海工技術助推可燃冰實現商業開采

江南造船（集團）有限公司總工程師 胡可一

技 術

海工技術助推可燃冰實現商業開采

江南造船（集團）有限公司總工程師 胡可一

最近，一則關于“可燃冰”的新聞紅遍各種媒體。同時，再加上有媒體爆出的一輛汽車加100升可燃冰能跑5萬公里的“烏龍事件”，更使得可燃冰備受關注。那么，未來可燃冰到底給能源界帶來怎樣的變化？中國造船人如何看待這一新能源，以及如何助推早日實現可燃冰商業開采？

造船界需關注海洋能源新動向

可燃冰，又稱天然氣水合物，是一種甲烷和水分子在低溫高壓的情況下結合在一起的化合物，因形似冰塊卻能燃燒而得名。標準狀況下，1體積的可燃冰大概可以分解為164體積的甲烷氣體。

據相關資料顯示，可燃冰在全球范圍內廣泛存在，廣泛分布于深海或陸域的永久凍土中。全球約有27%的陸地是可形成可燃冰的潛在地區，在全球邊緣海、深海槽區及大洋盆地中，有利于形成水合物的海區面積約為18.9億平方千米，占其總面積的30%。據科學家初步預測，全球可燃冰所含有機碳總量相當于全球已知石油、煤和天然氣等化石燃料含碳總量的兩倍。迄今為止，可燃冰已經成為最有價值、最具潛力的海底礦產資源。目前，南極、北極均已發現可燃冰礦點，中國雖不屬于極地國家，但此前，我國已分別在南海海域和青藏高原凍土區鉆獲可燃冰實物樣品，使得我國成為世界上在中低緯度地區唯一擁有海底和陸上凍土區可燃冰資源的國家。據2016年相關部門發布的《中國能源礦產地質調查報告》顯示，我國可燃冰預測遠景資源量超過了1000億噸油當量，開發前景廣闊。若能實現可燃冰的商業開采，許多國家都可實現能源自給，現存的世界能源貿易將可能徹底改變。

從20世紀60年代開始至今，世界上已有79個國家和地區都發現了可燃冰藏，并且已有中國、美國、加拿大、日本、新西蘭等30個國家和地區開展了可燃冰的調查研究。近年來，可燃冰的勘探開發活動日益增多，一些國家甚至將其提高到能源安全戰略的高度予以重視。據統計，全球現已累計發現超過230個可燃冰礦區。日本對可燃冰的研究始于上世紀90年代。2001年，日本經濟產業省還發表了《甲烷水合物開發計劃》，正式啟動了為時18年的甲烷水合物的開發性研究。美國、加拿大、俄羅斯、印度、韓國等國家政府也都分別制定了有關可燃冰的長期研究計劃，計劃在5～10年內實現可燃冰的商業開采。

2017年5月，“可燃冰”一下成為國際熱點新聞，5月4日，日本宣布從近海可燃冰中提取了甲烷；5月12日，美國宣布在墨西哥灣開展可燃冰鉆探研究；18日，我國宣布在南海試采可燃冰成功，成為全球首個海域可燃冰試采獲得連續穩定氣流的國家。我國天然氣的成功試采，為實現可燃冰商業性開發利用提供了技術儲備，積累了寶貴經驗，打破了我國在能源勘查開發領域長期跟跑的局面，取得了理論、技術、工程和裝備的完全自主創新，實現了在這一領域由“跟跑”到“領跑”的歷史性跨越，對保障國家能源安全、推動綠色發展、建設海洋強國具有重要而深遠的影響。

關于技術瓶頸的另類解讀

最近在網上出現了有對中國可燃冰開采技術不屑一顧者，認為中國可燃冰開采技術和鉆井船舶裝備都是石油天然氣勘探開發的常規技術和裝備，沒有任何技術上的突破，沒有什么可以自豪的。但我并不這么看。

同歐美發達國家相比，我國對可燃冰的研究晚了近20年，但是，從1999年開展實質性調查以來，我國一直在奮起直追。2007年5月成功獲取了可燃冰實物樣品，成為世界上第四個通過國家級開發項目發現可燃冰的國家。顯然，對于可燃冰的勘探和開采，都需要很強的深海技術作為支撐，中國在底子薄、時間短的情況下能夠一躍進入強者行列，實屬不易。這次可燃冰試采，從2017年5月10號開始出氣，截至18日，已連續產氣8天，已經累計產出超過12萬立方米甲烷含量高達99.5%的天然氣。平均日產超過1.6萬立方米以及連續產氣超過一周，在此之前，還沒有一個國家能同時成功實現這兩個指標。這次南海神狐海域試采成功是我國首次、也是世界第一次成功實現資源量全球占比90%以上、開發難度最大的泥質粉砂型可燃冰安全可控開采，為實現可燃冰產業化提供了技術儲備，積累了寶貴經驗。

據了解，作為一項復雜的高技術密集的系統工程，我國海域可燃冰試采工作既面臨著儲層類型為泥質粉砂型而開發難度大的難題，也面臨著“無”成功先例、“無”成熟團隊、“無”成熟平臺、“無”成熟工藝、施工難度大等多個難題。因此，這次試采成功，充分展現了中國勘查開發理論、技術、工程和裝備自主創新能力，不僅展示了“中國身”，還展示了“中國心”的力量，創造了“六大技術體系、20項關鍵技術自主創新”。值得一提的是，在全流程試采核心技術上，這次試采形成了國際領先的新型試采工藝，尤其是“地層流體抽取”試采方法有效解決了儲層流體控制與可燃冰穩定持續分解難題。此外，在試采中，我國掌握了鉆完井核心技術，構建了深水淺層鉆完井技術體系。

此次成功試采，中國造船界也做出了不小的貢獻，有兩臺深海作業設備發揮了不可替代的重要作用，那就是我國自主研發的首臺4500米作業級無人遙控探測潛水器“海馬”號，以及由中集集團旗下中集來福士自主設計建造的海上鉆井平臺“藍鯨一號”。“海馬”號深潛器是科技部863重點支持項目，是中國迄今為止自主研發的下潛最大、國產化率最高的無人遙控潛水系統。它是中國深海高科技領域繼“蛟龍”號之后的又一標志性成果。它突破了本體結構、浮力材料、液壓動力和推進、作業機械手和工具、觀通導航、控制軟硬件、升沉補償裝置等關鍵技術，先后完成了總裝聯調、水池試驗和海上摸底試驗等工作。“藍鯨一號”是由中集集團旗下中集來福士自主設計建造，是中國最新研制成功的世界最大、鉆井深度最深的海上鉆井平臺，凈重超過42000噸、37層樓高，甲板面積相當于一個標準足球場大小，最大作業水深3658米，最大鉆井深度1.5萬米，造價50億元，是目前全球最先進的雙井架半潛式鉆井平臺之一，可適用于全球任何深海作業。這個鉆井平臺技能點主要是開采和防砂，是專門為開采可燃冰而研發的，擁有一整套的完井防砂設計系統，也足夠的穩定，可以抵御12級的颶風，完全不怕海浪的顛簸。

雖然中國可燃冰試采成功，但要想實現大量穩定開采仍然面臨很多困難。首先是開采技術問題暫時難以突破，當前可燃冰尚無成熟完美的開采技術，傳統的三種方法均不太成熟，熱激發開采法至今尚未很好地解決熱利用效率較低的問題；化學試劑注入開采法所需的化學試劑費用昂貴,對可燃冰層的作用緩慢,而且還會帶來一些環境問題；減壓開采法不需要連續激發，成本較低，適合大面積開采，尤其適用于存在下伏游離氣層的可燃冰藏的開采，是可燃冰傳統開采方法中最有前景的一種技術。但它對可燃冰藏的性質有特殊要求，只有當可燃冰藏位于溫壓平衡邊界附近時減壓開采法才具有經濟可行性。其次是開采成本高。據估計，目前可燃冰開采成本高達每立方米200美元，單位熱值的開采成本遠高于開采常規天然氣和石油的成本。第三是環境污染風險。可燃冰穩定性較差，一旦汽化可能導致大規模爆炸，“封存”它的海底沉積物會失去穩定，不僅對海底管道、通信電纜和開采平臺以及科學儀器造成破壞，而且還有可能造成大陸架邊緣動蕩從而引發海底塌方，甚至導致大規模海嘯。而且可燃冰在開采過程中可能造成甲烷成分泄露，全球可燃冰中蘊含的甲烷量約是大氣圈中的3000倍，而可燃冰分解產生的甲烷進入大氣的量即使只有大氣甲烷總量的0.5%，也會明顯加速全球變暖的進程。正因為存在上述諸多有待突破的問題，我國計劃先對開采技術進行充分研究使其成熟，到2030年前后再進行可燃冰的商業開采。這一策略是十分明智和理性的。

創新為商業開采提供堅強支撐

因擔心破壞全球生態平衡，以及面臨諸多開采技術難題，就否定天然冰的開采價值，這是因噎廢食。以前很多人也不看好頁巖氣，但是現在美國的頁巖氣就做得很棒。隨著科技的發展，這些問題都將得到最終解決。可燃冰今后將作為清潔能源逐步替代傳統化石能源的潛力是毋庸置疑的。但是，我們不能否認，未來商業化開采還面臨諸多挑戰。為此，一些專家也給出了不少非常好的建議。我個人認為，還有以下幾點應引起重視。

首先，要進一步確立可燃冰資源在我國能源戰略中的地位，優先編制可燃冰開發中長期規劃；將可燃冰納入新興戰略產業目錄，參照頁巖氣、煤層氣財稅政策盡快研究出臺可燃冰勘探、開發、利用財稅扶持政策；加強礦產資源管理，審批并頒發可燃冰勘探開發審批許可證、采礦許可證，劃定勘探區塊，做好礦權登記；建立健全開采的技術標準和技術體系，增強核心技術自主研發能力。

其次，在不斷加強國際合作，適當引進國際研究力量和技術的同時，整合國內相關研究機構，把產學研結合起來，從設備制造、地質研究、開采試驗、海底工程等方面組織力量加大力度進行研究，以期用國產技術和設備來解決可燃冰開采問題，爭取在2030年之前有大的突破。

第三，建立健全市場規則，制定民營資本、中央和地方國有資本等以獨資、參股、合作、提供專業服務等方式參與投資勘探和開發可燃冰資源的具體辦法。

作為造船人，我認為在可燃冰領域造船界應該有所作為，加大這方面的研發力度。在這方面我有些感悟。十年前，本人在訪問日本三井造船時，聽了日方關于可燃冰的技術講座和可燃冰的燃燒試驗，感覺若實現可燃冰商業開采，將會是國家能源戰略和海洋經濟的一個重要組成部分。要商業化開采可燃冰，必須解決甲烷的綠色安全開采、經濟安全儲運等關鍵技術難題。可燃冰的新型開采方式中相對可行的方法是置換法，即用二氧化碳去置換可燃冰中的甲烷。江南造船當時研發了液化二氧化碳運輸船和MOSS型液化天然氣（LNG）船，因此就大膽地設想，能否可以設計這樣一艘船，去程將用于置換的二氧化碳運過去，回程將置換出來的甲烷液化后運回來。此外，還將可燃冰開采裝置設計成一艘“子船”。2010年，江南造船的青年團隊以這個理念為基礎設計了“中華鱘”號可燃冰開采船方案，曾獲“中船理想杯”未來船舶創意大賽三等獎。盡管這個設想方案距離工程化還有很大的距離，但這種創新精神還是值得稱道的。

作為造船人，我們應當敏銳地意識到，可燃冰的商業化開采對船企來來說蘊育著無數商機。這次在可燃冰試開采出盡風頭的“藍鯨一號”是一個通用的鉆井平臺，如要進行商業化開采和運輸，必定對高效、經濟、耐用的可燃冰開采平臺和運輸船舶提出需求。江南造船作為國內液化氣船設計建造領先者，將致力海洋工程技術再創新，目前已經著手利用成熟的C型艙技術進行液化二氧化碳/LNG兼用運輸船的研發，為置換法可燃冰開采后的運輸提供綠色、安全、高效、經濟和可靠的運輸船舶，助推可燃冰實現商業開采。

總之，可燃冰的勘探、開發和利用是一個系統工程，涉及海洋地質、地球物理、地球化學、流體動力學、鉆探工程等多個學科，因此只有大家共同努力，不斷創新，才能助推中國在可燃冰領域取得更大突破。