可燃冰：能源宝库与商业开发

牛禄青

2007年，中国南海神狐海域首次成功钻探获得天然气水合物（俗称“可燃冰”）实物样品，如今10年过去了，就在同一海域，中国实现了可燃冰试采成功。这一历史性突破来之不易，是“中国理论”“中国技术”“中国装备”凝结而成的突出成就，实现了在这一领域由“跟跑”到“领跑”的历史性跨越。

5月18日，中共中央、国务院专门向国土资源部、中国地质调查局以及参加海域天然气水合物试采任务的相关单位和人员发来贺电。贺电指出，这是在掌握深海进入、深海探测、深海开发等关键技术方面取得的重大成果，是中国人民勇攀世界科技高峰的又一标志性成就，对推动能源生产和消费革命具有重要而深远的影响。

巧合的是，美国和日本也在5月宣布尝试开采可燃冰。美国能源部下属的国家能源技术实验室12日宣布，正与得克萨斯大学奥斯汀分校等机构合作，于5月在墨西哥湾深水区开展可燃冰开采研究，11日已经开始了一次钻探。

美国十分重视可燃冰研究，2000年曾通过《天然气水合物研究与开发法案》。此后美国能源部多次拨款支持可燃冰研究，最近一次是在2016年9月，宣布投入380万美元支持6个新的可燃冰研究项目。开展本次钻探的得克萨斯大学奥斯汀分校就是受支持的项目方之一。

日本经济产业省资源能源厅5月4日宣布，日本石油天然气金属矿物资源机构成功从日本近海海底埋藏的可燃冰中提取出甲烷。此次试验开采海域位于爱知县和三重县附近的太平洋近海，估计该海域拥有的可燃冰储量达1.1万亿立方米，是日本天然气年消费量的约10倍。

这是日本第二次开采可燃冰。2013年，日本尝试过开采海底可燃冰并提取了甲烷，但由于海底砂流入开采井，试验仅6天就被迫中断。本次试验持续12天后也因出砂问题中断，未能完成原计划连续三四周稳定生产的目标，12天产气量只有3.5万立方米。

目前，全球天然气水合物研发活跃的国家和地区有30多个，主要有中国、美国、日本、加拿大、韩国和印度等，各国竞相投入巨资开展天然气水合物试采，竞争异常激烈。其中，美国、加拿大在陆地上进行过试采，但效果不理想。

中国此次试采可燃冰成功，是世界首次成功实现资源量占全球90%以上、开发难度最大的泥质粉砂型天然气水合物安全可控开采。

“从科学到技术创新要经历知其然（发现现象）、知其所以然（理论理解）、造其然（技术上可行）、利其然（经济上可行）的四个阶段。中国这次突破的意义，就是让利用可燃冰达到了‘造其然的阶段。”中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员袁岚峰说。

可燃冰的优点和储量

可燃冰又称气冰、固体瓦斯，学名叫天然气水合物，被誉为21世纪最理想的潛在替代能源。它是一种甲烷和水分子在低温高压的情况下结合在一起的化合物，因形似冰块却能燃烧而得名，燃烧后只生成二氧化碳和水，是一种燃烧值高、清洁无污染的新型能源，分布广泛而且储量巨大。

随着传统油气资源的枯竭，人类急需寻找新的可替代能源，天然气水合物的发现无疑给人们带来了新的希望。1立方米的可燃冰分解后可释放出约0.8立方米的水和164立方米的天然气，能量密度高，资源潜力巨大，估算其资源量相当于全球已探明传统化石燃料碳总量的两倍，科学家们甚至认为它是能够满足人类使用1000年的新能源，是今后替代石油、煤等传统能源的首选。

美国能源部估计，全球可燃冰中蕴藏着大约2800万亿到28000万亿立方米甲烷。相比之下，2015年全球天然气开采量约为35亿立方米，还不足天然气水合物储量的千分之一。

保守估计，全国可燃冰资源储存量约相当于1090亿吨油当量，约是常规天然气、页岩气等资源量总和的两倍，按当前的消耗水平，可满足我国近200年的能源需求。南海海域是我国可燃冰最主要的分布区，其中有近740亿吨在南海。

试采现场指挥部地质组组长陆敬安说，勘探显示，神狐海域有11个矿体，面积128平方公里，资源储存量1500亿立方米，相当于1.5亿吨石油储量，“成功试采意味着这些储量都有望转化成可利用的宝贵能源”。

“对于海洋可燃冰的研究，我国是从1995年开始的，并于2007年5月成功获取了可燃冰实物样品，成为世界上第四个通过国家级开发项目发现可燃冰的国家。”试采现场指挥部总指挥叶建良介绍说。

2010年底，由广州海洋地质调查局完成的《南海北部神狐海域天然气水合物钻探成果报告》通过终审，科考人员在我国南海北部神狐海域钻探目标区内圈定11个可燃冰矿体，显现出良好的资源潜力。“海洋六号”入列后，再次深入南海北部区域进行新一轮精确调查，调查海域包括琼东南海域、西沙海域、神狐海域和东沙海域等区域，调查的重点是在南海北部前期勘探的基础上圈定重点勘探区域。

神狐海域可燃冰储量只是我国可燃冰蕴藏量的“冰山一角”。在西沙海槽，科考人员已初步圈出可燃冰分布面积5242平方公里；在南海其他海域，同样也有天然气水合物存在的必备条件。

曾几何时，人类烧柴燃火，靠火得到能量和温暖。200年前，人类步入工业文明，是煤炭的利用使蒸汽机得以大面积推广。再后来，石油天然气使人类得以更加高效地在地球上往来穿梭。

但是，随着时间的更替，人类探明大油田的几率在不断下降，人类只能向极地、深海这些开采难度大的地方寻求能源，或者以更高的成本开采深海石油、油砂、油页岩等非常规能源。石油的渐趋匮乏是工业社会面临的最为严重的危机之一。

前些年，美国对页岩气的开采利用使其大幅降低了对石油的依赖，甚至由石油进口国转变成了出口国。正因此，我国也不断加大对页岩气的研究和开发利用，但客观说，与美国成熟的页岩气技术相比，我国仍处于跟跑阶段。

“但这次不同了，可燃冰是未来全球能源发展的战略制高点，我们率先试采成功，是领跑而不是跟随。”中国地质调查局局长钟自然表示。

可燃冰是如何形成的？

目前人类已探明的可燃冰主要分布在海底和永久冻土带，全球海洋总面积的90%具备天然气水合物生成条件。要形成可燃冰必须满足三个基本条件：原材料、温度和压力。

首先，要有一定数量的天然气这一原材料。其次，必须是低温条件，可燃冰在0到10℃时生成，超过20℃就会分解，变得“烟消云散”。因此，无论是在海底还是陆域的永久冻土带都要满足这一条件。最后，必须要在高压条件下才能生成。在0℃时，需要30个大气压才可以生成可燃冰。

中国地质调查局基础部副主任邱海峻介绍说，在神狐海域1200米水深以下，200米左右，只要有合适的低温高压环境，就能形成水合物，而且只要气源比较充足，就能形成很富集的矿体，这是规律。

在原材料、温度、压力三者都具备的条件下，可燃冰晶体就生成了。除了海底，科学家在大陆的永久冻土带也发现了可燃冰。我国是世界上第一个在中高纬度高原冻土带钻获可燃冰实物样品的国家。

根据2016年发布的《中国能源矿产地质调查报告》的最新数据，我国可燃冰预测远景资源量超1000亿吨油当量，开发前景广阔。那么这些可燃冰到底都藏在哪里呢？在《中国能源矿产地质调查报告》中提到的可燃冰资源量，包括海域可燃冰和陆域可燃冰。

2013年在我国珠江口盆地东部海域发现超千亿方级可燃冰矿藏，2015年神狐海域再次发现超千亿方级可燃冰，而且矿藏分布广、厚度大、饱和度高，为我国可燃冰试开采提供了重要参考靶区。2015年，我国利用自主研发的4500米级“海马”号无人遥控潜水器首次在珠江口盆地西部海域发现了可燃冰活动的标志——活动性“冷泉”，并成功获取了可燃冰样品。

天然气水合物试采现场总指挥叶建良表示，水合物要有一定的温压条件，也要有一定的气体来源，所以基本都分布在大陆架的边缘地带。

其实，我国对海底可燃冰的研究和勘探已經进行了30年，在南海西沙海槽、神狐等海区相继发现存在标志。而在世界上，可燃冰的研究早在上世纪六十年代就已经开始。截至目前，全世界直接或间接发现的可燃冰矿点超过200多处。

和国际上早在上个世纪60年代就开始勘探、研究可燃冰相比，我国的可燃冰研究起步要晚到1998年，但中国科技工作者只用了不到20年就完成了从空白到赶超的全过程。

和海洋石油、天然气相比，海域可燃冰的开采就一个字：难。难点也是一个字：软。

“可燃冰虽然储量大、分布广，但形成年代要比石油、天然气晚得多，覆盖它的海底地层普遍是砂质，现有的海底钻井设备开采它就好比在豆腐上打铁、用金刚钻绣花，稍有不慎就会导致大量砂石涌进管道，造成开采失败。”试采现场指挥部首席科学家、中国地质调查局“李四光学者”卢海龙说。

“与日本相比，我国海域主要属于粉砂型储层，这也是占全球90%以上比例的储藏类型。砂细导致渗透率更差，同时我国的可燃冰水深大，储层埋层浅，施工难度更大。我们的突破，对于全世界而言更具有可参考和借鉴的价值。”卢海龙说。

商业化开采有多远

国土资源部中国地质调查局副局长李金发在央视新闻中表示，这一次天然气水合物的试开采成功，将会是继美国引领页岩气革命之后的，由我国引领的天然气水合物革命，将会推动整个世界能源利用格局的改变。中共中央、国务院贺电中也指示下一步促进天然气水合物勘查开采产业化进程。

中国地质调查局预计，或在2020年前后突破天然气水合物的开发技术，实现能够适应工业化开发规模的工艺、技术和设备完善，大约再经过10年左右提升，到2030年前后实现天然气水合物的商业开发，那时候大家就可能使用可燃冰作为燃料的汽车了。

在本次试开采之后，我国可燃冰开采将进入“科学积累”的新阶段。叶建良说，在系统总结本次试采经验、优化试采技术工艺的基础上，还将开展更多种类型可燃冰试采，建立适合我国资源特点的开发利用技术体系，同时创建国家重点实验室、工程技术中心等创新平台，进一步提高可燃冰勘探开发和深海科技创新能力。

根据国土资源科技创新规划，“十三五”期间，通过研制深远海油气及可燃冰勘探开发技术装备，我国将推进大洋海底矿产勘探及海洋可燃冰试采工程，力争2020年实现商业化试采，研制成功全海深潜水器和深远海核动力浮动平台技术。

中国科学家们还对未来全球能源接续的“中国方案”雄心勃勃。“低渗粉砂质储层水合物矿藏在海上丝绸之路沿线国家广泛分布，很多国家对可燃冰有强烈需求。我们现在掌握了这一技术，有利于解决‘一带一路沿线的资源、能源问题，推动 ‘一带一路沿线的经济发展和融合。”邱海峻说。

目前，在中国之外，美国和日本是世界上可燃冰勘探开发投入比较多、比较积极的国家，并取得了一定的成绩。但由于这两个国家也只做过实验性开采，受制于技术和成本等其他原因，两国商业化开采可燃冰的时间都可能延迟。

具体来说，美国已推迟了原定2015年进行可燃冰商业性开采的计划，具体时间待定。不过，美国地质调查局则认为最早也要到2025年才能看到成效。

日本此前的《海洋基本计划》提出，日本将力争在2018年前为商业开采海底可燃冰确立全套技术基础，并在2023-2029年间实现商业化开发。但是日本今年4月再次进行试采时受挫。

目前可燃冰商业化开采还面临三大挑战：一是开采技术。世界各国对可燃冰的开采仍处于研究试验阶段，还没有成熟完美的开采技术，但有三种开采方案：

1、热解法。利用可燃冰在温度升高时会自动分解的特性，通过加温方式向可燃冰层注入热能，使其由固态分解出甲烷气体。这种开采方式基本上已获得成功，但整个开采过程要对甲烷进行两次分离，还要消耗大量能源来加热温水。

2、置换法。将化学试剂注入可燃冰层中，使其与可燃冰发生反应，改变可燃冰的稳定平衡状态，使其发生失稳作用而进行开采。这种方法对甲烷气体难以进行有效的收集，布设收集管道是个难题。