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“可燃冰”開發,難在哪?

時間:2014/12/26 9:39:44

        
      自20世紀60年代以來,人們陸續在凍土帶和海洋深處發現了一種可以燃燒的“冰”,就是天然氣水合物,即后來被人們稱作“可燃冰”的物質。
  可燃冰中甲烷含量占80%~99.9%,燃燒污染比煤、石油、天然氣都小得多,而且其廣泛分布在大陸永久凍土、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內陸湖的深水環境,在全球范圍內的儲量是現有天然氣、石油儲量的兩倍,足夠人類使用1000年,因而被各國視為未來石油、天然氣的替代能源。
  時至今日,已有超過30個國家和地區在進行“可燃冰”的研究與調查勘探,最近兩年的開采試驗取得了較大進展。而對于目前被霧霾重重圍剿的中國來說,用一種新型的清潔能源來改善以煤炭為主的能源結構,是徹底擺脫環境壓力的重要路徑。而在所有的清潔能源中,“可燃冰”被寄予厚望。
  那么,在“可燃冰”走進中國視野的近20年里,越來越多的人開始關心,“可燃冰”勘探和開發經歷了哪些困難,目前對其認識和利用達到了什么層級,要真正達到服務社會經濟發展的階段還有多少差距?本報記者在第八屆天然氣水合物大會上采訪了中國國務院參事張洪濤。
  “可燃冰”與中國
  “可燃冰”與中國結緣不能繞過的一個人,便是張洪濤。
  1996年,張洪濤第一次知道這種天然氣水合物。當時,國內兩家情報機構也在關注這種物質,但對于這種物質的叫法并不統一。彼時,張洪濤是原地礦部直屬單位管理局副局長,他在一篇報道上看到了這個新礦種,隨即研究了相關資料,覺得這是非常重要的潛在替代能源,而且是清潔能源。
  在國土資源部成立之前,張洪濤就連續兩年組織了情報調研。1998年,國土資源部成立后,開展了新一輪國土資源大調查。當時,在大調查的框架之下,國土資源部投入960萬元,進行了天然氣水合物面上的調查和機理的研究。2002年,天然氣水合物被正式列入國家計劃。2004年,中國與德國合作,德國先進的“太陽號”調查船開進中國南海,載著14位中國科學家和14位德國科學家,進行了第一次海底取樣。當時,地球物理資料、化學資料、地質資料以及水體資料都非常精準,大家信心滿滿,認為一定能取到樣品。但由于南海的海床活動比較活躍,海底的天然氣水合物碰到了海水,慢慢就結成了非常堅硬、厚達半米的碳酸鹽結殼。這么厚的結殼采用重力取樣的方式是砸不透的,租來的保壓取芯裝置都被砸壞了。因此,中國第一個天然氣水合物海底樣品的取得整整推遲了3年。
  2007年5月,張洪濤在中國南海指揮了又一場攻堅戰,成功在海底鉆到了天然氣水合物樣品。他向媒體宣布,中國成為繼美國、日本、印度之后,第四個通過實施國家計劃成功取得海底天然氣水合物樣品的國家。20多天后,韓國也成功取到海底樣品。但他們只能說,韓國是繼美國、日本、印度、中國之后,第五個取到海底樣品的國家。
  在2007年鉆取海底天然氣水合物后,2009年,中國在陸域永久凍土區祁連山鉆探獲得實物樣品;2013年,在南海北部陸坡再次鉆探獲得新類型的水合物實物樣品,發現高飽和度水合物層;同年,在陸域祁連山凍土區再次鉆探獲得水合物實物樣品。在此次天然氣水合物大會上,中國地質調查局表示,中國計劃于2015年在中國海域實施天然氣水合物的鉆探工程。這將再次有力推動中國“可燃冰”勘探與開發的進程。
  “可燃冰”開采的技術難題
  張洪濤認為,天然氣水合物的開發利用面臨很多世界性難題。在其生成理論上,關于它的生成機理、成藏機理、遷移途徑,以及影響它成藏的物理、化學條件都尚未清楚。全球科學界認為,天然氣水合物的形成是因為海底層下面有氣源,這個氣源到了淺層適合于結冰的環境下就變成了水合物。但是,氣源究竟從何而來?有人認為是生物熱分解形成的,還有人提出直接從下面噴出來的就是甲烷。諸如此類的理論問題,似乎越研究越迷茫,越研究科學問題越多。
  除此以外,更大的難題是開采。張洪濤解釋說,海域的天然氣水合物大多賦存于距海面900米~1200米處,埋藏在海床0米~300米的深度。甲烷在寒冷、黑暗的條件下,以冰一樣的狀態存在。在采樣時,要改變它的物理狀態,很容易就使其融化,因此對保壓取芯裝置的要求非常高,大規模開采更加困難。同時,實現海底開采還要解決壓力問題。“我曾在‘太陽號’上做了個實驗,將筆記本大小的一塊泡沫綁在海底攝像機上,下沉海底1000米,在上面寫了一些字和圖案做標記,結果撈起來的時候變成了與飯盒大小差不多的十分堅硬的東西,緊緊的、密密的。”張洪濤說,海底壓力非常大,對采樣機、鉆機等設備材料的耐壓性、密封性以及傳感器精密程度的要求都很高,而中國在這些方面和發達國家還有差距。“比如,我們在地面打鉆40米長的鉆桿,如果打1000米深,需要20根鉆桿,而在兩根鉆桿接起來一起打鉆時,由于海底的水不斷攪動,鉆頭無法對準首次打鉆的位置,這就是海底定位系統的精準度不夠,即使現在,我國海底定位系統的精準問題也尚未解決。”張洪濤進一步解釋。
  還有就是,開采天然氣水合物對環境的影響和地質災害的發生尚不可控制。天然氣水合物從固體狀態變成天然氣和水的狀態時,體積比例是從1∶164。這一突然變化的過程使空間體積瞬間增大,就會帶來很大壓力。并且,采礦領域的空間范圍通常以立方千米計算,這種突然變化的過程會帶來海底海嘯。而這種壓力會傳遞到海平面,也會帶來陸坡的變化,比如滑坡,海底泥石流和微地震。所以,開采天然氣水合物必須要對其開采過程可能帶來的災害具有控制能力。但目前,對災害的控制技術和防范仍是全球主攻的難題。
  另外,各國的科學家對水與氣泡的關系研究成為另一個主攻的技術難題,這屬于天然氣水合物機理的研究,包括水與氣體的關系、冰與水的關系,這將指導將來的采礦技術,目前納米級的研究已經出現。
  各國對“可燃冰”的態度
  在此次會議上,記者獲悉,對于天然氣水合物的研究,加拿大政府并不熱心,并且,就在近期停掉了對天然氣水合物的研究。對此,張洪濤給出了相應的解釋:“各國對待天然氣水合物的態度是根據各自的國情決定的。加拿大是長期出口天然氣的國家,儲量位居世界第二,美國能源的30%來源于加拿大。所以,它對于新能源的需求暫時也不迫切。相對地,此次天然氣水合物大會的組委會資助了10個來自世界范圍的年輕人,其中3個來自印度,兩個來自新加坡,這說明印度政府非常積極。”
  據他分析,事實上,美國對于這個研究也并不積極,對于申請第九屆天然氣水合物大會的爭辦權也是學術界的力量在支撐,同時,舉辦會議還要爭取商業支持。這是因為美國通過頁巖氣革命能夠使其在兩年以后變成天然氣凈出口國,很長一段時期將沒有能源的后顧之憂,也就不會花大力氣投入更多人力和資金去研究天然氣水合物的開發利用。而中國迫于環境壓力,能源結構急需調整,必須從單一化變為多樣化供給,所以對于天然氣水合物的利用‘迫不及待’。日本的能源基本屬于外向型,主要依靠國際供應,所以將海底的這種資源看得非常重。和日本一樣,韓國也勘探和開發海底天然氣水合物。盡管海水深度比中國的深一倍,而成本要高出中國3倍到4倍,但它還是要堅持,因為其社會經濟發展受環境和資源挾制。而德國在這一領域的研究成果堪稱世界之首,但也僅限于基礎研究,并未向商業模式上轉移,因為其能源供應是穩定的。
  對于中國的天然氣水合物儲量到底有多少、能否變成中國的主力能源、哪一天能夠實現商業化開采等一系列問題,張洪濤表示,如果一切順利,財力與人才及技術裝備都能達到供應需求,那么中國將在2030年實現商業化開采。對于日本與韓國在2018年達到這一水準,他表示并不看好。這一觀點也得到了美國與德國同行的支持。但是他強調,對于天然氣水合物來說,總有辦法最終實現對其的科學合理利用,只是需要時間。
  在中國努力實現“可燃冰”商業化開采的過程中,中國地調局扮演著這一國家專項“領導者”的角色。為此,張洪濤也對中國地調局寄予殷切期望:必須要在2020年前,搞清楚中國的領海與管轄的海域底下到底有多少資源;在國際海域實現全球合作;到2020年,必須實現試驗性開采。在目前已經成功實現兩次打鉆的基礎上,他們要一手抓技術進步,使試驗性開采實現創新突破;一手抓更重要的任務,就是對人才的培養。目前,這個國家專項提供了一個人才成長的平臺,要在國際合作的前提下,使年輕人盡快成長為細分領域的骨干,才能承擔2030年實現商業開采得到工業產品的目標。(秘書處)

作者:不詳 來源:網絡
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