2019年国家科学技术奖提名项目公示内容(自然科学奖)

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2019年国家科学技术奖提名项目公示内容

（自然科学奖）

项目名称: 海洋天然气水合物分解演化理论与调控方法

提名者:谈和平，哈尔滨工业大学，教授，工程热物理

一、提名意见

二、项目简介（限1页）

天然气水合物是最具开采价值的新型清洁能源，我国南海储量达800亿吨油当量，是我国石油与天然气已探明储量的总和，实现天然气水合物资源开发是我国重大战略需求。天然气水合物开发过程存在水合物分解相变复杂、热质传递困难、储层胶结强度弱化显著等问题，导致水合物分解产气效率低、持续性差，甚至引起储层失稳等重大安全风险，因此实现其安全高效开采是世界性难题。该项目在国家自然基金重点项目、973计划、国家科技重大专项等项目支持下，针对水合物分解多孔介质内复杂相态转化理论、含相变过程多相多组分运移机制、储层胶结强度弱化及其与海底结构物（井筒、桩基础等）相互作用机理等关键科学问题，开展了十余年的研究，取得了以下主要突破和科学发现：

1. 发现了海洋天然气水合物分解相态转化-多相渗流-胶结弱化规律，建立了水合物分解运移与储层变形演化理论。建立了海洋多组分体系水合物相平衡方程，突破了传统热力学模型的理论局限；首次发现了水合物分解亚稳态纳米气泡富集现象，认识了分解过程水合物再生成逆反应的内在本质；发现了微孔隙内水合物赋存形态转化特性，提出了水合物相变多相渗流模型，构建了水合物分解气、水运移理论框架；发现了水合物储层粘聚力随水合物分解的衰减规律，揭示了水合物储层变形过程中胶结结构的演化机制。

2. 揭示了海洋天然气水合物分解驱动与失稳机理，提出了水合物分解强化与储层安全调控方法。发现了天然气水合物分解存在压差驱动-显热主导-传热控制表观动力学演化三历程，提出了压-热联调强化水合物分解方法；首次发现了二氧化碳水合物具有更高的抗变形能力，创造性地提出注二氧化碳强化储层结构强度方法；建立了水合物储层与结构物相互作用模型，确定了水合物分解对海底结构物的影响边界。

3. 构建并验证了海洋天然气水合物模拟开采系统，成功应用于我国南海天然气水合物试采。发现了水合物分解过程压力传递、流体输运及储层失稳的主控因素，建立了具有自主知识产权的海洋天然气水合物“开采模拟系统”与“安全评价系统”，为试采工程提供了理论方法；首次自主完成了南海水合物储层保温保压岩芯现场在线分析、评价，提出了适用于南海储层特征的试采方案，成功应用于南海天然气水合物试采。

8篇代表性论文SCI他引429次，3篇入选ESI高被引，出版专著3部，受邀在国际学术会议作特邀报告与大会报告21次，成果获多国院士及学会Fellow在Nature子刊等期刊引用。项目水合物相态研究引起加拿大Englezos和Ripmeester 两位院士高度关注，在论文中10处对比引证，开展后续拓展研究；美国Castaldi 教授评价项目压-热联调方法“效率最高”；英国Soga院士认为该项目成果对储层稳定性评价“具有重要价值”。我国11位院士组成的专家组认定项目成功应用于“全球首次”“天然气水合物固态流化试采工程”。获海洋工程科学技术奖特等奖、一等奖各1项，教育部自然科学奖一等奖1项。

三、客观评价

8 篇代表性论文发表于Appl. Energ.、Int. J. Heat Mass Tran.、Comput. Geotech.等国际著名期刊，3 篇入选ESI高被引论文，被美、英、加等国院士及学会Fellow 等在Nat. Commun.、Energ. Environ. Sci.等期刊SCI他引429 次，单篇最高SCI他引116 次，产生了广泛的学术影响：

发现点（1）海洋天然气水合物分解运移与储层变形演化理论

1）该项目多组分水合物体系相态转化研究成果，引起加拿大P. Englezos与J. Ripmeester两位院士的“关注（Hence it is of our interest）”，在他们合著的研究论文摘要、正文中10处引用，并将项目成果作为对比基准开展后续研究，提出了高效的水合物相变促进方法（代表性引文4）。

2）日本天然气水合物著名学者、庆应大学R. Ohmura教授评价该项目揭示了多参数对水合物相态转化的影响规律，“显著降低（remarkably reduced）”水合物相平衡压力，“突破了（breakthrough）”水合物生成技术的“最大障碍（greatest obstacles）”（附件5.1）。

3）俄罗斯科学院T. Lyubimova教授评价该项目发现了“气体流动对水合物分解的主控作用（important role）”，认为“对流传热对天然气水合物降压开采影响更大（greater impact）”，并利用该成果描述水合物开采渗流过程（代表性引文7）。

4）加拿大拉瓦尔大学J. Konrad教授评价该项目接触面模型是“唯一（only）对单调及循环加载条件下砂土与结构物间接触力学特性进行预测的模型”，能够“更好模拟（better simulate）循环荷载作用下界面复杂特性”（代表性引文5，附件5.2）。

5）英国皇家工程院K. Soga院士评价该项目水合物储层剪切和蠕变性质研究成果，“对水合物开采过程储层稳定性评价具有重要价值（valuable for assessing the stability）”（附件5.3）。

发现点（2）海洋天然气水合物分解强化与储层安全调控方法

1）日本传热学会副会长S. Maruyama研究日本南海海槽现场天然气水合物降压开采产气特性，在该项目之后同样发现水合物分解过程的三历程演变规律，并认为与项目成果“非常相似（very similar）”（代表性引文1）。

2）美国化学工程师协会Fellow，M. Castaldi教授评价该项目提出的“压-热联调是效率最高的（most efficient）开采方法”（代表性引文3）。

3）挪威科技大学首席研究员S. Kjelstrup教授在领域顶级期刊Nat. Commun.和Energ. Environ. Sci.多次大篇幅引用储层强度弱化方面研究成果，评价该项目发现了“围压对水合物强度的影响存在一个由强化到弱化转变的临界压力（critical confining pressure）”（代表性引文6，附件5.4）。

4）工程地质领域权威期刊Eng. Geol.编委G. Crosta教授和国际土力学与岩土工