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试採可燃冰——能源界未来的新星
2021-06-04 11:08今日中国
简介可燃冰清洁高效，储量巨大，被看作是未来传统化石能源的替代品。中国在南海採用创新技术试採可燃冰成功，帮助人类在开发新能源领域迈出了关键一步。但可燃冰的商业化进程却道阻且长。 1934年，前苏联西伯利亚的天然气输送管道被堵塞，维修时人们发现了一种冰...
可燃冰清洁高效，储量巨大，被看作是未来传统化石能源的替代品。中国在南海採用创新技术试採可燃冰成功，帮助人类在开发新能源领域迈出了关键一步。但可燃冰的商业化进程却道阻且长。
1934年，前苏联西伯利亚的天然气输送管道被堵塞，维修时人们发现了一种冰状的固体。后来证实，它就是俗称的可燃冰，学名为天然气水合物。2017年5月，中国首次在南海神狐海域试採可燃冰成功，成为全球第一个在海底开採可燃冰，并连续稳定生产天然气的国家。
经过80多年的探索和研究，可燃冰——这个被看作是二十一世纪最具商业开发前景的绿色能源，即将搅动国际能源格局。可燃冰到底是甚么？它与其他能源相比又有甚么特别呢？
新兴绿色能源
可燃冰，是由甲烷和水在高压低温条件下形成的一种冰状的固体物质，外观多呈白色或浅灰色晶体，因其外貌似冰雪，可直接点燃，故被称为可燃冰。
可燃冰的形成需具备四个基本条件：低温、高压环境以及充足的气源和水。已探明的结果显示，约有97%的可燃冰分布于海洋中，仅3%在陆地冻土带，其中，中国南海海域和青藏高原冻土区就藴藏着丰富的可燃冰资源。
可燃冰是一种高效清洁能源。它使用方便，燃烧值高，在标準状态下，1体积的可燃冰可以分解为164体积的甲烷气体，其燃烧产生的能量是同样体积的煤、石油所放出能量的数十倍。而且，可燃冰燃烧后不产生任何残渣和废气，仅产生少量的二氧化碳和水，避免了最让人们头疼的污染问题。
更重要的是，可燃冰储量巨大。据估测，地球上的可燃冰资源相当于全球已探明传统化石燃料总量的两倍。而中国海域储藏的资源量达到800亿吨油当量，按目前的消耗水平可满足中国未来200年的能源需求。储量巨大和高效清洁的特点使得可燃冰具有巨大的开发前景。
然而，开採可燃冰是一项世界性难题。可燃冰是在高压、低温的条件下形成的，如何在这样的环境下有序且安全地开採是其中的难点。在海底，可燃冰存于泥质粉砂中，一旦钻孔密封不好，海水灌入，可能造成气体逸出并诱发其他灾害。可燃冰因为混合了砂砾，开採过程中一旦出砂（即地层砂流入井筒，堵塞通道）也将很难处理。开採出来的甲烷气体也需密封保存防止洩漏。日本在2013年及2017年进行的两次可燃冰试採就遇到了出砂问题。
后来居上的中国方案
美国从上世纪六十年代就开始了可燃冰的勘探研究工作，是最早进入这一领域的国家。由美国首创并确立的可燃冰的地震识别标誌——似海底反射层（BSR） 被业界广泛应用。2012年，美国康菲公司在阿拉斯加冻土区用二氧化碳置换可燃冰的方法，在30天内收取甲烷3万立方米。但在海底可燃冰开採方面尚无大的进展。
日本则在上世纪七十年代开始可燃冰的基础研究，1990年在四国南海海槽採集到可燃冰样本。2001年日本政府启动了为期18年的可燃冰开发计划，并于2013年在爱知县以南海域运用降压法稳定出气11.9万立方米，成为世界上第一个掌握海底可燃冰採掘技术的国家，但由于出砂及恶劣天气原因，仅六天就被迫中断。
1999年，中国才正式开始了南海和陆地冻土区的可燃冰调查工作，远远晚于日本、美国等。2004年，为了配合科考团队的勘探工作，国内首个可燃冰研究中心——中科院广州天然气水合物研究中心正式成立。
经过多年的考察，2007年，中国首次在南海神狐海域钻探获取实物样品，成为继美国、日本、印度之后第四个通过国家级研发计划在海底钻探获得可燃冰实物样品的国家。2011年，在青海祁连山冻土区，也成功将地下130至400米处的可燃冰分解出天然气。
2013年，在南海珠江口盆地东部海域，勘探团队钻获大量不同类型的高饱和度水合物样品，首次证实超千亿方级可燃冰矿藏。该区域可燃冰饱和度亦为目前世界之首。
2017年5月10日，中国在南海神狐海域首次试採可燃冰点火成功，从水深1266米海底以下203至277米的可燃冰矿藏开採出天然气。自试气点火以来，连续试开採60天，累计产气超过30万立方米。
此次试採项目开採出的是开发难度最大的泥质粉砂型天然气水合物，同时还创造了试採产气时长和总量的世界纪录，这些都归功于科研团队採用了创新性的地层流体抽取法。简单而言，就是针对可燃冰开採面临的易出砂、渗透性差等问题，从单纯的用降压法抽取气体变成了抽取流体，再利用水、砂、气分离技术最终将天然气取出。这套技术保障了产气通道状态良好，产量稳定。整个试採过程也保证了海水及周边大气环境无污染，未发生地质灾害。
我们的技术总结完善后，将为世界上绝大多数可燃冰开採提供帮助，为世界各国提供借鉴，这次试採的『中国方案』拥有无限广阔的应用前景。试採工程首席科学家卢海龙说。
英国广播公司（BBC）也报道说，南海藴藏的可燃冰被认为对未来全球能源供应非常关键，而中国这一突破相当于迈出了漫漫征途的第一步。
南海神狐海域可燃冰试採现场
何时能够用上可燃冰？
既然可燃冰已经连续稳定地试採成功，是不是意味着可燃冰时代马上就要到来了呢？现实恐怕并不那么简单。
如今，仍有许多人对开採可燃冰可能引发的环境问题表示担忧。如果开採方法不当，或将引起甲烷气体泄漏，产生大气污染，加剧全球温室效应，还会导致海底大型塌陷、滑坡等地质灾害，甚至引发地震和海啸。
对此，广州海洋地质调查局高级工程师梁前勇做了初步的解释：在当前的科学技术条件下，已具备足够的能力将可燃冰开发控制在安全範围之内。首先，埋藏在海底沉积物中的可燃冰在没有外力作用时，是相对稳定的，只有开採区域内的可燃冰才会根据压力和温度的变化而分解。另外由于可燃冰层厚度较小，产气周期长，在开採的过程中，海底地形变化速度将非常缓慢。其次，工程人员会制定完善的开採方案，开採技术也相对成熟，可以最大程度地杜绝人为灾害事故的发生。最后，大部分的甲烷在沉积物和海水的运移过程中会被自然消耗掉，很难逃入浅海区，更不会进入大气。他认为，人们对可燃冰的安全、环保担忧主要是从理论出发推断而成，本身还需要工程验证。
而另一项更为重要的现实难题，是当下可燃冰的开採、利用成本仍然较高，实现商业化还有待时日。
开发成本过高是世界各国一再推迟商业开採时间表的重要原因。中国2017年在南海神狐海域开採1立方米可燃冰所需的成本已经比日本相同情况下较低，但仍高于美国。而现有的日产能力还远远不足以支撑可燃冰的产业化，这也就意味着可燃冰的开发暂时无法实现经济效益。况且，国内外尚未形成可燃冰开发利用的完整产业链，整体市场环境还不够成熟。
所以，根据卢海龙等科学家的推断，要实现可燃冰的商业性开发，还需要15至20年的时间。
试採可燃冰成功翻开了人类开採新能源的篇章，也使得中国实现了在这一领域的领跑，但作为未来能源的可燃冰，其开发道路依旧漫长。
参考资料：
《可燃冰研究现状及商业化开採瓶颈》 付亚荣 石油钻採工艺 2018年第一期
《可燃冰开发可以控制在安全範围内》 梁前勇、于哲 中国国土资源报 2017/7/5
《揭开可燃冰神秘面纱》 梁金强 中国国土资源报 2017/6/15
《我国可燃冰资源可用百年以上 商业开发还需15到20年时间》经济参考报 2017/6/5
《中国可燃冰试採60天关井，产气时长和总量创世界纪录》 澎湃新闻 2017/7/9
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