天然气水合物开发面临的挑战，主要和天然气水合物成藏的一些特点密切相关，比如分散、不连续、无圈闭以及渗透率低，导致开发时面临单井产量低、产气周期短等问题，这个过程中的能效也很低。第二就是安全性，比如开发时担心会造成海底滑坡等问题。
没有圈闭导致的问题是将来开采时可能会大量产水，现在简单的降压主要是靠抽水减压为主。我们看这张图（图1），在没有圈闭的情况下，也就是储层上部水和下部水都可以渗透过来的情况下，抽水排压时虽然有效压降区会有所拓展，但是一定时间后有效降压区将会趋于固定，因为储层外部水的渗入和排水将基本呈等量关系，有效降压区很有限。如果是有圈闭的情况，那么减压可以让有效降压区域大大拓展，这样会让减压采气有效。而目前的无圈闭现状会导致单井产量和产气周期都不理想。
图1 降压开采过程近井区域压力梯度演化趋势图
如何解决无圈闭问题，我们提了两个思路：一个是人工制造二氧化碳水合物封盖层的想法。在热力学中有一段温压区间，甲烷水合物不稳定而二氧化碳水合物稳定，因此考虑在甲烷水合物上面形成一层二氧化碳水合物盖层。二氧化碳水合物相比甲烷水合物有更致密、弹性模量更大的特点，可以起到辅助的稳定地层以及封盖水合物层的作用。如果能形成有效的封盖，那么将来对甲烷水合物进行简单的降压开采，它的效率会提高，产气周期会延长。我们做一些模拟实验就可以看得到，图2是模拟实验示意图。
图2 人造二氧化碳水合物盖层实验示意图
对于没有封盖层的情况，降压开采过程中因为水的不断渗入，产水比不断升高，到后期产水越来越多。但这种模拟国内国际上都看不到，现在大部分的模拟都是把水合物放在容器里，靠容器的密闭空间把水合物给封闭掉了，开采的时候没有外围的水过来，所以开采效果都挺好。但我们这个装置模拟了水合物上方有海水、没有盖层的条件，随着减压，海水不断渗进来，开采的效果会很差，和真实条件下的情景类似。如果有盖层的话，就能建立一个有效压差，上面的海水过不来，水的压力比井里的压力高，也就是开采井内的压力可以维持比较低的水平，这样模拟开采的话后期的产水率不断变少，几乎只有水合物本身分解产生的一点水，外面的水不会过来，该装置可以形成这么一个效果。
降压除了引起产水多的问题，还导致地质的不稳定，比如说本来那个地方是十几个兆帕的压力，我们为了让水合物分解把它的压力降到八个兆帕，这样就导致上面的压力高、下面的压力低，造成地质不稳的风险就更大了，但是为了让水合物分解我们降压法不得不把孔隙压力降下来。
为了解决这一矛盾，我们又提出了注气保压开采，就是说我们可以用那些很难生成水合物的气体比如氮气，注入孔隙中，把孔隙中的水驱替掉，驱替掉以后会释放出很多气固接触面积，氮气和固相水合物接触以后，相当于稀释掉了水合物表面甲烷的分压，就会导致水合物剧烈地分解，就能保证在不减压的情况下，比减压更好得让水合物分解，这也就是我们说的“氮气吹扫法”（图3）。
图3 注气保压开采（气体吹扫法）示意图
下面是我们模拟的一些结果，我们注入的气体不是纯的氮气，是二氧化碳和氮气的混合气体，从这个图（图4）可以看出，注气保压开采的甲烷产气量显著高于降压法。随着二氧化碳浓度的升高，产气效率会有所下降，因为二氧化碳在里面会生成新的水合物，对气体吹扫产生不利影响。
从气水比能看出（图5），降压开采的气水比降低得特别快，到后期气水比基本是个位数，说明大量产水。而注气开采的气水比就很高，孔隙中流体流动时，水的流量降下来能够防止砂的迁移，因为水对砂的剪切应力大于气体，这就意味着大量产水就必然大量出砂，我们如果能把水控制住，产砂也会下降，因此注气法的一个优势就是防止外面的水过来，孔隙里的水不是连续的水体，所以只要气体压力足够高，上面的水很难进来，这样注气法就能保证一个很高的气水比，产水产砂很少。
图4 CH4累积产量 图5 气水比（CH4/H2O)
这里面有几个问题，首先氮气怎么来，其次氮气和甲烷如何分离。因为氮气和甲烷的性质比较接近，它们的分离一直是世界性难题，如果不能分离，气体就不能循环利用。为了避开这个分离难题，我们后来考虑用氢气代替氮气进行驱替，氢气的第一个好处是比氮气更难生成水合物，另一个好处是它的分子小，在孔隙中有更快的扩散速率，它的扩散可以引起水合物更剧烈的分解。
根据我们初步的实验结果（图6），在产出气里，氢气的浓度几乎是不变的，但甲烷的浓度在不断上升，二氧化碳浓度不断下降，这里面有个二氧化碳和甲烷的置换，而氢气在里面扮演载气的作用，载气的作用是在总压不变的情况下降低甲烷的分压，使得水合物更容易分解。
通过改变混合气体中二氧化碳和氢气的比值，从图7我们可以看出，二氧化碳比较多的时候，表现出二氧化碳的封存效应，大量二氧化碳形成水合物，地层的温度会升高。如果氢气的浓度很高，表现出甲烷水合物的分解效应，大量水合物剧烈分解导致地层温度迅速降低。如果能控制二氧化碳和氢气的比例，让甲烷水合物分解放热和二氧化碳形成水合物吸收的热量基本平衡，就能保证地层的温度基本稳定。
图6 H2+CO2注气保压开采的初步实验结果
图7 不同成分比例的混合气体注入后对地层温度的影响
注入氢气大家首先想到的问题是需要注入的氢气这么贵怎么办？我们提出了一个注气保压开采的大的循环过程：采出来的甲烷通过蒸汽重整，转化为氢气和二氧化碳的混合气体。把一部分氢气分离出来以后，剩下的二氧化碳和氢气重新注入地下，完成置换—吹扫保压开采，再次产出甲烷以后再次重整。蒸汽重整是一个很成熟的过程，所有的含碳有机物都能进行蒸汽重整，这个过程是一个耗能的过程，能量可以通过海洋能结合起来，如海上的风能、潮汐能、太阳能等。海上发电远距离输送成本比较高，如果能和水合物开采的蒸汽重整过程结合，可能是比较好的利用方式，解决海洋能发电的应用出口问题，有望将氢能、海洋能、天然气水合物和碳减排四大路线图对接（图8）。
图8 绿色开发利用天然气水合物的终极愿景
下面我想介绍一下水合物开发前瞻性技术展望：
第一个是国内很多专家呼吁过的海底钻机和水下智能作业技术，将来是不是抛弃海面平台的传统钻机，直接在海床上建立钻机，因为水合物埋深比较浅，穿过几千米水深打一个浅井有头重脚轻的问题。
第二是刚刚介绍的人造二氧化碳水合物盖层和修复水合物采空区技术，盖层部分我们上面已经介绍过了。至于采空区的修复，假设我们降压开采完成后，如何把采空的部分尽快恢复起来，我们考虑用二氧化碳水合物填补，既能保持地质体稳定性，又可以解决二氧化碳封存问题。
第三是刚刚介绍的储气保压开采，这里就不再赘述了。
第四是储层改造增产技术，大家能想到压裂进行储层改造，但水合物储层进行简单的压裂可能有很多的问题，比如水合物是塑性的，还有水合物开采后造的缝网会迅速消失，如何对新造缝网固化也是一个很难的问题。
第五是海上低成本的水、电产供系统，将风能、潮汐能等海上能源与天然气水合物开采结合起来，能源就近利用，解决海上新能源发电的应用出口问题。
第六是天然气的海底储存技术，海底具有很好的储存水合物的温压条件，我们把开放式的储罐固定在海床上，靠水下的压力把甲烷安全地储存在海底，需要时可方便取出。
第七是浮式液化天然气技术，水合物如果产率比较低的话，用传统的管道运输可能不够划算，用小型的天然气液化技术方便能源运输。
第八是天然气低温水蒸汽转化制氢技术，这里面涉及产氢的过程，现在我们的转化温度比较高，将来如何把转化温度降低，把转化压力提高，是值得考虑的前瞻技术。
另外我总结了几个与水合物开采相关的重大基础研究课题：
第一个是高精度地震探测技术和反演分析理论和方法，海洋天然气水合物代表性储层的赋存状态的精细描述。现在做野外地震探测的工作已经很细了，做正演实验的还很少。现在有个比较关心的问题，就是水合物共存的关系，从热力学角度分析，现在水合物存在的位置并不是热力学最稳定的位置，水合物和上部含水层、下部含水含气层是怎样的一个关系，怎么能保持长期稳定？实际上水合物储层的上部还有很大的一个水合物热力学稳定区域，为什么那里没有水合物，反而在不那么稳定的热力学区间内存在那么多水合物？比如海底表层附近，压力足够高，温度足够低，但那里没有多少水合物，而在海底往下几百米的温度更高的地方存在大量水合物。理清这个共存关系对将来制定水合物开采方案非常重要。
第二个是泥质粉砂型沉积物内水合物形成分解热/动力学特征及降压开采过程水的迁移规律。我们试采过程中发现的产水比较低的现象，或许是产生的水被泥吸收掉了，泥中的水是束缚的水，这种束缚的水从我们的实验来说是比较难生成水合物，泥质中的水生成水合物的时候可能先要从束缚状态解放出来。因此，这种束缚水解放的过程，以及水合物分解产生的水在泥中的迁移和再束缚特征及权重，是我们需要考虑的两个科学问题。
第三个是水合物开采过程地质结构稳定性及风险评价理论和方法。这部分虽然大家都在强调，但做的人还不是很多。用很小的岩芯做出来以后，用它来对水合物储层时空演变研究是有问题的，或许应该做一些大的、原位的水合物样品实验，以更好的反映时空演变规律。还有目前开采过程中微观稳定性衰减规律如何推广到大的地质体结构稳定性（如滑坡等）也是一个值得研究的问题。就像搞土力学的通过应力分析就预测出来了，我们如果把大的地质体的滑移、破裂给做出来，就可以回答大家的关注：到底地质风险有多大，能形成多大面积的滑坡？目前只做微观还不够。
第四个是高仿真水合物开采物理模拟技术研发与标准制定。这个和石油天然气开采是一样的，很多模拟实验是需要有标准的，现在不管国内还是国外都没有考虑这个问题，没有制定标准。以物理模拟为例，现在很多实验都是在封闭体系中来做，这个其实和实际开采的状况是很不同的，因为我们水合物是开放体系，用封闭体系把压力一抽降下来了，实际在开放体系中压力可能是降不下来的。还有尺度问题，现在是拼容积，最大的容器容积大概是200升，中海油做了1500L的，大的容器做实验可能很慢，半年的实验也有可能出不来成果，应该改变盲目拼容积的取向。另外，数值模拟如何和实验模拟结合起来，并进一步和实际开采过程对应，也是值得思考的科学问题。
我的报告讲完了，谢谢大家！
