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天然气水合物|可燃冰的探测与开采

地球深部为人类生存发展提供了绝大部分的资源和能源 ， 是维系万物繁衍的物质基础 ， 是重大自然灾害（地震、火山等）产生的根源 。 地球深部的物质运动和能量转换与社会经济发展、人类生存安全息息相关 。
然而 ， 由于地球深部充斥着坚硬的岩石、处于高温高压极端环境 ， 人类对地球深部的认知还非常肤浅 ， 远没有达到对太空和深海的认识程度 。
2010年 ， 联合国“国际行星地球年”将地球深部作为地球科学的最后前沿 。 因此 ， 创新深地科学理论、发展深地探测技术 ， 解释地球深部奥秘 ， 是解决人类面临的能源资源和生存空间基本问题的必由之路 。
2020年3月26日,这是一个让国人振奋和自豪的日子,我国海域天然气水合物（即“可燃冰”）第二轮试采日前取得成功并超额完成任务 。 在水深1225米的南海神狐海域 ， 试采创造了“产气总量、日均产气量”两项新的世界纪录 。
和人们熟悉的海底石油、海底天然气田相比 ， 可燃冰要神秘得多 。 今天我们就来聊一聊这种“高潜力”能源 。
什么是“可燃冰”？可燃冰开采
为什么这么重要？
“可燃冰”学名叫天然气水合物 ， 其主要成分是甲烷 ， 甲烷含量一般在80%以上 ， 最高可达99.9% 。 在一定的低温高压环境下 ， 甲烷气体分子如果进入水里 ， 水分子就会结成小笼子 ， 将甲烷气体分子囚禁在笼子里 ， 形成笼形状固态结晶物质 ， 由于它外观似冰 ， 遇火即可燃烧 ， 因此被形象的称为“可燃冰”（图1） 。
天然气水合物|可燃冰的探测与开采
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图1可燃冰的微观结构与宏观外貌
“可燃冰”具有三个特点 ， 一是资源分布广泛 。 可燃冰在自然界广泛分布在海域水深300米—3000米 ， 海底以下0米—1000米的沉积物中以及陆域永久冻土区（图2） 。
天然气水合物|可燃冰的探测与开采
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图2全球可燃冰分布图
二是资源潜力巨大 。 据科学家估算 ， 如果把全球可燃冰的资源量折算为有机碳资源 ， 其有机碳占比是煤、石油、天然气三者有机碳之和的约2倍（图3） 。
三是资源高效清洁 。 标准状态下 ， 1立方米的“可燃冰”分解后可释放出160～180立方米天然气 ， 能量密度比煤、石油、天然气高很多；而“可燃冰”燃烧后基本不会产生残渣和废气 ， 污染又比煤、石油、天然气小很多 。
天然气水合物|可燃冰的探测与开采
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图3可燃烧的资源量约为地球化石燃料的2倍
由于可燃冰的这些特点 ， 它被各国视为未来石油、天然气的战略性替代能源 ， 从上世纪六十年代起 ， 美国等发达国家就开始了对可燃冰的研究与调查 。 但截至目前 ， 除我国以外全球仅有3个国家开展了可燃冰试开采（表1） 。
天然气水合物|可燃冰的探测与开采
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从表1中我们可以看出 ， 我国本次海域试采 ， 产气总量、日均产气量分别达到了86.14万立方米和2.87万立方米 ， 均为目前世界上可燃冰试采的最高纪录 ， 使可燃冰开发利用成为现实可能 ， 对推进可燃冰勘查开采产业化意义重大 。
“可燃冰”开采技术为什么这么难？
由于形成条件的限制 ， 可燃冰的开采是一个世界性难题 。 如果直接把它挖出来 ， 不仅成本高 ， 效率低 ， 而且会损失很多甲烷气体 ， 所以直接开采可燃冰固体不是个好主意 。
前面我们说过 ， 可燃冰需要在一定的低温高压环境下 ， 水分子才会结成小笼子 ， 将甲烷气体分子囚禁在笼子里 ， 如果打破了这个条件 ， 气温升高或者压强降低 ， 那“笼子”里的甲烷气体分子就会打破桎梏 ， 纷纷冲出来 。
因此 ， 科学家们尝试使用各种方法开采可燃冰 。 “加热法”是想办法给地下可燃冰层加热 ， 让可燃冰中的甲烷释放出来 ， 顺着钻井管道溢出来开采 。 在加拿大麦肯齐三角洲的首次试采使用的就是这种方法 。
【天然气水合物|可燃冰的探测与开采】而“减压法”一般是想办法使地下可燃冰富集区的地层压力降低 ， 使可燃冰分解为甲烷气体和水 ， 使甲烷气体顺着管道溢出来地面 。 日本的两次海域可燃冰试采都是使用了降压法 。
此外 ， 由于在相同条件下 ， CO2气体比甲烷气体更容易被水分子组成的“牢笼”囚禁 ， 因此可以通过注入CO2,把水分子“牢笼”中的甲烷替换出来 ， 被称为“二氧化碳-甲烷置换法” 。 美国阿拉斯加北坡可燃冰试采就尝试使用了这种方法 。
从目前试采的情况来看 ， 这些方法都还不太完善 ， 要么成本太高 ， 要么工艺复杂 ， 要么能源利用效率太低 。 而相对来说 ， 减压开采法是目前被认为最经济、有效、简单的开采方式 。
我国目前“可燃冰”开采情况
虽然我国在可燃冰资源调查研究方面起步较晚 ， 但我国科技工作者以只争朝夕、时不我待的忘我拼搏精神 ， 深入钻研可燃冰勘探与开发技术 ， 在可燃冰开采技术方面已经走在了世界的前列 。 目前 ， 我国已先后成功实施陆域冻土带及海域可燃冰试采 。
2011年 ， 我国首次运用降压法和加热法对祁连山木里地区可燃冰进行了试采 。 试采结果表明 ， 减压法是最经济的开采方式 ， 若同时采用加热法开采 ， 瞬时产气量将显著增加 ， 试采效果更为明显 。
2016年 ， 我国创新提出“山”字形水平对接井试采方案 ， 运用降压法 ， 再次实施试采 ， 累计试采23天 ， 总产气量1078.4立方米 ， 较2011年单井产气量（95立方米）有明显提高 ， 开采效能明显提升 。
2017年 ， 我国运用减压法在南海神狐海域实施直井可燃冰试采 。 连续试采60天 ， 累计产气量约30.9万立方米 ， 完成了“海域探索性试采” ， 解决了“如何在海域安全、连续把可燃冰试采出来”的问题 。
2020年 ， 我国运用减压法在神狐海域实施水平井可燃冰试采 ， 在30天内累计产气86.14万立方米 ， 解决了“如何提高可燃冰产气规模”的问题 ， 实现了从“海域探索性试采”到“海域试验性试采”的重大跨越 ， 我国也成为全球首个采用水平井钻采技术试采海域天然气水合物的国家 ， 进一步提升了我国天然气水合物科技创新能力的国际“领跑”优势地位 。


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