可燃冰易探難采

劉歆穎

不久前，來自日本的一則消息撩動公眾神經—其勘探機構從近海海底可燃冰中成功提取甲烷氣，標志該國商業開采可燃冰邁出關鍵一步。

可燃冰，這一時常見首不見尾的能源“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一并斬斷呢？對于這些問題的解答，有賴專業人員對著深深海底“懸絲把脈”。

橫空出世，炙手可熱

上世紀60年代，蘇聯科研人員在西伯利亞發現一個奇特天然氣田，在地下常規氣田上面的永久凍土層里，有一種可以燃燒的冰。這是人類首次在自然界發現可燃冰資源。當然這種物質不是純冰，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。這種籠狀結構在周圍壓力較高時可在0攝氏度以上形成。

固體可燃冰里藏有相當于自身體積近兩百倍的天然氣。如果可燃冰能保持固體狀態被開采出來，就為遠途運輸天然氣提供了一個新思路。很多天然氣資源遠離市場，因此輸送天然氣通常很不方便，需耗巨資鋪設管道，或在低溫高壓條件下液化天然氣并用昂貴的專用船只運送，對于產地附近的基礎設施也有不少要求。而能量密度增加將近兩百倍的可燃冰運輸起來就方便不少。即便開采后難以使可燃冰保持固體狀態，其蘊藏的天然氣也是重要化石能源。

美國立刻對這個發現表現出興趣，開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。但此后的詳細調查顯示，更多的可燃冰資源在海底。世界上有永久凍土的國家很有限，但掌握海疆的國家為數不少。這個發現立刻讓諸多國家眼前一亮，加拿大、日本、印度等國隨即開始勘探研究。中國在進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現豐富的可燃冰資源，還在南海北部找到品級很高的可燃冰，并組織專業人員進行開采及應用研究，計劃于2020年試采，2030年后開始商業開采。

臨淵羨魚，退而結網

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，在數十億年的歷史里，有無數生物死后葬身海底。這些生物在沉積層內逐漸被微生物分解，在一定條件下釋放甲烷。深海溫度常年在2至4攝氏度之間，所受壓力相當于幾十甚至數百個大氣壓，同時還有豐富的水，正好符合可燃冰的形成條件。海洋學界普遍知曉的數據顯示，海底可燃冰資源的分布非常廣泛，即便保守估計，海底蘊藏的可燃冰總量也超過目前已知的常規石油、煤炭和天然氣資源總和。在傳統化石能源逐漸枯竭，新發現儲量少于開采量，人們逐漸轉向非傳統化石能源等替代能源時，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。對此，研發人員主要提出三種開采思路：降低壓力、提高溫度、添加其他化學物質。減壓法，就是通過打井，把可燃冰儲層的壓力直接釋放，從而導致可燃冰分解，氣體通過管道收集；用加熱法可向井下灌注熱水導致可燃冰分解釋放甲烷；也可添加鹽、醇等化學制劑來破壞可燃冰的形成條件，這個方法其實早被人們用于消除天然氣輸送管道內凝結的可燃冰。還有人提出通過化學置換反應，用二氧化碳把固定在水分子籠里的甲烷“換”出來，開采天然氣的同時存儲人類排放的二氧化碳。

各種方案五花八門，不同的方法與不同的資源地質情況相對應。不過這些方法絕大多數仍處于模擬階段，很少實際應用。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知縣渥美半島70公里、深達千米的海底，嘗試用減壓法開采，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5年后可能進行商業化開采。消息傳來，立刻引起能源界聚焦，有媒體將其與扭轉美國本土市場天然氣供需關系的頁巖氣開采意義相提并論，甚至有分析認為意義更為深遠。

開采可燃冰面臨不少技術難題。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、海水的腐蝕等等都是需克服的技術問題。特別是目前發現的儲量豐富、富集度適當的海底可燃冰資源，大多分布在大陸架邊緣向深海過渡的地方，這就給開采設施的安裝、運行及管道鋪設也帶來不少麻煩。要解決這些問題，還需通過長時間工業實踐來積累經驗，從而逐漸找到降低開采成本的方法，使得可燃冰開采具有經濟性。

作繭自縛，不可不防

開采之外的氣候、地質問題則可能更加麻煩。進入工業時代以來，人類大量使用化石能源已導致海量二氧化碳排放，與此相關的氣候變化已開始影響人類生活。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強度是二氧化碳的20幾倍。如人類開采可燃冰造成甲烷大量泄漏，顯然會加劇目前日益嚴重的氣候變化問題。

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

另一個擔心看起來更加直觀。有研究人員推測海底沉積層內的可燃冰對于沉積層的穩定性有重要作用，可燃冰早已成為海底結構的一部分，有的甚至起到骨架支撐作用。如果發揮關鍵支撐作用的可燃冰被開采，那就有可能導致海底結構破壞，引發地震。同時海底結構被破壞后有可能導致周邊地區的可燃冰不穩定，導致大量甲烷釋放。

這可不是聳人聽聞。挪威附近海底在大約八千年前，曾發生海底沉積層大規模運動，大面積沉積層從大陸架邊緣滑向海底，運動距離達到800公里。這次巨大的海底地震可能導致高達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構所致。現有證據顯示，在阿拉斯加地區可能也曾發生過類似的史前地質事件。

沒有人愿意為了可燃冰開采承受這么大風險，人們必須對要開采的可燃冰附近地質結構有充分認識，采取足夠措施，有足夠把握避免類似的劇變發生之后，才能著手大規模商業化開采可燃冰。

可燃冰開采的必要性也是一個重要問題。可燃冰仍然是化石能源，即使能確保開采時不發生甲烷泄漏，也存在可燃冰燃燒后依然排放二氧化碳等問題。目前由于可以經濟開發的可再生能源總量仍然有限，化石能源的主導地位仍難以撼動，因此雖屬化石能源但比煤炭清潔的天然氣，至少在未來二三十年內將是替代煤炭的主力軍。不過如果大規模開發可燃冰的相關問題遲遲得不到解決，其商業化應用的時間拖到四五十年后甚至更久，在化石能源走向終結的末班列車上，就很可能不會看到可燃冰的身影。

（本文作者為科普作家）