丁蟠峰 楊富祥 程遙遙

摘 ?????要： 可燃冰是目前公認(rèn)最佳的替代能源和清潔能源，分布范圍廣，開(kāi)發(fā)利用潛力大。綜合介紹了可燃冰的形成條件及世界分布情況，闡述了可燃冰開(kāi)采方法以及開(kāi)采過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)，最后對(duì)可燃冰的發(fā)展趨勢(shì)做了展望。

關(guān) ?鍵 ?詞：可燃冰;清潔能源;開(kāi)采方法

中圖分類(lèi)號(hào)：X382 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）04-0815-04

Abstract： Combustible ice is recognized as the best alternative energy and clean energy at present. It has a wide range of distribution and great potential for development and utilization. In this paper， the formation conditions and world distribution of combustible ice were introduced. The mining methods and challenges in the mining process were described. The future development trend of combustible ice was also prospected.

Key words： Combustible ice; Clean energy; Mining method

天然氣水合物（ Natural Gas Hydrate， 簡(jiǎn)稱(chēng)NGH），也叫“可燃冰”（化學(xué)式為CH4·8H2O），主要呈冰狀白色結(jié)晶固體，是現(xiàn)今最具開(kāi)發(fā)價(jià)值的非常規(guī)能源。其主要分布于深海地層和永久凍土層中，資源量巨大，燃燒熱值高，每立方米天然氣水合物在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下能釋放出164 m3的天然氣和 8 m3的水。據(jù)推算，世界天然氣水合物資源儲(chǔ)量比現(xiàn)存石油、煤炭與天然氣總量的2倍還多，按目前消費(fèi)速度，可供全球人類(lèi)1 000年生產(chǎn)使用。如今全球超過(guò)100多個(gè)地區(qū)與國(guó)家已鉆獲可燃冰實(shí)物樣品，各國(guó)政府與專(zhuān)家開(kāi)始著手勘探與研究。

1 ?可燃冰簡(jiǎn)介

1.1 ?可燃冰的形成

可燃冰形成必須是在低溫高壓狀態(tài)下，其溫度必須滿(mǎn)足在0 ～10 ℃，超過(guò)20 ℃時(shí)易分解;壓力需大于10 MPa，在0 ℃時(shí)，30個(gè)以上標(biāo)準(zhǔn)大氣壓才可能形成;充足的氣、水是必要條件，而一定的空隙結(jié)構(gòu)則是其生長(zhǎng)條件[1]。除此之外地質(zhì)構(gòu)造，含水介質(zhì)，pH值也是影響可燃冰形成的重要原因。

1.2 ?可燃冰的分布

可燃冰于20世紀(jì)60年代首次被發(fā)現(xiàn)[2]，據(jù)勘測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，可燃冰主要存在于凍土地區(qū)和海洋環(huán)境（深海和淺海環(huán)境均有）。 98%在海洋環(huán)境，2%在凍土地區(qū)。而已發(fā)現(xiàn)的可燃冰大多存在于陸地上的永久凍土區(qū)及陸地邊緣的海底深層砂礫中[3]。就全球而言，可燃冰主要儲(chǔ)存于海底之下0～1 500 m的松散沉積巖中。國(guó)內(nèi)的可燃冰主要分布在兩個(gè)地區(qū)，一個(gè)青海和西藏的凍土區(qū)，另一個(gè)就是南海。青藏高原以?xún)鐾翈橹?，因此可能?chǔ)藏大規(guī)模的可燃冰資源。 其次，我國(guó)南海的可燃冰儲(chǔ)量相當(dāng)豐富，全球可燃冰含量大約是2.1×1016 m3，而我國(guó)南海大約含有6.4×1013 m3。

1.3 ?可燃冰研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

1.3.1 ?國(guó)外可燃冰研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

正是可燃冰清潔無(wú)污染、分布范圍廣、資源量大等優(yōu)勢(shì)，及尋求可替代能源的決心，使人們對(duì)可燃冰的開(kāi)采工作掀起一股熱浪。調(diào)查表明，至今已有30多個(gè)國(guó)家對(duì)可燃冰物性進(jìn)行研究與分析，隨著科技的不斷發(fā)展，可燃冰的開(kāi)發(fā)測(cè)試和勘查技術(shù)日漸趨于成熟，但可燃冰的安全商業(yè)化開(kāi)采技術(shù)仍需不斷改進(jìn)與創(chuàng)新。

表1為一些主要國(guó)家可燃冰的發(fā)展現(xiàn)狀。

此外，印度在1995年制訂了5年期《全國(guó)氣體水合物研究計(jì)劃》，1997年開(kāi)展了天然氣水合物特性研究工作，2006年獲取天然氣水合物樣品，推測(cè)其蘊(yùn)藏量約1 894萬(wàn)億m3。2007年，韓國(guó)獲取天然氣水合物樣品，2008年確認(rèn)周邊海域可燃冰礦區(qū)，并對(duì)其儲(chǔ)量進(jìn)行初步估計(jì)。一些發(fā)達(dá)國(guó)家和部分國(guó)際組織也進(jìn)行了與天然氣水合物能源相關(guān)勘探研究與開(kāi)發(fā)技術(shù)儲(chǔ)備等工作[6-8]。

1.3.2 ?我國(guó)可燃冰研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查顯示，我國(guó)有2.15×106 km2凍土帶，其蘊(yùn)含可燃冰儲(chǔ)量高達(dá)3.5×1010 t油當(dāng)量，而我國(guó)海域可燃冰儲(chǔ)量為4×109 t油當(dāng)量。雖然我國(guó)可燃冰勘察研究比發(fā)達(dá)國(guó)家起步晚，但隨著近幾年來(lái)國(guó)際研發(fā)合作拓展，國(guó)家對(duì)可燃冰工業(yè)化開(kāi)發(fā)的重視，可燃冰研究也取得了一定進(jìn)展，勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)差距也在逐漸縮小。表2為我國(guó)可燃冰發(fā)展現(xiàn)狀。

從中國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃及天然氣水合物研究開(kāi)發(fā)方案看出，2006年至2020 年為初步探查階段，2020年至2030年為開(kāi)采初期階段，截至2050年，我國(guó)可燃冰發(fā)展達(dá)到商業(yè)化開(kāi)采階段[10]。

2 ?可燃冰開(kāi)采方法

可燃冰在世界分布范圍廣資源蘊(yùn)藏量大，其開(kāi)采技術(shù)也不完善，且在常溫和常壓條件下極不穩(wěn)定，所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)要比CO2高20多倍，不僅破壞海洋穩(wěn)態(tài)平衡，甚至引起大陸架邊緣的動(dòng)蕩，導(dǎo)致災(zāi)難性海嘯。因此目前對(duì)可燃冰的開(kāi)采技術(shù)還處在探索階段，還有一系列的技術(shù)難題需要攻破。目前主要的傳統(tǒng)開(kāi)采法有：降壓法，熱激法及化學(xué)試劑注入法等，提出的新方法有CO2置換封存法，冷鉆熱采法和固體開(kāi)采法。下面對(duì)幾種新方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 ?CO2置換封存法

CO2置換封存法是CO2海底封存技術(shù)與CO2置換CH4技術(shù)相結(jié)合提出的能利用CO2達(dá)到高效開(kāi)采的新方法，通過(guò)制備提取天然氣水合物中的天然氣，還能發(fā)揮緩解溫室效應(yīng)的作用，有廣泛的商業(yè)價(jià)值前景和環(huán)境效益。近年，聯(lián)合國(guó)“政府間氣候變化委員會(huì)”已經(jīng)把海底固碳作為緩解溫室氣體的一種新型方法應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中。

CO2置換法最早是由Ohgaki等[11]提出，其原理如圖1所示，CO2分子在范德華力作用下將圍繞在CH4氣體分子周?chē)腍2O分子吸引過(guò)來(lái)使原本在 CH4氣體分子周?chē)虷2O分子之間的H鍵斷裂，形成游離態(tài)的H2O分子，同時(shí)隨著H2O分子逐漸離開(kāi)，使處在里面的CH4氣體分子游離出來(lái)。

CO2海底封存法理論上有很高的實(shí)踐性，同時(shí)具有很高的技術(shù)水平， 過(guò)去200年來(lái)，全球人類(lèi)排放到大氣中的CO2據(jù)研究顯示約1.3萬(wàn)億t，而海洋能溶解其中的30%～40%[12]，將CO2封存于海洋中是比較理想的方法，CO2封存于海底主要有兩種形式：液態(tài)封存和固態(tài)封存[13]。CO2海洋封存示意圖如圖2所示。目前， 美國(guó)，加拿大，等國(guó)開(kāi)展CO2海底封存研究與實(shí)踐，并表明CO2海底封存技術(shù)有良好的發(fā)展前景。CO2置換封存法通過(guò)鉆井平臺(tái)，采氣管道，分離塔，壓縮系統(tǒng)和供熱設(shè)備，通過(guò)壓力差，將CO2安全有效地注入來(lái)保證CH4連續(xù)生產(chǎn)，不僅減少了大氣中的CO2，還保證了海底沉積層的穩(wěn)定性。雖然CO2置換封存法并未在實(shí)際中加以運(yùn)用，相信在可燃冰開(kāi)采的未來(lái)有廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，若將CO2封存于海底，是否會(huì)影響海底pH值變化，又會(huì)對(duì)海洋生物造成何種影響尚不可知。

2.2 ?冷鉆熱采法

2017年5月，隨著“藍(lán)鯨一號(hào)”海上鉆井平臺(tái)用降壓法首次試采成功，中國(guó)對(duì)可燃冰勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)一步提升。歷經(jīng)10多年技術(shù)攻關(guān)，吉林大學(xué)相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)的天然氣水合物冷鉆熱采關(guān)鍵技術(shù)[14]。該技術(shù)的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)[15-19]：

（1）發(fā)明天然氣水合物孔底快速冷凍取樣方法，提出了主動(dòng)式降溫實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式降壓技術(shù)，開(kāi)采取樣時(shí)，運(yùn)用強(qiáng)制冷凍技術(shù)使用液氮來(lái)控制水合物溫度（-30 ℃），達(dá)到防止水合物分解的目的。

（2）提出鉆井液“動(dòng)態(tài)強(qiáng)制制冷”技術(shù)。由載冷劑箱和連軸泥漿泵連接換熱而組成制冷機(jī)組，解決鉆進(jìn)中泥漿溫度過(guò)高使水合物分解，達(dá)到了水合物取樣的溫度標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 ?固體開(kāi)采法

固體開(kāi)采法最早是直接獲取海底固態(tài)天然氣水合物，將天然氣水合物輸送至淺水區(qū)通過(guò)攪拌或其他物理化學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分解，如圖3所示。近年來(lái)，這種方法逐漸成為混合開(kāi)采法：①在原地將水合物分離為氣液混合物，采集混合泥漿。②將混合泥漿輸送至作業(yè)船與生產(chǎn)平臺(tái)處理，讓天然氣水合物進(jìn)行完全分解，達(dá)到獲取天然氣的效果。此方法依靠海水溫度的能量，抑制水合物分解。由于水合物從深水區(qū)輸送至淺水區(qū)歷經(jīng)三相流動(dòng)且需要消耗大量能量。因此，對(duì)于商業(yè)化生產(chǎn)還有很多技術(shù)難關(guān)需要攻克。

3 ?面臨的挑戰(zhàn)

雖然可燃冰作為新能源開(kāi)采前景廣闊，但仍面臨著一些挑戰(zhàn)，如對(duì)環(huán)境所帶來(lái)的不利影響，開(kāi)采方法及相關(guān)技術(shù)尚不成熟，開(kāi)采成本較高等一系列問(wèn)題。

若無(wú)安全高效的開(kāi)采技術(shù)為前提，由于可燃冰開(kāi)采不當(dāng)而發(fā)生CH4泄漏，將會(huì)造成大陸架邊緣動(dòng)蕩從而引發(fā)海底塌陷、滑坡、海嘯等地質(zhì)災(zāi)害，打破生態(tài)平衡;開(kāi)采技術(shù)同時(shí)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，在開(kāi)采技術(shù)層面尚未找到一個(gè)適合現(xiàn)狀的高效率、低風(fēng)險(xiǎn)的方法，此外，勘探找礦選區(qū)難度較大，海域水合物地震勘查識(shí)別的精度和準(zhǔn)確性較低，凍土區(qū)水合物勘查識(shí)別仍缺乏有效方法[20，21];目前，開(kāi)采天然氣水合物需要耗費(fèi)高昂的成本與費(fèi)用。在技術(shù)與成本高負(fù)荷下，想要使可燃冰達(dá)到商業(yè)化開(kāi)采還需很長(zhǎng)時(shí)間，只有攻破技術(shù)難關(guān)，成本才能隨之降低。

4 ?展 望

我國(guó)現(xiàn)階段石油的進(jìn)口依賴(lài)度達(dá)到60%，依靠煤炭發(fā)電，由此引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題也愈發(fā)嚴(yán)重。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)對(duì)高效清潔能源的需求逐日增加，對(duì)新型可替代能源的勘探與開(kāi)發(fā)的重視程度也在逐年上升。國(guó)家在“十二五”規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)指出要加快可燃冰能源探查步伐及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，尋求時(shí)機(jī)完成試開(kāi)采任務(wù)。并于2017年11月，國(guó)土資源部批準(zhǔn)可燃冰為我國(guó)第173個(gè)新礦種。同時(shí)，我國(guó)也正在對(duì)可燃冰開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行自主研發(fā)與創(chuàng)新，形成我國(guó)特色的開(kāi)發(fā)技術(shù)體系，積極向它國(guó)學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)借鑒其實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展本國(guó)儲(chǔ)量?jī)?yōu)勢(shì)，鼓勵(lì)發(fā)展高效替代能源改變能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)國(guó)家間相互交流與合作。雖然我國(guó)可燃冰的開(kāi)采技術(shù)才剛剛起步，但隨著南海試采成功，我國(guó)對(duì)可燃冰的開(kāi)采技術(shù)也得到了進(jìn)一步提高，相信在政策法規(guī)的不斷健全，理論與技術(shù)日益改善下，達(dá)到可燃冰工業(yè)規(guī)模與商業(yè)化開(kāi)采將指日可待。

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