可燃冰：能源寶庫(kù)與商業(yè)開(kāi)發(fā)

牛祿青

2007年，中國(guó)南海神狐海域首次成功鉆探獲得天然氣水合物（俗稱“可燃冰”）實(shí)物樣品，如今10年過(guò)去了，就在同一海域，中國(guó)實(shí)現(xiàn)了可燃冰試采成功。這一歷史性突破來(lái)之不易，是“中國(guó)理論”“中國(guó)技術(shù)”“中國(guó)裝備”凝結(jié)而成的突出成就，實(shí)現(xiàn)了在這一領(lǐng)域由“跟跑”到“領(lǐng)跑”的歷史性跨越。

5月18日，中共中央、國(guó)務(wù)院專門(mén)向國(guó)土資源部、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局以及參加海域天然氣水合物試采任務(wù)的相關(guān)單位和人員發(fā)來(lái)賀電。賀電指出，這是在掌握深海進(jìn)入、深海探測(cè)、深海開(kāi)發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得的重大成果，是中國(guó)人民勇攀世界科技高峰的又一標(biāo)志性成就，對(duì)推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命具有重要而深遠(yuǎn)的影響。

巧合的是，美國(guó)和日本也在5月宣布嘗試開(kāi)采可燃冰。美國(guó)能源部下屬的國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室12日宣布，正與得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校等機(jī)構(gòu)合作，于5月在墨西哥灣深水區(qū)開(kāi)展可燃冰開(kāi)采研究，11日已經(jīng)開(kāi)始了一次鉆探。

美國(guó)十分重視可燃冰研究，2000年曾通過(guò)《天然氣水合物研究與開(kāi)發(fā)法案》。此后美國(guó)能源部多次撥款支持可燃冰研究，最近一次是在2016年9月，宣布投入380萬(wàn)美元支持6個(gè)新的可燃冰研究項(xiàng)目。開(kāi)展本次鉆探的得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校就是受支持的項(xiàng)目方之一。

日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省資源能源廳5月4日宣布，日本石油天然氣金屬礦物資源機(jī)構(gòu)成功從日本近海海底埋藏的可燃冰中提取出甲烷。此次試驗(yàn)開(kāi)采海域位于愛(ài)知縣和三重縣附近的太平洋近海，估計(jì)該海域擁有的可燃冰儲(chǔ)量達(dá)1.1萬(wàn)億立方米，是日本天然氣年消費(fèi)量的約10倍。

這是日本第二次開(kāi)采可燃冰。2013年，日本嘗試過(guò)開(kāi)采海底可燃冰并提取了甲烷，但由于海底砂流入開(kāi)采井，試驗(yàn)僅6天就被迫中斷。本次試驗(yàn)持續(xù)12天后也因出砂問(wèn)題中斷，未能完成原計(jì)劃連續(xù)三四周穩(wěn)定生產(chǎn)的目標(biāo)，12天產(chǎn)氣量只有3.5萬(wàn)立方米。

目前，全球天然氣水合物研發(fā)活躍的國(guó)家和地區(qū)有30多個(gè)，主要有中國(guó)、美國(guó)、日本、加拿大、韓國(guó)和印度等，各國(guó)競(jìng)相投入巨資開(kāi)展天然氣水合物試采，競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。其中，美國(guó)、加拿大在陸地上進(jìn)行過(guò)試采，但效果不理想。

中國(guó)此次試采可燃冰成功，是世界首次成功實(shí)現(xiàn)資源量占全球90%以上、開(kāi)發(fā)難度最大的泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物安全可控開(kāi)采。

“從科學(xué)到技術(shù)創(chuàng)新要經(jīng)歷知其然（發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象）、知其所以然（理論理解）、造其然（技術(shù)上可行）、利其然（經(jīng)濟(jì)上可行）的四個(gè)階段。中國(guó)這次突破的意義，就是讓利用可燃冰達(dá)到了‘造其然的階段。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室副研究員袁嵐峰說(shuō)。

可燃冰的優(yōu)點(diǎn)和儲(chǔ)量

可燃冰又稱氣冰、固體瓦斯，學(xué)名叫天然氣水合物，被譽(yù)為21世紀(jì)最理想的潛在替代能源。它是一種甲烷和水分子在低溫高壓的情況下結(jié)合在一起的化合物，因形似冰塊卻能燃燒而得名，燃燒后只生成二氧化碳和水，是一種燃燒值高、清潔無(wú)污染的新型能源，分布廣泛而且儲(chǔ)量巨大。

隨著傳統(tǒng)油氣資源的枯竭，人類(lèi)急需尋找新的可替代能源，天然氣水合物的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑給人們帶來(lái)了新的希望。1立方米的可燃冰分解后可釋放出約0.8立方米的水和164立方米的天然氣，能量密度高，資源潛力巨大，估算其資源量相當(dāng)于全球已探明傳統(tǒng)化石燃料碳總量的兩倍，科學(xué)家們甚至認(rèn)為它是能夠滿足人類(lèi)使用1000年的新能源，是今后替代石油、煤等傳統(tǒng)能源的首選。

美國(guó)能源部估計(jì)，全球可燃冰中蘊(yùn)藏著大約2800萬(wàn)億到28000萬(wàn)億立方米甲烷。相比之下，2015年全球天然氣開(kāi)采量約為35億立方米，還不足天然氣水合物儲(chǔ)量的千分之一。

保守估計(jì)，全國(guó)可燃冰資源儲(chǔ)存量約相當(dāng)于1090億噸油當(dāng)量，約是常規(guī)天然氣、頁(yè)巖氣等資源量總和的兩倍，按當(dāng)前的消耗水平，可滿足我國(guó)近200年的能源需求。南海海域是我國(guó)可燃冰最主要的分布區(qū)，其中有近740億噸在南海。

試采現(xiàn)場(chǎng)指揮部地質(zhì)組組長(zhǎng)陸敬安說(shuō)，勘探顯示，神狐海域有11個(gè)礦體，面積128平方公里，資源儲(chǔ)存量1500億立方米，相當(dāng)于1.5億噸石油儲(chǔ)量，“成功試采意味著這些儲(chǔ)量都有望轉(zhuǎn)化成可利用的寶貴能源”。

“對(duì)于海洋可燃冰的研究，我國(guó)是從1995年開(kāi)始的，并于2007年5月成功獲取了可燃冰實(shí)物樣品，成為世界上第四個(gè)通過(guò)國(guó)家級(jí)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)可燃冰的國(guó)家?！痹嚥涩F(xiàn)場(chǎng)指揮部總指揮葉建良介紹說(shuō)。

2010年底，由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局完成的《南海北部神狐海域天然氣水合物鉆探成果報(bào)告》通過(guò)終審，科考人員在我國(guó)南海北部神狐海域鉆探目標(biāo)區(qū)內(nèi)圈定11個(gè)可燃冰礦體，顯現(xiàn)出良好的資源潛力。“海洋六號(hào)”入列后，再次深入南海北部區(qū)域進(jìn)行新一輪精確調(diào)查，調(diào)查海域包括瓊東南海域、西沙海域、神狐海域和東沙海域等區(qū)域，調(diào)查的重點(diǎn)是在南海北部前期勘探的基礎(chǔ)上圈定重點(diǎn)勘探區(qū)域。

神狐海域可燃冰儲(chǔ)量只是我國(guó)可燃冰蘊(yùn)藏量的“冰山一角”。在西沙海槽，科考人員已初步圈出可燃冰分布面積5242平方公里；在南海其他海域，同樣也有天然氣水合物存在的必備條件。

曾幾何時(shí)，人類(lèi)燒柴燃火，靠火得到能量和溫暖。200年前，人類(lèi)步入工業(yè)文明，是煤炭的利用使蒸汽機(jī)得以大面積推廣。再后來(lái)，石油天然氣使人類(lèi)得以更加高效地在地球上往來(lái)穿梭。

但是，隨著時(shí)間的更替，人類(lèi)探明大油田的幾率在不斷下降，人類(lèi)只能向極地、深海這些開(kāi)采難度大的地方尋求能源，或者以更高的成本開(kāi)采深海石油、油砂、油頁(yè)巖等非常規(guī)能源。石油的漸趨匱乏是工業(yè)社會(huì)面臨的最為嚴(yán)重的危機(jī)之一。

前些年，美國(guó)對(duì)頁(yè)巖氣的開(kāi)采利用使其大幅降低了對(duì)石油的依賴，甚至由石油進(jìn)口國(guó)轉(zhuǎn)變成了出口國(guó)。正因此，我國(guó)也不斷加大對(duì)頁(yè)巖氣的研究和開(kāi)發(fā)利用，但客觀說(shuō)，與美國(guó)成熟的頁(yè)巖氣技術(shù)相比，我國(guó)仍處于跟跑階段。

“但這次不同了，可燃冰是未來(lái)全球能源發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，我們率先試采成功，是領(lǐng)跑而不是跟隨?！敝袊?guó)地質(zhì)調(diào)查局局長(zhǎng)鐘自然表示。

可燃冰是如何形成的？

目前人類(lèi)已探明的可燃冰主要分布在海底和永久凍土帶，全球海洋總面積的90%具備天然氣水合物生成條件。要形成可燃冰必須滿足三個(gè)基本條件：原材料、溫度和壓力。

首先，要有一定數(shù)量的天然氣這一原材料。其次，必須是低溫條件，可燃冰在0到10℃時(shí)生成，超過(guò)20℃就會(huì)分解，變得“煙消云散”。因此，無(wú)論是在海底還是陸域的永久凍土帶都要滿足這一條件。最后，必須要在高壓條件下才能生成。在0℃時(shí)，需要30個(gè)大氣壓才可以生成可燃冰。

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局基礎(chǔ)部副主任邱海峻介紹說(shuō)，在神狐海域1200米水深以下，200米左右，只要有合適的低溫高壓環(huán)境，就能形成水合物，而且只要?dú)庠幢容^充足，就能形成很富集的礦體，這是規(guī)律。

在原材料、溫度、壓力三者都具備的條件下，可燃冰晶體就生成了。除了海底，科學(xué)家在大陸的永久凍土帶也發(fā)現(xiàn)了可燃冰。我國(guó)是世界上第一個(gè)在中高緯度高原凍土帶鉆獲可燃冰實(shí)物樣品的國(guó)家。

根據(jù)2016年發(fā)布的《中國(guó)能源礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》的最新數(shù)據(jù)，我國(guó)可燃冰預(yù)測(cè)遠(yuǎn)景資源量超1000億噸油當(dāng)量，開(kāi)發(fā)前景廣闊。那么這些可燃冰到底都藏在哪里呢？在《中國(guó)能源礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》中提到的可燃冰資源量，包括海域可燃冰和陸域可燃冰。

2013年在我國(guó)珠江口盆地東部海域發(fā)現(xiàn)超千億方級(jí)可燃冰礦藏，2015年神狐海域再次發(fā)現(xiàn)超千億方級(jí)可燃冰，而且礦藏分布廣、厚度大、飽和度高，為我國(guó)可燃冰試開(kāi)采提供了重要參考靶區(qū)。2015年，我國(guó)利用自主研發(fā)的4500米級(jí)“海馬”號(hào)無(wú)人遙控潛水器首次在珠江口盆地西部海域發(fā)現(xiàn)了可燃冰活動(dòng)的標(biāo)志——活動(dòng)性“冷泉”，并成功獲取了可燃冰樣品。

天然氣水合物試采現(xiàn)場(chǎng)總指揮葉建良表示，水合物要有一定的溫壓條件，也要有一定的氣體來(lái)源，所以基本都分布在大陸架的邊緣地帶。

其實(shí)，我國(guó)對(duì)海底可燃冰的研究和勘探已經(jīng)進(jìn)行了30年，在南海西沙海槽、神狐等海區(qū)相繼發(fā)現(xiàn)存在標(biāo)志。而在世界上，可燃冰的研究早在上世紀(jì)六十年代就已經(jīng)開(kāi)始。截至目前，全世界直接或間接發(fā)現(xiàn)的可燃冰礦點(diǎn)超過(guò)200多處。

和國(guó)際上早在上個(gè)世紀(jì)60年代就開(kāi)始勘探、研究可燃冰相比，我國(guó)的可燃冰研究起步要晚到1998年，但中國(guó)科技工作者只用了不到20年就完成了從空白到趕超的全過(guò)程。

和海洋石油、天然氣相比，海域可燃冰的開(kāi)采就一個(gè)字：難。難點(diǎn)也是一個(gè)字：軟。

“可燃冰雖然儲(chǔ)量大、分布廣，但形成年代要比石油、天然氣晚得多，覆蓋它的海底地層普遍是砂質(zhì)，現(xiàn)有的海底鉆井設(shè)備開(kāi)采它就好比在豆腐上打鐵、用金剛鉆繡花，稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致大量砂石涌進(jìn)管道，造成開(kāi)采失敗。”試采現(xiàn)場(chǎng)指揮部首席科學(xué)家、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“李四光學(xué)者”盧海龍說(shuō)。

“與日本相比，我國(guó)海域主要屬于粉砂型儲(chǔ)層，這也是占全球90%以上比例的儲(chǔ)藏類(lèi)型。砂細(xì)導(dǎo)致滲透率更差，同時(shí)我國(guó)的可燃冰水深大，儲(chǔ)層埋層淺，施工難度更大。我們的突破，對(duì)于全世界而言更具有可參考和借鑒的價(jià)值?！北R海龍說(shuō)。

商業(yè)化開(kāi)采有多遠(yuǎn)

國(guó)土資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局副局長(zhǎng)李金發(fā)在央視新聞中表示，這一次天然氣水合物的試開(kāi)采成功，將會(huì)是繼美國(guó)引領(lǐng)頁(yè)巖氣革命之后的，由我國(guó)引領(lǐng)的天然氣水合物革命，將會(huì)推動(dòng)整個(gè)世界能源利用格局的改變。中共中央、國(guó)務(wù)院賀電中也指示下一步促進(jìn)天然氣水合物勘查開(kāi)采產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局預(yù)計(jì)，或在2020年前后突破天然氣水合物的開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能夠適應(yīng)工業(yè)化開(kāi)發(fā)規(guī)模的工藝、技術(shù)和設(shè)備完善，大約再經(jīng)過(guò)10年左右提升，到2030年前后實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的商業(yè)開(kāi)發(fā)，那時(shí)候大家就可能使用可燃冰作為燃料的汽車(chē)了。

在本次試開(kāi)采之后，我國(guó)可燃冰開(kāi)采將進(jìn)入“科學(xué)積累”的新階段。葉建良說(shuō)，在系統(tǒng)總結(jié)本次試采經(jīng)驗(yàn)、優(yōu)化試采技術(shù)工藝的基礎(chǔ)上，還將開(kāi)展更多種類(lèi)型可燃冰試采，建立適合我國(guó)資源特點(diǎn)的開(kāi)發(fā)利用技術(shù)體系，同時(shí)創(chuàng)建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程技術(shù)中心等創(chuàng)新平臺(tái)，進(jìn)一步提高可燃冰勘探開(kāi)發(fā)和深?？萍紕?chuàng)新能力。

根據(jù)國(guó)土資源科技創(chuàng)新規(guī)劃，“十三五”期間，通過(guò)研制深遠(yuǎn)海油氣及可燃冰勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)裝備，我國(guó)將推進(jìn)大洋海底礦產(chǎn)勘探及海洋可燃冰試采工程，力爭(zhēng)2020年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化試采，研制成功全海深潛水器和深遠(yuǎn)海核動(dòng)力浮動(dòng)平臺(tái)技術(shù)。

中國(guó)科學(xué)家們還對(duì)未來(lái)全球能源接續(xù)的“中國(guó)方案”雄心勃勃?！暗蜐B粉砂質(zhì)儲(chǔ)層水合物礦藏在海上絲綢之路沿線國(guó)家廣泛分布，很多國(guó)家對(duì)可燃冰有強(qiáng)烈需求。我們現(xiàn)在掌握了這一技術(shù)，有利于解決‘一帶一路沿線的資源、能源問(wèn)題，推動(dòng) ‘一帶一路沿線的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和融合?！鼻窈＞f(shuō)。

目前，在中國(guó)之外，美國(guó)和日本是世界上可燃冰勘探開(kāi)發(fā)投入比較多、比較積極的國(guó)家，并取得了一定的成績(jī)。但由于這兩個(gè)國(guó)家也只做過(guò)實(shí)驗(yàn)性開(kāi)采，受制于技術(shù)和成本等其他原因，兩國(guó)商業(yè)化開(kāi)采可燃冰的時(shí)間都可能延遲。

具體來(lái)說(shuō)，美國(guó)已推遲了原定2015年進(jìn)行可燃冰商業(yè)性開(kāi)采的計(jì)劃，具體時(shí)間待定。不過(guò)，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局則認(rèn)為最早也要到2025年才能看到成效。

日本此前的《海洋基本計(jì)劃》提出，日本將力爭(zhēng)在2018年前為商業(yè)開(kāi)采海底可燃冰確立全套技術(shù)基礎(chǔ)，并在2023-2029年間實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)發(fā)。但是日本今年4月再次進(jìn)行試采時(shí)受挫。

目前可燃冰商業(yè)化開(kāi)采還面臨三大挑戰(zhàn)：一是開(kāi)采技術(shù)。世界各國(guó)對(duì)可燃冰的開(kāi)采仍處于研究試驗(yàn)階段，還沒(méi)有成熟完美的開(kāi)采技術(shù)，但有三種開(kāi)采方案：

1、熱解法。利用可燃冰在溫度升高時(shí)會(huì)自動(dòng)分解的特性，通過(guò)加溫方式向可燃冰層注入熱能，使其由固態(tài)分解出甲烷氣體。這種開(kāi)采方式基本上已獲得成功，但整個(gè)開(kāi)采過(guò)程要對(duì)甲烷進(jìn)行兩次分離，還要消耗大量能源來(lái)加熱溫水。

2、置換法。將化學(xué)試劑注入可燃冰層中，使其與可燃冰發(fā)生反應(yīng)，改變可燃冰的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，使其發(fā)生失穩(wěn)作用而進(jìn)行開(kāi)采。這種方法對(duì)甲烷氣體難以進(jìn)行有效的收集，布設(shè)收集管道是個(gè)難題。