海工技术助推可燃冰实现商业开采

江南造船（集团）有限公司总工程师 胡可一

技 术

海工技术助推可燃冰实现商业开采

江南造船（集团）有限公司总工程师 胡可一

最近，一则关于“可燃冰”的新闻红遍各种媒体。同时，再加上有媒体爆出的一辆汽车加100升可燃冰能跑5万公里的“乌龙事件”，更使得可燃冰备受关注。那么，未来可燃冰到底给能源界带来怎样的变化？中国造船人如何看待这一新能源，以及如何助推早日实现可燃冰商业开采？

造船界需关注海洋能源新动向

可燃冰，又称天然气水合物，是一种甲烷和水分子在低温高压的情况下结合在一起的化合物，因形似冰块却能燃烧而得名。标准状况下，1体积的可燃冰大概可以分解为164体积的甲烷气体。

据相关资料显示，可燃冰在全球范围内广泛存在，广泛分布于深海或陆域的永久冻土中。全球约有27%的陆地是可形成可燃冰的潜在地区，在全球边缘海、深海槽区及大洋盆地中，有利于形成水合物的海区面积约为18.9亿平方千米，占其总面积的30%。据科学家初步预测，全球可燃冰所含有机碳总量相当于全球已知石油、煤和天然气等化石燃料含碳总量的两倍。迄今为止，可燃冰已经成为最有价值、最具潜力的海底矿产资源。目前，南极、北极均已发现可燃冰矿点，中国虽不属于极地国家，但此前，我国已分别在南海海域和青藏高原冻土区钻获可燃冰实物样品，使得我国成为世界上在中低纬度地区唯一拥有海底和陆上冻土区可燃冰资源的国家。据2016年相关部门发布的《中国能源矿产地质调查报告》显示，我国可燃冰预测远景资源量超过了1000亿吨油当量，开发前景广阔。若能实现可燃冰的商业开采，许多国家都可实现能源自给，现存的世界能源贸易将可能彻底改变。

从20世纪60年代开始至今，世界上已有79个国家和地区都发现了可燃冰藏，并且已有中国、美国、加拿大、日本、新西兰等30个国家和地区开展了可燃冰的调查研究。近年来，可燃冰的勘探开发活动日益增多，一些国家甚至将其提高到能源安全战略的高度予以重视。据统计，全球现已累计发现超过230个可燃冰矿区。日本对可燃冰的研究始于上世纪90年代。2001年，日本经济产业省还发表了《甲烷水合物开发计划》，正式启动了为时18年的甲烷水合物的开发性研究。美国、加拿大、俄罗斯、印度、韩国等国家政府也都分别制定了有关可燃冰的长期研究计划，计划在5～10年内实现可燃冰的商业开采。

2017年5月，“可燃冰”一下成为国际热点新闻，5月4日，日本宣布从近海可燃冰中提取了甲烷；5月12日，美国宣布在墨西哥湾开展可燃冰钻探研究；18日，我国宣布在南海试采可燃冰成功，成为全球首个海域可燃冰试采获得连续稳定气流的国家。我国天然气的成功试采，为实现可燃冰商业性开发利用提供了技术储备，积累了宝贵经验，打破了我国在能源勘查开发领域长期跟跑的局面，取得了理论、技术、工程和装备的完全自主创新，实现了在这一领域由“跟跑”到“领跑”的历史性跨越，对保障国家能源安全、推动绿色发展、建设海洋强国具有重要而深远的影响。

关于技术瓶颈的另类解读

最近在网上出现了有对中国可燃冰开采技术不屑一顾者，认为中国可燃冰开采技术和钻井船舶装备都是石油天然气勘探开发的常规技术和装备，没有任何技术上的突破，没有什么可以自豪的。但我并不这么看。

同欧美发达国家相比，我国对可燃冰的研究晚了近20年，但是，从1999年开展实质性调查以来，我国一直在奋起直追。2007年5月成功获取了可燃冰实物样品，成为世界上第四个通过国家级开发项目发现可燃冰的国家。显然，对于可燃冰的勘探和开采，都需要很强的深海技术作为支撑，中国在底子薄、时间短的情况下能够一跃进入强者行列，实属不易。这次可燃冰试采，从2017年5月10号开始出气，截至18日，已连续产气8天，已经累计产出超过12万立方米甲烷含量高达99.5%的天然气。平均日产超过1.6万立方米以及连续产气超过一周，在此之前，还没有一个国家能同时成功实现这两个指标。这次南海神狐海域试采成功是我国首次、也是世界第一次成功实现资源量全球占比90%以上、开发难度最大的泥质粉砂型可燃冰安全可控开采，为实现可燃冰产业化提供了技术储备，积累了宝贵经验。

据了解，作为一项复杂的高技术密集的系统工程，我国海域可燃冰试采工作既面临着储层类型为泥质粉砂型而开发难度大的难题，也面临着“无”成功先例、“无”成熟团队、“无”成熟平台、“无”成熟工艺、施工难度大等多个难题。因此，这次试采成功，充分展现了中国勘查开发理论、技术、工程和装备自主创新能力，不仅展示了“中国身”，还展示了“中国心”的力量，创造了“六大技术体系、20项关键技术自主创新”。值得一提的是，在全流程试采核心技术上，这次试采形成了国际领先的新型试采工艺，尤其是“地层流体抽取”试采方法有效解决了储层流体控制与可燃冰稳定持续分解难题。此外，在试采中，我国掌握了钻完井核心技术，构建了深水浅层钻完井技术体系。

此次成功试采，中国造船界也做出了不小的贡献，有两台深海作业设备发挥了不可替代的重要作用，那就是我国自主研发的首台4500米作业级无人遥控探测潜水器“海马”号，以及由中集集团旗下中集来福士自主设计建造的海上钻井平台“蓝鲸一号”。“海马”号深潜器是科技部863重点支持项目，是中国迄今为止自主研发的下潜最大、国产化率最高的无人遥控潜水系统。它是中国深海高科技领域继“蛟龙”号之后的又一标志性成果。它突破了本体结构、浮力材料、液压动力和推进、作业机械手和工具、观通导航、控制软硬件、升沉补偿装置等关键技术，先后完成了总装联调、水池试验和海上摸底试验等工作。“蓝鲸一号”是由中集集团旗下中集来福士自主设计建造，是中国最新研制成功的世界最大、钻井深度最深的海上钻井平台，净重超过42000吨、37层楼高，甲板面积相当于一个标准足球场大小，最大作业水深3658米，最大钻井深度1.5万米，造价50亿元，是目前全球最先进的双井架半潜式钻井平台之一，可适用于全球任何深海作业。这个钻井平台技能点主要是开采和防砂，是专门为开采可燃冰而研发的，拥有一整套的完井防砂设计系统，也足够的稳定，可以抵御12级的飓风，完全不怕海浪的颠簸。

虽然中国可燃冰试采成功，但要想实现大量稳定开采仍然面临很多困难。首先是开采技术问题暂时难以突破，当前可燃冰尚无成熟完美的开采技术，传统的三种方法均不太成熟，热激发开采法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题；化学试剂注入开采法所需的化学试剂费用昂贵,对可燃冰层的作用缓慢,而且还会带来一些环境问题；减压开采法不需要连续激发，成本较低，适合大面积开采，尤其适用于存在下伏游离气层的可燃冰藏的开采，是可燃冰传统开采方法中最有前景的一种技术。但它对可燃冰藏的性质有特殊要求，只有当可燃冰藏位于温压平衡边界附近时减压开采法才具有经济可行性。其次是开采成本高。据估计，目前可燃冰开采成本高达每立方米200美元，单位热值的开采成本远高于开采常规天然气和石油的成本。第三是环境污染风险。可燃冰稳定性较差，一旦汽化可能导致大规模爆炸，“封存”它的海底沉积物会失去稳定，不仅对海底管道、通信电缆和开采平台以及科学仪器造成破坏，而且还有可能造成大陆架边缘动荡从而引发海底塌方，甚至导致大规模海啸。而且可燃冰在开采过程中可能造成甲烷成分泄露，全球可燃冰中蕴含的甲烷量约是大气圈中的3000倍，而可燃冰分解产生的甲烷进入大气的量即使只有大气甲烷总量的0.5%，也会明显加速全球变暖的进程。正因为存在上述诸多有待突破的问题，我国计划先对开采技术进行充分研究使其成熟，到2030年前后再进行可燃冰的商业开采。这一策略是十分明智和理性的。

创新为商业开采提供坚强支撑

因担心破坏全球生态平衡，以及面临诸多开采技术难题，就否定天然冰的开采价值，这是因噎废食。以前很多人也不看好页岩气，但是现在美国的页岩气就做得很棒。随着科技的发展，这些问题都将得到最终解决。可燃冰今后将作为清洁能源逐步替代传统化石能源的潜力是毋庸置疑的。但是，我们不能否认，未来商业化开采还面临诸多挑战。为此，一些专家也给出了不少非常好的建议。我个人认为，还有以下几点应引起重视。

首先，要进一步确立可燃冰资源在我国能源战略中的地位，优先编制可燃冰开发中长期规划；将可燃冰纳入新兴战略产业目录，参照页岩气、煤层气财税政策尽快研究出台可燃冰勘探、开发、利用财税扶持政策；加强矿产资源管理，审批并颁发可燃冰勘探开发审批许可证、采矿许可证，划定勘探区块，做好矿权登记；建立健全开采的技术标准和技术体系，增强核心技术自主研发能力。

其次，在不断加强国际合作，适当引进国际研究力量和技术的同时，整合国内相关研究机构，把产学研结合起来，从设备制造、地质研究、开采试验、海底工程等方面组织力量加大力度进行研究，以期用国产技术和设备来解决可燃冰开采问题，争取在2030年之前有大的突破。

第三，建立健全市场规则，制定民营资本、中央和地方国有资本等以独资、参股、合作、提供专业服务等方式参与投资勘探和开发可燃冰资源的具体办法。

作为造船人，我认为在可燃冰领域造船界应该有所作为，加大这方面的研发力度。在这方面我有些感悟。十年前，本人在访问日本三井造船时，听了日方关于可燃冰的技术讲座和可燃冰的燃烧试验，感觉若实现可燃冰商业开采，将会是国家能源战略和海洋经济的一个重要组成部分。要商业化开采可燃冰，必须解决甲烷的绿色安全开采、经济安全储运等关键技术难题。可燃冰的新型开采方式中相对可行的方法是置换法，即用二氧化碳去置换可燃冰中的甲烷。江南造船当时研发了液化二氧化碳运输船和MOSS型液化天然气（LNG）船，因此就大胆地设想，能否可以设计这样一艘船，去程将用于置换的二氧化碳运过去，回程将置换出来的甲烷液化后运回来。此外，还将可燃冰开采装置设计成一艘“子船”。2010年，江南造船的青年团队以这个理念为基础设计了“中华鲟”号可燃冰开采船方案，曾获“中船理想杯”未来船舶创意大赛三等奖。尽管这个设想方案距离工程化还有很大的距离，但这种创新精神还是值得称道的。

作为造船人，我们应当敏锐地意识到，可燃冰的商业化开采对船企来来说蕴育着无数商机。这次在可燃冰试开采出尽风头的“蓝鲸一号”是一个通用的钻井平台，如要进行商业化开采和运输，必定对高效、经济、耐用的可燃冰开采平台和运输船舶提出需求。江南造船作为国内液化气船设计建造领先者，将致力海洋工程技术再创新，目前已经着手利用成熟的C型舱技术进行液化二氧化碳/LNG兼用运输船的研发，为置换法可燃冰开采后的运输提供绿色、安全、高效、经济和可靠的运输船舶，助推可燃冰实现商业开采。

总之，可燃冰的勘探、开发和利用是一个系统工程，涉及海洋地质、地球物理、地球化学、流体动力学、钻探工程等多个学科，因此只有大家共同努力，不断创新，才能助推中国在可燃冰领域取得更大突破。