温室气体排放对地球生态环境系统产生深远影响，造成全球气候变化、极端天气频发、海平面上升、生物多样性大幅下降，进而引发一系列环境、经济、社会、健康等方面的问题[1-3]。第二十六届联合国气候变化峰会(COP26)重申《巴黎协定》目标，即把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2 ℃之内，并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5 ℃之内，从而减缓气候变化带来的危害[4]。
中国要实现“碳达峰，碳中和”目标(以下简称“双碳”目标)，充分利用海洋资源是关键。一方面海洋约占地球表面三分之二的面积，其生态系统的总体积是陆地生态系统的数百倍，多种多样的海洋生态系统对于调节气候变化与地球元素循环起着关键作用[5]。中国拥有辽阔的海洋疆域，丰富的海洋资源带来了渔业、服务业、生物医药等多种多样的海洋经济，是中国国民经济的重要支柱。另一方面，全球约三分之一油气资源量位于海洋，开发区主要集中在波斯湾、巴西的图皮油田、安哥拉和尼日利亚近海、北海(大西洋)和墨西哥湾[6]。中国海洋油气资源量占中国油气资源总量的20%~30%[7]，与全球总体分布趋势基本一致，具有巨大的勘探与开发潜力，已成为未来能源和社会经济发展需求的重大推动力。
中国高度重视海洋经济开发与生态文明建设，在“十四五”规划中重点强调了认识海洋、开发海洋的必要性，提出要进一步加强海洋环境污染防治，保护海洋生物多样性，实现海洋资源的可持续性开发和利用[8-9]。近年来，国家部委、广东省政府、香港特别行政区等各级行政单位和科研、学术机构多次组织科考航次，使得中国在海洋生态、海洋环境污染、海洋油矿资源等领域的研究皆取得重大突破。由于海洋中复杂的资源、产业、生境结构，探索海洋跨部门之间更深层次的联结会有利于促进海洋资源的可持续性开发利用，为推动碳中和目标实现和海洋油气资源开发可持续发展道路的探索提供更丰富的理论支撑。
本研究基于海洋基础研究的角度，率先将海洋生态系统、海洋碳汇以及海洋油气勘探与开发作为整体进行探讨，并研究作为海洋碳储库重要载体的海洋油气资源与海洋生态系统之间跨时空域的复杂耦合关系，厘清二者联系可为碳中和背景下海洋油气的勘探开发科学决策提供理论依据，对启发海洋油气勘探开发新型策略、保障中国海洋经济和海洋环境的安全及绿色发展、助力实现“双碳”目标具有重要意义。
人类的发展史与能源演化史密切相关[10]。中国海洋蕴含丰富的油气资源，寻找海洋优质油气和提高资源开发效率是实现能源转型和碳中和目标的必由之路。如今，能源开发与生态环境保护的内在矛盾成为人类社会走向可持续化发展的瓶颈。其中，解决低碳社会和传统化石能源产业之间的潜在矛盾，将石化产业转化为促进“双碳”目标的积极动力，最终实现能源转型是实现碳中和目标的主要挑战。目前，中国能源行业从业人数接近2 000万，居全球首位。2021年，中国石化行业实现营收14.45万亿元，利润总额1.16万亿元，均为历史新高[11]。因此，社会的稳定转型涉及建立碳减排和经济社会发展的良性互动关系[4]。相较于欧美国家，中国公共政策与石化企业紧密联系的现状，是碳中和背景下探索石化行业勘探开发新模式的契机和优势。为此，我国科学家和相关单位都在积极探索碳中和背景下油气及其相关资源的勘探与开发新模式和新策略[12-16]。
中国经济发展对能源的巨大需求推动了油气勘探与开发工作战略和技术革新，“双碳”目标下的能源转型正加速这一进程。燃料能源转型的形式具体为：由氢碳比最低的煤炭，逐渐转型到氢碳比最高的天然气(在产生相同发热量的情况下，天然气的碳排放量最低)，最终再过渡到净零碳排放的可再生清洁能源如太阳能、风能。中国从当前碳排放量到实现国家碳达峰目标的过渡期仅有7年，从碳达峰到碳中和的时间仅有30年。这意味着占中国全部温室气体排放量73%的能源行业将在未来10年内迅速步入深度低碳转型过程[12]。
以中国石油天然气集团有限公司的新能源总体部署为例，至2035年和2050年，新能源预计占比分别为33%和50%。由于受资源、安全、技术、成本等众多因素限制，短期内非化石能源完全替代化石能源可能难以实现[12]。而在化石能源端，中国陆地油气发展形势呈现：新增非常规油气为主[17-18]，开采深度不断加深[19-21]，相应开采难度不断加大[10, 22]，油气对外依存度持续增加(图 1)[23-25]。紧张的国际形势及贸易争端等是油气进口的不稳定因素，过度依赖资源进口对中国能源安全造成威胁。综上，在能源转型期寻找优质油气资源以构建清洁低碳、高效安全的能源体系至关重要。
整合中国5年内石油与天然气产量变化趋势分析，原油产量上升较缓，天然气产量上升明显；海洋原油与天然气产量均有增加，相较于总体产量仍处于低位(图 2)[25-26]。然而，2022年中国海洋石油产量达5 862×104 t，同比增长6.9%，增产量占全国石油增产量一半以上；海洋天然气产量达216×108 m3，同比增长8.6%，约占全国天然气产量增量的13%[27]。由此可见，海洋油气生产是中国油气开采强劲增长点，虽尚未成为生产主力，但其发展潜力值得重点研究。
海洋油气资源主要分布在大陆架，约占全球海洋油气资源的60%。在已探明储量中，目前浅海储量仍占主导地位。中国海洋油气资源拥有巨大潜力，开发主体趋势呈现“由北向南，出浅入深”(图 3)。油气开采作业区主要分布于渤海湾(水深10~30 m)、南海西部(水深40~1 500 m)、南海东部(水深100~1 500 m)、东海(水深90 m)，多集中在渤海水深小于500 m的浅海水域。近年，渤海，南海西部，南海东部三大油田已被划入全国十大油田。其中，渤海油田成为中国海上最大的油田，已探明石油储量超3×108 t，并于2021年实现原油年产量超3 000×104 t[28]。不仅如此，中国海洋石油、天然气剩余探明技术可采储量分别占总石油、天然气剩余技术可采储量的34%和52%，并且探明程度较低，未来勘探开发潜力巨大[29-30]。
挺进深海是未来海洋油气资源发展的必然趋势。按照国际石油界的定义，钻井作业水深超过500 m的海域为深水油气田，水深超过1 500 m则为超深海油气田。全球海洋油气资源约30%~50%位于深海区，2011年以来约70%的重大勘探成果来自深海区[31-33]。目前，海洋石油钻探和油田开发的作业最大水深已经超过3 000 m。墨西哥湾、巴西海域和西非海域是三大传统深水油气区，东地中海、东非海域也取得了深水油气的勘探突破。
中国海域天然气资源54%在深水及超深水区域，其中多个海洋盆地有待勘探开发。近年来，中国海洋油气可采水深呈持续增长的趋势，推动深海油气田开发迅速崛起。中国南海海域超过60%的作业海域水深达到300 m以上，深海油气勘探开发作业区包括荔湾深水气田，陵水深水气田和流花深水气田[31]。2012-2021年，我国已自主完成南海的73口深井及超深井的钻完井作业[34]，并实现“海洋石油981”“深海一号”等一系列深海钻井平台的研发[35]。同时，得益于深海海床极端的高压、低温赋存环境，中国广泛的深海海床储藏大量的氢碳比高、能量密度大的天然气水合物(可燃冰)，其兼具储层、盖层，与传统油气开发之间存在共通性[36]。南海神狐海域和荔湾3-1白云凹陷区成功开展两次天然气水合物试采工作，实现日均产气量6 800 m3、持续产气31天的突破[37]。
海洋蓝碳(又称海洋碳汇)是指海洋能够吸收大气中的CO2，并将其固定、储存在海洋的过程[38]。它是将海洋生态系统健康与碳中和相联结的核心概念，认识海洋蓝碳的潜能是在面临海洋能源开采的情景下坚持保护海洋生态多样性的基石。因此，广阔的海洋成为碳增汇的最佳场所。海洋吸收CO2的主要机制包括溶解度泵、碳酸盐泵、生物泵及微型生物碳泵。生物泵和微型生物碳泵是指海洋中有机物的生产、消费、传递等一系列生物学过程及由此导致的颗粒有机碳由海洋表层向深海乃至海底转移的过程，对于海洋固碳与储碳至关重要[39-40]。具体而言，中国海域储存及向大洋传输的储碳量约100×1012 g/a，相当于342×1012 g CO2[35]。其中，海岸带蓝碳的碳汇总量相对较小，红树林、盐沼湿地、海草床有机碳埋藏通量为0.36×1012 g/a，海草床溶解有机碳输出通量为0.59×1012 g/a[41]。开阔海域碳汇量相对较大，这种庞大的汇碳能力，是未来我国实现碳中和的主要力量，据初步估算：中国陆架边缘海的沉积有机碳通量为20.49×1012 g/a；东海和南海向邻近大洋输送的有机碳通量分别为(15.25~36.70)×1012 g/a和43.39×1012 g/a[41]。
海洋生态系统的多样性支撑巨大的海洋蓝碳潜力。中国滨海湿地面积约为67 000 km2，兼具海草床、红树林、滨海沼泽三大蓝碳生态系统。其中，海草床面积约200 km2，广泛分布在全国沿海海域；红树林面积约250 km2，分布于浙江以南海域；滨海沼泽面积约120~340 km2，在全国范围内广泛分布[42-43]。中国海洋物种数量从北至南递增，约占世界海洋生物总数的10%以上，其中黄海、渤海为1 140种，东海为4 167种，南海为5 613种[43]。在南海等热带环境，广泛分布有珊瑚礁和大型底栖生物，南海大型底栖生物部分优势种与东海相同，渤海及黄海等海域的软体动物种类占有绝对优势，多毛类和软体动物为主要贡献类群[44-45]。
中国长期面临着海洋生态系统遭受破坏和物种多样性减少的问题[46]。为此，我国在近海海域建立了一系列的国家级海洋自然保护区，但深海自然保护区尚未建立。保护和修复海洋及沿海生物多样性是现阶段全球碳中和背景下的重要发展目标[47]。中国深海海域不仅蕴藏着丰富的油气资源，同时还具备三大海洋经济圈与珊瑚礁、冷泉等典型生态系统，三大经济圈庞大的市场为海洋油气开采提供了动力。针对南海海域海马冷泉典型生态系统的深入调查，增进了对“三气合采”理论可行性的认识[48]，同时也发现深海区域化石能源与生物资源共存现象成为可能制约油气开采的因素之一[49]。这意味着，我国海洋油气资源、海洋生态和相关海洋经济三者之间彼此联结，这样的联结性的相互作用可能会影响碳中和进程。例如，海洋油气田的开发对于海洋生态系统的破坏性尚待研究，污染发生后，难以修复的海洋生态环境可能损害海洋原有蓝碳能力，对碳中和进程有负面的影响[48-49]。因此，海洋油气勘探与开发方案可以与保护和修复海洋及沿海生物多样性的目标有效结合，减小环境污染和生态破坏，巩固海洋的汇碳能力。
海洋生态环境对于我国实现碳中和目标具有重要意义，然而海洋油气的勘探与开发和海洋生态环境之间的相互作用关系至今仍不明晰，其难点在于油气勘探开发和生态反馈所呈现出的时间尺度上的不一致。本研究以碳收支为核心搭建了海洋油气资源-生态系统之间的协同反馈闭环体系，以该体系为核心，呈现能源需求与海洋生态系统的和谐发展之间的关系。该循环的各个过程最终都会反馈到碳的固定、封存和排放。气候变化以及能源需求共同推动清洁型油气资源勘探开发向低碳氢比、低碳排放、低耗水模式发展(图 4)，该模式能有效缓解气候变化，对海洋碳循环过程形成正反馈。另一方面，随着油气勘探开发力度的加大，(微)生物碳泵不断衰退，用于生态系统修复的投入能量增加，海底埋藏温室气体泄漏，对海洋碳循环过程形成负反馈。油气开发对海底沉积环境造成扰动所引发的温室气体泄漏主要有两种途径：①油气勘探开发力度增大对沉积结构产生不可逆的力学破坏，导致富集在沉积物孔隙中的烃类气体泄漏；②海底天然气水合物通常与深部油气藏共存，油气开发不当可能导致天然气水合物分解，释放的大量甲烷气体会显著改变周围的生态环境，例如造成海水酸化、生物群落衰退，同时加剧海洋深层向表层及大气的温室气体排放，加速全球气候变暖。在局部范围内，油田工作液及工业、生活废水的不当排放和泄漏也会对当地海水生态系统造成伤害。海洋油气-生态系统的碳反馈闭环模型可为中国碳中和目标以及海洋油气资源可持续开发的路径部署提供全新的视野。
海洋独特的生物地理特征是海洋油气-生态系统的碳反馈闭环模型框架中的重要影响因素。在空间维度上，海洋空间呈现特异性和连通性。海洋是典型立体系统，横向上划分为河口、近岸及远洋环境，纵向上划分为浅海和深海。这样的立体系统增加了海洋油气勘探开发过程中生态环境风险评估和修复的复杂性(图 5)。近岸河口海岸带连接陆地与海洋，是人类赖以生存、生活的主要区域，同时也是碳循环的活跃区域。因此，社会经济、生态文明和人类健康可能成为评估此区域海洋油气开发的重要因素。远洋地区的深海生境更加脆弱，体现在生态系统更加敏感，受损恢复难度大。同时，从浅海至深海，海洋油气开发难度逐渐增大，投入成本增加。深海地区与邻国毗邻，在油气开发和环境修复方面存在多方协调问题，资源开发及环境修复效率较低[50]。重要的是，海洋广阔生境之间存在不易察觉的连通性，即生态系统之间通常会通过水文、生物、地质和地球化学过程耦合连通[51]。以深海帽贝(Bathyacmaea nipponica)为例，中国南海冷泉区与西北太平洋其他热液区及冷泉区的宏生物群体间存在基因流动，表明深海生态系统存在生物连通性[52]。
海洋的空间特异性和连通性要求在实际开采活动开始之前，利益相关方严格制定区域环境管理计划(regional environmental management plan, REMP)，且该计划必须建立在坚实的环境基线之上，具有严格的环境影响评估、环境损害的缓解/补偿计划、关闭计划和海底生态恢复过程，并建立长期环境监测计划(开采前、开采期间和开采后)。灾害、事故控制是深入、可持续开发利用海洋资源的前提要求，包括对传统油气和天然气水合物的开采。从墨西哥湾的“深水地平线”石油泄漏[53]、“若潮”号在毛里求斯触礁漏油事故再到蓬莱19-3油田溢油等一系列事故都表明[54-55]，油气开采、运输过程中的事故会对海洋生态环境带来巨大灾难，造成海洋碳泵严重破坏和产生大量无效碳排(部分碳氢化合物没有高效转换成能量供给时便被分解)。中国南海天然气水合物储层类型复杂，开采难度较大[56-57]。与传统油气开发相比，天然气水合物开采前需着重考虑如何稳定海底沉积物，避免天然气水合物因海底沉积物失稳分解而引发区域生态环境安全和稳定问题[58]。降压法是目前全球应用最为广泛的水合物开采方法[36]。然而，在降压开采水合物过程中，可能由于储层及管道中传热不足而出现二次水合物或冰生成的现象[59]，导致开采及输运管道堵塞，制约开采效率并影响安全性。此外，在天然气水合物开采过程中，储层在孔隙压力和地层应力作用下发生蠕动变形，储层结构易被破坏[60]。因此，天然气水合物开发过程中的地质失稳条件、气体运移路径、天然气水合物富集与分解及区域/全球生态系统变化之间的响应关系亟需研究，以构建长期的检测-防治体系[12, 61]。
海洋的空间特异性和连通性启示总体“低碳布局”到局部“绿色调控”的模式有助于海洋油气形成安全、低碳、高效开发的立体体系(图 6)。随着对中国海域典型生态区域的认识不断加深，在制定传统区域环境管理计划基础上，未来拥有评估海洋油气开发周期过程中碳源及碳汇之间的转化特征、油气开发和生态系统之间的耦合机制，以及评估碳的“净流量”(海洋蓝碳和因油气开发产生的碳之间的差值)的可能性，例如，评估海洋专属经济区内主要的生态系统的含碳量、该系统原本能够贡献多少碳的流动，以及油气开采是否会带来当地生态系统的衰退，从而严重影响当地的经济和生态价值。
本研究通过整合海上油田工作液使用情况来展示其类型的多样性(表 1)，从而对海洋油气-生态系统的碳反馈闭环模型局部范围内油田工作液和废物污染做具体的阐述。由于其复杂性和可调控特点，设计和优化油田工作液(钻井液、完井液)是局部“绿色调控方式”的重要切入点。总体而言，液体连续相(即水基、油基、合成基)的选择对生态影响尤为显著，油基工作液毒性较大，合成基工作液可优化空间较大[62]。其他环境潜在污染物包括工作液中的固体颗粒物、纳米材料、重金属和化学添加剂[63-66]。天然产物往往具有良好的环保性能，例如压裂液中的天然糖类，但是在极端条件下的工作性能(耐温、耐盐、耐剪切性能等)往往制约了天然产物的应用。此外，以“储碳”为出发点的CO2驱油替换天然气水合物，或以固态水合物的形式封存温室气体，同时维持地层稳定性等也是绿色调控方式的研究重点[60]，其经济效益、适用范围有待进一步评估。由于海洋生物地理空间的特异性和连通性，油田工作液的设计需要考虑到海洋不同生境物种差异，避免局部影响扩大。
低碳、环保的工作液体系具有更高的循环利用潜力，例如应用于相邻渤海湾陆上工业活动，以缓解中国华北地区缺水的问题[66]。此外，海洋油气还具有可以利用海水作为工作液基底的天然节水优势。相关节水、循环利用等策略对水质检测和废物管理提出了更高的要求。
我国油气开发的可持续发展路径的宏观分析和展望是未来实现碳中和目标可行性和制定相关计划的理论基础。基于深入论证海洋油气与碳中和的关联性，本研究将海洋油气勘探开发现状嵌入可持续发展框架模型进行分析(图 7)[82]。其中，需求回应、市场引导、供应保障、过程优化、监管完善、能源转型是可持续化发展的6个主要经历阶段，各阶段相互影响制约，共同构成了一条立体发展路径。其中，仅满足生产需求会阻碍生态环境建设，从而背离中国长期发展规划；仅满足生态需求会降低能源开发利用效率，导致能源储备无法支撑中国经济社会稳定发展的需要和广大基层民众的基本生活需求。
在此框架中，海洋油气开发的合理性源于海洋丰富的自然资源和复杂的生态环境之间的内在联结，海洋油气开发利用是联结两者的重要元素。海洋油气开发毗邻中国沿海地区，包括大湾区、东南沿海到京津冀经济区，这些地区人口稠密，经济、科技发达，生产活跃，海洋油气有巨大的市场需求，并有望与其他海洋产业协同发展，支持形成环渤海、长三角、珠三角等产业集群。中国海洋油气正处于承上启下的阶段(图 7)[82]，正在实现面对巨大市场需求下的供应保障，即建立基础设施和供应链等措施。未来，海洋油气面临勘探开发过程的系统优化，优化举措可能体现在提高油气开发系统运行效率(降低碳排)、降低油气开发对生态环境影响等。建立和完善相关监管制度可以稳固优化结果，例如合理划分开发区域，油气开发前、中、后期的区域环境评估和工艺技术的标准制定。能源转型的形式反映在油气部门通过自身收益和国家调整能源政策以及资金流动逐步实现对新能源的投资[83]。分析指出，海洋油气发展可以融入可持续性发展路径，但最佳路径仍需不断探索和优化。
中国海疆广阔，拥有巨大的常规油气开发潜力及庞大的非常规能源储备，海洋生态系统及海洋生物多样性是抵御气候变化，实现海洋碳汇的有力工具。蓝碳的概念已经将海洋生态健康与碳中和目标紧密连接起来。然而，油气和海洋领域之间的联结性还未得到足够的重视。研究表明, 海洋油气资源是影响中国实现“双碳”目标的重要因素，大规模海洋油气开采可能造成海洋生态环境质量的下降，从而影响海洋整体蓝碳能力，进而降低海洋固碳潜力，相反，高效的海洋油气开发不仅可以保障我国的能源安全，也可以促进碳中和目标的实现，因此，海洋油气开采与海洋生态环境具有深刻的内在联结，是我国实现碳中和目标的重要因素。
本研究强调了海洋具有空间特异性与整体连通性，其生态系统敏感而复杂，独特的海洋生物地理特征是油气开发过程生态环境评估中的重要环节。在从传统油气能源向新型可再生能源转型的特殊时期，建议建立完善一套开发与保护双向同行的海洋油气可持续开发体系，坚持重视区域生态价值评估，开发绿色低碳油气开采材料，建立相关监督模式以进行多层次、多体系的全局管理，在寻求海洋重要资源开采的同时，兼顾开发区的生态环境价值；同时，石油与海洋跨部门之间应增强研究合作和交流，共同为实现碳中和目标及探索中国油气产业发展的道路提供科学理论支撑，实现安全、低碳、高效开发利用海洋资源的目标，以蓝色海洋产业作为强大的推动力，实现中国“双碳”目标和可持续发展，推动构建人类命运共同体。
2023, Vol. 52 Issue (4): 32-40, 47 2023, Vol. 52 Issue (4): 32-40, 47