區(qū)的凍土層內(nèi)發(fā)現(xiàn)有連續(xù)逸出的可燃?xì)怏w(甲烷),有可能在其穩(wěn)定帶內(nèi)(171~574m)形成天然氣水合物。2.4太平洋和南海域天然氣水合物成礦地質(zhì)背景與地質(zhì)遠(yuǎn)景區(qū)選定研究迄今所發(fā)現(xiàn)的海底天然氣水合物絕大多數(shù)均位于大陸邊緣,也即各沿岸國(guó)家的領(lǐng)?；?qū)俳?jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi),而浩瀚的國(guó)際海底究竟有無天然氣水合物目前尚不清楚,國(guó)際上也很少開展此類研究。為了盡快查明國(guó)際海底天然氣水合物的成礦條件和找礦前景,在新一輪的“跑海圈地”運(yùn)動(dòng)中占據(jù)有利位置,中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)于2001年設(shè)立了“太平洋國(guó)際海底天然氣水合物成礦地質(zhì)背景與找礦遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)選研究”的探索性研究課題,由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所等單位承擔(dān)。課題組先后查閱了太平洋和南極近海地區(qū)大量地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和地?zé)豳Y料,特別是DSDP和ODP各航次的調(diào)查報(bào)告,復(fù)查了中國(guó)在CC區(qū)調(diào)查時(shí)所獲得的地震剖面,并開展了部分樣品的分析測(cè)試。在這些資料的基礎(chǔ)上,課題組對(duì)太平洋和南極近海地區(qū)天然氣水合物的成礦地質(zhì)背景、異常標(biāo)志進(jìn)行了綜合分析,認(rèn)為南極近海地區(qū)有可能是國(guó)際海底找礦前景最好的地區(qū),太平洋國(guó)際海底的局部地區(qū)也有較好的找礦前景,并圈出南極近海的威爾克斯陸緣區(qū)、中太平洋海山區(qū)內(nèi)的沉積盆地和西太平洋Pigafetta盆地等供大洋協(xié)會(huì)下一步開展調(diào)查時(shí)的決策參考。但迄今為止,中國(guó)還沒有開展國(guó)際海底天然氣水合物的調(diào)查工作。3中國(guó)天然氣水合物研究3.1國(guó)土資源開發(fā)由司法行政部門參與的海洋勘探開發(fā)自1995年中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)設(shè)立“西太平洋氣體水合物找礦前景與方法的調(diào)研”課題以來,中國(guó)各相關(guān)部門開始大力重視天然氣水合物的調(diào)查研究,并逐漸加大資助力量,到目前已形成科學(xué)技術(shù)部、國(guó)土資源部、自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院為龍頭,其他部門為輔助的項(xiàng)目體系。總體上說,科學(xué)技術(shù)部設(shè)立的項(xiàng)目偏重于技術(shù)研發(fā)類,國(guó)土資源部偏重于資源調(diào)查類,自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院則偏重于基礎(chǔ)研究類。科學(xué)技術(shù)部的項(xiàng)目以國(guó)家863計(jì)劃為主,“九五”期間863計(jì)劃海洋探查與資源開發(fā)技術(shù)主題(820主題)就設(shè)立了前述的“海底氣體水合物資源勘查的關(guān)鍵技術(shù)”前沿探索性課題?！笆濉逼陂g863計(jì)劃加大了資助力度,為了解決“我國(guó)海域天然氣水合物資源調(diào)查與評(píng)價(jià)”專項(xiàng)中的諸多關(guān)鍵技術(shù)難題,于2001年設(shè)立了包括地震識(shí)別技術(shù)、地球化學(xué)探測(cè)技術(shù)、資源評(píng)估技術(shù)和保真(保壓、保溫)取樣技術(shù)在內(nèi)的“天然氣水合物探測(cè)技術(shù)”課題,由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局等單位承擔(dān)?！笆濉焙笃?63計(jì)劃又分別設(shè)立了“天然氣水合物深水淺孔保溫保壓取心鉆具的研制”(由國(guó)家海洋局第一海洋研究所承擔(dān))和“南海北部海域天然氣水合物首鉆目標(biāo)優(yōu)選關(guān)鍵技術(shù)研究”課題(由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局承擔(dān))及其3項(xiàng)青年基金。最近863計(jì)劃已將“天然氣水合物勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”列為“十一五”的重大項(xiàng)目,分別就地震、電磁、熱流、流體地球化學(xué)、原位地球化學(xué)、保真取樣器、鉆探取心、實(shí)驗(yàn)?zāi)M和開采等方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。另外,科學(xué)技術(shù)部在國(guó)際科技合作等計(jì)劃中也有少量與天然氣水合物相關(guān)的項(xiàng)目。國(guó)土資源部的科研項(xiàng)目以資源類為主,目前最重要的當(dāng)屬《我國(guó)海域天然氣水合物資源調(diào)查與評(píng)價(jià)》專項(xiàng)中的3個(gè)配套科研項(xiàng)目,每年都投入不少資金開展技術(shù)方法、環(huán)境效應(yīng)和資源戰(zhàn)略評(píng)價(jià)等方面的研究,由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局、青島海洋地質(zhì)研究所、國(guó)家海洋局、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、南京大學(xué)等單位承擔(dān)。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在“國(guó)土資源大調(diào)查”項(xiàng)目中對(duì)天然氣水合物也給予了大力支持,先后設(shè)立了多個(gè)項(xiàng)目對(duì)中國(guó)海域和凍土區(qū)開展天然氣水合物的調(diào)查研究。國(guó)家海洋局也設(shè)立有類似的資源和環(huán)境類科研項(xiàng)目。此外,國(guó)土資源部還在其他項(xiàng)目中對(duì)天然氣水合物予以支持,如在百人計(jì)劃中就設(shè)立有“天然氣水合物中烴類氣體地球化學(xué)異常標(biāo)志及其成生機(jī)制研究”等項(xiàng)目。最近公布的《國(guó)土資源部中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》中將“海域天然氣水合物評(píng)價(jià)與勘查開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”列為國(guó)土資源部十個(gè)重大科技專項(xiàng)計(jì)劃之一,天然氣水合物的調(diào)查研究將會(huì)得到進(jìn)一步的重視和加強(qiáng)。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)自1998年開始設(shè)立“氣體水合物生成過程機(jī)理及其分形理論的研究”(中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所舒碧芬承擔(dān))以來,至2006年共設(shè)立了與天然氣水合物有關(guān)的項(xiàng)目43個(gè),其中1998年1項(xiàng),1999年1項(xiàng),2000年4項(xiàng),2001年6項(xiàng),2002年4項(xiàng),2003年8項(xiàng),2004年1項(xiàng),2005年10項(xiàng),2006年8項(xiàng),除2004年外基本上呈逐年增加的趨勢(shì)。內(nèi)容涉及到水合物的物性、資源、抑制、儲(chǔ)運(yùn)、開采、環(huán)境等方面的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。中國(guó)科學(xué)院也大力重視天然氣水合物的研究工作,于2004年組織了跨研究所、跨學(xué)科的優(yōu)勢(shì)研究力量組建了“中國(guó)科學(xué)院廣州天然氣水合物研究中心”,并先后設(shè)立了“天然氣水合物勘探開采模擬研究”、“天然氣水合物開采中若干關(guān)鍵問題的研究”、“大陸坡天然氣水合物形成的地質(zhì)條件與成藏機(jī)理研究”、“海底天然氣滲漏系統(tǒng)水合物成藏機(jī)制及識(shí)別方法”等知識(shí)創(chuàng)新重要方向項(xiàng)目4個(gè)、百人項(xiàng)目3個(gè)以及其他項(xiàng)目多個(gè)。研究?jī)?nèi)容涉及到天然氣水合物合成、物性測(cè)試、開采模擬、成藏機(jī)理、資源評(píng)價(jià)等領(lǐng)域。除上述四大部委外,三大油公司、教育部、中國(guó)工程院以及前述的中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)等也先后設(shè)立過與天然氣水合物有關(guān)的科研項(xiàng)目。3.2天然氣水合物的合成筆者用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)(Bibliometric)方法對(duì)CNKI(NationalKnowledgeInfrastructure,國(guó)家知識(shí)基礎(chǔ)設(shè)施)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了檢索和統(tǒng)計(jì)分析,以便了解中國(guó)天然氣水合物的歷史演變及其發(fā)展趨勢(shì)。CNKI數(shù)據(jù)庫是由清華大學(xué)、清華同方發(fā)起并創(chuàng)建的世界上最大的中國(guó)期刊數(shù)據(jù)庫,共收錄中國(guó)7486種期刊自1994年(部分刊物回溯至1979年甚至回溯至創(chuàng)刊號(hào))至今的各種文獻(xiàn)。筆者于2007年6月用“天然氣水合物+氣體水合物+甲烷水合物+氣水合物”的檢索式對(duì)題名進(jìn)行檢索,共在CNKI數(shù)據(jù)庫中檢索出876篇文獻(xiàn),首篇文獻(xiàn)出現(xiàn)于1982年的《化工學(xué)報(bào)》,是西南石油學(xué)院賀承祖的“氣體水合物生成溫度的下降與阻止劑水溶液冰點(diǎn)的下降之關(guān)系”。第二篇文獻(xiàn)為1990年《地球科學(xué)進(jìn)展》上的“固體天然氣水合物的成功合成”,以消息報(bào)道的形式報(bào)道了中國(guó)科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與莫斯科大學(xué)列別琴科博士合作成功合成了固體水合物。然后從1994年開始每年都有水合物文獻(xiàn)發(fā)表,并呈逐年增加的趨勢(shì)(圖4)。通過對(duì)這876篇文獻(xiàn)的詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn),絕大部分都是根據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)編譯的綜述性文章,特別是2001年以前更是這樣,涉及到中國(guó)海域或者凍土區(qū)的文獻(xiàn)很少。根據(jù)筆者的不完全統(tǒng)計(jì),姚伯初于1998年發(fā)表的“南海北部陸緣天然氣水合物初探”一文可能是針對(duì)中國(guó)海域存在天然氣水合物的最早文獻(xiàn),而徐學(xué)祖等于1999年發(fā)表的“青藏高原多年凍土區(qū)天然氣水合物的研究前景和建議”則是中國(guó)凍土區(qū)的首篇文獻(xiàn)。自2001年以后涉及中國(guó)海域和凍土區(qū)水合物的文獻(xiàn)逐漸多了起來,特別是最近幾年根據(jù)實(shí)際調(diào)查成果撰寫的論文日漸增加,說明中國(guó)天然氣水合物的研究也在不斷深入和提高。2005年,鄭軍衛(wèi)等也用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法對(duì)國(guó)際上的科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(SCI)、INSPEC數(shù)據(jù)庫(ISI會(huì)議錄)和DII數(shù)據(jù)庫(德溫特專利索引)進(jìn)行了檢索和統(tǒng)計(jì)分析,1995—2005年10月間共有天然氣水合物方面的SCI論文1968篇、會(huì)議論文468篇和專利580件,且呈逐年上升趨勢(shì)。在這10年間,中國(guó)學(xué)者發(fā)表的SCI論文83篇,占全球的4.22%,居世界第8位,INSPEC會(huì)議論文15篇,占全球的2.35%,居世界第9位,DⅡ?qū)＠?3件,占全球的2.24%,居世界第6位。盡管在各項(xiàng)排名中中國(guó)均進(jìn)入到前10名,但無論是論文數(shù)量、引用率,還是專利數(shù)量均與美國(guó)、日本等強(qiáng)國(guó)都有較大差距。從年際變化上來說,2001年以前只有寥寥數(shù)篇,但2001年以后增長(zhǎng)較快(圖4),這與近幾年中國(guó)比較重視天然氣水合物研究的事實(shí)一致。中國(guó)學(xué)者在SCI刊物上最早發(fā)表水合物論文的可能是中國(guó)石油大學(xué)的DuY-H和郭天民先生,他們于1990年就在化學(xué)工程科學(xué)(ChemicalEngineeringScience)雜志上發(fā)表了“甲醇體系中水合物形成條件預(yù)測(cè)”一文。3.3天然氣水合物的勘探開發(fā)2004年,郭天民等曾對(duì)中國(guó)天然氣水合物領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行了初步總結(jié),這里筆者將按資源調(diào)查、基礎(chǔ)理論和技術(shù)裝備等3方面進(jìn)行簡(jiǎn)單的總結(jié)。在資源調(diào)查方面,通過近8年的工作我們已在南海北部陸坡的4個(gè)海區(qū)、南沙海槽和東海沖繩海槽等地發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的地球物理證據(jù)和地質(zhì)地球化學(xué)異常標(biāo)志,初步證實(shí)這些海區(qū)應(yīng)有天然氣水合物存在,特別是最近在南海北部神狐地區(qū)成功鉆獲了水合物的實(shí)物樣品,顯示出良好的找礦前景,并對(duì)陸上凍土區(qū)開展了探索性調(diào)查,顯示羌塘盆地等地區(qū)有可能存在天然氣水合物。同時(shí),筆者也對(duì)中國(guó)海域和陸上凍土區(qū)天然氣水合物的資源潛力進(jìn)行了初步評(píng)價(jià),結(jié)果顯示中國(guó)天然氣水合物的資源量接近于中國(guó)常規(guī)石油的資源量,具有良好的資源遠(yuǎn)景。在基礎(chǔ)理論方面,中國(guó)的研究主要集中在水合物的相平衡(熱力學(xué))、形成與分解動(dòng)力學(xué)、制冷劑熱傳遞等方面。在相平衡方面,中國(guó)學(xué)者陳光進(jìn)等基于水合物生成可分為二階段的理論提出了一個(gè)水合物生成條件預(yù)測(cè)模型,對(duì)國(guó)際上廣泛使用的vanderWaals-Platteeuw模型進(jìn)行了修正和擴(kuò)展,被國(guó)際上命名為Chen-Guo模型,這一模型目前已成功應(yīng)用于含醇含鹽抑制劑體系、含氫氣體系水合物的生成條件以及氣-液-液-水合物多相平衡體系閃蒸的計(jì)算。最近廣州能源所首次報(bào)道了甲烷水合物的玻璃體導(dǎo)熱特性,證實(shí)了國(guó)際上對(duì)這一特性的猜想,為評(píng)估天然氣水合物資源與環(huán)境間的相互影響提供了重要數(shù)據(jù)。在技術(shù)裝備方面,通過國(guó)家863計(jì)劃“天然氣水合物探測(cè)技術(shù)”課題的研究,在天然氣水合物地震采集技術(shù)、地震識(shí)別處理技術(shù)、船載地球化學(xué)探測(cè)系統(tǒng)和保真取心鉆具等方面取得了顯著進(jìn)展,初步形成了適合中國(guó)海域特點(diǎn)的天然氣水合物探測(cè)技術(shù)系列,共獲得國(guó)家發(fā)明專利7項(xiàng)、國(guó)家實(shí)用新型專利7項(xiàng)、國(guó)家計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書8項(xiàng)。中國(guó)科學(xué)院重要?jiǎng)?chuàng)新方向性項(xiàng)目“天然氣水合物勘探開采模擬研究”則研制了具有國(guó)際先進(jìn)水平的天然氣水合物合成、物性測(cè)試和開采模擬等裝置,共申請(qǐng)8項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。此外,中國(guó)也在水合物開采技術(shù)、儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、“暖冰”(水合物)儲(chǔ)能技術(shù)和氣體分離技術(shù)等領(lǐng)域開展了一系列探索性研究。4天然氣水合物勘探開發(fā)中存在的問題如前所述,中國(guó)正處于資源調(diào)查階段的早期,盡管十余年的調(diào)查研究取得了一系列進(jìn)展,但由于起步晚、基礎(chǔ)差,目前存在的問題仍然較多,主要有:天然氣水合物的勘探開發(fā)是一項(xiàng)大型的、高難度的綜合工程,涉及到海洋工程、勘探、開發(fā),乃至材料、通訊、信息等眾多技術(shù)領(lǐng)域,需依靠各領(lǐng)域的專家共同努力,開發(fā)出一系列高新技術(shù)裝備。只有在技術(shù)裝備上縮短與國(guó)外先進(jìn)水平的差距,才有可能使中國(guó)天然氣水合物的找礦和開發(fā)取得突破性進(jìn)展,并加速其勘探開發(fā)進(jìn)程。5海底水合物的開發(fā)爭(zhēng)議較大,未開展調(diào)查研究國(guó)際上目前天然氣水合物調(diào)查研究的熱點(diǎn)正有從資源調(diào)查逐漸向開發(fā)利用轉(zhuǎn)移的發(fā)展趨勢(shì),不少發(fā)達(dá)國(guó)家都大力重視天然氣水合物的開發(fā)利用研究,如美國(guó)要求在2015年前后實(shí)現(xiàn)商業(yè)性開采,日本和印度則要求在2010年前后實(shí)現(xiàn)商業(yè)性開采。不少學(xué)者也對(duì)天然氣水合物的開發(fā)利用前景進(jìn)行了科學(xué)預(yù)測(cè),如Grauls認(rèn)為2015年后有可能實(shí)現(xiàn)凍土區(qū)水合物的商業(yè)性開發(fā),2030年后實(shí)現(xiàn)海底水合物的商業(yè)性開發(fā),而Bil則認(rèn)為這一時(shí)間段分別在2015年和2060年。由此可見,大家對(duì)2015年前后有可能實(shí)現(xiàn)凍土區(qū)水合物的商業(yè)性開采看法比較一致,但何時(shí)能實(shí)現(xiàn)海底水合