新型潔凈能源可燃冰的研發現狀

徐東君

摘要：進入21世紀以來，可燃冰憑借其優良的清潔性能得到了全世界的認可，被視為新時期最具潛能的清潔能源。可燃冰還可以被稱作天然氣水合物、甲烷水合物、固體瓦斯，化學性質極其活波，遇火即焚，反應后生成CO2和H2O。所以，在可燃冰的開采和儲存并不是一件易事，后續使用還可能會涉及到溫室效應等環境問題。本文就可燃冰的研發現狀做出客觀分析，以期為可燃冰的后續利用提供可靠的理論依據。

關鍵詞：可燃冰；清潔能源；化學性質；溫室效應；

引言

相關數據顯示，全世界可燃冰的儲備量達到了驚人的2x1016立方米，而天然氣的儲備量則有1.56x1014立方米，前者是后者的130倍之多，另外，每立方米可燃冰可以釋放出的天然氣量高達170立方米。這就意味著，在地球上，僅僅可燃冰的儲存量就足夠人們使用1200之久。目前，全球范圍內約有80多個國家已將可燃冰的專項研究提上日程，我國也于上世紀末開始了可燃冰的項目研究，并取得了十分客觀的研究成果，整體水平已位居世界前列。

一、可燃冰簡介

可燃冰是在強壓、低溫的條件下形成的甲烷與水的混合物。在自然界中，可燃冰以固體的形態深埋在地球的凍土地帶和深海領域。可燃冰具有很高的能量密度，約是煤的10倍、天然氣的4倍。可燃冰的化學反應式為：CH4*xH2O+O2→CO2+H2O。可見，可燃冰燃燒效率很高，生成物只有H2O和CO2，沒有其他任何污染性氣體和廢棄物。

可燃冰也可以說是天然氣和水的混合體。可燃冰化學式CH4*xH2O中的x表示可燃冰的水合指數，表示水分子的參與量。另外，可燃冰其他組成部分并不全是甲烷CH4，還有乙烷C2H6、丙烷C3H8、丁烷C4H10等同系物的存在。但是，其中甲烷CH4分子的含量已經超過99%，接近100%。所以，我們再命名可燃冰時，通常會將其他微量成分忽略不計，直接稱之為甲烷水合物，化學式為CH4*xH2O。

二、我國可燃冰能源儲量分布現狀

早在1990年，我國已經開始了對境內可燃冰儲量的勘探。但是由于技術水平有限，第一次勘探兼合成實驗是中國科學院蘭州冰川凍土研究所在莫斯科大學的協助下完成的。至1999年，我國已經有了獨立對可燃冰進行研發的技術了，同年，我國各大科研組織，包括中石油、中化、中國地質大學、中科院各地分院等，紛紛響應國家號召，在全國范圍內開始了可燃冰儲量的勘探工作，并取得了顯著的成績。現階段，我國境內可燃冰分布及儲量現狀如表2-1所示：

三、我國可燃冰能源開采現狀

2007年，我國首次試水可燃冰資源開采項目，并在南海區域的神狐海域設置了8個可燃冰實驗性開采鉆井分別標記為SH1、SH2……SH8，其中第2、第3、第7這三處鉆井平臺都有開采出可燃冰資源，這是第一次在我國境內開采出可燃冰資源。我國也成為繼日本、美國、印度之后第四個獨立開采出可燃冰資源的國家，標志著我國的可燃冰研發水平已經處于世界領先行列。

此后幾年，我國在可燃冰能源開采工作上屢有建樹。2008年，我國在青海祁連山凍土帶成功開采可燃冰樣本能源100小時，這也是世界上首次在低緯度凍土地帶開采出可燃冰；2009年，我國完全自主研發的海底勘探機器人正式下水，參與可燃冰能源的海底分布調查工作；2010年，科研人員得出確切數據顯示，先前在神狐海域獲取可燃冰能源的三個點，其可燃冰能源飽和度分別為25%、45%、40%，這是世界范圍內有史以來可燃冰含量最高的一次；2013年，我國科研團隊在東海區域珠江口盆地附近設置了23個可燃冰鉆井平臺，其中4個鉆井確認開采出可燃冰能源。2017年，我國南海北部神狐海域的可燃冰能源自同年5月份以來，可以保持日均1.6×104立方米的量，單日最高開采量達3.5×104立方米，實現了連續7天達到開采國標的壯舉。

四、可燃冰相關開采技術現狀

可燃冰相關開采技術包括兩個方向：一個是開采前可燃冰分布情況探測技術；另一個是可燃冰CH4提取技術，也是真正意義上的可燃冰開采技術。

（1）可燃冰分布探測技術

目前，在可燃冰分布情況的探測上有兩種技術比較突出。第一種是X 射線衍射技術：該技術主要用于可燃冰物理結構的分析和化學成分的分析，在可燃冰結構類型鑒別和晶格參數測量兩個方向作用頗大，可進行可燃冰沉積物圍觀狀態的位置探測。第二種是海底可燃冰地震識別技術：該技術應用的是地震反射原理，通過對海底放射地震波，從截獲的反射波動情況去分析海底可燃冰能源的分布情況。

（2）可燃冰開采技術現狀

可燃冰在自然界一般以固體形態存儲在海底和凍土帶，且其開采工作需要克服高壓、低溫等極端惡劣的環境問題。目前，為滿足可燃冰多種類開采環境的要求，已有多種可燃冰開采技術被研發出來，具體如下：

1）熱激發法：利用高溫蒸汽、高溫液體（水為主）等諸如可燃冰儲存層，促使可燃冰升華變氣體，進而達到開采的目的，適用于壓力穩定的開采環境；

2）降壓法：通過控制可燃冰存儲層的壓力而達到開采可燃冰的目的，但開采要求比較嚴格，需要溫度與壓力都在平衡臨界點，否則沒有實際應用價值；

3）化學抑制劑法：將鹽水作為催化劑注入到可燃冰的存儲層，促使可燃冰釋放CH4氣體。本方法效率較高，但成本也相應較高；

4）置換法：用CO2置換可燃冰中的CH4，置換后的CO2還可以繼續保持原存儲層的壓力穩定；

5）雙水平井熱水注入法：由熱激發法演變而來，利用兩口平行鉆井，一口井注入熱水，一口井冒出可燃冰升華氣體，對可燃冰純度要求較高。

除去以上介紹的開采方法之外，還有循環蒸汽熱激勵法、部分氧化法、電加熱輔助降壓法、置換輔助降壓法、冷鉆熱采法等，都為可燃冰的開采方法提供了可選擇的余地。

五、結語

目前，可燃冰研發工作尚處于一個初級階段，面臨著開采成本高、開采技術難以實現、容易造成溫室效應等一系列問題，這也是可燃冰后續研發工作需要努力突破的難關。另外，盡管可燃冰存儲量驚人，但其實際應用效果遠達不到理想水平，況且傳統石油能源仍是現階段可利用能源的主導，所以希望所有國家和地區能達成環保共識，從根本上減緩地球環境的惡化。

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