摘 ?要：“可燃冰”在全球范圍內(nèi)廣泛存在，分布于極地冰川凍土帶、冰雪高山凍結(jié)巖、大陸邊緣海、深海槽區(qū)和大洋盆地。據(jù)專家預(yù)測，全球“可燃冰”所含有機(jī)碳總量是已知石油等化石燃料含碳總量的兩倍，并且“可燃冰”燃燒后不會釋放有害物質(zhì)，僅生成少量的二氧化碳和水，所以“可燃冰”被譽(yù)為未來低碳社會的理想能源。國際上很多國家已經(jīng)認(rèn)識到“可燃冰”能源的重要性，對“可燃冰”的勘探和開發(fā)做了深入研究。在不久的將來，如果實(shí)現(xiàn)了“可燃冰”的商業(yè)開采，那么將改變?nèi)虻哪茉锤窬帧?/p>

關(guān)鍵詞：可燃冰;天然氣水合物;勘探和開發(fā);能源

中圖分類號：P744.4 ???文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ???文章編號：1671-2064（2019）17-0000-00

1 什么是“可燃冰？”

“可燃冰”是由天然氣和水在高壓低溫狀態(tài)下形成的“似冰”狀結(jié)晶物質(zhì)^[1]，學(xué)名是天然氣水合物。因?yàn)橥庥^像冰且遇火可燃，故稱之為“可燃冰”。

“可燃冰”在全球范圍內(nèi)廣泛存在，全球約有27%的陸地可形成“可燃冰”，包括極地冰川凍土帶和冰雪高山凍結(jié)巖;30%的海域（面積約為18.9×10⁸km²）有利于形成“可燃冰”，包括全球邊緣海、深海槽區(qū)及大洋盆地。據(jù)專家預(yù)測，全球“可燃冰”所含有機(jī)碳總量是已知石油等化石燃料含碳總量的兩倍。迄今為止，“可燃冰”已經(jīng)成為最有價值、最具潛力的海底礦產(chǎn)資源。

據(jù)理論計(jì)算，1 m³的“可燃冰”可釋放出164 m³的甲烷氣和0.8 m³的水。而且燃燒后僅會生成少量的二氧化碳和水，不像煤炭和石油燃燒時釋放出粉塵、硫化物、氮氧化物等環(huán)境污染物，所以“可燃冰”被譽(yù)為未來低碳社會的理想能源。

2 全球“可燃冰”的勘查試采方興未艾

國際上很多國家已經(jīng)認(rèn)識到“可燃冰”能源的重要性，對“可燃冰”調(diào)查研究和開發(fā)工作日益重視，并正在加速推進(jìn)對“可燃冰”物化性質(zhì)、產(chǎn)出條件、分布規(guī)律、勘查技術(shù)、開采工藝、經(jīng)濟(jì)評價及開采可能造成的環(huán)境影響等進(jìn)行了廣泛而深入的研究。

自20世紀(jì)80年代開始，已經(jīng)有30多個國家和地區(qū)相繼投入巨資開展可燃冰勘查開發(fā)及科學(xué)研究。美國、日本、加拿大、印度、韓國、德國等國家還制定了“可燃冰”勘查開發(fā)的國家計(jì)劃，并將其納入國家能源中長期發(fā)展規(guī)劃。前蘇聯(lián)在西西伯利亞麥索亞哈氣田進(jìn)行了“可燃冰”開發(fā)，加拿大馬更些凍土區(qū)、美國阿拉斯加北坡、中國祁連山凍土區(qū)、日本南海海槽和中國南海神狐海域?qū)嵤┰囼?yàn)性開采（如圖1）。

3 “可燃冰”勘探技術(shù)

目前“可燃冰”的勘探技術(shù)，主要有地球物理法、地球化學(xué)法、鉆井取心和水下成像技術(shù)^[2]。在不同的環(huán)境和條件下，應(yīng)選取合適的方法對“可燃冰”進(jìn)行探測，為保證勘探的準(zhǔn)確性，有時還需多種方法聯(lián)合使用。

3.1地球物理勘探法

3.1.1地震勘探法

地震勘探法分為以下五種：（1）高分辨率地震，可以顯示顯示BSR的位置;（2）深拖多道地震，可分辨出“可燃冰”層詳細(xì)的地層結(jié)構(gòu);（3）海底地震儀探測，可給出“可燃冰”的沉積地層速度結(jié)構(gòu)模型;（4）海底地震電纜，利于BSR之下的氣區(qū)成像;（5）淺地層剖面方法，可得到200 m以淺的地層結(jié)構(gòu)圖像。

3.1.2海底熱流勘探

“可燃冰”形成和分解時，伴隨著吸熱和放熱過程，因此利用海底熱流探針測量海底熱流和海底溫度，從而估算“可燃冰”穩(wěn)定帶的底界，確定其分布范圍。

3.1.3海底電磁、重力勘探

海底電磁探測輔助地震勘探手段，評價和計(jì)算“可燃冰”的資源;重力儀可以估算沉積地層中“可燃冰”的含量。

3.1.4測井技術(shù)

測井技術(shù)是勘探“可燃冰”的有效方法，分為隨鉆測井和電纜測井。測井方法可以在原位地層的溫壓條件下測量地層的物理性質(zhì)。

3.2地球化學(xué)勘探方法

地球化學(xué)勘探方法分為以下三種：（1）氣體異常檢查法，海水中甲烷、H₂S和CO₂含量的異常指示“可燃冰”的存在;（2）沉積物孔隙水地球化學(xué)異常，在“可燃冰”分布區(qū)孔隙水Cl^- 濃度和SO₄^2-濃度會隨深度急劇減小;其他示蹤離子濃度異常（如Br^-、I^-、Ca²⁺、Mg²⁺、Sr²⁺、Li⁺、Na⁺、K⁺等）。（3）穩(wěn)定同位素法，用甲烷中的δ¹³C值等來判定成礦原因;海水中高⁴He含量可以判別“可燃冰”的存在;另外還有δD、δ¹⁸O、δ³⁴S、⁸⁷Si/⁸⁶Si、δ¹¹B、δ⁶Li、δ³⁷Cl、δ⁸¹Br和¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os等同位素地球化學(xué)方法。

3.3鉆井取心技術(shù)

通過觀察鉆井泥漿中充氣和短時間排氣現(xiàn)象來發(fā)現(xiàn)“可燃冰”層，同時可采用冷卻泥漿鉆井和保壓巖心筒取心來直接獲得“可燃冰”樣品。

3.4地貌勘測、水下成像勘測

“可燃冰”常分布在斷層、麻坑、泥火山、底辟這樣的的海底地貌區(qū)域，這些地貌普遍通過聲吶設(shè)備（多波束、側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶、淺地層剖面儀）來探測，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，海底電視攝像設(shè)備和水下機(jī)器人也用于海底探測。

4 “可燃冰”開采技術(shù)

由于“可燃冰”是以固態(tài)形式存在于常年凍土區(qū)和深海區(qū)，所以常規(guī)的油氣藏開采手段不能直接用于“可燃冰”的開采。目前提出的開采方法都是基于破壞“可燃冰”存在的溫壓條件而分解的原理，包括降壓法、熱激法、注入抑制劑法、CO₂置換法、固體開采法及水力壓裂法^[3]。但是這些方法各有優(yōu)劣，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方法。

（1）降壓法：通過鉆探降低“可燃冰”下面氣層的平衡壓力，使“可燃冰”失穩(wěn)并分解成天然氣和水。優(yōu)點(diǎn)：成本低，不需要連續(xù)激發(fā)，適合具有下伏氣的“可燃冰”礦藏開采。缺點(diǎn)：不適用于不含下伏游離氣的“可燃冰”儲層。

（2）熱激法：將熱水或其他熱流體強(qiáng)制注入“可燃冰”地層，改變“可燃冰”的穩(wěn)定溫度，從而使其分解。優(yōu)點(diǎn)：作用方式較快，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)注熱。缺點(diǎn)：注熱過程中熱損失大，效率低，并且加熱面積小。

（3）注入抑制劑法：將甲醇、乙醇、乙二醇、鹽水、氯化鈣等化學(xué)試劑注入地層，改變“可燃冰”的形成條件，從而使其分解。優(yōu)點(diǎn)：在開采初期可以降低天然氣水合物開采成本投入。缺點(diǎn)：速度慢，成本高，且會影響生態(tài)環(huán)境。

（4）CO₂置換法：其原理是CO₂水合物比CH₄水合物穩(wěn)定，CO₂進(jìn)入天然氣中，與水形成水合物，同時釋放熱量促使“可燃冰”分解。優(yōu)點(diǎn)：可以封存溫室氣體CO₂，具有一定的壞境效益。缺點(diǎn)：通常該方法置換率不高。

（5）固體開采法。優(yōu)點(diǎn)：直接采集海底固態(tài)水合物，將其拖至淺水區(qū)進(jìn)行控制性分解。缺點(diǎn)：技術(shù)難度高，不可預(yù)知的費(fèi)用昂貴。

（6）水力壓裂法。優(yōu)點(diǎn)：向水合物儲層高壓泵入溫度相對較高的海水，在加熱水合物的同時使其產(chǎn)生人工裂縫，為分解氣體提供運(yùn)移通道，從而提高開采水合物的效率。缺點(diǎn)：需先確定水合物儲層系統(tǒng)的狀態(tài)，了解水合物的壓裂機(jī)制，通過含水合物沉積試驗(yàn)了解其屬性。

5 我國“可燃冰”研究趕超國際水平

我國的“可燃冰”勘探工作開始1999年，在南海西沙海槽發(fā)現(xiàn)“可燃冰”發(fā)育的地球物理證據(jù)，首次根據(jù)勘探實(shí)踐提出南海北部可能存在“可燃冰”，開啟了我國南海“可燃冰”調(diào)查和研究的新篇章。2007年5月，由國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局組織，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局實(shí)施，首次在南海神狐海槽成功鉆探取樣得到“可燃冰”巖心。

2008-2009年中國地質(zhì)調(diào)查局組織中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所、勘探技術(shù)研究所和青海煤炭地質(zhì)105勘探隊(duì)等單位，在祁連山木里地區(qū)開始施工“祁連山凍土區(qū)水合物科學(xué)鉆探工程”并取得“可燃冰”樣品。

2013年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在珠江口盆地東部海域成功鉆獲大量塊狀、脈狀、分散狀的“可燃冰”樣品。2015年在南海神狐海域再次鉆獲“可燃冰”樣品。同年，自主研發(fā)的“海馬”號深潛器在珠江口盆地西部海域發(fā)現(xiàn)“海馬冷泉”，并獲取塊狀“可燃冰”樣品。

2017年5月10日——2017年7月9日，中國地質(zhì)調(diào)查局在南海神狐海域?qū)嵤┝藶槠?0天的“可燃冰”試采，從水深1266 m海底以下203～277 m的“可燃冰”礦藏開采出天然氣，總產(chǎn)氣量達(dá)到30.9×10⁴ m³。

2019年5月，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“海洋六號”調(diào)查船在南海北部執(zhí)行深海探測共享航次科考任務(wù)，發(fā)現(xiàn)了新的海底大型活動性“冷泉”，“冷泉”生態(tài)系統(tǒng)是是探測“可燃冰”的重要標(biāo)志。此次考察基本查明了“冷泉”的分布范圍、地形地貌、生物群落、自生碳酸鹽巖及流體活動等。

6 結(jié)語

“可燃冰”作為清潔新能源具有廣闊的前景，極有可能改變未來低碳社會的能源格局。2017年11月3日，“可燃冰”已被列為我國第173種新礦種。中國南海的可燃冰”試采成功具有重大意義，未來我國還需加快“可燃冰”的基礎(chǔ)研究和勘探開發(fā)技術(shù)發(fā)展，盡快實(shí)現(xiàn)“可燃冰”的商業(yè)化，使“可燃冰”能源真正進(jìn)入人類生活中。

參考文獻(xiàn)

[1]江懷友，喬衛(wèi)杰，鐘太賢，等.世界天然氣水合物資源勘探開發(fā)現(xiàn)狀與展望[J].中外能源，2008，13（6）：19-25.

[2]尹聰，蘭麗茜，王芳.海洋天然氣水合物勘探方法綜述[J].海洋開發(fā)與管理，2015（1）：27-29.

[3]吳傳芝，趙克斌，孫長青，等.天然氣水合物開采技術(shù)研究進(jìn)展[J].地質(zhì)科技情報，2016，35（6）：243-250.

收稿日期：2019-08-01

^*基金項(xiàng)目：“天然氣水合物數(shù)據(jù)庫更新與服務(wù)”，編號：DD20190216。

作者簡介：范廣慧（1989—），女，漢族，江蘇淮安人，碩士研究生，工程師，研究方向：天然氣水合物信息研究。