2020年3月3日，美国能源部（DOE）国家能源技术实验室（NETL）发布《“天然气水合物计划”重要进展：2000-2020年》^[1]报告，总结了由NETL牵头的DOE“天然气水合物计划”执行20年所取得的重要进展和正在进行的工作。“天然气水合物计划”于2000年启动，重点关注天然气水合物的三大研究领域：资源潜力、开发方法和对环境的影响。

　　一、重点研究领域

　　1、资源表征。确定美国及世界范围内天然气水合物的特性、数量和资源潜力，涉及开发识别和表征陆地及海域天然气水合物资源的技术。该领域的关键是现场采集天然气水合物沉积物的数据和样本。对天然气水合物资源的评估基于有限的数据，因此具有很大的不确定性，尤其是缺乏海域数据。需要进行更多记录、采样、勘测和分析，以更好地评估天然气水合物资源。

　　2、开采技术。开发从水合物储层中开采天然气的安全、经济的技术。降压开采是最具可行性的技术，但注入二氧化碳和热激发等技术也有助于提升开采率。通过将测试结果用于先进数值模型，研究人员正开发经济地从储层中开采天然气的方法。近年来，国际上已完成几项开采测试，目前需要延长试验时间以更好地控制天然气水合物开采速度及可采量。

　　3、天然气水合物与环境的关系。天然气水合物主要存在于北极多年冻土地区的沉积地层和地球大陆边缘的深水区域。全球地表温度升高可能会引发天然气水合物的离解并向大气中释放大量甲烷，进而影响气候变化。但最近的研究表明，天然气水合物离解过程中释放的大量甲烷会被捕获在沉积物和水体中，而不会传输到大气中。需要收集高质量的观测数据、进行严格的实验室实验以及仿真建模，以进一步探索天然气水合物在环境中的作用。

　　二、重要进展

　　1、墨西哥湾资源特性研究，已建立可靠的勘探、钻探和采样方法。2009年，NETL与雪佛龙公司牵头的国际行业联盟共同开展墨西哥湾联合工业项目，在墨西哥湾进行了随钻测井，以测试地质和地球物理数据分析方法，用于识别海湾砂岩储层中的天然气水合物。项目结果表明了下列勘探方法的有效性：使用地震数据和测井数据直接探测天然气水合物；利用温度和压力估计值绘制水合物稳定带边界；经典石油系统分析，包括天然气源、运移路径和储层沉积相的识别。另外，钻探结果还有效绘制出了高饱和、含水合物砂岩储层的地点，以用于以后的工程和特性研究。2017年，NETL和德克萨斯大学奥斯汀分校在上述地点成功进行了钻井和取芯，验证了两个压力取芯设备的有效性，并成功获得了高质量含天然气水合物岩心样品用于实验室分析。

　　2、中大西洋资源成像实验（MATRIX），进行多通道地震数据收集与分析。2018年8月，美国地质调查局（USGS）在NETL和美国海洋能源管理局（BOEM）的支持下完成中大西洋资源成像实验，获取了2000多公里的多通道地震数据，以表征纽约和北卡罗来纳州之间美国大西洋边缘的天然气水合物和浅层气藏，并用于完善BOEM的天然气水合物分布图。此次实验使用4把气枪和1个1.2公里长的拖缆，具有112～160个记录通道；部署60个深水声纳浮标以更好地限制水柱声速；对水体进行连续成像以定位从已知场地散发出来的天然气羽流，并绘制了海底渗漏图。数据初步分析证实哈德逊峡谷大面积海底下方的强底部模拟反射，美国地质调查局正使用传统方法和机器学习来描述底部模拟反射，此次获取的数据可以更详细、可靠地估算天然气水合物的储量。

　　3、阿拉斯加北坡天然气水合物试采。2011年和2012年，NETL、USGS、康菲石油公司和日本石油天然气、金属矿物资源机构（JOGMEC）合作在阿拉斯加北坡进行了I？nikSikumi现场试验，以测试使用二氧化碳-甲烷置换法从开采天然气水合物的技术可行性。该项目是同类项目中首个获得成功的项目，产生了大量的钻井、测井和生产测试数据，可为将来的生产提供依据。I？nikSikumi井证实了目标区域存在多个含天然气水合物的砂岩储层，天然气水合物最多占储层孔隙体积的80%。更重要的是，该项目证实了经过测试的水合物储层对井下压力变化具有快速响应，并且不容易失控失稳。测试结果还表明，未来需要在生产井中管理出水和出砂，而且可能需要配备加热设备和/或抑制剂，以防止井中水合物的形成。

　　4、天然气水合物与环境的相互作用。NETL将天然气水合物纳入全球碳循环模型以研究这一问题，还资助了对海洋和冻土的现场调查，包括阿拉斯加北坡和美国大西洋、太平洋和墨西哥湾边缘。根据现有文献和数据，NETL认为，天然气水合物可能仅在地球上的少数地方离解，例如水深在500～700米的上陆坡，但并没证据表明这些地方水合物离解释放的甲烷进入了大气中。相反，甲烷溶解在海水中，被细菌消耗转化为二氧化碳。在海洋深处和多年冻土地区，水合物也可能离解，但是甲烷可能仍被困在沉积物中，因为缺乏到达海底或地表的途径而无法进入大气中。NETL已资助了几个现场项目，以调查在接近天然气水合物可能离解深度的海底天然气渗漏中释放的甲烷的轨迹。2017年，研究人员在美国中大西洋边缘发现了数百个甲烷渗漏点，收集了地球化学和地球物理数据。利用这些数据来确定水体中的甲烷是源自渗漏还是海洋浅层浮游生物的活动，并量化从海面向大气排放的甲烷量，以及评估从渗漏的甲烷产生的二氧化碳是否会在大西洋中部边缘的深海水域积聚。

　　5、国际合作试验。NETL已与国际天然气水合物研发计划进行了广泛的合作，以规划和执行全球主要的野外考察活动。这些合作为推进新兴的科学概念和测试新的水合物专用现场技术创造了机会，推进了对各种地质环境中天然水合物矿床的进一步了解。一些野外研究专注于北极多年冻土环境中的陆上水合物积累，另一些则测试了深海环境中的水合物沉积物。与日本的持续合作对开发先进的天然气水合物压力取芯技术和数值模拟方案至关重要，最近的合作专注于阿拉斯加北坡的天然气水合物生产测试。与韩国和印度的合作主要围绕深海钻探和测试考察，美国根据在墨西哥湾的选址和钻探经验提供了钻探选址的专业知识。

　　6、天然气水合物代码的国际比较研究。NETL为促进天然气水合物储层模拟器开发和测试研究人员之间的国际合作和共享发挥了积极作用。近年来，西北太平洋国家实验室（PNNL）、劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）和NETL共同主导一个合作项目，组织全球21个机构建立一个社区，使用一组定义明确的基准问题来测试和比较不同的储层模拟器代码。NETL和美国地质调查局主导的IGHCCS1和IGHCCS2项目结果表明，基准问题对于解决建模结果之间的差异至关重要。要克服实现天然气水合物大规模商业生产所面临的技术障碍，需要复杂的模拟代码，这些代码通过对热、热力学、水文和地质力学过程进行严格的处理来解决天然气水合物系统的复杂性。

　　三、当前正在进行的项目

　　1、建立世界一流的水合物研究设施。NETL研究与创新开发中心已开发出对加压的天然和人工合成天然气水合物样品进行实验室测试的设施，包括：多特性表征室（MPCC）和微型MPCC，使用计算机断层扫描仪（CT）实时观察样品；多组分保压岩芯表征和X射线计算机断层扫描可视化工具包（PCXT）。MPCC能测量2.5英寸直径岩心样本的渗透率、水合物饱和度、声速和机械性能，微型MPCC专为孔尺度测试设计，使用从较大岩芯切出的0.375英寸直径样本。两者都可传输到计算机断层扫描仪进行实时三维成像。在两个尺度上对含水合物样品进行测试和成像有助于缩小孔隙尺度和岩芯尺度表征之间的差距。PCXT是NETL设计的在原位储层压力和温度条件下取回、运送、切割、分割岩心和表征自然岩心的装置。最近的实验研究专注于孔尺度下一定压力和温度条件下水合物形成和离解的过程。结果证实，将游离甲烷注入水饱和的沉积物中是形成高饱和合成天然气水合物标本的有效方法。此外，实验表明在降压过程中高饱和储层容易发生堵塞，而通过热激发可缓解这一问题。

　　2、在阿拉斯加北坡建立一个长期的生产测试场址。英国石油公司阿拉斯加石油勘探公司在2018年底与阿拉斯加石油技术资源公司签订合同，成功钻获了地层测试井Hydrate-01，在该井中采集的随钻测井数据证实了两个高饱和天然气水合物储层的存在，其中较深的储层被认为是长期生产测试的极佳选择。Hydrate-01将用作长期生产测试的监测井，未来将开发多个钻井以探索天然气水合物储层对降压的响应。　 （岳芳）