可燃冰的形成機理及應用

可燃冰的形成機理及應用

一、可燃冰的發(fā)展背景(一)全球可燃冰資源及分配現(xiàn)狀可燃冰是指在高壓和低溫條件下，通過甲烷和水形成的冰結合物。它的外觀與冰雪和固體酒精相似。因此,可燃冰又稱為甲烷水合物、氣冰、固體瓦斯等。1778年,英國化學家普德斯特里就首次發(fā)現(xiàn)可燃冰,但是這件事在當時并沒有引起足夠重視。1965年,蘇聯(lián)在西伯利亞西部發(fā)現(xiàn)了可燃冰,這一發(fā)現(xiàn)才引起了全球?qū)扇急膹V泛關注。截至目前,已有79個國家和地區(qū)發(fā)現(xiàn)了可燃冰。根據(jù)國際能源網(wǎng)提供的數(shù)據(jù),全球化石燃料有機碳含量是5×1012噸(5萬億噸),而可燃冰的碳含量是10×1012噸(10萬億噸)。陸地上,大約有27%的面積是可以形成可燃冰的潛在地區(qū),而大洋水域中90%的面積也是這樣的潛在地區(qū)。目前,已探查的海底可燃冰分布范圍約為4×107平方千米,占海洋總面積的10%。全球可燃冰資源儲量大約是2×1016立方米,是剩余天然氣儲量(1.56×1014立方米)的128倍。據(jù)保守估計,目前世界上可燃冰所含的有機碳的總資源量相當于全球已知煤、石油和天然氣碳含量的2倍。第28屆國際地質(zhì)大會資料顯示,海底大量存在的可燃冰可以滿足人類1000年的能源需要。(二)使用高效開采水合物儲層可燃冰非常不穩(wěn)定,在常溫和常壓的環(huán)境下極易分解,其主要成分甲烷是溫室氣體,進入大氣后會引發(fā)溫室效應。因此,對可燃冰的開采有非常高的技術要求,稍不注意就會造成危害。開采可燃冰主要有四種方法。一是熱激發(fā)開采法。對可燃冰層進行加熱,使可燃冰分解成水和天然氣。但是這種方法尚未解決熱能利用效率低下的問題,而且只能進行局部加熱,有待于進一步完善。二是減壓開采法。利用降低壓力促使可燃冰分解。這種方法成本低,適合大面積開采,但是它對于可燃冰礦藏的性質(zhì)有要求,只有在可燃冰藏于溫壓平衡邊界附近時,減壓開采法才經(jīng)濟可行。三是化學試劑法。在儲層注入抑制劑(甲醇、乙二醇、氯化鈣等)以打破水合物平衡,造成部分可燃冰的分解。四是水力壓裂法。利用溫度相對較高的海水由高壓泵通過注入井注入水合物儲層,在加熱水合物儲層的同時還使其產(chǎn)生人工裂縫,為分解氣體提供運移通道,從而達到高效開采水合物儲層的目的,是強化的熱激發(fā)和減壓開采結合的方法。目前,可燃冰的開采主要使用減壓法,配合熱激發(fā)開采法、注化學試劑法聯(lián)用。在俄羅斯麥索雅哈(Messoyakha)可燃冰氣田、加拿大麥肯吉河三角洲(Mackensie)可燃冰氣田和日本南海海槽(靜岡縣駿河灣至九州以東海面)開展的開采工作已經(jīng)證實了該方法的可行性。技術的發(fā)展,使得可燃冰的開采得以實現(xiàn)。(三)政策支持主導下的研究工作為應對日益嚴重的環(huán)境污染,需要大力開發(fā)利用新型清潔能源。可燃冰遇火燃燒,只會產(chǎn)生二氧化碳和水,對環(huán)境污染小,是一種清潔的新型能源?？扇急拈_發(fā)利用目前還處于前期研究準備階段,沒有進入商業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)階段。這些研究工作需要國家政策引導和資金支持。例如美國政府在20世紀70年代末期發(fā)布的《能源意外獲利法》規(guī)定,對非常規(guī)能源開發(fā)實施稅收補貼,設立了非常規(guī)油氣資源研究基金;2013年日本政府將可燃冰長期開發(fā)計劃正式列入國家公共發(fā)展事業(yè),進行規(guī)模性投資,置于國家戰(zhàn)略性規(guī)劃優(yōu)先地位。我國也在2012年12月發(fā)布了《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》,明確提出“加大天然氣水合物資源勘查與評價力度,適時開展試開采工作”。此外,可燃冰概念股如神開股份、江鉆股份等相繼獲批上市,也為可燃冰的研究和開發(fā)工作提供了資金支持。二、世界碳冰產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程和趨勢(一)美國為可燃冰礦鹽礦事作規(guī)劃目前,世界上至少有30多個國家和地區(qū)在進行可燃冰的研究與調(diào)查勘探,走在前面的是蘇聯(lián)、美國及日本。1960年,蘇聯(lián)在西伯利亞發(fā)現(xiàn)了第一個可燃冰氣藏。1970年,蘇聯(lián)開始對該可燃冰礦床進行商業(yè)開采,采氣14年,總采氣量50.17億立方米。1979年,國際深海鉆探計劃在墨西哥灣海底獲得91.24米的可燃冰巖芯,首次驗證了海底可燃冰礦藏的存在。1981年,美國制定了投入800萬美元的可燃冰10年期研究計劃。1992年,大洋鉆探計劃在美國俄勒岡州西部大陸邊緣卡斯卡迪亞(Cascadia)海臺取得了可燃冰巖芯。1998年,美國把可燃冰作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入長遠計劃,準備在2015年試開采。2001年,日本產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟省正式推行《日本可燃冰開采研發(fā)計劃》制定了為期18年的戰(zhàn)略開發(fā)計劃。2012年,美國能源部在阿拉斯加北坡發(fā)掘到可燃冰,并從中安全有效地獲得穩(wěn)定的天然氣流。美國能源部準備在阿拉斯加項目成功的基礎上,將進一步開發(fā)14個新的試驗項目。2013年,日本已成功于南海海槽可燃冰氣田分離出天然氣。(二)美國、歐盟和日本的研究日本準備在2018年為可燃冰進入商業(yè)化開采確立技術基礎,實現(xiàn)可燃冰的商業(yè)化生產(chǎn)。美國計劃到2015年對可燃冰進行商業(yè)性試開采。還有一些國家也在緊鑼密鼓地進行可燃冰的開發(fā)研究,希望能夠在可燃冰的開采和商業(yè)化生產(chǎn)上取得領先優(yōu)勢,在未來能源分配格局中占據(jù)有利地位。美國、日本、加拿大2020年前可燃冰研究計劃詳見表1。(三)氣田的開采量全球可燃冰儲量豐富,分布廣泛,海域和陸域都有發(fā)現(xiàn),但是目前全球已進行開采的氣田僅有四個,具體見表2。這與可燃冰龐大的儲量相比只是一個很小的部分。而且,可燃冰的研究在全球范圍內(nèi)也還處于初級階段,產(chǎn)業(yè)鏈也沒有形成,仍處于成長期,未來的發(fā)展空間很大。三、南海天然氣管網(wǎng)我國于1999年開始開展可燃冰的相關研究,目前我國對可燃冰的研究地域主要集中在青藏高原和南海海域。國土資源部在2013年12月17日發(fā)布的《2013年海域天然氣水合物勘探成果》中透露,我國首次在珠江口盆地東部海域鉆獲高純度可燃冰。這標志著我國可燃冰的勘察研究工作發(fā)展進入新的階段。(一)中國在開發(fā)冰外冰方面的優(yōu)勢1.中國南海可燃冰資源我國作為全球第三大凍土國,具備良好的可燃冰賦存條件和資源前景?？扇急饕植荚谀虾：Ｓ?、東海海域、青藏高原凍土帶以及東北凍土帶。南海北部陸坡的可燃冰資源量達185億噸油當量,相當于南海深水勘探已探明的油氣地質(zhì)儲備的6倍,達到我國陸上石油總量的50%。此外,西沙海槽已初步圈出可燃冰分布,我國東海和臺灣省海域也存在大量可燃冰。經(jīng)專家證實中國臺灣省西南海域蘊藏著極為豐富的可燃冰。據(jù)估算,我國陸域遠景資源量至少有350億噸油當量,南海的可燃冰儲量大約為680億噸油當量。(1)2.勘探深海技術3.可燃冰礦層分布特征2013年6月至9月,中國海洋地質(zhì)科技人員在廣東沿海珠江口盆地東部海域首次鉆獲高純度可燃冰樣品,此次的可燃冰賦存于水深600~1100米的海底以下220米以內(nèi)的兩個礦層中,上層厚度15米,下層厚度30米,肉眼可辨。巖芯中可燃冰含礦率平均為45%~55%;其中可燃冰樣品中甲烷含量最高達到99%,具有埋藏淺、厚度大、類型多、純度高四個主要特點。(2)雖然海洋可燃冰開采難度更大,尚未形成成熟的開發(fā)技術方案,但我國已經(jīng)邁出了步伐。我國陸域可燃冰主要分布在青藏高原和東北凍土層。青藏高原的木里煤田含可燃冰巖層段埋藏淺,只有130~300多米,這為可燃冰開采帶來很大有利條件。(3)(二)中國缺乏可燃冰的發(fā)展1.總體上看,企業(yè)的投資及回收成本較高可燃冰這類新興、能源型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展技術難度大、投資高、耗時長、回收成本大,企業(yè)要前期投入大量人力、物力和財力,這些都不在一般企業(yè)能夠承受的范圍內(nèi)。目前只有幾家大型國有企業(yè)進行投資。2.氣體的運輸和收集開采技術層面尚未找到一個適合中國現(xiàn)狀的高效率、低風險方法。目前,開采技術都是以“破冰”思路為主,破壞可燃冰的結晶,收集產(chǎn)生的氣體。因此,氣體的收集和運輸就成為重中之重,避免出現(xiàn)大面積泄漏就成為必須要面對的問題。而另一種思路是將“冰塊”整個從海底取出,然后在海面進行可控分解,這種思路需要固體開采和固體運輸?shù)募夹g支持,有待驗證,都處于前期實驗階段。3.加熱回收作用1單位可燃冰分解可產(chǎn)生168單位的甲烷氣體。甲烷氣體的溫室效應是二氧化碳的21倍。一旦可燃冰大量開采,在開采過程中勢必會排放出甲烷氣體,屆時將加劇全球溫室效應,促使極地、海水、地層溫度升高,有可能造成可燃冰自動分解,形成惡性循環(huán)。同時,海底可燃冰的分解會導致海洋斜坡穩(wěn)定性降低,增加海底滑坡的可能性,破壞海洋中的生態(tài)平衡。四、可燃冰產(chǎn)業(yè)面臨的新機遇“十二五”時期以來,國家頒布了《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》,在規(guī)劃中明確提出要“加大天然氣水合物資源勘查與評價力度,適時開展試開采工作”,將可燃冰的勘探、開采列入國家未來發(fā)展規(guī)劃中,為我國可燃冰未來發(fā)展指明了方向。1.立足勘探開采,掌握核心技術。在勘探方面,我國海洋和陸地可燃冰盡管資源儲量大,但區(qū)域內(nèi)水合物豐度不同,因此需要開展深入細致的勘察與基礎科學研究評價,區(qū)分出富礦區(qū)和貧礦區(qū),詳細和準確地了解成礦規(guī)模與礦層展布特征以及儲量,為可燃冰商業(yè)化生產(chǎn)奠定選址基礎,這是目前亟須解決的問題之一。在開采方面,首先要加強理論基礎研究和實驗模擬工作,提高理論方法的可行性和可操作性。其次,在實地開采技術上,也要考慮如何能夠在提高開采率的同時又兼顧環(huán)境影響,研發(fā)出二者兼?zhèn)涞木C合開采技術,實施科學開采。2.推進商業(yè)化進程,推動可燃冰產(chǎn)業(yè)鏈整合。有分析認為,可燃冰有望接棒傳統(tǒng)能源,我國的商業(yè)開發(fā)有可能在2030年進行,屆時將給產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游企業(yè)發(fā)展帶來新一輪的投資機會。產(chǎn)業(yè)鏈的上游主要是具有深海技術,特別是具有較高勘探和開采能力企業(yè)的機會,需要大量的資本、人力的投入,一般只有國有大型企業(yè)最有可能承擔起前期工作。開采之后的運輸環(huán)節(jié)是中游企業(yè)的機會。這一階段能夠提供合理有效的收集運輸方式的企業(yè)將面臨巨大的市場。可燃冰可應用于交通、冶金、電力、輕工等行業(yè)的內(nèi)燃機、汽車、煉鋼、熱處理、印染、紡織等諸多方面,同時大量供給居民作為生活燃料。廣泛的應用也使可燃冰對下游企業(yè)的商業(yè)價值不可估量。3.加強政府引導,動員社會資本,助力可燃冰發(fā)展。可燃冰行業(yè)從勘探到開采到運輸再到最后的加工使用是一項利國利民的大工程,鑒于其還是一個新興的行業(yè),尚處于成長期,需要政府在政策和資金兩個層面提供大力支持。在投入公共財政資金的同時,需要積極引導和動員社會資金,以滿足可燃冰行業(yè)發(fā)展對資金的需求。PPP模式(Public-Private-Partnership,公共私營伙伴關系)以政府資金帶動社會資金進入,發(fā)揮種子資金的撬動作用,是面向基礎設施和新興行業(yè)的重要融資方式,可以考慮在可燃冰產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮積極作用。4.加強國際合作,縮小產(chǎn)業(yè)研發(fā)差距。在可燃冰的發(fā)展上,我國是繼美國、日本、印度之后第4個通過國家級研發(fā)計劃開采到可燃冰實物樣品的國家。美國、日本、俄羅斯已經(jīng)開始可燃冰氣田的開采,我們雖然處于世界一流地位,但仍與世界領先水平存在差距。本著“互利共贏,務實有效”的原則,我國積極參加和推動與各國政府、國際組織、國際機構的務實合作,為促進國際社會合作開發(fā)新能源發(fā)揮建設性作用。日前,在科技部的支持下,有關陸域可燃冰的項目已經(jīng)啟動,相關調(diào)查及開發(fā)技術研究也已納入國土資源部“十二五”規(guī)劃中,與加拿大、德國等國際合作正在推進。中海油研究總院技術研發(fā)中心首席工程師李清平指出,面對當前世界各國分別制定并啟動可燃冰勘探開發(fā)研究戰(zhàn)略的狀況,國家應盡快成立專門的研究團隊,借鑒國外如墨西哥灣、日本海域的研究策略和成功經(jīng)驗,逐步解決“怎么找、哪里有、有多少、安全性與經(jīng)濟性”等技術難題,可考慮采取“先陸后?！?凍土試采先行、海域試采跟進)的技術路徑,通過地球物理勘探、鉆探取樣、樣品分析測試鎖定富礦區(qū),在此基礎上分步實施