自2012年以来, 由东京大学主导, 在上越近海等海域与气烟囱构造相关的海底丘等异常点处开展资源勘查工作, 确定了海底以下浅部赋存有块状化合物。因此, 根据2013年《海洋基本计划》^[17], 日本经济产业省自2013财政年开始, 以日本海为主实施了浅表层水合物的资源勘查和环境调查工作, 具体调查项目包括: 以寻找异常点(如气烟囱构造)为目的的区域地质调查, 以异常点周围地形和地质构造为对象的详细地质调查, 以了解电阻率分布为目的的海洋电磁法调查, 以井下原位物性测量为目的的随钻测井调查, 以回收水合物和沉积物为目的的钻探地质取样, 以及以环境基线调查为目的的遥控无人潜水器(remotely operable vehicle, ROV)调查^[20]。

在上述资源勘查过程中, 共圈定了1 742个可能赋存有浅表层水合物的气烟囱构造, 但发现气烟囱构造内的水合物分布是不连续且非均质的, 这使得其分布范围难以估计, 并且气烟囱构造的内部结构各不相同^{[21, 22]}。为了应对这种情况, 日本产业技术综合研究所决定缩小评价目标的范围, 从整个海域缩小到部分海域。由于调查充分且发现了水合物富集, 日本产业技术综合研究所对上越近海中西部含有气烟囱构造的丘形地带(以下称为“ Umitaka丘构造” , 面积近200 m× 250 m, 深度约120 m)的资源量进行了评价。首先利用随钻测井方法根据地质特征数据(如硬度、电阻率和孔隙度)进行评价, 然后利用岩心分析方法, 根据海底钻探采集的岩心样品中水合物和孔隙水化学成分的测量数据进行评价, 最后利用海洋可控源电磁方法对具有高电阻率的水合物赋存区资源量进行评价。随钻测井方法和岩心分析方法的评价结果表明: Umitaka丘构造内的水合物资源量约为6× 10⁸ m³甲烷当量, 而海洋可控源电磁方法对高电阻率区域的评价表明, 该区域可能赋存有数亿立方米量级的水合物。

在2013— 2015财政年开展广泛区域资源勘查后, 日本根据浅表层水合物试采相关要求, 将日本海一侧的丹后半岛北部(隐岐海槽)、酒田近海(最上海漕)和上越近海(海鹰海脚— 上越海丘)3个海域作为进一步开展相关调查工作的重要海域。开展的主要调查工作包括: 2017财政年开始的浅表层水合物赋存情况调查、2020财政年开始的海底情况调查和2020财政年开始的海洋环境调查。具体调查项目包括: 以精细化地下构造特征为目的的高分辨率三维地震调查, 以了解赋存区域深度下限为目的的热流量调查, 以监测底层流为目的的海底设备观测, 以静力触探试验、取心和电缆测井为主要手段的海底地层强度调查, 以海底测绘、海底环境调查和海洋观测为目的的海洋环境调查^[23]。

以海底地层强度调查为例, 其目的是获得用于浅表层水合物生产技术研发的重要信息, 包括赋存地层深度和连续性、地层强度等。为此, 日本开展了海底地层强度调查, 分别为: 于2021年8月和2023年8月利用PS21航次和CK23-02C航次对酒田海丘的3个站位(其中2个站位为赋存场地, 1个站位为对照场地)开展调查; 于2022年9月和2023年8月利用CK22-03C航次和CK23-02C航次对上越海丘和海鹰海脚的4个站位(其中2个站位为赋存场地, 2个站位为对照场地)开展调查^[24]。以海底设备观测为例, 其目的是利用2022— 2023年安装在上越近海的海底设备通过长期观测和数据分析了解掌握海底原位情况, 图1展示了用于海底原位观测的设备仪器及其用途^[24]。

图1

Fig.1

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	图1 海底设备观测示意图[24]Fig.1 Schematic diagram of seabed equipment observation[24]

自2016财政年开始, 日本对用于浅表层水合物采收的4个生产技术方案进行了调研, 包括: 三井E& S造船、清水建设、日本大学提出的基于大范围垂直采掘方法的采收技术(图2(a)); 三菱造船、清水建设、日本海上技术安全研究所提出的使用采矿机与分离设备的采收技术(图2(b)); 日本石油勘探开发公司提出的以封闭环境为前提的采收技术(图2(c)); 东京海洋大学、新泻大学、九州大学等提出的使用圆顶状膜结构的采收技术(图2(d))^{[25, 26]}。此后, 于2019年, 依托日本产业技术综合研究所设立了“ 表层型水合物生产技术评价委员会” , 基于如下具体标准对生产技术的上述调研结果进行了评价^[27]: ①是否有必要推进该技术的研发; ②关键技术是否具有先进性和可扩展性; ③是否已掌握关键技术的优势及需要解决的问题; ④是否设立了面向确立关键技术的计划并配套有相关费用; ⑤是否对必要的项目实施能力和体系构建有一定的设想; ⑥是否已掌握相关知识产权情况。经过为期1年多的评估工作, 该委员会于2021年2月给出了最终评价结果并确定了具有研发应用前景的采掘、分离和回收技术^[28]。就采掘技术而言: 使用大口径钻头的大范围垂直采掘方法可以应对复杂的海底地形和脆弱的海床, 由于周围的海水和采出的物质一起被吸入, 因此不会产生高浊度水; 悬挂式垂直采掘方法已通过其他海底矿产资源进行了研究, 并且相比于专门为赋存有浅表层水合物的较松软海床开发采掘机技术而言, 该技术更加可靠。在水合物和泥沙分离技术方面: 船载分离方法由于在船上进行分离, 因此便于进行控制; 海底分离方法由于在海底进行分离, 可以减少举升至船上的泥沙。在回收技术方面: 气体举升回收方法已通过其他海洋矿产资源进行了研究, 但由于在举升管道内形成三相流, 因此能否实现精确控制是急需解决的重要问题; 潜水泵回收方法也已通过其他海洋矿产资源进行了研究, 相比于气体举升更易于控制回收。

图2

Fig.2

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	图2 用于浅表层水合物生产技术调研评价的部分候选方案Fig.2 Some candidate solutions for the investigation and evaluation of shallow hydrate production technology

目前, 日本已确定“ 以使用大口径钻头的大范围垂直采掘方法为基础, 优先考虑气体举升回收方法和船载分离方法两项关键技术以形成最优组合” 的生产系统设计原则(图3)^[29], 认为采掘技术应重点考虑优化采掘效率、建立大口径钻头的设计标准并测试设备性能、以及减少环境影响(如抑制泥沙扩散), 回收技术应重点考虑水合物二次形成对管线的堵塞及相关的稳定回收控制问题、含水合物泥浆的流动特性、以及固液气三相条件下的管线堵塞控制问题, 分离技术应重点考虑采掘物质的分离条件以及泥沙和水合物的分离效率^[30]。使用大口径钻头的大范围垂直采掘方法利用悬挂在船上的大口径钻头从正上方钻掘海底, 具有可以应对复杂海底地形和松软海底地层以及占地面积小等特点; 气体举升回收方法首先利用气体减小采收管线内液体的比重, 然后将含有水合物的泥浆采收至船上, 由于在水下未放置用于回收的动力装置, 因此较容易应对相关故障的发生; 船载分离方法利用封闭系统进行的资源采收, 可将海底回收的海水和泥沙在不与海面海水或大气混合或接触的情况下返排回海底(通过阻止生物接触来减少对海面和海底的影响), 也可利用部分产出的海水制造热水以用于气化船载回收罐内的水合物^[31]。出于环境保护的考虑, 日本产业技术综合研究所委托东京海洋大学、新潟大学等开展了膜结构技术研发, 即在浅表层水合物赋存的海底处安装圆顶状膜结构, 以便在采掘水合物时回收泄漏出的甲烷气体(羽流)并减少泥沙的扩散^{[27, 32]}。此外, 鉴于浅表层水合物分布区域特有的黏土质粉砂和酸性气体等情况, 委托鸟取大学开展了针对储层物性和水合物分解行为的研究, 因为关键技术的研发需要考虑水合物的分解条件以及海底变形和强度等地质和岩土特征^{[32, 33]}。

图3

Fig.3

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	图3 以使用大口径钻头的大范围垂直采掘方法为基础的生产系统概念图[31, 34]Fig.3 Concept diagram of a production system based on the large-scale vertical mining method using a large-diameter drill bit[31, 34]

作为大口径钻头的大范围垂直采掘方法的主要提出者, 日本三井海洋开发公司联合日本大学、北见工业大学和北海学园大学分别于2022年10月和2023年2月进行了该采掘方法的陆上试验(图4), 第1次试验模拟了含20%浅表层水合物的软泥环境, 第2次试验用1 m厚、3 m半径的大块冰状物模拟含量为100%的浅表层水合物赋存情况^{[32, 35]}。两次试验均表现出良好、高效的水合物采掘效果^[36]。此外, 为了测试钻头切削刃的性能差异, 用于第2次试验的大口径钻头采用了3种类型的切削刃, 即圆柄刮刀+掘进器、球形切削刃和齿形切削刃(图5)。基于机械比能的测试结果分析表明, 圆柄刮刀+掘进器和齿形切削刃具有更好的采掘性能。进一步的分析认为, 为了提升采掘速度, 可考虑改变吸入口形状、增加吸入口数量、以及改进钻头形状^[37]。另外, 日本三井海洋开发公司牵头开展了气体举升回收方法和船载分离方法的研究, 如开发了用于分析举升管线内固液气三相流控制的模拟器、评估了采用多个罐体的船载分离方法的分离效率及设备规格和布置^[34]。

图4

Fig.4

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	图4 使用大口径钻头的大范围垂直采掘装置示意图[38] 注: 试验用钻头直径为2.65 m, 实际应用时计划增大至7.2 m。Fig.4 Schematic diagram of a large-scale vertical mining equipment using a large-diameter drill bit[38]

图5

Fig.5

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	图5 采掘试验采用的3种类型切削刃, 适用范围从左至右为软弱地层至坚硬地层[24]Fig.5 Three types of cutters used in the mining test, applicable ranging from soft stratum to hard stratum from left to right[24]