江南造船（集團）有限公司總工程師 胡可一

技 術(shù)

海工技術(shù)助推可燃冰實現(xiàn)商業(yè)開采

江南造船（集團）有限公司總工程師 胡可一

最近，一則關(guān)于“可燃冰”的新聞紅遍各種媒體。同時，再加上有媒體爆出的一輛汽車加100升可燃冰能跑5萬公里的“烏龍事件”，更使得可燃冰備受關(guān)注。那么，未來可燃冰到底給能源界帶來怎樣的變化？中國造船人如何看待這一新能源，以及如何助推早日實現(xiàn)可燃冰商業(yè)開采？

造船界需關(guān)注海洋能源新動向

可燃冰，又稱天然氣水合物，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。標準狀況下，1體積的可燃冰大概可以分解為164體積的甲烷氣體。

據(jù)相關(guān)資料顯示，可燃冰在全球范圍內(nèi)廣泛存在，廣泛分布于深?；蜿懹虻挠谰脙鐾林?。全球約有27%的陸地是可形成可燃冰的潛在地區(qū)，在全球邊緣海、深海槽區(qū)及大洋盆地中，有利于形成水合物的海區(qū)面積約為18.9億平方千米，占其總面積的30%。據(jù)科學家初步預測，全球可燃冰所含有機碳總量相當于全球已知石油、煤和天然氣等化石燃料含碳總量的兩倍。迄今為止，可燃冰已經(jīng)成為最有價值、最具潛力的海底礦產(chǎn)資源。目前，南極、北極均已發(fā)現(xiàn)可燃冰礦點，中國雖不屬于極地國家，但此前，我國已分別在南海海域和青藏高原凍土區(qū)鉆獲可燃冰實物樣品，使得我國成為世界上在中低緯度地區(qū)唯一擁有海底和陸上凍土區(qū)可燃冰資源的國家。據(jù)2016年相關(guān)部門發(fā)布的《中國能源礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查報告》顯示，我國可燃冰預測遠景資源量超過了1000億噸油當量，開發(fā)前景廣闊。若能實現(xiàn)可燃冰的商業(yè)開采，許多國家都可實現(xiàn)能源自給，現(xiàn)存的世界能源貿(mào)易將可能徹底改變。

從20世紀60年代開始至今，世界上已有79個國家和地區(qū)都發(fā)現(xiàn)了可燃冰藏，并且已有中國、美國、加拿大、日本、新西蘭等30個國家和地區(qū)開展了可燃冰的調(diào)查研究。近年來，可燃冰的勘探開發(fā)活動日益增多，一些國家甚至將其提高到能源安全戰(zhàn)略的高度予以重視。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)。日本對可燃冰的研究始于上世紀90年代。2001年，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省還發(fā)表了《甲烷水合物開發(fā)計劃》，正式啟動了為時18年的甲烷水合物的開發(fā)性研究。美國、加拿大、俄羅斯、印度、韓國等國家政府也都分別制定了有關(guān)可燃冰的長期研究計劃，計劃在5～10年內(nèi)實現(xiàn)可燃冰的商業(yè)開采。

2017年5月，“可燃冰”一下成為國際熱點新聞，5月4日，日本宣布從近海可燃冰中提取了甲烷；5月12日，美國宣布在墨西哥灣開展可燃冰鉆探研究；18日，我國宣布在南海試采可燃冰成功，成為全球首個海域可燃冰試采獲得連續(xù)穩(wěn)定氣流的國家。我國天然氣的成功試采，為實現(xiàn)可燃冰商業(yè)性開發(fā)利用提供了技術(shù)儲備，積累了寶貴經(jīng)驗，打破了我國在能源勘查開發(fā)領(lǐng)域長期跟跑的局面，取得了理論、技術(shù)、工程和裝備的完全自主創(chuàng)新，實現(xiàn)了在這一領(lǐng)域由“跟跑”到“領(lǐng)跑”的歷史性跨越，對保障國家能源安全、推動綠色發(fā)展、建設(shè)海洋強國具有重要而深遠的影響。

關(guān)于技術(shù)瓶頸的另類解讀

最近在網(wǎng)上出現(xiàn)了有對中國可燃冰開采技術(shù)不屑一顧者，認為中國可燃冰開采技術(shù)和鉆井船舶裝備都是石油天然氣勘探開發(fā)的常規(guī)技術(shù)和裝備，沒有任何技術(shù)上的突破，沒有什么可以自豪的。但我并不這么看。

同歐美發(fā)達國家相比，我國對可燃冰的研究晚了近20年，但是，從1999年開展實質(zhì)性調(diào)查以來，我國一直在奮起直追。2007年5月成功獲取了可燃冰實物樣品，成為世界上第四個通過國家級開發(fā)項目發(fā)現(xiàn)可燃冰的國家。顯然，對于可燃冰的勘探和開采，都需要很強的深海技術(shù)作為支撐，中國在底子薄、時間短的情況下能夠一躍進入強者行列，實屬不易。這次可燃冰試采，從2017年5月10號開始出氣，截至18日，已連續(xù)產(chǎn)氣8天，已經(jīng)累計產(chǎn)出超過12萬立方米甲烷含量高達99.5%的天然氣。平均日產(chǎn)超過1.6萬立方米以及連續(xù)產(chǎn)氣超過一周，在此之前，還沒有一個國家能同時成功實現(xiàn)這兩個指標。這次南海神狐海域試采成功是我國首次、也是世界第一次成功實現(xiàn)資源量全球占比90%以上、開發(fā)難度最大的泥質(zhì)粉砂型可燃冰安全可控開采，為實現(xiàn)可燃冰產(chǎn)業(yè)化提供了技術(shù)儲備，積累了寶貴經(jīng)驗。

據(jù)了解，作為一項復雜的高技術(shù)密集的系統(tǒng)工程，我國海域可燃冰試采工作既面臨著儲層類型為泥質(zhì)粉砂型而開發(fā)難度大的難題，也面臨著“無”成功先例、“無”成熟團隊、“無”成熟平臺、“無”成熟工藝、施工難度大等多個難題。因此，這次試采成功，充分展現(xiàn)了中國勘查開發(fā)理論、技術(shù)、工程和裝備自主創(chuàng)新能力，不僅展示了“中國身”，還展示了“中國心”的力量，創(chuàng)造了“六大技術(shù)體系、20項關(guān)鍵技術(shù)自主創(chuàng)新”。值得一提的是，在全流程試采核心技術(shù)上，這次試采形成了國際領(lǐng)先的新型試采工藝，尤其是“地層流體抽取”試采方法有效解決了儲層流體控制與可燃冰穩(wěn)定持續(xù)分解難題。此外，在試采中，我國掌握了鉆完井核心技術(shù)，構(gòu)建了深水淺層鉆完井技術(shù)體系。

此次成功試采，中國造船界也做出了不小的貢獻，有兩臺深海作業(yè)設(shè)備發(fā)揮了不可替代的重要作用，那就是我國自主研發(fā)的首臺4500米作業(yè)級無人遙控探測潛水器“海馬”號，以及由中集集團旗下中集來福士自主設(shè)計建造的海上鉆井平臺“藍鯨一號”?！昂ｑR”號深潛器是科技部863重點支持項目，是中國迄今為止自主研發(fā)的下潛最大、國產(chǎn)化率最高的無人遙控潛水系統(tǒng)。它是中國深海高科技領(lǐng)域繼“蛟龍”號之后的又一標志性成果。它突破了本體結(jié)構(gòu)、浮力材料、液壓動力和推進、作業(yè)機械手和工具、觀通導航、控制軟硬件、升沉補償裝置等關(guān)鍵技術(shù)，先后完成了總裝聯(lián)調(diào)、水池試驗和海上摸底試驗等工作。“藍鯨一號”是由中集集團旗下中集來福士自主設(shè)計建造，是中國最新研制成功的世界最大、鉆井深度最深的海上鉆井平臺，凈重超過42000噸、37層樓高，甲板面積相當于一個標準足球場大小，最大作業(yè)水深3658米，最大鉆井深度1.5萬米，造價50億元，是目前全球最先進的雙井架半潛式鉆井平臺之一，可適用于全球任何深海作業(yè)。這個鉆井平臺技能點主要是開采和防砂，是專門為開采可燃冰而研發(fā)的，擁有一整套的完井防砂設(shè)計系統(tǒng)，也足夠的穩(wěn)定，可以抵御12級的颶風，完全不怕海浪的顛簸。

雖然中國可燃冰試采成功，但要想實現(xiàn)大量穩(wěn)定開采仍然面臨很多困難。首先是開采技術(shù)問題暫時難以突破，當前可燃冰尚無成熟完美的開采技術(shù)，傳統(tǒng)的三種方法均不太成熟，熱激發(fā)開采法至今尚未很好地解決熱利用效率較低的問題；化學試劑注入開采法所需的化學試劑費用昂貴,對可燃冰層的作用緩慢,而且還會帶來一些環(huán)境問題；減壓開采法不需要連續(xù)激發(fā)，成本較低，適合大面積開采，尤其適用于存在下伏游離氣層的可燃冰藏的開采，是可燃冰傳統(tǒng)開采方法中最有前景的一種技術(shù)。但它對可燃冰藏的性質(zhì)有特殊要求，只有當可燃冰藏位于溫壓平衡邊界附近時減壓開采法才具有經(jīng)濟可行性。其次是開采成本高。據(jù)估計，目前可燃冰開采成本高達每立方米200美元，單位熱值的開采成本遠高于開采常規(guī)天然氣和石油的成本。第三是環(huán)境污染風險。可燃冰穩(wěn)定性較差，一旦汽化可能導致大規(guī)模爆炸，“封存”它的海底沉積物會失去穩(wěn)定，不僅對海底管道、通信電纜和開采平臺以及科學儀器造成破壞，而且還有可能造成大陸架邊緣動蕩從而引發(fā)海底塌方，甚至導致大規(guī)模海嘯。而且可燃冰在開采過程中可能造成甲烷成分泄露，全球可燃冰中蘊含的甲烷量約是大氣圈中的3000倍，而可燃冰分解產(chǎn)生的甲烷進入大氣的量即使只有大氣甲烷總量的0.5%，也會明顯加速全球變暖的進程。正因為存在上述諸多有待突破的問題，我國計劃先對開采技術(shù)進行充分研究使其成熟，到2030年前后再進行可燃冰的商業(yè)開采。這一策略是十分明智和理性的。

創(chuàng)新為商業(yè)開采提供堅強支撐

因擔心破壞全球生態(tài)平衡，以及面臨諸多開采技術(shù)難題，就否定天然冰的開采價值，這是因噎廢食。以前很多人也不看好頁巖氣，但是現(xiàn)在美國的頁巖氣就做得很棒。隨著科技的發(fā)展，這些問題都將得到最終解決?？扇急窈髮⒆鳛榍鍧嵞茉粗鸩教娲鷤鹘y(tǒng)化石能源的潛力是毋庸置疑的。但是，我們不能否認，未來商業(yè)化開采還面臨諸多挑戰(zhàn)。為此，一些專家也給出了不少非常好的建議。我個人認為，還有以下幾點應引起重視。

首先，要進一步確立可燃冰資源在我國能源戰(zhàn)略中的地位，優(yōu)先編制可燃冰開發(fā)中長期規(guī)劃；將可燃冰納入新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)目錄，參照頁巖氣、煤層氣財稅政策盡快研究出臺可燃冰勘探、開發(fā)、利用財稅扶持政策；加強礦產(chǎn)資源管理，審批并頒發(fā)可燃冰勘探開發(fā)審批許可證、采礦許可證，劃定勘探區(qū)塊，做好礦權(quán)登記；建立健全開采的技術(shù)標準和技術(shù)體系，增強核心技術(shù)自主研發(fā)能力。

其次，在不斷加強國際合作，適當引進國際研究力量和技術(shù)的同時，整合國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)，把產(chǎn)學研結(jié)合起來，從設(shè)備制造、地質(zhì)研究、開采試驗、海底工程等方面組織力量加大力度進行研究，以期用國產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備來解決可燃冰開采問題，爭取在2030年之前有大的突破。

第三，建立健全市場規(guī)則，制定民營資本、中央和地方國有資本等以獨資、參股、合作、提供專業(yè)服務等方式參與投資勘探和開發(fā)可燃冰資源的具體辦法。

作為造船人，我認為在可燃冰領(lǐng)域造船界應該有所作為，加大這方面的研發(fā)力度。在這方面我有些感悟。十年前，本人在訪問日本三井造船時，聽了日方關(guān)于可燃冰的技術(shù)講座和可燃冰的燃燒試驗，感覺若實現(xiàn)可燃冰商業(yè)開采，將會是國家能源戰(zhàn)略和海洋經(jīng)濟的一個重要組成部分。要商業(yè)化開采可燃冰，必須解決甲烷的綠色安全開采、經(jīng)濟安全儲運等關(guān)鍵技術(shù)難題。可燃冰的新型開采方式中相對可行的方法是置換法，即用二氧化碳去置換可燃冰中的甲烷。江南造船當時研發(fā)了液化二氧化碳運輸船和MOSS型液化天然氣（LNG）船，因此就大膽地設(shè)想，能否可以設(shè)計這樣一艘船，去程將用于置換的二氧化碳運過去，回程將置換出來的甲烷液化后運回來。此外，還將可燃冰開采裝置設(shè)計成一艘“子船”。2010年，江南造船的青年團隊以這個理念為基礎(chǔ)設(shè)計了“中華鱘”號可燃冰開采船方案，曾獲“中船理想杯”未來船舶創(chuàng)意大賽三等獎。盡管這個設(shè)想方案距離工程化還有很大的距離，但這種創(chuàng)新精神還是值得稱道的。

作為造船人，我們應當敏銳地意識到，可燃冰的商業(yè)化開采對船企來來說蘊育著無數(shù)商機。這次在可燃冰試開采出盡風頭的“藍鯨一號”是一個通用的鉆井平臺，如要進行商業(yè)化開采和運輸，必定對高效、經(jīng)濟、耐用的可燃冰開采平臺和運輸船舶提出需求。江南造船作為國內(nèi)液化氣船設(shè)計建造領(lǐng)先者，將致力海洋工程技術(shù)再創(chuàng)新，目前已經(jīng)著手利用成熟的C型艙技術(shù)進行液化二氧化碳/LNG兼用運輸船的研發(fā)，為置換法可燃冰開采后的運輸提供綠色、安全、高效、經(jīng)濟和可靠的運輸船舶，助推可燃冰實現(xiàn)商業(yè)開采。

總之，可燃冰的勘探、開發(fā)和利用是一個系統(tǒng)工程，涉及海洋地質(zhì)、地球物理、地球化學、流體動力學、鉆探工程等多個學科，因此只有大家共同努力，不斷創(chuàng)新，才能助推中國在可燃冰領(lǐng)域取得更大突破。