向地球深部進軍 | 可燃冰的探測與開採

地球深部為人類生存發展提供了絕大部分的資源和能源，是維繫萬物繁衍的物質基礎，是重大自然災害（地震、火山等）產生的根源。地球深部的物質運動和能量轉換與社會經濟發展、人類生存安全息息相關。

然而，由於地球深部充斥著堅硬的巖石、處於高溫高壓極端環境，人類對地球深部的認知還非常膚淺，遠沒有達到對太空和深海的認識程度。

2010年，聯合國「國際行星地球年」將地球深部作為地球科學的最後前沿。因此，創新深地科學理論、發展深地探測技術，解釋地球深部奧秘，是解決人類面臨的能源資源和生存空間基本問題的必由之路。

2020年3月26日,這是一個讓國人振奮和自豪的日子,我國海域天然氣水合物（即「可燃冰」）第二輪試採日前取得成功並超額完成任務。在水深1225米的南海神狐海域，試採創造了「產氣總量、日均產氣量」兩項新的世界紀錄。

和人們熟悉的海底石油、海底天然氣田相比，可燃冰要神秘得多。今天我們就來聊一聊這種「高潛力」能源。

什麼是「可燃冰」？可燃冰開採為什麼這麼重要？

「可燃冰」學名叫天然氣水合物，其主要成分是甲烷，甲烷含量一般在80%以上，最高可達99.9%。在一定的低溫高壓環境下，甲烷氣體分子如果進入水裡，水分子就會結成小籠子，將甲烷氣體分子囚禁在籠子裡，形成籠形狀固態結晶物質，由於它外觀似冰，遇火即可燃燒，因此被形象的稱為「可燃冰」（圖1）。

圖1 可燃冰的微觀結構與宏觀外貌

「可燃冰」具有三個特點，一是資源分布廣泛。可燃冰在自然界廣泛分布在海域水深300米—3000米，海底以下0米—1000米的沉積物中以及陸域永久凍土區（圖2）。

圖2全球可燃冰分布圖

二是資源潛力巨大。據科學家估算，如果把全球可燃冰的資源量折算為有機碳資源，其有機碳佔比是煤、石油、天然氣三者有機碳之和的約2倍（圖3）。

三是資源高效清潔。標準狀態下，1立方米的「可燃冰」分解後可釋放出160～180立方米天然氣，能量密度比煤、石油、天然氣高很多；而「可燃冰」燃燒後基本不會產生殘渣和廢氣，汙染又比煤、石油、天然氣小很多。

圖3 可燃燒的資源量約為地球化石燃料的2倍

由於可燃冰的這些特點，它被各國視為未來石油、天然氣的戰略性替代能源，從上世紀六十年代起，美國等發達國家就開始了對可燃冰的研究與調查。但截至目前，除我國以外全球僅有3個國家開展了可燃冰試開採（表1）。

從表1中我們可以看出，我國本次海域試採，產氣總量、日均產氣量分別達到了86.14萬立方米和2.87萬立方米，均為目前世界上可燃冰試採的最高紀錄，使可燃冰開發利用成為現實可能，對推進可燃冰勘查開採產業化意義重大。

「可燃冰」開採技術為什麼這麼難？

由於形成條件的限制，可燃冰的開採是一個世界性難題。如果直接把它挖出來，不僅成本高，效率低，而且會損失很多甲烷氣體，所以直接開採可燃冰固體不是個好主意。

前面我們說過，可燃冰需要在一定的低溫高壓環境下，水分子才會結成小籠子，將甲烷氣體分子囚禁在籠子裡，如果打破了這個條件，氣溫升高或者壓強降低，那「籠子」裡的甲烷氣體分子就會打破桎梏，紛紛衝出來。

因此，科學家們嘗試使用各種方法開採可燃冰。「加熱法」是想辦法給地下可燃冰層加熱，讓可燃冰中的甲烷釋放出來，順著鑽井管道溢出來開採。在加拿大麥肯齊三角洲的首次試採使用的就是這種方法。

而「減壓法」一般是想辦法使地下可燃冰富集區的地層壓力降低，使可燃冰分解為甲烷氣體和水，使甲烷氣體順著管道溢出來地面。日本的兩次海域可燃冰試採都是使用了降壓法。

此外，由於在相同條件下，CO2氣體比甲烷氣體更容易被水分子組成的「牢籠」囚禁，因此可以通過注入CO2,把水分子「牢籠」中的甲烷替換出來，被稱為「二氧化碳-甲烷置換法」。美國阿拉斯加北坡可燃冰試採就嘗試使用了這種方法。

從目前試採的情況來看，這些方法都還不太完善，要麼成本太高，要麼工藝複雜，要麼能源利用效率太低。而相對來說，減壓開採法是目前被認為最經濟、有效、簡單的開採方式。

我國目前「可燃冰」開採情況

雖然我國在可燃冰資源調查研究方面起步較晚，但我國科技工作者以只爭朝夕、時不我待的忘我拼搏精神，深入鑽研可燃冰勘探與開發技術，在可燃冰開採技術方面已經走在了世界的前列。目前，我國已先後成功實施陸域凍土帶及海域可燃冰試採。

2011年，我國首次運用降壓法和加熱法對祁連山木裡地區可燃冰進行了試採。試採結果表明，減壓法是最經濟的開採方式，若同時採用加熱法開採，瞬時產氣量將顯著增加，試採效果更為明顯。

2016年，我國創新提出「山」字形水平對接井試採方案，運用降壓法，再次實施試採，累計試採23天，總產氣量1078.4立方米，較2011年單井產氣量（95立方米）有明顯提高，開採效能明顯提升。

2017年，我國運用減壓法在南海神狐海域實施直井可燃冰試採。連續試採60天，累計產氣量約30.9萬立方米，完成了「海域探索性試採」，解決了「如何在海域安全、連續把可燃冰試採出來」的問題。

2020年，我國運用減壓法在神狐海域實施水平井可燃冰試採，在30天內累計產氣86.14萬立方米，解決了「如何提高可燃冰產氣規模」的問題，實現了從「海域探索性試採」到「海域試驗性試採」的重大跨越，我國也成為全球首個採用水平井鑽採技術試採海域天然氣水合物的國家，進一步提升了我國天然氣水合物科技創新能力的國際「領跑」優勢地位。