原创《可燃冰的工业化开采前景可期》
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“ 可燃冰” 不是冰, 而是一种自然存在的微观结构为笼型的化合物, 它的分子式现已被证实为CH 4· 8H 2O,即为一个甲烷分子被包围在8个水分子所形成的笼型结构中.“ 可燃冰” 是由甲烷和水在高压（3兆帕斯卡以上）低温(0℃~10℃)条件下形成的一种类冰状白色固体燃料. “可燃冰”是它的俗称,因其外观结构像冰一样,而且遇火即可燃烧而得名,所以,这种天然气水合物又被称为“固体瓦斯”或“气冰”.
天然气水合物的钻采是非常规天然气开发中的世界性难题.在不可再生能源日益消耗的今天,许多国家和地区都在着手研究这种天然气水合物——“可燃冰”的开采方法.在国际上,“可燃冰”被公认为石油、天然气的接替能源,是一种被称为能满足人类使用1000年的新能源,具有广阔的开发前景.
“可燃冰”的前程不可限量
“可燃冰”储量非常可观.地球上大约有27%的陆地具备形成“可燃冰”的条件,同时在世界水域中约有90%的面积也属这样的潜在区域.国土资源部地质勘查司副司长车长波说：“天然气水合物量很大,全世界公认的应该有1015立方米转化成天然气气体,有这么大的量.我们知道常规天然气世界上的量是4.3×1014立方米,页岩气是1.87×1014立方米,煤层气是2.60×1014立方米它们加起来还没有达到1015立方米总值.”
“可燃冰”是一种高效清洁能源.“可燃冰”燃烧热值高,燃烧产生的能量比相同质量的普通化石燃料要多出数十倍.1立方米的“可燃冰”分解后在标准状况下可生成164~180立方米的天然气.因其燃烧值高,使用方便,未来“可燃冰”大规模开采后,居民家里的灶台、热水器完全可以用“可燃冰”来替代天然气,甚至“可燃冰”还可替代汽油、柴油、天然气,为汽车等提供动力能源.但这并不意味着“可燃冰”可以直接使用.“可燃冰”是水和天然气在高压和低温条件下混合产生的一种固态物质,如果不能保证足够的高压、低温和适宜的贮存设备,“可燃冰”就会迅速融化为水和甲烷,甲烷气体将会“溜走”.
“可燃冰”是21世纪的绿色能源之一.“可燃冰”燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水,污染也要比普通化石燃料小很多.作为21世纪极具开发潜力的新型战略资源,“可燃冰”成为许多国家和国际组织关注的热点.
国外的勘探研究取得的进展
就全球来说,除了中国外,还有80多个国家和地区正在进行“可燃冰”的研究与调查勘探.
2012年2~4月,美国能源部与康菲石油公司、日本国家石油天然气和金属公司等进行合作,运用CO2-CH4置换法,在美国阿拉斯加北坡的冻土区进行试验开采,成功实现了开采甲烷的同时有效封存了二氧化碳.
2013年3月12日,日本在爱知县东南部的海槽进行了“可燃冰”的试采.在这一次生产性试验中,日本首次实现在海域水合物中开采出甲烷,6天累计产量13万立方米.在全球范围内这也是第一次.不过,此次试采因出砂堵塞等技术问题最终失败.
2017年4月,日本组织千代田公司（Chiyoda.Cop）等50家公司,针对“可燃冰”进行第二次海洋生产性试验.第一口试采井累计产气3.5万立方米.5月15日再次因出砂堵塞问题而中止产气.
就目前来看,在“可燃冰”的基础研究、勘探和钻探试验等环节,尽管美国、日本等处于世界领先地位,但他们尚没有形成可靠、完美的方法和方案,都未能实现“可燃冰”的大规模开采.
我国实现“可燃冰”开采技术的新突破
在刚刚过去的2017年5月,我国在南海“神狐”海域进行天然气水合物试开采,这也是世界首次成功实现开发难度最大的泥质粉砂型天然气水合物安全可控开采.
之所以本次“可燃冰”的开采难度大,首先是由于其埋藏于海底,且海底地层松软.开采过程中既要保持井柱的稳定,又不能破坏水合物的储层.若施加重型机械,则极易引发海底床层大规模坍塌.其次,该地区砂型较细,含泥量大,造成渗透率大幅降低,会对产量和产品质量造成影响.
此次“神狐”海域“可燃冰”的试采成功,标志着我国成为全球第一个实现了在海域“可燃冰”试开采中获得连续稳定产气的国家.本次开采方式采用了降压法开采,并使用了我国独创的“水-泥-气分离技术”.如下图所示.虽然该方法在大规模天然气水合物开采中已被多个国家使用,但可控连续的开采在世界范围内尚属首次.
南海“神狐”海域成功实现天然气水合物开采的事实证明,在理论基础和相关技术方面我国取得了前所未有的成功,意味着我国在开采“可燃冰”领域占据了世界首要地位,实现了能源勘察开发领域从“跟跑”到“领跑”的历史性跨越.
另外,中国吉林大学的科研团队从2004年开始开展陆域“可燃冰”钻采项目研发,在长达12年的技术攻关过程中,科研人员攻克了高海拔和严寒地区施工等多项技术难题,成功研发了国内外首创具有自主知识产权的“可燃冰”冷钻热采关键技术,也得到了普遍关注.
“可燃冰”工业化开采面临挑战在技术上,“可燃冰”的开采主要使用降压法、热激发法和CO2-CH4置换法等.一旦在开采技术方面获得突破性的进展,那么,这种天然气水合物将迅速成为21世纪的主要能源.但面临的困难也十分严峻.
虽然中国已经宣布“可燃冰”的试采成功,但要实现像传统的石油和天然气那样大规模开采尚有很大的距离,因此目前“可燃冰”还不能作为一种资源加以利用.美国能源部公布的资料显示,目前“可燃冰”开采成本平均每立方米高达200美元,即使按照1立方米“可燃冰”可转化164立方米的天然气来换算,其成本也在每立方米1 美元以上,这远高于通过成熟技术开采常规天然气的成本.
另外,在给人类带来新的能源前景的同时,“可燃冰”对人类的生存环境也提出了非常严峻的挑战.在开采过程中若稍有不慎,一旦让甲烷“逃逸”到大气中去,将会给人类造成难以挽回的严重后果.一个客观事实是,甲烷的温室效应指数是二氧化碳的24倍,如果“可燃冰”大规模开采导致甲烷扩散,温室效应造成的异常气候和海面上升,将严重威胁人类的生存.
更严重的问题在于,这种固结在海底沉积物中的水合物,千百年来已经适应了自己的“居住”环境,一旦人为地让它们的生存条件发生改变,甲烷气如果从水合物中释放出来,沉积层的物理性质就会随之发生改变——该水合物的存在能够保持沉积层的机械稳定性.假设人为把它分解掉了,就会极大地降低海底沉积物的力学稳定性,整体就变成松散的分解体,由此可能导致海底滑坡、滑啸等突发性灾害,以及毁坏海底工程设施.因此,对这种天然气水合物的开发,态度需极度审慎.
工业论文参考资料：
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