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郑军卫研究员:可燃冰的前生与来世

 

518日,国土资源部中国地质调查局对外宣布,我国正在南海北部神狐海域进行的可燃冰试采获得成功,标志着我国成为全球首个实现了在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。该消息一经公布即引发国内外媒体及各界人士的高度关注,被视为有可能改变未来能源供应和消费格局的重大成果。可燃冰究竟何德何能引起如此重视?其未来的开发前景又会如何?

 

天然气和水形成的冰状化合物

 

可燃冰,专业名称为天然气水合物(也有称甲烷水合物、天然气笼型化合物等),是在高压、低温环境下由天然气和水形成的似冰状的笼型结构化合物。因为其外观像冰,遇火即可燃烧,故俗称可燃冰。形成可燃冰的天然气成分主要为甲烷、乙烷、丙烷等烃类气体及氮气、二氧化碳、硫化氢等非烃气体,大多情况下以甲烷为主。目前在自然界中已发现的可燃冰有3种类型(I型、II型和H型),根据类型的不同,每单位体积的可燃冰分解后可释放出160180单位体积的天然气。

 

全球分布广泛,资源潜力大

 

自然界中,可燃冰主要分布在海域的海底大陆斜坡、洋盆等深水区以及陆上的永久冻土区。据美国地质调查局(USGS)资料,截至2010年,已在全球230余处取得可燃冰样品或发现其存在的间接(如似海底反射层)证据。可燃冰97%分布在海域,3%分布在陆上,主要涉及:西太平洋海域的白令湾、鄂霍次克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、南海海槽、苏拉威西海、新西兰北岛;东太平洋海域的中央海槽、北加利福尼亚俄勒冈滨外、秘鲁海槽;大西洋海域的美国东海湾外布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海、南美东海岸外陆缘、非洲西海岸海域;印度洋的阿曼海湾;北极的巴伦支海和波弗特海;南极的罗斯海和威德尔海,以及黑海、里海和贝加尔湖等地区。美国学者Kvenvolden在结合前人的研究后认为,目前全球可燃冰中的甲烷资源量约为2.0×1016m32万万亿立方米,约合当前全球天然气剩余储量186.9万亿立方米的107倍),总碳量是当前已探明所有化石能源(煤、石油、天然气)总含碳量的2倍。人类若能对可燃冰实现规模化商业开采,将会对已有的能源结构产生变革性影响。

 

大国争相进行勘探开发探索

 

可燃冰广阔的资源前景,已引起世界各国特别是发达国家及能源短缺国家的高度重视。美国、日本、德国、加拿大、韩国、中国、印度、比利时等都制定了各自的天然气水合物研究开发计划并采取相应措施促进对天然气水合物的研究和资源调查与试开采试验。截至目前,全球已在6个地点进行了可燃冰试开采工作,分别是:俄罗斯西伯利亚麦索雅哈气田、加拿大马更些三角洲、美国阿拉斯加北部斜坡永久冻土带、日本爱知县东南部的南海海槽、美国墨西哥湾、中国南海神狐海域,其中仅麦索雅哈气田的可燃冰开采被认为是成功实现了冻土区可燃冰的商业开发。麦索雅哈气田由游离气藏和可燃冰藏两部分构成,在实际生产中使用共采模式,主要通过释压法对可燃冰进行开采。2002年,加拿大、日本、韩国、美国、印度等国在加拿大马更些三角洲开展了陆上可燃冰开采试验。2013年、2017年,日本先后2次在爱知县东南部的海槽尝试可燃冰试采,均因出砂问题被迫中止。2017510日起,我国在南海神狐海域水深1266米海底以下203277米的可燃冰藏实现连续187个小时的稳定产气,累计产气超过12万立方米,最高产量达3.5万立方米/天,平均日产1.6万立方米,其中甲烷含量最高达99.5%,成功实现海域可燃冰试采。

 

技术是关键,环境是制约

 

就目前已有资料而言,可燃冰开采方法主要有热激发法、减压法、化学试剂注入法、二氧化碳置换法、固体采掘法以及多种方式的组合方法。其中:热激发法就是通过向地下注入热水、地下电缆加热等方式将地下温度升高,使得可燃冰分解为天然气和水;减压法是通过降低井底可燃冰层的压力,破坏可燃冰稳定存在的压力环境,造成其分解;化学试剂注入法则是用化学物质打破地下可燃冰稳定保存的相平衡状态,达到使其分解的目的;二氧化碳置换法则是通过向地下注入二氧化碳来置换出可燃冰笼型结构中天然气分子;固体采掘法与前面几种方法明显不同,它不是将可燃冰以气体形态采取,而是以类似于煤矿开采的模式直接将可燃冰挖出来,再到地表进行运输或分解,这种方法仅适用于对埋深较浅的可燃冰进行开采。目前这些开采方法还存在效率低、成本高等问题,难以规模化应用。
  可燃冰开采的难点,不仅在于从海底或冻土中把它们采出来,更在于实现有序、可控的开采,在开采过程中不发生大规模甲烷泄漏以及塌陷、滑坡等次生灾害问题。从国际大洋钻探计划以及一些国家的可燃冰计划所取得的可燃冰实际样品来看,其主要存在于地下岩石或海底未固结沉积物淤泥中。在岩石中,可燃冰可以以多种方式存在,占据大的岩石粒间孔隙;以球粒状散布于细粒岩石中,以固体形式填充在裂缝中以及大块固态可燃冰伴随少量沉积物。海底可燃冰开采过程中,应选择合适的井位和完善的施工方案,一旦钻孔密封性不好,大量海水灌入,可能造成更大范围内的可燃冰层失稳、出砂以及大量的温室气体逸出,甚至会引发海底滑坡和更大的灾害。

 

可燃冰成功试采意义重大

  

此次我国从南海神狐海域水深1266米海底以下的203277米可燃冰矿藏中开采出天然气,既是对我国可燃冰开发技术与工艺的检验和可燃冰勘探开发理论认识的检验,也是对未来可能的接替能源进行的工业开发探索。通过此次可燃冰试采,一大批涉及可燃冰开发的地质勘探、钻井技术、开采工艺、试采平台等关键技术得到了突破和实践检验,为下一步相关技术的进一步发展和完善奠定了坚实的基础。近年来,美国能引领全球页岩气革命的重要原因之一,就是其掌握了一套以水平井和多段水力压裂为代表的成熟、有效的页岩气生产工艺,实现了低成本的商业开发。我国若能以此次试采为契机,继续加强可燃冰勘探开发理论研究、提升开发工艺水平并降低生产成本,必将在新一轮国际能源消费调整和能源技术转移中占据主动优势。同时,若可燃冰能成功实现商业开采,必将对我国的能源进口谈判、能源结构调整和国家能源安全等产生重大促进作用。

 

可燃冰开发前景广阔,但距商业开采还有较大距离

 

从目前研究资料来看,我国可燃冰主要分布在南海海域、东海海域、青藏高原冻土区以及东北冻土区。据中石油的预测,我国可燃冰所含天然气资源总量超过83万亿立方米,是当前剩余天然气可采储量3.8万亿立方米的21倍以上,若按照20151380亿立方米的年产量计算,可供开采600年以上。目前,我国整体能源结构仍以煤炭为主,其在一次能源结构中占比超过63%,而相对清洁的天然气不足6%,约30%的天然气需要通过进口来满足。随着可持续发展观、绿色发展观的深入人心,我国天然气的使用量将显著提升,对外进口需求也将明显增大。如果我国能实现海域天然气水合物的商业开采,将对推动能源生产和消费革命产生重要而深远的影响。
  可燃冰的开采除受技术和环境影响外,经济成本问题是另外一个制约商业化开发的重要因素。据美国估计,可燃冰的开采成本是每立方米200美元,约合每立方米天然气成本1.1美元,与当前国内不到人民币1元的常规天然气成本价相比,存在非常大的价格劣势,可燃冰开采技术和装备还待进一步突破。此外,将可燃冰天然气输送到用户的运输管网等基础设施还缺乏或很不健全,有待进一步发展建设和完善。虽然我国提出到2030年实现可燃冰的商业开采,但考虑到技术因素和经济因素的影响,保守估计商业开采可燃冰可能还需要1020年时间。

 

本文发表于《学习时报》2017529A3

http://dzb.studytimes.cn/shtml/xxsb/20170529/26630.shtml


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