1、日本可燃冰研究现状和挑战日本可燃冰研究现状和挑战2014-05-30 石油观察 文|梁慧 中石化勘探开发研究院亚洲东北亚海域是天然气水合物的重要富集区之一，油气资源十分匮乏的日本期待着潜在的天然气水合物资源能成为其未来能源供应的稳定来源。因而，虽然日本对天然气水合物的相关研究开展较美国和前苏联晚，但由于政府重视，经费充足，发展非常迅速，目前日本在天然气水合物的探测、基础研究和先导钻探试验等诸多方面已处于世界领先地位。20世纪80年代末，美国大洋钻探计划（Ocean Drilling Program，ODP）第127和131航次，在日本周边海域进行了钻探，获取了拟海底地层反射（BSR）特征异常广
2、泛分布的重大发现。在1992年日本东京召开的第29届国际地质大会上，美国能源部的Krason表示，日本南海海槽的BSR分布面积约有35000平方千米，预示着该海域的天然气水合物资源量十分丰富。受此发现的激励，日本通产省（现经济产业省）、科技界及企业界开始关注推动天然气水合物的勘探研究。至今，日本已先后制定了两个重要的研究计划，政府给予了大量经费支持，目的是在2018年之前为天然气水合物的商业生产做好技术准备。一、天然气水合物的基础研究和钻探先导试验为加强天然气水合物相关技术的深入研究，1995年日本国际贸易和工业部在当时的日本石油公团（JNOC）内部成立了天然气水合物开发促进委员会（1995-
3、2000年存在），同年该委员会联合10家油气私营企业，制定了天然气水合物开发技术特别研究计划。该计划执行期为1995-l999年，总投资150亿日元，目的是进行天然气水合物的地球物理勘探，研究天然气水合物物理性质，识别天然气水合物赋存地层、地质产状及分布，最后通过钻探来评价日本海海岸天然气水合物开发潜力以及作为非常规资源开发的可行性。1996年，日本开始进行地震勘探，并编制了BSR分布图，1997年在日本南海海槽东部实施导向性钻探。通过对日本周边海域的靶区勘探，发现日本南海海槽（本州中部岸外，延伸到四国海岸岸外，再向南到九州以东的范围）的天然气水合物位于水深8501150米海底地层中，天然气水
4、合物赋存于砂岩和火山沉积物中，孔隙度为35%，天然气水合物充填率达85%，且离岸较近，易于开发。初步评价认为日本南海海槽的天然气水合物资源量为7.4万亿立方米，如果能够有效开采，可满足日本100年的能源消耗。1998年，日本与加拿大合作在加拿大北部麦肯齐（Mackenzie）三角洲开展了钻探先导试验。获取了天然气水合物样品，评估了天然气水合物开发的取心和生产技术，检验新研制的技术装备。日本之所以选择在麦肯齐三角洲进行钻探试验，原因是陆地开采比在海洋中更容易，而日本没有永久冻土层。1999年，日本在其南海海槽东部进行地质钻探，对海洋天然气水合物的潜在资源进行了全面评价。该项目得到日本石油勘探有限
5、公司（JAPEX）、美国地质调查局（部分经费由美国能源部资助）、加拿大地质调查局和一些大学的积极参与。1999年和2004年，日本两次在南海海槽实施钻探，获得了天然气水合物岩心样品。2000年，日本已基本完成周边海域的天然气水合物资源初步调查与评价，确定在水下11351213米之间的砂层空隙中存在天然气水合物；建立了评价深水天然气赋存状况的LWD（在钻探的同时检验地层）法；发明了勘探用压力岩心取样器（Pressure Temperature Core Sampler，PTCS）和井内温度压力模拟系统“WhiteCoal_T”。二、天然气水合物的中长期研究计划为了推进天然气水合物的中长期研究，2
6、000年6月日本政府设立了“天然气水合物开发研究委员会”，隶属于经济产业省资源能源厅的燃料部。该委员会制定了日本天然气水合物开发计划，2001年7月由经济产业省正式发布。2002年3月，经济产业省挑头成立了推行该计划的政府和民间机构结合的专门组织“天然气水合物资源开发研究财团”（也称“MH21研究财团”，简称MH21）。MH21主要由独立行政法人石油天然气金属矿物资源机构（JOGMEC）、独立行政法人产业技术综合研究所（AIST）和一般财团法人工程振兴协会（ENAA）组成，吸引民间企业和大学等团体的研究人员参加天然气水合物勘探开发等综合研究。日本天然气水合物的开发计划是一个2001-2018年
7、的长期规划，目的是推进天然气水合物的钻探和生产回收技术的研究。该计划期望实现6个目标：1）探明日本周边海域的天然气水合物赋存状况和分布特征；2）预测可能含有天然气水合物海域的天然气水合物资源量；3）在可能含有天然气水合物海域优选天然气水合物气田并研讨开采的经济性；4）对优选的天然气水合物气田进行生产试验；5）完善天然气水合物的商业生产技术；6）建立环保的开发体系。为了实现这些目标，日本天然气水合物的开发计划分解为三个阶段（见图）。2001-2008年为第一阶段，实现上述1）、2）和3）目标；2009-2015年为第二阶段，实现上述4）的目标；2015-2018年为第三阶段，实现上述5）和6）的
8、目标。1. 第一阶段确定日本天然气水合物富集带目前，该计划的第一阶段已结束。第一阶段MH21分为三个研究组（见图）：资源量评价研究组由JOGMEC承担，主要进行天然气水合物勘探技术的研究，开发资源量评价技术；生产方法开发研究组由AIST负责，开展天然气水合物层的基础物理性质研究，开发天然气水合物生产的生产模拟系统和技术，以及研究各种开采方法；环境影响评价研究组由ENAA主导，进行海域环境调查，评价开发对环境的影响。此外，还成立了一个项目管理秘书处，由JOGMEC负责。MH21吸引的民间企业和大学等团体有30家，参加的研究人员达200多位。第一阶段日本政府安排的预算资金为297.10亿日元，因项
9、目在实施中发生局部调整，实际支出235.81亿日元。2005年和2008年“天然气水合物开发促进事业评价研究会”、“产业结构审议会产业技术专业分会评价委员会”和“综合科学技术会评价调查会”对项目第一阶段进行了两次中间评价，鉴定取得的成果主要有：陆上天然气水合物的连续开采先导试验获得成功；首次发现浊积岩砂泥互层中的砂层内的天然气水合物具有开发的可能性，确定南海海槽中存在天然气水合物富集层；建立天然气水合物储层以及周边地层的岩心原位测试方法；根据井数据和地震勘探数据，首次使用概率方法预测日本东部南海海槽天然气水合物原始资源量约40万亿立方英尺，其中富集层的资源量约为20万亿立方英尺；开发了适合于在
10、日本使用的天然气水合物生产模拟系统MH21-HYDRES。日本在加拿大麦肯齐永久冻土带进行了两次陆上开采先导试验。第一次是在2002年采用注热开采法获得世界首次的成功。具体程序是把一口深1200米的井钻到砂层内的天然气水合物储层，向该井注入热水，使天然气水合物中的甲烷溶于热水中, 然后把热水抽回地面进行分离，得到甲烷470立方米。第二次开采试验于2007-2008年进行。2007年1-4月，首次采用减压法成功开采出泥砂层中的甲烷。在泥砂层中采用减压试验，由于泥层有保温作用，降压也不能使富含天然气水合物的砂层的温度下降，但甲烷以气泡形式分离出来。因生产出的甲烷附带砂子，堵塞了生产泵，该试验只持续
11、了12.5个小时，获得甲烷830立方米。2008年3月，对出砂现象采取特殊对策，第二次用减压法进行开采试验，连续生产了6天，累计产量13000立方米，在世界首创减压法连续生产的成功纪录。其后对注热开采法和减压法进行了比较，证实减压法相对容易，更加有效，且单位产量使用的其他能量低于注热开采法的使用量。2. 第二阶段首次取得海洋天然气水合物生产先导试验的成功当前，日本天然气水合物开发计划正处于第二阶段。第二阶段的MH21也设有由JOGMEC负责的秘书处，且分三个与第一阶段略有不同的研究组。天然气水合物气田开发技术研究组由JOGMEC负责，主要进行海洋生产试验、评价天然气水合物气田的特性、研究海洋天
12、然气水合物开发系统，以及进行第二次陆上生产试验的分析并进行长期试验；生产开发研究组由AIST承担，主要进行商业生产方法技术的开发、评价生产性能和开发地层特性评价技术；资源量评价研究组由JOGMEC负责，主要进行日本周边海域天然气水合物存在状况开展评价和研究海洋天然气水合物的开发系统。第二阶段的政府投资预算大幅增加，2009-2011年就达到179.99亿日元。2012年，对计划第二阶段的实施情况进行了中间评价，评价认为所设14个课题、30个项目基本达到设计目标，但陆上长期试验因与实施地（美国）矿权所有者协调存在问题未能实施，因而决定直接进行海洋生产试验。取得的成果有：2009年颁布日本海域的B
13、SR图（见图）；采用三维地震勘探对道南至下北海域、佐渡西南海域和佐渡西部海域进行了勘探和评价；确定了第一次海洋生产先导试验的地点并进行了试验的相关准备工作；探讨减压法和加热法并用的增产法；开发了去除井筒周边细粒砂子的超音波辐射法；设计制作了室内大型生产试验设备，用于检验不同生产方法的天然气水合物分解过程，存在的生产障碍、地层应力的变化；开发用于地层应力分析的地层变形模拟系统（COTHMA）。第一次海洋生产先导试验于2013年3月12-18日进行。由JOGMEC资助的JAPEX公司在渥美（Atsumi）半岛和志摩（Shima）半岛海域的第二渥美海丘实施，采用减压法，连续生产了6天，累计生产甲烷1
14、2万立方米，首次获得世界海洋天然气水合物开采成功，进一步探明了海底天然气水合物的分解表现及对周围环境的影响。在2013年6月和7月的地质调查中，日本确定新潟县上越（Joetsu）海域和石川县能登（Noto）半岛有225处可能含有天然气水合物。2013年11月6日，日本经济产业省公布将与美国在美国阿拉斯加州进行天然气水合物生产合作试验。试验将在2015年前完成，耗时13个月，计划开采永久冻土下的天然气水合物，摸索开发降低生产成本的技术。2013年12月，日本经济产业省公布在日本西北部的新潟县上越市海域发现大量裸露海底的天然气水合物。通过无人机摄影证实上越市海域水深超过500米的海底存在裸露海底的
15、天然气水合物，并呈块状，储量调查将从2014年开始进行。日本计划在2015年前还要完成在秋田县、山形县、岛根县的隐岐各岛周边和北海道附近等日本海海域的天然气水合物资源调查。3. 第三阶段为商业生产做技术准备第三阶段也就是在2018年之前，计划根据第一和第二阶段取得的成果，从商业生产的角度，进行生产方法的技术性、经济性和环境影响的综合评价，为天然气水合物的商业化生产做好技术准备。三、日本对天然气水合物研究的期望与挑战1. 日本对天然气水合物研究给予厚望美国因成功开发出页岩气等非常规天然气资源，而一跃成为世界天然气生产大国。天然气水合物资源量大、分布广泛，如果能实现经济开发，其影响力将远远大于现在
16、的页岩气革命。日本期待着实现一场“天然气水合物革命”，即使是天然气水合物的开发还处于试验研究阶段的现在，天然气水合物的开发技术和开发经验也有望成为日本能源外交的一枚筹码。日本欲借现有的经验和技术，以价格相对便宜的油气等资源的稳定供应承诺为条件，与其他关注天然气水合物开发研究的国家开展合作。美国非常关注日本天然气水合物的研究进展，因为天然气水合物的潜力可能远远大于页岩气。2012年8月15日美国发表的美日同盟：亚洲稳定之锚（The U.S.-Japan Alliance: Anchoring Stability in Asia）中就明确提出，美日在天然气水合物等替代能源技术开发领域应联合互助。2
17、. 短期内实现商业生产面临挑战天然气水合物虽然广泛地赋存于永久冻土和海底地层的矿床内，但目前还没有一项技术能够经济地把它开采出来，因而还无法作为资源利用。日本的天然气水合物研究虽然取得巨大进展，获得了海上生产先导试验的成功，但它的研究进展仍处于试验阶段，要从这个阶段转换到商业规模的开发生产阶段，面临的挑战仍然很多。挑战一：经济性如果要实现天然气水合物的商业生产，进一步降低成本，提高生产效率是必须要实现的条件之一。目前日本的生产先导试验采用的方法，都是基于试验的基础之上，以成功开采和保障周边安全为主要目标，对生产成本经济性的要求还没有放到首位，生产最长只维持了6天，未来还需要继续进行长期连续的、
18、以实现经济性为目标的生产试验研究。挑战二：环境问题天然气水合物的开采会带来一些环境问题，例如二氧化碳的排放。日本试验生产使用的减压法，其生产过程是从海面向压力高的海底钻生产井，通过抽取生产井内的海水，使生产井内的压力下降，分离出甲烷气的一种生产方法。甲烷气在压力下降的生产井内流动，没有向外部泄露，如果停止抽水，生产井内就会恢复原来的高压状态。原理上，甲烷气不可能大量连续泄漏到大气，但这还需要实际生产和长期生产的验证。另外，钻井造成的甲烷排放也不可忽视。钻头搅动会把固态甲烷转化成气体，然后不可控制地通过海水释放到海洋或大气中。挑战三：地质灾害问题天然气水合物生产面临的最大的挑战是在天然气大规模生
19、产过程中怎样避免产生地质灾害问题。现阶段的天然气水合物生产试验都是在小范围内进行的，对地质和海洋生命的影响较小。在生产规模扩大前，还要考虑和应对地盘下沉、矿区发生滑坡等地质灾害发生的可能性。虽然日本的天然气水合物研究进展备受世界瞩目，被赋予的期望也很高，但要实现“美国页岩气革命”那样的影响还需时日。现在日本正在推行的2001-2018年日本天然气水合物的开发计划的最终目标也只是为天然气水合物的商业生产做好技术准备。四、结 语日本的天然气水合物研究计划不仅内容周密紧凑，而且得到国家政策的大力支持，在能源基本计划、京都议定书目标计划、海洋基本计划和海洋能源和矿物资源开发计划等国家重大能源资源战略规划中均列有相关研究的条款。日本把天然气水合物开发的研究作为保障未来国内天然气供应的重要举措之一。日本政府对天然气水合物勘探开发技术研究的支持力度和组织方式，尤其是将天然气水合物基础研究以先导计划或前沿技术开发的形式列入中长期能源战略规划的做法，值得我国相关决策部门借鉴。
