能燃燒的白色“冰塊”_風聞

文章來源丨中科院地質地球所

你沒看錯，這着火的是“冰塊”！

一、什麼是天然氣水合物？

（我可不是塊簡單的“冰疙瘩”）

天然氣水合物，俗稱可燃冰，是分佈於深海沉積物和永久凍土層中的有機化合物，是天然氣和水在高壓低温條件下形成的類冰狀結晶物質。

我國南海深水陸坡上的可燃冰

二、天然氣水合物的發展史

（等了幾億年，終於發現我了）

天然氣水合物和它的兄弟“頁岩氣”類似，距今大約有200年的歷史，都屬於清潔能源，然而不同的是，到目前為止，天然氣水合物仍沒有實現大規模的商業化開採，有許多技術難關亟待突破，我們先來簡要回顧一下它的發展歷史：

**1810年，**英國化學家HUMPHREY爵士在實驗室偶然發現固態氯氣水合物；

**1934年，**HAMMERSCHMIDT證實了堵塞天然氣輸送管線的固體物質是水合物而不是冰；

**20世紀50年代初，**研究人員通過 X 射線衍射證實水合物的化合結構；

**1965年，**前蘇聯在西伯利亞永久凍土帶發現天然氣水合物礦藏；

**20世紀70年代，**在美國阿拉斯加北部斜坡發現一定厚度水合物儲層；

**20世紀80年代，**深海鑽探計劃（DSDP）和大洋鑽探計劃（ODP）在墨西哥灣、南海海槽多處發現水合物沉積層並鑽採了一定樣品；

2013年，我國在廣東沿海珠江口盆地東部海域首次鑽獲高純度天然氣水合物樣品；

**2017年，**我國首次海域天然氣水合物試採成功。

中國海域天然氣水合物試採現場畫面

20世紀40年代以來全球主要海域水合物鑽探項目時間線

同時，全球各個國家開展了一系列鑽探計劃（DSDP、ODP和IODP），圈定了下圖所示的天然氣水合物分佈遠景區，為下一步重點突破打下了堅實的基礎。

世界天然氣水合物分佈位置

三、世界天然氣水合物總量

（我的資源量極為豐富）

有學者對全球天然氣水合物資源量進行預測，全球天然氣水合物資源量約2.1×1016立方米，相當於煤炭、石油和天然氣資源總量的兩倍，只要能合理的開採利用，有希望成為傳統能源的完美替代品。

另外，1立方米的天然氣水合物在標準狀態下可釋放出164立方米的甲烷和0.8立方米的水，這是什麼概念呢？

1立方米的天然氣水合物，它能：

可供三口之家做飯洗澡約180天；

大約等同200公斤煤炭使用；

大約可以發700度電；

可以支持家用小轎車跑1500公里（當然了，堵車的話就另説）

……

從20世紀90年代後期，我國科學家逐漸開展了水合物勘探領域的探測工作，目前已經在漠河凍土帶（A）、祁連山凍土區（B）、羌塘凍土區（C）、南海北部陸坡區（D）取得水合物樣品，總體而言，我國水合物資源前景巨大，總量可達1014立方米。

世界天然氣水合物分佈位置以及自然界中水合物賦存形態

四、天然氣水合物開採思路

（想把我拿出來利用可不容易）

目前全球已經在陸域和海域有超百口深井用於水合物沉積地層的勘探和試開採研究，但是開採水合物的前提條件是儘可能保證原始沉積層的原生力學狀態無重大改變以及生態環境不受影響，這是因為天然氣水合物雖然是清潔能源，但是其對全球氣候卻有潛在威脅，因為甲烷是僅次於二氧化碳的温室氣體，據相關學者預測，如果凍土帶和水域的天然氣水合物大量分解，甲烷釋放至大氣中，將對地球氣候造成嚴重影響。

所以如何利用好天然氣水合物這把“雙刃劍”，是目前世界各國科學家們重點思考的問題，當前從實際效果上看最可行的開採技術方案主要有三種：

注熱降壓開採示意圖

（1）注熱法

通過注入熱源(如熱水等經濟性流體介質)短時期內迅速升高地層温度以破壞水合物的穩定並促使水合物分解，釋放出甲烷氣體，缺點是熱量損失大，開採效率偏低，經濟性一般。

（2）降壓法

降壓法，由傳統油氣開採技術改良而來，通過降低水合物地層孔隙水壓力使其低於環境温度決定的水合物相平衡壓力而分解出遊離氣，特別適用於滲透性良好的沉積地層，是當前最經濟、有效、簡潔、實用的開採方式，缺點是易導致水合物的二次生成並堵塞滲透孔隙，長期效果不好。

（3）注抑制劑法

注抑制劑法，通過添加甲醇等抑制劑促使水合物分解釋放遊離氣體，缺點是抑制劑用量大，反應緩慢且環境效果差。

除此之外，水合物開採工藝也有很多難點和不確定性：

①缺少野外地層中水合物精細分佈和精確儲量的更詳細資料，尚無法建立更明確、細緻、統一的系統方法以全面對比、評估不同類型水合物儲層的可開採性，進而尋找最優開發靶區。

②水合物鑽井工程和工藝還很不詳細和具體，施工平台的野外佈置、鑽井操作及施工作業需與原地實際水合物體系更契合，還存在卡鑽、砂堵、井壁滑塌等問題，2013年日本的試開採實驗，就是因為海底砂流入開採井，導致實驗未能完成。

③水合物鑽井開採過程中的監測問題，包括地層變形、產氣/水流量變化、甲烷泄漏等，目前方案還不成熟且耗費大、時間週期長。

④從目前國際上的陸、海試採結果看，經濟效益普遍不理想，亟需開發能持續生產且低耗清潔的新方案、新技術和新工藝。

結語：有人把水合物的發現比喻為第二次“頁岩氣革命”，因為水合物中的天然氣含量幾乎是頁岩的10倍，但目前看來，我們只是邁出了漫長征程的一小步，離真正實現具有經濟效益的商業化開採還需要一線科研工作者們的共同努力！

參考文獻

[1]關進安,樊栓獅,梁德青,萬麗華,李棟樑.自然界天然氣水合物勘探開發概述[J/OL].新能源進展,2019(06):1-10[2020-01-07].

[2]張洪濤,張海啓,祝有海.中國天然氣水合物調查研究現狀及其進展[J].中國地質,2007(06):953-961.