清洁能源可燃冰研究现状与前景

(黑龙江省节能技术服务中心，哈尔滨 150001)

0 引 言

可燃冰(CH4H2O)又叫做甲烷水合物也称作天然气水合物，主要成分是甲烷与水分子，可燃冰分布于海底或陆地永久冻土带内，它是由天然气与水长期在高压和低温条件下形成的一种固态类冰状结晶物质。纯净的天然气水合物是白色固体，外貌极似冰雪，遇火即可燃烧，因此，又被形象地称为“可燃冰”。1立方米可燃冰等于164立方米的常规天然气藏，是其他非常规气源岩(如煤层、黑色页岩)能量密度的10倍，是常规天然气能量密度的2～5倍[1]。其资源量丰富，被认为是继石油之后的一种新型能源燃料，具有很高的研究价值。目前，各国政府和能源专家对可燃冰的研究发展十分的关注，全球已有30多个国家和地区进行了天然气水合物的研究，美国、加拿大、俄罗斯、日本等国家整体上处于领先地位。我国从上世纪80年代开始对天然气水合物研究，取得了一系列重要成果，已步入世界先进水平。

1 可燃冰的形成

可燃冰最早是由英国化学家普得斯特里于1778 年首次发现，其形成条件是，在至少为600～800 m深的海床上，大量细菌吞食动植物等有机物残留遗体时分泌释放出甲烷气，且深海下水温较低，压力较高，导致释放出的甲烷气体被水分子包裹，并与沙土混杂物等混掺在一起，形成甲烷冰冻水合物[2]。综上所述，可燃冰的形成必须满足3个基本条件：首先温度不能太高；第二，压力要足够大；第三，地底要有气源。

2 可燃冰的储量及分布

可燃冰受其性质、成因等限制，大致分布在大陆永久冻土带、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处等。海底可燃冰分布的范围较广，约4×107km2。目前海洋中已发现的可然冰总资源为2万万亿m3以上，相当于地球上已知煤、石油、 天然气含碳量总和的2倍以上。海底已发现的天然气水合物主要分布区域是大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等；东太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亚滨外和秘鲁海槽等；西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、日本南海海槽、苏拉威西海和新西兰北部海域等；印度洋的阿曼海湾；南极的罗斯海和威德尔海；北极的巴伦支海和波弗特海；以及大陆内的黑海与里海等[3-4]。据统计，全球累计约有超过230个天然气水合物矿区被发现。

我国的天然气水合物资源主要分布在东海、南海海域、青藏高原以及东北冻土带。据估算，我国天然气水合物总资源量约为84万亿m3，其中东海、南海海域分别约为3.4万亿m3和65万亿m3，陆地上青藏高原、东北冻土带分别为12.5万亿m3和2.8万亿m3。

3 可燃冰的勘探与开采

由于天然气水合物独特的形成条件和存在环境，决定了对其勘探识别和开发利用研究存在一定的难度，目前，针对勘查识别天然气水合物的技术主要有地球物理识别、地球化学识别等技术手段。地球物理识别技术主要包括地震与测井识别技术。地球化学识别主要基于海底浅表层沉积物、沉积物中的自生矿物及底水的综合分析和研究。采用多学科综合勘探是天然气水合物勘探的发展方向。

目前对可燃冰的开采基本上处于研究、试验阶段，尚没有可靠、完美的方法和方案。国际上主流的开发方法主要有热激发法、减压法、化学试剂注入法、固体开采法、二氧化碳置换法以及多种开采模式组合法等。目前的开采方法存在诸多问题：生产效率低、开采条件要求高、所用材料昂贵、环境风险大等，仍需要进一步的发展和完善。

4 可燃冰研究开发现状

4.1 国外研究现状

全球已经有30多个国家和地区开展了天然气水合物的研究调查与勘探。国外天然气水合物开发研究已进入探索试验及开采阶段，实验测试和勘查识别技术相对成熟，水合物安全开采技术尚处于探索阶段。尤其以美国、加拿大、日本、俄罗斯等国的开发研究处于领先地位，韩国、印度等国也都进行了深入研究，在海底水合物开采方面特别是日本已经取得一定突破。

美国是开展对天然气水合物开发研究最早的国家，从上世纪60年代以来就开展了相关勘探研究工作，最早由其创立确定的识别海洋天然气水合物的地震标志——似海底反射层(Bottom Simulating Reflectors，BSR)被广泛应用；1981年制订天然气水合物10年研究计划投入800万美元；1998年把天然气水合物作为国家发展的战略能源列入长远计划，每年投入 2000万美元；2001年对阿拉斯加北坡天然气水合物储层特征、能源潜力展开了评估和研究；2005年在墨西哥湾海域实施了规模性的钻探、勘察工作进行研究，发现并证明了砂层天然气水合物具备开采潜力；2012年美国康菲公司在阿拉斯加陆上北坡冻土区进行了二氧化碳置换甲烷水合物生产试验取得成功，完成了采气30天收取甲烷气近3万m3。

日本通过国际合作，尤其开展海洋区域的钻探、勘察研究，获取了天然气水合物样品，取得了一定成果，成为世界上首个掌握海底可燃冰采掘技术的国家。2012年2月，第一次在日本近海进行商业性钻探；2013年3月12日，日本 “地球号”探测船在爱知县渥美半岛附近约1 000 m的海底深处进行钻探330 m，并在海底使水和甲烷分离，提取出甲烷气体，并计划在2018年开发出成熟技术，实现商业化生产。

加拿大于1972年在麦肯齐三角洲的马利克地区发现了天然气水合物，1998年与美国、日本合作，在该地区实施了世界首个陆上冻土区天然气水合物钻探工程；2002年加拿大与美国、日本、印度、德国五国合作，采用加热法对天然气水合物进行试验性开采，最大产气速率达到1 500 m3/r；2008年加拿大与日本合作进行了天然气水合物第二次开发试验，采用降压法进行试采139 h，累计产气量约1.3万m3。

俄罗斯1965年在位于西伯利亚冻土区的麦索雅哈气田首次发现第一个天然气水合物气藏，试采于1969年开始，累计总产气量约129亿m3，其中天然气水合物产气约占47%，这是世界上天然气水合物商业开采最成功的案例；2007-2009年俄罗斯与日本、比利时合作，在贝加尔湖进行了5次天然气水合物开采技术工艺试验。

此外，韩国在2007年取得天然气水合物实物样品，计划于2015年进行试验开采。印度于1997年开展了天然气水合物资源评价等工作，并于2006年取得水合物实物样品，保守估计资源量为1 894万亿m3。澳大利亚、法国、德国、挪威、阿根廷等国家和部分国际组织也开展了有关天然气水合物资源量调查、环境安全和开采技术储备等工作[5-8]。

4.2 我国研究现状

我国最早从上世纪80年代末就有对天然气水合物的研究，1990年中国科学院与莫斯科大学冻土专业学者合作开展室内可燃冰相关试验；1999年国土资源部正式启动了天然气水合物资源调查的相关研究；2007年5月，在南海北部神狐海域我国首次成功钻获天然气水合物实物样品，证实该区域蕴藏了丰富的天然气水合物资源，成为继美国、日本、印度之后第四个以国家级研发计划为支撑采获到实物样品的国家，标志着我国天然气水合物调查研究水平进入世界先进行列；2008-2011年在祁连山木里地区中国地质调查局开展了天然气水合物钻探工程，2009年6月，在祁连山南缘永久冻土带成功钻获可燃冰实物样品，成为世界上第一个在中低纬度冻土区发现天然气水合物的国家，并进行试采约100 h；2011年我国成功申办2014年第八届国际天然气水合物大会，这将是国际性、最高规格的天然气水合物会议首次在发展中国家举办，充分展现了我国天然气水合物勘查研究的实力和水平以及国际认可；2013年12月17日，在广东珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度天然气水合物样品，发现了相当于1 000～1 500亿m3天然气的控制储量；2014年1月，青海省天峻县聚乎更矿区，我国首个可燃冰三维勘探项目野外采集工作完成，该项目是中国地质科学院在青藏高原可燃冰勘探领域部署的首个三维项目。

近年来，国内相关机构和能源企业也纷纷介入天然气水合物的勘探开发研究。国土资源部所属的中国地质调查局做了大量研究和勘查等工作，取得不少实质性进展；中国科学院广州天然气水合物研究中心完成了“青海省天然气水合物勘探开发方案研究报告”；青海省政府与神华集团签订了战略合作框架协议；中国海油成立了深水工程重点实验室，将天然气水合物作为主要研究方向之一，建立了三维可视开采模拟试验系统，参与国家863计划“天然气水合物模拟开采技术研究”和国家973项目“天然气水合物开采中的多相流动机理和相关基础理论研究”等课题的研究；中国石油成立了天然气水合物相关课题的研究，并把天然气水合物勘探开发技术作为科技发展规划的超前储备技术，针对冻土区和海域的天然气水合物开展钻探、勘查等研究工作[9]。

5 可燃冰发展前景

5.1 可燃冰的积极作用

在今天全世界能源日益匮乏的情况下，可燃冰作为一种新能源，具有很多常规能源所不具有的优势，可燃冰将是人类未来解决能源危机的最有希望的能源替代品，具备良好的开发前景。从新能源的角度来看，其具有常规能源所不具有的三大优点：

第一、分布非常广泛且埋藏浅，目前世界上大概有100多个国家已经发现了可燃冰存在的样本，基本上覆盖了全球的90%的海洋与30%的陆地，与传统油气资源相比，分布更为均衡，可以打破目前油气资源被少数国家垄断的局面，有利于提高能源安全。

第二、其储量十分丰富，据保守估计，全球海洋里的可燃冰储藏的甲烷总量约为2万亿m3，据第28届国际地质大会资料显示，海底存在的大量天然气水合物，可满足人类1 000 a的能源需要，如此巨大的储量，可以很好地解决目前人类的能源危机，是人类社会持续发展的动力。

第三、洁净高效、能量密度高，天然气水合物的成分与天然气相似，但更为纯净，在标准状态下，一单位体积的天然气水合物分解可产生164单位体积的甲烷气体，燃烧后的能量密度是常规天然气的2～5倍，是焦煤的10倍，使用方便，燃烧值高，能量巨大，而且其燃烧后基本上没有污染物质残留。由此可见，无论是从可燃冰的性质上看，还是从其分布范围上分析，其确实具备人类对新能源的一切设想，也足以保证人类对能源的需求。因此，可燃冰具有广阔的开采与发展前景，并将缓解能源供应日益紧缺的局面，改善能源消费结构，改变世界能源供给格局，为经济社会可持续发展提供有力支撑，是具有广阔开发前景、能源转型革命性的未来资源。

5.2 可燃冰发展中的问题

目前，天然气水合物的发展受理论认识、开发方案、关键技术、安全环保、开采成本等方面的制约，主要面临以下问题：

第一、开采方法及相关技术尚不成熟。天然气水合物钻完井技术还处于探索之中，勘探开采的理论和技术、运输技术、储藏技术等技术瓶颈都有待突破，尚没有一种理论能够科学全面地解释天然气水合物形成机理，开发利用也缺乏完整的理论体系指导，难以进行规模化商业开发生产设计。

第二、开采成本较高。根据日本石油天然气金属矿物资源机构的估算，从海底的天然气水合物中每提取1立方米的天然气，需要花费46 174日元，远高于美国天然气每立方米约10日元的开发成本，这是开发可燃冰资源不得不面对的问题，也是各国一再推迟商业开采时间表的重要原因。

第三、对环境带来不利影响。虽然可燃冰的资源优势明显，给人类能源前景带来了福音，但同时在开发过程中势必给环境及人类生活带来影响，是一把双刃剑。这样就可能会产生一系列不可预知的环境问题，如温室效应的加剧、海洋生态的变化及引起地质灾害的可能。天然气水合物的成分主要是甲烷，甲烷是一种强温室气体，温室效应要比二氧化碳大21倍，目前探明全球可燃冰储量的甲烷是大气圈中甲烷的5 000倍，一旦可燃冰作为新型能源大量开采，则在开采如果开采中稍有不慎会向大气中排放大量的甲烷气体，这将进一步加剧全球的温室效应。在海洋中开采可燃冰带来的环境问题更多，一方面甲烷如果直接进入海水中，则会很快发生微生物的氧化反应，从而会改变海水的化学属性，使得海洋缺氧，海水中的二氧化碳含量增加，喜氧生物群落将会面临物种灭绝的危险，加速海洋生物的死亡，造成生物礁退化，进而破坏海洋生态平衡；另一方面在开采过程中，会分解大量的水，稀释岩层空间，使得地层结构稳定性变差，导致斜坡稳定性降低，容易引发海底滑坡、海底坍塌等地质灾害，如毁坏海底输电或通信电缆和海洋石油钻井平台等设施。

6 结 论

当前，世界天然气水合物的发展仍处于探索阶段，进入实质性规模开发尚需时日。“十二五”以来，国家颁布了《天然气发展“十二五”规划》，在规划中明确提出要“加大天然气水合物资源勘查与评价力度，适时开展试开采工作”，将可燃冰的勘探、开采列入到国家未来发展规划中，为我国可燃冰未来发展指明了方向。把握天然气水合物资源开发主动权，建议从以下几方面入手：

第一、核心技术公关，掌握国际开采趋势。在勘探和开采方面，开展深入细致的基础科学研究评价，分层次开展专项技术攻关和现场试验，提高理论方法的可行性和可操作性，逐步形成具有自主知识产权的成套技术，抢占技术制高点，并学习国外相对成熟的技术，为下一步规模开发做好储备。

第二、加强政府引导，战略高度加强天然气水合物研发。把天然气水合物作为未来接替石油天然气的重要后备资源来考虑，开展顶层设计，制定整体发展规划，需要政府在政策和资金两个层面提供大力支持，动员社会资本，助力可燃冰发展。

第三、加大国际研发合作与交流。我国天然气水合物研究虽然处于世界一流地位，但仍与世界领先水平存在差距，迫切需要加强与相关国家、国际科研机构、国际大石油公司和技术服务公司的交流合作，进一步积累经验和技术，提高在天然气水合物资源开发方面的国际影响力。

第四、相关支持和优惠政策，推进商业化进程。天然气水合物的商业开发将给产业链的上中下游企业发展带来新一轮的投资机会，需要大量的资本、人力的投入，从国家层面开展相关政策的前瞻性研究，在矿权颁布、开发政策、财税政策等方面给予支持和优惠，提高研发机构和企业参与开发的积极性，走在国际发展趋势的前列，把握未来能源的命脉。

[1] 吴 震．新型洁净能源可燃冰的研发现状[J].节能,2009(2): 7-8.

[2] 金庆焕, 张光学, 杨木壮, 等. 天然气水合物资源概论[M]. 北京: 科学出版社, 2006: 2-36．

[3] 许 红, 黄君权, 夏 斌, 等. 最新国际天然气水合物研究现状与资源潜力评估(上)[J]. 天然气工业, 2005, 25(5): 21-25.

[4] 许 红, 黄君权, 夏 斌, 等. 最新国际天然气水合物研究现状与资源潜力评估(下)[J]. 天然气工业,2005, 25(6): 18-23.

[5] 龙学渊, 袁宗明, 倪 杰. 国外天然气水合物研究进展及我国的对策建议[J]. 勘探地球物理进展,2006,2 9(3): 170-177.

[6] Boswell R, Collett T, Mcconnell D, etc. Joint industry project leg ii discovers rich gas hydrate accumulations in sand reservoirs in the gulf of Mexico [J]. Fire in the Ice,2009, 9(3):1-5.

[7] Collett T S, Riedel M, Boswell R, etc. International team completes landmark gas hydrate expedition in the offshore of India [J]. Fire in the Ice, 2006,6(3):1-4.

[8] Benoit Beauchamp. Natural gas hydrates: myths, facts and issues[J].C. R. Geoscience, 2004(336) : 751-765.

[9] 白玉湖, 李清平. 海洋天然气水合物藏开采若干问题研究[J].中国工程科学, 2011,13(5):103-111.