低碳社会的理想能源

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摘  要：“可燃冰”在全球范围内广泛存在，分布于极地冰川冻土带、冰雪高山冻结岩、大陆边缘海、深海槽区和大洋盆地。据专家预测，全球“可燃冰”所含有机碳总量是已知石油等化石燃料含碳总量的两倍，并且“可燃冰”燃烧后不会释放有害物质，仅生成少量的二氧化碳和水，所以“可燃冰”被誉为未来低碳社会的理想能源。国际上很多国家已经认识到“可燃冰”能源的重要性，对“可燃冰”的勘探和开发做了深入研究。在不久的将来，如果实现了“可燃冰”的商业开采，那么将改变全球的能源格局。

关键词：可燃冰;天然气水合物;勘探和开发;能源

中图分类号：P744.4    文献标识码：A    文章编号：1671-2064（2019）17-0000-00

1 什么是“可燃冰？”

“可燃冰”是由天然气和水在高压低温状态下形成的“似冰”状结晶物质^[1]，学名是天然气水合物。因为外观像冰且遇火可燃，故称之为“可燃冰”。

“可燃冰”在全球范围内广泛存在，全球约有27%的陆地可形成“可燃冰”，包括极地冰川冻土带和冰雪高山冻结岩;30%的海域（面积约为18.9×10⁸km²）有利于形成“可燃冰”，包括全球边缘海、深海槽区及大洋盆地。据专家预测，全球“可燃冰”所含有机碳总量是已知石油等化石燃料含碳总量的两倍。迄今为止，“可燃冰”已经成为最有价值、最具潜力的海底矿产资源。

据理论计算，1 m³的“可燃冰”可释放出164 m³的甲烷气和0.8 m³的水。而且燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水，不像煤炭和石油燃烧时释放出粉尘、硫化物、氮氧化物等环境污染物，所以“可燃冰”被誉为未来低碳社会的理想能源。

2 全球“可燃冰”的勘查试采方兴未艾

国际上很多国家已经认识到“可燃冰”能源的重要性，对“可燃冰”调查研究和开发工作日益重视，并正在加速推进对“可燃冰”物化性质、产出条件、分布规律、勘查技术、开采工艺、经济评价及开采可能造成的环境影响等进行了广泛而深入的研究。

自20世纪80年代开始，已经有30多个国家和地区相继投入巨资开展可燃冰勘查开发及科学研究。美国、日本、加拿大、印度、韩国、德国等国家还制定了“可燃冰”勘查开发的国家计划，并将其纳入国家能源中长期发展规划。前苏联在西西伯利亚麦索亚哈气田进行了“可燃冰”开发，加拿大马更些冻土区、美国阿拉斯加北坡、中国祁连山冻土区、日本南海海槽和中国南海神狐海域实施试验性开采（如图1）。

3 “可燃冰”勘探技术

目前“可燃冰”的勘探技术，主要有地球物理法、地球化学法、钻井取心和水下成像技术^[2]。在不同的环境和条件下，应选取合适的方法对“可燃冰”进行探测，为保证勘探的准确性，有时还需多种方法联合使用。

3.1地球物理勘探法

3.1.1地震勘探法

地震勘探法分为以下五种：（1）高分辨率地震，可以显示显示BSR的位置;（2）深拖多道地震，可分辨出“可燃冰”層详细的地层结构;（3）海底地震仪探测，可给出“可燃冰”的沉积地层速度结构模型;（4）海底地震电缆，利于BSR之下的气区成像;（5）浅地层剖面方法，可得到200 m以浅的地层结构图像。

3.1.2海底热流勘探

“可燃冰”形成和分解时，伴随着吸热和放热过程，因此利用海底热流探针测量海底热流和海底温度，从而估算“可燃冰”稳定带的底界，确定其分布范围。

3.1.3海底电磁、重力勘探

海底电磁探测辅助地震勘探手段，评价和计算“可燃冰”的资源;重力仪可以估算沉积地层中“可燃冰”的含量。

3.1.4测井技术

测井技术是勘探“可燃冰”的有效方法，分为随钻测井和电缆测井。测井方法可以在原位地层的温压条件下测量地层的物理性质。

3.2地球化学勘探方法

地球化学勘探方法分为以下三种：（1）气体异常检查法，海水中甲烷、H₂S和CO₂含量的异常指示“可燃冰”的存在;（2）沉积物孔隙水地球化学异常，在“可燃冰”分布区孔隙水Cl^- 浓度和SO₄^2-浓度会随深度急剧减小;其他示踪离子浓度异常（如Br^-、I^-、Ca²⁺、Mg²⁺、Sr²⁺、Li⁺、Na⁺、K⁺等）。（3）稳定同位素法，用甲烷中的δ¹³C值等来判定成矿原因;海水中高⁴He含量可以判别“可燃冰”的存在;另外还有δD、δ¹⁸O、δ³⁴S、⁸⁷Si/⁸⁶Si、δ¹¹B、δ⁶Li、δ³⁷Cl、δ⁸¹Br和¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os等同位素地球化学方法。

3.3钻井取心技术

通过观察钻井泥浆中充气和短时间排气现象来发现“可燃冰”层，同时可采用冷却泥浆钻井和保压岩心筒取心来直接获得“可燃冰”样品。

3.4地貌勘测、水下成像勘测

“可燃冰”常分布在断层、麻坑、泥火山、底辟这样的的海底地貌区域，这些地貌普遍通过声呐设备（多波束、侧扫声呐、合成孔径声呐、浅地层剖面仪）来探测，随着科学技术的不断发展，海底电视摄像设备和水下机器人也用于海底探测。

4 “可燃冰”开采技术

由于“可燃冰”是以固态形式存在于常年冻土区和深海区，所以常规的油气藏开采手段不能直接用于“可燃冰”的开采。目前提出的开采方法都是基于破坏“可燃冰”存在的温压条件而分解的原理，包括降压法、热激法、注入抑制剂法、CO₂置换法、固体开采法及水力压裂法^[3]。但是这些方法各有优劣，需要根据实际情况选择合适的方法。

（1）降压法：通过钻探降低“可燃冰”下面气层的平衡压力，使“可燃冰”失稳并分解成天然气和水。优点：成本低，不需要连续激发，适合具有下伏气的“可燃冰”矿藏开采。缺点：不适用于不含下伏游离气的“可燃冰”储层。

（2）热激法：将热水或其他热流体强制注入“可燃冰”地层，改变“可燃冰”的穩定温度，从而使其分解。优点：作用方式较快，可以实现连续注热。缺点：注热过程中热损失大，效率低，并且加热面积小。

（3）注入抑制剂法：将甲醇、乙醇、乙二醇、盐水、氯化钙等化学试剂注入地层，改变“可燃冰”的形成条件，从而使其分解。优点：在开采初期可以降低天然气水合物开采成本投入。缺点：速度慢，成本高，且会影响生态环境。

（4）CO₂置换法：其原理是CO₂水合物比CH₄水合物稳定，CO₂进入天然气中，与水形成水合物，同时释放热量促使“可燃冰”分解。优点：可以封存温室气体CO₂，具有一定的坏境效益。缺点：通常该方法置换率不高。

（5）固体开采法。优点：直接采集海底固态水合物，将其拖至浅水区进行控制性分解。缺点：技术难度高，不可预知的费用昂贵。

（6）水力压裂法。优点：向水合物储层高压泵入温度相对较高的海水，在加热水合物的同时使其产生人工裂缝，为分解气体提供运移通道，从而提高开采水合物的效率。缺点：需先确定水合物储层系统的状态，了解水合物的压裂机制，通过含水合物沉积试验了解其属性。

5 我国“可燃冰”研究赶超国际水平

我国的“可燃冰”勘探工作开始1999年，在南海西沙海槽发现“可燃冰”发育的地球物理证据，首次根据勘探实践提出南海北部可能存在“可燃冰”，开启了我国南海“可燃冰”调查和研究的新篇章。2007年5月，由国土资源部中国地质调查局组织，广州海洋地质调查局实施，首次在南海神狐海槽成功钻探取样得到“可燃冰”岩心。

2008-2009年中国地质调查局组织中国地质科学院矿产资源研究所、勘探技术研究所和青海煤炭地质105勘探队等单位，在祁连山木里地区开始施工“祁连山冻土区水合物科学钻探工程”并取得“可燃冰”样品。

2013年，广州海洋地质调查局在珠江口盆地东部海域成功钻获大量块状、脉状、分散状的“可燃冰”样品。2015年在南海神狐海域再次钻获“可燃冰”样品。同年，自主研发的“海马”号深潜器在珠江口盆地西部海域发现“海马冷泉”，并获取块状“可燃冰”样品。

2017年5月10日——2017年7月9日，中国地质调查局在南海神狐海域实施了为期60天的“可燃冰”试采，从水深1266 m海底以下203～277 m的“可燃冰”矿藏开采出天然气，总产气量达到30.9×10⁴ m³。

2019年5月，广州海洋地质调查局“海洋六号”调查船在南海北部执行深海探测共享航次科考任务，发现了新的海底大型活动性“冷泉”，“冷泉”生态系统是是探测“可燃冰”的重要标志。此次考察基本查明了“冷泉”的分布范围、地形地貌、生物群落、自生碳酸盐岩及流体活动等。

6 结语

“可燃冰”作为清洁新能源具有广阔的前景，极有可能改变未来低碳社会的能源格局。2017年11月3日，“可燃冰”已被列为我国第173种新矿种。中国南海的可燃冰”试采成功具有重大意义，未来我国还需加快“可燃冰”的基础研究和勘探开发技术发展，尽快实现“可燃冰”的商业化，使“可燃冰”能源真正进入人类生活中。

参考文献

[1]江怀友，乔卫杰，钟太贤，等.世界天然气水合物资源勘探开发现状与展望[J].中外能源，2008，13（6）：19-25.

[2]尹聪，兰丽茜，王芳.海洋天然气水合物勘探方法综述[J].海洋开发与管理，2015（1）：27-29.

[3]吴传芝，赵克斌，孙长青，等.天然气水合物开采技术研究进展[J].地质科技情报，2016，35（6）：243-250.

收稿日期：2019-08-01

^*基金项目：“天然气水合物数据库更新与服务”，编号：DD20190216。

作者简介：范广慧（1989—），女，汉族，江苏淮安人，硕士研究生，工程师，研究方向：天然气水合物信息研究。