天然气水合物（又称为可燃冰）被认为是未来最具潜力的清洁能源之一，我国南海的储量高达800亿吨油当量。因此，开发天然气水合物资源对于保障我国能源安全具有重要战略意义。尽管我国已在南海成功进行了天然气水合物试采，但如何实现安全、高效、经济的商业化开采仍是当前的一大挑战。南海的水合物通常埋藏于海底浅层的泥质低渗透储层中，且伴随高温高压条件，开采后易导致地层不稳定，从而引发地质滑坡的风险。此外，传统单一开采方法开采效率低，不具有市场竞争力的经济性。因此，亟需一种集多种技术优势于一体的解决方案，以提高开采效率和经济性，保障海域水合物的安全开采。

清华大学深圳国际研究生院陈道毅教授提出了海域天然气水合物三联开采技术创新概念，即“开采、固碳与地质修复三联技术”（简称“三联开采技术”），并带领团队于2019年申请广东省海洋经济专项，获批主持《新一代南海可燃冰开采，固碳，地质修复三联技术开发》项目，通过调配和优化气体组分，实现了在南海可燃冰埋藏层温度较高条件下，成功形成二氧化碳水合物以实现地质修复并高效固化封存了CO₂，该项目于2021年顺利结题。随后依托中试尺度三维装置持续攻关，团队建立了高仿真度海域水合物样品成藏—降压产气—连续注气—混合水合物生长修复地层一体的研究模式。通过多尺度实验（从室内小试到中试），并结合海底原位钻井技术，系统研究了不同降压与注气工况下的气液产出规律和产气-混合水合物生长的联动关系，论证了三联开采技术的关键工艺技术，优化了主要运行参数，优化了CH₄回收率与CO₂封存效率，形成了一整套技术路线和工艺路径。在实验室尺度成功实现了天然气水合物开采目标，还将传统开采方法与CO2封存相结合，不仅大幅提升了产气量，还有效解决了地质修复问题，并通过封存温室气体提高了整体经济性和环境效益。为我国南海可燃冰的商业化开采提供了一条极具前景的技术路线。团队在《Chemical Engineering Journal》《Separation and Purification Technology》和《Geoenergy Science and Engineering》等国际能源环境期刊上发表多篇相关SCI论文，并在《石油学报》发表该技术综述文章，详细阐述了三联开采技术的科学原理与应用前景。

图1 海洋沉积物-枯竭储层中水合固化CO₂的相似性工艺放大研究路径以及该技术对区域性碳封存的重要意义

把实验室成果应用到海洋真实环境还需要考虑比尺放大效应等深层次的理论问题。团队提出了比尺放大效应的理论框架（如图1），评估了三联技术在开采后注气对CO₂封存的相应影响。

近期，相关研究成果以“CO₂/N₂注入海洋沉积物-枯竭天然气水合物储层中水合固化CO₂的相似准则研究与多尺度试验”（Investigation of scaling criteria and multiscale experiments for hydrate-based CO₂ sequestration in marine sediment and depleted NGH reservoir via CO₂/N₂ injection）发表在化工领域期刊《化工工程科学》（Chemical Engineering Science）上，对于开展更大规模的实验与验证、研究论证全周期内的技术细节具有重要指导意义，有利于进一步优化三联技术的工艺流程和场地尺度数值模拟等工作。

论文的第一作者为清华大学深圳国际研究生院2021级博士生姚远欣，共同通讯作者为陈道毅教授和牛梦雅博士后，其他合作者包括清华大学深圳国际研究生院訾牧聪副教授和2023级博士生叶鸿宇、段军等。该研究得到国家自然科学基金和深圳市科技项目等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2025.121912 

文：姚远欣

编辑：林洲璐

审核：聂晓梅