可燃冰的形成機(jī)理及應(yīng)用

一、可燃冰的發(fā)展背景(一)全球可燃冰資源及分配現(xiàn)狀可燃冰是指在高壓和低溫條件下，通過(guò)甲烷和水形成的冰結(jié)合物。它的外觀與冰雪和固體酒精相似。因此,可燃冰又稱為甲烷水合物、氣冰、固體瓦斯等。1778年,英國(guó)化學(xué)家普德斯特里就首次發(fā)現(xiàn)可燃冰,但是這件事在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起足夠重視。1965年,蘇聯(lián)在西伯利亞西部發(fā)現(xiàn)了可燃冰,這一發(fā)現(xiàn)才引起了全球?qū)扇急膹V泛關(guān)注。截至目前,已有79個(gè)國(guó)家和地區(qū)發(fā)現(xiàn)了可燃冰。根據(jù)國(guó)際能源網(wǎng)提供的數(shù)據(jù),全球化石燃料有機(jī)碳含量是5×1012噸(5萬(wàn)億噸),而可燃冰的碳含量是10×1012噸(10萬(wàn)億噸)。陸地上,大約有27%的面積是可以形成可燃冰的潛在地區(qū),而大洋水域中90%的面積也是這樣的潛在地區(qū)。目前,已探查的海底可燃冰分布范圍約為4×107平方千米,占海洋總面積的10%。全球可燃冰資源儲(chǔ)量大約是2×1016立方米,是剩余天然氣儲(chǔ)量(1.56×1014立方米)的128倍。據(jù)保守估計(jì),目前世界上可燃冰所含的有機(jī)碳的總資源量相當(dāng)于全球已知煤、石油和天然氣碳含量的2倍。第28屆國(guó)際地質(zhì)大會(huì)資料顯示,海底大量存在的可燃冰可以滿足人類1000年的能源需要。(二)使用高效開(kāi)采水合物儲(chǔ)層可燃冰非常不穩(wěn)定,在常溫和常壓的環(huán)境下極易分解,其主要成分甲烷是溫室氣體,進(jìn)入大氣后會(huì)引發(fā)溫室效應(yīng)。因此,對(duì)可燃冰的開(kāi)采有非常高的技術(shù)要求,稍不注意就會(huì)造成危害。開(kāi)采可燃冰主要有四種方法。一是熱激發(fā)開(kāi)采法。對(duì)可燃冰層進(jìn)行加熱,使可燃冰分解成水和天然氣。但是這種方法尚未解決熱能利用效率低下的問(wèn)題,而且只能進(jìn)行局部加熱,有待于進(jìn)一步完善。二是減壓開(kāi)采法。利用降低壓力促使可燃冰分解。這種方法成本低,適合大面積開(kāi)采,但是它對(duì)于可燃冰礦藏的性質(zhì)有要求,只有在可燃冰藏于溫壓平衡邊界附近時(shí),減壓開(kāi)采法才經(jīng)濟(jì)可行。三是化學(xué)試劑法。在儲(chǔ)層注入抑制劑(甲醇、乙二醇、氯化鈣等)以打破水合物平衡,造成部分可燃冰的分解。四是水力壓裂法。利用溫度相對(duì)較高的海水由高壓泵通過(guò)注入井注入水合物儲(chǔ)層,在加熱水合物儲(chǔ)層的同時(shí)還使其產(chǎn)生人工裂縫,為分解氣體提供運(yùn)移通道,從而達(dá)到高效開(kāi)采水合物儲(chǔ)層的目的,是強(qiáng)化的熱激發(fā)和減壓開(kāi)采結(jié)合的方法。目前,可燃冰的開(kāi)采主要使用減壓法,配合熱激發(fā)開(kāi)采法、注化學(xué)試劑法聯(lián)用。在俄羅斯麥索雅哈(Messoyakha)可燃冰氣田、加拿大麥肯吉河三角洲(Mackensie)可燃冰氣田和日本南海海槽(靜岡縣駿河灣至九州以東海面)開(kāi)展的開(kāi)采工作已經(jīng)證實(shí)了該方法的可行性。技術(shù)的發(fā)展,使得可燃冰的開(kāi)采得以實(shí)現(xiàn)。(三)政策支持主導(dǎo)下的研究工作為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染,需要大力開(kāi)發(fā)利用新型清潔能源?？扇急龌鹑紵?只會(huì)產(chǎn)生二氧化碳和水,對(duì)環(huán)境污染小,是一種清潔的新型能源?？扇急拈_(kāi)發(fā)利用目前還處于前期研究準(zhǔn)備階段,沒(méi)有進(jìn)入商業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)階段。這些研究工作需要國(guó)家政策引導(dǎo)和資金支持。例如美國(guó)政府在20世紀(jì)70年代末期發(fā)布的《能源意外獲利法》規(guī)定,對(duì)非常規(guī)能源開(kāi)發(fā)實(shí)施稅收補(bǔ)貼,設(shè)立了非常規(guī)油氣資源研究基金;2013年日本政府將可燃冰長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)計(jì)劃正式列入國(guó)家公共發(fā)展事業(yè),進(jìn)行規(guī)模性投資,置于國(guó)家戰(zhàn)略性規(guī)劃優(yōu)先地位。我國(guó)也在2012年12月發(fā)布了《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》,明確提出“加大天然氣水合物資源勘查與評(píng)價(jià)力度,適時(shí)開(kāi)展試開(kāi)采工作”。此外,可燃冰概念股如神開(kāi)股份、江鉆股份等相繼獲批上市,也為可燃冰的研究和開(kāi)發(fā)工作提供了資金支持。二、世界碳冰產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過(guò)程和趨勢(shì)(一)美國(guó)為可燃冰礦鹽礦事作規(guī)劃目前,世界上至少有30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)在進(jìn)行可燃冰的研究與調(diào)查勘探,走在前面的是蘇聯(lián)、美國(guó)及日本。1960年,蘇聯(lián)在西伯利亞發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)可燃冰氣藏。1970年,蘇聯(lián)開(kāi)始對(duì)該可燃冰礦床進(jìn)行商業(yè)開(kāi)采,采氣14年,總采氣量50.17億立方米。1979年,國(guó)際深海鉆探計(jì)劃在墨西哥灣海底獲得91.24米的可燃冰巖芯,首次驗(yàn)證了海底可燃冰礦藏的存在。1981年,美國(guó)制定了投入800萬(wàn)美元的可燃冰10年期研究計(jì)劃。1992年,大洋鉆探計(jì)劃在美國(guó)俄勒岡州西部大陸邊緣卡斯卡迪亞(Cascadia)海臺(tái)取得了可燃冰巖芯。1998年,美國(guó)把可燃冰作為國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃,準(zhǔn)備在2015年試開(kāi)采。2001年,日本產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)省正式推行《日本可燃冰開(kāi)采研發(fā)計(jì)劃》制定了為期18年的戰(zhàn)略開(kāi)發(fā)計(jì)劃。2012年,美國(guó)能源部在阿拉斯加北坡發(fā)掘到可燃冰,并從中安全有效地獲得穩(wěn)定的天然氣流。美國(guó)能源部準(zhǔn)備在阿拉斯加項(xiàng)目成功的基礎(chǔ)上,將進(jìn)一步開(kāi)發(fā)14個(gè)新的試驗(yàn)項(xiàng)目。2013年,日本已成功于南海海槽可燃冰氣田分離出天然氣。(二)美國(guó)、歐盟和日本的研究日本準(zhǔn)備在2018年為可燃冰進(jìn)入商業(yè)化開(kāi)采確立技術(shù)基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)可燃冰的商業(yè)化生產(chǎn)。美國(guó)計(jì)劃到2015年對(duì)可燃冰進(jìn)行商業(yè)性試開(kāi)采。還有一些國(guó)家也在緊鑼密鼓地進(jìn)行可燃冰的開(kāi)發(fā)研究,希望能夠在可燃冰的開(kāi)采和商業(yè)化生產(chǎn)上取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),在未來(lái)能源分配格局中占據(jù)有利地位。美國(guó)、日本、加拿大2020年前可燃冰研究計(jì)劃詳見(jiàn)表1。(三)氣田的開(kāi)采量全球可燃冰儲(chǔ)量豐富,分布廣泛,海域和陸域都有發(fā)現(xiàn),但是目前全球已進(jìn)行開(kāi)采的氣田僅有四個(gè),具體見(jiàn)表2。這與可燃冰龐大的儲(chǔ)量相比只是一個(gè)很小的部分。而且,可燃冰的研究在全球范圍內(nèi)也還處于初級(jí)階段,產(chǎn)業(yè)鏈也沒(méi)有形成,仍處于成長(zhǎng)期,未來(lái)的發(fā)展空間很大。三、南海天然氣管網(wǎng)我國(guó)于1999年開(kāi)始開(kāi)展可燃冰的相關(guān)研究,目前我國(guó)對(duì)可燃冰的研究地域主要集中在青藏高原和南海海域。國(guó)土資源部在2013年12月17日發(fā)布的《2013年海域天然氣水合物勘探成果》中透露,我國(guó)首次在珠江口盆地東部海域鉆獲高純度可燃冰。這標(biāo)志著我國(guó)可燃冰的勘察研究工作發(fā)展進(jìn)入新的階段。(一)中國(guó)在開(kāi)發(fā)冰外冰方面的優(yōu)勢(shì)1.中國(guó)南?？扇急Y源我國(guó)作為全球第三大凍土國(guó),具備良好的可燃冰賦存條件和資源前景?？扇急饕植荚谀虾：Ｓ?、東海海域、青藏高原凍土帶以及東北凍土帶。南海北部陸坡的可燃冰資源量達(dá)185億噸油當(dāng)量,相當(dāng)于南海深水勘探已探明的油氣地質(zhì)儲(chǔ)備的6倍,達(dá)到我國(guó)陸上石油總量的50%。此外,西沙海槽已初步圈出可燃冰分布,我國(guó)東海和臺(tái)灣省海域也存在大量可燃冰。經(jīng)專家證實(shí)中國(guó)臺(tái)灣省西南海域蘊(yùn)藏著極為豐富的可燃冰。據(jù)估算,我國(guó)陸域遠(yuǎn)景資源量至少有350億噸油當(dāng)量,南海的可燃冰儲(chǔ)量大約為680億噸油當(dāng)量。(1)2.勘探深海技術(shù)3.可燃冰礦層分布特征2013年6月至9月,中國(guó)海洋地質(zhì)科技人員在廣東沿海珠江口盆地東部海域首次鉆獲高純度可燃冰樣品,此次的可燃冰賦存于水深600~1100米的海底以下220米以內(nèi)的兩個(gè)礦層中,上層厚度15米,下層厚度30米,肉眼可辨。巖芯中可燃冰含礦率平均為45%~55%;其中可燃冰樣品中甲烷含量最高達(dá)到99%,具有埋藏淺、厚度大、類型多、純度高四個(gè)主要特點(diǎn)。(2)雖然海洋可燃冰開(kāi)采難度更大,尚未形成成熟的開(kāi)發(fā)技術(shù)方案,但我國(guó)已經(jīng)邁出了步伐。我國(guó)陸域可燃冰主要分布在青藏高原和東北凍土層。青藏高原的木里煤田含可燃冰巖層段埋藏淺,只有130~300多米,這為可燃冰開(kāi)采帶來(lái)很大有利條件。(3)(二)中國(guó)缺乏可燃冰的發(fā)展1.總體上看,企業(yè)的投資及回收成本較高可燃冰這類新興、能源型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展技術(shù)難度大、投資高、耗時(shí)長(zhǎng)、回收成本大,企業(yè)要前期投入大量人力、物力和財(cái)力,這些都不在一般企業(yè)能夠承受的范圍內(nèi)。目前只有幾家大型國(guó)有企業(yè)進(jìn)行投資。2.氣體的運(yùn)輸和收集開(kāi)采技術(shù)層面尚未找到一個(gè)適合中國(guó)現(xiàn)狀的高效率、低風(fēng)險(xiǎn)方法。目前,開(kāi)采技術(shù)都是以“破冰”思路為主,破壞可燃冰的結(jié)晶,收集產(chǎn)生的氣體。因此,氣體的收集和運(yùn)輸就成為重中之重,避免出現(xiàn)大面積泄漏就成為必須要面對(duì)的問(wèn)題。而另一種思路是將“冰塊”整個(gè)從海底取出,然后在海面進(jìn)行可控分解,這種思路需要固體開(kāi)采和固體運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)支持,有待驗(yàn)證,都處于前期實(shí)驗(yàn)階段。3.加熱回收作用1單位可燃冰分解可產(chǎn)生168單位的甲烷氣體。甲烷氣體的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍。一旦可燃冰大量開(kāi)采,在開(kāi)采過(guò)程中勢(shì)必會(huì)排放出甲烷氣體,屆時(shí)將加劇全球溫室效應(yīng),促使極地、海水、地層溫度升高,有可能造成可燃冰自動(dòng)分解,形成惡性循環(huán)。同時(shí),海底可燃冰的分解會(huì)導(dǎo)致海洋斜坡穩(wěn)定性降低,增加海底滑坡的可能性,破壞海洋中的生態(tài)平衡。四、可燃冰產(chǎn)業(yè)面臨的新機(jī)遇“十二五”時(shí)期以來(lái),國(guó)家頒布了《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》,在規(guī)劃中明確提出要“加大天然氣水合物資源勘查與評(píng)價(jià)力度,適時(shí)開(kāi)展試開(kāi)采工作”,將可燃冰的勘探、開(kāi)采列入國(guó)家未來(lái)發(fā)展規(guī)劃中,為我國(guó)可燃冰未來(lái)發(fā)展指明了方向。1.立足勘探開(kāi)采,掌握核心技術(shù)。在勘探方面,我國(guó)海洋和陸地可燃冰盡管資源儲(chǔ)量大,但區(qū)域內(nèi)水合物豐度不同,因此需要開(kāi)展深入細(xì)致的勘察與基礎(chǔ)科學(xué)研究評(píng)價(jià),區(qū)分出富礦區(qū)和貧礦區(qū),詳細(xì)和準(zhǔn)確地了解成礦規(guī)模與礦層展布特征以及儲(chǔ)量,為可燃冰商業(yè)化生產(chǎn)奠定選址基礎(chǔ),這是目前亟須解決的問(wèn)題之一。在開(kāi)采方面,首先要加強(qiáng)理論基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)?zāi)M工作,提高理論方法的可行性和可操作性。其次,在實(shí)地開(kāi)采技術(shù)上,也要考慮如何能夠在提高開(kāi)采率的同時(shí)又兼顧環(huán)境影響,研發(fā)出二者兼?zhèn)涞木C合開(kāi)采技術(shù),實(shí)施科學(xué)開(kāi)采。2.推進(jìn)商業(yè)化進(jìn)程,推動(dòng)可燃冰產(chǎn)業(yè)鏈整合。有分析認(rèn)為,可燃冰有望接棒傳統(tǒng)能源,我國(guó)的商業(yè)開(kāi)發(fā)有可能在2030年進(jìn)行,屆時(shí)將給產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游企業(yè)發(fā)展帶來(lái)新一輪的投資機(jī)會(huì)。產(chǎn)業(yè)鏈的上游主要是具有深海技術(shù),特別是具有較高勘探和開(kāi)采能力企業(yè)的機(jī)會(huì),需要大量的資本、人力的投入,一般只有國(guó)有大型企業(yè)最有可能承擔(dān)起前期工作。開(kāi)采之后的運(yùn)輸環(huán)節(jié)是中游企業(yè)的機(jī)會(huì)。這一階段能夠提供合理有效的收集運(yùn)輸方式的企業(yè)將面臨巨大的市場(chǎng)。可燃冰可應(yīng)用于交通、冶金、電力、輕工等行業(yè)的內(nèi)燃機(jī)、汽車(chē)、煉鋼、熱處理、印染、紡織等諸多方面,同時(shí)大量供給居民作為生活燃料。廣泛的應(yīng)用也使可燃冰對(duì)下游企業(yè)的商業(yè)價(jià)值不可估量。3.加強(qiáng)政府引導(dǎo),動(dòng)員社會(huì)資本,助力可燃冰發(fā)展?？扇急袠I(yè)從勘探到開(kāi)采到運(yùn)輸再到最后的加工使用是一項(xiàng)利國(guó)利民的大工程,鑒于其還是一個(gè)新興的行業(yè),尚處于成長(zhǎng)期,需要政府在政策和資金兩個(gè)層面提供大力支持。在投入公共財(cái)政資金的同時(shí),需要積極引導(dǎo)和動(dòng)員社會(huì)資金,以滿足可燃冰行業(yè)發(fā)展對(duì)資金的需求。PPP模式(Public-Private-Partnership,公共私營(yíng)伙伴關(guān)系)以政府資金帶動(dòng)社會(huì)資金進(jìn)入,發(fā)揮種子資金的撬動(dòng)作用,是面向基礎(chǔ)設(shè)施和新興行業(yè)的重要融資方式,可以考慮在可燃冰產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮積極作用。4.加強(qiáng)國(guó)際合作,縮小產(chǎn)業(yè)研發(fā)差距。在可燃冰的發(fā)展上,我國(guó)是繼美國(guó)、日本、印度之后第4個(gè)通過(guò)國(guó)家級(jí)研發(fā)計(jì)劃開(kāi)采到可燃冰實(shí)物樣品的國(guó)家。美國(guó)、日本、俄羅斯已經(jīng)開(kāi)始可燃冰氣田的開(kāi)采,我們雖然處于世界一流地位,但仍與世界領(lǐng)先水平存在差距。本著“互利共贏,務(wù)實(shí)有效”的原則,我國(guó)積極參加和推動(dòng)與各國(guó)政府、國(guó)際組織、國(guó)際機(jī)構(gòu)的務(wù)實(shí)合作,為促進(jìn)國(guó)際社會(huì)合作開(kāi)發(fā)新能源發(fā)揮建設(shè)性作用。日前,在科技部的支持下,有關(guān)陸域可燃冰的項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng),相關(guān)調(diào)查及開(kāi)發(fā)技術(shù)研究也已納入國(guó)土資源部“十二五”規(guī)劃中,與加拿大、德國(guó)等國(guó)際合作正在推進(jìn)。中海油研究總院技術(shù)研發(fā)中心首席工程師李清平指出,面對(duì)當(dāng)前世界各國(guó)分別制定并啟動(dòng)可燃冰勘探開(kāi)發(fā)研究戰(zhàn)略的狀況,國(guó)家應(yīng)盡快成立專門(mén)的研究團(tuán)隊(duì),借鑒國(guó)外如墨西哥灣、日本海域的研究策略和成功經(jīng)驗(yàn),逐步解決“怎么找、哪里有、有多少、安全性與經(jīng)濟(jì)性”等技術(shù)難題,可考慮采取“先陸后海”(凍土試采先行、海域試采跟進(jìn))的技術(shù)路徑,通過(guò)地球物理勘探、鉆探取樣、樣品分析測(cè)試鎖定富礦區(qū),在此基礎(chǔ)上分步實(shí)施