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我国可燃冰开采利用进程“浮出水面”

  可燃冰是公认的地球上尚待开发的大规模新型化石能源,是未来全球能源发展的战略制高点。全球可燃冰储量和分布情况如何,主要大国可燃冰研究试采进展如何?2017年,中国石油在可燃冰勘探开发领域取得了新的突破,总承包首次南海神狐海域可燃冰试采获历史性成功,可燃冰被命名为第173号新矿种,党中央、国务院专门发贺电祝贺。目前,中国的可燃冰开采已经取得了长足的进步,有力地支撑着国家能源资源战略,但其难度也是毋庸置疑的。 
 
  全球可燃冰储量巨大 分布广泛
  根据美国地质调查局(USGS)的说法,天然气水合物是水和低分子量气体(如甲烷、乙烷、二氧化碳)在适度高压、低温条件下形成的白色冰状结晶体,最常见的是甲烷水合物(即“甲烷冰”)。由于天然气水合物外形酷似冰,而且能够像固体酒精一样用火直接点燃,所以又称为“可燃冰”。无论是在海底还是在陆域永久冻土带,可燃冰只有在0℃-10℃时才能生成,超过20摄氏度就会分解,变得“烟消云散”。同时,要生成可燃冰,还得需要适度高压的条件。例如,如果温度为0℃,那么得要30个大气压才能生成可燃冰。
  中国现代国际关系研究院世界经济研究所资源与环境研究室主任张茂荣介绍,可燃冰中的天然气主要来源于两种形式:一种来源于微生物分解,这些微生物将有机质分解形成甲烷等气体,这与沼气类似;另一种是热解成气,也就是说,有机质在较高温度和较大深度下通过热分解而形成天然气。通过对全球244个可燃冰样品的分析得出的结论是,绝大多数海底可燃冰中的天然气是微生物气型,其次是混合气型,而热解气型则比较少。
  在自然界,可燃冰广泛分布在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、极地大陆架以及大陆永久冻土中。可燃冰主要分布在两类地区:一类是深度为300米-3000米的海底,另一类是以南北极冻土区为主的陆上冻土区。其中,99%的可燃冰存在于海洋沉积物中。根据最新研究结果,27%的地球陆地面积具有形成可燃冰的潜力,90%的地球海洋面积具有形成可燃冰的潜力。目前,地球上已经发现的海底可燃冰矿藏,主要分布在环太平洋和环北冰洋、印度洋北部、大西洋西岸以及南极近海,此外一些内陆海如黑海、里海、地中海,以及贝加尔湖等湖底也有少量的可燃冰分布。在陆地上,可燃冰主要分布在环北冰洋的高纬度冻土区,中国的青藏高原冻土区也有一定的分布。目前,世界上已有79个国家和地区发现了可燃冰矿藏。全球已直接或间接发现的可燃冰矿点中,97%集中在海洋,其余3%主要位于陆地冻土带。
 
我国可燃冰开采利用进程“浮出水面”
 
  长期以来,全球范围内可燃冰资源量问题,是包括科学界在内的各界讨论的焦点问题。目前,有一个观点得到科学界广泛引用。该观点于1988年由美国科学家科温沃登(Kvenvolden)提出,他通过预测认为,全球可燃冰资源量高达2.1×1016立方米,大约相当于21万亿吨油当量,其规模之巨大,几乎为全球已发现的常规化石能源(煤炭、石油、天然气等)的两倍。2011年,美国能源部国家能源技术实验室发布了一份有关可燃冰资源潜力的研究报告。该报告预测,全球可燃冰资源量为2.0×1016立方米,大约与20万亿吨油当量相当,这与科温沃登的预测结果非常接近。
  中国地质调查局的预测结果显示,中国海域可燃冰资源量约为800亿吨油当量。若考虑陆上冻土带资源,中国可燃冰资源量预计将达到1000亿吨油气当量的规模。截至目前,中国通过对重点地区的普查,对可燃冰矿藏进行摸底,已经圈定了两个千亿立方米级的巨大矿藏,还圈定了19个成矿区带和11个有利远景区。可燃冰在中国的主要分布区位于南海海域。南海是中国可燃冰成矿条件和找矿前景最好的地区,也是中国对可燃冰调查研究程度最高的地区。
  张茂荣认为,可燃冰作为一种新型能源,具有埋藏比较浅、能量密度高、高效清洁等特点,对世界能源未来的影响可能会非常深远。可燃冰作为高度压缩的天然气,其甲烷含量高达80%—99.9%。据实验统计,1单位体积的可燃冰分解后,最多能够产生高达164单位体积的甲烷气体,可见其甲烷含量之高,能量密度之大。可燃冰可以通过一定的处理程序形成液化天然气(LNG),从而减少空间占用和运输难度。可燃冰比较“清洁”,其燃烧后仅会产生少量的水和二氧化碳,较煤炭、石油、天然气等常规能源的污染程度小得多,但能量密度却是后者的十倍。根据科学家们的估算结果显示,全球可燃冰仅海底储量就足够人类使用1000年。 综上所述,可燃冰由于具有储量巨大、燃烧值高、高效清洁等优点,被赞誉为21世纪最具商业开发前景的战略能源,受到世界各国高度重视,纷纷投入力量进行研究开发。
 
  我国可燃冰未来发展值得期待
  自20世纪60年代开始,前苏联、美国、加拿大等少数一些国家就开始了可燃冰资源的调查工作。进入80年代后,世界多地(包括大海、深湖、高原、极地等)发现了储量丰富的可燃冰,受此鼓舞,70多个国家陆续制定了开采可燃冰的规划。而从20世纪90年代开始,美国、日本、中国、加拿大、韩国、印度等更是纷纷投入巨资,竞相在本土乃至国际海底开展可燃冰的调查和试采。
  中国是较早进行可燃冰研究的国家之一,在试采可燃冰方面一直处于世界前列。1997年,中国设立了“中国海域天然气水合物勘测研究”项目。1998年,中国成立了国土资源部,并开展了国土资源大调查。此后,中国投入960万元进行了可燃冰初步研究。到了2002年,中国正式将可燃冰列入国家计划。2004年,中德两国合作在南海进行可燃冰研究,德国“太阳号”调查船载着近30位两国科学家进行第一次海底取样,但未获成功。
  2007年,中国地质调查局下属的广州海洋地质调查局,牵头组织国内外先进的勘探力量,在中国南海北部的神狐海域,成功钻取了可燃冰实物样品,发现了分散型可燃冰矿藏。这一可燃冰矿藏具有矿层厚度大、饱和度高、甲烷含量高的特点,受到国内外关注。由此,中国成为继美国、日本、印度之后第四个成功在海底钻取到可燃冰样品的国家。2008年,在青藏高原祁连山脉木里地区的永久冻土带,中国科学家钻获了可燃冰实物样品。由此,中国成为世界上在海洋和陆地都发现可燃冰的少数国家之一。
  2011年,中国以加快南海北部可燃冰资源远景区勘查评价、选择重点靶区实施可燃冰试验性开采为目标的可燃冰钻探专项启动。2013年,中国在珠江口盆地东部海域首次发现了超过千亿立方米级的可燃冰矿藏,并获取了多种类型的可燃冰样品。2014年2月,中国的“南海可燃冰富集规律与开采基础研究”通过了验收,从而建立起了南海可燃冰基础研究的系统性理论。到了2015年,中国科学家再次发现超过千亿立方米级的可燃冰矿藏,这一矿藏也是在中国南海神狐海域。
  2017年5月10日,中国地质调查局从中国南海神狐海域开采出天然气。天然气来自于水深1266米海底以下203米-277米的可燃冰矿藏。到5月18日,在8天内连续稳定产气,每天平均产气量超过1.6万立方米,最高日产气量达到3.5万立方米,8天总共产气量超过12万立方米,而且甲烷含量最高达到99.5%,实现了预定目标(超过国际公认的日均产气1万立方米以上且连续一周不间断的指标),标志着中国首次海域可燃冰试采取得了成功,由此,中国成为全球首个实现了在海域可燃冰试采中获得连续稳定产气的国家。其实,中国的稳定产气远不止8天。自5月10日开始,到6月21日,中国南海可燃冰连续稳定产气42天,累计产量超过23.5万立方米,并创新20项技术,远超日本成为世界第一个试开采成功的国家。
  中国在可燃冰试采技术均被各国严密封锁的不利形势下,实现跟跑者后来居上,关键在于中国实施了全面自主创新,这些自主创新体现在可燃冰试采成气理论、抽气技术、工程装备等各个领域。例如,中国在可燃冰开采过程中,采用了“防砂排砂”“水、沙、气分离”等多项自主核心技术。2017年11月3日,中国国务院正式批准将可燃冰列为新矿种,成为中国第173个矿种。中国在可燃冰开采中取得的突破,在理论、技术、安全等各层面都对世界各国具有重要的参考和借鉴价值。
 
  天然气水合物发展重要时间节点
  自人类发现可燃冰以来,大致经历了实验室研究、管道堵塞及防治、资源调查与开发利用四个阶段。
  1810年
  英国科学家汉弗莱·戴维(Humphry Davy)在实验室合成氯气水合物。之后的研究几乎均在化学家们的实验室里进行,他们试图合成各种各样的水合物。
  1934年
  前苏联科学家发现在西伯利亚输气管道里有可燃冰,它堵塞了管道,影响天然气输送。为此,美国、前苏联、荷兰、德国等国先后开展了可燃冰的形成动力学和热力学研究以及如何防治输气管道中形成可燃冰问题,由此进入到管道堵塞及防治研究阶段。
  1969年
  前苏联在麦索亚哈气田进行释压法开采可燃冰的试验,取得较好效果。麦索亚哈气田由游离的天然气藏和可燃冰藏两部分组成,其中1/3的气体来自可燃冰藏。该气田从1969年开始试采到1990年最终停产,断断续续生产了17年,从麦索亚哈气田开采出的天然气中约36%的气体产自可燃冰。
  1995年至1997年
  以美国为首的DSDP及其后继的ODP在10个深海地区发现大规模可燃冰聚集:秘鲁海沟陆坡、中美洲海沟陆坡(哥斯达黎加、危地马拉、墨西哥)、美国东南大西洋海域、美洲西部太平洋海域、日本近海、阿拉斯加近海和墨西哥湾等海域。
  2017年
  中国在南海北部神狐海域进行的可燃冰试采获得成功,成为全球首个在海域可燃冰试采中获得连续稳定产气的国家,创造了产气时长和产气总量的世界纪录。这次试采成功是中国首次、也是世界首次实现泥质粉砂型可燃冰安全可控开采。
 
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