揭開(kāi)可燃冰的面紗

王宏斌

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局副總工程師，國(guó)家“十二五”“863計(jì)劃”主題項(xiàng)目天然氣水合物勘探技術(shù)研發(fā)首席專(zhuān)家

2017年7月9日，由國(guó)土資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織實(shí)施的南海天然氣水合物試采工程全面完成預(yù)期目標(biāo)，第一口井的試開(kāi)采產(chǎn)氣和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究工作取得圓滿成功，并正式實(shí)施關(guān)井作業(yè)。這次可燃冰試采，是從南海神狐海域水深1266米海底以下203～277米的可燃冰礦藏開(kāi)采出天然氣。從5月10日試點(diǎn)火以來(lái)，已連續(xù)開(kāi)采60天，累計(jì)產(chǎn)氣超過(guò)30萬(wàn)立方米。6月12日，試采平臺(tái)更是頂住了11級(jí)“苗柏”臺(tái)風(fēng)的正面襲擊。這次可燃冰的成功試采，創(chuàng)造了產(chǎn)氣時(shí)長(zhǎng)和總量的世界紀(jì)錄，使我國(guó)可燃冰試采能力超過(guò)日本，一舉成為可燃冰試采的領(lǐng)跑者，具有重要的里程碑意義。

可燃冰，也稱(chēng)甲烷冰，學(xué)名叫“天然氣水合物”，是由天然氣與水在低溫高壓條件下結(jié)晶形成的白色固態(tài)物質(zhì)，因?yàn)樾嗡票梢韵窆腆w酒精一樣直接點(diǎn)燃，故被形象通俗地稱(chēng)作“可燃冰”。實(shí)際上，可燃冰雖然很像固體酒精，但其富含的能量卻是相同體積固體酒精的很多倍，1立方米可燃冰可以釋放出160～180立方米天然氣。可燃冰被認(rèn)為是21世紀(jì)理想的替代能源。

可燃冰是20世紀(jì)能源領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)，不過(guò)人類(lèi)與可燃冰“家族”的接觸最早可追溯到19世紀(jì)早期：1810年，英國(guó)科學(xué)家Davy首次合成了氯氣水合物。20世紀(jì)三四十年代，蘇聯(lián)寒冷地區(qū)的輸氣管道常常被天然氣形成的可燃冰所堵塞，如何抑制輸氣管道里可燃冰的形成，是令工程技術(shù)人員頭痛的一個(gè)技術(shù)難題。此外，在海上搭建的石油鉆井平臺(tái)如何避開(kāi)海底可燃冰，以免可燃冰分解影響施工安全，也是令工程技術(shù)人員傷腦筋的問(wèn)題。

20世紀(jì)七八十年代以來(lái)，隨著越來(lái)越多的海底和陸地凍土帶可燃冰的發(fā)現(xiàn)，可燃冰的資源意義才引起了人們的高度重視。

全球范圍內(nèi)可燃冰資源量的問(wèn)題，一直是科學(xué)界討論的熱點(diǎn)。不同的科學(xué)家采用不同的計(jì)算方法，先后給出過(guò)不同的可燃冰資源量數(shù)據(jù)。但是毫無(wú)疑問(wèn)，地球上可燃冰資源量巨大，應(yīng)該是全世界科學(xué)家的一個(gè)共識(shí)。1988年美國(guó)科學(xué)家科溫沃登（Kvenvolden）曾經(jīng)預(yù)測(cè)全球可燃冰資源量大約2.1×1016 m3，相當(dāng)于 21萬(wàn)億噸油當(dāng)量，是全球煤、石油和天然氣中有機(jī)碳量總和的兩倍，這一數(shù)據(jù)已經(jīng)被國(guó)際科學(xué)界廣泛引用。2011年美國(guó)能源部發(fā)布可燃冰資源潛力研究報(bào)告，預(yù)測(cè)全球可燃冰資源量為20萬(wàn)億噸油當(dāng)量，與科溫沃登預(yù)測(cè)大致相當(dāng)。

我國(guó)也是可燃冰資源豐富的國(guó)家，南海大部分海域具備形成可燃冰的條件。科學(xué)家根據(jù)可燃冰發(fā)育的范圍、厚度、孔隙度、飽和度等計(jì)算參數(shù)，通過(guò)計(jì)算，認(rèn)為南海可燃冰的資源量約為744億噸油當(dāng)量，我國(guó)海域可燃冰資源量高達(dá)800億噸油當(dāng)量。按照我國(guó)每年消費(fèi)5億噸石油來(lái)計(jì)算，我國(guó)海洋中的可燃冰大約可供我國(guó)使用160年。

可燃冰不僅僅是一種資源，它實(shí)際上也是地球循環(huán)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在可燃冰賦存的地方，有著非常復(fù)雜非常微妙的地質(zhì)、地球化學(xué)乃至生命過(guò)程。可以說(shuō)，海底的可燃冰是一個(gè)豐富多彩的另類(lèi)世界。

由于200米水深以下的海底缺乏光照，光合作用無(wú)法進(jìn)行，長(zhǎng)期以來(lái)深海環(huán)境被認(rèn)為是生命的禁區(qū)。然而，在海底可燃冰附近，有時(shí)候會(huì)發(fā)生氣體滲漏，形成海底“冷泉”。海底冷泉附近往往生存繁衍著群落結(jié)構(gòu)非常獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，從最簡(jiǎn)單靠吃無(wú)機(jī)物就能生存的化能自養(yǎng)細(xì)菌，到管狀蠕蟲(chóng)、蛤類(lèi)、貽貝類(lèi)、多毛類(lèi)動(dòng)物，以及海星、海膽、海蝦等稍高一級(jí)的海底生物，直至魚(yú)、螃蟹、扁形蟲(chóng)、冷水珊瑚等，這些生物又最終被線蟲(chóng)類(lèi)動(dòng)物分解而回歸自然環(huán)境，形成了一套完整的生態(tài)系統(tǒng)。可燃冰附近的生態(tài)系統(tǒng)一般具有生物量高而生物多樣性低的特點(diǎn)，生物生長(zhǎng)速度較慢，一些大型的管蠕蟲(chóng)年齡可達(dá)數(shù)百年，被認(rèn)為是地球上最長(zhǎng)壽的動(dòng)物之一。此外，這些生物對(duì)其生存環(huán)境的變化十分敏感，可燃冰附近的生物群落往往在幾米的范圍內(nèi)迅速變化。

2015年，我國(guó)科學(xué)家使用我國(guó)自主設(shè)計(jì)制造的“海馬”號(hào)水下機(jī)器人，在南海北部進(jìn)行可燃冰調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了海底“冷泉”活動(dòng)，冷泉附近發(fā)育了雙殼類(lèi)生物群、甲烷生物化學(xué)礁、碳酸鹽結(jié)殼以及氣體滲漏等一系列活動(dòng)性“冷泉”標(biāo)志，這個(gè)冷泉后來(lái)被我國(guó)科學(xué)家命名為“海馬號(hào)”冷泉。后來(lái)，我國(guó)科學(xué)家在冷泉附近不到5米的海底沉積物中，通過(guò)地質(zhì)取樣，取到了塊狀的可燃冰樣品。

科學(xué)考察船是人們調(diào)查海底可燃冰的主要載體。科學(xué)考察船上裝備了各種先進(jìn)的儀器設(shè)備。包括海底攝像、聲吶、多波束、地震、電磁探測(cè)、溫度壓力測(cè)量等地球物理探測(cè)儀器以及各種取樣設(shè)備。通過(guò)這些地球物理技術(shù)手段，特別是多波束、海底地震、電磁探測(cè)等，好像給海底做CT，可以了解海底地形地貌、可燃冰分布的位置、形狀，資源規(guī)模，以及可燃冰上方發(fā)生的氣體滲漏等;利用取樣技術(shù)，可以獲取海底可燃冰、可燃冰附近的沉積物、氣體、水以及生物等樣品，科學(xué)家通過(guò)對(duì)這些樣品進(jìn)行分析，來(lái)了解可燃冰形成的地質(zhì)環(huán)境和化學(xué)成分的變化等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家調(diào)查可燃冰的技術(shù)手段也在不斷地的發(fā)展和完善。目前，水下機(jī)器人、滑翔機(jī)以及載人深潛器等技術(shù)裝備，也應(yīng)用到了可燃冰的調(diào)查當(dāng)中。

可燃冰的開(kāi)發(fā)同樣離不開(kāi)高技術(shù)手段。2017年我國(guó)在南海北部進(jìn)行的首次海上可燃冰試開(kāi)采，應(yīng)用了我國(guó)自主研發(fā)的鉆井平臺(tái)“藍(lán)鯨1號(hào)”，創(chuàng)造性地提出了流體抽取法等一系列技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了勘探開(kāi)發(fā)理論、技術(shù)、工程和裝備的自主創(chuàng)新，連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣一個(gè)月以上。