燃冰成火：未來能源備忘錄

全球天然氣水合物所含的有機(jī)碳的總資源量相當(dāng)于現(xiàn)在已知煤、石油和天然氣總量的兩倍，可滿足人類 1000 年的需求。作為地球上尚未開發(fā)的最大石油替代能源，可燃冰是否能掃除石油危機(jī)所帶來的焦灼感？技術(shù)上的突破是可燃冰商業(yè)開發(fā)的最大障礙。

在“冰，火，呼！”的咒語中，大拇指一樣大小的冰塊在魔術(shù)師掌中開始燃燒。冰塊在火焰之下融化成水緩緩流下，迎來310 人會場的一片驚呼。這是2005 年日本愛知世界博覽會燃?xì)怵^的“可燃冰展示”。在這幕冰火相容的秀場邊同時展示著一塊長52 厘米、直徑為5.2 厘米的圓柱形“冰塊”。它是于2004 年4 月在日本海近海深730 米的海底挖掘160 米后采掘到的天然氣水合物“礦樣”。那里大約是40 ～ 100 萬年前的地層，環(huán)境為10℃，90 個大氣壓。而說明板上赫然寫著：“可燃冰僅在日本近海的埋藏量達(dá)到了日本天然氣年消費(fèi)總量的約100倍。”在這場“ 將夢想能源帶給人類與地球”的展示中，人們似乎看到了燃冰成火的未來。

冰籠里的甲烷心

最初，科學(xué)家關(guān)心的是如何防止可燃冰在輸氣管中形成并導(dǎo)致堵塞的現(xiàn)象。密閉的輸氣管道內(nèi)部的高壓和極北之

地-60 ℃ ～ -20 ℃ 低溫環(huán)境，構(gòu)成了天然氣分子與輸氣管內(nèi)殘留的水分子凝結(jié)成固態(tài)天然氣水合物的充分條件。這些巨型輸氣管道從20 世紀(jì)30 年代起即開始穿越冰雪覆蓋的西伯利亞，把豐富的天然氣資源像滾熱的血液一樣從極北之地送達(dá)歐洲各處，在維系著西歐這顆近代工業(yè)心臟跳動的同時，也為前蘇聯(lián)重工業(yè)的發(fā)展帶來了必要的資本。但是，輸氣管道經(jīng)常莫名其妙地發(fā)生堵塞。將管道剖開后，人們發(fā)現(xiàn)了堵塞管道的“冰雪”。

這種呈白色或淺灰色的晶體，看上去就和冰雪一樣，又因?yàn)槟芟窆腆w酒精塊一樣被點(diǎn)燃，所以得名可燃冰。它是由天然氣與水分子在高壓（>100 大氣壓或>10MPa）和低溫（0 ～ 10 ℃）條件下合成的一種固態(tài)結(jié)晶物質(zhì)，水分子搭成像籠子一樣的多面體格架把以甲烷為主的氣體分子關(guān)在籠子里。因?yàn)樗肿雍吞烊粴夥肿拥倪@種結(jié)合并不存在任何化學(xué)鍵，所以在常溫常壓下，可燃冰可以輕易融化，隨即分離成了0.8 體積流淌的水和150 到200 體積遇火即燃的甲烷氣。

1946 年，蘇聯(lián)學(xué)者斯特里諾夫在研究了天然氣水合物形成實(shí)例之后，認(rèn)識到天然氣會在低溫高壓狀態(tài)下形成水合物，于是從理論上推斷自然界中可能存在蘊(yùn)藏豐富的可燃冰。16 年后，前蘇聯(lián)在西伯利亞發(fā)現(xiàn)了麥素雅哈氣田，這也是人類發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的第一個可燃冰氣藏。

麥素雅哈天然氣田位于西伯利亞沉積盆地東部的永凍土帶，其中的可燃冰與天然氣并存。從1970年開始的開采歷史中，可燃冰最初被當(dāng)作天然氣的附屬產(chǎn)品，在氣溫適于可燃冰迅速分解的夏季開采。然而，最終他們發(fā)現(xiàn)，由于可燃冰的存在，氣田的儲量增加了78 ％。從該氣藏的游離氣中至今已大約生產(chǎn)出 80 億立方米天然氣，而從分解的可燃冰中生產(chǎn)出約 30 億立方米天然氣。當(dāng)初以游離態(tài)形式存在的天然氣現(xiàn)在已被采空，目前麥素雅哈的所有產(chǎn)量都來自可燃冰。原蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院開發(fā)北方問題研究所學(xué)術(shù)副所長、地質(zhì)礦物學(xué)博士察廖夫從麥索亞哈氣田的情況估計(jì)：在南、北極地區(qū)均可能存在有這類天然氣水合物氣藏。

燃燒至下一個千年

當(dāng)前蘇聯(lián)在麥素雅哈天然氣田忙得不亦樂乎時，美國也在同樣是低溫高壓但是更為廣闊的海底世界開始了對可燃冰蘊(yùn)藏的勘探。1968 年，美國通過大洋鉆探計(jì)劃ODP164 航次在布萊克海脊實(shí)施了天然氣水合物的深海鉆探，利用保壓巖芯取樣器第一次獲得了海底可燃冰的實(shí)物樣品。

之后，加拿大、日本、德國和中國等國紛紛借助尋找地震B(yǎng)SR( 似海底反射層) 進(jìn)行可燃冰勘探。BSR 是海底地震反射剖面中一種地震反射層，位于海底下幾百米沉積中且與海底地形近于平行，它是海底沉積物中可燃冰穩(wěn)定帶基底，BSR 層之上是可燃冰或氣藏貯存處。

長達(dá)近半個世紀(jì)的勘探后，人們對全球可燃冰儲量的估計(jì)越來越趨樂觀。據(jù)潛在氣體聯(lián)合會的估計(jì)，永凍土區(qū)可燃冰資源量為1.4×1013 至3.4×1016立方米，而包括海洋天然氣水合物在內(nèi)的資源總量為7.6×1018 立方米。而據(jù)國際地質(zhì)勘探組織估算，地球深海中可燃冰的蘊(yùn)藏量足以超過2.84×1021 立方米，是常規(guī)氣體能源儲存量的1000 倍，而且在這些可燃冰層下面還可能蘊(yùn)藏著1.135×1020 立方米的天然氣。美國能源部認(rèn)為，僅南、北卡羅來納州大西洋底的儲備就夠美國人用100 年。而日本地質(zhì)調(diào)查則估計(jì)日本海海底的可燃冰相當(dāng)于日本100 年來天然氣的總使用量。1999 年11 月日本資源能源廳調(diào)查，日本南部海溝蘊(yùn)藏可燃冰的區(qū)域可達(dá)4.2 萬平方千米，約為目前日本年天然氣消費(fèi)量的1400 倍。

盡管各方估算值差異巨大，然而對可燃冰豐富蘊(yùn)藏的樂觀估計(jì)卻同樣巨大。中國地質(zhì)調(diào)查局的網(wǎng)站上有介紹：“據(jù)保守估算，世界上天然氣水合物所含的有機(jī)碳的總資源量相當(dāng)于全球已知煤、石油和天然氣總量的兩倍，可滿足人類 1000 年的需求。”

科學(xué)家們普遍認(rèn)為可燃冰是地球上尚未開發(fā)的已知的最大替代能源，也是正待開發(fā)的最大化石能源。目前已有超過40 個國家開展研究，更有100 多個國家發(fā)現(xiàn)了其存在的實(shí)物樣品和存在標(biāo)志，其中包括海洋78 處，永久凍土帶38 處。中國在南海北部陸坡、南沙海槽和東海陸坡發(fā)現(xiàn)了3 處，而青藏高原等陸地凍土地帶也具備大規(guī)模發(fā)現(xiàn)可燃冰的地質(zhì)條件，且其埋藏深度或許僅為100 至1000 米。

在發(fā)改委發(fā)布的《中國石油替代能源發(fā)展概述》中，這樣描述可燃冰：“僅在南海北部的可燃冰儲量估計(jì)相當(dāng)于中國陸上石油總量的50% 左右，在未來10 年，中國將投入8 億元進(jìn)行勘探研究，預(yù)計(jì)2010 至2015 年進(jìn)行試開采，但實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)還有待技術(shù)上的突破?！?/p>

用溫室氣體開采溫室氣體

除了麥素雅哈的可燃冰因?yàn)榍珊隙玫介_采，人類至今為止對可燃冰的開發(fā)尚未進(jìn)行到商業(yè)階段。2002 年日本對天然可燃冰進(jìn)行了一次成功的開采試驗(yàn)。在加拿大的西北部馬更歇三角洲冰土帶上，一口深1200 米的鉆井直通到可燃冰層。試驗(yàn)人員往井里注入溫水，不僅融化了固態(tài)的可燃冰，也使得釋放的甲烷溶在了溫水中。當(dāng)把溶有甲烷的溫水再抽回地面之后，技術(shù)人員只需進(jìn)行分離就得到了甲烷。

事實(shí)上，除了加溫，也可以通過降壓來開采可燃冰。中國石油大學(xué)陳光進(jìn)教授認(rèn)為現(xiàn)在通過減壓或是注入熱量或者化學(xué)劑讓水和天然氣自動分解的開采缺乏新思路。“假設(shè)溫室效應(yīng)是二氧化碳24 倍的甲烷分解之后沒有按照人為設(shè)計(jì)的通道，而是自己溜到大氣層來，就會引起全球溫度升高。另外，甲烷進(jìn)入水體以后，也會消耗掉海里的大量的氧氣，氧氣跟甲烷反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳，消耗掉了氧氣又產(chǎn)生這么多二氧化碳，會導(dǎo)致大量海底生物的死亡。進(jìn)一步說，全球溫度升高以后也會導(dǎo)致海水溫度升高，海水溫度升高又會導(dǎo)致海底可燃冰的進(jìn)一步分解，最終造成惡性循環(huán)?！?/p>

在陳光進(jìn)看來，開采的新思路就是要和環(huán)保結(jié)合起來：“把地球上人類活動所產(chǎn)生的溫室氣體二氧化碳搜集，再通過分離純化，提純，注入到有水合物的地層里，讓二氧化碳把甲烷從水合物里置換出來，因?yàn)槎趸急燃淄楦菀仔纬伤衔铮@時候就沒有相變，因?yàn)樗衔镞€在這兒，而水合物分解需要大量的熱量，把二氧化碳注入進(jìn)去以后，只是把甲烷置換出來了，水合物還在，這時候需要的熱量就少，或者說不需要熱量，甲烷出來了，二氧化碳又埋進(jìn)去了，這不是一舉兩得嗎？把溫室氣體也處理掉了。”

迄今為止還沒有一個國家能夠開采海洋可燃冰。而在海底的可燃冰層作為非常規(guī)蓋層，所圈閉的天然氣比上覆水合物層中所儲集的天然氣可能還要多，因此包括察廖夫在內(nèi)的大部分學(xué)者都認(rèn)為，圈閉于可燃冰之下的游離天然氣的開采要優(yōu)于和早于可燃冰的開采，因?yàn)樗拈_采只需要常規(guī)的海上油氣開采技術(shù)就夠了。

2007 年5 月1 日，中國在南海北部神狐海域海底以下183 ～ 201 米、水深1245 米處以及海底以下191 ～ 225 米、水深1230 米采集到了高純度的可燃冰樣品。6 月14 日，國家科技部部長萬鋼隨即表示：“可燃冰的科研工作還將繼續(xù)，但是何時能進(jìn)入商業(yè)化開采，現(xiàn)在還無從知曉?？梢钥隙ǖ氖牵紤]到可燃冰的特殊性，國內(nèi)肯定會謹(jǐn)慎地對待，不會貿(mào)然進(jìn)行商業(yè)開采，更不會讓其開采對環(huán)境帶來破壞?！?/p>

而日本已經(jīng)基本完成周邊海域的可燃冰調(diào)查與評價，鉆探了7 口探井，期望在2010 年投入商業(yè)開采。美國也希望于2015 年在海床或永久凍土帶進(jìn)行商業(yè)開采。