可燃冰的开发现状与前景

2021-09-09凌君谊杨再明高海波

绿色科技 2021年16期

凌君谊，杨再明，高海波

(1.上海海事职业技术学院，上海 200120；2.武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430063)

1 引言

可燃冰是在深海的高压低温条件下，大量水分子经由氢键范德华力紧密结合建立的固态类冰状结晶物质[1]，最典型的水合物构型有SⅠ、SⅡ和SH三种。每单元可燃冰包括8个甲烷分子和46个水分子即CH4∶H2O=1∶5.75，具有极强的储气能力，其完全燃烧后主要变为二氧化碳和水。

在矿物能源枯竭的背景下，全球化石能源的储量较低，虽然新能源的发展缓解了这一状况，但其能源供应比重较低，如图1所示核能与水力发电所提供能源不足全球能源供应的10%，主要能源供应还是来自于煤炭，但在2005年版BP世界能源统计年鉴中提到石油储量为1619亿t；天然气储量为179.5兆m3，仅能满足全球41年的石油需求与66年的天然气需求，所以开发另一能源迫在眉睫。全球可燃冰潜在储量超过1.5×1016m3，并且放出的热量达到煤气的数倍(4.2×108J/kg)，其分布如图2所示，由此可知可燃冰具有高效、储量大等特性，并且据数据统计若可燃冰能进行商业开采，仅储量的15%就能满足世界200年的能量消耗[2～6]。

图1 不同燃料所能源提供所占比重(21世纪)

图2 世界可燃冰分布

因此可燃冰的开采与应用直接影响世界各国历史进程的演变，未来可燃冰的商业开发前景也非常广阔，可燃冰的研究尤其是开采和实际生活中的运用对未来新能源领域具有重要的战略意义[7]。

2 国内外可燃冰发展政策

目前全球有30多个国家和地区进行可燃冰研究，尤其是美加日俄等国的开发研究处在领先地位，但目前的主流开采方法存在成本高以及效率低等问题，而且部分国家自身资源丰富，所以可燃冰的总体研究较缓慢，但并不影响其重要地位。

2.1 美国可燃冰研究计划及进展

美国于1934年最早发现可燃冰，并于1981年制定了可燃冰“十年”研究计划，投入800多万美元进行研究，2005年将可燃冰开发的总拨款增加到1.55亿美元。

在2014年年底设立 “深水甲烷可燃冰描述与科学评价”大型项目，其分为目标站位优选、研究计划制订、野外研究3个阶段实施。并于2015年9月底完成了墨西哥湾某些可燃冰研究站位的初步评价。目前，由于页岩气发展迅速并且其开采技术成熟，美国放缓了可燃冰的开采计划[7]。

2.2 日本可燃冰研究计划及进展

日本对可燃冰的关注超乎其他国家，因为其国土狭小、能源短缺并且核电受挫，急需其他能源使日本摆脱能源进口依赖。

自20世纪80 年代末日本钻探获得可燃冰样品，发现其周边海域可燃冰储量可满足自身100多年的天然气需求。则在2012年日本首次在近海进行商业性可燃冰开采[8]；2013 年3月 12日，MH21利用“地球号”探测船在爱知县渥美半岛进行开采[9]，在6 d的时间内累计产气量达。

近年来，日本对可燃冰的研究脚步不断加快，于2017年5月开始了海槽区(图3)第二次海洋可燃冰试采研究，成功开采出天然气。并计划在2018年开发出成熟的可燃冰开采技术，实现商业化生产。

图3 日本第二次可燃冰钻探位置

2.3 俄罗斯可燃冰研究计划及进展

俄罗斯于1965年在西伯利亚冻土区发现第一个可燃冰存储区，试采于 1969 年开始，累计总产气量约为1.29×1011m3，其中可燃冰约占 47% ，这是世界上可燃冰商业开采最成功的案例。之后在2007～2009年俄罗斯又与日本、比利时合作，在贝加尔湖进行了多次天然气水合物开采技术工艺试验[10]，图4为贝加尔湖可燃冰岩心。

图4 贝加尔湖可燃冰岩心

但由于本土拥有相对丰富的油气资源，并且经济发展受限，俄罗斯的可燃冰研究仅在巴伦支海和鄂霍茨克海等海域进行，但其开采技术的研究依然处于世界领先地位。

2.4 中国可燃冰研究计划及进展

我国对可燃冰的研究和开采运用起步比较晚，与发达国家相比较，我国对可燃冰的研究晚了30年。

2002年我国启动可燃冰的研究和勘探工作，2004年我国绘制首份冻土带可燃冰分布图并随后进行首次冻土带可燃冰钻探，我国2007年于南海北部海域发现大量可燃冰层，2013年于南海广东海域开采出高纯度可燃冰样品，2008年我国在海拔4500 m的祁连山南部发现可燃冰，我国也是第一个在中低纬度冻土层探测并发现可燃冰的国家。

2017年9月, 我国“科学”号科考船在我国南海首次发现了裸露在海底的可燃冰并在同年五月于蓝鲸一号(如图5所示)钻井平台上试采成功并创造了产气时长和总量的世界纪录。

图5 蓝鲸一号

但这些试采研究的成功，也只是证实了现有技术可以从自然界可燃冰藏采出天然气。整体上看，我国可燃冰开采研究处于探索阶段，仍需要加速攻关，实现可燃冰商业开发。

2.5 加拿大可燃冰研究计划及进展

从20世纪70年代加拿大就开始了可燃冰相关研究，在80年代制订具有重要战略意识的开发计划。 1972年，加拿大在Mallik地区钻Mallik L-38井时，发现了可燃冰的存在。1998年，加拿大与日本合作，在西北Mackenzie三角洲进行了可燃冰取样。随后在2002年和2008年又2次在该地区进行了试采。

但是由于可燃冰的研究难度巨大且费用高昂并受美国页岩气快速发展的影响，所以加拿大联邦政府在新的财政年度开始时终止向可燃冰研究项目的拨款，加上自身油气资源丰富，加拿大水合物发展计划有所搁置。

3 可燃冰的开采技术

可燃冰开采技术的本质是改变可燃冰的动态平衡(即环境温度、压力等)，使其分解成甲烷气体。

开采主要方法有降压法，如图6所示，即调节由可燃冰中收取的甲烷速率用于控制可燃冰层的压力。俄罗斯麦索亚哈可燃冰采用此方法进行了17年开采并获取30亿m3甲烷气体。

图6 降压法示意图[10]

化学抑制剂法即利用化学试剂如盐水等调节甲烷的收取速度，其示意图如图7所示。但是由于试剂费用高昂且容易造成对生态环境的污染所以运用较少。俄罗斯麦索亚哈用此法使其产量增加四倍，但其价格昂贵，不适合商业开发。

图7 化学抑制法示意图[10]

二氧化碳和甲烷置换法是指在特定的压力区间，用CO2置换可燃冰储层中的CH4，如图8所示。此法美国于2012年与日本在阿拉斯加北坡Prudhoe湾区现场试验开采成功。此外还有循环蒸汽激励法、双水平井热水注入法、部分氧化法、电加热辅助降压法、二氧化碳辅助降压法、冷钻热采技术、工业废气置换等。

图8 氧化碳和甲烷置换法[10]

而且我国在南海开采可燃冰还运用了自主创新技术包括窄密度窗口平衡钻井技术、深水浅层井口稳定技术、松软复杂矿体开发技术、水力割缝储层改造技术、水合物二次生成预防技术、完井与测试系统集成技术、精准内波预测技术、粉砂质可燃冰储层试采防砂技术等。

4 可燃冰开采技术瓶颈

2018年8月25日召开的能源大转型高层论坛上，自然资源部中国地质调查局副局长李金发表示，未来将科学组织实施“可燃冰”试采。2020年，实现“日产3万方，持续一个月”的扩量生产试采目标；2023年前，实现“日产4万方，持续一个月”的生产性试采目标；2030年前，初步建成“可燃冰”年生产能力10亿m3以上的资源勘查开发示范基地。这标志着我国可燃冰的商业化应用已稳稳的站在了其跑线上，但仍存在着一系列的问题与技术瓶颈[18]。

4.1 环境问题

可燃冰虽然被称之为清洁能源，但其开采过程中因可燃冰气体不稳定性所释放出CH4导致全球变暖这一环境问题是不可避免的[19]。

在开采过程中都会释放出大量的CH4，而且不同于其他温室气体，其造成的温室效应是CO2的10～20倍[20]。再加上可燃冰的储量巨大，目前已发现的可燃冰蕴含的CH4总量大致是大气中数量的3000倍[20]。所以可燃冰一旦商业化应用，其开采时所产生的排放将会成为造成温室效应的主要原因[21]。

尽管研究表明无论是分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处以及极地大陆架等环境的可燃冰都是处于不稳定状态，但是至今都没有较好的方法在开采过程中直接影响可燃冰的解离率[22～24]。

除此之外，还存在海洋酸化、海底不稳定所产生的海啸、海底泥流以及海洋塌方等环境问题。

4.2 经济问题

可燃冰的经济问题主要是其开采成本高，因可燃冰的不稳定性且储存环境较特殊，所以其成本偏高。表1为各国开采可燃冰的成本。

表1 各国可燃冰开发成本

从表2中可看出可燃冰的开采成本除美国外，其他国家的开采成本极高。出现这一现象的原因是日本与中国大多是从海底开采可燃冰[26～28]。除此之外，由参考文献[25]中Walsh教授的建模实验结果表明[29～31]，如表3所示，可燃冰的开采成本比传统气体资源开采成本高出3.5～4$/Mscf。所以可燃冰的应用不得不面对开采成本高这一严峻问题。

表2 Walsh建模实验结果

5 对我国可燃冰开采研究展望

我国对可燃冰的认识和研究不到20年，总体落后了发达国家近30年，对于可燃冰的勘探、形成机理等基础理论依然处于初级阶段, 与国际先进水平仍存在一定差距。我国可以按照美国的公司和大学合作方式，制定符合我国可燃冰研发规划和技术道路,促进我国大学、研究院所、公司等机构的统一研发工作,构建由企业、高校和研究院所组成的一体化研发团队，加快对可燃冰基础知识的研究和可燃冰相关技术的研发,突破关键理论和技术瓶颈，在可燃冰的基本物化性质及其测试技术、勘探技术、取样技术、开采技术、储运技术、实用技术等方面设立国家层次研发计划,加大政策和资金支持力度,争取早日取得关键理论和技术的突破，加强与美国、日本等发达国家进行科研机构交流合作。