世界天然氣水合物發(fā)展前景

孫浩源 張連梓

俄羅斯人民友誼大學(xué)礦產(chǎn)資源利用及石油天然氣工程學(xué)院，俄羅斯·莫斯科 117198

1 引言

自20世紀(jì)中葉以來，人類正處于能源危機(jī)的邊緣，這主要與礦物儲(chǔ)量枯竭以及從深處開采礦物而導(dǎo)致的成本增加有關(guān)。因此，新型礦物，包括非常規(guī)氣體、氣體水合物等，正變得特別重要。論文主要研究世界上生產(chǎn)和使用氣體水合物的前景及相關(guān)問題。

根據(jù)國際能源署（IEA）的資料顯示，已探明的天然氣世界儲(chǔ)量的范圍從177 到213 萬億立方米，而非常規(guī)天然氣，包括預(yù)測(cè)的世界天然氣水合物資源，為920 萬億立方米，理論上他們可以持續(xù)使用250年[1]。

天然氣水合物的生產(chǎn)和使用前景主要與能源依賴強(qiáng)度較大的國家有關(guān)，這些國家的自然條件適宜，人口密度低。目前天然氣水合物的生產(chǎn)技術(shù)需要很大的支持，并符合高標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境要求。因此，從理論和實(shí)踐的角度來看，天然氣水合物的開采和使用具有特別的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，石油和天然氣行業(yè)的科學(xué)家和專家越來越多地討論開發(fā)天然氣水合物礦床的前景。當(dāng)然，這種趨勢(shì)許多經(jīng)濟(jì)上存在合理性的論點(diǎn)，但它也具有實(shí)施層面上的某些局限性，以及由此引發(fā)重大的環(huán)境威脅，這使得科學(xué)界有必要加強(qiáng)進(jìn)一步的研究以解決現(xiàn)存問題。

2 世界非常規(guī)天然氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)

天然氣，包括非常規(guī)天然氣（天然氣水合物），是全球能源市場(chǎng)穩(wěn)定發(fā)展的重要組成部分，它是一種全燃燒燃料，實(shí)用且分布廣泛。當(dāng)用于發(fā)電時(shí)，氣體產(chǎn)生的二氧化碳排放量比煤炭少50%～70%[2]。天然氣也可以作為汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料在氣體或液化狀態(tài)下，通過冷卻或化學(xué)處理獲得。

與其他任何電力來源相比，燃?xì)獍l(fā)電廠的建造成本要低得多，在相同的能源容量下，他們建設(shè)的成本幾乎比燃煤電廠的相應(yīng)成本低一半，比核電站低1/3 以上，約占建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)成本的15%。

美國曾是世界上第一個(gè)在天然氣水合物領(lǐng)域?qū)嵤┨烊粴馍a(chǎn)，運(yùn)輸和儲(chǔ)存項(xiàng)目等方面，獨(dú)立克服重大技術(shù)，環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問題的國家。這使其當(dāng)時(shí)能夠在天然氣生產(chǎn)中占據(jù)世界領(lǐng)導(dǎo)者的地位，并幾乎完全用自己的資源滿足國內(nèi)需求[3]。特別是美國國會(huì)早在20世紀(jì)90年代通過了一項(xiàng)關(guān)于天然氣水合物勘探，儲(chǔ)備評(píng)估和天然氣水合物開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的法案，美國的成功經(jīng)驗(yàn)和世界大多數(shù)地區(qū)預(yù)計(jì)天然氣水合物儲(chǔ)量的指標(biāo)表明了發(fā)展這種能源供應(yīng)的真正機(jī)會(huì)已經(jīng)到來。因此，解決世界不同國家（如日本、俄羅斯、中國、印度、韓國、英國）的天然氣水合物問題具有重大的戰(zhàn)略意義，如在今天的俄羅斯，“俄羅斯天然氣工業(yè)公司”的長期天然氣水合物計(jì)劃，各種研究機(jī)構(gòu)的員工參與其中。又如自1995年以來，在日本“天然氣水合物研究和研究計(jì)劃”開始實(shí)施。

在非常規(guī)氣體類型中，今天天然氣水合物可以被認(rèn)為是最有前途的氣體燃料類型之一。世界各地的生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展如此迅速，以至于天然氣價(jià)格的快速降低將迫使許多國家重新考慮其戰(zhàn)略發(fā)展方向，甚至可能影響地緣政治的方向。圖1顯示了世界非常規(guī)天然氣產(chǎn)量的預(yù)測(cè)[4]。

圖1 到2030年世界非常規(guī)天然氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)（億立方米）

根據(jù)國際能源署（IEA）基線情景，計(jì)劃將非常規(guī)天然氣的產(chǎn)量（主要是由于技術(shù)的改進(jìn)）從2016年4670 億立方米增加到2030年9400 億，非常規(guī)天然氣在全球天然氣總產(chǎn)量中的份額將從12%增加到15%[5]，美國和加拿大在產(chǎn)量方面繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位。非常規(guī)來源的天然氣在美國總產(chǎn)量中的份額將從2015年的63%增加到2030年的約79%。歐洲國家發(fā)展天然氣水合物的主要原因誘因是他們希望減少對(duì)傳統(tǒng)天然氣進(jìn)口的依賴，預(yù)計(jì)將從2016年的65%增加到2030年90%。

3 世界各種重視天然氣水合物發(fā)展的因素

近年來，對(duì)天然氣水合物的重視有以下原因可以通過以下因素來解釋：

①在能源資源匱乏的國家尋找傳統(tǒng)烴類燃料烴原料的替代品。

②研究天然氣水合物形成的規(guī)律性，以證明傳統(tǒng)烴類礦床的搜索和勘探（天然水合物可能是傳統(tǒng)油氣田的先兆。

③需要評(píng)估氣體水合物在地球圈中的作用，特別是其可能對(duì)全球氣候變化的影響有關(guān)。

④向節(jié)能和環(huán)保技術(shù)的過渡，降低運(yùn)營成本以紡織工業(yè)氣體生產(chǎn)系統(tǒng)中的水合物形成的可行性。

⑤在天然氣的生產(chǎn)，儲(chǔ)存和運(yùn)輸中使用天然氣水合物技術(shù)的可能性。

與此同時(shí)，應(yīng)該指出的是，氣體天然氣水合物的開發(fā)存在許多重大困難，即：

①從地質(zhì)學(xué)和生產(chǎn)成本的角度來看，對(duì)礦床的了解不足。

②對(duì)資源有限的物理調(diào)查和了解（分布分散，深度大），嚴(yán)重違反了地下巖石圈的完整性。

此外，與傳統(tǒng)天然氣相比，天然氣水合物的提取與由于以下原因而產(chǎn)生的額外成本相關(guān)：

①大面積的礦藏高達(dá)12 萬平方公里。只在高生產(chǎn)力地區(qū)開發(fā)是具有成本效益的，這些地區(qū)占總面積的10%～20%。

②需要建造大量井（比傳統(tǒng)天然氣大多50～100 倍），其成本通常高于傳統(tǒng)井；為了證明該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)可行性，需要鉆10～20 個(gè)勘探井。

③需要吸引30年或更長時(shí)間的重大投資；初始投資的投資回收期長（15～20年），需要不斷的技術(shù)優(yōu)化和成本降低。

④為每個(gè)含氣地層開發(fā)單獨(dú)的技術(shù)解決方案。

圖2顯示了氣田儲(chǔ)量的金字塔，清楚地顯示了獲取和提取天然氣水合物的困難。

圖2 氣田儲(chǔ)量的金字塔

4 天然氣水合物發(fā)展過程中的環(huán)境影響

隨著天然氣水合物生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)問題的深入，應(yīng)特別注意環(huán)境威脅。

環(huán)保人士認(rèn)為，天然氣水合物礦床的發(fā)展會(huì)導(dǎo)致負(fù)面后果，因?yàn)榧淄閺牡V床釋放到大氣中會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)溫室效應(yīng)。如果甲烷從氣體水合物從水下大量進(jìn)入大氣中，溫室效應(yīng)和臭氧層的破壞過程將比二氧化碳快20 倍。

科學(xué)家們正在廣泛討論天然氣水合物釋放后可能的假設(shè)，當(dāng)溫度上升，由于全球變暖所謂的“包合槍”假說。甲烷的釋放將導(dǎo)致進(jìn)一步變暖，甚至更多的甲烷釋放，這一進(jìn)程將是不可能停止的。在西伯利亞北極地區(qū)進(jìn)行的研究表明，已經(jīng)有數(shù)百萬噸的甲烷在那里釋放，其在某些地區(qū)的濃度達(dá)到比正常值高一百倍的值，天然氣水合物開采的負(fù)面后果的例子是研究勘探期間的事故。例如，在1989年，佐賀石油公司，鉆井在挪威海的北部，因?yàn)檫@個(gè)原因遭受重大損失[6]。根據(jù)一些研究人員的說法，正是由于海洋底部沉積物中氣體水合物的積累釋放了大量氣體，導(dǎo)致北部和里海的生產(chǎn)平臺(tái)被破壞，因?yàn)檫@個(gè)原因遭受了重大損失[7]。

5 結(jié)語

因?yàn)槭澜缟暇薮蟮奶烊粴馑衔镔Y源的開發(fā)具有顯著的前景，這種類型的非常規(guī)天然氣是傳統(tǒng)油田天然氣的重要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但由于缺乏技術(shù)和需要大量投資，大規(guī)模量生產(chǎn)天然氣水合物仍然沒有進(jìn)行。開發(fā)天然氣水合物礦床的成本顯著高于傳統(tǒng)天然氣，因?yàn)殂@井作業(yè)，土地征用和高環(huán)境確保符合高環(huán)保要求的成本很高。

與此同時(shí)，盡管存在許多所有困難，但在能源需求不斷增長和傳統(tǒng)生產(chǎn)成本增加的條件下，這一天然氣供應(yīng)領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

此外，為了防止天然氣水合物礦床開發(fā)過程中的環(huán)境災(zāi)難，建議制定勘探和生產(chǎn)天然氣水合物的環(huán)境安全計(jì)劃，特別是通過使用納米技術(shù)。