海底可燃冰開采技術(shù)動(dòng)向

可燃冰又稱天然氣水合物，主要由甲烷構(gòu)成，燃燒后的產(chǎn)物是水和二氧化碳，因而被認(rèn)定為一種新的海洋清潔能源。圖1是全球有機(jī)碳含量的分布情況（數(shù)據(jù)來自中國報(bào)告大廳），天然氣水合物所含有機(jī)碳占到全球總有機(jī)碳量的一半以上，可以看出天然氣水合物具有很好的開發(fā)前景。目前探查到的天然氣水合物主要存在于兩種環(huán)境條件下，即深海海底和陸上永久結(jié)冰帶。據(jù)專家預(yù)測，深海蘊(yùn)藏的天然氣水合物約為(1～5)×1015m3。日益枯竭的能源、不斷增長的能源需求以及巨大的天然氣水合物儲(chǔ)量，決定了深海天然氣水合物將是重要的海洋能源之一。

對(duì)海底天然氣水合物的學(xué)術(shù)研究情況進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量分析（如圖2），可以看出，從20世紀(jì)90年代開始，世界在海底天然氣水合物領(lǐng)域的研究開始大幅增加，近年來一直呈現(xiàn)增長的趨勢，說明了海底天然氣水合物是海洋工程研究熱點(diǎn)之一。

國內(nèi)外開采研究現(xiàn)狀

海底天然氣水合物的首次發(fā)現(xiàn)源于20世紀(jì)70年代美國在深海的鉆探作業(yè)。20世紀(jì)80年代以來世界范圍普遍進(jìn)行海底天然氣水合物相關(guān)研究、勘探、實(shí)驗(yàn)等。美國、日本、俄羅斯等國家處于海底天然氣水合物研究的前列。

美國為了探明布萊克海臺(tái)天然氣水合物資源的情況，早在1998 年5月就通過了一個(gè)經(jīng)費(fèi)2億美元、周期10年的海底天然氣水合物研究計(jì)劃。之后美國不斷鉆探研究井并從海底收集到天然氣水合物的樣本，例如在2007年2月，美國能源部、美國地質(zhì)調(diào)查局和BP勘探（阿拉斯加）公司三家聯(lián)合，在阿拉斯加北坡收集了約12.18立方米的天然氣水合物核心樣本。海底天然氣水合物的安全開采一直是亟待解決的問題之一，因此在2012財(cái)年，美國能源部計(jì)劃投入650萬美元專門用于大洋天然氣水合物安全開采技術(shù)及方法研究。2013年美國能源局發(fā)布了水合物2015年～2030年研究計(jì)劃。

日本一直熱衷于海底天然氣水合物的開采研究。為了能夠更好地研究海底天然氣水合物，日本在1995年成立了天然氣水合物開發(fā)促進(jìn)委員會(huì)，并投入大量資金用于研發(fā)。日本通過多年來對(duì)海底天然氣水合物開采方法的研究，基本確定了通過降低底層壓力來提取天然氣的方法。在2012年2月初，依托“地球”號(hào)深海探測船，日本對(duì)愛知縣沿岸日本南海海溝中的天然氣水合物展開了開采實(shí)驗(yàn)，圖3是試采試驗(yàn)裝置示意圖。2013年3月12日，日本從距其海岸80km處全球首次通過降低底層壓力的方法成功提取天然氣，驗(yàn)證了該方法的可行性；后來由于設(shè)備故障，日本中止了此次開采試驗(yàn)。

俄羅斯一直積極開展對(duì)天然氣水合物的研究。前蘇聯(lián)解體后，俄羅斯面臨經(jīng)濟(jì)問題，因而未能在國家層面給予海底天然氣水合物的支持，但俄羅斯的大學(xué)、企業(yè)等機(jī)構(gòu)沒有放棄對(duì)海底天然氣水合物的調(diào)查和研究，主要研究海域包括鄂霍茨克海、巴倫支海等。俄羅斯在陸上西伯利亞的麥索亞哈氣田天然氣水合物成功開采的經(jīng)驗(yàn)實(shí)踐，對(duì)其深海天然氣水合物開采方法有巨大借鑒意義，俄羅斯學(xué)者經(jīng)過研究分析認(rèn)為氣體提升法（固體開采法）是適用于深海的提取方法。俄羅斯提出了2020年天然氣水合物大規(guī)模工業(yè)開采的計(jì)劃，這將極大促進(jìn)全球海底天然氣水合物的開采。

其他國家如印度、德國、加拿大、韓國等也開展了天然氣水合物開采的相關(guān)研究。

中國一直以來也很重視海底天然氣水合物的研究。1995年，中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)設(shè)立的“西太平洋氣體水合物找礦前景與方法的調(diào)研”預(yù)研課題揭開了中國海底天然氣水合物開采研究的序幕，正式研究于1997年開始。之后國家各部委開始設(shè)立海底天然氣水合物專項(xiàng)研究課題，中國石油大學(xué)、中科院能源所、中南大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)在海底天然氣水合物理論研究方面走在國內(nèi)前列。經(jīng)過多年研究，我國在海底天然氣水合物勘探、取樣鉆探、開采等技術(shù)和專用設(shè)備方面取得了一定的進(jìn)展，2007年我國在南海神狐海域成功收集了天然氣水合物實(shí)物樣品。但與國外先進(jìn)技術(shù)水平相比，由于我國前期規(guī)劃不足、科研力量分散和核心裝備水平有限等原因，我國仍處于追趕階段。近年來，“海洋石油981”、“蛟龍”號(hào)等深海裝備的成功研制，在一定程度上將促進(jìn)我國深海天然氣水合物勘探、鉆采的發(fā)展。

總之，由于海底天然氣水合物所處的環(huán)境條件復(fù)雜，開采過程面臨太多的不確定風(fēng)險(xiǎn)，目前全球?qū)５滋烊粴馑衔锏拈_采仍處于理論和試驗(yàn)試采階段（凍土區(qū)天然氣水合物的開采也未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化），中、美、日三國天然氣水合物開發(fā)歷程和計(jì)劃如圖4所示。天然氣水合物商業(yè)化開采是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它的實(shí)現(xiàn)不可能一蹴而就，各國仍在不斷采用實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)等方式進(jìn)行研究。

主要開采方法

天然氣水合物是一種新型的清潔能源，其開采得到很多人的支持，但是也存在著很大的隱患。若沒有成熟、安全綠色的開采技術(shù)做支撐，一旦天然氣水合物開采不當(dāng)而發(fā)生甲烷泄漏，后果不堪設(shè)想。一方面，甲烷是比二氧化碳更強(qiáng)的溫室氣體，引發(fā)的溫室效應(yīng)危害性更大；另一方面，甲烷會(huì)影響水中的含氧量，對(duì)海洋生物也會(huì)造成嚴(yán)重影響。因此，當(dāng)務(wù)之急是攻克海底天然氣水合物開采關(guān)鍵技術(shù)，探索出安全、可靠、可行的開采方法。

天然氣水合物的傳統(tǒng)開采方法包括降壓法、熱激法和試劑注入法3種，這3種開采方法廣泛用于陸上天然氣水合物的開采試驗(yàn)。陸上試驗(yàn)開采的實(shí)踐表明，降壓法是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)可行的方法。降壓法通過降低天然氣水合物儲(chǔ)存層的壓力來促使天然氣水合物分解從而提取天然氣。日本采用這種方法進(jìn)行開采試驗(yàn)，成功在海底開采出天然氣水合物，證明降壓法可用于海底天然氣水合物的開采。

近年來國外科學(xué)家還提出了新的海底水合物開采方法，如CO2水合物置換法、固態(tài)開采法和混合泥漿開采法。置換法的原理是將CO2注入天然氣水合物沉積層，CO2在生成水合物的同時(shí)，釋放的熱量將天然氣水合物分解，此種方法可封存CO2，環(huán)保性好，是一種有前途的開采方法。固體開采法的原理是將固態(tài)天然氣水合物直接進(jìn)行采集，提升至淺水區(qū)或者船上進(jìn)行分解。混合泥漿開采法源于固體開采法，其原理是首先讓天然氣水合物在沉積層分解為氣液混合相，然后將混有天然氣、水、泥漿三相的混合泥漿提升至船上進(jìn)行處理。

國內(nèi)學(xué)者經(jīng)過多年研究，也提出了一些基于固態(tài)開采法思想的方法，比如利用地?zé)岱ā⒌孛娣纸夥ā⒔g吸法、海水提升法等。當(dāng)然這些方法還處于理論階段，仍有很多關(guān)鍵問題需要解決。

各種開采方法都有使用條件限制，也存在各種優(yōu)缺點(diǎn)。如何選擇合適的開采方法，需要結(jié)合天然氣水合物所在環(huán)境條件以及自身的技術(shù)水平，這需要不斷的理論和試驗(yàn)探索。目前國際上認(rèn)為有前景的海底天然氣水合物開采方法有降壓法、CO2水合物置換法、固態(tài)開采法等。

雖然我國在天然氣水合物研究方面取得了一定的成果，但與國際先進(jìn)水平仍存在一定的距離，也存在一些問題，比如缺乏系統(tǒng)的總體規(guī)劃和開發(fā)路線圖；研究較為分散，未形成研發(fā)體系；開采技術(shù)還不成熟，尚未形成安全可靠的開采方法；對(duì)天然氣水合物應(yīng)用研究和試采研究進(jìn)展仍較為緩慢。針對(duì)上述問題，建議措施如下：

1、加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)：明確海底天然氣水合物的研發(fā)戰(zhàn)略，制定適合我國南海等海域的天然氣水合物研究開采規(guī)劃和技術(shù)路線。

2、構(gòu)建研發(fā)體系：構(gòu)建由企業(yè)、高校和研究機(jī)構(gòu)組成的共同研發(fā)體系，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，綜合各方研發(fā)成果制定統(tǒng)一的研發(fā)進(jìn)度路線。

3、加強(qiáng)成果轉(zhuǎn)化：加大投入，整合各方面資源，促進(jìn)已有創(chuàng)新性科研成果的實(shí)用轉(zhuǎn)化，同時(shí)加強(qiáng)試采研究，推動(dòng)實(shí)際規(guī)模開采。

4、加強(qiáng)國際交流合作：積極推動(dòng)海底天然氣水合物試采研究方面的國際合作，與美國、加拿大、俄羅斯、日本等國的跨國公司開展合作，并積極設(shè)立天然氣水合物國際論壇。

5、構(gòu)思產(chǎn)業(yè)化模式：要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，國家層面要制定配套政策予以支持，除了國家資金投入，還要鼓勵(lì)民間資本和民營企業(yè)參與。

6、攻關(guān)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)：包括天然氣水合物勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)、自主研制用于天然氣水合物探測的深潛器、天然氣水合物探測遙感技術(shù)、高精度海底定位技術(shù)、采樣機(jī)及鉆機(jī)等設(shè)備材料的高耐壓性/高密封性技術(shù)、天然氣水合物環(huán)境效應(yīng)研究、可燃冰開采災(zāi)害防范控制技術(shù)、以及可燃冰鉆采船/平臺(tái)和可燃冰運(yùn)輸船等新型裝備開發(fā)等。

天然氣水合物在未來能源戰(zhàn)略中具有重要的地位，在未來的20年內(nèi)，將有越來越多的國家研究天然氣水合物，并逐步實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的商業(yè)化開采。我國具有豐富的天然氣水合物資源，國內(nèi)也開展了多年的研究，取得一定的成果，與此同時(shí)我國也應(yīng)看到自身的短板，通過不斷進(jìn)行制度完善、政策支持、技術(shù)攻關(guān)等，努力從技術(shù)追趕者轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)領(lǐng)先者。

海底可燃冰開采技術(shù)動(dòng)向

中船重工經(jīng)濟(jì)研究中心 趙羿羽 曾曉光 郎舒妍

我國天然氣水合物開采技術(shù)建議