清潔能源可燃冰研究現(xiàn)狀與前景

(黑龍江省節(jié)能技術服務中心，哈爾濱 150001)

0 引 言

可燃冰(CH4H2O)又叫做甲烷水合物也稱作天然氣水合物，主要成分是甲烷與水分子，可燃冰分布于海底或陸地永久凍土帶內，它是由天然氣與水長期在高壓和低溫條件下形成的一種固態(tài)類冰狀結晶物質。純凈的天然氣水合物是白色固體，外貌極似冰雪，遇火即可燃燒，因此，又被形象地稱為“可燃冰”。1立方米可燃冰等于164立方米的常規(guī)天然氣藏，是其他非常規(guī)氣源巖(如煤層、黑色頁巖)能量密度的10倍，是常規(guī)天然氣能量密度的2～5倍[1]。其資源量豐富，被認為是繼石油之后的一種新型能源燃料，具有很高的研究價值。目前，各國政府和能源專家對可燃冰的研究發(fā)展十分的關注，全球已有30多個國家和地區(qū)進行了天然氣水合物的研究，美國、加拿大、俄羅斯、日本等國家整體上處于領先地位。我國從上世紀80年代開始對天然氣水合物研究，取得了一系列重要成果，已步入世界先進水平。

1 可燃冰的形成

可燃冰最早是由英國化學家普得斯特里于1778 年首次發(fā)現(xiàn)，其形成條件是，在至少為600～800 m深的海床上，大量細菌吞食動植物等有機物殘留遺體時分泌釋放出甲烷氣，且深海下水溫較低，壓力較高，導致釋放出的甲烷氣體被水分子包裹，并與沙土混雜物等混摻在一起，形成甲烷冰凍水合物[2]。綜上所述，可燃冰的形成必須滿足3個基本條件：首先溫度不能太高；第二，壓力要足夠大；第三，地底要有氣源。

2 可燃冰的儲量及分布

可燃冰受其性質、成因等限制，大致分布在大陸永久凍土帶、極地大陸架以及海洋和一些內陸湖的深水環(huán)境、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處等。海底可燃冰分布的范圍較廣，約4×107km2。目前海洋中已發(fā)現(xiàn)的可然冰總資源為2萬萬億m3以上，相當于地球上已知煤、石油、 天然氣含碳量總和的2倍以上。海底已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物主要分布區(qū)域是大西洋海域的墨西哥灣、加勒比海、南美東部陸緣、非洲西部陸緣和美國東海岸外的布萊克海臺等；東太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亞濱外和秘魯海槽等；西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千島海溝、沖繩海槽、日本海、四國海槽、日本南海海槽、蘇拉威西海和新西蘭北部海域等；印度洋的阿曼海灣；南極的羅斯海和威德爾海；北極的巴倫支海和波弗特海；以及大陸內的黑海與里海等[3-4]。據(jù)統(tǒng)計，全球累計約有超過230個天然氣水合物礦區(qū)被發(fā)現(xiàn)。

我國的天然氣水合物資源主要分布在東海、南海海域、青藏高原以及東北凍土帶。據(jù)估算，我國天然氣水合物總資源量約為84萬億m3，其中東海、南海海域分別約為3.4萬億m3和65萬億m3，陸地上青藏高原、東北凍土帶分別為12.5萬億m3和2.8萬億m3。

3 可燃冰的勘探與開采

由于天然氣水合物獨特的形成條件和存在環(huán)境，決定了對其勘探識別和開發(fā)利用研究存在一定的難度，目前，針對勘查識別天然氣水合物的技術主要有地球物理識別、地球化學識別等技術手段。地球物理識別技術主要包括地震與測井識別技術。地球化學識別主要基于海底淺表層沉積物、沉積物中的自生礦物及底水的綜合分析和研究。采用多學科綜合勘探是天然氣水合物勘探的發(fā)展方向。

目前對可燃冰的開采基本上處于研究、試驗階段，尚沒有可靠、完美的方法和方案。國際上主流的開發(fā)方法主要有熱激發(fā)法、減壓法、化學試劑注入法、固體開采法、二氧化碳置換法以及多種開采模式組合法等。目前的開采方法存在諸多問題：生產效率低、開采條件要求高、所用材料昂貴、環(huán)境風險大等，仍需要進一步的發(fā)展和完善。

4 可燃冰研究開發(fā)現(xiàn)狀

4.1 國外研究現(xiàn)狀

全球已經有30多個國家和地區(qū)開展了天然氣水合物的研究調查與勘探。國外天然氣水合物開發(fā)研究已進入探索試驗及開采階段，實驗測試和勘查識別技術相對成熟，水合物安全開采技術尚處于探索階段。尤其以美國、加拿大、日本、俄羅斯等國的開發(fā)研究處于領先地位，韓國、印度等國也都進行了深入研究，在海底水合物開采方面特別是日本已經取得一定突破。

美國是開展對天然氣水合物開發(fā)研究最早的國家，從上世紀60年代以來就開展了相關勘探研究工作，最早由其創(chuàng)立確定的識別海洋天然氣水合物的地震標志——似海底反射層(Bottom Simulating Reflectors，BSR)被廣泛應用；1981年制訂天然氣水合物10年研究計劃投入800萬美元；1998年把天然氣水合物作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入長遠計劃，每年投入 2000萬美元；2001年對阿拉斯加北坡天然氣水合物儲層特征、能源潛力展開了評估和研究；2005年在墨西哥灣海域實施了規(guī)模性的鉆探、勘察工作進行研究，發(fā)現(xiàn)并證明了砂層天然氣水合物具備開采潛力；2012年美國康菲公司在阿拉斯加陸上北坡凍土區(qū)進行了二氧化碳置換甲烷水合物生產試驗取得成功，完成了采氣30天收取甲烷氣近3萬m3。

日本通過國際合作，尤其開展海洋區(qū)域的鉆探、勘察研究，獲取了天然氣水合物樣品，取得了一定成果，成為世界上首個掌握海底可燃冰采掘技術的國家。2012年2月，第一次在日本近海進行商業(yè)性鉆探；2013年3月12日，日本 “地球號”探測船在愛知縣渥美半島附近約1 000 m的海底深處進行鉆探330 m，并在海底使水和甲烷分離，提取出甲烷氣體，并計劃在2018年開發(fā)出成熟技術，實現(xiàn)商業(yè)化生產。

加拿大于1972年在麥肯齊三角洲的馬利克地區(qū)發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，1998年與美國、日本合作，在該地區(qū)實施了世界首個陸上凍土區(qū)天然氣水合物鉆探工程；2002年加拿大與美國、日本、印度、德國五國合作，采用加熱法對天然氣水合物進行試驗性開采，最大產氣速率達到1 500 m3/r；2008年加拿大與日本合作進行了天然氣水合物第二次開發(fā)試驗，采用降壓法進行試采139 h，累計產氣量約1.3萬m3。

俄羅斯1965年在位于西伯利亞凍土區(qū)的麥索雅哈氣田首次發(fā)現(xiàn)第一個天然氣水合物氣藏，試采于1969年開始，累計總產氣量約129億m3，其中天然氣水合物產氣約占47%，這是世界上天然氣水合物商業(yè)開采最成功的案例；2007-2009年俄羅斯與日本、比利時合作，在貝加爾湖進行了5次天然氣水合物開采技術工藝試驗。

此外，韓國在2007年取得天然氣水合物實物樣品，計劃于2015年進行試驗開采。印度于1997年開展了天然氣水合物資源評價等工作，并于2006年取得水合物實物樣品，保守估計資源量為1 894萬億m3。澳大利亞、法國、德國、挪威、阿根廷等國家和部分國際組織也開展了有關天然氣水合物資源量調查、環(huán)境安全和開采技術儲備等工作[5-8]。

4.2 我國研究現(xiàn)狀

我國最早從上世紀80年代末就有對天然氣水合物的研究，1990年中國科學院與莫斯科大學凍土專業(yè)學者合作開展室內可燃冰相關試驗；1999年國土資源部正式啟動了天然氣水合物資源調查的相關研究；2007年5月，在南海北部神狐海域我國首次成功鉆獲天然氣水合物實物樣品，證實該區(qū)域蘊藏了豐富的天然氣水合物資源，成為繼美國、日本、印度之后第四個以國家級研發(fā)計劃為支撐采獲到實物樣品的國家，標志著我國天然氣水合物調查研究水平進入世界先進行列；2008-2011年在祁連山木里地區(qū)中國地質調查局開展了天然氣水合物鉆探工程，2009年6月，在祁連山南緣永久凍土帶成功鉆獲可燃冰實物樣品，成為世界上第一個在中低緯度凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的國家，并進行試采約100 h；2011年我國成功申辦2014年第八屆國際天然氣水合物大會，這將是國際性、最高規(guī)格的天然氣水合物會議首次在發(fā)展中國家舉辦，充分展現(xiàn)了我國天然氣水合物勘查研究的實力和水平以及國際認可；2013年12月17日，在廣東珠江口盆地東部海域首次鉆獲高純度天然氣水合物樣品，發(fā)現(xiàn)了相當于1 000～1 500億m3天然氣的控制儲量；2014年1月，青海省天峻縣聚乎更礦區(qū)，我國首個可燃冰三維勘探項目野外采集工作完成，該項目是中國地質科學院在青藏高原可燃冰勘探領域部署的首個三維項目。

近年來，國內相關機構和能源企業(yè)也紛紛介入天然氣水合物的勘探開發(fā)研究。國土資源部所屬的中國地質調查局做了大量研究和勘查等工作，取得不少實質性進展；中國科學院廣州天然氣水合物研究中心完成了“青海省天然氣水合物勘探開發(fā)方案研究報告”；青海省政府與神華集團簽訂了戰(zhàn)略合作框架協(xié)議；中國海油成立了深水工程重點實驗室，將天然氣水合物作為主要研究方向之一，建立了三維可視開采模擬試驗系統(tǒng)，參與國家863計劃“天然氣水合物模擬開采技術研究”和國家973項目“天然氣水合物開采中的多相流動機理和相關基礎理論研究”等課題的研究；中國石油成立了天然氣水合物相關課題的研究，并把天然氣水合物勘探開發(fā)技術作為科技發(fā)展規(guī)劃的超前儲備技術，針對凍土區(qū)和海域的天然氣水合物開展鉆探、勘查等研究工作[9]。

5 可燃冰發(fā)展前景

5.1 可燃冰的積極作用

在今天全世界能源日益匱乏的情況下，可燃冰作為一種新能源，具有很多常規(guī)能源所不具有的優(yōu)勢，可燃冰將是人類未來解決能源危機的最有希望的能源替代品，具備良好的開發(fā)前景。從新能源的角度來看，其具有常規(guī)能源所不具有的三大優(yōu)點：

第一、分布非常廣泛且埋藏淺，目前世界上大概有100多個國家已經發(fā)現(xiàn)了可燃冰存在的樣本，基本上覆蓋了全球的90%的海洋與30%的陸地，與傳統(tǒng)油氣資源相比，分布更為均衡，可以打破目前油氣資源被少數(shù)國家壟斷的局面，有利于提高能源安全。

第二、其儲量十分豐富，據(jù)保守估計，全球海洋里的可燃冰儲藏的甲烷總量約為2萬億m3，據(jù)第28屆國際地質大會資料顯示，海底存在的大量天然氣水合物，可滿足人類1 000 a的能源需要，如此巨大的儲量，可以很好地解決目前人類的能源危機，是人類社會持續(xù)發(fā)展的動力。

第三、潔凈高效、能量密度高，天然氣水合物的成分與天然氣相似，但更為純凈，在標準狀態(tài)下，一單位體積的天然氣水合物分解可產生164單位體積的甲烷氣體，燃燒后的能量密度是常規(guī)天然氣的2～5倍，是焦煤的10倍，使用方便，燃燒值高，能量巨大，而且其燃燒后基本上沒有污染物質殘留。由此可見，無論是從可燃冰的性質上看，還是從其分布范圍上分析，其確實具備人類對新能源的一切設想，也足以保證人類對能源的需求。因此，可燃冰具有廣闊的開采與發(fā)展前景，并將緩解能源供應日益緊缺的局面，改善能源消費結構，改變世界能源供給格局，為經濟社會可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐，是具有廣闊開發(fā)前景、能源轉型革命性的未來資源。

5.2 可燃冰發(fā)展中的問題

目前，天然氣水合物的發(fā)展受理論認識、開發(fā)方案、關鍵技術、安全環(huán)保、開采成本等方面的制約，主要面臨以下問題：

第一、開采方法及相關技術尚不成熟。天然氣水合物鉆完井技術還處于探索之中，勘探開采的理論和技術、運輸技術、儲藏技術等技術瓶頸都有待突破，尚沒有一種理論能夠科學全面地解釋天然氣水合物形成機理，開發(fā)利用也缺乏完整的理論體系指導，難以進行規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)生產設計。

第二、開采成本較高。根據(jù)日本石油天然氣金屬礦物資源機構的估算，從海底的天然氣水合物中每提取1立方米的天然氣，需要花費46 174日元，遠高于美國天然氣每立方米約10日元的開發(fā)成本，這是開發(fā)可燃冰資源不得不面對的問題，也是各國一再推遲商業(yè)開采時間表的重要原因。

第三、對環(huán)境帶來不利影響。雖然可燃冰的資源優(yōu)勢明顯，給人類能源前景帶來了福音，但同時在開發(fā)過程中勢必給環(huán)境及人類生活帶來影響，是一把雙刃劍。這樣就可能會產生一系列不可預知的環(huán)境問題，如溫室效應的加劇、海洋生態(tài)的變化及引起地質災害的可能。天然氣水合物的成分主要是甲烷，甲烷是一種強溫室氣體，溫室效應要比二氧化碳大21倍，目前探明全球可燃冰儲量的甲烷是大氣圈中甲烷的5 000倍，一旦可燃冰作為新型能源大量開采，則在開采如果開采中稍有不慎會向大氣中排放大量的甲烷氣體，這將進一步加劇全球的溫室效應。在海洋中開采可燃冰帶來的環(huán)境問題更多，一方面甲烷如果直接進入海水中，則會很快發(fā)生微生物的氧化反應，從而會改變海水的化學屬性，使得海洋缺氧，海水中的二氧化碳含量增加，喜氧生物群落將會面臨物種滅絕的危險，加速海洋生物的死亡，造成生物礁退化，進而破壞海洋生態(tài)平衡；另一方面在開采過程中，會分解大量的水，稀釋巖層空間，使得地層結構穩(wěn)定性變差，導致斜坡穩(wěn)定性降低，容易引發(fā)海底滑坡、海底坍塌等地質災害，如毀壞海底輸電或通信電纜和海洋石油鉆井平臺等設施。

6 結 論

當前，世界天然氣水合物的發(fā)展仍處于探索階段，進入實質性規(guī)模開發(fā)尚需時日?！笆濉币詠恚瑖翌C布了《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，在規(guī)劃中明確提出要“加大天然氣水合物資源勘查與評價力度，適時開展試開采工作”，將可燃冰的勘探、開采列入到國家未來發(fā)展規(guī)劃中，為我國可燃冰未來發(fā)展指明了方向。把握天然氣水合物資源開發(fā)主動權，建議從以下幾方面入手：

第一、核心技術公關，掌握國際開采趨勢。在勘探和開采方面，開展深入細致的基礎科學研究評價，分層次開展專項技術攻關和現(xiàn)場試驗，提高理論方法的可行性和可操作性，逐步形成具有自主知識產權的成套技術，搶占技術制高點，并學習國外相對成熟的技術，為下一步規(guī)模開發(fā)做好儲備。

第二、加強政府引導，戰(zhàn)略高度加強天然氣水合物研發(fā)。把天然氣水合物作為未來接替石油天然氣的重要后備資源來考慮，開展頂層設計，制定整體發(fā)展規(guī)劃，需要政府在政策和資金兩個層面提供大力支持，動員社會資本，助力可燃冰發(fā)展。

第三、加大國際研發(fā)合作與交流。我國天然氣水合物研究雖然處于世界一流地位，但仍與世界領先水平存在差距，迫切需要加強與相關國家、國際科研機構、國際大石油公司和技術服務公司的交流合作，進一步積累經驗和技術，提高在天然氣水合物資源開發(fā)方面的國際影響力。

第四、相關支持和優(yōu)惠政策，推進商業(yè)化進程。天然氣水合物的商業(yè)開發(fā)將給產業(yè)鏈的上中下游企業(yè)發(fā)展帶來新一輪的投資機會，需要大量的資本、人力的投入，從國家層面開展相關政策的前瞻性研究，在礦權頒布、開發(fā)政策、財稅政策等方面給予支持和優(yōu)惠，提高研發(fā)機構和企業(yè)參與開發(fā)的積極性，走在國際發(fā)展趨勢的前列，把握未來能源的命脈。

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