可燃冰国内外开发应用现状及对策建议

时间：2023-10-23 理论教育版权反馈

【摘要】：可燃冰国内外开发应用现状及对策建议一、可燃冰简介（一）概念可燃冰是天然气水合物的俗称。由于上述原因，目前各国对可燃冰的开发仍处于科学勘探和试开采阶段，尚未进入商业化开采阶段。这是该区有史以来的首次可燃冰开采试验，也是世界上首次大规模对可燃冰进行的国际性合作试采研究。

可燃冰国内外开发应用现状及对策建议

一、可燃冰简介

（一）概念

可燃冰是天然气水合物的俗称。天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate）是分布于深海沉积物或陆域永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，主要成分是甲烷分子与水分子。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。可燃冰是20世纪科学考察中发现的一种新型高效能源，使用方便，燃烧值高，清洁无污染，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源。

（二）作为新型洁净能源的优势

1.储量大

现已探明的全球可燃冰所含有机碳的总资源量相当于已知煤炭、石油和天然气总和的两倍，可满足人类未来约1000年的使用需求。

2.密度高

1立方米可燃冰所产生的能量相当于160立方米的天然气。也就是说，1立方米可燃冰即可满足一个普通家庭大约半年的天然气需求。

3.污染小

可燃冰是甲烷和水结合的固体化合物，不含其他成份，无需净化提炼或其他加工步骤，燃烧后不产生任何残渣和废气。

（三）可燃冰开采可能带来的环境问题

可燃冰的开采会改变天然气水合物赖以赋存的温压条件，引起天然气水合物的分解。在开采过程中如果不能有效地实现对温压条件的控制，就可能产生一系列环境问题，如温室效应的加剧、海洋生态的变化以及海底滑塌事件等。

1.加剧温室效应

甲烷是一种极强的温室效应气体，它对大气辐射平衡的贡献仅次于二氧化碳，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10～20倍，可燃冰分解产生的甲烷进入大气的量即使只有大气甲烷总量的0.5%，也会明显加速全球变暖的进程。因此，可燃冰开采过程中如果不能很好地对甲烷气体进行控制，就必然会加剧全球温室效应。

2.改变海洋生态环境

甲烷进入海水中后会发生较快的微生物氧化作用，其氧化作用会消耗海水中大量的氧气，使海洋形成缺氧环境，从而对海洋微生物的生长发育带来危害。如果进入海水中的甲烷量特别大，则还可能造成海水汽化和海啸，甚至会产生海水动荡和气流负压卷吸作用，严重危害海面作业甚至海域航空作业。

3.改变海底沉积物物理性质

开采过程中可燃冰的分解会产生大量的水，释放岩层孔隙空间，使可燃冰赋存区地层的固结性变差，引发地质灾变。海洋可燃冰的分解则可能导致海底滑塌事件；钻井过程中如果引起可燃冰大量分解，还可能导致钻井变形，加大海上钻井平台的风险。

二、国外可燃冰的研究与开发现状

可燃冰虽然储量不小，但是与常规油气相比，在实际开采中存在着一系列困难。首先是分布区域较为分散，一次钻探开采的效率较低，而且由于其物理形态在常温常压中不稳定，因此在开采过程中还需要进行加热气化，这些无疑提高了开采的成本。此外，可燃冰主要分布在海底浅层，地质状况不稳定，容易发生滑坡，增加了搭设钻探井架的难度。最重要的是，在基层不稳的前提下，开采时若操作不利则非常容易引起大规模气体泄露，造成环境灾难。

由于上述原因，目前各国对可燃冰的开发仍处于科学勘探和试开采阶段，尚未进入商业化开采阶段。但美国、日本、印度等国均通过国家级研发计划取得了可燃冰样品，加拿大、德国、韩国、挪威等国相继投入大量资金进行可燃冰的调查研究，并开始了对可燃冰开发工艺的研究和开采试验。

（一）美国

1972年，美国阿科石油公司和埃克森石油公司在普拉德霍湾油田钻探常规油气井时，在664～667m层段采出了可燃冰岩心。

1998年，美国将可燃冰作为国家发展的战略能源列入国家级长远计划，并计划到2015年进行商业性试开采。在此基础上，2003年，在阿拉斯加北部斜坡地带实施了一项引人注目的可燃冰试采研究项目，目标是钻探可燃冰研究与试采井。这是阿拉斯加北部斜坡区专为可燃冰研究和试采而钻的第一口探井。

2012年1月，美国能源部在阿拉斯加用“二氧化碳置换法”进行可燃冰研究取得了积极成果。试验利用废弃的二氧化碳，注入海底的可燃冰储层，将其中的甲烷分子置换出来，可以从中安全并有效地获得稳定的天然气流。按此方法开采可燃冰，不仅释放的温室气体少，还能把大量二氧化碳送入深海。

2012年10月，美国能源部宣布，将斥资600万美元投入到可燃冰的研究项目，重点评估在深海和极地区域的可燃冰资源。美国能源部部长朱棣文认为，尽管可燃冰研究仍处于起步阶段，但在奥巴马政府的高度重视下，可燃冰将成为未来美国天然气供应重要的新来源，为美国能源供应提供新的思路。

（二）加拿大

1971～1972 年间，加拿大在麦肯齐三角洲地区钻探常规勘探井时，偶然在永冻层下发现了可燃冰的存在。

2002年，加拿大地质调查局联合日本石油公团、德国地球科学研究所、美国地质调查局、美国能源部、印度燃气供给公司、印度石油与天然气公司等5个国家9个机构，在该地区再次进行了钻探取样和试开采施工项目，并成功开展了开采试验。这是该区有史以来的首次可燃冰开采试验，也是世界上首次大规模对可燃冰进行的国际性合作试采研究。

2007～2008年，加拿大地调局又组织有关国家在Mallik进行了代号Ma11ik2007及Mallik2008的开采试验研究。2007年共进行了17小时的开采试验；2008年又连续进行了6天的开采试验，平均每天的采气量为2000m³，这两次都采用了降压开采方法。

（三）日本

与其他国家相比，日本在可燃冰研究和开发方面较为领先，这与日本迫切的能源需求紧密相关。由于受资源短缺的影响，日本一直重视对可燃冰的研究，并且获得了丰富的数据，从而使自己处于相对领先的地位。

早在20世纪90年代，日本就着手研究可燃冰，从1998年开始，日本经济贸易省每年投入60亿日元，有20多个机构200多位科学家参与可燃冰的调查研究。2001年，日本经济产业省发布了为期18年的《甲烷水合物开发计划》，正式启动了对可燃冰的开发性研究。2002年，包括日本在内的5国成功在加拿大北部永久冻土带的可燃冰层中提取出甲烷。2004年，日本再次在其南海槽水深2033～772 m进行了世界上最大规模的海洋可燃冰取样钻探施工，完成了32口可燃冰钻探取样孔，并进行了开采试验研究。

2011年，日本福岛核电站事故之后，日本国内能源供应更为紧张，对可燃冰的开发也更加迫切。2012年2月，日本开始在爱知县渥美半岛近海从海底试采可燃冰。同年10月，日本在鄂霍次克海和日本海的海底数米以下发现并成功回收了可燃冰。半个月后，日本经济产业省资源能源厅公布了全球首次可燃冰海洋开采实验的概要。

2013年3月，日本经济产业省资源能源厅宣布，成功从爱知县和三重县海域附近深海的可燃冰层中提取出甲烷。这是全球首次通过在海底分解含有大量天然气成分的“可燃冰”取得天然气。凭借此次成功试验，日本成为世界上首个掌握海底可燃冰采掘技术的国家。

三、国内可燃冰研究与开发现状

作为世界上最大的发展中的海洋大国，中国能源短缺十分突出，急需开发新能源以满足中国经济的高速发展。中国从1999年起才开始对可燃冰开展实质性的调查和研究，起步较晚，因此，加强可燃冰开发是实现可持续发展战略的重要措施，也是开发中国21世纪新能源、改善能源结构、增强综合国力及国际竞争力、保证经济安全的重要途径。

我国可燃冰资源储量丰富，主要分布在南海海域、东海海域、青藏高原冻土带以及东北冻土带，估算资源量超过84万亿立方米。

（一）技术现状

目前中国从事可燃冰研发单位主要有中科院广州能源所、中国石油大学（华东）、中国海洋石油总公司、青岛海洋地质研究所、中科院海洋研究所和北京地质地球物理研究所等。其中中科院广州能源所尤其具有代表性。

中科院广州能源所从20世纪90年代初即开始进行可燃冰的基础研究，2003年，依托能源所、联合中科院南海海洋所、广州地化所等组建了中科院广州天然气水合物研究中心，该中心是我国唯一一所专门进行可燃冰开采研究的机构，主要开展天然气水合物的勘探、开采基础理论和关键技术研究。

2005年以来，广州能源所研制开发出了一系列一维、二维和三维天然气水合物开采模拟实验装置和数值模拟软件，并先后进行了减压、注热、注化学剂和联合开采以及新型开采技术的研究。

2009年，广州能源所与美国劳伦斯·伯克利国家实验室合作，开展可燃冰开采潜力的合作研究，通过在南海海域钻探取样，并进行了模拟实验，在可燃冰开采的温度、压力、饱和度方面取得了一些关键的数据，对我国南海海域可燃冰的开采潜力进行了预测和评价。

（二）开发现状

从1999年开始历经10余年，我国实施了南海北部陆坡天然气水合物资源调查，发现了一系列天然气水合物标志，初步圈定了成矿远景区，评估了资源潜力，并钻探获取了天然气水合物实物样品，取得了丰硕的调查成果。我国成为继美国、日本、印度之后的第4个通过国家级研发计划在海底钻探获得可燃冰实物样品的国家。

相对海底可燃冰的开发，陆地可燃冰开发要相对容易些。2011年11月，青海省政府与神华集团签订了战略合作框架协议，神华集团将在青海展开可燃冰的研发工作。我国将会先从陆地冻土来试验、开发，然后再运用到海底可燃冰的开发。

《中国至2050年能源科技发展路线图》报告中，对我国可燃冰的研究开发路线图做了如此阐述:从2008～2020年，建立针对中国海域的天然气水合物成藏、勘探评价、开采利用、环境影响等的基础理论和技术体系；完成其资源调查、勘探与评价工作；开发气勘探识别技术；定量评价气全球碳循环和气候变化中的作用；选择开采区域，研究其开采的可行性；开发出安全、环保、高效、经济的开采技术；进行海上天然气水合物开采实验；发展相关安全生产工程技术和灾难预警与防治技术体系。2021～2035年，进行海上商业化试采。 2036～2050年，将开展海上大规模商业化开采。

四、青岛市开展可燃冰开采技术研发优势

目前，青岛市从事可燃冰相关领域研发的主要有青岛海洋地质研究所、中国石油大学（华东）和中科院海洋所三家研究机构，并且各自取得了阶段性研究成果。

（一）青岛海洋地质研究所

青岛海洋地质研究所于2000年建立了天然气水合物实验室，并于2002年，通过模拟海底低温高压的环境合成出了“可燃冰”，并成功地点燃了提取出的气体。

该实验室依托可燃冰国家专项，经过10余年的建设与发展，目前已建成国内设备完善、仪器功能齐全，具有全面开展可燃冰实验和测试研究能力的水合物实验室，也是国内唯一一家可以全面检测鉴定可燃冰的实验室。主要有三个研究方向:一是天然气水合物成藏机理与勘探技术的实验模拟研究；二是天然气水合物开发利用技术实验研究；三是天然气水合物环境效应模拟实验研究。

2013年，实验室在超声与时域反射联合探测技术的基础上，成功研制了新型弯曲元技术，为可燃冰海上地球物理勘探提供更为丰富的实验数据打下基础。

（二）中国石油大学（华东）

中国石油大学（华东）从20世纪90年代起与国家海洋局、原地质矿产部、中国科学院、石油部门以及有关高校，对国外天然气水合物的勘查研究进行了技术追踪和信息资料的分析研究，属我国最早开始可燃冰研究的院校。

1998年，成立了“中国石油大学天然气水合物研究中心”，与国内外各相关研究单位和企业联合，以天然气水合物开采基础理论、天然气水合物开采物理模拟和数值模拟、天然气水合物井筒工艺技术为核心的研究方向，进一步强化在天然气水合物成藏、勘察、钻探、开采和集输等方面的基础理论和工艺技术的研究。

2012年5月，中国石油大学（华东）启动了海洋油气工程与装备研发平台项目建设，并于当年完成了三个子试验平台之一的“天然气水合物储层开采安全模拟综合实验系统”的建设。该实验系统主要研发方向为模拟深水可燃冰储层环境，可对可燃冰层开采中的井筒流动保障、井筒压力控制进行实验模拟，为安全、顺利地钻探与开发可燃冰提供基础支撑。

（三）中科院海洋研究所

2011年，中科院海洋所研究人员研发出一种可测量海底沉积物中甲烷（可燃冰的主要成分）的可靠含量的设备，这种设备可插入深海海底当场获得数据，是全球首个能现场检测海底沉积物中溶解的甲烷含量设备，相当于把实验室移到了深海海底检测，得到最准确最新鲜的第一手数据，为开发和研究可燃冰提供了可靠的支持。

五、对青岛市可燃冰研究开发的建议

目前，美国、日本、加拿大等国家对可燃冰的开发仍处于科学勘探和试开采阶段，距离真正的商业化开采还有一段时间。青岛作为国内可燃冰研究实力较强的城市之一，应当抓住这个有利时机，大力加强可燃冰勘探开发研究，突破关键技术，为我国实现可燃冰商业化开发提供强有力的技术支撑。

1.制定科技专项规划

根据青岛市目前可燃冰研究水平与现状，制定并实施可燃冰科技专项规划和发展战略，有组织有计划地推动相关技术和产业领域的研发活动。

2.搭建技术创新平台

依托青岛海洋科学与技术国家实验室、青岛海洋地质研究所天然气水合物实验室和中国石油大学天然气水合物研究中心等创新平台，在可燃冰勘探、检测和开发等技术领域推进建设一批重点实验室和工程技术中心，为可燃冰技术创新和产业化提供支撑。

3.开展关键技术攻关

针对可燃冰资源勘探所面临的关键技术，组织青岛市相关科研机构组成联合攻关团队，开展技术攻关，开发出一系列安全、环保、高效、经济的并且具有自主知识产权的关键探测与开发技术。

4.积极参与国家重点项目

针对我国刚刚启动的可燃冰勘探开发国家863重点项目，积极组织青岛市科研机构参与相关领域项目研究，使青岛市在天然气水合物成藏、勘察、钻探、开采和集输等领域的技术优势得到充分发挥，为我国可燃冰尽早实现商业化开发和利用做出应有的贡献。