神秘的可燃冰

什么是可燃冰

可燃冰即天然氣水合物，是一種主要由水分子和甲烷分子在低溫高壓下形成的結晶物質，外表似冰，能燃燒。

可燃冰一般形成于低溫的環境。自然界中，可燃冰往往分布于水深大于300米的海底沉積物或寒冷的陸地永久凍土帶。目前，已發現的海底可燃冰多分布于環太平洋周邊、大西洋兩岸、印度洋北部、南極近海和北冰洋周邊，以及地中海、黑海、里海等內陸海。陸地上可燃冰主要分布于環北冰洋的高緯度凍土區以及我國青藏高原凍土區。

1960年，蘇聯科學家在西伯利亞地區發現了可燃冰。這個發現引起了廣泛關注，從20世紀80年代開始，美、英、德、加、日等發達國家紛紛投入巨資來勘探天然可燃冰資源。

我國是世界第 3 凍土大國，凍土區總面積達215萬平方千米，具備良好的天然氣水合物賦存條件。據初步估算，可燃冰遠景資源量至少有350億噸油當量。2007年，我國在南海北部鉆探取得了可燃冰實物樣品，成為繼美國、日本、印度之后第 4 個通過國家級研發計劃采到可燃冰實物樣品的國家。2008年，青藏高原永久凍土帶中也發現了可燃冰。

形成可燃冰有 3 個基本條件：低溫、高壓和原材料來源。

首先是低溫條件。低溫指的是可燃冰在 0℃～10℃下生成，超過 20℃便會分解，在 0℃只需30個大氣壓即可生成，海底溫度一般保持在2℃～4℃。

其次就是高壓條件。可燃冰在 0 ℃時，生成需要30個大氣壓，而在海洋深處，30個大氣壓很容易達到，并且氣壓越大可燃冰就越難分解。

最后是充足的氣源。海底豐富的碳經過生物轉化，可產生充足的氣源。

海底的地層是多孔介質，在溫度、壓力、氣源三者都具備的條件下，可燃冰晶體就會生成。

可燃冰的勘探開采方法

勘探的方法主要分為物探、化探、遙感等。物探方法主要有地震勘探、瞬變電磁、音頻大地電磁測深、地質雷達，以及直流電阻率法等。化探方法有土壤地球化學、氣體地球化學實驗方法。此外，衛星遙感探測大氣的甲烷氣體含量也可用于判斷可燃冰的賦存范圍。

可燃冰是一種能效較高的清潔能源，開發利用可燃冰一直是世界能源界的夢想。目前，科學家提出了4種主要的開采方案。

第一種是降壓開采法，通過降低可燃冰儲層壓力，促使可燃冰分解，釋放天然氣。

第二種是熱激發開采法，將熱水或熱蒸汽注入到開采井內，加熱可燃冰儲層，使其分解，釋放出天然氣。

第三種是注入化學試劑開采法，將甲醇或者乙二醇等化學試劑注入到可燃冰儲層內，使其分解。

第四種是二氧化碳置換開采法，將二氧化碳氣體注入到可燃冰儲層中，用二氧化碳分子置換可燃冰中的甲烷分子，在釋放甲烷的同時達到封存二氧化碳的目的。

21世紀以來，世界先后進行了多次可燃冰試開采，降壓法因為產氣效率較高，經濟成本較低，成為主要使用的方法。最早的可燃冰試開采是2002年在加拿大馬利克凍土區進行的，日本在2013年進行了海上可燃冰試開采。

2017年，我國在南海北部神狐海域首次進行的海上可燃冰試開采取得成功。這次試采應用自主研發的鉆井平臺“藍鯨1號”，創造性提出流體抽取法等一系列技術方案，是中國人民勇攀世界科技高峰的標志性成就之一。

可燃冰與生態環境

可燃冰的燃燒產物僅有少量的二氧化碳和水，污染程度遠低于煤、石油等傳統能源，且儲量巨大，因此人們對開采可燃冰充滿希望，但也有人對可燃冰開采可能對環境產生影響表示關切。

一種廣受關注的觀點認為，開采可燃冰可能導致海底沉積層失穩、甲烷氣體泄露，造成水體酸化，而且可燃冰分解釋放的甲烷氣體會產生比二氧化碳高20多倍的超級溫室效應等，因此可燃冰的開采存在重大風險。

實際上，任何一種能源的開采都存在潛在的風險，例如煤礦開采會出現瓦斯爆炸和透水事故、石油開采會發生井噴事故等，但通過科學預估與風險防范，可燃冰可以實現安全高效開采。

現有的科技水平可以對可燃冰儲層進行實時、連續、原位監測，能夠精確預警局部地質災害，并能通過干預手段來降低風險的水平。我國的可燃冰試開采也進行了嚴格的環境監測，未發現海水表面和空氣中存在甲烷氣體。隨著科技水平的迅猛發展，我們應相信自己完全有能力駕馭這種新能源。

[本文受《中國地質調查局柴達木盆地鹽湖區物探綜合調查》項目支持（項目編號：DD20230298）]

（作者單位：中國地質科學院地球物理化學勘查研究所）