易探難采的可燃冰

橡樹(shù)村

不久前，來(lái)自日本的一則消息撩動(dòng)公眾神經(jīng)——其勘探機(jī)構(gòu)從近海海底可燃冰中成功提取甲烷氣，標(biāo)志該國(guó)商業(yè)開(kāi)采可燃冰邁出關(guān)鍵一步。

可燃冰，這一時(shí)常見(jiàn)首不見(jiàn)尾的能源“新貴”究竟有何家世淵源？“近海海底”這四字是否意味著它與人們近在咫尺？它能否如“倚天”利刃一般，一旦出鞘就將諸多能源死結(jié)一并斬?cái)嗄兀繉?duì)于這些問(wèn)題的解答，有賴(lài)專(zhuān)業(yè)人員對(duì)著深深海底“懸絲把脈”。

橫空出世 炙手可熱

上世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)科研人員在西伯利亞發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇特天然氣田，在地下常規(guī)氣田上面的永久凍土層里，有一種可以燃燒的冰。這是人類(lèi)首次在自然界發(fā)現(xiàn)可燃冰資源。當(dāng)然這種物質(zhì)不是純冰，而是甲烷、乙烷等天然氣小分子被固定在水分子組成的晶體籠子里形成的天然氣水合物。這種籠狀結(jié)構(gòu)在周?chē)鷫毫^高時(shí)可在零攝氏度以上形成。

固體可燃冰里藏有相當(dāng)于自身體積近200倍的天然氣。如果可燃冰能保持固體狀態(tài)被開(kāi)采出來(lái)，就為遠(yuǎn)途運(yùn)輸天然氣提供了一個(gè)新思路。很多天然氣資源遠(yuǎn)離市場(chǎng)，因此輸送天然氣通常很不方便，需耗巨資鋪設(shè)管道，或在低溫高壓條件下液化天然氣并用昂貴的專(zhuān)用船只運(yùn)送，對(duì)于產(chǎn)地附近的基礎(chǔ)設(shè)施也有不少要求。而能量密度增加將近200倍的可燃冰運(yùn)輸起來(lái)就方便不少。即便開(kāi)采后難以使可燃冰保持固體狀態(tài)，其蘊(yùn)藏的天然氣也是重要化石能源。

美國(guó)立刻對(duì)這個(gè)發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)出興趣，開(kāi)始在自己的極地凍土帶尋找可燃冰，很快就在阿拉斯加尋獲豐富的可燃冰。但此后的詳細(xì)調(diào)查顯示，更多的可燃冰資源在海底。世界上有永久凍土的國(guó)家很有限，但掌握海疆的國(guó)家為數(shù)不少。這個(gè)發(fā)現(xiàn)立刻讓諸多國(guó)家眼前一亮，加拿大、日本、印度等國(guó)隨即開(kāi)始勘探研究。中國(guó)在進(jìn)入新千年后積極加入這一行列，不僅在青藏高原永久凍土層發(fā)現(xiàn)豐富的可燃冰資源，還在南海北部找到品級(jí)很高的可燃冰，并組織專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行開(kāi)采及應(yīng)用研究，計(jì)劃于2020年試采，2030年后開(kāi)始商業(yè)開(kāi)采。

臨淵羨魚(yú) 退而結(jié)網(wǎng)

與陸地相比，海底是更適合生成可燃冰的遼闊溫床。可燃冰的形成需甲烷、水、合適的溫度和壓力共同作用。海洋生物資源豐富，在數(shù)十億年的歷史里，有無(wú)數(shù)生物死后葬身海底。這些生物在沉積層內(nèi)逐漸被微生物分解，在一定條件下釋放甲烷。深海溫度常年在2-4攝氏度之間，所受壓力相當(dāng)于幾十甚至數(shù)百個(gè)大氣壓，同時(shí)還有豐富的水，正好符合可燃冰的形成條件。海洋學(xué)界普遍知曉的數(shù)據(jù)顯示，海底可燃冰資源的分布非常廣泛，即便保守估計(jì)，海底蘊(yùn)藏的可燃冰總量也超過(guò)目前已知的常規(guī)石油、煤炭和天然氣資源總和。在傳統(tǒng)化石能源逐漸枯竭，新發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)量少于開(kāi)采量，人們逐漸轉(zhuǎn)向非傳統(tǒng)化石能源等替代能源時(shí)，海底可燃冰資源自然不容小覷。

可燃冰的形成條件比較苛刻，所以只要破壞若干形成條件，就有望使可燃冰中的甲烷釋放出來(lái)。對(duì)此，研發(fā)人員主要提出三種開(kāi)采思路：降低壓力、提高溫度、添加其他化學(xué)物質(zhì)。減壓法，就是通過(guò)打井，把可燃冰儲(chǔ)層的壓力直接釋放，從而導(dǎo)致可燃冰分解，氣體通過(guò)管道收集；用加熱法可向井下灌注熱水導(dǎo)致可燃冰分解釋放甲烷；也可添加鹽、醇等化學(xué)制劑來(lái)破壞可燃冰的形成條件，這個(gè)方法其實(shí)早被人們用于消除天然氣輸送管道內(nèi)凝結(jié)的可燃冰。還有人提出通過(guò)化學(xué)置換反應(yīng)，用二氧化碳把固定在水分子籠里的甲烷“換”出來(lái)，開(kāi)采天然氣的同時(shí)存儲(chǔ)人類(lèi)排放的二氧化碳。

各種方案五花八門(mén)，不同的方法與不同的資源地質(zhì)情況相對(duì)應(yīng)。不過(guò)這些方法絕大多數(shù)仍處于模擬階段，很少實(shí)際應(yīng)用。在這方面，資源匱乏、海疆豐富的日本走在了前列。2012年日本率先在距離愛(ài)知縣渥美半島70公里、深達(dá)千米的海底，嘗試用減壓法開(kāi)采，并在2013年3月宣布從海底可燃冰層中成功提取甲烷氣，還宣布五年后可能進(jìn)行商業(yè)化開(kāi)采。消息傳來(lái)，立刻引起能源界聚焦，有媒體將其與扭轉(zhuǎn)美國(guó)本土市場(chǎng)天然氣供需關(guān)系的頁(yè)巖氣開(kāi)采意義相提并論，甚至有分析認(rèn)為意義更為深遠(yuǎn)。

開(kāi)采可燃冰面臨不少技術(shù)難題。由于形成條件的限制，海底可燃冰資源都分布在水深至少數(shù)百米，埋藏深度又是幾百米的沉積層下面。海底的溫度、壓力、海水的腐蝕等都是需克服的技術(shù)問(wèn)題。特別是目前發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)量豐富、富集度適當(dāng)?shù)暮５卓扇急Y源，大多分布在大陸架邊緣向深海過(guò)渡的地方，這就給開(kāi)采設(shè)施的安裝、運(yùn)行及管道鋪設(shè)也帶來(lái)不少麻煩。要解決這些問(wèn)題，還需通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工業(yè)實(shí)踐來(lái)積累經(jīng)驗(yàn)，從而逐漸找到降低開(kāi)采成本的方法，使得可燃冰開(kāi)采具有經(jīng)濟(jì)性。

作繭自縛 不可不防

開(kāi)采之外的氣候、地質(zhì)問(wèn)題則可能更加麻煩。進(jìn)入工業(yè)時(shí)代以來(lái)，人類(lèi)大量使用化石能源已導(dǎo)致海量二氧化碳排放，與此相關(guān)的氣候變化已開(kāi)始影響人類(lèi)生活。甲烷是可燃冰中的主要有用成分。如以百年為限，甲烷在地球大氣中的溫室效應(yīng)強(qiáng)度是二氧化碳的20多倍。如人類(lèi)開(kāi)采可燃冰造成甲烷大量泄漏，顯然會(huì)加劇目前日益嚴(yán)重的氣候變化問(wèn)題。

實(shí)際上，自然界中的不少甲烷泄漏就來(lái)源于可燃冰的分解。與常規(guī)天然氣甚至頁(yè)巖氣資源不同，封閉可燃冰的地底巖層并不十分致密，有很多縫隙，氣體完全可能通過(guò)這些縫隙泄漏釋放。此前已有科研人員發(fā)現(xiàn)，由于氣候變化導(dǎo)致凍土層融化，引發(fā)可燃冰分解，甲烷“出籠”。地質(zhì)史上也有可燃冰大量快速分解的例子可循。

另一個(gè)擔(dān)心看起來(lái)更加直觀。有研究人員推測(cè)海底沉積層內(nèi)的可燃冰對(duì)于沉積層的穩(wěn)定性有重要作用，可燃冰早已成為海底結(jié)構(gòu)的一部分，有的甚至起到骨架支撐作用。如果發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用的可燃冰被開(kāi)采，那就有可能導(dǎo)致海底結(jié)構(gòu)破壞，引發(fā)地震。同時(shí)海底結(jié)構(gòu)被破壞后有可能導(dǎo)致周邊地區(qū)的可燃冰不穩(wěn)定，導(dǎo)致大量甲烷釋放。

這可不是聳人聽(tīng)聞。挪威附近海底在大約八千年前，曾發(fā)生海底沉積層大規(guī)模運(yùn)動(dòng)，大面積沉積層從大陸架邊緣滑向海底，運(yùn)動(dòng)距離達(dá)到800公里。這次巨大的海底地震可能導(dǎo)致高達(dá)25米的海嘯。這次事件很可能就是可燃冰大量分解破壞海底結(jié)構(gòu)所致。現(xiàn)有證據(jù)顯示，在阿拉斯加地區(qū)可能也曾發(fā)生過(guò)類(lèi)似的史前地質(zhì)事件。

沒(méi)有人愿意為了可燃冰開(kāi)采承受這么大風(fēng)險(xiǎn)，人們必須對(duì)要開(kāi)采的可燃冰附近地質(zhì)結(jié)構(gòu)有充分認(rèn)識(shí)，采取足夠措施，有足夠把握避免類(lèi)似的劇變發(fā)生之后，才能著手大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)采可燃冰。

可燃冰開(kāi)采的必要性也是一個(gè)重要問(wèn)題。可燃冰仍然是化石能源，即使能確保開(kāi)采時(shí)不發(fā)生甲烷泄漏，也存在可燃冰燃燒后依然排放二氧化碳等問(wèn)題。目前由于可以經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的可再生能源總量仍然有限，化石能源的主導(dǎo)地位仍難以撼動(dòng)，因此雖屬化石能源但比煤炭清潔的天然氣，至少在未來(lái)二三十年內(nèi)將是替代煤炭的主力軍。不過(guò)如果大規(guī)模開(kāi)發(fā)可燃冰的相關(guān)問(wèn)題遲遲得不到解決，其商業(yè)化應(yīng)用的時(shí)間拖到四五十年后甚至更久，在化石能源走向終結(jié)的末班列車(chē)上，就很可能不會(huì)看到可燃冰的身影。