可燃冰：喚醒的新能源

海川

當今世界對常規(guī)石油天然氣資源的消耗巨大，而常規(guī)石油和天然氣等傳統(tǒng)化石能源都是不可再生資源，越采越少。有專家估計，目前地球上的石油資源大致還可以用40年，天然氣資源還可以用70年，煤炭資源還可以用190年。

目前我國能源消費結構非常不合理，煤炭占70%，石油占19%，天然氣占5%，新能源僅占6%。面對大氣污染防治的“緊箍咒”，我國未來的煤炭需求將呈下降趨勢，而石油和天然氣的對外依存度分別為57%和32%，煤炭對外依存度也達到8.13%。嚴重的資源短缺和環(huán)境壓力成為制約我國經濟發(fā)展的嚴峻問題。所以，開發(fā)新型的清潔替代能源勢在必行。

國土資源部2013年12月17日宣布，當年6月～9月間，我國首次在珠江口盆地東部海域鉆獲高純度新類型天然氣水合物樣品，俗稱“可燃冰”。一旦投入商業(yè)開發(fā)，將對我國的能源結構產生重大影響。

這次發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物賦存于水深600～1100米的海底以下220米以內的兩個礦層中，上層厚度15米，下層厚度30米，自然產狀呈層狀、塊狀、結核狀、脈狀等多種類型，肉眼可辨。最大特點是，樣品埋藏淺、厚度大、類型多、純度高。樣品中甲烷含量最高達到99%，控制儲量折算成天然氣為1000～1500億立方米，相當于特大型常規(guī)天然氣規(guī)模，目前在國際上也非常罕見。

國土資源部地質勘查司副司長車長波稱：“常規(guī)天然氣世界上的儲量是430萬億立方，頁巖氣是187萬億立方，煤層氣是260萬億立方。它們加起來，還沒有達到1000萬億立方的總值?！?/p>

據(jù)了解，1立方米的天然氣水合物分解后可生成約164～180立方米的天然氣，這種高效清潔能源被譽為“21世紀的綠色能源”。

車長波說：“我們多么希望未來天然氣的消費總量越來越多，占的比重越來越大，改善我們的能源結構，治理我們的大氣污染和霧霾。”

從戰(zhàn)略意義和巨大經濟價值出發(fā)，一個深入開展可燃冰調查研究和開發(fā)利用的熱潮正在全球興起，各國都在期待著這種未來新能源早日造福人類。

資源儲量豐富

“可燃冰”又稱天然氣水合物，是天然氣與水在較低溫度和較高壓力的條件下形成的一類內含籠形空隙的晶體，顏色呈乳白色，不透明，看上去像普通的冰塊，但并不是冰，準確地說有些像酒精塊。其主要成分是甲烷與水分子（CH4·H2O），甲烷占80%至99.9%，點火就可燃燒，因此又形象地稱它為“可燃冰”、“易燃冰”、“氣冰”或“固體瓦斯”。

中國石油大學教授、博士生導師陳光進表示，經過實驗我們得知，1立方米可燃冰可轉化為164立方米天然氣和0.8立方米的水，其能量密度是煤和黑色頁巖的10倍左右，而且在燃燒以后幾乎不產生任何殘渣或廢棄物，污染比煤、石油、天然氣等要小得多，是一種能量密度高的環(huán)保能源。

“可燃冰”大多分布在深海沉積物或陸域永久凍土中，資源儲量非常豐富，具有廣闊的開發(fā)前景。迄今世界上已探明的“可燃冰”資源量相當于全球傳統(tǒng)化石能源（煤、石油、天然氣、油頁巖等）貯量的2倍左右。海底“可燃冰”分布的范圍約占海洋總面積的10%，達4000萬平方公里。

據(jù)統(tǒng)計，全球現(xiàn)已累計發(fā)現(xiàn)超過230個可燃冰礦區(qū)。有專家估計，僅全球海底“可燃冰”資源可供人類使用1000年。據(jù)悉，在日本附近海域分布廣泛的可燃冰，埋藏量足夠日本使用100年。

根據(jù)地質條件分析，墨西哥灣、西非、北冰洋、日本海、南海、東海、青藏高原地區(qū)可燃冰儲量豐富。2004年中德聯(lián)合科考隊的“太陽號”考察船在南海海底發(fā)現(xiàn)了當今全球最大的碳酸鹽結殼，面積達430平方公里。2009年夏，中國成為世界上第一個在中低緯度凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)“可燃冰”的國家。

據(jù)推測，南海“可燃冰”存儲量約相當于680億噸石油，此外，青海省也發(fā)現(xiàn)相當于350億噸石油儲量的“可燃冰”。國土資源部準備將調查對象擴大至國內全部區(qū)域和周邊海域。專家估計，我國“可燃冰”的資源儲量接近于我國常規(guī)石油資源量，約是我國常規(guī)天然氣資源量的兩倍。我國南海西沙海槽、臺灣西南陸坡、南沙海槽、沖繩海槽海底可能存在大量的天然氣水合物資源，可以滿足我國今后數(shù)百年的能源需求。

大國爭相探究

儲量豐富的“可燃冰”將是傳統(tǒng)化石能源的最佳替代能源，也成為各國高度關注的具有商業(yè)開發(fā)前景的新能源。

目前，全球至少有30多個國家和地區(qū)在進行可燃冰的研究與調查勘探。美國、俄羅斯、英國、德國、加拿大、日本、印度、韓國、巴西等國都從能源儲備戰(zhàn)略角度重視天然氣水合物的調查研究工作。它們將此作為政府行為，投入巨資，相繼開展了本國專屬經濟區(qū)和國際海底區(qū)域內的調查研究和資源評價。

1965年，前蘇聯(lián)首次在西伯利亞永久凍土帶發(fā)現(xiàn)天然氣水合物礦藏——麥索亞哈氣田，這成為全球迄今為止唯一一個對天然氣水合物進行商業(yè)性開采的氣田。從20世紀80年代以來，前蘇聯(lián)又通過海底表層取樣和地震調查相繼在黑海、里海、貝加爾湖、鄂霍次克海等水域發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，并進行了區(qū)域評價。

美國于1969年開始實施可燃冰調查。此后，以美國為首的深海鉆探計劃（DSDP）及其后續(xù)的大洋鉆探計劃（ODP），相繼在中美洲海溝陸坡、太平洋秘魯海溝陸坡、大西洋布萊克洋脊、墨西哥灣、加利福尼亞北部海域、北海、日本近海、北大西洋的斯瓦爾巴爾特陸坡、尼日利亞近海等地點發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。1998年，美國把可燃冰作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入國家級長遠計劃，計劃到2015年進行商業(yè)性試開采。

日本陸上資源匱乏，約95%的能源需從國外進口，于是日本近海的天然氣水合物就成為“關注”的對象。早在上世紀90年代初，日本就開始對可燃冰進行研究，政府重視，大量投入，目前勘探、開采試驗等都取得了重要進展，已處于世界領先地位。

去年3月12日，日本大張旗鼓地宣稱發(fā)現(xiàn)了“最大新型能源”的消息：日本經濟產業(yè)省稱，由日本石油天然氣和金屬礦產公司領導的實驗小組當天從愛知縣附近深海的可燃冰層中提取出甲烷，成為世界上“首個掌握海底可燃冰采掘技術”的國家。隨后，日本石油天然氣和金屬礦產公司也表示，“爭取在2019年3月前將可燃冰技術投入使用，并期望屆時帶來一種較為潔凈的能源供應?！?/p>

中國對天然氣水合物的研究與勘查起步較晚，上世紀80年代，開始研究海底可燃冰的勘探；1999年起，國土資源部設立海域天然氣水合物資源調查專項，并先后在南海海域和祁連山凍土帶鉆獲實物樣品；2011年，國務院又批準設立了新的天然氣水合物國家專項。

這些年，我國對可燃冰資源的調查和研究，取得了一些突破性成果。第一，證實了我國南海存在可燃冰資源，發(fā)現(xiàn)了南海北部陸坡可燃冰資源有利開發(fā)區(qū)，評價了該區(qū)域可燃冰資源的潛力，并確定了東沙、神狐兩個可燃冰重點目標；第二，陸域勘察可燃冰資源取得重大進展，證實了在我國廣闊凍土區(qū)蘊藏著豐富的可燃冰資源；第三，有了較強的科技和管理人才隊伍以及技術準備。

2007年5月1日凌晨，中國在南海北部的首次采樣成功，證實了中國南海北部蘊藏豐富的天然氣水合物資源，從而成為繼美國、日本、印度之后第4個通過國家級研發(fā)計劃采到水合物實物樣品的國家，標志著中國天然氣水合物調查研究水平已步入世界先進行列。

從中國地質調查局油氣資源調查中心獲悉，2013年8月11日，“祁連山及鄰區(qū)天然氣水合物資源勘查”項目組時隔兩年后再次在青海省天峻縣木里鎮(zhèn)DK-9科學鉆探試驗井中成功鉆獲天然氣水合物實物樣品。此次鉆獲的樣品主要產于細砂巖及泥巖、油頁巖裂隙中，位于188.20米～209.45米區(qū)間，單層厚度超過20米。

中國地質調查局青島海洋地質研究所研究員欒錫武表示，我國可燃冰開發(fā)目前仍處于調查實驗階段，已形成由國家調查專項、國家“863”計劃項目、“973”項目的可燃冰勘查投入體系。中國科學院于2004年組建了 “廣州天然氣水合物研究中心”，研究內容涉及天然氣水合物合成、物性測試、開采模擬、成藏機理、資源評價等領域。

日前傳出消息，依托國家重大基礎研究計劃（973計劃）項目，我國科學家歷時5年艱苦努力，首次建立起我國南海天然氣水合物基礎研究系統(tǒng)理論，取得一系列重要研究成果和創(chuàng)新性認識；今年1月，這一名為“南海天然氣水合物富集規(guī)律與開采基礎研究”的973科研項目，通過了國家科技部組織的驗收。

南海天然氣水合物富集規(guī)律與開采基礎研究項目由中國地質調查局主要承擔，重點圍繞我國南海北部陸坡天然氣水合物有關的成藏條件、成藏過程動力學、成藏富集規(guī)律等關鍵科學問題開展深入研究，取得了一系列重要研究成果和創(chuàng)新性認識。

可燃冰何時才能投入商業(yè)開發(fā)備受關注。車長波去年底透露，國土資源部將按照國家規(guī)劃部署要求，未來做好三項主要工作：加快可燃冰勘查評價和重點靶區(qū)鉆探取芯工作；開展可燃冰成藏機理和富集規(guī)律等理論研究；加大可燃冰試開采及環(huán)境評價等關鍵技術攻關力度，力爭早日實現(xiàn)可燃冰開發(fā)利用，為提高中國清潔能源保障程度努力。

中國地質調查局基礎部主任張海啟預計：“我國可能會在2020年前后突破天然氣水合物開發(fā)的核心技術，大約再經過10年左右的提升，到2030年前后能夠實現(xiàn)天然氣水合物的商業(yè)開發(fā)。”

多重難題待解

查清深藏海底或陸域深處的可燃冰儲量絕非易事，進行商業(yè)開采更加艱難。

中國海洋局主辦的《中國海洋報》去年4月評論稱，“可燃冰雖然發(fā)展前景廣闊，但目前資源量還不明確，也缺乏安全環(huán)保的開采技術，這是目前可燃冰開發(fā)中面臨的突出問題?！?/p>

全球可燃冰的勘探開發(fā)還處于初級階段，賦存條件、形成機理和分布特征的認識存在不足，對地質構造的負面影響約束可燃冰開發(fā)進程。美國、加拿大、日本、中國處于可燃冰勘探開發(fā)的前沿。可燃冰易探難采，開采面臨環(huán)境污染、地層坍塌甚至誘發(fā)地震和儲運不便等問題。

欒錫武介紹說，水合物的開采比油氣的開采具有不同的特點，這主要是因為水合物在海底以下沉積層中是以固體形式存在的。同時，水合物對溫度、壓力條件非常敏感，溫度、壓力條件改變以后很容易氣化，不像煤、原油那樣具有很好的穩(wěn)定性，如遇減壓會迅速分解，極易造成井噴，甚至形成海洋地質災害。所以很難采用挖煤的方法對水合物進行開采，其難度比常規(guī)海上油氣鉆探要大得多。

另外，甲烷水合物開采面臨的一個巨大問題就是甲烷氣體的釋放。甲烷屬于溫室氣體，如果開采不當，甲烷氣從水合物中溢出而不能被很好收集利用，那么它就可能會擴散到大氣中，增強溫室效應，影響氣候變化。

目前各國常見的開采技術包括降壓開采法、注熱開采法、置換法等，日本2013年采用降壓法成功提取出甲烷，開采成本較低，適合大面積開采，是最有前景的一種技術。專家認為，從可燃冰中成功分離出甲烷氣體是技術上的突破，至于商業(yè)化開采，還有很大的距離。

加拿大2001年通過注熱開采法首次生產出燃氣，但在生產過程中消耗能量超過產出的氣體；置換法開采速度慢；注入試劑法成本偏貴，這些方法的研究較少。

此外，開采成本巨大也制約著可燃冰的商業(yè)化運作。據(jù)日本推算，采用減壓法開發(fā)成本相當于日本液化天然氣（LNG）進口價格的2倍，隨規(guī)模及技術進步成本有望下降70%以上。

美國能源部資料顯示，目前的可燃冰開采成本平均高達每立方米200美元，相當于每立方米天然氣的成本在1美元以上，遠高于頁巖氣。未來可燃冰開采成本的下降有賴于油藏特征的認識和工藝的成熟程度。

“可燃冰”開發(fā)利用仍有一系列問題需要解決，商業(yè)化開采尚需時日。海上可燃冰開采至少要等到30年后，而陸上可燃冰開采也需等到10-15年以后。

“環(huán)境問題不可不考慮，技術突破確實也是難題。具體而言，如果真的確定將可燃冰作為能替代石油的戰(zhàn)略資源，那么，中國就要加強自己的技術儲備，并在條件允許的情況下，借鑒其他國家的先進技術?！睆B門大學中國能源經濟研究中心主任林伯強認為，“這應該是中國未來要著力了解的方向?！?/p>

欒錫武也表示，茫茫大海，廣闊海域，要找到埋在海底的可燃冰，必須得有先進的海底探測技術和設備，我國從2000年以后才進行技術的跟蹤，主要原因就是技術條件的限制。很多海洋技術，我國還很欠缺，而國外對我們采取技術封鎖。所以，發(fā)展自主創(chuàng)新的先進的海洋技術是勘探可燃冰的必要之路。