□記者 周 遠(yuǎn)
［閱讀提示］
11月16日，國(guó)土資源部召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)宣布，我國(guó)已正式將天然氣水合物（俗稱(chēng)可燃冰）列為新礦種，成為我國(guó)第173個(gè)礦種。這也意味著，可燃冰進(jìn)入了勘探開(kāi)發(fā)新階段。
與傳統(tǒng)燃料相比，可燃冰有什么不同，它又是怎樣形成的？真正實(shí)現(xiàn)可燃冰的開(kāi)采利用還有多遠(yuǎn)？帶著這些疑問(wèn)，記者采訪了有關(guān)專(zhuān)家。
天然氣與水的奇妙結(jié)合
“天然氣水合物是由天然氣與水在高壓低溫條件（0℃-10℃和30個(gè)大氣壓）下，形成的類(lèi)冰狀的結(jié)晶物質(zhì)。這種結(jié)晶物質(zhì)因外觀像冰而且遇火即可燃燒，所以被稱(chēng)作‘可燃冰’?！焙颖钡刭|(zhì)大學(xué)資源學(xué)院劉偉博士解釋說(shuō)，其中天然氣的成分既可以是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等烷烴氣體，也可以是二氧化碳、氮?dú)?、硫化氫等氣體。通常，我們所說(shuō)的天然氣水合物主要是指甲烷水合物，里邊的主要?dú)怏w成分為甲烷。
說(shuō)到甲烷，有的人也許感到陌生，實(shí)際上卻與我們的生活密切相關(guān)，它是日用天然氣中的主要可燃成分。我們?nèi)粘鲲埵褂玫奶烊粴馐且环N多組分的混合氣體，其中最主要的就是甲烷，此外還包括氣態(tài)乙烷、丙烷、硫化氫和二氧化碳等氣體。
“常溫常壓下，甲烷以氣態(tài)存在，水以液態(tài)或氣態(tài)形式存在，兩種物質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)太迅速而不能形成化學(xué)鍵，因此彼此不會(huì)相互反應(yīng)。但是，在較低溫度和較高壓力下，兩種物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)變慢，彼此相互接近，水分子會(huì)形成緊密的‘籠’狀結(jié)構(gòu)，將甲烷分子包裹在其中而成甲烷水合物?！眲ソ榻B說(shuō)。
據(jù)介紹，天然氣水合物主要有3種結(jié)構(gòu)類(lèi)型。I型由甲烷、乙烷、二氧化碳、硫化氫等較小直徑的氣體分子和水分子結(jié)合而成；Ⅱ型由甲烷、乙烷等小分子，丙烷及異丁烷等較大分子和水分子結(jié)合而成；H型由氣體組分中有異戊烷等較大氣體分子和水分子結(jié)合而成。在自然界，Ⅰ型天然氣水合物最常見(jiàn)，Ⅱ型次之，H型較為罕見(jiàn)。
“天然氣水合物的形成需要大量烴類(lèi)氣體，這些烴類(lèi)氣體有的來(lái)自于微生物的分解，也有一些來(lái)自于油氣田的熱降解，當(dāng)然也有兩者混合形成的。相應(yīng)的，天然氣水合物可以分為三種成因，分別是生物成因、熱成因和混合成因。我們可以通過(guò)碳同位素比值來(lái)判斷天然氣水合物的氣體來(lái)源?！眲フf(shuō)，目前我國(guó)南海北部海域發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物主要屬于生物型；在陸域發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物以混合型和熱解型為主，比如我國(guó)祁連山凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物。
天然氣水合物中的天然氣是被高度濃縮的，其燃燒效能比較高。據(jù)劉偉介紹，1立方米天然氣水合物能夠轉(zhuǎn)化為164立方米的天然氣和0.8立方米的水。天然氣水合物燃燒時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何殘?jiān)廴颈让?、石油要小得多，是一種非常有利用前景的新型清潔能源。
天然氣水合物又很“嬌氣”。它作為“冰”存在需要一定的溫度和壓力條件，一旦溫度上升或壓力減小，籠狀物的化學(xué)鍵就會(huì)迅速解體，天然氣水合物也就會(huì)崩解，甲烷被釋放出來(lái)。
深藏于深海沉積物或
陸域的永久凍土中
“自然界中，天然氣水合物往往分布于水深大于300米以上的海底沉積物或寒冷的陸地永久凍土帶。不同于石油、煤炭等礦種，天然氣水合物在自然界中被發(fā)現(xiàn)的歷史比較短。這種深藏于深海沉積物或陸域的永久凍土中的物質(zhì)，到上世紀(jì)才被發(fā)現(xiàn)?！眲フf(shuō)。
在19世紀(jì)，英國(guó)等國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)現(xiàn)天然氣水合物，并人工合成甲烷水合物。但當(dāng)時(shí)，人們以為甲烷水合物只能通過(guò)工業(yè)合成得到，對(duì)它的研究也僅停留在實(shí)驗(yàn)室。
最早在自然界中發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的是蘇聯(lián)。1934年，蘇聯(lián)在天然氣輸氣管道里發(fā)現(xiàn)了冰狀物質(zhì)，堵塞了輸氣管道。奇怪的是，當(dāng)時(shí)氣溫并未降到零度，怎么會(huì)結(jié)冰？經(jīng)研究表明，這種冰狀物質(zhì)正是由甲烷和水組成的天然氣水合物。20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)在西伯利亞永久凍土帶發(fā)現(xiàn)可燃冰礦藏。這證明天然氣水合物在自然界是存在的，在當(dāng)時(shí)引起很大轟動(dòng)。此后，天然氣水合物在世界其他一些地方陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。
“經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的追尋，人類(lèi)已經(jīng)在世界大洋海底發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，在陸地也發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物?！眲フf(shuō)，已發(fā)現(xiàn)的海底天然氣水合物多分布于環(huán)太平洋周邊、大西洋兩岸、印度洋北部、南極近海及北冰洋周邊。此外，地中海、黑海、里海和貝加爾湖也有零星分布。陸地上天然氣水合物主要分布于北緯高緯度凍土區(qū)以及我國(guó)青藏高原凍土區(qū)。截至目前，發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物已超過(guò)220處。
據(jù)介紹，天然氣水合物的儲(chǔ)量十分豐富。按照國(guó)際上通行的評(píng)估，全球天然氣水合物的資源量為2.1×1016立方米，相當(dāng)于21萬(wàn)億噸油當(dāng)量。全球天然氣水合物儲(chǔ)量是現(xiàn)有天然氣、石油儲(chǔ)量的兩倍，目前已探明到的海底天然氣水合物的儲(chǔ)量至少可夠人類(lèi)使用1000年，具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。
“目前，國(guó)際上對(duì)天然氣水合物這種新型能源比較關(guān)注，尤其是一些自身沒(méi)有化石能源儲(chǔ)備、大量依賴(lài)進(jìn)口的國(guó)家，如日本、韓國(guó)等，對(duì)天然氣水合物的勘探和開(kāi)發(fā)更是表現(xiàn)出濃厚興趣。許多國(guó)家成立了專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)，投入巨資，旨在探明本國(guó)天然氣水合物資源和進(jìn)行開(kāi)采準(zhǔn)備?！眲フf(shuō)。
“我國(guó)對(duì)天然氣水合物的研究和調(diào)查起步較晚，但進(jìn)展很快?！眲ケ硎荆瑥?0世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)進(jìn)行天然氣水合物調(diào)查工作，經(jīng)過(guò)多年努力，在南海和青藏高原發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物的存在。
2007年，我國(guó)首次在南海北部進(jìn)行天然氣水合物鉆探，取得天然氣水合物實(shí)物樣品，成為繼美國(guó)、日本、印度之后第4個(gè)通過(guò)國(guó)家級(jí)研發(fā)計(jì)劃采到天然氣水合物實(shí)物樣品的國(guó)家。2008年在青藏高原永久凍土帶中發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。此后，在我國(guó)海域連續(xù)進(jìn)行天然氣水合物鉆探，獲得大量天然氣水合物樣品，證實(shí)我國(guó)海域蘊(yùn)藏豐富的天然氣水合物資源。
在南海北部開(kāi)展天然氣水合物調(diào)查工作中，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局圈定了兩個(gè)千億方級(jí)的礦藏，控制資源量分別為1231億立方米和1500億立方米。根據(jù)天然氣水合物資源類(lèi)型及賦存狀態(tài)，結(jié)合地質(zhì)條件，我國(guó)海域天然氣水合物資源量預(yù)計(jì)約800億噸油當(dāng)量。
實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化開(kāi)采
仍有很長(zhǎng)的路要走
然而，天然氣水合物雖然儲(chǔ)量豐富，但真正進(jìn)行開(kāi)采利用，技術(shù)要求很高，存在的風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題也需要重視。
世界上首次從海底開(kāi)采出天然氣水合物的國(guó)家是日本。2013年3月，日本在愛(ài)知縣渥美半島以南70公里、水深1000米處海底開(kāi)采出天然氣水合物并提取出甲烷。在6天之內(nèi)，日本共開(kāi)采出12萬(wàn)立方米氣體。此后，開(kāi)采因泥沙堵住鉆井通道而中止。
我國(guó)首次海域天然氣水合物試采，于今年3月至7月在南海神狐海域進(jìn)行。3月28日第一口試采井開(kāi)鉆，5月10日下午14時(shí)52分試氣點(diǎn)火成功，從水深1266米海底以下203-277米的天然氣水合物礦藏開(kāi)采出天然氣。截至7月9日14時(shí)52分，試開(kāi)采連續(xù)試氣點(diǎn)火60天，累計(jì)產(chǎn)氣30.9萬(wàn)立方米，平均日產(chǎn)5151立方米，甲烷含量最高達(dá)99.5%。
“我國(guó)海域天然氣水合物首次試采圓滿成功，取得持續(xù)產(chǎn)氣時(shí)間最長(zhǎng)、產(chǎn)氣總量最大、氣流穩(wěn)定、環(huán)境安全等多項(xiàng)重大突破性成果，創(chuàng)造了產(chǎn)氣時(shí)長(zhǎng)和總量的世界紀(jì)錄?！眲ソ榻B說(shuō)，此次試采海域周?chē)貙訜o(wú)明顯變化，海水及周邊大氣等甲烷濃度無(wú)異常，環(huán)境無(wú)污染，未發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。
通過(guò)此次試采，我國(guó)實(shí)現(xiàn)勘查開(kāi)發(fā)理論、技術(shù)、工程和裝備自主創(chuàng)新。據(jù)介紹，自主創(chuàng)新的技術(shù)包括“地層流體抽取”、未成巖超細(xì)儲(chǔ)層防砂和天然氣水合物二次生成預(yù)防技術(shù)，4500米級(jí)無(wú)人遙控潛水器探測(cè)、保壓取樣、海洋高分辨率地震探測(cè)和海洋可控源電磁探測(cè)技術(shù)等。此外，在技術(shù)裝備方面，研制了我國(guó)第一臺(tái)4500米作業(yè)級(jí)無(wú)人遙控探測(cè)潛水器“海馬”號(hào)，研發(fā)了天然氣水合物保溫保壓取樣器，利用了我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的超深水半潛式鉆井平臺(tái)“藍(lán)鯨Ⅰ號(hào)”等。
“目前，國(guó)際上對(duì)天然氣水合物的開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)還不能準(zhǔn)確估計(jì)。相當(dāng)一部分學(xué)者認(rèn)為，開(kāi)采天然氣水合物可能會(huì)造成不可預(yù)計(jì)的環(huán)境危害，對(duì)此我們不得不謹(jǐn)慎?！眲ケ硎荆烊粴馑衔镏械募淄?，其溫室效應(yīng)為二氧化碳的20倍。若有不慎，一旦失控，海底天然氣水合物中的甲烷大量釋放并逃逸到大氣中去，將嚴(yán)重助長(zhǎng)全球變暖的趨勢(shì)。此外，天然氣水合物固結(jié)在海底沉積物中，一旦條件變化使甲烷氣體從天然氣水合物中釋出，還會(huì)改變沉積物的物理性質(zhì)，極大地降低海底沉積物的工程力學(xué)特性，引發(fā)海底開(kāi)采區(qū)的崩塌或滑坡事件，毀壞海底工程設(shè)施，比如危害海底輸電或通訊電纜、海洋石油鉆井平臺(tái)等。
我國(guó)已確立天然氣水合物為新礦種，這有利于加快天然氣水合物資源開(kāi)發(fā)利用步伐、勘查開(kāi)發(fā)投資主體多元化，促進(jìn)天然氣水合物勘查開(kāi)采科技創(chuàng)新。劉偉表示，天然氣水合物試采成功，僅是邁出了可喜的第一步，要實(shí)現(xiàn)未來(lái)的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)采，仍有很長(zhǎng)的路要走。
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