淺談“未來能源”可燃冰開采研究現(xiàn)狀

牛振磊,南瑩浩,劉一凡，申丑孩

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 山西新村煤業(yè)有限公司，山西 長臺(tái) 046000)

淺談“未來能源”可燃冰開采研究現(xiàn)狀

牛振磊1,南瑩浩1,劉一凡1，申丑孩2

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 山西新村煤業(yè)有限公司，山西 長臺(tái) 046000)

可燃冰作為一種新型的清潔替代能源，同等單位下所蘊(yùn)含的能量遠(yuǎn)高于煤炭石油等能源，并且燃燒時(shí)對(duì)環(huán)境的污染極小，所以開發(fā)應(yīng)用的潛力巨大。論文對(duì)可燃冰的概況、世界及我國的儲(chǔ)量及分布、可燃冰的開發(fā)現(xiàn)狀及開采方法等方面作了分析，并提出了可燃冰開采面臨的現(xiàn)實(shí)問題，說明了未來的重點(diǎn)研究方向。隨著開采技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步以及對(duì)開采環(huán)境修復(fù)問題的不斷改善，將促使可燃冰的商業(yè)化大規(guī)模開采成為現(xiàn)實(shí)。

可燃冰；分布；開發(fā)現(xiàn)狀；開采方法

Abstract： As a new type of clean alternative energy,combustible ice contains much more energy than other coal and oil sources,and has little pollution to the environment when burning. Therefore,the potential of development and application of the ice is huge. This paper analyzes the present situation of combustible ice,the reserves and distribution of combustible ice in China,the development status of combustible ice and the methods of mining,and puts forward the practical problems of combustible ice mining,and points out the future research direction. With the continuous development and progress of mining technology and the improvement of mining environment restoration,commercial and large-scale exploitation of combustible ice will be realized.

Keywords： combustible ice;distribution;development status;mining methods

0 引言

2017年5月18日，我國南海神狐海域的“藍(lán)鯨一號(hào)”鉆井平臺(tái)首次成功開采可燃冰(天然氣水合物)，成為世界上首個(gè)成功連續(xù)開采可燃冰的國家[1-2]，此次試采成功的可燃冰來自于南海神狐海域水深1266 m海底下的可燃冰礦藏。據(jù)悉，此次連續(xù)開采作業(yè)8天，累計(jì)采氣達(dá)12×104m3，日平均產(chǎn)量達(dá)1.6×104m3，可燃冰中甲烷含量高達(dá)99.5%，開采出的可燃冰類型為泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物，該類型可燃冰儲(chǔ)量豐富，占世界總儲(chǔ)量的90%以上，且開采難道較大。我國對(duì)可燃冰的成功連續(xù)開采有助于將來對(duì)可燃冰進(jìn)行大規(guī)模開發(fā)利用，讓其作為真正意義的替代能源成為可能。

1 可燃冰概述

可燃冰，即天然氣水合物，分子式為CH4·xH2O，分子結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，外形像冰，是天然氣和水分經(jīng)過長時(shí)間低溫高壓狀態(tài)形成的結(jié)晶化合物。純凈的天然氣水合物是可以點(diǎn)燃的白色晶體，因而也被稱作“可燃冰”?？扇急鶕碛械募淄檎急雀哌_(dá)80%～99.9%，1體積的可燃冰可分解成164體積的天然氣和0.8體積中的水；可燃冰燃燒所釋放的能量遠(yuǎn)高于煤、石油、天然氣等能源，造成的污染也比其他能源要小[3]。

圖1 天然氣水合物分子結(jié)構(gòu)圖

目前，可燃冰被發(fā)現(xiàn)主要存在于具有特定低溫和高壓條件的深海底淺部沉積物和永久凍土帶中?？扇急怨腆w形式存在于大塊巖石裂隙及巖石間孔隙中，或者以球粒形態(tài)分布在細(xì)粒巖石當(dāng)中，并且有沉積物夾雜在大塊固態(tài)水合物中[4]。可燃冰的形成途徑主要為兩類：一類是形成于海底沉積物中的可燃冰。當(dāng)海洋底部微生物與生物的尸體不斷沉積并分解成甲烷等有機(jī)氣體，有機(jī)氣體鉆入深海底的沉積巖微孔中與水構(gòu)成籠狀包合物，進(jìn)而形成固態(tài)凝結(jié)物質(zhì)；另一類是陸地凍土層中形成的可燃冰。由低溫嚴(yán)寒氣候?qū)е聹囟茸兊偷牡V層在地層壓力下，使地殼內(nèi)的碳?xì)浠衔锖退畼?gòu)成水融合的礦層，進(jìn)而形成可燃冰礦藏[5]。

2 可燃冰的儲(chǔ)量及分布

目前已探明的可燃冰主要分布在近海海底、大陸凍土帶及內(nèi)陸湖海中，且凍土和海洋中可燃冰的儲(chǔ)量在3114萬億立方米到763億億立方米之間[6]。目前已探明的全部可燃冰所蘊(yùn)含的能量超過煤炭、石油、天然氣的能量總和2倍之多，是待開發(fā)能源中潛力最大的替代能源，被譽(yù)為“未來能源”。其中，海底可燃冰儲(chǔ)量最大，面積大約占到海洋總面積的10%，科學(xué)家預(yù)測(cè)其能夠被人類使用近千年[7]?？扇急鶅?chǔ)量分布如圖2。

圖2 可燃冰儲(chǔ)量分布圖

據(jù)勘測(cè)，在我國的南海、東海海域，以及青藏高原、東北的凍土區(qū)分布有儲(chǔ)量較大的可燃冰資源，初步統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)量分別約為64.97×1012 m3、3.38×1012 m3、12.5×1012 m3和2.8×1012 m3，其中南海北部陸坡的可燃冰儲(chǔ)量高達(dá)到186億噸油當(dāng)量，相當(dāng)于南海已探明油氣儲(chǔ)量的6倍，占陸上石油總量的50%之多[8]；另外，在我國東海和臺(tái)灣省海域也發(fā)現(xiàn)有大量可燃冰賦存。在陸域可燃冰方面，吉林大學(xué)團(tuán)隊(duì)在青海省木里盆地也成功鉆獲陸地可燃冰實(shí)物樣品。2016年在我國海域圈定了6個(gè)可燃冰成礦遠(yuǎn)景區(qū)，在青南藏北地區(qū)優(yōu)選了9個(gè)可采區(qū)塊，根據(jù)可燃冰儲(chǔ)量預(yù)測(cè)，我國擁有超過千億噸油當(dāng)量的可燃冰遠(yuǎn)景儲(chǔ)量，其中陸域資源量大約350億噸油當(dāng)量；南海海域的可燃冰約有近800億噸儲(chǔ)量，潛力巨大，而此次試采的可燃冰正來自于南海神狐海域水深1266 m海底下200 m的海床中。

3 開發(fā)現(xiàn)狀及開采方法

3.1 可燃冰開發(fā)現(xiàn)狀

可燃冰作為一種潛力巨大的替代能源，世界各國都在著力進(jìn)行這方面的研究，包括美國、日本、加拿大、印度等國家都在不斷加大研究力度。美國、加拿大曾試采陸地可燃冰，但效果不理想。日本早年曾在海上進(jìn)行試采，但因出砂等技術(shù)問題導(dǎo)致失敗，又于2017年4月再次試采，再次因出砂問題中止產(chǎn)氣。韓國、印度、印尼等國家也在不斷的深入研究可燃冰開采。我國于1999年啟動(dòng)對(duì)可燃冰開采的相關(guān)研究，一度滯后于主要發(fā)達(dá)國家的研究進(jìn)度，經(jīng)過專家學(xué)者不斷研究突破，從2007年在南海成功鉆獲可燃冰樣品到2017年在同一海域?qū)扇急状卧嚥沙晒Γ覈谠擃I(lǐng)域終于取得領(lǐng)先地位。

3.2 可燃冰開采方法

目前，世界公認(rèn)的可燃冰開采方法主要包括注熱法、降壓法、注化學(xué)試劑法、氣體置換法以及對(duì)以上方法的綜合使用。各開采方式簡(jiǎn)圖如圖3。

圖3 可燃冰開采方法原理對(duì)比

注熱法主要是通過注入高溫流體或直接加熱儲(chǔ)層來提高水合物區(qū)域溫度，引起可燃冰溶解從而釋放天然氣。

降壓法是通過降低天然氣水合物礦層的環(huán)境壓力，壓力破壞使其變得不穩(wěn)定并分解為甲烷和水。

注化學(xué)試劑法是將甲醇等化學(xué)試劑注入到天然氣水合物層，破壞其原有的平衡條件，使水合物穩(wěn)定所需的熱動(dòng)力條件喪失，進(jìn)而使水合物發(fā)生分解，釋放出天然氣。

氣體置換法是利用置換原理在天然氣水合物層注入二氧化碳等氣體將甲烷置換出來，使甲烷能夠從水合物中釋放到孔隙流體中，進(jìn)而在再進(jìn)行收集[9-10]。

各開采方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 可燃冰開采方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

目前，各種開采方法都有自身缺點(diǎn)，但相比之下降壓法是較為經(jīng)濟(jì)可行的天然氣水合物生產(chǎn)方法，該方法分解天然氣水合物速度快，并且比其他方法消耗的能量少。此次我國南海神狐海域可燃冰的開采采用的是一種被稱為底層流體抽取法的創(chuàng)新技術(shù)，該方法通過降低海底原有壓力從而破壞可燃冰的成藏條件，將分散在海底巖層空隙中的可燃冰聚集，利用的一套特有的水、沙、氣分離技術(shù)將天然氣抽出。

4 可燃冰開采的現(xiàn)實(shí)問題

4.1 開發(fā)成本高，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采

目前，在南海神狐海域?qū)扇急脑嚥沙晒?，只是在技術(shù)上證實(shí)了對(duì)可燃冰實(shí)現(xiàn)連續(xù)開采的可行性，距離替代主體能源還很遙遠(yuǎn)。一方面，可燃冰以固體形式存在，不能像常規(guī)天然氣以自噴方式開采，需要附加能量讓天然氣從固體可燃冰中釋放出來，因此成本較高，在產(chǎn)量和價(jià)格方面都沒有競(jìng)爭(zhēng)力，目前只能作為儲(chǔ)備技術(shù)。另一方面，雖然我國可燃冰儲(chǔ)量巨大，但可經(jīng)濟(jì)性直接開采的儲(chǔ)量卻并未探明，即便在已發(fā)現(xiàn)有大量可燃冰賦存的歐美發(fā)達(dá)國家也沒有達(dá)到可經(jīng)濟(jì)開采的規(guī)模。

4.2 對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

雖然可燃冰的燃燒污染較小，但由于可燃冰賦存在深海底部的低溫高壓環(huán)境下，一旦開采的過程中有大量不溶于水的甲烷泄露釋放到空氣中，會(huì)對(duì)大氣形成污染，并且甲烷還是一種強(qiáng)溫室效應(yīng)氣體，大量釋放到空氣中會(huì)加劇全球氣候變暖，由此會(huì)引發(fā)一系列環(huán)境問題。

在深海開采可燃冰的過程中，由于天然氣在海底瞬間釋放時(shí)所產(chǎn)生巨大壓力勢(shì)必會(huì)打破海底應(yīng)力分布，不僅會(huì)造成海底環(huán)境的破壞，甚至?xí)l(fā)海底地震、海嘯等災(zāi)難；另外，化學(xué)物質(zhì)注入海底也會(huì)破壞海底的生態(tài)系統(tǒng)，威脅深海動(dòng)植物的生存。深海開采可燃冰過程中是否還有其它問題還有待進(jìn)一步研究，在這些問題未解決之前，可燃冰的商業(yè)化開采仍任重而道遠(yuǎn)。

5 結(jié)論

可燃冰作為一種清潔的可替代能源，在改善全球能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面都有著重要的意義，具有重要的開發(fā)價(jià)值。然而可燃冰從開采到收集等相關(guān)技術(shù)尚處于初期階段，對(duì)其開發(fā)仍存在較多負(fù)面問題，如何改善開采方法，降低開采成本以及如何解決開采過程中對(duì)已破壞環(huán)境的修復(fù)問題都是制約可燃冰技術(shù)商業(yè)化的重大難題，未來需要將如何改進(jìn)可燃冰的開采技術(shù)和如何修復(fù)可燃冰抽采后的海底及陸地生態(tài)環(huán)境作為重點(diǎn)研究領(lǐng)域。此次在我國南海成功開采可燃冰，為我國乃至世界的可燃冰開采領(lǐng)域開辟了一個(gè)新的局面。

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Discussionontheresearchandpresentsituationof"FutureEnergy"combustibleicemining

NIU Zhen-lei1,NAN Ying-hao1,LIU Yi-fan1，SHEN Chou-hai2

(1.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China；
2.ShanxiXincunCoalIndustryCo.Ltd.，Changzhi,046000,China)

P744.4

A

1672-7169(2017)03-0097-04

2017-05-03

牛振磊(1991- )，男，山西忻州人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生。E-mail: 446125529@qq.com