冰與火可燃冰的新突破

黃露露　陳波濤

2017年5月18日，我國(guó)在南海北部神狐海域進(jìn)行的可燃冰試采獲得成功，這標(biāo)志著中國(guó)成為全球第一個(gè)在海域可燃冰試開采中獲得連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣的國(guó)家。在傳統(tǒng)化石能源日益枯竭的今天，可燃冰的成功試采對(duì)于緩解能源危機(jī)具有重要的意義。我國(guó)在此次試采中實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的完善與自主創(chuàng)新，但這是否意味著很快我們就可以大規(guī)模使用可燃冰來(lái)代替石油、煤炭等傳統(tǒng)能源了呢？

可燃冰，也稱為天然氣水合物，是一種固體結(jié)晶物質(zhì)。其微觀結(jié)構(gòu)是一個(gè)個(gè)由水分子構(gòu)成的“籠子”，每個(gè)“籠子”里“關(guān)”著一個(gè)甲烷分子。它外形似冰，但只需稍微被火烤一會(huì)兒就能燃燒，釋放出大量的能量。

可燃冰要在低溫高壓的環(huán)境下才能形成。海底極大的壓強(qiáng)和低溫為可燃冰的形成創(chuàng)造了條件，在0℃、30個(gè)大氣壓下，海洋生物碳循環(huán)產(chǎn)生的天然氣和水就能形成可燃冰，因此它在海洋和一些內(nèi)陸湖泊的深處分布廣泛。此外，可燃冰在海島斜坡帶、大陸與海洋邊緣帶、極地大陸架及陸地凍土帶也有分布。我國(guó)可燃冰主要分布在南海和東海海域、青藏高原和東北凍土帶。

可燃冰是一種在地球上儲(chǔ)量巨大的清潔能源，很多國(guó)家都已經(jīng)對(duì)它展開研究，并且打算持續(xù)穩(wěn)定地開采。從可燃冰的化學(xué)成分和形成條件來(lái)看，開采時(shí)只需升溫減壓，就可以釋放出大量甲烷氣體和水。但是真的有這么簡(jiǎn)單嗎？

2013年，日本科學(xué)家利用深海探測(cè)船，在約1000米深的海底采用降壓法降低地層壓力，將可燃冰分解為水和甲烷氣體，并將甲烷氣提取出來(lái)。由于可燃冰覆蓋在海底淺層，和海底泥沙混合在一起，開采可燃冰的同時(shí)還要排除泥沙，結(jié)果開采過(guò)程中泥沙堵住鉆井通道，日本的科研團(tuán)隊(duì)被迫中止了開采計(jì)劃。

可燃冰的開采還是一道世界性難題?？扇急枪虘B(tài)，從地下或深海開采固體十分困難，需要考慮管道堵塞、傳輸時(shí)周圍環(huán)境改變而造成氣體泄漏等復(fù)雜的問(wèn)題?？扇急_采平臺(tái)在深海極端條件下的工作穩(wěn)定性也成為能否持續(xù)開采的關(guān)鍵因素。全球海底可燃冰中甲烷總量巨大，在開采和輸送過(guò)程中如果稍有不慎，讓甲烷氣體直接進(jìn)入大氣，不僅會(huì)加速全球變暖的進(jìn)程，而且會(huì)給全球氣候及海洋生態(tài)環(huán)境帶來(lái)難以想象的災(zāi)難。

可燃冰仿佛是一只沉睡的巨獸，只有強(qiáng)大的科學(xué)技術(shù)才能“喚醒”它為人類服務(wù)。

我國(guó)對(duì)可燃冰的研究起步較晚，但是我國(guó)科學(xué)家在這一領(lǐng)域探索的步伐卻十分迅捷。本次南?？扇急嚥?，連續(xù)產(chǎn)氣超過(guò)一周，累計(jì)產(chǎn)氣12萬(wàn)立方米，就是世界首次成功實(shí)現(xiàn)對(duì)難度最大的泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物的安全可控開采，這其中蘊(yùn)含著中國(guó)技術(shù)的跨越式進(jìn)步。

開采可燃冰時(shí)，將開采固體變?yōu)殚_采氣體這一過(guò)程十分關(guān)鍵。此次中國(guó)在可燃冰試采中取得突破，就是因?yàn)閷⒃撨^(guò)程中涉及到的防砂、儲(chǔ)層改造、鉆井和勘探等多方面的技術(shù)進(jìn)行了革新。其中，儲(chǔ)層改造采用降壓法，即將海底原本穩(wěn)定的壓力降低，破壞可燃冰儲(chǔ)層在海底的儲(chǔ)藏條件，再借助自主研發(fā)的一套水、砂、氣分離技術(shù)將天然氣成功取出，同時(shí)整個(gè)過(guò)程都保持可控，避免海底甲烷泄漏。

可燃冰中的天然氣被提取出來(lái)后，該如何儲(chǔ)存？這是困擾開采人員的又一個(gè)技術(shù)難題。

如果是在開采平臺(tái)上儲(chǔ)存，就需要將氣態(tài)的可燃物加壓進(jìn)行液化?？扇急蠖喾植加诤Ｑ笏?000米到3000米海域范圍內(nèi)，這樣的海洋深度意味著開采點(diǎn)離海岸線的距離不會(huì)太近。如何將氣態(tài)甲烷轉(zhuǎn)化為液態(tài)，是采用人工加壓還是遠(yuǎn)程操控？

采用人工加壓意味著操作人員需要生活在開采平臺(tái)上，這將會(huì)產(chǎn)生很多不安全因素；采用遠(yuǎn)程操控，就需要加大技術(shù)上的投入。

采集到的天然氣又該如何運(yùn)輸呢？目前常用的方法有海上的貨輪運(yùn)輸與鋪設(shè)海底輸氣管道運(yùn)輸。

由于開采點(diǎn)距離海岸線較遠(yuǎn)，無(wú)論采用貨輪還是輸氣管道，都屬于長(zhǎng)距離運(yùn)輸。海洋復(fù)雜的氣候條件給貨輪的運(yùn)輸及海底管道的檢修都增加了難度。

可燃冰的成功試采，為我國(guó)進(jìn)一步開發(fā)這種清潔能源提供了技術(shù)支撐。然而，存儲(chǔ)、運(yùn)輸、大面積開采對(duì)海底生態(tài)環(huán)境造成的影響等因素也制約著可燃冰的開發(fā)。相信隨著開采項(xiàng)目中各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)的進(jìn)步與完善，可燃冰的大規(guī)模商業(yè)化開采將不再遙遠(yuǎn)。endprint