■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(jì)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(jìn)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(rèn)為是能夠解決人類能源危機(jī)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(diǎn)燃，具有使用方便、燃燒值高、清潔無污染等特點(diǎn)，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(dāng)將明顯加劇全球變暖?？扇急@種特性需要利用安全的手段進(jìn)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(jìn)入人們的視野。據(jù)估算，世界上可燃冰所含有機(jī)碳的總資源量相當(dāng)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(rèn)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(kuò)散。但由于可燃冰儲層滲透性較差，導(dǎo)致產(chǎn)氣量較低，實(shí)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(shí)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(zhǔn)備階段，沒有進(jìn)入商業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)。從 20 世紀(jì) 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(jìn)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(diǎn)。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(jìn)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(diǎn)。

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(jì) 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(shí)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(yuǎn)計劃，每年投入 2000 萬美元，重點(diǎn)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(xiàng)目和延續(xù)項(xiàng)目。美國 2012 年在阿拉斯加北部利用二氧化碳置換甲烷進(jìn)行可燃冰試開采取得成功，共注入二氧化碳和氮?dú)饣旌蠚?1萬標(biāo)準(zhǔn)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(dá) 5000 立方米。

日本處于相對領(lǐng)先地位

日本 20 世紀(jì) 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(jìn)行，前5年對開采海域的蘊(yùn)藏量和分布情況進(jìn)行調(diào)查，從第3年開始就打井以備調(diào)查用，之后5年進(jìn)行試驗(yàn)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(jìn)口，2011 年“福島核事故”后，國內(nèi)大部分核電站停止運(yùn)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(shí)施《二十一世紀(jì)可燃冰研究開發(fā)計劃》，成立了可燃冰開發(fā)促進(jìn)委員會，經(jīng)濟(jì)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(rèn)相關(guān)海域蘊(yùn)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(biāo)活動是進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)。近期還將再進(jìn)行一次分離提取甲烷氣體作業(yè)試驗(yàn)，從而為 2016-2018 年度第三階段的商業(yè)化開采進(jìn)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(tuán)技術(shù)研究中心和日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究院等機(jī)構(gòu)投入資金實(shí)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?？扇急鶎又刑崛〕黾淄?，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(shí)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(fèi) 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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行初步泥沙分離后采用固—液—?dú)馊噍斔图夹g(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(jìn)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(yùn)。其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)研究課題，已躋身世界可燃冰研究的先進(jìn)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(xiàng)目啟動，由韓國地球科學(xué)和礦產(chǎn)資源研究院組織實(shí)施，主要是進(jìn)行初步的實(shí)驗(yàn)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(jī)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(yuǎn)景研究開發(fā)區(qū)，研究與開發(fā)項(xiàng)目分成4個子項(xiàng)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(xiàng)目都與國際可燃冰研究團(tuán)隊(duì)開展了密切的合作，實(shí)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(jìn)行 Ulleung盆地勘探和開發(fā)，進(jìn)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(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性評估，對氣候和海底穩(wěn)定性影響進(jìn)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(rèn)。通過采集沉積相樣品，對其進(jìn)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?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析后，確定最佳可燃冰開采方法，然后進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評估，建立一種經(jīng)濟(jì)可行的開采方式。

三、國外經(jīng)驗(yàn)借鑒及我國取向建議

我國可燃冰具有良好的蘊(yùn)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(dāng)量。目前僅在南海北部的可燃冰儲量，估計相當(dāng)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(jìn)行前期研究，雖然起步較晚，但進(jìn)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(shí)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(yàn)。

國外經(jīng)驗(yàn)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(yàn)，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(xì)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(yuǎn)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(shí)施的《二十一世紀(jì)可燃冰研究開發(fā)計劃》，設(shè)立了專業(yè)的組織機(jī)構(gòu)，投入了強(qiáng)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(shí)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(biāo)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(jī)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(xiàng)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(biāo)，在 2006-2012 年期間，共資助了數(shù)十個可燃冰新項(xiàng)目和延續(xù)項(xiàng)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(tuán)技術(shù)研究中心和日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究院等機(jī)構(gòu)投入資金實(shí)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(yùn)”項(xiàng)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(jìn)”的原則，建議我國可燃冰研究策略為：借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，建議建立專門的可燃冰研究組織協(xié)調(diào)機(jī)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(qiáng)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(qiáng)理論基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)?zāi)M工作，提高理論方法的可行性和可操作性。其次，在實(shí)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(jìn)商業(yè)化進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(yùn)輸環(huán)節(jié)是中游企業(yè)的機(jī)會。這一階段能夠提供合理有效的收集運(yùn)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(jī)、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(qiáng)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(yùn)輸再到最后的加工使用是一項(xiàng)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