■文 / 張慶陽 趙洪亮

綠色科普

可燃冰：戰(zhàn)略新能源

Combustible ice: Strategic new energy

■文 / 張慶陽1趙洪亮2

可燃冰

一、概述

談到能源，人們立即想到的是可燃燒的煤、石油，很少有人會想到晶瑩剔透的冰。然而，20世紀60年代以來，人們發(fā)現(xiàn)了一種可以燃燒的冰。這種冰在地質(zhì)上稱為天然氣水合物，是由水和天然氣在高壓、低溫條件下混合而成的固態(tài)物質(zhì)，外貌極像冰雪。

在全球能源日趨短缺的急迫形勢下，可燃冰逐漸進入人們的視野，并引起各國政府的高度關(guān)注?？扇急址Q為甲烷水合物，其化學(xué)成分決定了遇火即可燃燒，且燃燒后生成二氧化碳和水，被認為是能夠解決人類能源危機的最具開發(fā)前景的新能源。

可燃冰的形成有三個基本條件：首先溫度不能太高，一般 0℃—10℃，最高限是 20℃左右，溫度再高可燃冰就會分解。第二個條件壓力要夠，但也不能太大，溫度 0℃時，30 個大氣壓以上它就可能生成。第三個條件，要有天然氣氣源。

可燃冰里的甲烷占 80% ～ 99.9%，1 立方米可燃冰可轉(zhuǎn)化為 164 立方米的天然氣，可直接點燃，具有使用方便、燃燒值高、清潔無污染等特點，是一種高效清潔新能源。

可燃冰在常溫和常壓環(huán)境下極易分解釋放甲烷，開采不當將明顯加劇全球變暖。可燃冰這種特性需要利用安全的手段進行開采和儲存。

目前，全世界擁有的常規(guī)石油、天然氣，將在40 年或 50 年后逐漸枯竭。在能源日趨短缺的急迫形勢下，可燃冰逐漸進入人們的視野。據(jù)估算，世界上可燃冰所含有機碳的總資源量相當于全球已知煤、石油和天然氣的兩倍，可滿足人類千年的能源需求，是公認的戰(zhàn)略新資源。

可燃冰開采方法主要有注熱法、降壓法、注化學(xué)試劑法、氣體置換法以及以上方法的聯(lián)用。

注熱法：注入加熱流體或直接加熱儲層來提高可燃冰區(qū)域內(nèi)溫度，引起溶解。能耗大，不能有效解決熱利用效率較低的缺陷。

降壓法：降低壓力促使可燃冰分解，該方法不需要連續(xù)激發(fā)，成本較低，適合大面積開采。是目前最有前景的一種開發(fā)技術(shù)。

注化學(xué)試劑法：向可燃冰層中注入如甲醇等化學(xué)試劑，破壞其平衡條件，促使分解。該方法所需的化學(xué)試劑成本較高，且不適合長期或大規(guī)模使用。

氣體置換法：注入如二氧化碳等以置換可燃冰中的甲烷，觸發(fā)甲烷氣體擴散。但由于可燃冰儲層滲透性較差，導(dǎo)致產(chǎn)氣量較低，實際效果不佳。

目前，可燃冰開采主要使用以降壓法為主，配合用注熱法、注化學(xué)試劑法，這種組合方法是最可行的安全方法。俄羅斯、加拿大、日本可燃冰的開采已經(jīng)證實了該方法的可行性。

二、國外可燃冰開發(fā)研究

可燃冰的開發(fā)利用目前還處于前期研究準備階段，沒有進入商業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)。從 20 世紀 60年代開始，前蘇聯(lián)、美國相繼開展了可燃冰研究；70年代初，在美國采得了世界上第一個可燃冰樣品；進入90年代，開發(fā)利用可燃冰已成為世界各主要資源國新資源的重要選擇，成為各國競相開發(fā)的熱點。目前，世界有79個國家和地區(qū)都發(fā)現(xiàn)了可燃冰資源，有30多個國家進行著可燃冰的開發(fā)研究。美、日可燃冰開采走在世界前列。美國、日本、韓國等國已將可燃冰開發(fā)列入國家能源安全戰(zhàn)略，在戰(zhàn)略上搶占未來能源發(fā)展的制高點。

美國走在世界前沿

美國可燃冰開發(fā)研究一直走在世界前沿。20世紀 60 年代美國便開始可燃冰研究，于 1968 年開始可燃冰深海鉆探，在海底獲得可燃冰實物樣品。1981 年投入 800 萬美元制訂了可燃冰 10 年研究計劃。1998 年又把可燃冰研究開發(fā)計劃列入國家戰(zhàn)略能源長遠計劃，每年投入 2000 萬美元，重點評估在深海和極地區(qū)域的可燃冰資源，研究可燃冰如何作為美國未來重要能源。于 2006 年美國制定了可燃冰研究與開發(fā)路線圖。

美國重視開發(fā)新資源可燃冰。加大政策扶持及政府資金投入，美國能源部充分發(fā)揮資金杠桿作用，在 2006—2012 年期間，共資助了數(shù)十個可燃冰新項目和延續(xù)項目。美國 2012 年在阿拉斯加北部利用二氧化碳置換甲烷進行可燃冰試開采取得成功，共注入二氧化碳和氮氣混合氣21萬標準立方英尺，依靠井底壓力自回流開采，采氣時間30天，累計產(chǎn)氣量約 2.8 萬立方米，最高日產(chǎn)量達 5000 立方米。

日本處于相對領(lǐng)先地位

日本 20 世紀 80 年代開始可燃冰研究，2000年開始著手開發(fā)海底可燃冰，開發(fā)計劃分兩個階段進行，前5年對開采海域的蘊藏量和分布情況進行調(diào)查，從第3年開始就打井以備調(diào)查用，之后5年進行試驗性采掘工作。

日本缺乏石油和天然氣資源，約 95% 的能源需從國外進口，2011 年“福島核事故”后，國內(nèi)大部分核電站停止運營，能源需求與供給之間關(guān)系更為緊張，日本重視可燃冰基礎(chǔ)性工作和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。例如，日本 2000 年實施《二十一世紀可燃冰研究開發(fā)計劃》，成立了可燃冰開發(fā)促進委員會，經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省曾于2001年7月發(fā)布了一個為期18年的“可燃冰開發(fā)計劃”。第一階段已于 2008 年結(jié)束，成果主要是確認相關(guān)海域蘊藏大量的可燃冰以待開發(fā)。從 2009 年至今正處于第二階段，其最主要目標活動是進行生產(chǎn)試驗。近期還將再進行一次分離提取甲烷氣體作業(yè)試驗，從而為 2016-2018 年度第三階段的商業(yè)化開采進行技術(shù)鋪墊。

日本也重視國家政策扶持及資金投入。日本通過每年政府投資超過1億美元的可燃冰開發(fā)計劃(2001—2016 年 )，引導(dǎo)日本石油勘探開發(fā)公司、日本石油公團技術(shù)研究中心和日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究院等機構(gòu)投入資金實施國家可燃冰研究開發(fā)計劃。

日本 2013 年 3 月 12 日成功從愛知縣附近深海可燃冰層中提取出甲烷，成為世界上首個掌握海底可燃冰采掘技術(shù)的國家。初步具備了在近海海底開采可燃冰的關(guān)鍵技術(shù)，計劃在 2018 年前后將海底可燃冰試采技術(shù)投入實際應(yīng)用，屆時日本將商業(yè)開采可燃冰資源，預(yù)計可供其消費 100 年。這些成果的取得推動了全球新一輪的可燃冰勘查開采熱潮。

目前，日本海洋可燃冰的開采技術(shù)主要有兩種思路。

一是與傳統(tǒng)油氣開采結(jié)合，通過降壓、注熱、注化學(xué)藥劑以及注二氧化碳的方法，將可燃冰在海底分解為氣體，然后開采。其優(yōu)點在于，海底以上的部分可以直接采用現(xiàn)有的油氣開采技術(shù)，只需開發(fā)提高可燃冰分解效率的技術(shù)即可。其缺點是，需注入大量的能量或化學(xué)藥劑，開采的效率不高，同時可能帶來環(huán)境危害。

另一種思路是固態(tài)開采，即將可燃冰以固體形態(tài)輸送到海底面，進行初步泥沙分離后采用固—液—氣三相輸送技術(shù)，將固態(tài)可燃冰及輸送過程中分解出的氣體輸送到海面，然后利用海面的高溫海水對可燃冰進行分解、收集并通過管道輸送，或?qū)⒎纸獾脕淼臍怏w重新制成可燃冰固體轉(zhuǎn)入船運。其優(yōu)點是，輸送過程中分解的氣體可以產(chǎn)生自發(fā)向上的動力，因此開采效率很高。但該技術(shù)與現(xiàn)有油氣開采技術(shù)差別較大，需要全面開發(fā)，技術(shù)難度較大。不過，類似技術(shù)已經(jīng)在其他海洋資源（如金屬錳）的開發(fā)中成功應(yīng)用，為其在可燃冰開采領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要參考。

韓國作為熱點研究課題

韓國盡管起步較晚，但將可燃冰開發(fā)研究作為熱點研究課題，已躋身世界可燃冰研究的先進行列，僅次于美、日等少數(shù)幾個國家。

1996 年，韓國第一個可燃冰天然氣水合物項目啟動，由韓國地球科學(xué)和礦產(chǎn)資源研究院組織實施，主要是進行初步的實驗分析和基本信息收集。1998年在東海發(fā)現(xiàn)第一個似海底反射 (BSR)。1999 年，利用甲烷氣和氯化鈉確定了可燃冰相界。2000—2004 年的勘查活動成果包括東海海域的可燃冰源區(qū)的地質(zhì)和地球化學(xué)特征，以及可燃冰的穩(wěn)定帶和潛在資源量。

近年來，韓國已成立國家水合物研究機構(gòu)，制定了可燃冰研究計劃，研究工作取得顯著成果。韓國可燃冰開發(fā)計劃分為3個階段。

第一階段 (2005-2007 年 )，確定可燃冰的遠景研究開發(fā)區(qū)，研究與開發(fā)項目分成4個子項目：地球物理研究、地質(zhì)和地球物理化學(xué)研究、地質(zhì)災(zāi)害以及生產(chǎn)技術(shù)研究。這些子項目都與國際可燃冰研究團隊開展了密切的合作，實現(xiàn)了多國合作技術(shù)開發(fā)。通過海底面以下 40m 深部取心，獲得了諸如孔隙度、泥質(zhì)含量等地質(zhì)信息，用于估測本地區(qū)可燃冰的精確儲量。

第二階段 (2008-2011 年 )，主要進行 Ulleung盆地勘探和開發(fā)，進行資源評估和基本生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)，從二維、三維地震勘探到三維精確探測，建立水合物鉆孔開采模型。在外部環(huán)境影響上，對可燃冰開采進行經(jīng)濟可行性評估，對氣候和海底穩(wěn)定性影響進行分析。分析數(shù)據(jù)，確定開采鉆井位置。

第三階段 (2012-2014 年 )，主要是生產(chǎn)測試和開采方法的確認。通過采集沉積相樣品，對其進行地球化學(xué)分析、環(huán)境分析、完整的鉆井方向和水平鉆法分析。對鉆井數(shù)據(jù)進行分析后，確定最佳可燃冰開采方法，然后進行經(jīng)濟性評估，建立一種經(jīng)濟可行的開采方式。

三、國外經(jīng)驗借鑒及我國取向建議

我國可燃冰具有良好的蘊藏潛力，具有很好的開發(fā)利用前景，據(jù)預(yù)測，我國可燃冰資源量將超過2000億噸油當量。目前僅在南海北部的可燃冰儲量，估計相當于中國陸上石油總量的 50% 左右。

我國從 1997 年開始組織對可燃冰進行前期研究，雖然起步較晚，但進展較快。近年來，中國加快了對可燃冰研究的步伐。2007 年 5 月，中國科學(xué)家在南海北部成功獲得了可燃冰實物樣品。2008 年8月，可燃冰基礎(chǔ)研究被列入國家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃。按照有關(guān)部門制定的戰(zhàn)略規(guī)劃安排，2006年 -2020 年是調(diào)查階段， 2020 年 -2030 年是開發(fā)試生產(chǎn)階段。

我國雖然 2013 年在南海海域取得了可燃冰勘探的突破，但在推動可燃冰開發(fā)利用過程中仍存在開采技術(shù)相對滯后、法律法規(guī)不健全等諸多問題，應(yīng)借鑒國外經(jīng)驗。

國外經(jīng)驗借鑒

國外可燃冰開發(fā)已有近50年的歷史，美、日等國在推動可燃冰開發(fā)過程中，具有重視可燃冰開發(fā)的法制化、重視制定中長期發(fā)展規(guī)劃、重視基礎(chǔ)性工作和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、重視國家政策扶持及政府資金投入等方面的寶貴經(jīng)驗，值得我國借鑒。

重視可燃冰資源開發(fā)的法制化：如，美國 2000年,美國將《可燃冰研究與開發(fā)法案》上升為法律《2000 年美國可燃冰研究與開發(fā)法》。

重視制定可燃冰中長期發(fā)展規(guī)劃：近年來，美、日等國紛紛將可燃冰資源勘查和開發(fā)納入其國家能源中長期發(fā)展規(guī)劃，將其作為一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程制定了國家級研究計劃，并編制了詳細的發(fā)展路線圖。如，1998 年，美國參議院能源委員會一致通過了1418號議案——“可燃冰研究開發(fā)計劃”，把可燃冰資源作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入長遠計劃。

重視可燃冰基礎(chǔ)性工作和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)：例如，日本 2000 年實施的《二十一世紀可燃冰研究開發(fā)計劃》，設(shè)立了專業(yè)的組織機構(gòu)，投入了強大的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究力量。該計劃為期16年，分三個階段實施，研究內(nèi)容基本涵蓋了與可燃冰勘查開發(fā)相關(guān)的所有方面，且每個階段均有標志性成果。近年來可燃冰研究持續(xù)升溫并形成了全球性研究熱潮，目前已有40多個國家以及眾多著名油氣公司參與了可燃冰研究。

重視國家政策扶持及政府資金投入：世界各主要資源國均通過科技、礦業(yè)權(quán)等優(yōu)惠政策和政府資金投入，引導(dǎo)并扶持企業(yè)、科研機構(gòu)等各方力量，長期開展可燃冰開發(fā)利用的推動計劃。美國能源部充分發(fā)揮資金杠桿作用，通過與企業(yè)聯(lián)合，開展了重大的聯(lián)合工業(yè)項目“阿拉斯加北坡可燃冰儲層特征研究”(JIP)。美國可燃冰研究計劃圍繞《可燃冰研究與開發(fā)法案》的目標，在 2006-2012 年期間，共資助了數(shù)十個可燃冰新項目和延續(xù)項目。日本通過每年政府投資超過1億美元的可燃冰開發(fā)計劃(2001-2016)，引導(dǎo)日本石油勘探開發(fā)公司、日本石油公團技術(shù)研究中心和日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究院等機構(gòu)投入資金實施國家可燃冰研究開發(fā)計劃。德國2008 年推出的“可燃冰勘探、開發(fā)與氣體儲運”項目，每年政府投入 5000 萬歐元。

我國取向建議

可燃冰開發(fā)是我國打造能源革命的新引擎，應(yīng)提升可燃冰在我國能源戰(zhàn)略中的地位。按照“總體規(guī)劃、分步推進”的原則，建議我國可燃冰研究策略為：借鑒國外經(jīng)驗，建議建立專門的可燃冰研究組織協(xié)調(diào)機構(gòu)；加大對可燃冰的科普宣傳力度；發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢；全面地、多學(xué)科地開展可燃冰綜合研究；加強國內(nèi)外合作，減少不必要的重復(fù)研究。

立足勘探開采，掌握核心技術(shù)。在開采方面，首先要加強理論基礎(chǔ)研究和實驗?zāi)M工作，提高理論方法的可行性和可操作性。其次，在實地開采技術(shù)上，也要考慮如何能夠在提高開采率的同時又兼顧環(huán)境影響，研發(fā)出二者兼?zhèn)涞木C合開采技術(shù)。

推進商業(yè)化進程，推動可燃冰產(chǎn)業(yè)鏈整合?？扇急型影魝鹘y(tǒng)能源，我國的商業(yè)開發(fā)有可能在2030 年進行，屆時將給產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游企業(yè)發(fā)展帶來新一輪的投資機會。產(chǎn)業(yè)鏈的上游主要是具有深海技術(shù)，特別是具有較高勘探和開采能力企業(yè)的機會，需要大量的資本、人力的投入，一般只有國有大型企業(yè)最有可能承擔(dān)起前期工作。開采之后的運輸環(huán)節(jié)是中游企業(yè)的機會。這一階段能夠提供合理有效的收集運輸方式的企業(yè)將面臨巨大的市場?？扇急蓱?yīng)用于交通、冶金、電力、輕工等行業(yè)的內(nèi)燃機、汽車、煉鋼、熱處理、印染、紡織等諸多方面，也可供給居民作為生活燃料?？扇急鶎ο掠纹髽I(yè)的商業(yè)價值不可估量。

加強政府引導(dǎo)，動員社會資本，助力可燃冰開發(fā)利用?？扇急袠I(yè)從勘探到開采到運輸再到最后的加工使用是一項利國利民的大工程，鑒于其還是一個新興的行業(yè)，尚處于成長期，需要政府在政策和資金兩個層面提供大力支持。在投入公共財政資金的同時，需要積極引導(dǎo)和動員社會資金，以滿足可燃冰行業(yè)發(fā)展對資金的需求。

作者單位：1.中國氣象局