可燃冰，想要商業開採不容易！

2017年5月18日，國土資源部中國地質調查局宣布，我國在南海北部神狐海域試采可燃冰獲得成果，中共中央、國務院對該次試采發出賀電，此事件標誌我國在可燃冰勘查開發的理論和技術上實現了歷史性突破。

這看似神秘的「可燃冰」是什麼東西呢？可燃冰學名「天然氣水合物」，是天然氣分子與水分子以固態形式相結合的一種化合物，因其外形像冰且能燃燒，故俗稱「可燃冰」。可燃冰是天然氣的濃縮體，其燃燒值極高，1立方米可燃冰完全燃燒的熱值相當於164立方米天然氣燃燒的熱值。可燃冰供以燃燒的主要成分是甲烷，燃燒後變成二氧化碳和水，不會造成環境污染，因此是一種清潔能源。

可燃冰資源分布廣泛且儲量巨大，全球約27%的陸地和90%的海底區域具備可燃冰形成的條件，據估計，可燃冰中有機碳含量相當於目前已知煤、石油和天然氣總量的兩倍。由於可燃冰具有高效、清潔和量大的特點，因此被世界各國視作未來的戰略性替代能源，目前對可燃冰資源開發的理論和技術研究正在蓬勃開展。

正在燃燒的可燃冰

開採過程中可燃冰分解成天然氣

既然可燃冰資源有這麼廣闊的應用前景，那趕緊加大規模開採啊。但是很遺憾，現階段距離大規模商業開採還有很長一段路要走，主要難題在於開採過程引起地層不穩定以及氣體泄漏造成生態災難的潛在危害。

可燃冰在低溫高壓的海底或深部陸地凍土區以固體形式存在，但是正常使用需要在常溫常壓條件下以天然氣的形式釋放出來，因此可燃冰資源安全開採的核心問題就是如何保證將固體可燃冰安全釋放為天然氣。大多數情況下可燃冰與地層中的土顆粒是相互混合的，很少出現純凈的完整可燃冰礦藏，當可燃冰分解成天然氣時土中孔隙增大而且體積膨脹，這個過程如同蒸饅頭時麵粉內產生大量氣泡導致體積膨脹。當土中孔隙增大時，地層內部的連接能力減弱甚至發生破裂，將會產生巨大變形甚至觸發大規模的海底滑坡，對開採平台、海底管線與光纜等基礎設施造成巨大破壞。另外，當地層破裂面整體貫通後，可燃冰分解出的甲烷（天然氣的主要成分）通過破裂面泄漏出來並排放到大氣中，由於甲烷是一種比二氧化碳更嚴重的溫室氣體，因此大規模的泄漏甚至可能會引起全球性的氣象災難。

因此，研究可燃冰在地層中的岩土力學問題——特別是研究可燃冰在地層中賦存的溫度和壓力條件、可燃冰分解過程中地層的力學穩定性——對可燃冰資源安全開採具有重要的指導意義。

近年來，中國科學院武漢岩土力學研究所韋昌富研究員帶領科研團隊圍繞可燃冰開採中的關鍵科學與技術問題，開展了含可燃冰土的工程力學方面的研究，取得了一系列研究成果：

（1）率先在國內建立了具有自主知識產權的與可燃冰礦藏物理力學特性相關的試驗平台，主要包括可燃冰相平衡關係測試儀、可燃冰生成模擬裝置、含可燃冰土高壓三軸儀、含可燃冰沉積物核磁共振系統等；

（2）採用多種室內試驗技術模擬不同自然環境下可燃冰礦藏的賦存形式，實現了可燃冰生成和分解過程中孔隙水賦存狀態的精細探測，測試了含可燃冰土的強度和變形規律；

（3）提出了含可燃冰土強度和變形的理論模型，開發了相關計算機模擬程序，並對可燃冰開採過程進行計算機模擬。

這些成果預期能夠為今後可燃冰資源安全開採提供決策依據：對可燃冰在地層中的物理力學性質研究清楚後，就可以知道開採需要加熱的溫度、降壓方式和壓力大小、注入何種化學試劑、注入量和注入速率等關鍵設計參數，為地層變形、破壞、滑坡和氣體泄漏等問題提供防治策略；建立起理論模型和計算程序之後，就可以通過計算機模擬開採過程的安全和穩定性，減少現場和室內試驗的次數，起到節省經濟成本和優化開採技術的作用。

含可燃冰土直剪儀

含可燃冰土三軸儀

可燃冰形成和分解過程曲線

含可燃冰土應力-應變曲線

可燃冰開採計算模型

可燃冰開採過程模擬結果

以上工作得到了國家自然科學基金重點項目、面上項目以及青年基金項目、中科院知識創新重要方向項目、中科院青年創新促進會以及岩土力學與工程國家重點實驗室的資助，已獲國家專利發明專利授權6項，相關研究成果發表在Applied MagneticResonance，Cold Regions Science and Technology， Journal of PetroleumScience & Engineering， International Journal for Numerical Methods inEngineering，《岩土力學》，《岩土工程學報》等國內外期刊。

來源：中國科學院武漢岩土力學研究所

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