海底可燃冰開采技術動向

可燃冰又稱天然氣水合物，主要由甲烷構成，燃燒后的產(chǎn)物是水和二氧化碳，因而被認定為一種新的海洋清潔能源。圖1是全球有機碳含量的分布情況（數(shù)據(jù)來自中國報告大廳），天然氣水合物所含有機碳占到全球總有機碳量的一半以上，可以看出天然氣水合物具有很好的開發(fā)前景。目前探查到的天然氣水合物主要存在于兩種環(huán)境條件下，即深海海底和陸上永久結冰帶。據(jù)專家預測，深海蘊藏的天然氣水合物約為(1～5)×1015m3。日益枯竭的能源、不斷增長的能源需求以及巨大的天然氣水合物儲量，決定了深海天然氣水合物將是重要的海洋能源之一。

對海底天然氣水合物的學術研究情況進行文獻計量分析（如圖2），可以看出，從20世紀90年代開始，世界在海底天然氣水合物領域的研究開始大幅增加，近年來一直呈現(xiàn)增長的趨勢，說明了海底天然氣水合物是海洋工程研究熱點之一。

國內(nèi)外開采研究現(xiàn)狀

海底天然氣水合物的首次發(fā)現(xiàn)源于20世紀70年代美國在深海的鉆探作業(yè)。20世紀80年代以來世界范圍普遍進行海底天然氣水合物相關研究、勘探、實驗等。美國、日本、俄羅斯等國家處于海底天然氣水合物研究的前列。

美國為了探明布萊克海臺天然氣水合物資源的情況，早在1998 年5月就通過了一個經(jīng)費2億美元、周期10年的海底天然氣水合物研究計劃。之后美國不斷鉆探研究井并從海底收集到天然氣水合物的樣本，例如在2007年2月，美國能源部、美國地質(zhì)調(diào)查局和BP勘探（阿拉斯加）公司三家聯(lián)合，在阿拉斯加北坡收集了約12.18立方米的天然氣水合物核心樣本。海底天然氣水合物的安全開采一直是亟待解決的問題之一，因此在2012財年，美國能源部計劃投入650萬美元專門用于大洋天然氣水合物安全開采技術及方法研究。2013年美國能源局發(fā)布了水合物2015年～2030年研究計劃。

日本一直熱衷于海底天然氣水合物的開采研究。為了能夠更好地研究海底天然氣水合物，日本在1995年成立了天然氣水合物開發(fā)促進委員會，并投入大量資金用于研發(fā)。日本通過多年來對海底天然氣水合物開采方法的研究，基本確定了通過降低底層壓力來提取天然氣的方法。在2012年2月初，依托“地球”號深海探測船，日本對愛知縣沿岸日本南海海溝中的天然氣水合物展開了開采實驗，圖3是試采試驗裝置示意圖。2013年3月12日，日本從距其海岸80km處全球首次通過降低底層壓力的方法成功提取天然氣，驗證了該方法的可行性；后來由于設備故障，日本中止了此次開采試驗。

俄羅斯一直積極開展對天然氣水合物的研究。前蘇聯(lián)解體后，俄羅斯面臨經(jīng)濟問題，因而未能在國家層面給予海底天然氣水合物的支持，但俄羅斯的大學、企業(yè)等機構沒有放棄對海底天然氣水合物的調(diào)查和研究，主要研究海域包括鄂霍茨克海、巴倫支海等。俄羅斯在陸上西伯利亞的麥索亞哈氣田天然氣水合物成功開采的經(jīng)驗實踐，對其深海天然氣水合物開采方法有巨大借鑒意義，俄羅斯學者經(jīng)過研究分析認為氣體提升法（固體開采法）是適用于深海的提取方法。俄羅斯提出了2020年天然氣水合物大規(guī)模工業(yè)開采的計劃，這將極大促進全球海底天然氣水合物的開采。

其他國家如印度、德國、加拿大、韓國等也開展了天然氣水合物開采的相關研究。

中國一直以來也很重視海底天然氣水合物的研究。1995年，中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會設立的“西太平洋氣體水合物找礦前景與方法的調(diào)研”預研課題揭開了中國海底天然氣水合物開采研究的序幕，正式研究于1997年開始。之后國家各部委開始設立海底天然氣水合物專項研究課題，中國石油大學、中科院能源所、中南大學等科研機構在海底天然氣水合物理論研究方面走在國內(nèi)前列。經(jīng)過多年研究，我國在海底天然氣水合物勘探、取樣鉆探、開采等技術和專用設備方面取得了一定的進展，2007年我國在南海神狐海域成功收集了天然氣水合物實物樣品。但與國外先進技術水平相比，由于我國前期規(guī)劃不足、科研力量分散和核心裝備水平有限等原因，我國仍處于追趕階段。近年來，“海洋石油981”、“蛟龍”號等深海裝備的成功研制，在一定程度上將促進我國深海天然氣水合物勘探、鉆采的發(fā)展。

總之，由于海底天然氣水合物所處的環(huán)境條件復雜，開采過程面臨太多的不確定風險，目前全球對海底天然氣水合物的開采仍處于理論和試驗試采階段（凍土區(qū)天然氣水合物的開采也未實現(xiàn)商業(yè)化），中、美、日三國天然氣水合物開發(fā)歷程和計劃如圖4所示。天然氣水合物商業(yè)化開采是一項復雜的系統(tǒng)工程，它的實現(xiàn)不可能一蹴而就，各國仍在不斷采用實驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗等方式進行研究。

主要開采方法

天然氣水合物是一種新型的清潔能源，其開采得到很多人的支持，但是也存在著很大的隱患。若沒有成熟、安全綠色的開采技術做支撐，一旦天然氣水合物開采不當而發(fā)生甲烷泄漏，后果不堪設想。一方面，甲烷是比二氧化碳更強的溫室氣體，引發(fā)的溫室效應危害性更大；另一方面，甲烷會影響水中的含氧量，對海洋生物也會造成嚴重影響。因此，當務之急是攻克海底天然氣水合物開采關鍵技術，探索出安全、可靠、可行的開采方法。

天然氣水合物的傳統(tǒng)開采方法包括降壓法、熱激法和試劑注入法3種，這3種開采方法廣泛用于陸上天然氣水合物的開采試驗。陸上試驗開采的實踐表明，降壓法是一種相對經(jīng)濟可行的方法。降壓法通過降低天然氣水合物儲存層的壓力來促使天然氣水合物分解從而提取天然氣。日本采用這種方法進行開采試驗，成功在海底開采出天然氣水合物，證明降壓法可用于海底天然氣水合物的開采。

近年來國外科學家還提出了新的海底水合物開采方法，如CO2水合物置換法、固態(tài)開采法和混合泥漿開采法。置換法的原理是將CO2注入天然氣水合物沉積層，CO2在生成水合物的同時，釋放的熱量將天然氣水合物分解，此種方法可封存CO2，環(huán)保性好，是一種有前途的開采方法。固體開采法的原理是將固態(tài)天然氣水合物直接進行采集，提升至淺水區(qū)或者船上進行分解?；旌夏酀{開采法源于固體開采法，其原理是首先讓天然氣水合物在沉積層分解為氣液混合相，然后將混有天然氣、水、泥漿三相的混合泥漿提升至船上進行處理。

國內(nèi)學者經(jīng)過多年研究，也提出了一些基于固態(tài)開采法思想的方法，比如利用地熱法、地面分解法、絞吸法、海水提升法等。當然這些方法還處于理論階段，仍有很多關鍵問題需要解決。

各種開采方法都有使用條件限制，也存在各種優(yōu)缺點。如何選擇合適的開采方法，需要結合天然氣水合物所在環(huán)境條件以及自身的技術水平，這需要不斷的理論和試驗探索。目前國際上認為有前景的海底天然氣水合物開采方法有降壓法、CO2水合物置換法、固態(tài)開采法等。

雖然我國在天然氣水合物研究方面取得了一定的成果，但與國際先進水平仍存在一定的距離，也存在一些問題，比如缺乏系統(tǒng)的總體規(guī)劃和開發(fā)路線圖；研究較為分散，未形成研發(fā)體系；開采技術還不成熟，尚未形成安全可靠的開采方法；對天然氣水合物應用研究和試采研究進展仍較為緩慢。針對上述問題，建議措施如下：

1、加強頂層設計：明確海底天然氣水合物的研發(fā)戰(zhàn)略，制定適合我國南海等海域的天然氣水合物研究開采規(guī)劃和技術路線。

2、構建研發(fā)體系：構建由企業(yè)、高校和研究機構組成的共同研發(fā)體系，產(chǎn)學研結合，綜合各方研發(fā)成果制定統(tǒng)一的研發(fā)進度路線。

3、加強成果轉化：加大投入，整合各方面資源，促進已有創(chuàng)新性科研成果的實用轉化，同時加強試采研究，推動實際規(guī)模開采。

4、加強國際交流合作：積極推動海底天然氣水合物試采研究方面的國際合作，與美國、加拿大、俄羅斯、日本等國的跨國公司開展合作，并積極設立天然氣水合物國際論壇。

5、構思產(chǎn)業(yè)化模式：要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，國家層面要制定配套政策予以支持，除了國家資金投入，還要鼓勵民間資本和民營企業(yè)參與。

6、攻關開發(fā)關鍵技術：包括天然氣水合物勘探開發(fā)關鍵技術、自主研制用于天然氣水合物探測的深潛器、天然氣水合物探測遙感技術、高精度海底定位技術、采樣機及鉆機等設備材料的高耐壓性/高密封性技術、天然氣水合物環(huán)境效應研究、可燃冰開采災害防范控制技術、以及可燃冰鉆采船/平臺和可燃冰運輸船等新型裝備開發(fā)等。

天然氣水合物在未來能源戰(zhàn)略中具有重要的地位，在未來的20年內(nèi)，將有越來越多的國家研究天然氣水合物，并逐步實現(xiàn)天然氣水合物的商業(yè)化開采。我國具有豐富的天然氣水合物資源，國內(nèi)也開展了多年的研究，取得一定的成果，與此同時我國也應看到自身的短板，通過不斷進行制度完善、政策支持、技術攻關等，努力從技術追趕者轉變?yōu)榧夹g領先者。

海底可燃冰開采技術動向

中船重工經(jīng)濟研究中心 趙羿羽 曾曉光 郎舒妍

我國天然氣水合物開采技術建議