寒冰中的火焰

一只大黑猫

2017年5月18日，国土资源部宣布我国首次海域可燃冰试采成功，从5月10日出气起，连续8天稳定产气1万方以上，达到世界最好水平。为此中共中央、国务院发布贺电指出，“这一成就对推动能源生产和消费革命具有重要而深远的影响”。

那么，什么是可燃冰？中国首先实现的稳定开采意义和价值又体现在哪里呢？

“笼”中燃气

可燃冰是甲烷水合物的俗称，甲烷含量高达80%～99.9%，是一种外观像冰或固体酒精的白色固体，点火即可燃烧，这正是被称为“可燃冰”的原因。

可燃冰的通用化学式可写成mCH4·nH2O，其中典型的为CH4·8H2O。可以把它形象地理解成由多个水分子构成的笼子内包裹着甲烷气体。实际上，被包裹的不一定是甲烷，也可以是乙烷、二氧化碳等。

温度、压力和原材料是可燃冰成矿所必需的条件。

首先是低温，可燃冰超过20℃便会分解，低温时则易于形成，人们曾在寒冷地区的天然气管道中发现自然生成的可燃冰。海底温度一般在2～4℃左右，是可燃冰矿藏发育的良好环境，西伯利亚、加拿大等地的冻土带也满足条件。

其次是高压，可燃冰在0℃时只需30个大气压即可生成，且压力越大就越稳定。海水每增加10米深度约相当于增加1个大气压，因此可燃冰矿藏往往分布在水深300米以上的海床中。

最后是充足的气源，甲烷是沼气的主要成分，各种有机物沉淀经生物或化学转化都可产生甲烷，进而与水结合成可燃冰，多孔性的地层则可方便水合物晶体在砂石的空隙中生成。

气体储存在固体中将极大减少所占体积，1立方米可燃冰中的甲烷如在常温常压下释放，体积约为164立方米，同时还会剩下约0.8立方米淡水，这些甲烷所含能量约相当于190升汽油。

可燃冰分布广泛，大陆永久冻土、岛屿斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架及海洋和一些内陆湖深水环境都有矿藏，这使它有了作为能源矿物开采的潜力。据估算，全球可燃冰资源可满足人类1 000年的需求。

然而可燃冰是固体，并不像石油、天然气那样可以打井抽取，也很难像常温常压下保持稳定的煤炭那样可以挖掘，必须解决许多难题才能把它真正利用起来。

解放深渊下的烈火

自20世纪60年代发现以来，前苏联、加拿大、美国、德国、日本和中国等都在开展可燃冰矿藏的勘探和试开发。其中，较早实现的开采是陆地可燃冰，包括俄罗斯麦索亚哈气田的商业性开采、加拿大麦肯齐三角洲地区的国际合作试采、美国阿拉斯加北部斜坡区的试采。海域可燃冰开采在进入新世纪后逐步取得成功，如日本爱知县附近海域的试采和刚刚获得突破的中国南海可燃冰试采等。

目前，可燃冰的开采方法主要有热激化法、减压法和置换法三种。

第一种方法是直接对可燃冰加热，使其分解出甲烷。难点在于气体收集，特别是在海底，●多孔介质并不是集中一片，也无法保证密封性，加热和采集管道布置十分困难。

第二种方法通过将海底原本稳定的压力降低，打破成藏条件，之后再将分散在多孔介质中的气体聚集起来。具体途径可以是用低密度泥浆钻井或抽出矿藏下方游离气、液体来减压。这种方法对矿藏的地质结构有一定要求，俄罗斯麦索亚哈气田和中国南海神狐海域试采都是采用这种方法。

第三种方法则是利用CO2水合物保持稳定所需压力较低的特点，通过注入CO2置换甲烷，兼顾了环保性。

这三种方法的共同难点是如何避免甲烷泄漏和保证井底稳定。甲烷是比CO2更强的温室气体，大规模泄漏将引发严重气候问题。同时，可燃冰气化后原储矿层将形成空腔，可能引起海底地层垮塌，进而引发海啸等灾害。

此外，可燃冰矿藏的多孔结构往往混入了大量海底泥沙，为保证连续采气必须解决排沙问题，否则出气一段时间后管路将堵塞。日本2013年的试采就因堵塞失败，2017年4月的第二次尝试在连续出气约6天，总出气量约3.5万立方米后，再次因泥沙析出终止。

显然，可燃冰大规模开采和商业化利用还有很长的路要走，有专家认为到2030年它有望接棒石油等传统能源，日前的试采成功能否将这一时间提前，请让我们拭目以待。

“中国方案”

作为油、气资源过半依赖进口的国家，我国对可燃冰给予了高度关注。南海神狐海域目前已探明有11个矿体，面积128平方公里，资源储量相当于1.5亿吨石油，如能成功开采，对改善我国能源安全具有极为重要的意义，这也是促使我国加大投入，全面赶超世界可燃冰开发利用先进水平的主要动机。

与日本试采的可燃冰矿相比，我国海域主要属于泥质粉砂型储层，这也是占全球90%以上比例的储藏类型，具有更好的推广意义，同时砂细渗透率更差，水深大、储层埋层浅，施工难度更大。

海域可燃冰开采要从深海运输矿藏或在水下进行处理，为完成试采和以后的商业开发，必须有稳定的作业平台。本次試采的平台是我国最新研制成功的深海钻井平台“蓝鲸一号”，它净重超过43 000吨，高约37层楼，是目前全球最先进的双井架半潜式钻井平台，可适用于任何深海作业，有效保障了试采的连续和稳定。

同时，我国还研发了地层流体抽取、储层改造增产、可燃冰二次生成预防、防砂排砂等关键技术，有效解决了储层流体控制与可燃冰稳定持续分解难题，其中很多技术都超出了石油工业的防砂极限，为连续8天稳定产气提供了基础。

综合以上突破，本次试采在思路、井位选择、工程地质勘查、关键技术和工艺确立、试采平台优选等诸多方面形成了“中国方案”，为以后商业开发和全世界可燃冰开发提供了较高的参考和借鉴价值。