凌君誼，楊再明，高海波

(1.上海海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200120；2.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

1 引言

可燃冰是在深海的高壓低溫條件下，大量水分子經(jīng)由氫鍵范德華力緊密結(jié)合建立的固態(tài)類冰狀結(jié)晶物質(zhì)[1]，最典型的水合物構(gòu)型有SⅠ、SⅡ和SH三種。每單元可燃冰包括8個(gè)甲烷分子和46個(gè)水分子即CH4∶H2O=1∶5.75，具有極強(qiáng)的儲(chǔ)氣能力，其完全燃燒后主要變?yōu)槎趸己退?/p>

在礦物能源枯竭的背景下，全球化石能源的儲(chǔ)量較低，雖然新能源的發(fā)展緩解了這一狀況，但其能源供應(yīng)比重較低，如圖1所示核能與水力發(fā)電所提供能源不足全球能源供應(yīng)的10%，主要能源供應(yīng)還是來自于煤炭，但在2005年版BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒中提到石油儲(chǔ)量為1619億t；天然氣儲(chǔ)量為179.5兆m3，僅能滿足全球41年的石油需求與66年的天然氣需求，所以開發(fā)另一能源迫在眉睫。全球可燃冰潛在儲(chǔ)量超過1.5×1016m3，并且放出的熱量達(dá)到煤氣的數(shù)倍(4.2×108J/kg)，其分布如圖2所示，由此可知可燃冰具有高效、儲(chǔ)量大等特性，并且據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)若可燃冰能進(jìn)行商業(yè)開采，僅儲(chǔ)量的15%就能滿足世界200年的能量消耗[2～6]。

圖1 不同燃料所能源提供所占比重(21世紀(jì))

圖2 世界可燃冰分布

因此可燃冰的開采與應(yīng)用直接影響世界各國(guó)歷史進(jìn)程的演變，未來可燃冰的商業(yè)開發(fā)前景也非常廣闊，可燃冰的研究尤其是開采和實(shí)際生活中的運(yùn)用對(duì)未來新能源領(lǐng)域具有重要的戰(zhàn)略意義[7]。

2 國(guó)內(nèi)外可燃冰發(fā)展政策

目前全球有30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)進(jìn)行可燃冰研究，尤其是美加日俄等國(guó)的開發(fā)研究處在領(lǐng)先地位，但目前的主流開采方法存在成本高以及效率低等問題，而且部分國(guó)家自身資源豐富，所以可燃冰的總體研究較緩慢，但并不影響其重要地位。

2.1 美國(guó)可燃冰研究計(jì)劃及進(jìn)展

美國(guó)于1934年最早發(fā)現(xiàn)可燃冰，并于1981年制定了可燃冰“十年”研究計(jì)劃，投入800多萬美元進(jìn)行研究，2005年將可燃冰開發(fā)的總撥款增加到1.55億美元。

在2014年年底設(shè)立 “深水甲烷可燃冰描述與科學(xué)評(píng)價(jià)”大型項(xiàng)目，其分為目標(biāo)站位優(yōu)選、研究計(jì)劃制訂、野外研究3個(gè)階段實(shí)施。并于2015年9月底完成了墨西哥灣某些可燃冰研究站位的初步評(píng)價(jià)。目前，由于頁巖氣發(fā)展迅速并且其開采技術(shù)成熟，美國(guó)放緩了可燃冰的開采計(jì)劃[7]。

2.2 日本可燃冰研究計(jì)劃及進(jìn)展

日本對(duì)可燃冰的關(guān)注超乎其他國(guó)家，因?yàn)槠鋰?guó)土狹小、能源短缺并且核電受挫，急需其他能源使日本擺脫能源進(jìn)口依賴。

自20世紀(jì)80 年代末日本鉆探獲得可燃冰樣品，發(fā)現(xiàn)其周邊海域可燃冰儲(chǔ)量可滿足自身100多年的天然氣需求。則在2012年日本首次在近海進(jìn)行商業(yè)性可燃冰開采[8]；2013 年3月 12日，MH21利用“地球號(hào)”探測(cè)船在愛知縣渥美半島進(jìn)行開采[9]，在6 d的時(shí)間內(nèi)累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)。

近年來，日本對(duì)可燃冰的研究腳步不斷加快，于2017年5月開始了海槽區(qū)(圖3)第二次海洋可燃冰試采研究，成功開采出天然氣。并計(jì)劃在2018年開發(fā)出成熟的可燃冰開采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

圖3 日本第二次可燃冰鉆探位置

2.3 俄羅斯可燃冰研究計(jì)劃及進(jìn)展

俄羅斯于1965年在西伯利亞凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)第一個(gè)可燃冰存儲(chǔ)區(qū)，試采于 1969 年開始，累計(jì)總產(chǎn)氣量約為1.29×1011m3，其中可燃冰約占 47% ，這是世界上可燃冰商業(yè)開采最成功的案例。之后在2007～2009年俄羅斯又與日本、比利時(shí)合作，在貝加爾湖進(jìn)行了多次天然氣水合物開采技術(shù)工藝試驗(yàn)[10]，圖4為貝加爾湖可燃冰巖心。

圖4 貝加爾湖可燃冰巖心

但由于本土擁有相對(duì)豐富的油氣資源，并且經(jīng)濟(jì)發(fā)展受限，俄羅斯的可燃冰研究?jī)H在巴倫支海和鄂霍茨克海等海域進(jìn)行，但其開采技術(shù)的研究依然處于世界領(lǐng)先地位。

2.4 中國(guó)可燃冰研究計(jì)劃及進(jìn)展

我國(guó)對(duì)可燃冰的研究和開采運(yùn)用起步比較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，我國(guó)對(duì)可燃冰的研究晚了30年。

2002年我國(guó)啟動(dòng)可燃冰的研究和勘探工作，2004年我國(guó)繪制首份凍土帶可燃冰分布圖并隨后進(jìn)行首次凍土帶可燃冰鉆探，我國(guó)2007年于南海北部海域發(fā)現(xiàn)大量可燃冰層，2013年于南海廣東海域開采出高純度可燃冰樣品，2008年我國(guó)在海拔4500 m的祁連山南部發(fā)現(xiàn)可燃冰，我國(guó)也是第一個(gè)在中低緯度凍土層探測(cè)并發(fā)現(xiàn)可燃冰的國(guó)家。

2017年9月, 我國(guó)“科學(xué)”號(hào)科考船在我國(guó)南海首次發(fā)現(xiàn)了裸露在海底的可燃冰并在同年五月于藍(lán)鯨一號(hào)(如圖5所示)鉆井平臺(tái)上試采成功并創(chuàng)造了產(chǎn)氣時(shí)長(zhǎng)和總量的世界紀(jì)錄。

圖5 藍(lán)鯨一號(hào)

但這些試采研究的成功，也只是證實(shí)了現(xiàn)有技術(shù)可以從自然界可燃冰藏采出天然氣。整體上看，我國(guó)可燃冰開采研究處于探索階段，仍需要加速攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)可燃冰商業(yè)開發(fā)。

2.5 加拿大可燃冰研究計(jì)劃及進(jìn)展

從20世紀(jì)70年代加拿大就開始了可燃冰相關(guān)研究，在80年代制訂具有重要戰(zhàn)略意識(shí)的開發(fā)計(jì)劃。 1972年，加拿大在Mallik地區(qū)鉆Mallik L-38井時(shí)，發(fā)現(xiàn)了可燃冰的存在。1998年，加拿大與日本合作，在西北Mackenzie三角洲進(jìn)行了可燃冰取樣。隨后在2002年和2008年又2次在該地區(qū)進(jìn)行了試采。

但是由于可燃冰的研究難度巨大且費(fèi)用高昂并受美國(guó)頁巖氣快速發(fā)展的影響，所以加拿大聯(lián)邦政府在新的財(cái)政年度開始時(shí)終止向可燃冰研究項(xiàng)目的撥款，加上自身油氣資源豐富，加拿大水合物發(fā)展計(jì)劃有所擱置。

3 可燃冰的開采技術(shù)

可燃冰開采技術(shù)的本質(zhì)是改變可燃冰的動(dòng)態(tài)平衡(即環(huán)境溫度、壓力等)，使其分解成甲烷氣體。

開采主要方法有降壓法，如圖6所示，即調(diào)節(jié)由可燃冰中收取的甲烷速率用于控制可燃冰層的壓力。俄羅斯麥索亞哈可燃冰采用此方法進(jìn)行了17年開采并獲取30億m3甲烷氣體。

圖6 降壓法示意圖[10]

化學(xué)抑制劑法即利用化學(xué)試劑如鹽水等調(diào)節(jié)甲烷的收取速度，其示意圖如圖7所示。但是由于試劑費(fèi)用高昂且容易造成對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染所以運(yùn)用較少。俄羅斯麥索亞哈用此法使其產(chǎn)量增加四倍，但其價(jià)格昂貴，不適合商業(yè)開發(fā)。

圖7 化學(xué)抑制法示意圖[10]

二氧化碳和甲烷置換法是指在特定的壓力區(qū)間，用CO2置換可燃冰儲(chǔ)層中的CH4，如圖8所示。此法美國(guó)于2012年與日本在阿拉斯加北坡Prudhoe灣區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開采成功。此外還有循環(huán)蒸汽激勵(lì)法、雙水平井熱水注入法、部分氧化法、電加熱輔助降壓法、二氧化碳輔助降壓法、冷鉆熱采技術(shù)、工業(yè)廢氣置換等。

圖8 氧化碳和甲烷置換法[10]

而且我國(guó)在南海開采可燃冰還運(yùn)用了自主創(chuàng)新技術(shù)包括窄密度窗口平衡鉆井技術(shù)、深水淺層井口穩(wěn)定技術(shù)、松軟復(fù)雜礦體開發(fā)技術(shù)、水力割縫儲(chǔ)層改造技術(shù)、水合物二次生成預(yù)防技術(shù)、完井與測(cè)試系統(tǒng)集成技術(shù)、精準(zhǔn)內(nèi)波預(yù)測(cè)技術(shù)、粉砂質(zhì)可燃冰儲(chǔ)層試采防砂技術(shù)等。

4 可燃冰開采技術(shù)瓶頸

2018年8月25日召開的能源大轉(zhuǎn)型高層論壇上，自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局副局長(zhǎng)李金發(fā)表示，未來將科學(xué)組織實(shí)施“可燃冰”試采。2020年，實(shí)現(xiàn)“日產(chǎn)3萬方，持續(xù)一個(gè)月”的擴(kuò)量生產(chǎn)試采目標(biāo)；2023年前，實(shí)現(xiàn)“日產(chǎn)4萬方，持續(xù)一個(gè)月”的生產(chǎn)性試采目標(biāo)；2030年前，初步建成“可燃冰”年生產(chǎn)能力10億m3以上的資源勘查開發(fā)示范基地。這標(biāo)志著我國(guó)可燃冰的商業(yè)化應(yīng)用已穩(wěn)穩(wěn)的站在了其跑線上，但仍存在著一系列的問題與技術(shù)瓶頸[18]。

4.1 環(huán)境問題

可燃冰雖然被稱之為清潔能源，但其開采過程中因可燃冰氣體不穩(wěn)定性所釋放出CH4導(dǎo)致全球變暖這一環(huán)境問題是不可避免的[19]。

在開采過程中都會(huì)釋放出大量的CH4，而且不同于其他溫室氣體，其造成的溫室效應(yīng)是CO2的10～20倍[20]。再加上可燃冰的儲(chǔ)量巨大，目前已發(fā)現(xiàn)的可燃冰蘊(yùn)含的CH4總量大致是大氣中數(shù)量的3000倍[20]。 所以可燃冰一旦商業(yè)化應(yīng)用，其開采時(shí)所產(chǎn)生的排放將會(huì)成為造成溫室效應(yīng)的主要原因[21]。

盡管研究表明無論是分布在大陸永久凍土、島嶼的斜坡地帶、活動(dòng)和被動(dòng)大陸邊緣的隆起處以及極地大陸架等環(huán)境的可燃冰都是處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但是至今都沒有較好的方法在開采過程中直接影響可燃冰的解離率[22～24]。

除此之外，還存在海洋酸化、海底不穩(wěn)定所產(chǎn)生的海嘯、海底泥流以及海洋塌方等環(huán)境問題。

4.2 經(jīng)濟(jì)問題

可燃冰的經(jīng)濟(jì)問題主要是其開采成本高，因可燃冰的不穩(wěn)定性且儲(chǔ)存環(huán)境較特殊，所以其成本偏高。表1為各國(guó)開采可燃冰的成本。

表1 各國(guó)可燃冰開發(fā)成本

從表2中可看出可燃冰的開采成本除美國(guó)外，其他國(guó)家的開采成本極高。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是日本與中國(guó)大多是從海底開采可燃冰[26～28]。除此之外，由參考文獻(xiàn)[25]中Walsh教授的建模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[29～31]，如表3所示，可燃冰的開采成本比傳統(tǒng)氣體資源開采成本高出3.5～4$/Mscf。所以可燃冰的應(yīng)用不得不面對(duì)開采成本高這一嚴(yán)峻問題。

表2 Walsh建模實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 對(duì)我國(guó)可燃冰開采研究展望

我國(guó)對(duì)可燃冰的認(rèn)識(shí)和研究不到20年，總體落后了發(fā)達(dá)國(guó)家近30年，對(duì)于可燃冰的勘探、形成機(jī)理等基礎(chǔ)理論依然處于初級(jí)階段, 與國(guó)際先進(jìn)水平仍存在一定差距。我國(guó)可以按照美國(guó)的公司和大學(xué)合作方式，制定符合我國(guó)可燃冰研發(fā)規(guī)劃和技術(shù)道路,促進(jìn)我國(guó)大學(xué)、研究院所、公司等機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一研發(fā)工作,構(gòu)建由企業(yè)、高校和研究院所組成的一體化研發(fā)團(tuán)隊(duì)，加快對(duì)可燃冰基礎(chǔ)知識(shí)的研究和可燃冰相關(guān)技術(shù)的研發(fā),突破關(guān)鍵理論和技術(shù)瓶頸，在可燃冰的基本物化性質(zhì)及其測(cè)試技術(shù)、勘探技術(shù)、取樣技術(shù)、開采技術(shù)、儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、實(shí)用技術(shù)等方面設(shè)立國(guó)家層次研發(fā)計(jì)劃,加大政策和資金支持力度,爭(zhēng)取早日取得關(guān)鍵理論和技術(shù)的突破，加強(qiáng)與美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行科研機(jī)構(gòu)交流合作。

6 結(jié)論

本文介紹了可燃冰在美日中俄加五國(guó)的研究進(jìn)展以及可燃冰的開采技術(shù)，雖然可燃冰的發(fā)展較迅速，但現(xiàn)階段可燃冰開發(fā)仍面臨環(huán)境污染與開采成本高這兩大難題，而且我國(guó)由于發(fā)展時(shí)間較短，這一方面的研究與其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比較落后，所以應(yīng)加速攻關(guān)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)可燃冰真正的商業(yè)化。