可燃冰

解读大热的可燃冰（3）：全球可燃冰资源有多少？哪些国家开展了研究与考察？

第一电动大牛作者震旦能源 2017-06-07 06:44

[编者按] 5月18日中共中央、国务院电贺我国海域天然气水合物试采成功。随之媒体铺天盖地的报道，手机刷爆了屏幕。那么到底可燃冰是什么？其发展前景如何？中国在可燃冰研究与开发的水平所处的位置如何？等等这些问题，笔者将发表系列文章，以便让广大读者朋友对可燃冰有一个比较清楚的了解。

1.全球可燃冰资源有多少？

天然气水合物在全球范围内广泛分布，且资源量巨大(图1)。美国地质调查局早在1995年就对世界范围的天然气水合物资源继续了评价。之后，美国多个机构联合对世界天然气水合物资源评价进行了不断更新并出版相关论著。根据研究，世界天然气水合物总资源(In-place Resource)在15,000亿吨至150,000亿吨碳之间。在标准温度与压力下，这些碳相当于3000至30,000万亿立方米。

图1 全球天然气水合物资源分布。本图仅标示天然气水合物在砂岩储层中的富集区的资源量，这些很可能在将来首先进行开采。(来源：Johnson，2011)

与油气相关的一系列关于资源量和储量的术语都有其特殊含义(图2)。总的资源量，也就是我们常说的原地资源量(in-place resource)，一定地质单元或者地理区域内所有烃类的量。资源量的一部分在实践中可以开采，常称之为技术可采资源量(technically recoverable resource ,TRR)。而这些技术可采资源量中，能够盈利性开采的那部分称为经济可采资源量(economically recoverable resources, ERR)。通过钻井被确认且确认可以进行生产的那部分经济可采资源量称之为储量。

小知识：

资源量(In-place resource)：目前资源总量。在一定地质单元或者地理区域内，所有烃类(天然气水合物几乎全是甲烷)总量的估算值。

采收率(Recovery factor)：在技术上可以采出的资源量的百分比。常规油气的采收率有时可以超过80%。但是，对于非常规资源来说，例如页岩，采收率非常低。因此，总资源量的估算仅限于能源供应潜力有关的讨论与研究。

技术可采资源量(Technically recoverable resource,简写TRR):是指实践中能够采出的那部分资源量。也就是在现有技术条件下，这部分资源量可以进行开采。但是，随着时间变化与技术进步，TRR是不断变化的，其只反映某时间点的资源技术开采情况。

经济可采资源量(Economically recoverable resource ,简写ERR):是指能够进行赢利生产的那部分的技术可采资源量。经济可采资源量表示在现有政策与市场条件下，能够进行经济开采的那部分技术可采资源量。目前，关于天然气水合物的有关经济可采资源量的资料还没有，几乎没有进行过经济评价与估算。

储量(Reserve)：通过钻井确认且现有井或者开发钻井项目可进行生产的天然气总量。目前，还没有报道天然气水合物进行长期稳定的生产，世界上也没有任何地方提交过天然气水合物储量。

图2 天然气水合物资源分类例子(来源：Boswell and Collett 2011)

但是，全球这么大的资源仅有较小一部分属于技术可采资源，也就是在目前技术条件下能够进行可采的资源非常小。目前，天然气水合物分布广泛，但是在海洋沉积物中低富集程度分布为主，没有经济开发价值。只有那些高富集区域的天然气水合物才具有开发价值，目前已经在海洋与永久冻土带发现了这种高富集区，比如阿拉斯加北斜坡、加拿大西北部、墨西哥湾、日本海上以及中国南海等。这些高富集地区的物理特性与储层特征似乎比较适合运用目前常规油气开采方法进行开采。

1995年美国地质调查局对美国和全球油气资源进行了评价，其中包括天然气水合物。根据评价结果，美国天然气水合物资源量在112,765万亿立方英尺(3193万亿立方米)至767,110万亿立方英尺(19,147万亿立方米)之间，平均值为320,222万亿立方英尺(9,069万亿立方米)。全球天然气水合物资源量在100,000到300,000,000万亿立方英尺之间。而全球常规天然气资源剩余探明储量和待发现资源大约为13,000万亿立方英尺。

此外，还有其他学者也对全球天然气水合物的资源量进行了估算，结果如下表1。

	万亿立方米	万亿立方英尺
Trofimuk1977	5000-25000	176574-882868
Meyer1981	3100	109475
Dobrynin1981	7634000
Kvenvolden1988	20000	706294
MacDonald1990	21000	741.609
Johnson2011		4705-313992

表1 不同学者估算的全球天然气水合物资源量

根据Johnson等研究，世界上真正能作为一种能源来利用的天然气水合物的资源量很小，仅局限于少数集中分布区域，其大部分资源无法作为能源利用。天然气水合物集中分布区域主要是海洋与北极地区，在储层物性与条件适合情况下，有可能开发成为一种能源而利用(图3)。

图3 天然气水合物资源金字塔(来源：Boswell et al)

Johnson领导的团队在世界银行、联合国组织和有关国家政府的资助下，完成了联合国定义的全球18个地区的天然气水合物资源评价工作。此外，对南北极地区进行分开评价，详细结果见表2和图4。

地区（联合国定义）	资源量范围（万亿立方英尺）	资源量平均值（万亿立方英尺）
美国	1.500-15434	7013
加拿大	533-8979	2228
西欧	36-14858	1425
中、东欧	0-105	13
前苏联	1524-10235	3829
北部非洲	6-1829	218
东部非洲	42-25695	1827
西部和中部非洲	79-26672	3181
南部非洲	121-26369	3139
中东	31-3848	573
中国	10-1788	177
其它东亚国家	14-2703	371
印度	36-6268	933
其它南亚国家	20-3497	557
日本	71-471	212
大洋洲	38-6750	811
其它亚太国家	64-25946	1654
拉丁美洲和加勒比海	258-31804	4940
南大洋	144-45217	3589
北冰洋	178-55524	6621
总计	4705-313992	43311

表2 全球砂岩中天然气水合物资源量(来源：Johnson，2011)

图4 世界个地区天然气水合物资源量分布情况(来源：Johnson，2011)

表3是1860-2009年全球能源消费、化石燃料储量与资源以及可再生能源潜力。

表3 1860-2009年全球能源消费、化石燃料储量与资源以及可再生能源潜力

根据美国地质调查局2012年发布的全球常规油气资源评价结果，全球待发现常规石油资源量平均值为5652.98亿桶，待发现常规天然气资源量为5605.626万亿立方英尺，待发现常规天然气液资源量为1666.68亿桶。

根据美国能源信息署(EIA)与先进资源国际公司(ARI)2015年最新评价结果，全球46个国家的页岩气为资源量7576.6万亿立方英尺、致密油资源量为4189亿桶。

根据BP发布的2016年发布的《2016世界能源统计年鉴》报道，2015年底全球剩余石油探明储量(P1)为2394亿吨(16976亿桶)、天然气探明储量186.9万亿立方米(6599.4万亿立方英尺)；2015年全球石油产量43.619亿吨(9167万桶/天)、天然气35386亿立方米(31.995亿吨油当量)；2015年全球石油消费量43.313亿吨(9500.8万桶/天)、天然气消费量34686亿立方米(31.352亿吨)。

如果按照一般媒体报道的那样进行类比计算，那么目前全球已经探明的石油与天然气储量按照目前的开采速度，还分别可以开采55.9年和52.8年(随着全球范围内的油气勘探开发不断进行，在一定时期内新的油气探明储量会不断地增加)。而天然气水合物目前还没有任何探明储量。那些报道世界可燃冰够才千年的说法没有任何根据(如果开采千年，按照2015年全球天然气产量35386亿立方米计算，那么1000年的产量就是35386000亿立方米，那么至少需要3538.6万亿立方米的探明储量(P1)，那么需要多少资源量才可以探明这么多？因此，大家一定要明白资源量不等于储量，储量不等于产量，不能用简单的类比进行计算。)。而这次中国南海可燃冰取得重大突破也只是说明我国也掌握了可燃冰的勘探寻找与生产测试等相关技术。我国也不是第四个发现发现可燃冰的国家(在此之前已经有美国、日本、加拿大、俄罗斯、韩国等发现并取得了可燃冰样品，加拿大、美国、日本等更是在我国之前进行了生产测试并取得了巨大成功。

中国这次在南海神狐海域取得可燃冰测试成功，可喜可贺，但是媒体报道就显得缺乏必要的专业知识了。有关报道中说“南海神狐海域有11个矿体、面积128平方公里，资源储存量1500亿立方米，相当于1.5亿吨石油储量”。这真的不算什么，即使在陆上常规油气方面，也只能属于一般丰度的油气田(11.7亿方/平方公里)。

从资源量上看，全球天然气水合物无疑是最大的，但是到目前为止还没有进行过经济评价，也没有进行经济可采资源量的估算，更没有任何地方提交过天然气水合物探明储量。前几年曾有报道过美国(永久冻土带)、日本(深海)、韩国(深海)等计划在2020年前进行商业规模的生产，但从目前看很难在2020年前实现商业规模的生产。

2.有哪些国家开展了可燃冰研究与考察？

前面我们已经介绍过可燃冰出现在两种环境下：深海和陆地极地地区。海洋大陆边缘可燃冰的存在主要是利益地震反射进行推测的。这些地震反射反映了可燃冰稳定区基底（BGHSZ）(reviewed by Kvenvolden,1993)。这种反射通常称为似基底反射（BSR)。而这个BSR通常可以解释为上面含可燃冰沉积物与下面含游离气沉积物的分界线（图5）。通常情况下，这个BSR还是比较容易识别的，但是在几乎没有变形的地区还是很难识别的。BSR已经可以达到海底以下1100米以上的深度。

图5 三维地震剖面的东-西垂向切片，显示钻探地点Cascadia Margin的1244、1246和1252点的地层与构造背景，

AC, A,B, B´, Y, Y´为地震反射层，BSR为可燃冰稳定区基底地震反射层。（来源：X. Su et al）

目前几乎在每个海洋盆地中海底30米以上的浅层沉积物中都取到可燃冰样品，比如墨西哥湾、北美的Cascadia大陆边缘、黑海、里海、鄂霍次克海、东海/日本海和北大西洋与南大西洋（Collet，2002；Collett et al，2009）。在更深的深度也获得了可燃冰样品，比如，美国东南海岸，美国与加拿大Cascadia边缘，中美洲海沟，秘鲁海上，印度，中国，韩国，以及日本东西大陆边缘等（Collett et al，2009）。

近年来，为了寻找海洋可燃冰富集分布区域而进行的深海钻探项目不断增加，也使得人们对可燃冰形成的地质条件有了进一步的认识。非常著名的项目有海洋钻探计划（Ocean Drilling Program，ODP)和综合海洋钻探计划（Integrated Ocean DrillingProgram，IODP)，包括ODP Legs 164和204，以及IODP Expedition 311。工业上涉及的可燃冰钻探项目也取得了非常有价值的资料，例如由美国能源部资助的墨西哥湾两个项目：Gulf of Mexico JIP LegⅠ和Gulf of Mexico JIP Leg Ⅱ。由国家主导的可燃冰钻探项目也为认识自然界中的可燃冰提供了丰富资料。这些项目主要是有国家有关机构主导的，负责资金筹措和项目管理。这些项目中最重要的就是日本海上项目，包括1999-2000年的METI Nankai Trough Project、2004年METI Tokai to Kumano-nada Project以及2012年的MH-21 Nankai TroughPre-Production Expedition。此外，还有一些由国家主导的项目，比如印度的NGHP Expedition 01，中国海上的GMGS-1，韩国的UBGH1和UBGH2，等等。所有这些都为我们认识自然界中可燃冰提供了大量的资料。

图6 全球大陆边缘海域沉积物与永久冻土带可燃冰取样位置与推测位置图。

大部分样品是在深海取芯项目或浅部海底取样作业中获得的。大部分可能有可燃冰的位置是根据地震剖面的BSR推测的。本图中还标明了主要的可燃冰研究钻探与考察项目。

图7 国际上主要可燃冰研究项目分布图。2016年10月资料（Collett，2016）

图8 国际上主要国家天然气水合物研究科学研究与钻探计划（Collett，2016）

目前已有多个国家进行过天然气水合物生产测试并取得了成功。这些项目有：美国在阿拉斯加陆上永久冻土带进行过CO2/N2交换法（化学法）测试、加拿大在其西北部地区永久冻土带进行过热力和降压法测试、日本在日本东部海沟进行过降压法测试、中国在南海进行过降压法测试，这些测试都达到了预期成果，取得了巨大成功。

图9 国际上进行天然气水合物生产测试（ProductionTesting）的项目。

注意这个“ProductionTesting”术语，根据油气行业的习惯以及实际工作内容，翻译成“生产测试”比较贴切。而翻“试采”在油气行业中主要是指：为了获取油气田开发所需要的油气田有关数据，常常在正式开发前会对某些井进行试采，以取全有关数据，编制开发方案，试采时间有长有短，在英文中也多用“pilot”表示。

北极地区的可燃冰分布与永久冻土带分布具有典型的紧密相关性。通常认为，自上新世末（大约距今188万年）以来，北极地区持续低温，适于永久冻土带和可燃冰的形成。现今冻土带的范围标明北半球20%的陆地被冻土带所覆盖。地质研究与海底条件的热模拟也表明永久冻土带与可燃冰可能在北冰洋大陆架存在。

图10 北半球永久冻土带的分布。

图中深蓝表示陆上连续永久冻土带，浅蓝表示海域可能遗存的永久冻土带。这些地方可能适宜于可燃冰的存在。

前苏联和加拿大对北极地区永久冻土带天然气水合物的研究开展得最早，其中加拿大Mallik项目为世界上首次对天然气水合物进行生产测试的项目。根据有关文献，前苏联在西西伯利亚盆地北部的麦索亚哈（Messoyakha）气田是世界上最早投入开发生产的天然气水合物气田（陆上永久冻土带）。该气田生产数据与其它相关的地质资料一直被用于说明麦索亚哈气田天然气水合物的存在并进行商业生产的实例(Makogon et al., 1972;Makogon, 1981,1988; Cherskiy et al., 1985; Krason and Ciesnik, 1985; KrasonandFinley, 1993)。但是也有专家从天然气产量与地质研究、地球化学研究结果认为，天然气水合物并没有对麦索亚哈气田的天然气生产有任何贡献（T.S. Collett et al，1998）。该气田1970年开始投产，1978年停止生产。1980年恢复生产，到目前位置气田处于断断续续生产状态。该气田投产之初是作为常规气田（背斜构造圈闭）进行生产的，随着储层游离气不短采出，储层压力下降，导致上覆地层（420～480米厚永久冻土带）中天然气水合物中的天然气分离，随之压力回升，气田继续生产。