“可燃冰”开发现状.pdf

第3 2 卷 2 0 1 2 年0 8 月 矿冶 工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 A u g u s t2 0 1 2 “可燃冰“ 开发现状① 吴敏 西部矿业股份有限公司技术研究院，青海西宁8 1 0 0 0 1 摘要“可燃冰”又名天然气水合物，是未来巨大的新型能源。本文从国内外最新研究进展、资源储量与分布、开发利用方面存在 的主要技术瓶颈几方面对“可燃冰”进行了综述，旨在为“可燃冰”的开发利用提供借鉴。 关键词可燃冰；天然气水合物；新能源；开发利用 中图分类号F 4 0 7文献标识码B文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 8 0 4 5 6 0 4 “可燃冰”是水和天然气在中高压和低温条件下 混合时产生的晶体物质，外貌极似冰雪，点火即可燃 烧，故又称之为天然气水合物或气冰固体瓦斯。除甲 烷外，生成天然气水合物的气体还有乙烷、丙烷等常见 的天然气组分。常温常压下它会分解成水与甲烷，每 立方米燃烧能分解释放出高达1 6 0 1 8 0 标准立方米 的天然气，燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物。 在自然界分布非常广泛，存在于3 0 0 ～8 0 0m 海洋深处 的沉积物及寒冷的高纬度地区，其储量是煤炭、石油和 天然气总和的两倍。世界上有7 9 个国家和地区都发 现了天然气水合物气藏。据估算，世界上“可燃冰”所 含有机碳的总资源量相当于全球已知煤、石油和天然 气的2 倍，至少可供人类使用10 0 0 年。 目前，世界上已经发现的可用储备量为石油4 0 年，天然气7 0 年，煤炭1 9 0 年。在传统能源储量有限、 价格趋势逐渐走高的情况下，“可燃冰”正以其独特的 优势，极有可能成为2 l 世纪的新型替代能源，极具商 业开发前景，成为许多国家和国际组织关注的热点。 目前，全世界对“可燃冰”的研究大都处于科学勘探和 试开采层面上，由于受环境问题、技术问题和成本过高 等诸多因素的影响，尚未进入实质性大规模商业开发 阶段。 1 世界“可燃冰”情况 1 。1 国外研究现状 迄今为止，世界上至少有3 0 多个国家和地区在进 行“可燃冰”的研究与调查勘探。美国、日本、印度等 国近年来纷纷制订天然气水合物研究开发战略和国家 研究开发项目计划。美国于1 9 8 1 年制订了投入8 0 0 万美元的天然气水合物1 0 年研究计划，1 9 9 8 年又把 天然气水合物作为国家发展的战略能源列入长远计 划，每年投入20 0 0 万美元，准备在2 0 1 5 年试开采。 另外，日本、韩国及印度等国也制定了相应的勘探、前 期调查和开发计划⋯。 2 0 0 2 年美国、日本、加拿大、德国、印度5 国合作， 对加拿大麦肯齐冻土区M a l l i k 一5 L 一3 8 井的天然气水 合物进行了试验性开发，通过注入高温钻探泥浆，成功 地从12 0 0m 深的水合物层中分离出甲烷气体。 自多年冻土区发现“可燃冰”以来，科研人员就开 始对“可燃冰”的地质成因、地球物理和化学勘探方 法、资源评估、对气候变化和环境的影响、开采方案和 经济性进行了研究和评价，取得了可供开采“可燃冰” 参考的经验和科学依据。尤其在美国阿拉斯加北坡、 加拿大马更些三角洲M a l l i k 井和俄罗斯麦索雅哈获得 的大量极宝贵的数据和资料，为多年冻土区“可燃冰” 开采打下了良好的基础。马更些三角洲多年冻土区 M a l l i k 研究井位于加拿大北部B e a u f o n 海沿岸，该地区 是目前世界上“可燃冰”研究井最密集的研究区，“可 燃冰”研究历史超过3 0 年。1 9 9 5 年美国对阿拉斯加 地区“可燃冰”分布和资源量进行了评估；俄罗斯西伯 利亚盆地研究区主要集中在西伯利亚北部的Y a m b u 和B o v a n e n k o v o 等地区，通过对多年冻土层内气体释 放的研究，初步划定了“可燃冰”的区域，给出了储量 估算。全球范围内俄罗斯西伯利亚麦索雅哈是世界上 唯一一个工业性开采矿藏，目前钻了大约7 0 口井，其 常被当作现场开采“可燃冰”的一个例子，至今已有近 4 0 年历史。 海洋中“可燃冰”的形成深度较大，加之环境复 杂，开采难度较大，虽然利用各种技术和方法在海洋中 发现有大量的“可燃冰”，但至今尚无一个国家对海洋 ①收稿日期2 0 1 2 - 0 4 - 0 3 作者简介吴敏 1 9 6 8 一 ，男，甘肃天水人，教授级高工，主要从事有色金属、稀贵金属的选冶及生物浸出研究工作。 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月 吴敏“可燃冰”开发现状 “可燃冰”进行开采。 据预测，在2 0 1 5 年后能实现陆上冻土区天然气水 合物的商业性开发，2 0 3 0 ～2 0 5 0 年有望实现海底天然 气水合物的商业性开发j 。 1 ．2 世界“可燃冰”资源储量及分布 科学家的评价结果表明心J ，陆地面积约2 7 ％和海 洋面积的9 0 ％具备“可燃冰”形成的条件。美国地质 调查局的科学家卡文顿曾预测，全球的冻土和海洋中 “可燃冰”的储量在31 1 4 万亿立方米到7 6 3 亿亿立 方米。 海底区域的“可燃冰”分布面积达40 0 0 万平方公 里。海底沉积物中“可燃冰”一般埋深在5 0 0 ～8 0 0m ， 主要赋存于陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩 中，也可以散布于洋底。世界上已发现的“可燃冰”分 布区多达1 1 6 处，其中世界海域内已有7 9 处直接或间 接发现了“可燃冰”，并有1 5 处钻探岩心中见到“可燃 冰”。到目前为止，世界上已发现的海底“可燃冰”主 要分布区有大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美 东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东岸外的布莱克海台 等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、日 本海、四国海槽、日本南海海槽、冲绳海槽、南中国海、 苏拉威西海和新西兰北部海域等，东太平洋海域的中 美海槽、加州滨外、秘鲁海槽等，印度洋的阿曼海湾，南 极的罗斯海和威德尔海，北极的巴伦支海和波弗特海， 以及大陆内的黑海与里海等。 陆地“可燃冰”产于2 0 0 ～2 0 0 0m 深处，主要分布 在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、 内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元 内。这些地区的构造环境由于具有形成“可燃冰”所 需的充足物质来源、流体运移条件以及低温、高压环 境，从而成为“可燃冰”分布和富集的主要场所。在世 界上一些冻土带地区如美国的阿拉斯加、加拿大北部、 俄罗斯的西伯利亚和中国青藏高原的羌塘盆地等地发 现了大量的“可燃冰”。由于多年冻土区“可燃冰”资 源评估较为复杂，迄今为止尚无一个国家对本国多年 冻土区的“可燃冰”资源进行完整的评估，仅美国、俄 罗斯和加拿大对多年冻土区“可燃冰”资源量进行了 评估，见表l 。 1 ．3 开发利用方面存在的主要问题 资源量不明，缺乏安全环保和成熟可靠的开采技 术、贮存运输方法，成本昂贵等是目前“可燃冰”开发 中面临的突出问题。多年冻土“可燃冰”的前期开发 研究可为海洋“可燃冰”的开发提供技术支撑。 表1多年冻土区“可燃冰”资源 国家地区 潜在／资m 3 源量袈羹 参考文献 Ⅵ￡惦 美国阿釜秒 1 ．o - 1 ．2 1 0 1 2 黼 c d e t t , 2 0 0 2 加拿大君磊盏麦 枷1 3 黼、s m i t h a n dJ u d g e ’- 9 9 5 俄罗斯西矧亚“ l o ”类熬 Y 如h o v , 2 0 0 5 1 “可燃冰”中存在甲烷和二氧化碳两种温室气 体。“可燃冰”中甲烷的总量大致是大气中甲烷数量 的30 0 0 倍。作为短期温室气体，甲烷产生的温室效 应是二氧化碳的1 3 倍。有学者认为，在导致全球气 候变暖方面，甲烷所起的作用比二氧化碳要大1 0 ～2 0 倍。在开采过程中，如果引起“可燃冰”自动分解或外 溢，一方面就会导致极地温度、海水温度和地层温度升 高，另一方面，陆斜坡稳定性降低，还可造成海底滑坡， 海洋生态平衡遭到破坏，出现物种灭绝，造成生物礁退 化。考虑到开发不当可能引发的环境灾害，世界各国 均采取了谨慎的态度和明智的做法。我国的态度也一 样，在没有找到理想的开采方法前，绝不会进入到商业 化开采阶段。 2 开采成本非常高。根据美国和日本披露的数 据，目前的“可燃冰”开采平均成本相当于天然气的成 本为每立方米1 美元以上。原因除了勘探规模太小， 没有形成规模效应外，勘探“可燃冰”所需的运输工程 费用都很高。 3 缺乏切实可行、系统配套的开发利用技术。尽 快开展室内外“可燃冰”分解、合成方法和钻采方法的 研究工作刻不容缓。国内外常见开采技术主要包括注 热开采法，降压开采法，化学剂开采法以及几种开采方 式相结合的开采方法。从各国进行的试验性开采看， 这些方法推广价值不大，不适合大规模作业。令人稍 感欣慰的是，近年来，日本美国等国家在开采方案上取 得了重大进步，日本提出了分子控制的开采方法，其技 术水平处于国际领先。美国研究人员发明了一种二氧 化碳置换法，在实验中已取得成功，希望能在阿拉斯加 附近海底的矿层中利用这种方法，但这些方法对国外 是严格保密的。 4 储存与运输困难。由于“可燃冰”在常压下不 能稳定存在，温度超过2 0 ℃时就会分解，因此解决储 存问题是“可燃冰”被大规模开发利用的关键之一。 目前勘探所获样品一般都保存在充满氦气的低温封闭 容器中，对于大规模的储存和运输手段，目前各国还在 加紧研究相关技术和设施。目前挪威科学家开发出一 万方数据 4 5 8 矿冶工程 第3 2 卷 种方法，将天然气转变为“可燃冰”，在保持稳定的条 件下“冷藏”起来运输，到目的地后再融化成气。 2 我国“可燃冰”情况 2 ．1 研究现状和取得的进展 我国对“可燃冰”的研究起步虽然较晚，但我国政 府对于开发应用“后石油时代”的新型清洁能源十分 重视。1 9 9 7 年开始组织开展对天然气水合物的前期 研究，如广州海洋地质调查局通过连续1 0 年对南海天 然气水合物资源前景调查研究，取得了丰富的地质勘 察资料。1 9 9 9 年起，国土资源部启动了天然气水合物 的海上勘查，发现我国南海北部陆坡存在非常有利的 天然气水合物赋存条件，并取得了一系列地球物理学、 地球化学、地质学、生物学等明显证据，对“可燃冰”成 藏条件、成藏动力学过程和机制及富集规律等关键科 学问题展开重点研究。我国政府在2 0 0 2 年同时启动 海域和陆域“可燃冰”的研究和勘探，批准设立了水合 物专项“我国海域天然气水合物资源勘测与评价”， 2 0 0 4 年由中国地质调查局负责，组织开展资源远景调 查和钻探技术研发，并编制出我国第一份冻土区天然 气水合物稳定带分布图，圈定了有利区带。 国家“十一五”期间，“8 6 3 ”计划在海洋技术领域设 立了“天然气水合物勘探开发关键技术”重大项目，国家 科学技术部制订的国家重点基础研究发展计划“十一 五”发展纲要 “9 7 3 ”计划 中，将“大规模新能源天然 气水合物韵探索研究”列为能源领域重点研究方向。 2 0 0 7 年5 月1 日，我国在南海北部成功钻获了 “可燃冰”实物样品，是第4 个通过国家级研发计划采 到水合物实物样品的国家，这证实了我国南海北部蕴 藏有丰富的天然气水合物资源，也标志着中国天然气 水合物调查研究水平一举步人世界先进行列。2 0 0 7 年6 月，我国南海北部“可燃冰”钻探顺利结束，科学 家在3 个工作站位成功获得高纯度的“可燃冰”样品。 2 0 0 8 年1 0 月，我国首艘自主研制的“可燃冰”综合调 查船“海洋6 号”下水进行科学考查。截至2 0 0 9 年9 月，我国已出动7 艘调查船，实施2 6 个航次，已完成全 部外业调查，实施钻探井8 个、取芯5 孔、总进尺 22 8 6 ．4m L 3 - 8 ] 。2 0 0 9 年9 月2 5 日国土资源部宣布， 我国在青海省祁连山南缘永久冻土区探获“可燃冰” 实物样品，也是第一个在低纬度地区获取“可燃冰”实 物样品的国家。冻土区“可燃冰”岩层段埋藏浅，开采 难度低，出现的灾难性后果更易控制等因素，这对认识 天然气水合物的形成和储藏规律，寻找新能源具有重 大意义，也为我国海洋天热气水合物开展技术研究和 开采提供了试验场所。因此多年冻土区“可燃冰”调 查和储量评估是亟待解决的重大问题。 近年来，在国家财政的大力支持和科研人员的努 力下，在天然气水合物热开采技术、减压开采技术、注 化学药剂、C O ，置换开采技术、技术装备等方面开展了 卓有成效的科研工作，并取得了可喜的成果和重要进 展。通过国家“8 6 3 ”计划“天然气水合物探测技术”等 课题的研究，在“可燃冰”地震采集技术、地震识别处 理技术、船载地球化学探测系统和保真取心钻具等方 面取得了显著进展，初步形成了适合我国陆域、海域特 点的天然气水合物探测技术系列；中科院广州能源研 究所与中海油石油研究中心共同承担的“可燃冰”开 采与输运过程实验模拟与理论分析项目，在采运关键 技术上获得了突破，该项目目前已取得了3 方面的成 果①通过对“可燃冰”抑制剂进行研究和评价，开发 出了新型“可燃冰”组合抑制剂，其价格比国外低，引 导时间延长3 倍以上，形成了专利技术；②通过对“可 燃冰”降压、注热、注化学剂开采过程进行室内物理模 拟研究，获得了“可燃冰”分解、藏动态变化过程的重 要实验数据，提出了开采过程流动／分解比率，确定了 开采过程中的关键控制因素；③开发了国内第一套开 采过程数值模拟源程序。 地震探测技术是寻找天然气水合物行之有效的方 法旧J ，在世界各海域得到广泛应用并取得实效。我国 运用研发的地震综合探测技术，在南海北部陆坡成功 钻获天然气水合物实物样品。 目前，我国多年冻土区天然气水合物研究仍处于起 步阶段，与国外相比至少晚了2 0 年，除了开展的部分室 内实验研究外，大部分的研究仍停留在定性的分析上。 2 。2 资源状况 据专家分析，青藏高原的羌塘盆地和东海、南海、 黄海的大陆坡及其深海，都可能存在体积巨大的“可 燃冰”。我国“可燃冰”的资源潜力为8 0 3 ．4 4 1 0 1 1m 3 8 0 3 ．4 4 亿吨油当量 ，仅占全球资源量的0 ．4 ％，接 近于我国常规石油资源量，约是我国常规天然气资源 量的两倍。 中国地质调查局给出的初步预测是，南海北部远景 资源量可达1 8 5 亿吨油当量，可与目前全世界一年的能 源消费总量相当。该沉积层厚度达3 4m ，气体中甲烷含 量高达9 9 ．8 ％。无论是矿层厚度、水合物丰度，还是甲 烷纯度，都超出世界上其他地区类似的发现。 我国冻土带面积达2 1 5 万平方公里，是世界上仅 次于俄罗斯、加拿大的第三冻土大国。我国广大冻土 地区具备良好的天然气水合物赋存条件和资源前景。 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月吴敏“可燃冰”开发现状 据科学家粗略估算，我国陆域远景资源量至少有3 5 0 亿吨油当量，可供中国使用近9 0 年，而青海省的储量 约占其中的1 ／4 ，青藏高原羌塘盆地多年冻土区也具 有“可燃冰”形成的温度和压力条件，是最有前景的找 矿远景区。 2 ．3 需要解决的主要技术瓶颈 “可燃冰”的开采利用仍是国际科学界的难点，在 今后1 0 1 5 年间，我国关于天然气水合物研究的重点 仍将集中在“有多少”和“怎么采”两个问题上，主要就 是解决调查评价和开采的技术方法。预计我国在 2 0 2 0 年前后有望实现工业开采，最快到2 0 3 0 年实现 商业生产，陆域“可燃冰”预计1 0 ～1 5 年内、海域的预 计在2 0 年后‘9 】。 为了使其释放出的甲烷气体都能被有效收集而不 对气候和生态造成巨大危害，开发利用中存在的主要技 术瓶颈有0 | 地球物理探查技术、地球化学探查技术、 钻孔取样技术、资源评价技术、开采技术、实验室模拟技 术、运输贮存和管道中水合物的探测与清除技术等。 地球物理探查技术包括多道地震反射勘探和测井 等方法；地球化学探查技术包括含“可燃冰”沉积物中 孔隙水盐度或氯度的降低，水的氧化一还原电位和硫酸 盐含量变低等；钻孔取样技术，研制保真取心筒来进行 取样；资源评价技术，一方面通过地质地球物理勘探和 钻探，取得“可燃冰”层的有关参数，预测其分布并计 算出资源量，另一方面通过取得的实际参数和模拟实 验，建立“可燃冰”形成与释气的数学模型，用数值模 拟方法研究其分布和资源量；“可燃冰”开采技术大体 分为热开采法、化学试剂法、减压法、置换法4 种；实验 室摸拟技术，应用物理一化学手段，通过改变温度、压 力、天然气成分和流体成分等边界条件，研究“可燃 冰”形成和稳定分布的条件；管道中水合物的探测和 清除技术，研发阻凝剂清除障碍。“可燃冰”的开发还 牵涉到许多相关技术，如储存与运输技术等。 界对它的研究大都处于勘探层面，在合理利用之前，一 定要充分研究其分布规律、形成机理和利用极限，特别 是环境与岩土问题。 2 面对国外关键技术封锁，我国要实现“可燃 冰”的商业化开采，最终得靠自主创新。组织跨领域、 跨学科的全国性科研攻关，尽快查明我国“可燃冰”的 分布和资源潜力，大力研究相关的开采技术方法体系， “可燃冰”影响全球气候和造成海底灾害等工作。 3 在加强国际合作的同时积极借鉴引进国外“可 燃冰”勘探开采的一些先进技术方法，如与常规油气 的兼顾勘探，利用现有的油气开采、运输与终端利用技 术和装备等，实现“可燃冰”利用的过渡与接替等。 4 加快冻土区“可燃冰”研发试验的步伐，为我 国海洋天热气水合物开展技术研究和开采尽早提供技 术支撑和经验。 参考文献 [ 1 ] 刘勇健，李彰明．未来新能源“可燃冰”的成因与环境岩土问题分 析[ J ] ．广东工业大学学报，2 0 l o 3 8 3 8 7 ． 3 结语 思 1 对于“可燃冰”这一新型替代能源，目前全世 张光学，耿建华，刘学伟，等．天然气水合物地震识别技术研究 [ R ] ．广州海洋地质调查局，2 0 0 6 ． 龙楠．世界瞩目中国“可燃冰”战略[ J ] ．环境，2 0 0 9 2 4 8 5 1 ． 吴震．新型洁净能源“可燃冰”的研发现状[ J ] ．节能，2 0 0 9 2 7 8 ． 武凯．未来新能源“可燃冰”[ J ] ．北方经贸，2 0 0 8 1 1 1 3 5 1 3 7 ． 中国经济网．揭青海如何发现“可燃冰”，意义可媲美大庆油田 [ E B ／O L ] ．[ 2 0 0 9 1 0 0 9 ] h t t p ／／w w w ．c e ．c n ／c y s e ／n y ／t r q ／2 0 0 9 1 0 ／ 0 9 ／t 2 0 0 9 1 0 0 91 1 9 7 5 5 0 2 0 _ 1 ．S h t m l ． 煤焦频道．多国投入勘探陆域“可燃冰”，开采面临环境技术难题 [ E B ／O L ] ．[ 2 0 0 9 1 0 2 6 ] h t t p ／／w w w ．m y s t e e l ．c o m ／l l ／m e i e e n g q i ／ m e q d t ／2 0 0 9 ／1 0 ／2 6 ／1 1 0 9 1 3 ，0 3 0 6 ，0 ，2 1 2 3 0 3 0 ．h t m l ． 裁学俦，李敏锋，张光学，等．天然气水合物地震相应研究中 国南海H D l 5 2 测线应用实例[ J ] ．现代地质，2 0 0 5 1 3 3 3 8 ． 梦圆“海洋六号”[ N ] ．中国国土资源报，2 0 0 9 1 0 3 0 [ 0 0 1 ] ． 金翔龙，方银霞．“可燃冰”开发利用，八大技术难点待解[ N ] ． 地质勘查导报，2 0 0 6 0 9 2 1 [ 0 0 3 ] ， 心 口 H 陌 № 万方数据