■ 高大統(tǒng)

“可燃冰”的工業(yè)化開采前景可期

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“可燃冰”不是冰，而是一種自然存在的微觀結(jié)構(gòu)為籠型的化合物，它的分子式現(xiàn)已被證實為CH4·8H2O，即為一個甲烷分子被包圍在8個水分子所形成的籠型結(jié)構(gòu)中?！翱扇急笔怯杉淄楹退诟邏海?兆帕斯卡以上）低溫(0℃～10℃)條件下形成的一種類冰狀白色固體燃料。 “可燃冰”是它的俗稱，因其外觀結(jié)構(gòu)像冰一樣，而且遇火即可燃燒而得名，所以，這種天然氣水合物又被稱為“固體瓦斯”或“氣冰”。

天然氣水合物的鉆采是非常規(guī)天然氣開發(fā)中的世界性難題。在不可再生能源日益消耗的今天，許多國家和地區(qū)都在著手研究這種天然氣水合物——“可燃冰”的開采方法。在國際上，“可燃冰”被公認為石油、天然氣的接替能源，是一種被稱為能滿足人類使用1000年的新能源，具有廣闊的開發(fā)前景。

正在燃燒的“可燃冰”

“可燃冰”的前程不可限量

“可燃冰”儲量非常可觀。地球上大約有27%的陸地具備形成“可燃冰”的條件，同時在世界水域中約有90%的面積也屬這樣的潛在區(qū)域。國土資源部地質(zhì)勘查司副司長車長波說：“天然氣水合物量很大，全世界公認的應(yīng)該有1015立方米轉(zhuǎn)化成天然氣氣體，有這么大的量。我們知道常規(guī)天然氣世界上的量是4.3×1014立方米，頁巖氣是1.87×1014立方米，煤層氣是2.60×1014立方米它們加起來還沒有達到1015立方米總值?！?/p>

“可燃冰”是一種高效清潔能源?！翱扇急比紵裏嶂蹈?，燃燒產(chǎn)生的能量比相同質(zhì)量的普通化石燃料要多出數(shù)十倍。1立方米的“可燃冰”分解后在標準狀況下可生成164～180立方米的天然氣。因其燃燒值高，使用方便，未來“可燃冰”大規(guī)模開采后，居民家里的灶臺、熱水器完全可以用“可燃冰”來替代天然氣，甚至“可燃冰”還可替代汽油、柴油、天然氣，為汽車等提供動力能源。但這并不意味著“可燃冰”可以直接使用?！翱扇急笔撬吞烊粴庠诟邏汉偷蜏貤l件下混合產(chǎn)生的一種固態(tài)物質(zhì)，如果不能保證足夠的高壓、低溫和適宜的貯存設(shè)備，“可燃冰”就會迅速融化為水和甲烷，甲烷氣體將會“溜走”。

“可燃冰”是21世紀的綠色能源之一?！翱扇急比紵髢H會生成少量的二氧化碳和水，污染也要比普通化石燃料小很多。作為21世紀極具開發(fā)潛力的新型戰(zhàn)略資源，“可燃冰”成為許多國家和國際組織關(guān)注的熱點。

天然氣水合物開發(fā)利用示意圖

國外的勘探研究取得的進展

就全球來說，除了中國外，還有80多個國家和地區(qū)正在進行“可燃冰”的研究與調(diào)查勘探。

2012年2～4月，美國能源部與康菲石油公司、日本國家石油天然氣和金屬公司等進行合作，運用CO2-CH4置換法，在美國阿拉斯加北坡的凍土區(qū)進行試驗開采，成功實現(xiàn)了開采甲烷的同時有效封存了二氧化碳。

2013年3月12日，日本在愛知縣東南部的海槽進行了“可燃冰”的試采。在這一次生產(chǎn)性試驗中，日本首次實現(xiàn)在海域水合物中開采出甲烷，6天累計產(chǎn)量13萬立方米。在全球范圍內(nèi)這也是第一次。不過，此次試采因出砂堵塞等技術(shù)問題最終失敗。

2017年4月，日本組織千代田公司（Chiyoda.Cop）等50家公司，針對“可燃冰”進行第二次海洋生產(chǎn)性試驗。第一口試采井累計產(chǎn)氣3.5萬立方米。5月15日再次因出砂堵塞問題而中止產(chǎn)氣。

就目前來看，在“可燃冰”的基礎(chǔ)研究、勘探和鉆探試驗等環(huán)節(jié)，盡管美國、日本等處于世界領(lǐng)先地位，但他們尚沒有形成可靠、完美的方法和方案，都未能實現(xiàn)“可燃冰”的大規(guī)模開采。

我國實現(xiàn)“可燃冰”開采技術(shù)的新突破

在剛剛過去的2017年5月，我國在南海“神狐”海域進行天然氣水合物試開采，這也是世界首次成功實現(xiàn)開發(fā)難度最大的泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物安全可控開采。

之所以本次“可燃冰”的開采難度大，首先是由于其埋藏于海底，且海底地層松軟。開采過程中既要保持井柱的穩(wěn)定，又不能破壞水合物的儲層。若施加重型機械，則極易引發(fā)海底床層大規(guī)模坍塌。其次，該地區(qū)砂型較細，含泥量大，造成滲透率大幅降低，會對產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。

此次“神狐”海域“可燃冰”的試采成功，標志著我國成為全球第一個實現(xiàn)了在海域“可燃冰”試開采中獲得連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣的國家。本次開采方式采用了降壓法開采，并使用了我國獨創(chuàng)的“水-泥-氣分離技術(shù)”。如下圖所示。雖然該方法在大規(guī)模天然氣水合物開采中已被多個國家使用，但可控連續(xù)的開采在世界范圍內(nèi)尚屬首次。

南?！吧窈焙Ｓ虺晒崿F(xiàn)天然氣水合物開采的事實證明，在理論基礎(chǔ)和相關(guān)技術(shù)方面我國取得了前所未有的成功，意味著我國在開采“可燃冰”領(lǐng)域占據(jù)了世界首要地位，實現(xiàn)了能源勘察開發(fā)領(lǐng)域從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的歷史性跨越。

另外，中國吉林大學(xué)的科研團隊從2004年開始開展陸域“可燃冰”鉆采項目研發(fā)，在長達12年的技術(shù)攻關(guān)過程中，科研人員攻克了高海拔和嚴寒地區(qū)施工等多項技術(shù)難題，成功研發(fā)了國內(nèi)外首創(chuàng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“可燃冰”冷鉆熱采關(guān)鍵技術(shù)，也得到了普遍關(guān)注。

降壓法開采天然氣水合物示意圖

“可燃冰”工業(yè)化開采面臨挑戰(zhàn)

在技術(shù)上，“可燃冰”的開采主要使用降壓法、熱激發(fā)法和CO2-CH4置換法等。一旦在開采技術(shù)方面獲得突破性的進展，那么，這種天然氣水合物將迅速成為21世紀的主要能源。但面臨的困難也十分嚴峻。

雖然中國已經(jīng)宣布“可燃冰”的試采成功，但要實現(xiàn)像傳統(tǒng)的石油和天然氣那樣大規(guī)模開采尚有很大的距離，因此目前“可燃冰”還不能作為一種資源加以利用。美國能源部公布的資料顯示，目前“可燃冰”開采成本平均每立方米高達200美元，即使按照1立方米“可燃冰”可轉(zhuǎn)化164立方米的天然氣來換算，其成本也在每立方米1美元以上，這遠高于通過成熟技術(shù)開采常規(guī)天然氣的成本。

另外，在給人類帶來新的能源前景的同時，“可燃冰”對人類的生存環(huán)境也提出了非常嚴峻的挑戰(zhàn)。在開采過程中若稍有不慎，一旦讓甲烷“逃逸”到大氣中去，將會給人類造成難以挽回的嚴重后果。一個客觀事實是，甲烷的溫室效應(yīng)指數(shù)是二氧化碳的24倍，如果“可燃冰”大規(guī)模開采導(dǎo)致甲烷擴散，溫室效應(yīng)造成的異常氣候和海面上升，將嚴重威脅人類的生存。

更嚴重的問題在于，這種固結(jié)在海底沉積物中的水合物，千百年來已經(jīng)適應(yīng)了自己的“居住”環(huán)境，一旦人為地讓它們的生存條件發(fā)生改變，甲烷氣如果從水合物中釋放出來，沉積層的物理性質(zhì)就會隨之發(fā)生改變——該水合物的存在能夠保持沉積層的機械穩(wěn)定性。假設(shè)人為把它分解掉了，就會極大地降低海底沉積物的力學(xué)穩(wěn)定性，整體就變成松散的分解體，由此可能導(dǎo)致海底滑坡、滑嘯等突發(fā)性災(zāi)害，以及毀壞海底工程設(shè)施。因此，對這種天然氣水合物的開發(fā)，態(tài)度需極度審慎。