可燃冰的研究现状与前景
丁蟠峰 杨富祥 程遥遥
摘 ?????要： 可燃冰是目前公认最佳的替代能源和清洁能源，分布范圍广，开发利用潜力大。综合介绍了可燃冰的形成条件及世界分布情况，阐述了可燃冰开采方法以及开采过程中面临的挑战，最后对可燃冰的发展趋势做了展望。
关 ?键 ?词：可燃冰;清洁能源;开采方法
中图分类号：X382 ??????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）04-0815-04
Abstract： Combustible ice is recognized as the best alternative energy and clean energy at present. It has a wide range of distribution and great potential for development and utilization. In this paper， the formation conditions and world distribution of combustible ice were introduced. The mining methods and challenges in the mining process were described. The future development trend of combustible ice was also prospected.
Key words： Combustible ice; Clean energy; Mining method
天然气水合物（ Natural Gas Hydrate， 简称NGH），也叫“可燃冰”（化学式为CH4·8H2O），主要呈冰状白色结晶固体，是现今最具开发价值的非常规能源。其主要分布于深海地层和永久冻土层中，资源量巨大，燃烧热值高，每立方米天然气水合物在标准大气压下能释放出164 m3的天然气和 8 m3的水。据推算，世界天然气水合物资源储量比现存石油、煤炭与天然气总量的2倍还多，按目前消费速度，可供全球人类1 000年生产使用。如今全球超过100多个地区与国家已钻获可燃冰实物样品，各国政府与专家开始着手勘探与研究。
1 ?可燃冰简介
1.1 ?可燃冰的形成
可燃冰形成必须是在低温高压状态下，其温度必须满足在0 ～10 ℃，超过20 ℃时易分解;压力需大于10 MPa，在0 ℃时，30个以上标准大气压才可能形成;充足的气、水是必要条件，而一定的空隙结构则是其生长条件[1]。除此之外地质构造，含水介质，pH值也是影响可燃冰形成的重要原因。
1.2 ?可燃冰的分布
可燃冰于20世纪60年代首次被发现[2]，据勘测研究发现，可燃冰主要存在于冻土地区和海洋环境（深海和浅海环境均有）。 98%在海洋环境，2%在冻土地区。而已发现的可燃冰大多存在于陆地上的永久冻土区及陆地边缘的海底深层砂砾中[3]。就全球而言，可燃冰主要储存于海底之下0～1 500 m的松散沉积岩中。国内的可燃冰主要分布在两个地区，一个青海和西藏的冻土区，另一个就是南海。青藏高原以冻土带为主，因此可能储藏大规模的可燃冰资源。 其次，我国南海的可燃冰储量相当丰富，全球可燃冰含量大约是2.1×1016 m3，而我国南海大约含有6.4×1013 m3。
1.3 ?可燃冰研究开发现状
1.3.1 ?国外可燃冰研究开发现状
正是可燃冰清洁无污染、分布范围广、资源量大等优势，及寻求可替代能源的决心，使人们对可燃冰的开采工作掀起一股热浪。调查表明，至今已有30多个国家对可燃冰物性进行研究与分析，随着科技的不断发展，可燃冰的开发测试和勘查技术日渐趋于成熟，但可燃冰的安全商业化开采技术仍需不断改进与创新。
表1为一些主要国家可燃冰的发展现状。
此外，印度在1995年制订了5年期《全国气体水合物研究计划》，1997年开展了天然气水合物特性研究工作，2006年获取天然气水合物样品，推测其蕴藏量约1 894万亿m3。2007年，韩国获取天然气水合物样品，2008年确认周边海域可燃冰矿区，并对其储量进行初步估计。一些发达国家和部分国际组织也进行了与天然气水合物能源相关勘探研究与开发技术储备等工作[6-8]。
1.3.2 ?我国可燃冰研究开发现状
据调查显示，我国有2.15×106 km2冻土带，其蕴含可燃冰储量高达3.5×1010 t油当量，而我国海域可燃冰储量为4×109 t油当量。虽然我国可燃冰勘察研究比发达国家起步晚，但随着近几年来国际研发合作拓展，国家对可燃冰工业化开发的重视，可燃冰研究也取得了一定进展，勘探开发技术差距也在逐渐缩小。表2为我国可燃冰发展现状。
从中国发展战略规划及天然气水合物研究开发方案看出，2006年至2020 年为初步探查阶段，2020年至2030年为开采初期阶段，截至2050年，我国可燃冰发展达到商业化开采阶段[10]。
2 ?可燃冰开采方法
可燃冰在世界分布范围广资源蕴藏量大，其开采技术也不完善，且在常温和常压条件下极不稳定，所产生的温室效应要比CO2高20多倍，不仅破坏海洋稳态平衡，甚至引起大陆架边缘的动荡，导致灾难性海啸。因此目前对可燃冰的开采技术还处在探索阶段，还有一系列的技术难题需要攻破。目前主要的传统开采法有：降压法，热激法及化学试剂注入法等，提出的新方法有CO2置换封存法，冷钻热采法和固体开采法。下面对几种新方法进行详细介绍。
2.1 ?CO2置换封存法
CO2置换封存法是CO2海底封存技术与CO2置换CH4技术相結合提出的能利用CO2达到高效开采的新方法，通过制备提取天然气水合物中的天然气，还能发挥缓解温室效应的作用，有广泛的商业价值前景和环境效益。近年，联合国“政府间气候变化委员会”已经把海底固碳作为缓解温室气体的一种新型方法应用于实际当中。
CO2置换法最早是由Ohgaki等[11]提出，其原理如图1所示，CO2分子在范德华力作用下将围绕在CH4气体分子周围的H2O分子吸引过来使原本在 CH4气体分子周围和H2O分子之间的H键断裂，形成游离态的H2O分子，同时随着H2O分子逐渐离开，使处在里面的CH4气体分子游离出来。
CO2海底封存法理论上有很高的实践性，同时具有很高的技术水平， 过去200年来，全球人类排放到大气中的CO2据研究显示约1.3万亿t，而海洋能溶解其中的30%～40%[12]，将CO2封存于海洋中是比较理想的方法，CO2封存于海底主要有两种形式：液态封存和固态封存[13]。CO2海洋封存示意图如图2所示。目前， 美国，加拿大，等国开展CO2海底封存研究与实践，并表明CO2海底封存技术有良好的发展前景。CO2置换封存法通过钻井平台，采气管道，分离塔，压缩系统和供热设备，通过压力差，将CO2安全有效地注入来保证CH4连续生产，不仅减少了大气中的CO2，还保证了海底沉积层的稳定性。虽然CO2置换封存法并未在实际中加以运用，相信在可燃冰开采的未来有广泛的应用前景。同时，若将CO2封存于海底，是否会影响海底pH值变化，又会对海洋生物造成何种影响尚不可知。
2.2 ?冷钻热采法
2017年5月，随着“蓝鲸一号”海上钻井平台用降压法首次试采成功，中国对可燃冰勘探开发技术进一步提升。历经10多年技术攻关，吉林大学相关科研团队成功研发出国内外首创的天然气水合物冷钻热采关键技术[14]。该技术的关键创新点[15-19]：
（1）发明天然气水合物孔底快速冷冻取样方法，提出了主动式降温实现被动式降压技术，开采取样时，运用强制冷冻技术使用液氮来控制水合物温度（-30 ℃），达到防止水合物分解的目的。
（2）提出钻井液“动态强制制冷”技术。由载冷剂箱和连轴泥浆泵连接换热而组成制冷机组，解决钻进中泥浆温度过高使水合物分解，达到了水合物取样的温度标准。
2.3 ?固体开采法
固体开采法最早是直接获取海底固态天然气水合物，将天然气水合物输送至浅水区通过搅拌或其他物理化学方法对其进行稳定性分解，如图3所示。近年来，这种方法逐渐成为混合开采法：①在原地将水合物分离为气液混合物，采集混合泥浆。②将混合泥浆输送至作业船与生产平台处理，让天然气水合物进行完全分解，达到获取天然气的效果。此方法依靠海水温度的能量，抑制水合物分解。由于水合物从深水区输送至浅水区历经三相流动且需要消耗大量能量。因此，对于商业化生产还有很多技术难关需要攻克。
3 ?面临的挑战
虽然可燃冰作为新能源开采前景广阔，但仍面临着一些挑战，如对环境所带来的不利影响，开采方法及相关技术尚不成熟，开采成本较高等一系列问题。
若无安全高效的开采技术为前提，由于可燃冰开采不当而发生CH4泄漏，将会造成大陆架边缘动荡从而引发海底塌陷、滑坡、海啸等地质灾害，打破生态平衡;开采技术同时面临着巨大的挑战，在开采技术层面尚未找到一个适合现状的高效率、低风险的方法，此外，勘探找矿选区难度较大，海域水合物地震勘查识别的精度和准确性较低，冻土区水合物勘查识别仍缺乏有效方法[20，21];目前，开采天然气水合物需要耗费高昂的成本与费用。在技术与成本高负荷下，想要使可燃冰达到商业化开采还需很长时间，只有攻破技术难关，成本才能随之降低。
4 ?展 望
我国现阶段石油的进口依赖度达到60%，依靠煤炭发电，由此引发的环境问题也愈发严重。随着经济发展，我国对高效清洁能源的需求逐日增加，对新型可替代能源的勘探与开发的重视程度也在逐年上升。国家在“十二五”规划中强调指出要加快可燃冰能源探查步伐及基础设施建设，寻求时机完成试开采任务。并于2017年11月，国土资源部批准可燃冰为我国第173个新矿种。同时，我国也正在对可燃冰开采技术进行自主研发与创新，形成我国特色的开发技术体系，积极向它国学习先进技术借鉴其实践经验，发展本国储量优势，鼓励发展高效替代能源改变能源生产结构，加强国家间相互交流与合作。虽然我国可燃冰的开采技术才刚刚起步，但随着南海试采成功，我国对可燃冰的开采技术也得到了进一步提高，相信在政策法规的不断健全，理论与技术日益改善下，达到可燃冰工业规模与商业化开采将指日可待。
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