冰火並非兩重天 這種能源將實現商業化開採

出品：科普中國

製作：中國科學院西北生態環境資源研究院 陳治理

監製：中國科學院計算機網路信息中心

自然資源部中國地質調查局副局長李金髮近日表示，我國將加快推進天然氣水合物勘查開採產業化進程，統籌開展資源勘查、試采攻關、環境保護、平台建設及產業政策制定等。基於中國可燃冰調查研究和技術儲備現狀，預計我國在2030年左右有望實現可燃冰商業化開採。

可燃冰，顧名思義就是"可以燃燒的冰"。它是天然氣水合物的俗稱，外形為白色似冰狀物，是天然氣和水在低溫高壓環境下通過結晶作用形成的類冰狀化合物，像固體酒精一樣可以直接點燃。

可燃冰

為什麼可燃冰日益受到人們關注？

可燃冰相比傳統能源具有諸多優點。天然氣中幾乎不含硫、粉塵及其他有害物質，對環境的污染比煤（燃燒產物為二氧化碳、二氧化硫及粉塵，可能導致全球變暖、形成酸雨，危害人類呼吸系統）和石油（燃燒產物為二氧化硫和三氧化硫。嚴重污染大氣、土壤及水體等）小得多，其燃燒產生的溫室氣體極少。因此，可燃冰是一種清潔能源，其燃燒所造成的污染，遠遠小於煤、石油等傳統能源。

此外，天然氣相對而言熱值、熱效率高。與煤炭和石油相比，天然氣單位熱值為8000-10000大卡，遠高於煤炭；並且天然氣的熱效率可達70%以上，不僅高於煤炭40%-60%的熱效率值，也高於石油的65%。常溫常壓下，1m3的可燃冰在"溶化"後可以釋放出約164m3的天然氣。

可燃冰是怎麼形成的呢？

（1）溫度條件。能夠形成可燃冰的環境溫度通常為0-10℃，最高不能超過20℃。否則會導致可燃冰的分解。

（2）壓力條件。可燃冰的生成需要高壓環境。如在0℃時，30個以上標準大氣壓才可能生成可燃冰。

（3）氣源條件。烴類氣源是形成可燃冰的源泉。

當然，除此之外，pH值、鹽度、氣體運輸通道等也是可燃冰形成的重要條件。陸地上只有少數永久凍土層的地區，例如青藏高原、西伯利亞地區具備上述三個條件。在海洋中，位於海平面下300米到500米處的沉積物里也可能具備適合可燃冰形成、並使其維持穩定狀態的低溫高壓條件。

可燃冰分子結構圖

那麼，在哪裡可以找到可燃冰呢？

可燃冰廣泛分布於陸域永久凍土帶及海洋或內陸深水環境，地球上大約有27%的陸地和約90%的海洋水域是可以形成可燃冰的潛在地區。全球已探明的可燃冰中的天然氣資源量超過15萬億m3，是一種資源潛力巨大的非常規天然氣資源。

可燃冰世界分布區域

可燃冰如何開採呢？會導致什麼問題嗎？

由於可燃冰苛刻的形成條件和所處的敏感特殊環境，開採不當容易造成多方面問題。例如，可燃冰在脫離地層後極易分解逸散，釋放出的主要氣體甲烷產生的溫室效應是CO2的20-26倍。

目前，可燃冰的開採的原理是破壞可燃冰的平衡狀態，使水和天然氣分離，從而達到開採目的。常見開採方法如下：

中國可燃冰海上開採平台

當然，可燃冰若開採不當，導致甲烷氣體泄漏，會加劇全球變暖，誘發自然災害和突發事件發生。

（1）引發地質災害

特定地質環境下，可燃冰開發會發生相變。可燃冰的基底區域變得鬆散，氣體溢出，易造成海底滑坡，海底地震等自然災害。溢出的氣體會迅速上竄，極易引起井噴，嚴重危害開採人員和設備的安全。

（2） 破壞生態環境

貿然對可燃冰進行鑽探開採，可能會加速甲烷的溢出速度。甲烷進入海水後，部分會被微生物或喜氧細菌氧化，從而導致海水缺氧，引發大量生物死亡甚至滅絕，嚴重破壞生態環境。

（3）影響全球氣候

甲烷是一種溫室氣體，溫室效應比同等重量CO2大20倍。在陸上和海洋中，可燃冰里甲烷含量是大氣中含量的3000倍。因此，如開採不當導致甲烷泄漏，可能對大氣構成和大氣輻射特性產生重大影響，從而影響全球氣候。

可燃冰開採新技術

近年來，日本研究出一種水平鑽采技術。沿天然氣水合物儲層水平開採，效率可提高30%。除傳統的降壓、熱激和試劑注入3種方法外，還可向開採中的天然氣水合物儲層中注入液態二氧化碳，使其形成二氧化碳水合物，同時置換采出甲烷天然氣。這樣，既充填了采空岩層，又把工業產生的二氧化碳貯存於地下深部，起到了"固碳作用"、又防止了礦層破壞坍塌，一舉多得。

前面提到，可燃冰廣泛分布於陸域凍土帶或者海域。需要注意的是，凍土地區可燃冰在成藏條件和發育特徵等方面與海域相比存在很大差異。海域水合物主要存在於新生界未固結的鬆散地層中，地層孔隙度大、產狀平緩、構造簡單，水合物含量高、厚度大；而陸域水合物，以我國青藏高原為例，屬於中緯度高海拔多年凍土區，凍土（岩）層較薄，地層產狀陡、斷裂發育，岩性複雜，發現的水合物主要存在於中生界砂岩、泥岩、頁岩等硬岩石的孔隙或裂隙內，具有埋深淺、飽和度低、水平及縱向分布不連續等特點。

成藏條件和發育特徵的差異，必然會造成水合物儲層表現出不同的地球物理和地球化學響應特徵，造成海域水合物勘查技術難以直接應用於陸域天然氣水合物勘查工作中。那麼，目前陸域水合物探測方法有哪些呢？

目前常見的探測方法有高精度地震勘探技術、電磁探測技術、低頻探地雷達技術、綜合地球物理測井技術、地面核磁共振技術、遙感探測技術等。下面讓我們簡單了解一下其中幾種。

（1）高精度地震勘探技術

地震勘探指的是人工激發所引起彈性波，利用地下介質彈性和密度的差異，通過觀測和分析人工地震產生的地震波在地下的傳播規律，推斷地下岩層的性質和形態的一種勘探方法。在天然氣水合物探測中，我們也是利用地震波組的振幅、頻率和速度特徵進行綜合解釋，識別天然氣水合物儲層。

（2）低頻探地雷達技術

探地雷達是利用天線發射和接收高頻電磁波來探測介質內部物質特性和分布規律的一種探測方法。，主要用於考古、災害地質調查、工程質量檢測等。在天然氣水合物探測中，我們採用使用了偽隨機編碼技術的低頻探地雷達，通過反射信號的""高頻、強振幅""特徵，識別天然氣水合物儲層。

（3）地面核磁共振技術

首先，我們先要了解下核磁共振技術。核磁共振，簡稱NMR，是1946年由美國斯坦福大學布洛赫(（F.Block)）和哈佛大學珀賽爾(（E.M.Purcell)）各自獨立發現的，兩人還因此獲得1952年諾貝爾物理學獎。

核磁共振是一個基於原子核特徵的物理現象，是指具有核子順磁性的物質,選擇地吸收電磁波能量。從理論上講，應用NMR技術的唯一條件是所研究物質的原子核磁矩不為零。而水中氫核具有核子順磁性，並且其磁矩不為零。

核磁共振在醫學、化工、建材、食品、冶金、地質、國防等方面被廣泛應用。地面核磁共振技術，簡稱SNMR，是目前主要直接探測地下水的探測方法。其基本思想是基於核磁共振原理對氫原子的探測，可以直接探測液態氫質子存在性和含量多少。

地下水是形成水合物必要物質條件，地下水的發育還會對水合物的成藏環境產生影響。利用地面核磁共振可以有效探測地層含水率和地下水空間分布狀況，為天然氣水合物儲層描述提供參考。

（4）遙感探測技術

遙感探測是指從人造衛星、飛機或其他飛行器上收集地物目標的電磁輻射信息，判認地球環境和資源的技術。是60年代在航空攝影和判讀的基礎上，隨航天技術和電子計算機技術的發展而逐漸形成的綜合性感測技術。

遙感探測技術主要應用於大氣成分探測、植物病蟲害探測等。在天然氣水合物探測中，通過分析各種感測器數據，獲取凍土區近地面甲烷濃度分布，解譯氣源條件，分析水合物成藏有利區。

天然氣水合物是一種清潔能源，其勘探開採備受世界矚目。2017 年11 月16 日，中國國土資源部正式批准天然氣水合物（可燃冰）為新礦種，成為我國第173個礦種，是21世紀石油天然氣的理想替代資源。中國也正在進一步加大天然氣水合物資源的勘察開發力度，實現天然氣水合物資源的利用。可以期待，可燃冰將成為未來重要的替代能源之一。

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