世界天然气水合物发展前景

2021-11-27孙浩源张连梓

工程技术与管理 2021年15期

关键词：水合物天然气气体

孙浩源张连梓

俄罗斯人民友谊大学矿产资源利用及石油天然气工程学院，俄罗斯·莫斯科 117198

1 引言

自20世纪中叶以来，人类正处于能源危机的边缘，这主要与矿物储量枯竭以及从深处开采矿物而导致的成本增加有关。因此，新型矿物，包括非常规气体、气体水合物等，正变得特别重要。论文主要研究世界上生产和使用气体水合物的前景及相关问题。

根据国际能源署（IEA）的资料显示，已探明的天然气世界储量的范围从177 到213 万亿立方米，而非常规天然气，包括预测的世界天然气水合物资源，为920 万亿立方米，理论上他们可以持续使用250年[1]。

天然气水合物的生产和使用前景主要与能源依赖强度较大的国家有关，这些国家的自然条件适宜，人口密度低。目前天然气水合物的生产技术需要很大的支持，并符合高标准的环境要求。因此，从理论和实践的角度来看，天然气水合物的开采和使用具有特别的现实意义。

近年来，石油和天然气行业的科学家和专家越来越多地讨论开发天然气水合物矿床的前景。当然，这种趋势许多经济上存在合理性的论点，但它也具有实施层面上的某些局限性，以及由此引发重大的环境威胁，这使得科学界有必要加强进一步的研究以解决现存问题。

2 世界非常规天然气产量预测

天然气，包括非常规天然气（天然气水合物），是全球能源市场稳定发展的重要组成部分，它是一种全燃烧燃料，实用且分布广泛。当用于发电时，气体产生的二氧化碳排放量比煤炭少50%～70%[2]。天然气也可以作为汽车的发动机燃料在气体或液化状态下，通过冷却或化学处理获得。

与其他任何电力来源相比，燃气发电厂的建造成本要低得多，在相同的能源容量下，他们建设的成本几乎比燃煤电厂的相应成本低一半，比核电站低1/3 以上，约占建设风电场成本的15%。

美国曾是世界上第一个在天然气水合物领域实施天然气生产，运输和储存项目等方面，独立克服重大技术，环境和经济问题的国家。这使其当时能够在天然气生产中占据世界领导者的地位，并几乎完全用自己的资源满足国内需求[3]。特别是美国国会早在20世纪90年代通过了一项关于天然气水合物勘探，储备评估和天然气水合物开发技术领域基础研究的法案，美国的成功经验和世界大多数地区预计天然气水合物储量的指标表明了发展这种能源供应的真正机会已经到来。因此，解决世界不同国家（如日本、俄罗斯、中国、印度、韩国、英国）的天然气水合物问题具有重大的战略意义，如在今天的俄罗斯，“俄罗斯天然气工业公司”的长期天然气水合物计划，各种研究机构的员工参与其中。又如自1995年以来，在日本“天然气水合物研究和研究计划”开始实施。

在非常规气体类型中，今天天然气水合物可以被认为是最有前途的气体燃料类型之一。世界各地的生产技术发展如此迅速，以至于天然气价格的快速降低将迫使许多国家重新考虑其战略发展方向，甚至可能影响地缘政治的方向。图1显示了世界非常规天然气产量的预测[4]。

图1 到2030年世界非常规天然气产量预测（亿立方米）

根据国际能源署（IEA）基线情景，计划将非常规天然气的产量（主要是由于技术的改进）从2016年4670 亿立方米增加到2030年9400 亿，非常规天然气在全球天然气总产量中的份额将从12%增加到15%[5]，美国和加拿大在产量方面继续占据主导地位。非常规来源的天然气在美国总产量中的份额将从2015年的63%增加到2030年的约79%。欧洲国家发展天然气水合物的主要原因诱因是他们希望减少对传统天然气进口的依赖，预计将从2016年的65%增加到2030年90%。

3 世界各种重视天然气水合物发展的因素

近年来，对天然气水合物的重视有以下原因可以通过以下因素来解释：

①在能源资源匮乏的国家寻找传统烃类燃料烃原料的替代品。

②研究天然气水合物形成的规律性，以证明传统烃类矿床的搜索和勘探（天然水合物可能是传统油气田的先兆。

③需要评估气体水合物在地球圈中的作用，特别是其可能对全球气候变化的影响有关。

④向节能和环保技术的过渡，降低运营成本以纺织工业气体生产系统中的水合物形成的可行性。

⑤在天然气的生产，储存和运输中使用天然气水合物技术的可能性。

与此同时，应该指出的是，气体天然气水合物的开发存在许多重大困难，即：

①从地质学和生产成本的角度来看，对矿床的了解不足。

②对资源有限的物理调查和了解（分布分散，深度大），严重违反了地下岩石圈的完整性。

此外，与传统天然气相比，天然气水合物的提取与由于以下原因而产生的额外成本相关：

①大面积的矿藏高达12 万平方公里。只在高生产力地区开发是具有成本效益的，这些地区占总面积的10%～20%。

②需要建造大量井（比传统天然气大多50～100 倍），其成本通常高于传统井；为了证明该地区的经济可行性，需要钻10～20 个勘探井。

③需要吸引30年或更长时间的重大投资；初始投资的投资回收期长（15～20年），需要不断的技术优化和成本降低。

④为每个含气地层开发单独的技术解决方案。

图2显示了气田储量的金字塔，清楚地显示了获取和提取天然气水合物的困难。

图2 气田储量的金字塔

4 天然气水合物发展过程中的环境影响

随着天然气水合物生产的经济和生产问题的深入，应特别注意环境威胁。

环保人士认为，天然气水合物矿床的发展会导致负面后果，因为甲烷从矿床释放到大气中会进一步增强温室效应。如果甲烷从气体水合物从水下大量进入大气中，温室效应和臭氧层的破坏过程将比二氧化碳快20 倍。

科学家们正在广泛讨论天然气水合物释放后可能的假设，当温度上升，由于全球变暖所谓的“包合枪”假说。甲烷的释放将导致进一步变暖，甚至更多的甲烷释放，这一进程将是不可能停止的。在西伯利亚北极地区进行的研究表明，已经有数百万吨的甲烷在那里释放，其在某些地区的浓度达到比正常值高一百倍的值，天然气水合物开采的负面后果的例子是研究勘探期间的事故。例如，在1989年，佐贺石油公司，钻井在挪威海的北部，因为这个原因遭受重大损失[6]。根据一些研究人员的说法，正是由于海洋底部沉积物中气体水合物的积累释放了大量气体，导致北部和里海的生产平台被破坏，因为这个原因遭受了重大损失[7]。