浅谈“未来能源”可燃冰开采研究现状

2017-10-11牛振磊南莹浩刘一凡申丑孩

华北科技学院学报 2017年3期

关键词：可燃冰水合物储量

牛振磊,南莹浩,刘一凡，申丑孩

(1. 华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201；2. 山西新村煤业有限公司，山西长台 046000)

浅谈“未来能源”可燃冰开采研究现状

牛振磊1,南莹浩1,刘一凡1，申丑孩2

(1. 华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201；2. 山西新村煤业有限公司，山西长台 046000)

可燃冰作为一种新型的清洁替代能源，同等单位下所蕴含的能量远高于煤炭石油等能源，并且燃烧时对环境的污染极小，所以开发应用的潜力巨大。论文对可燃冰的概况、世界及我国的储量及分布、可燃冰的开发现状及开采方法等方面作了分析，并提出了可燃冰开采面临的现实问题，说明了未来的重点研究方向。随着开采技术的不断发展进步以及对开采环境修复问题的不断改善，将促使可燃冰的商业化大规模开采成为现实。

可燃冰；分布；开发现状；开采方法

Abstract： As a new type of clean alternative energy,combustible ice contains much more energy than other coal and oil sources,and has little pollution to the environment when burning. Therefore,the potential of development and application of the ice is huge. This paper analyzes the present situation of combustible ice,the reserves and distribution of combustible ice in China,the development status of combustible ice and the methods of mining,and puts forward the practical problems of combustible ice mining,and points out the future research direction. With the continuous development and progress of mining technology and the improvement of mining environment restoration,commercial and large-scale exploitation of combustible ice will be realized.

Keywords： combustible ice;distribution;development status;mining methods

0 引言

2017年5月18日，我国南海神狐海域的“蓝鲸一号”钻井平台首次成功开采可燃冰(天然气水合物)，成为世界上首个成功连续开采可燃冰的国家[1-2]，此次试采成功的可燃冰来自于南海神狐海域水深1266 m海底下的可燃冰矿藏。据悉，此次连续开采作业8天，累计采气达12×104m3，日平均产量达1.6×104m3，可燃冰中甲烷含量高达99.5%，开采出的可燃冰类型为泥质粉砂型天然气水合物，该类型可燃冰储量丰富，占世界总储量的90%以上，且开采难道较大。我国对可燃冰的成功连续开采有助于将来对可燃冰进行大规模开发利用，让其作为真正意义的替代能源成为可能。

1 可燃冰概述

可燃冰，即天然气水合物，分子式为CH4·xH2O，分子结构图如图1所示，外形像冰，是天然气和水分经过长时间低温高压状态形成的结晶化合物。纯净的天然气水合物是可以点燃的白色晶体，因而也被称作“可燃冰”。可燃冰拥有的甲烷占比高达80%～99.9%，1体积的可燃冰可分解成164体积的天然气和0.8体积中的水；可燃冰燃烧所释放的能量远高于煤、石油、天然气等能源，造成的污染也比其他能源要小[3]。

图1 天然气水合物分子结构图

目前，可燃冰被发现主要存在于具有特定低温和高压条件的深海底浅部沉积物和永久冻土带中。可燃冰以固体形式存在于大块岩石裂隙及岩石间孔隙中，或者以球粒形态分布在细粒岩石当中，并且有沉积物夹杂在大块固态水合物中[4]。可燃冰的形成途径主要为两类：一类是形成于海底沉积物中的可燃冰。当海洋底部微生物与生物的尸体不断沉积并分解成甲烷等有机气体，有机气体钻入深海底的沉积岩微孔中与水构成笼状包合物，进而形成固态凝结物质；另一类是陆地冻土层中形成的可燃冰。由低温严寒气候导致温度变低的矿层在地层压力下，使地壳内的碳氢化合物和水构成水融合的矿层，进而形成可燃冰矿藏[5]。

2 可燃冰的储量及分布

目前已探明的可燃冰主要分布在近海海底、大陆冻土带及内陆湖海中，且冻土和海洋中可燃冰的储量在3114万亿立方米到763亿亿立方米之间[6]。目前已探明的全部可燃冰所蕴含的能量超过煤炭、石油、天然气的能量总和2倍之多，是待开发能源中潜力最大的替代能源，被誉为“未来能源”。其中，海底可燃冰储量最大，面积大约占到海洋总面积的10%，科学家预测其能够被人类使用近千年[7]。可燃冰储量分布如图2。

图2 可燃冰储量分布图

据勘测，在我国的南海、东海海域，以及青藏高原、东北的冻土区分布有储量较大的可燃冰资源，初步统计储量分别约为64.97×1012 m3、3.38×1012 m3、12.5×1012 m3和2.8×1012 m3，其中南海北部陆坡的可燃冰储量高达到186亿吨油当量，相当于南海已探明油气储量的6倍，占陆上石油总量的50%之多[8]；另外，在我国东海和台湾省海域也发现有大量可燃冰赋存。在陆域可燃冰方面，吉林大学团队在青海省木里盆地也成功钻获陆地可燃冰实物样品。2016年在我国海域圈定了6个可燃冰成矿远景区，在青南藏北地区优选了9个可采区块，根据可燃冰储量预测，我国拥有超过千亿吨油当量的可燃冰远景储量，其中陆域资源量大约350亿吨油当量；南海海域的可燃冰约有近800亿吨储量，潜力巨大，而此次试采的可燃冰正来自于南海神狐海域水深1266 m海底下200 m的海床中。

3 开发现状及开采方法

3.1 可燃冰开发现状

可燃冰作为一种潜力巨大的替代能源，世界各国都在着力进行这方面的研究，包括美国、日本、加拿大、印度等国家都在不断加大研究力度。美国、加拿大曾试采陆地可燃冰，但效果不理想。日本早年曾在海上进行试采，但因出砂等技术问题导致失败，又于2017年4月再次试采，再次因出砂问题中止产气。韩国、印度、印尼等国家也在不断的深入研究可燃冰开采。我国于1999年启动对可燃冰开采的相关研究，一度滞后于主要发达国家的研究进度，经过专家学者不断研究突破，从2007年在南海成功钻获可燃冰样品到2017年在同一海域对可燃冰首次试采成功，我国在该领域终于取得领先地位。

3.2 可燃冰开采方法

目前，世界公认的可燃冰开采方法主要包括注热法、降压法、注化学试剂法、气体置换法以及对以上方法的综合使用。各开采方式简图如图3。

图3 可燃冰开采方法原理对比

注热法主要是通过注入高温流体或直接加热储层来提高水合物区域温度，引起可燃冰溶解从而释放天然气。

降压法是通过降低天然气水合物矿层的环境压力，压力破坏使其变得不稳定并分解为甲烷和水。

注化学试剂法是将甲醇等化学试剂注入到天然气水合物层，破坏其原有的平衡条件，使水合物稳定所需的热动力条件丧失，进而使水合物发生分解，释放出天然气。

气体置换法是利用置换原理在天然气水合物层注入二氧化碳等气体将甲烷置换出来，使甲烷能够从水合物中释放到孔隙流体中，进而在再进行收集[9-10]。

各开采方法的优缺点对比见表1。

表1 可燃冰开采方法优缺点对比

目前，各种开采方法都有自身缺点，但相比之下降压法是较为经济可行的天然气水合物生产方法，该方法分解天然气水合物速度快，并且比其他方法消耗的能量少。此次我国南海神狐海域可燃冰的开采采用的是一种被称为底层流体抽取法的创新技术，该方法通过降低海底原有压力从而破坏可燃冰的成藏条件，将分散在海底岩层空隙中的可燃冰聚集，利用的一套特有的水、沙、气分离技术将天然气抽出。

4 可燃冰开采的现实问题

4.1 开发成本高，难以实现商业化开采

目前，在南海神狐海域对可燃冰的试采成功，只是在技术上证实了对可燃冰实现连续开采的可行性，距离替代主体能源还很遥远。一方面，可燃冰以固体形式存在，不能像常规天然气以自喷方式开采，需要附加能量让天然气从固体可燃冰中释放出来，因此成本较高，在产量和价格方面都没有竞争力，目前只能作为储备技术。另一方面，虽然我国可燃冰储量巨大，但可经济性直接开采的储量却并未探明，即便在已发现有大量可燃冰赋存的欧美发达国家也没有达到可经济开采的规模。

4.2 对生态环境的影响

虽然可燃冰的燃烧污染较小，但由于可燃冰赋存在深海底部的低温高压环境下，一旦开采的过程中有大量不溶于水的甲烷泄露释放到空气中，会对大气形成污染，并且甲烷还是一种强温室效应气体，大量释放到空气中会加剧全球气候变暖，由此会引发一系列环境问题。

在深海开采可燃冰的过程中，由于天然气在海底瞬间释放时所产生巨大压力势必会打破海底应力分布，不仅会造成海底环境的破坏，甚至会引发海底地震、海啸等灾难；另外，化学物质注入海底也会破坏海底的生态系统，威胁深海动植物的生存。深海开采可燃冰过程中是否还有其它问题还有待进一步研究，在这些问题未解决之前，可燃冰的商业化开采仍任重而道远。

5 结论

可燃冰作为一种清洁的可替代能源，在改善全球能源结构、节能减排、生态环境保护方面都有着重要的意义，具有重要的开发价值。然而可燃冰从开采到收集等相关技术尚处于初期阶段，对其开发仍存在较多负面问题，如何改善开采方法，降低开采成本以及如何解决开采过程中对已破坏环境的修复问题都是制约可燃冰技术商业化的重大难题，未来需要将如何改进可燃冰的开采技术和如何修复可燃冰抽采后的海底及陆地生态环境作为重点研究领域。此次在我国南海成功开采可燃冰，为我国乃至世界的可燃冰开采领域开辟了一个新的局面。

[1] 孙珂. 中国有望商业开发可燃冰[N]. 国家电网报,2017-05-23(005).

[2] 谢宏. 我国海域可燃冰试采成功[N]. 科技日报,2017-05-19(001).

[3] 张颖异,李运刚. 新型洁净能源可燃冰的研究发展[J]. 资源与产业,2011(3):50-55.

[4] 冯望生,宋伟宾,郑箭的,等. 可燃冰的研究与开发进展[J]. 价值工程,2013(8):31-33.

[5] 王祝. 可燃冰的研究与开发进展[J]. 中国石油和化工标准与质量,2016(17):60-61.

[6] 张寒松. 清洁能源可燃冰研究现状与前景[J]. 应用能源技术,2014(8):54-58.

[7] 王智明,曲海乐,菅志军. 中国可燃冰开发现状及应用前景[J]. 节能,2010(5):4-6+2.

[8] 胡杨,郑剑,王晓宁. 国内外可燃冰研究发展现状及前景展望[J]. 科技风,2016(11):190.

[9] 秦明举. 天然气水合物分解的自保护机理及热动力学特性研究[D].中国地质大学,2011.

[10] 冯丹,李选民. 新型能源——可燃冰的研发现状[J]. 能源技术与管理,2009(6):113-115+118.

Discussionontheresearchandpresentsituationof"FutureEnergy"combustibleicemining

NIU Zhen-lei1,NAN Ying-hao1,LIU Yi-fan1，SHEN Chou-hai2