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新华日报:我国正在南海神狐海域试采—— 未来能源之星,可燃冰何时“可燃”
2020-05-13 10:09   新华日报   (点击: )
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新华日报2020年5月13日科技周刊

在中国南海,不久前诞生了产气总量、日均产气量两项新的世界纪录——我国设计研发的“蓝鲸2号”半潜式钻井平台在水深1225米的南海神狐海域,试采产气总量86.14万立方米,日均产气量2.87万立方米。

而此次被试采的主角,正是被人类寄予厚望的神秘物质可燃冰。作为未来能源之星,它何时能走进寻常百姓家?新华日报《科技周刊》记者采访到江苏海洋、地质、能源专家为您揭秘。

清洁能源可燃冰深藏海底、冻土

作为世界主要能源,石油、天然气已经“被消耗”了一个多世纪,人类亟待找到下一阶段的替代能源。

人类对可燃冰的发现,最早可追溯到上世纪60年代,在西伯利亚冻土带,有研究者发现了可燃冰,随后,加拿大西海岸、日本海域、美国加州滨海,以及中国祁连山和南海相继发现可燃冰资源。“可燃冰是由天然气和水在高压低温条件下,形成的类冰状结晶物质,主要分布在海洋或冻土中,燃烧后仅会产生少量二氧化碳和水。” 南京大学教授、江苏省地质学会高级专家胡文瑄介绍,可燃冰是一种清洁能源,污染比煤和石油小得多,但能量密度很高。

“研究发现,形成可燃冰需要四个必备条件:(甲烷)气体、液态水、较低的温度和较高的压力,缺一不可。”江苏科技大学能源与动力学院副教授宋印东说,自然界里,只有两种地方可以同时满足前述四种条件:数百米深的冻土带地下,或者一两千米的深湖、深海底部及泥沙深处。它们的温度和压力恰好使可燃冰能够稳定存在,于是也被称作水合物稳定带。

根据可燃冰所在的具体位置不同,可燃冰的形态也千奇百怪。它们有时单独以块状存在,主要出现在海底,相对少见;有时与泥沙混合在一起,呈现团块状、网脉状的不规则外观。更多的时候,可燃冰以肉眼难以看到的状态,分散储存在泥沙颗粒之间的微小孔隙里。虽不起眼,但全球有着可观的可燃冰的储量,是目前勘探和试采的主要目标。

宋印东表示,以目前的认知来看,洁白大块的可燃冰储量可能最少,泥质沉积里的分散可燃冰储量可能最大,但不易开采。相对容易开发的,是储存在冻土带地下砂层和海底砂层孔隙中的分散可燃冰。

中国储量丰富,开采是共性难题

目前勘探的数据显示,可燃冰的储量极为丰富。据粗略估算,它所蕴含的天然气资源可达到已知常规天然气资源量的数十倍;如果按有机碳储量计算,大约是已知煤炭、石油、天然气有机碳总量的2倍。假如能够大规模商业化利用,将会成为未来的能源之星,保障世界的化石燃料安全。

对中国而言,可燃冰被寄予厚望,被视作可实现弯道超车的“重要能源”。与国外相比,我国常规油气资源不足,对外依存度很高,作为制造大国,油气消耗量巨大,并不断增长,因此,可燃冰一旦实现商用,中国将会走出能源困局,逐渐实现能源独立。“中国有丰富的可燃冰资源,总量相当于1000亿吨石油。”胡文瑄谈道,早在2000年左右,中国就提出了可燃冰“发展规划”,计划在2020年至2030年完成试采,力争在2030至2050年实现商业开发。

近年来,世界各国对可燃冰的研究也加快了进度,除了陆地冻土带的开发实验外,也加快了海域可燃冰的研究与开发实验。促使中国可燃冰计划也“迎头赶上”。2013年至2017年,美国和日本等率先在海底进行了可燃冰开采试验,然而结果却不尽如人意,“最大的问题是,无法‘提纯’泥沙包裹的可燃冰,致使流砂进入井筒而失败。”胡文瑄介绍。

“可燃冰开采可不是像挖煤那样直接挖掘。”江苏海洋大学测绘与海洋信息学院教授周立说,可燃冰分布在沉积物的孔隙中,海底可燃冰存储层大多由于没有完整的圈闭构造和致密盖层,如果大面积挖掘沉积物,其开发过程可能引发海底滑坡、泥沙倒灌、甲烷泄漏等工程灾害,随之也对深海生态带来负面影响。

“目前国际公认的可燃冰开采方法是原位分解法,通过外力改变可燃冰稳定存在条件而使其在地层原位分解,生成可流动的气体和水,再采用如同石油、天然气的开采方法,将这些流体采集到地面上。”胡文瑄说,2017年5月,中国在南海1000多米海底进行可燃冰的开采试验,开发了包括防砂技术在内的六大技术系列20多项关键技术,让可燃冰从海底泥沙层中“解析分离”出来,最终开采出纯度很高的天然气,2个月产气30多万立方米,使我国成为第一个成功开采海底可燃冰的国家,向商业开发迈出了关键一步。

距离大规模商用至少还需10年

“按照能源发展的脉络,可燃冰代表着未来方向。”胡文瑄强调,可燃冰的研究意义重大,它是未来大国竞争必须“抢滩”的重要战略资源。

研究的步伐要大胆创新,但开采实验要谨慎小心,这是中国可燃冰开发实验的严谨态度。今年年初,中国在南海进行了第二次可燃冰开采,仅1个月就安全开采出86万立方米天然气,效率和性能大幅提升。“从目前2次试验来看,中国对可燃冰的开采非常成功,但距离商业化开发还有距离。” 胡文瑄告诉记者,可燃冰赋存在海底的地质环境非常复杂,如果大规模开发,海底环境以及各项开采参数很可能都会产生变化,一旦出现意外,有可能会造成严重的环境灾害,因此需要进行大量的实验与模拟推演,确保可燃冰开发“绿色安全”。

“可燃冰开采过程中,会改变温度和压力,物理化学性质会改变,从而影响海洋环境。”周立也表示,可燃冰作为一种新型能源,在加工、运输、储存等环节,每道工艺都要有完整实验,达到工业标准的体系,技术要求非常高。目前,各国的技术只能小量试采,如果要实现大规模的强行提产,可能导致地层失稳、大面积出砂,想要实现可燃冰的长期、高效开采,还需要对当前的技术进行改进优化。

同样,可燃冰的商业开采还存在一个成本难题:目前中国南海可燃冰的开采成本约为200美元/立方米,按当前汇率折算,折合成天然气成本价为8元/立方米。而常规天然气成本现在不到1元/立方米,目前还差距较大。“必须把成本降到目前天然气成本的水平,才有商业价值。” 周立说。

“在可燃冰开采过程中,长效的生态影响是全球最受关注的前沿科学领域。”周立说,我国此次可燃冰试采实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的重大跨越,迈出天然气水合物产业化进程中极其关键的一步。而在开采安全、海洋环境以及可燃冰的可利用价值方面都处在摸索阶段,必须尽早摸清环境本底、掌握生态规律、预测开采趋势。“可燃冰开发必须与生态环境保护并重,商业开发前必须采取长期的生态环境监测、实验、定量评估和生态保护举措,以确保人类安全、绿色利用这一重要的战略资源。”

“我国两次试采可燃冰对国家安全、技术突破和社会可持续发展都有积极意义。”宋印东认为,按照中国可燃冰研究的最新“计划表”,步入大规模商用阶段,可能还需10年甚至更久的研究与开发实验过程。

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