寒冰中的火焰

一只大黑貓

2017年5月18日，國土資源部宣布我國首次海域可燃冰試采成功，從5月10日出氣起，連續8天穩定產氣1萬方以上，達到世界最好水平。為此中共中央、國務院發布賀電指出，“這一成就對推動能源生產和消費革命具有重要而深遠的影響”。

那么，什么是可燃冰？中國首先實現的穩定開采意義和價值又體現在哪里呢？

“籠”中燃氣

可燃冰是甲烷水合物的俗稱，甲烷含量高達80%～99.9%，是一種外觀像冰或固體酒精的白色固體，點火即可燃燒，這正是被稱為“可燃冰”的原因。

可燃冰的通用化學式可寫成mCH4·nH2O，其中典型的為CH4·8H2O。可以把它形象地理解成由多個水分子構成的籠子內包裹著甲烷氣體。實際上，被包裹的不一定是甲烷，也可以是乙烷、二氧化碳等。

溫度、壓力和原材料是可燃冰成礦所必需的條件。

首先是低溫，可燃冰超過20℃便會分解，低溫時則易于形成，人們曾在寒冷地區的天然氣管道中發現自然生成的可燃冰。海底溫度一般在2～4℃左右，是可燃冰礦藏發育的良好環境，西伯利亞、加拿大等地的凍土帶也滿足條件。

其次是高壓，可燃冰在0℃時只需30個大氣壓即可生成，且壓力越大就越穩定。海水每增加10米深度約相當于增加1個大氣壓，因此可燃冰礦藏往往分布在水深300米以上的海床中。

最后是充足的氣源，甲烷是沼氣的主要成分，各種有機物沉淀經生物或化學轉化都可產生甲烷，進而與水結合成可燃冰，多孔性的地層則可方便水合物晶體在砂石的空隙中生成。

氣體儲存在固體中將極大減少所占體積，1立方米可燃冰中的甲烷如在常溫常壓下釋放，體積約為164立方米，同時還會剩下約0.8立方米淡水，這些甲烷所含能量約相當于190升汽油。

可燃冰分布廣泛，大陸永久凍土、島嶼斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架及海洋和一些內陸湖深水環境都有礦藏，這使它有了作為能源礦物開采的潛力。據估算，全球可燃冰資源可滿足人類1 000年的需求。

然而可燃冰是固體，并不像石油、天然氣那樣可以打井抽取，也很難像常溫常壓下保持穩定的煤炭那樣可以挖掘，必須解決許多難題才能把它真正利用起來。

解放深淵下的烈火

自20世紀60年代發現以來，前蘇聯、加拿大、美國、德國、日本和中國等都在開展可燃冰礦藏的勘探和試開發。其中，較早實現的開采是陸地可燃冰，包括俄羅斯麥索亞哈氣田的商業性開采、加拿大麥肯齊三角洲地區的國際合作試采、美國阿拉斯加北部斜坡區的試采。海域可燃冰開采在進入新世紀后逐步取得成功，如日本愛知縣附近海域的試采和剛剛獲得突破的中國南?？扇急嚥傻?。

目前，可燃冰的開采方法主要有熱激化法、減壓法和置換法三種。

第一種方法是直接對可燃冰加熱，使其分解出甲烷。難點在于氣體收集，特別是在海底，●多孔介質并不是集中一片，也無法保證密封性，加熱和采集管道布置十分困難。

第二種方法通過將海底原本穩定的壓力降低，打破成藏條件，之后再將分散在多孔介質中的氣體聚集起來。具體途徑可以是用低密度泥漿鉆井或抽出礦藏下方游離氣、液體來減壓。這種方法對礦藏的地質結構有一定要求，俄羅斯麥索亞哈氣田和中國南海神狐海域試采都是采用這種方法。

第三種方法則是利用CO2水合物保持穩定所需壓力較低的特點，通過注入CO2置換甲烷，兼顧了環保性。

這三種方法的共同難點是如何避免甲烷泄漏和保證井底穩定。甲烷是比CO2更強的溫室氣體，大規模泄漏將引發嚴重氣候問題。同時，可燃冰氣化后原儲礦層將形成空腔，可能引起海底地層垮塌，進而引發海嘯等災害。

此外，可燃冰礦藏的多孔結構往往混入了大量海底泥沙，為保證連續采氣必須解決排沙問題，否則出氣一段時間后管路將堵塞。日本2013年的試采就因堵塞失敗，2017年4月的第二次嘗試在連續出氣約6天，總出氣量約3.5萬立方米后，再次因泥沙析出終止。

顯然，可燃冰大規模開采和商業化利用還有很長的路要走，有專家認為到2030年它有望接棒石油等傳統能源，日前的試采成功能否將這一時間提前，請讓我們拭目以待。

“中國方案”

作為油、氣資源過半依賴進口的國家，我國對可燃冰給予了高度關注。南海神狐海域目前已探明有11個礦體，面積128平方公里，資源儲量相當于1.5億噸石油，如能成功開采，對改善我國能源安全具有極為重要的意義，這也是促使我國加大投入，全面趕超世界可燃冰開發利用先進水平的主要動機。

與日本試采的可燃冰礦相比，我國海域主要屬于泥質粉砂型儲層，這也是占全球90%以上比例的儲藏類型，具有更好的推廣意義，同時砂細滲透率更差，水深大、儲層埋層淺，施工難度更大。

海域可燃冰開采要從深海運輸礦藏或在水下進行處理，為完成試采和以后的商業開發，必須有穩定的作業平臺。本次試采的平臺是我國最新研制成功的深海鉆井平臺“藍鯨一號”，它凈重超過43 000噸，高約37層樓，是目前全球最先進的雙井架半潛式鉆井平臺，可適用于任何深海作業，有效保障了試采的連續和穩定。

同時，我國還研發了地層流體抽取、儲層改造增產、可燃冰二次生成預防、防砂排砂等關鍵技術，有效解決了儲層流體控制與可燃冰穩定持續分解難題，其中很多技術都超出了石油工業的防砂極限，為連續8天穩定產氣提供了基礎。

綜合以上突破，本次試采在思路、井位選擇、工程地質勘查、關鍵技術和工藝確立、試采平臺優選等諸多方面形成了“中國方案”，為以后商業開發和全世界可燃冰開發提供了較高的參考和借鑒價值。