可燃冰：能源寶庫與商業開發

牛祿青

2007年，中國南海神狐海域首次成功鉆探獲得天然氣水合物（俗稱“可燃冰”）實物樣品，如今10年過去了，就在同一海域，中國實現了可燃冰試采成功。這一歷史性突破來之不易，是“中國理論”“中國技術”“中國裝備”凝結而成的突出成就，實現了在這一領域由“跟跑”到“領跑”的歷史性跨越。

5月18日，中共中央、國務院專門向國土資源部、中國地質調查局以及參加海域天然氣水合物試采任務的相關單位和人員發來賀電。賀電指出，這是在掌握深海進入、深海探測、深海開發等關鍵技術方面取得的重大成果，是中國人民勇攀世界科技高峰的又一標志性成就，對推動能源生產和消費革命具有重要而深遠的影響。

巧合的是，美國和日本也在5月宣布嘗試開采可燃冰。美國能源部下屬的國家能源技術實驗室12日宣布，正與得克薩斯大學奧斯汀分校等機構合作，于5月在墨西哥灣深水區開展可燃冰開采研究，11日已經開始了一次鉆探。

美國十分重視可燃冰研究，2000年曾通過《天然氣水合物研究與開發法案》。此后美國能源部多次撥款支持可燃冰研究，最近一次是在2016年9月，宣布投入380萬美元支持6個新的可燃冰研究項目。開展本次鉆探的得克薩斯大學奧斯汀分校就是受支持的項目方之一。

日本經濟產業省資源能源廳5月4日宣布，日本石油天然氣金屬礦物資源機構成功從日本近海海底埋藏的可燃冰中提取出甲烷。此次試驗開采海域位于愛知縣和三重縣附近的太平洋近海，估計該海域擁有的可燃冰儲量達1.1萬億立方米，是日本天然氣年消費量的約10倍。

這是日本第二次開采可燃冰。2013年，日本嘗試過開采海底可燃冰并提取了甲烷，但由于海底砂流入開采井，試驗僅6天就被迫中斷。本次試驗持續12天后也因出砂問題中斷，未能完成原計劃連續三四周穩定生產的目標，12天產氣量只有3.5萬立方米。

目前，全球天然氣水合物研發活躍的國家和地區有30多個，主要有中國、美國、日本、加拿大、韓國和印度等，各國競相投入巨資開展天然氣水合物試采，競爭異常激烈。其中，美國、加拿大在陸地上進行過試采，但效果不理想。

中國此次試采可燃冰成功，是世界首次成功實現資源量占全球90%以上、開發難度最大的泥質粉砂型天然氣水合物安全可控開采。

“從科學到技術創新要經歷知其然（發現現象）、知其所以然（理論理解）、造其然（技術上可行）、利其然（經濟上可行）的四個階段。中國這次突破的意義，就是讓利用可燃冰達到了‘造其然的階段。”中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員袁嵐峰說。

可燃冰的優點和儲量

可燃冰又稱氣冰、固體瓦斯，學名叫天然氣水合物，被譽為21世紀最理想的潛在替代能源。它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，燃燒后只生成二氧化碳和水，是一種燃燒值高、清潔無污染的新型能源，分布廣泛而且儲量巨大。

隨著傳統油氣資源的枯竭，人類急需尋找新的可替代能源，天然氣水合物的發現無疑給人們帶來了新的希望。1立方米的可燃冰分解后可釋放出約0.8立方米的水和164立方米的天然氣，能量密度高，資源潛力巨大，估算其資源量相當于全球已探明傳統化石燃料碳總量的兩倍，科學家們甚至認為它是能夠滿足人類使用1000年的新能源，是今后替代石油、煤等傳統能源的首選。

美國能源部估計，全球可燃冰中蘊藏著大約2800萬億到28000萬億立方米甲烷。相比之下，2015年全球天然氣開采量約為35億立方米，還不足天然氣水合物儲量的千分之一。

保守估計，全國可燃冰資源儲存量約相當于1090億噸油當量，約是常規天然氣、頁巖氣等資源量總和的兩倍，按當前的消耗水平，可滿足我國近200年的能源需求。南海海域是我國可燃冰最主要的分布區，其中有近740億噸在南海。

試采現場指揮部地質組組長陸敬安說，勘探顯示，神狐海域有11個礦體，面積128平方公里，資源儲存量1500億立方米，相當于1.5億噸石油儲量，“成功試采意味著這些儲量都有望轉化成可利用的寶貴能源”。

“對于海洋可燃冰的研究，我國是從1995年開始的，并于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。”試采現場指揮部總指揮葉建良介紹說。

2010年底，由廣州海洋地質調查局完成的《南海北部神狐海域天然氣水合物鉆探成果報告》通過終審，科考人員在我國南海北部神狐海域鉆探目標區內圈定11個可燃冰礦體，顯現出良好的資源潛力。“海洋六號”入列后，再次深入南海北部區域進行新一輪精確調查，調查海域包括瓊東南海域、西沙海域、神狐海域和東沙海域等區域，調查的重點是在南海北部前期勘探的基礎上圈定重點勘探區域。

神狐海域可燃冰儲量只是我國可燃冰蘊藏量的“冰山一角”。在西沙海槽，科考人員已初步圈出可燃冰分布面積5242平方公里；在南海其他海域，同樣也有天然氣水合物存在的必備條件。

曾幾何時，人類燒柴燃火，靠火得到能量和溫暖。200年前，人類步入工業文明，是煤炭的利用使蒸汽機得以大面積推廣。再后來，石油天然氣使人類得以更加高效地在地球上往來穿梭。

但是，隨著時間的更替，人類探明大油田的幾率在不斷下降，人類只能向極地、深海這些開采難度大的地方尋求能源，或者以更高的成本開采深海石油、油砂、油頁巖等非常規能源。石油的漸趨匱乏是工業社會面臨的最為嚴重的危機之一。

前些年，美國對頁巖氣的開采利用使其大幅降低了對石油的依賴，甚至由石油進口國轉變成了出口國。正因此，我國也不斷加大對頁巖氣的研究和開發利用，但客觀說，與美國成熟的頁巖氣技術相比，我國仍處于跟跑階段。

“但這次不同了，可燃冰是未來全球能源發展的戰略制高點，我們率先試采成功，是領跑而不是跟隨。”中國地質調查局局長鐘自然表示。

可燃冰是如何形成的？

目前人類已探明的可燃冰主要分布在海底和永久凍土帶，全球海洋總面積的90%具備天然氣水合物生成條件。要形成可燃冰必須滿足三個基本條件：原材料、溫度和壓力。

首先，要有一定數量的天然氣這一原材料。其次，必須是低溫條件，可燃冰在0到10℃時生成，超過20℃就會分解，變得“煙消云散”。因此，無論是在海底還是陸域的永久凍土帶都要滿足這一條件。最后，必須要在高壓條件下才能生成。在0℃時，需要30個大氣壓才可以生成可燃冰。

中國地質調查局基礎部副主任邱海峻介紹說，在神狐海域1200米水深以下，200米左右，只要有合適的低溫高壓環境，就能形成水合物，而且只要氣源比較充足，就能形成很富集的礦體，這是規律。

在原材料、溫度、壓力三者都具備的條件下，可燃冰晶體就生成了。除了海底，科學家在大陸的永久凍土帶也發現了可燃冰。我國是世界上第一個在中高緯度高原凍土帶鉆獲可燃冰實物樣品的國家。

根據2016年發布的《中國能源礦產地質調查報告》的最新數據，我國可燃冰預測遠景資源量超1000億噸油當量，開發前景廣闊。那么這些可燃冰到底都藏在哪里呢？在《中國能源礦產地質調查報告》中提到的可燃冰資源量，包括海域可燃冰和陸域可燃冰。

2013年在我國珠江口盆地東部海域發現超千億方級可燃冰礦藏，2015年神狐海域再次發現超千億方級可燃冰，而且礦藏分布廣、厚度大、飽和度高，為我國可燃冰試開采提供了重要參考靶區。2015年，我國利用自主研發的4500米級“海馬”號無人遙控潛水器首次在珠江口盆地西部海域發現了可燃冰活動的標志——活動性“冷泉”，并成功獲取了可燃冰樣品。

天然氣水合物試采現場總指揮葉建良表示，水合物要有一定的溫壓條件，也要有一定的氣體來源，所以基本都分布在大陸架的邊緣地帶。

其實，我國對海底可燃冰的研究和勘探已經進行了30年，在南海西沙海槽、神狐等海區相繼發現存在標志。而在世界上，可燃冰的研究早在上世紀六十年代就已經開始。截至目前，全世界直接或間接發現的可燃冰礦點超過200多處。

和國際上早在上個世紀60年代就開始勘探、研究可燃冰相比，我國的可燃冰研究起步要晚到1998年，但中國科技工作者只用了不到20年就完成了從空白到趕超的全過程。

和海洋石油、天然氣相比，海域可燃冰的開采就一個字：難。難點也是一個字：軟。

“可燃冰雖然儲量大、分布廣，但形成年代要比石油、天然氣晚得多，覆蓋它的海底地層普遍是砂質，現有的海底鉆井設備開采它就好比在豆腐上打鐵、用金剛鉆繡花，稍有不慎就會導致大量砂石涌進管道，造成開采失敗。”試采現場指揮部首席科學家、中國地質調查局“李四光學者”盧海龍說。

“與日本相比，我國海域主要屬于粉砂型儲層，這也是占全球90%以上比例的儲藏類型。砂細導致滲透率更差，同時我國的可燃冰水深大，儲層埋層淺，施工難度更大。我們的突破，對于全世界而言更具有可參考和借鑒的價值。”盧海龍說。

商業化開采有多遠

國土資源部中國地質調查局副局長李金發在央視新聞中表示，這一次天然氣水合物的試開采成功，將會是繼美國引領頁巖氣革命之后的，由我國引領的天然氣水合物革命，將會推動整個世界能源利用格局的改變。中共中央、國務院賀電中也指示下一步促進天然氣水合物勘查開采產業化進程。

中國地質調查局預計，或在2020年前后突破天然氣水合物的開發技術，實現能夠適應工業化開發規模的工藝、技術和設備完善，大約再經過10年左右提升，到2030年前后實現天然氣水合物的商業開發，那時候大家就可能使用可燃冰作為燃料的汽車了。

在本次試開采之后，我國可燃冰開采將進入“科學積累”的新階段。葉建良說，在系統總結本次試采經驗、優化試采技術工藝的基礎上，還將開展更多種類型可燃冰試采，建立適合我國資源特點的開發利用技術體系，同時創建國家重點實驗室、工程技術中心等創新平臺，進一步提高可燃冰勘探開發和深海科技創新能力。

根據國土資源科技創新規劃，“十三五”期間，通過研制深遠海油氣及可燃冰勘探開發技術裝備，我國將推進大洋海底礦產勘探及海洋可燃冰試采工程，力爭2020年實現商業化試采，研制成功全海深潛水器和深遠海核動力浮動平臺技術。

中國科學家們還對未來全球能源接續的“中國方案”雄心勃勃。“低滲粉砂質儲層水合物礦藏在海上絲綢之路沿線國家廣泛分布，很多國家對可燃冰有強烈需求。我們現在掌握了這一技術，有利于解決‘一帶一路沿線的資源、能源問題，推動 ‘一帶一路沿線的經濟發展和融合。”邱海峻說。

目前，在中國之外，美國和日本是世界上可燃冰勘探開發投入比較多、比較積極的國家，并取得了一定的成績。但由于這兩個國家也只做過實驗性開采，受制于技術和成本等其他原因，兩國商業化開采可燃冰的時間都可能延遲。

具體來說，美國已推遲了原定2015年進行可燃冰商業性開采的計劃，具體時間待定。不過，美國地質調查局則認為最早也要到2025年才能看到成效。

日本此前的《海洋基本計劃》提出，日本將力爭在2018年前為商業開采海底可燃冰確立全套技術基礎，并在2023-2029年間實現商業化開發。但是日本今年4月再次進行試采時受挫。

目前可燃冰商業化開采還面臨三大挑戰：一是開采技術。世界各國對可燃冰的開采仍處于研究試驗階段，還沒有成熟完美的開采技術，但有三種開采方案：

1、熱解法。利用可燃冰在溫度升高時會自動分解的特性，通過加溫方式向可燃冰層注入熱能，使其由固態分解出甲烷氣體。這種開采方式基本上已獲得成功，但整個開采過程要對甲烷進行兩次分離，還要消耗大量能源來加熱溫水。

2、置換法。將化學試劑注入可燃冰層中，使其與可燃冰發生反應，改變可燃冰的穩定平衡狀態，使其發生失穩作用而進行開采。這種方法對甲烷氣體難以進行有效的收集，布設收集管道是個難題。