“可燃冰”的工業(yè)化開(kāi)采前景可期

■ 高大統(tǒng)

“可燃冰”的工業(yè)化開(kāi)采前景可期

■ 高大統(tǒng)

“可燃冰”不是冰，而是一種自然存在的微觀結(jié)構(gòu)為籠型的化合物，它的分子式現(xiàn)已被證實(shí)為CH4·8H2O，即為一個(gè)甲烷分子被包圍在8個(gè)水分子所形成的籠型結(jié)構(gòu)中?！翱扇急笔怯杉淄楹退诟邏海?兆帕斯卡以上）低溫(0℃～10℃)條件下形成的一種類冰狀白色固體燃料。 “可燃冰”是它的俗稱，因其外觀結(jié)構(gòu)像冰一樣，而且遇火即可燃燒而得名，所以，這種天然氣水合物又被稱為“固體瓦斯”或“氣冰”。

天然氣水合物的鉆采是非常規(guī)天然氣開(kāi)發(fā)中的世界性難題。在不可再生能源日益消耗的今天，許多國(guó)家和地區(qū)都在著手研究這種天然氣水合物——“可燃冰”的開(kāi)采方法。在國(guó)際上，“可燃冰”被公認(rèn)為石油、天然氣的接替能源，是一種被稱為能滿足人類使用1000年的新能源，具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。

正在燃燒的“可燃冰”

“可燃冰”的前程不可限量

“可燃冰”儲(chǔ)量非?？捎^。地球上大約有27%的陸地具備形成“可燃冰”的條件，同時(shí)在世界水域中約有90%的面積也屬這樣的潛在區(qū)域。國(guó)土資源部地質(zhì)勘查司副司長(zhǎng)車長(zhǎng)波說(shuō)：“天然氣水合物量很大，全世界公認(rèn)的應(yīng)該有1015立方米轉(zhuǎn)化成天然氣氣體，有這么大的量。我們知道常規(guī)天然氣世界上的量是4.3×1014立方米，頁(yè)巖氣是1.87×1014立方米，煤層氣是2.60×1014立方米它們加起來(lái)還沒(méi)有達(dá)到1015立方米總值?！?/p>

“可燃冰”是一種高效清潔能源?！翱扇急比紵裏嶂蹈撸紵a(chǎn)生的能量比相同質(zhì)量的普通化石燃料要多出數(shù)十倍。1立方米的“可燃冰”分解后在標(biāo)準(zhǔn)狀況下可生成164～180立方米的天然氣。因其燃燒值高，使用方便，未來(lái)“可燃冰”大規(guī)模開(kāi)采后，居民家里的灶臺(tái)、熱水器完全可以用“可燃冰”來(lái)替代天然氣，甚至“可燃冰”還可替代汽油、柴油、天然氣，為汽車等提供動(dòng)力能源。但這并不意味著“可燃冰”可以直接使用?！翱扇急笔撬吞烊粴庠诟邏汉偷蜏貤l件下混合產(chǎn)生的一種固態(tài)物質(zhì)，如果不能保證足夠的高壓、低溫和適宜的貯存設(shè)備，“可燃冰”就會(huì)迅速融化為水和甲烷，甲烷氣體將會(huì)“溜走”。

“可燃冰”是21世紀(jì)的綠色能源之一?！翱扇急比紵髢H會(huì)生成少量的二氧化碳和水，污染也要比普通化石燃料小很多。作為21世紀(jì)極具開(kāi)發(fā)潛力的新型戰(zhàn)略資源，“可燃冰”成為許多國(guó)家和國(guó)際組織關(guān)注的熱點(diǎn)。

天然氣水合物開(kāi)發(fā)利用示意圖

國(guó)外的勘探研究取得的進(jìn)展

就全球來(lái)說(shuō)，除了中國(guó)外，還有80多個(gè)國(guó)家和地區(qū)正在進(jìn)行“可燃冰”的研究與調(diào)查勘探。

2012年2～4月，美國(guó)能源部與康菲石油公司、日本國(guó)家石油天然氣和金屬公司等進(jìn)行合作，運(yùn)用CO2-CH4置換法，在美國(guó)阿拉斯加北坡的凍土區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)開(kāi)采，成功實(shí)現(xiàn)了開(kāi)采甲烷的同時(shí)有效封存了二氧化碳。

2013年3月12日，日本在愛(ài)知縣東南部的海槽進(jìn)行了“可燃冰”的試采。在這一次生產(chǎn)性試驗(yàn)中，日本首次實(shí)現(xiàn)在海域水合物中開(kāi)采出甲烷，6天累計(jì)產(chǎn)量13萬(wàn)立方米。在全球范圍內(nèi)這也是第一次。不過(guò)，此次試采因出砂堵塞等技術(shù)問(wèn)題最終失敗。

2017年4月，日本組織千代田公司（Chiyoda.Cop）等50家公司，針對(duì)“可燃冰”進(jìn)行第二次海洋生產(chǎn)性試驗(yàn)。第一口試采井累計(jì)產(chǎn)氣3.5萬(wàn)立方米。5月15日再次因出砂堵塞問(wèn)題而中止產(chǎn)氣。

就目前來(lái)看，在“可燃冰”的基礎(chǔ)研究、勘探和鉆探試驗(yàn)等環(huán)節(jié)，盡管美國(guó)、日本等處于世界領(lǐng)先地位，但他們尚沒(méi)有形成可靠、完美的方法和方案，都未能實(shí)現(xiàn)“可燃冰”的大規(guī)模開(kāi)采。

我國(guó)實(shí)現(xiàn)“可燃冰”開(kāi)采技術(shù)的新突破

在剛剛過(guò)去的2017年5月，我國(guó)在南海“神狐”海域進(jìn)行天然氣水合物試開(kāi)采，這也是世界首次成功實(shí)現(xiàn)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。

之所以本次“可燃冰”的開(kāi)采難度大，首先是由于其埋藏于海底，且海底地層松軟。開(kāi)采過(guò)程中既要保持井柱的穩(wěn)定，又不能破壞水合物的儲(chǔ)層。若施加重型機(jī)械，則極易引發(fā)海底床層大規(guī)模坍塌。其次，該地區(qū)砂型較細(xì)，含泥量大，造成滲透率大幅降低，會(huì)對(duì)產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。

此次“神狐”海域“可燃冰”的試采成功，標(biāo)志著我國(guó)成為全球第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了在海域“可燃冰”試開(kāi)采中獲得連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣的國(guó)家。本次開(kāi)采方式采用了降壓法開(kāi)采，并使用了我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的“水-泥-氣分離技術(shù)”。如下圖所示。雖然該方法在大規(guī)模天然氣水合物開(kāi)采中已被多個(gè)國(guó)家使用，但可控連續(xù)的開(kāi)采在世界范圍內(nèi)尚屬首次。

南?！吧窈焙Ｓ虺晒?shí)現(xiàn)天然氣水合物開(kāi)采的事實(shí)證明，在理論基礎(chǔ)和相關(guān)技術(shù)方面我國(guó)取得了前所未有的成功，意味著我國(guó)在開(kāi)采“可燃冰”領(lǐng)域占據(jù)了世界首要地位，實(shí)現(xiàn)了能源勘察開(kāi)發(fā)領(lǐng)域從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的歷史性跨越。

另外，中國(guó)吉林大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)從2004年開(kāi)始開(kāi)展陸域“可燃冰”鉆采項(xiàng)目研發(fā)，在長(zhǎng)達(dá)12年的技術(shù)攻關(guān)過(guò)程中，科研人員攻克了高海拔和嚴(yán)寒地區(qū)施工等多項(xiàng)技術(shù)難題，成功研發(fā)了國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“可燃冰”冷鉆熱采關(guān)鍵技術(shù)，也得到了普遍關(guān)注。

降壓法開(kāi)采天然氣水合物示意圖

“可燃冰”工業(yè)化開(kāi)采面臨挑戰(zhàn)

在技術(shù)上，“可燃冰”的開(kāi)采主要使用降壓法、熱激發(fā)法和CO2-CH4置換法等。一旦在開(kāi)采技術(shù)方面獲得突破性的進(jìn)展，那么，這種天然氣水合物將迅速成為21世紀(jì)的主要能源。但面臨的困難也十分嚴(yán)峻。

雖然中國(guó)已經(jīng)宣布“可燃冰”的試采成功，但要實(shí)現(xiàn)像傳統(tǒng)的石油和天然氣那樣大規(guī)模開(kāi)采尚有很大的距離，因此目前“可燃冰”還不能作為一種資源加以利用。美國(guó)能源部公布的資料顯示，目前“可燃冰”開(kāi)采成本平均每立方米高達(dá)200美元，即使按照1立方米“可燃冰”可轉(zhuǎn)化164立方米的天然氣來(lái)?yè)Q算，其成本也在每立方米1美元以上，這遠(yuǎn)高于通過(guò)成熟技術(shù)開(kāi)采常規(guī)天然氣的成本。

另外，在給人類帶來(lái)新的能源前景的同時(shí)，“可燃冰”對(duì)人類的生存環(huán)境也提出了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在開(kāi)采過(guò)程中若稍有不慎，一旦讓甲烷“逃逸”到大氣中去，將會(huì)給人類造成難以挽回的嚴(yán)重后果。一個(gè)客觀事實(shí)是，甲烷的溫室效應(yīng)指數(shù)是二氧化碳的24倍，如果“可燃冰”大規(guī)模開(kāi)采導(dǎo)致甲烷擴(kuò)散，溫室效應(yīng)造成的異常氣候和海面上升，將嚴(yán)重威脅人類的生存。

更嚴(yán)重的問(wèn)題在于，這種固結(jié)在海底沉積物中的水合物，千百年來(lái)已經(jīng)適應(yīng)了自己的“居住”環(huán)境，一旦人為地讓它們的生存條件發(fā)生改變，甲烷氣如果從水合物中釋放出來(lái)，沉積層的物理性質(zhì)就會(huì)隨之發(fā)生改變——該水合物的存在能夠保持沉積層的機(jī)械穩(wěn)定性。假設(shè)人為把它分解掉了，就會(huì)極大地降低海底沉積物的力學(xué)穩(wěn)定性，整體就變成松散的分解體，由此可能導(dǎo)致海底滑坡、滑嘯等突發(fā)性災(zāi)害，以及毀壞海底工程設(shè)施。因此，對(duì)這種天然氣水合物的開(kāi)發(fā)，態(tài)度需極度審慎。