可燃冰的研究現狀與前景

丁蟠峰 楊富祥 程遙遙

摘 ?????要： 可燃冰是目前公認最佳的替代能源和清潔能源，分布范圍廣，開發利用潛力大。綜合介紹了可燃冰的形成條件及世界分布情況，闡述了可燃冰開采方法以及開采過程中面臨的挑戰，最后對可燃冰的發展趨勢做了展望。

關 ?鍵 ?詞：可燃冰;清潔能源;開采方法

中圖分類號：X382 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）04-0815-04

Abstract： Combustible ice is recognized as the best alternative energy and clean energy at present. It has a wide range of distribution and great potential for development and utilization. In this paper， the formation conditions and world distribution of combustible ice were introduced. The mining methods and challenges in the mining process were described. The future development trend of combustible ice was also prospected.

Key words： Combustible ice; Clean energy; Mining method

天然氣水合物（ Natural Gas Hydrate， 簡稱NGH），也叫“可燃冰”（化學式為CH4·8H2O），主要呈冰狀白色結晶固體，是現今最具開發價值的非常規能源。其主要分布于深海地層和永久凍土層中，資源量巨大，燃燒熱值高，每立方米天然氣水合物在標準大氣壓下能釋放出164 m3的天然氣和 8 m3的水。據推算，世界天然氣水合物資源儲量比現存石油、煤炭與天然氣總量的2倍還多，按目前消費速度，可供全球人類1 000年生產使用。如今全球超過100多個地區與國家已鉆獲可燃冰實物樣品，各國政府與專家開始著手勘探與研究。

1 ?可燃冰簡介

1.1 ?可燃冰的形成

可燃冰形成必須是在低溫高壓狀態下，其溫度必須滿足在0 ～10 ℃，超過20 ℃時易分解;壓力需大于10 MPa，在0 ℃時，30個以上標準大氣壓才可能形成;充足的氣、水是必要條件，而一定的空隙結構則是其生長條件[1]。除此之外地質構造，含水介質，pH值也是影響可燃冰形成的重要原因。

1.2 ?可燃冰的分布

可燃冰于20世紀60年代首次被發現[2]，據勘測研究發現，可燃冰主要存在于凍土地區和海洋環境（深海和淺海環境均有）。 98%在海洋環境，2%在凍土地區。而已發現的可燃冰大多存在于陸地上的永久凍土區及陸地邊緣的海底深層砂礫中[3]。就全球而言，可燃冰主要儲存于海底之下0～1 500 m的松散沉積巖中。國內的可燃冰主要分布在兩個地區，一個青海和西藏的凍土區，另一個就是南海。青藏高原以凍土帶為主，因此可能儲藏大規模的可燃冰資源。 其次，我國南海的可燃冰儲量相當豐富，全球可燃冰含量大約是2.1×1016 m3，而我國南海大約含有6.4×1013 m3。

1.3 ?可燃冰研究開發現狀

1.3.1 ?國外可燃冰研究開發現狀

正是可燃冰清潔無污染、分布范圍廣、資源量大等優勢，及尋求可替代能源的決心，使人們對可燃冰的開采工作掀起一股熱浪。調查表明，至今已有30多個國家對可燃冰物性進行研究與分析，隨著科技的不斷發展，可燃冰的開發測試和勘查技術日漸趨于成熟，但可燃冰的安全商業化開采技術仍需不斷改進與創新。

表1為一些主要國家可燃冰的發展現狀。

此外，印度在1995年制訂了5年期《全國氣體水合物研究計劃》，1997年開展了天然氣水合物特性研究工作，2006年獲取天然氣水合物樣品，推測其蘊藏量約1 894萬億m3。2007年，韓國獲取天然氣水合物樣品，2008年確認周邊海域可燃冰礦區，并對其儲量進行初步估計。一些發達國家和部分國際組織也進行了與天然氣水合物能源相關勘探研究與開發技術儲備等工作[6-8]。

1.3.2 ?我國可燃冰研究開發現狀

據調查顯示，我國有2.15×106 km2凍土帶，其蘊含可燃冰儲量高達3.5×1010 t油當量，而我國海域可燃冰儲量為4×109 t油當量。雖然我國可燃冰勘察研究比發達國家起步晚，但隨著近幾年來國際研發合作拓展，國家對可燃冰工業化開發的重視，可燃冰研究也取得了一定進展，勘探開發技術差距也在逐漸縮小。表2為我國可燃冰發展現狀。

從中國發展戰略規劃及天然氣水合物研究開發方案看出，2006年至2020 年為初步探查階段，2020年至2030年為開采初期階段，截至2050年，我國可燃冰發展達到商業化開采階段[10]。

2 ?可燃冰開采方法

可燃冰在世界分布范圍廣資源蘊藏量大，其開采技術也不完善，且在常溫和常壓條件下極不穩定，所產生的溫室效應要比CO2高20多倍，不僅破壞海洋穩態平衡，甚至引起大陸架邊緣的動蕩，導致災難性海嘯。因此目前對可燃冰的開采技術還處在探索階段，還有一系列的技術難題需要攻破。目前主要的傳統開采法有：降壓法，熱激法及化學試劑注入法等，提出的新方法有CO2置換封存法，冷鉆熱采法和固體開采法。下面對幾種新方法進行詳細介紹。

2.1 ?CO2置換封存法

CO2置換封存法是CO2海底封存技術與CO2置換CH4技術相結合提出的能利用CO2達到高效開采的新方法，通過制備提取天然氣水合物中的天然氣，還能發揮緩解溫室效應的作用，有廣泛的商業價值前景和環境效益。近年，聯合國“政府間氣候變化委員會”已經把海底固碳作為緩解溫室氣體的一種新型方法應用于實際當中。

CO2置換法最早是由Ohgaki等[11]提出，其原理如圖1所示，CO2分子在范德華力作用下將圍繞在CH4氣體分子周圍的H2O分子吸引過來使原本在 CH4氣體分子周圍和H2O分子之間的H鍵斷裂，形成游離態的H2O分子，同時隨著H2O分子逐漸離開，使處在里面的CH4氣體分子游離出來。

CO2海底封存法理論上有很高的實踐性，同時具有很高的技術水平， 過去200年來，全球人類排放到大氣中的CO2據研究顯示約1.3萬億t，而海洋能溶解其中的30%～40%[12]，將CO2封存于海洋中是比較理想的方法，CO2封存于海底主要有兩種形式：液態封存和固態封存[13]。CO2海洋封存示意圖如圖2所示。目前， 美國，加拿大，等國開展CO2海底封存研究與實踐，并表明CO2海底封存技術有良好的發展前景。CO2置換封存法通過鉆井平臺，采氣管道，分離塔，壓縮系統和供熱設備，通過壓力差，將CO2安全有效地注入來保證CH4連續生產，不僅減少了大氣中的CO2，還保證了海底沉積層的穩定性。雖然CO2置換封存法并未在實際中加以運用，相信在可燃冰開采的未來有廣泛的應用前景。同時，若將CO2封存于海底，是否會影響海底pH值變化，又會對海洋生物造成何種影響尚不可知。

2.2 ?冷鉆熱采法

2017年5月，隨著“藍鯨一號”海上鉆井平臺用降壓法首次試采成功，中國對可燃冰勘探開發技術進一步提升。歷經10多年技術攻關，吉林大學相關科研團隊成功研發出國內外首創的天然氣水合物冷鉆熱采關鍵技術[14]。該技術的關鍵創新點[15-19]：

（1）發明天然氣水合物孔底快速冷凍取樣方法，提出了主動式降溫實現被動式降壓技術，開采取樣時，運用強制冷凍技術使用液氮來控制水合物溫度（-30 ℃），達到防止水合物分解的目的。

（2）提出鉆井液“動態強制制冷”技術。由載冷劑箱和連軸泥漿泵連接換熱而組成制冷機組，解決鉆進中泥漿溫度過高使水合物分解，達到了水合物取樣的溫度標準。

2.3 ?固體開采法

固體開采法最早是直接獲取海底固態天然氣水合物，將天然氣水合物輸送至淺水區通過攪拌或其他物理化學方法對其進行穩定性分解，如圖3所示。近年來，這種方法逐漸成為混合開采法：①在原地將水合物分離為氣液混合物，采集混合泥漿。②將混合泥漿輸送至作業船與生產平臺處理，讓天然氣水合物進行完全分解，達到獲取天然氣的效果。此方法依靠海水溫度的能量，抑制水合物分解。由于水合物從深水區輸送至淺水區歷經三相流動且需要消耗大量能量。因此，對于商業化生產還有很多技術難關需要攻克。

3 ?面臨的挑戰

雖然可燃冰作為新能源開采前景廣闊，但仍面臨著一些挑戰，如對環境所帶來的不利影響，開采方法及相關技術尚不成熟，開采成本較高等一系列問題。

若無安全高效的開采技術為前提，由于可燃冰開采不當而發生CH4泄漏，將會造成大陸架邊緣動蕩從而引發海底塌陷、滑坡、海嘯等地質災害，打破生態平衡;開采技術同時面臨著巨大的挑戰，在開采技術層面尚未找到一個適合現狀的高效率、低風險的方法，此外，勘探找礦選區難度較大，海域水合物地震勘查識別的精度和準確性較低，凍土區水合物勘查識別仍缺乏有效方法[20，21];目前，開采天然氣水合物需要耗費高昂的成本與費用。在技術與成本高負荷下，想要使可燃冰達到商業化開采還需很長時間，只有攻破技術難關，成本才能隨之降低。

4 ?展 望

我國現階段石油的進口依賴度達到60%，依靠煤炭發電，由此引發的環境問題也愈發嚴重。隨著經濟發展，我國對高效清潔能源的需求逐日增加，對新型可替代能源的勘探與開發的重視程度也在逐年上升。國家在“十二五”規劃中強調指出要加快可燃冰能源探查步伐及基礎設施建設，尋求時機完成試開采任務。并于2017年11月，國土資源部批準可燃冰為我國第173個新礦種。同時，我國也正在對可燃冰開采技術進行自主研發與創新，形成我國特色的開發技術體系，積極向它國學習先進技術借鑒其實踐經驗，發展本國儲量優勢，鼓勵發展高效替代能源改變能源生產結構，加強國家間相互交流與合作。雖然我國可燃冰的開采技術才剛剛起步，但隨著南海試采成功，我國對可燃冰的開采技術也得到了進一步提高，相信在政策法規的不斷健全，理論與技術日益改善下，達到可燃冰工業規模與商業化開采將指日可待。

參考文獻：

[1]姚永堅，黃永樣，吳能友，張光學，何家雄.天然氣水合物的形成條件及勘探現狀[J].新疆石油地質，2007（06）：668-672.

[2]Makogon Y F， Holditch S A， Makogon T Y. Natural gas-hydrates — A potentialenergy source for the 21st Century[J]. Journal of Petroleum Science & Engineering， 2007， 56（1–3）：14-31.

[3]賀凱.CO2海洋封存聯合可燃冰開采技術展望[J].現代化工，2018，38（04）：1-4.

[4]宣之強，李鐘模，吳必豪，劉玉山.天然氣水合物新能源簡介—對全球試采、開發和研究天然氣水合物現狀的綜述[J].化工礦產地質， 2018， 40 （01）： 48-52.

[5]張煒，邵明娟，田黔寧. 日本即將實施第二次近海甲烷水合物試采[N]. 中國礦業報，2017-04-15（004）.

[6]龍學淵，袁宗明，倪 杰. 國外天然氣水合物研究進展及我國的對策建議[J]. 勘探地球物理進展，2006， 2 9（ 3） ： 170 -177.

[7]Boswell R，Collett T，Mcconnell D，et al. Joint indus-try project leg ii discovers rich gas hydrate accumula-tions in sand reservoirs in the gulf of Mexico[J]. Firein the Ice， 2009，9（ 3） ： 1 -5.

[8]Collett T S，Riedel M，Boswell R，et al. International team completes landmark gas hydrate expedition in the offshore of India[J]. Fire in the Ice，2006， 6（ 3） ： 1-4.

[9]羅佐縣. 能源革命應關注四大領域[N]. 中國石油報， 2018-02-06 （002）.

[10]王智明， 曲海樂， 菅志軍. 中國可燃冰開發現狀及應用前景[J] .節能， 2010， 29（5） ：4-6.

[11]Ohgaki K， Takano K， Sangawa H， et al. METHANE EXPLOITATION BY CARBON DIOXIDE FROM GAS HYDRATES -PHASE EQUILIBRIA FOR CO2-CH4 MIXED HYDRATE SYSTEM-[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan， 1996， 29（3）：478-483.

[12]卓成剛，劉秀慧.CO2海洋封存技術國內外研究進展與啟示[J].安全與環境工程，2017，24（05）：84-89.

[13]李洛丹，劉妮，劉道平.二氧化碳海洋封存的研究進展[J].能源與環境，2008，（ 6） ：11-12.

[14]王騰騰. 地球“冰箱”是潘多拉魔盒嗎？ [N]. 南方日報， 2017-02-13[2017-07-28].

[15]孫友宏，郭威，陳晨，等.冷鉆熱采天然氣水合物關鍵技術及應用[J].中國科技成果，2015（6）：64-65.

[16]孫友宏，趙江鵬，郭威，等. 鉆井泥漿強制冷卻循環系統：CN，101787867A[P]. 2010-07-28.

[17]陳晨，孫友宏，房治強，等. 高壓熱射流開采天然氣水合物的方法：CN，101818635A[P]. 2010-09-01.

[18]孫友宏，郭威，瓦列里·契斯佳科夫，等. 天然氣水合物孔底冷凍取樣器及其取樣方法： CN，101532922[P]. 2015-09-16.

[19]廣發證券. 可燃冰主題的產業邏輯和橫向對比[N]. 上海證券報，2017-05-24[2017-07-28].

[20]熊煥喜，王嘉麟，袁波.可燃冰的研究現狀與思考[J].油氣田環境保護，2018，28（02）：4-6+60.

[21]虞潔， 王海鳳， 祁之軍. 未來世界新能源-可燃冰[J]. 科技與企業， 2012（14）：186-186.