牛祿青

2007年，中國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年過去了，就在同一海域，中國實(shí)現(xiàn)了可燃冰試采成功。這一歷史性突破來之不易，是“中國理論”“中國技術(shù)”“中國裝備”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、國務(wù)院專門向國土資源部、中國地質(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)來賀電。賀電指出，這是在掌握深海進(jìn)入、深海探測、深海開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得的重大成果，是中國人民勇攀世界科技高峰的又一標(biāo)志性成就，對推動能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命具有重要而深遠(yuǎn)的影響。

巧合的是，美國和日本也在5月宣布嘗試開采可燃冰。美國能源部下屬的國家能源技術(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)開展可燃冰開采研究，11日已經(jīng)開始了一次鉆探。

美國十分重視可燃冰研究，2000年曾通過《天然氣水合物研究與開發(fā)法案》。此后美國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380萬美元支持6個新的可燃冰研究項(xiàng)目。開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)開采海域位于愛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量達(dá)1.1萬億立方米，是日本天然氣年消費(fèi)量的約10倍。

這是日本第二次開采可燃冰。2013年，日本嘗試過開采海底可燃冰并提取了甲烷，但由于海底砂流入開采井，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3.5萬立方米。

目前，全球天然氣水合物研發(fā)活躍的國家和地區(qū)有30多個，主要有中國、美國、日本、加拿大、韓國和印度等，各國競相投入巨資開展天然氣水合物試采，競爭異常激烈。其中，美國、加拿大在陸地上進(jìn)行過試采，但效果不理想。

中國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、開發(fā)難度最大的泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物安全可控開采。

“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）的四個階段。中國這次突破的意義，就是讓利用可燃冰達(dá)到了‘造其然的階段?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室副研究員袁嵐峰說。

可燃冰的優(yōu)點(diǎn)和儲量

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、清潔無污染的新型能源，分布廣泛而且儲量巨大。

隨著傳統(tǒng)油氣資源的枯竭，人類急需尋找新的可替代能源，天然氣水合物的發(fā)現(xiàn)無疑給人們帶來了新的希望。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。

美國能源部估計(jì)，全球可燃冰中蘊(yùn)藏著大約2800萬億到28000萬億立方米甲烷。相比之下，2015年全球天然氣開采量約為35億立方米，還不足天然氣水合物儲量的千分之一。

保守估計(jì)，全國可燃冰資源儲存量約相當(dāng)于1090億噸油當(dāng)量，約是常規(guī)天然氣、頁巖氣等資源量總和的兩倍，按當(dāng)前的消耗水平，可滿足我國近200年的能源需求。南海海域是我國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)場指揮部地質(zhì)組組長陸敬安說，勘探顯示，神狐海域有11個礦體，面積128平方公里，資源儲存量1500億立方米，相當(dāng)于1.5億噸石油儲量，“成功試采意味著這些儲量都有望轉(zhuǎn)化成可利用的寶貴能源”。

“對于海洋可燃冰的研究，我國是從1995年開始的，并于2007年5月成功獲取了可燃冰實(shí)物樣品，成為世界上第四個通過國家級開發(fā)項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)可燃冰的國家。”試采現(xiàn)場指揮部總指揮葉建良介紹說。

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告》通過終審，科考人員在我國南海北部神狐海域鉆探目標(biāo)區(qū)內(nèi)圈定11個可燃冰礦體，顯現(xiàn)出良好的資源潛力?！昂Ｑ罅枴比肓泻螅俅紊钊肽虾１辈繀^(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。

神狐海域可燃冰儲量只是我國可燃冰蘊(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，人類燒柴燃火，靠火得到能量和溫暖。200年前，人類步入工業(yè)文明，是煤炭的利用使蒸汽機(jī)得以大面積推廣。再后來，石油天然氣使人類得以更加高效地在地球上往來穿梭。

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

前些年，美國對頁巖氣的開采利用使其大幅降低了對石油的依賴，甚至由石油進(jìn)口國轉(zhuǎn)變成了出口國。正因此，我國也不斷加大對頁巖氣的研究和開發(fā)利用，但客觀說，與美國成熟的頁巖氣技術(shù)相比，我國仍處于跟跑階段。

“但這次不同了，可燃冰是未來全球能源發(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刭|(zhì)調(diào)查局局長鐘自然表示。

可燃冰是如何形成的？

目前人類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℃時生成，超過20℃就會分解，變得“煙消云散”。因此，無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，需要30個大氣壓才可以生成可燃冰。

中國地質(zhì)調(diào)查局基礎(chǔ)部副主任邱海峻介紹說，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。我國是世界上第一個在中高緯度高原凍土帶鉆獲可燃冰實(shí)物樣品的國家。

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

2013年在我國珠江口盆地東部海域發(fā)現(xiàn)超千億方級可燃冰礦藏，2015年神狐海域再次發(fā)現(xiàn)超千億方級可燃冰，而且礦藏分布廣、厚度大、飽和度高，為我國可燃冰試開采提供了重要參考靶區(qū)。2015年，我國利用自主研發(fā)的4500米級“海馬”號無人遙控潛水器首次在珠江口盆地西部海域發(fā)現(xiàn)了可燃冰活動的標(biāo)志——活動性“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源，所以基本都分布在大陸架的邊緣地帶。

其實(shí)，我國對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200多處。

和國際上早在上個世紀(jì)60年代就開始勘探、研究可燃冰相比，我國的可燃冰研究起步要晚到1998年，但中國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程。

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

“可燃冰雖然儲量大、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)備開采它就好比在豆腐上打鐵、用金剛鉆繡花，稍有不慎就會導(dǎo)致大量砂石涌進(jìn)管道，造成開采失敗?！痹嚥涩F(xiàn)場指揮部首席科學(xué)家、中國地質(zhì)調(diào)查局“李四光學(xué)者”盧海龍說。

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

商業(yè)化開采有多遠(yuǎn)

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

中國地質(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發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能夠適應(yīng)工業(yè)化開發(fā)規(guī)模的工藝、技術(shù)和設(shè)備完善，大約再經(jīng)過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)開發(fā)，那時候大家就可能使用可燃冰作為燃料的汽車了。

在本次試開采之后，我國可燃冰開采將進(jìn)入“科學(xué)積累”的新階段。葉建良說，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，還將開展更多種類型可燃冰試采，建立適合我國資源特點(diǎn)的開發(fā)利用技術(shù)體系，同時創(chuàng)建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程技術(shù)中心等創(chuàng)新平臺，進(jìn)一步提高可燃冰勘探開發(fā)和深?？萍紕?chuàng)新能力。

根據(jù)國土資源科技創(chuàng)新規(guī)劃，“十三五”期間，通過研制深遠(yuǎn)海油氣及可燃冰勘探開發(fā)技術(shù)裝備，我國將推進(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)海核動力浮動平臺技術(shù)。

中國科學(xué)家們還對未來全球能源接續(xù)的“中國方案”雄心勃勃?！暗蜐B粉砂質(zhì)儲層水合物礦藏在海上絲綢之路沿線國家廣泛分布，很多國家對可燃冰有強(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、能源問題，推動 ‘一帶一路沿線的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和融合?！鼻窈＞f。

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

具體來說，美國已推遲了原定2015年進(jìn)行可燃冰商業(yè)性開采的計(jì)劃，具體時間待定。不過，美國地質(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，日本將力爭在2018年前為商業(yè)開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)化開發(fā)。但是日本今年4月再次進(jìn)行試采時受挫。

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

1、熱解法。利用可燃冰在溫度升高時會自動分解的特性，通過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。這種開采方式基本上已獲得成功，但整個開采過程要對甲烷進(jìn)行兩次分離，還要消耗大量能源來加熱溫水。

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)行開采。這種方法對甲烷氣體難以進(jìn)行有效的收集，布設(shè)收集管道是個難題。