清潔能源可燃冰研究現(xiàn)狀與前景

(黑龍江省節(jié)能技術(shù)服務(wù)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(nèi)，它是由天然氣與水長(zhǎng)期在高壓和低溫條件下形成的一種固態(tài)類冰狀結(jié)晶物質(zhì)。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(rèn)為是繼石油之后的一種新型能源燃料，具有很高的研究?jī)r(jià)值。目前，各國(guó)政府和能源專家對(duì)可燃冰的研究發(fā)展十分的關(guān)注，全球已有30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)進(jìn)行了天然氣水合物的研究，美國(guó)、加拿大、俄羅斯、日本等國(guó)家整體上處于領(lǐng)先地位。我國(guó)從上世紀(jì)80年代開始對(duì)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(jìn)水平。

1 可燃冰的形成

可燃冰最早是由英國(guó)化學(xué)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(xì)菌吞食動(dòng)植物等有機(jī)物殘留遺體時(shí)分泌釋放出甲烷氣，且深海下水溫較低，壓力較高，導(dǎo)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(gè)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(chǔ)量及分布

可燃冰受其性質(zhì)、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(nèi)陸湖的深水環(huán)境、島嶼的斜坡地帶、活動(dòng)和被動(dòng)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(dāng)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(guó)東海岸外的布萊克海臺(tái)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(guó)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(nèi)的黑海與里海等[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球累計(jì)約有超過230個(gè)天然氣水合物礦區(qū)被發(fā)現(xiàn)。

我國(guó)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(guó)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(dú)特的形成條件和存在環(huán)境，決定了對(duì)其勘探識(shí)別和開發(fā)利用研究存在一定的難度，目前，針對(duì)勘查識(shí)別天然氣水合物的技術(shù)主要有地球物理識(shí)別、地球化學(xué)識(shí)別等技術(shù)手段。地球物理識(shí)別技術(shù)主要包括地震與測(cè)井識(shí)別技術(shù)。地球化學(xué)識(shí)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(xué)科綜合勘探是天然氣水合物勘探的發(fā)展方向。

目前對(duì)可燃冰的開采基本上處于研究、試驗(yàn)階段，尚沒有可靠、完美的方法和方案。國(guó)際上主流的開發(fā)方法主要有熱激發(fā)法、減壓法、化學(xué)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(chǎn)效率低、開采條件要求高、所用材料昂貴、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大等，仍需要進(jìn)一步的發(fā)展和完善。

4 可燃冰研究開發(fā)現(xiàn)狀

4.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

全球已經(jīng)有30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)開展了天然氣水合物的研究調(diào)查與勘探。國(guó)外天然氣水合物開發(fā)研究已進(jìn)入探索試驗(yàn)及開采階段，實(shí)驗(yàn)測(cè)試和勘查識(shí)別技術(shù)相對(duì)成熟，水合物安全開采技術(shù)尚處于探索階段。尤其以美國(guó)、加拿大、日本、俄羅斯等國(guó)的開發(fā)研究處于領(lǐng)先地位，韓國(guó)、印度等國(guó)也都進(jìn)行了深入研究，在海底水合物開采方面特別是日本已經(jīng)取得一定突破。

美國(guó)是開展對(duì)天然氣水合物開發(fā)研究最早的國(guó)家，從上世紀(jì)60年代以來就開展了相關(guān)勘探研究工作，最早由其創(chuàng)立確定的識(shí)別海洋天然氣水合物的地震標(biāo)志——似海底反射層(Bottom Simulating Reflectors，BSR)被廣泛應(yīng)用；1981年制訂天然氣水合物10年研究計(jì)劃投入800萬美元；1998年把天然氣水合物作為國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃，每年投入 2000萬美元；2001年對(duì)阿拉斯加北坡天然氣水合物儲(chǔ)層特征、能源潛力展開了評(píng)估和研究；2005年在墨西哥灣海域?qū)嵤┝艘?guī)模性的鉆探、勘察工作進(jìn)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(guó)康菲公司在阿拉斯加陸上北坡凍土區(qū)進(jìn)行了二氧化碳置換甲烷水合物生產(chǎn)試驗(yàn)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(guó)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(gè)掌握海底可燃冰采掘技術(shù)的國(guó)家。2012年2月，第一次在日本近海進(jìn)行商業(yè)性鉆探；2013年3月12日，日本 “地球號(hào)”探測(cè)船在愛知縣渥美半島附近約1 000 m的海底深處進(jìn)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(jì)劃在2018年開發(fā)出成熟技術(shù)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

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(guó)、日本合作，在該地區(qū)實(shí)施了世界首個(gè)陸上凍土區(qū)天然氣水合物鉆探工程；2002年加拿大與美國(guó)、日本、印度、德國(guó)五國(guó)合作，采用加熱法對(duì)天然氣水合物進(jìn)行試驗(yàn)性開采，最大產(chǎn)氣速率達(dá)到1 500 m3/r；2008年加拿大與日本合作進(jìn)行了天然氣水合物第二次開發(fā)試驗(yàn)，采用降壓法進(jìn)行試采139 h，累計(jì)產(chǎn)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(gè)天然氣水合物氣藏，試采于1969年開始，累計(jì)總產(chǎn)氣量約129億m3，其中天然氣水合物產(chǎn)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(shí)合作，在貝加爾湖進(jìn)行了5次天然氣水合物開采技術(shù)工藝試驗(yàn)。

此外，韓國(guó)在2007年取得天然氣水合物實(shí)物樣品，計(jì)劃于2015年進(jìn)行試驗(yàn)開采。印度于1997年開展了天然氣水合物資源評(píng)價(jià)等工作，并于2006年取得水合物實(shí)物樣品，保守估計(jì)資源量為1 894萬億m3。澳大利亞、法國(guó)、德國(guó)、挪威、阿根廷等國(guó)家和部分國(guó)際組織也開展了有關(guān)天然氣水合物資源量調(diào)查、環(huán)境安全和開采技術(shù)儲(chǔ)備等工作[5-8]。

4.2 我國(guó)研究現(xiàn)狀

我國(guó)最早從上世紀(jì)80年代末就有對(duì)天然氣水合物的研究，1990年中國(guó)科學(xué)院與莫斯科大學(xué)凍土專業(yè)學(xué)者合作開展室內(nèi)可燃冰相關(guān)試驗(yàn)；1999年國(guó)土資源部正式啟動(dòng)了天然氣水合物資源調(diào)查的相關(guān)研究；2007年5月，在南海北部神狐海域我國(guó)首次成功鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品，證實(shí)該區(qū)域蘊(yùn)藏了豐富的天然氣水合物資源，成為繼美國(guó)、日本、印度之后第四個(gè)以國(guó)家級(jí)研發(fā)計(jì)劃為支撐采獲到實(shí)物樣品的國(guó)家，標(biāo)志著我國(guó)天然氣水合物調(diào)查研究水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列；2008-2011年在祁連山木里地區(qū)中國(guó)地質(zhì)調(diào)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(shí)物樣品，成為世界上第一個(gè)在中低緯度凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的國(guó)家，并進(jìn)行試采約100 h；2011年我國(guó)成功申辦2014年第八屆國(guó)際天然氣水合物大會(huì)，這將是國(guó)際性、最高規(guī)格的天然氣水合物會(huì)議首次在發(fā)展中國(guó)家舉辦，充分展現(xiàn)了我國(guó)天然氣水合物勘查研究的實(shí)力和水平以及國(guó)際認(rèn)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(dāng)于1 000～1 500億m3天然氣的控制儲(chǔ)量；2014年1月，青海省天峻縣聚乎更礦區(qū)，我國(guó)首個(gè)可燃冰三維勘探項(xiàng)目野外采集工作完成，該項(xiàng)目是中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院在青藏高原可燃冰勘探領(lǐng)域部署的首個(gè)三維項(xiàng)目。

近年來，國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)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(guó)土資源部所屬的中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局做了大量研究和勘查等工作，取得不少實(shí)質(zhì)性進(jìn)展；中國(guó)科學(xué)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(bào)告”；青海省政府與神華集團(tuán)簽訂了戰(zhàn)略合作框架協(xié)議；中國(guó)海油成立了深水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)，參與國(guó)家863計(jì)劃“天然氣水合物模擬開采技術(shù)研究”和國(guó)家973項(xiàng)目“天然氣水合物開采中的多相流動(dòng)機(jī)理和相關(guān)基礎(chǔ)理論研究”等課題的研究；中國(guó)石油成立了天然氣水合物相關(guān)課題的研究，并把天然氣水合物勘探開發(fā)技術(shù)作為科技發(fā)展規(guī)劃的超前儲(chǔ)備技術(shù)，針對(duì)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(shì)，可燃冰將是人類未來解決能源危機(jī)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(diǎn)：

第一、分布非常廣泛且埋藏淺，目前世界上大概有100多個(gè)國(guó)家已經(jīng)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(guó)家壟斷的局面，有利于提高能源安全。

第二、其儲(chǔ)量十分豐富，據(jù)保守估計(jì)，全球海洋里的可燃冰儲(chǔ)藏的甲烷總量約為2萬億m3，據(jù)第28屆國(guó)際地質(zhì)大會(huì)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(chǔ)量，可以很好地解決目前人類的能源危機(jī)，是人類社會(huì)持續(xù)發(fā)展的動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，一單位體積的天然氣水合物分解可產(chǎn)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(zhì)殘留。由此可見，無論是從可燃冰的性質(zhì)上看，還是從其分布范圍上分析，其確實(shí)具備人類對(duì)新能源的一切設(shè)想，也足以保證人類對(duì)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(yīng)日益緊缺的局面，改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，改變世界能源供給格局，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(zhuǎn)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(rèn)識(shí)、開發(fā)方案、關(guān)鍵技術(shù)、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(guān)技術(shù)尚不成熟。天然氣水合物鉆完井技術(shù)還處于探索之中，勘探開采的理論和技術(shù)、運(yùn)輸技術(shù)、儲(chǔ)藏技術(shù)等技術(shù)瓶頸都有待突破，尚沒有一種理論能夠科學(xué)全面地解釋天然氣水合物形成機(jī)理，開發(fā)利用也缺乏完整的理論體系指導(dǎo)，難以進(jìn)行規(guī)模化商業(yè)開發(fā)生產(chǎn)設(shè)計(jì)。

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(jī)構(gòu)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(fèi)46 174日元，遠(yuǎn)高于美國(guó)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(duì)的問題，也是各國(guó)一再推遲商業(yè)開采時(shí)間表的重要原因。

第三、對(duì)環(huán)境帶來不利影響。雖然可燃冰的資源優(yōu)勢(shì)明顯，給人類能源前景帶來了福音，但同時(shí)在開發(fā)過程中勢(shì)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(huì)產(chǎn)生一系列不可預(yù)知的環(huán)境問題，如溫室效應(yīng)的加劇、海洋生態(tài)的變化及引起地質(zhì)災(zāi)害的可能。天然氣水合物的成分主要是甲烷，甲烷是一種強(qiáng)溫室氣體，溫室效應(yīng)要比二氧化碳大21倍，目前探明全球可燃冰儲(chǔ)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(huì)向大氣中排放大量的甲烷氣體，這將進(jìn)一步加劇全球的溫室效應(yīng)。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(jìn)入海水中，則會(huì)很快發(fā)生微生物的氧化反應(yīng)，從而會(huì)改變海水的化學(xué)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(huì)面臨物種滅絕的危險(xiǎn)，加速海洋生物的死亡，造成生物礁退化，進(jìn)而破壞海洋生態(tài)平衡；另一方面在開采過程中，會(huì)分解大量的水，稀釋巖層空間，使得地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，導(dǎo)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(zhì)災(zāi)害，如毀壞海底輸電或通信電纜和海洋石油鉆井平臺(tái)等設(shè)施。

6 結(jié) 論

當(dāng)前，世界天然氣水合物的發(fā)展仍處于探索階段，進(jìn)入實(shí)質(zhì)性規(guī)模開發(fā)尚需時(shí)日。“十二五”以來，國(guó)家頒布了《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(píng)價(jià)力度，適時(shí)開展試開采工作”，將可燃冰的勘探、開采列入到國(guó)家未來發(fā)展規(guī)劃中，為我國(guó)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(dòng)權(quán)，建議從以下幾方面入手：

第一、核心技術(shù)公關(guān)，掌握國(guó)際開采趨勢(shì)。在勘探和開采方面，開展深入細(xì)致的基礎(chǔ)科學(xué)研究評(píng)價(jià)，分層次開展專項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，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(shí)產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)，搶占技術(shù)制高點(diǎn)，并學(xué)習(xí)國(guó)外相對(duì)成熟的技術(shù)，為下一步規(guī)模開發(fā)做好儲(chǔ)備。

第二、加強(qiáng)政府引導(dǎo)，戰(zhàn)略高度加強(qiáng)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(shè)計(jì)，制定整體發(fā)展規(guī)劃，需要政府在政策和資金兩個(gè)層面提供大力支持，動(dòng)員社會(huì)資本，助力可燃冰發(fā)展。

第三、加大國(guó)際研發(fā)合作與交流。我國(guó)天然氣水合物研究雖然處于世界一流地位，但仍與世界領(lǐng)先水平存在差距，迫切需要加強(qiáng)與相關(guān)國(guó)家、國(guó)際科研機(jī)構(gòu)、國(guó)際大石油公司和技術(shù)服務(wù)公司的交流合作，進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，提高在天然氣水合物資源開發(fā)方面的國(guó)際影響力。

第四、相關(guān)支持和優(yōu)惠政策，推進(jìn)商業(yè)化進(jìn)程。天然氣水合物的商業(yè)開發(fā)將給產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游企業(yè)發(fā)展帶來新一輪的投資機(jī)會(huì)，需要大量的資本、人力的投入，從國(guó)家層面開展相關(guān)政策的前瞻性研究，在礦權(quán)頒布、開發(fā)政策、財(cái)稅政策等方面給予支持和優(yōu)惠，提高研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)參與開發(fā)的積極性，走在國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)的前列，把握未來能源的命脈。

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