可燃冰研究與開發綜述

　　作者：蔣明桓　寧波　投資

　　一、溫室效應、二氧化碳減排和可燃冰　

　　溫室效應對人類生存和社會可持續發展已產生重大不利影響，聯合國政府間氣候變化專門委員會（　IPCC）　指出，必須在2050　年以前將溫室氣體排放減少60　％　，才能將氣候穩定下來，從而避免出現災難性後果。正如在剛結束的聯合國氣候峰會上，胡錦濤主席所說，應對氣候變化，實現可持續發展，是擺在我們面前一項緊迫而又長期的任務，事關人類生存環境和各國發展前途，需要各國進行不懈努力。

　　溫室效應應對成功的關鍵在二氧化碳減排。二氧化碳減排可分為兩大類：　即上游減排和下游減排。上游減排包括：　1）　調整經濟結構、能源結構、產品結構。建立低能耗、低排放的企業，對高能耗工業進行改造，用高新技術提升傳統產業，發展附加價值高的低能耗新興產業等；　2）　推廣節能技術，提高能源利用效率；　3）　大力發展可再生能源、先進核電技術、高效的煤潔淨利用技術、天然氣發電技術、多聯產技術等；　4）　改變人們生活方式。下游減排是指將不得已排放的二氧化碳分離回收、封存和再利用。

　　從胡錦濤在聯合國氣候峰會上代表中國所做的鄭重承諾看，中國要實現爭取到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年有顯著下降這個目標，是採取了通過發展低耗能、利用可再生能源、低碳能源、森林封存等減排技術相結合，整合二氧化碳上、下游減排，走出一條有中國特色的有效率、成本較低的科學治理之道路。

　　而可燃冰作為具有上、下游減排雙重功能的低碳能源，　在有效減排二氧化碳的同時又將排放數量大為減少的二氧化碳進行轉化，是低能耗的對環境友好的減排技術，從長遠看，具有很強的應用前景。

　　二、可燃冰的特點、分佈、儲量　

　　早在1778年英國著名化學家、氧氣的發現者普利斯特裡，就著手研究氣體生成的氣體水合物溫度和壓強，但未能制出實驗條件下的可燃冰。1934年，美國科學家在油氣管道中發現了冰狀固體堵塞現象，這是可燃冰首次進入人類視野。

　　可燃冰是充足的甲烷和水，在有甲烷和水充分聚集的儲存空間條件下，在一定的溫度和壓力條件下生成的一種非化學計量型的籠型化合物，　外貌極像冰雪或固體酒精，遇火即可燃燒的一種固態物質，又稱「氣冰」、「固體瓦斯」，正式名稱為天然氣水合物（Nature　gas　hydrate）　和籠型化合物（Clathate）　。可燃冰中甲烷來源於微生物分解海底沉積物中有機碳形成甲烷，或地球深部（海底或地表下數千米）　熱解出甲烷。可燃冰呈黃色、橙色、紅色、灰色和藍色。

　　可燃冰是由多個水分子通過氫鍵作用形成不同結構的籠狀體，而氣體分子之間則通過分子間相互作用填充在籠中，可用M•nH2O　表示。已發現有3　種結構，CH4•5.75H2O　最為普遍的結構。按此計算1立方米「可燃冰」可分解出164　立方米　的甲烷　和0.8立方米的水。說明可燃冰具有很高能量密度，是煤層、黑色頁岩的10　倍，是天然氣能量密度的2至5倍。

　　可燃冰在世界範圍內廣泛存在，大約22％的陸地和90％的大洋海底是形成它的潛在地區，主要分佈在極地高原的永久凍土帶及水深超過300　m　以下的海底。目前研究結果表明，天然氣水合物分佈廣泛，資源量巨大，是煤炭、石油、天然氣全球資源總量的兩倍，初步估算它的碳資源總量是全球所有化石燃料中碳含量的兩倍，其礦藏量估計為1.5×10的16次方至2.0　×10的16次方／立方米。

　　事實上，據我國專家分析研究，　青藏高原、東北凍土區和東海、南海、黃海的大陸坡及其深海，都可能存在體積巨大的可燃冰。比如，我國是世界上第三凍土大國，凍土區總面積達215萬平方公里，具備良好的天然氣水合物賦存條件和資源前景，羌塘盆地是最有前景的找礦遠景區，其次是祁連山木裡地區、東北漠河盆地和風火山—烏麗地區等。據專家估計，我國凍土帶的可燃冰儲量更大大超過南海等海域。據預測，我國可燃冰資源量將超過2000億噸油當量。其中，南海海域約650億噸，位於青藏和黑龍江的凍土帶則有1400多億噸。

　　三、國內外可燃冰研發現狀　

　　對可燃冰的研究探索始於1810　年，英國科學家戴維在實驗室中把氯氣通入水中，　在零攝氏度以上出現了「冰塊」，　首次認識到氣水合物這種物。

　　由於「可燃冰」中氣體99　％為CH4　，具有使用方便、燃燒值高、清潔無污染等特點，是公認的地球上尚未開發的最大新型能源，被譽為21世紀最有希望的戰略資源，為世界各國爭相研究的重要對象迄今，世界上至少有30多個國家和地區進行可燃冰的研究與調查勘探。目前，美國、俄羅斯、荷蘭、加拿大、日本等國探測可燃冰的目標和範圍已覆蓋了世界上幾乎所有大洋陸緣的重要潛在遠景地區以及高緯度極地永凍土地帶和南極大陸陸緣區，同時，俄、美、加等國通過地震勘探工作，已查明在北極地區有大量正在形成的天然氣水合物。

　　美國、日本、印度等國近年來紛紛制訂天然氣水合物研究開發戰略和國家研究開發項目計劃。美國於1981年投入800萬美元制訂了天然氣水合物10年研究計劃；　1998年又把天然氣水合物作為國家發展的戰略能源列入長遠計劃，每年投入2000萬美元，準備在2015年試開采；日本經濟產業省已從2000年開始著手開發海底天然氣水合物，開發計劃分兩段進行，前5年對開采海域的蘊藏量和分佈情況進行調查，從第3年開始就打井以備調查用，之後5　年進行試驗性採掘工作，2010年以後實現商業生產。據日本經濟產業省專家小組會議2008　年8月18日在東京發表的一份文件所說，日本政府將在一個叫作Nankai海槽的深海溝中進行冰凍甲烷的試驗性生產；韓國已成功完成《可燃冰開發10年計劃》第一階段任務，確認韓國周邊海域海底可燃冰礦藏，並對儲藏量進行初步估計；　2008至2011年，韓國將完成對周邊海域進一步勘探工作；2012至2014年，對周邊海域發現的可燃冰礦藏儲量進行最終確認，研發可燃冰商業生產相關技術；印度在1995年制訂了5年期《全國氣體水合物研究計劃》，由國家投資5600萬美元對其周邊海域的天然氣水合物進行前期調查研究。

　　對於中國而言，1990年中國科學院與莫斯科大學凍土專業學者合作開展室內可燃冰合成試驗。我國國土資源部從1999　年開始啟動可燃冰的勘察研究。2002年，國家批准設立了水合物專項「我國海域天然氣水合物資源勘測與評價」。同時也是「863」和「973」計劃中被列為能源領域重點研究方向。2008年8月，可燃冰基礎研究被列入國家重大基礎研究發展計劃。2007年5月，中國地質調查局在我國南海北部神狐海域，成功鑽取獲得了高純度天然氣水合物實物樣品，使我國成為繼美國、日本、印度之後第4　個通過國家級研發計劃採到水合物實物樣品的國家。2009年9月25日，國土資源部宣布，我國在青海省祁連山南緣永久凍土帶成功鑽獲天然氣水合物實物樣品，是首次在我國陸域發現天然氣水合物，使我國成為世界上第一次在中低緯度凍土區發現天然氣水合物的國家，也是繼加拿大1992年在北美麥肯齊三角洲、美國2007年在阿拉斯加北坡通過國家計劃鑽探發現天然氣水合物之後，在陸域通過鑽探獲得天然氣水合物樣品的第三個國家。」由此可見，中國對可燃冰的研究，雖然起步較晚，但進展較快，我國可燃冰的調查與研究已處於國際領先水平。

　　四、可燃冰開發中的難點　

　　首先是能源消耗問題。雖然可燃冰中存在的天然氣能源利用率比石油和煤炭都高，　但在目前的技術水平下，　將其從埋藏處輸送至地表所需的能源消耗量，　遠高於其自身所含能源量。因為可燃冰光依靠發掘不能實現自噴，　特別是埋藏在深海域，　所以將其開采運輸所需要的工程量巨大，　自然也就帶來相應的能源消耗。

　　其次是環境保護問題。可燃冰雖然號稱綠色環保型資源，　但是它的開采過程卻可能面臨破壞環境的危險。如果發掘方法不當，就可能導致可燃冰大量氣化，　擴散至大氣中，　加速地球的氣候變暖。如果目前埋藏的可燃冰氣化散發到大氣中，　地球平均氣溫將在10　年內上升4　℃。甚至有人擔心，　可燃冰的氣化，　再加上已經不斷加速的地球氣候變暖，　將導致更大範圍的可燃冰破裂，　也許會將人類拖入滅亡的深淵。另外，　對於開采海底可燃冰，　需要將大量的採掘機械裝載在海底，　無疑會對海洋生態環境造成破壞。

　　再則是成本問題。一方面，可燃冰的分佈沒有規律，相對不穩定，不像油氣田，厚度可達上百米、面積達幾十公里。另一方面，目前可燃冰開采主要有以下幾種方法：　熱力法、降壓法、化學試劑法、CO2　置換法等。不同的開采方法所需費用不同，而海洋中可燃冰的勘測和開采費用比陸地要高許多。據估算，目前可燃冰的開采成本高達200　美元／m3　，摺合成天然氣要1美元／m3。雖然陸地開采可燃冰成本相對較低，但可開采地區往往是生態脆弱地區（如我國的青藏高原），造成勘探規模形成經濟規模有難度，勘探運輸工程等輔助設施費用很高。

　　最後是不少技術瓶頸有待解決。可燃冰開采仍是十分困難的課題，目前正在進行凍土區「可燃冰」的試開采，海洋洋底開采更加困難。世界各國已投入巨資，廣泛進行可燃冰成分與結構方面基礎性研究工作；天然氣採收工藝，勘探、運輸和存儲技術；可燃冰開采條件下，海底穩定性以及對海洋生態全球氣候變化的影響評估等方面仍有許多工作要做。

　　五、中國可燃冰開發展望　

　　近年來，我國在可燃冰的研究方面取得了不少新進展。如2006年我國首套有自主知識產權的可燃冰保真取樣器研製成功。此外，我國也成功開發了可燃冰開采過程數值模擬源程序，獲得了可燃冰分解、動態變化過程的重要實驗數據，確定了開采過程中的關鍵控制因素。但總體上說，我國關於可燃冰的開發研究目前基本上還處於實驗階段。按照我國有關部門制定的戰略規劃，2006年至2015或2020年是調查階段，2015或2020年至2030年是實現一定程度的工業開采，2030年後，中國可燃冰將進入商業生產階段。

　　本文寫作過程中參考文獻因數量較多，在此不一一列舉。

http://www.chinareviewnews.com   2009-09-26

青海鑽出新能源「可燃冰」戰略價值無法估量

位於青海省天峻縣的中國凍土區「可燃冰」鑽探試驗井。

　　中評社北京9月26日電／官方昨天宣布，在青藏高原青海省祁連山的永久凍土帶，成功鑽探出環保新能源「可燃冰」（又稱天然氣水合物），具有「可以同發現大慶油田相媲美」的劃時代意義。據專家初步估算，中國的「可燃冰」儲量至少有三百五十億噸油當量，預計十年左右有望進行商業性開採、投入使用。

　　星島日報報道，這是中國首次在本土陸地上發現「可燃冰」，也使中國成為繼美國、加拿大之後，第三個在陸地上發現「可燃冰」的國家，中國還是世界上首個在中低緯度凍土區發現「可燃冰」的國家。

　　「可燃冰」是水和天然氣在高壓低溫下混合而成的固態物質，具有燃燒值高、清潔無污染等特點，被譽為二十一世紀最有希望的戰略資源及石油替代品。

　　「大慶油田的發現為我國甩掉了貧油國的帽子，『可燃冰』的發現和隨後的研究利用，可以同大慶油田的意義相媲美，是地質工作者劃時代的貢獻，它必將從長遠來支撐我國經濟和社會可持續發展。」國土資源部總工程師張洪濤博士昨天說。

　　國土資源部昨天在北京召開記者會宣布，去年十一月，官方首次在位於海拔四千零六十二米的青海省天峻縣木里鎮，成功鑽獲「可燃冰」實物樣品；今年六月繼續鑽探，並對獲得的實物樣品進行室內鑑定，獲得一系列原始數據。

　　中國發現的「可燃冰」，位於祁連山南緣永久凍土層之下，深度在一百三十至三百九十六米之間，是目前世界上找到的埋藏最淺的「可燃冰」，加上當地具有良好的交通條件和後勤保障措施，十分有利於今後的開採。

　　中國鑽探「可燃冰」項目首席科學家祝有海透露，中國鑽獲的「可燃冰」實物樣品，呈薄層狀、團塊狀，賦存於泥質粉砂岩、細砂岩、泥岩的裂隙面上，主要成分是甲烷氣體，還有少量乙烷、丙烷等烴類氣體。經檢測，是一種純度高、類型新的「可燃冰」資源。

　　據介紹，中國是世界上第三大凍土國，凍土區總面積達二百一十五萬平方公里，具備良好的「可燃冰」賦存條件和資源前景。據科學家初略估算，儲藏量至少有三百五十億噸油當量，具有無法估量的戰略價值。

　　前年五月，廣州海洋地質調查局成功在南海採獲「可燃冰」，使中國成為繼美、日及印度後的第四個探到「可燃冰」的國家。為克服「可燃冰」不易開採、保存的難題，今年初，研究「可燃冰」礦藏項目被國家批准立項並啟動。中國首艘自主研製的「可燃冰」綜合調查船「海洋六號」，近日全面完成海上綜合試航，即將投入使用，為正式開採「可燃冰」邁出堅實一步。

http://www.chinareviewnews.com   2009-09-26

開發可燃冰　中國投10億

2007年，廣州科學考察船啟航，駛往南海北部海域考察可燃冰。

　　中評社香港10月20日電／閃著藍光的白色晶體簌簌燃燒，岩心中不斷冒出氣泡和水珠。這是中國科學家在錄像中演示可燃冰這一新型能源燃燒的情形。中國近日宣佈首次在青海省祁連山南緣永久凍土區發現可燃冰，從而成為世界上第三個在陸域獲得這種被譽為「21世紀最有希望戰略資源」的國家。官方能源專家在接受香港文匯報採訪時透露，可燃冰遠景資源量或超過2000億噸油當量，中國先期將投入至少10億元加快開發。

　　國家能源局有關官員向文匯報表示，中國可燃冰開發仍處於調查實驗階段。政府計劃在2015年前投入至少10億元加快這種替代能源的開發，預計2020年前後有望實現工業開採，最快到2030年實現商業生產。

　　當前世界各國發展都不同程度遭遇到能源瓶頸，有關測算顯示，世界石油儲量只夠用40年，天然氣可用70年，因而開發替代能源迫在眉睫。可燃冰作為一種天然氣水合物，可直接燃燒，且污染少，廣泛分佈在海底和永久凍土層內，因此業界認為是「後石油時代」重要的替代能源。

　　青海祁連山　鑽獲可燃冰

　　中國自1999年開始研究和勘探可燃冰，直至2007年5月首次在南海北部海域獲得可燃冰樣品，成為繼美、日、印後第4個在海底獲得可燃冰樣品的國家。今年9月25日，中國再次宣佈在青海省祁連山南緣永久凍土帶鑽獲可燃冰樣品，從而成為在加拿大、美國之後第三個獲得陸域可燃冰的國家。

　　中國地質科學院一位參與可燃冰鑽探的專家接受記者採訪時表示，中國具備良好的可燃冰存在條件和資源前景。「不僅東海、南海、黃海的大陸架和深海可能蘊藏大量天然氣水合物，青藏高原、東北凍土區也可能蘊藏體積巨大的可燃冰。」

　　這位專家分析，中國是世界第三大凍土國，凍土區面積共計215萬平方公里。除已發現可燃冰的祁連山凍土區外，青藏高原羌塘盆地多年凍土區也具備可燃冰形成的溫度和壓力條件，是最有前景的找礦遠景區。另外，東北漠河盆地和西藏風火山、烏麗等凍土區存在大量可燃冰的可能性也比較大。「按照目前的研究勘探情況預測，中國可燃冰遠景儲量可能超過2000億噸油當量，凍土區儲量尤為可觀，可能佔總儲量的三分之二以上。」

可燃冰樣品

　　中國起步晚　技術欠成熟

　　不過上述專家表示，雖然儲量豐富，中國也已在陸地和海底分別獲取了實物樣品，但僅僅是「點」的突破。可燃冰的物質形態和儲藏地域都極其特殊，對開發技術的要求甚高。國土資源部總工程師張洪濤曾表示，從地下開採1立方米的可燃冰，將在地下形成164立方米左右的壓力空缺，對環境的影響極大，而青藏高原地區是生態環境最脆弱的地區之一。至於海底「可燃冰」的開採，最大的難度在於防止海底壓力驟減後破壞海底環境並可能引發海嘯。

　　「無論是中國，還是美日等國家，都沒有成熟的工業開採技術，中國甚至還不具備獨立鑽探和取芯的技術，因此在獲取樣品時只能與國外鑽探公司合作，在可燃冰開發研究上要比發達國家落後十幾年。」專家說。

　　國家能源局有關官員在接受記者採訪時表示，可燃冰開發仍處於科研試驗階段。「考慮到可燃冰的特殊性，中國肯定會謹慎地對待，不會貿然進行商業開採，更不會讓開採給環境造成破壞。」

　　商業化生產　樂觀需20年

　　這位官員透露，政府近兩年來已加快可燃冰的研究工作，將在2015年前至少投入10億元人民幣來進行可燃冰的勘探開發。按照規劃，到2015年或2020年前後中國有望對可燃冰進行一定程度的工業試開採，最樂觀估計至少要到2030年後才能實現一定規模的商業生產。其中開採陸域可燃冰會容易一些，也早一些，開採海底可燃冰的難度相對大，也就晚一些。

　　採掘三瓶頸　最憂毀環境

　　中國地質科學院參與可燃冰鑽探的專家近日表示，和石油、天然氣相比，可燃冰不易開採和運輸，至今世界上還沒有完美的開採方案。歸納起來，可燃冰開發至少要突破環保、成本和技術三大瓶頸。

　　開採海床　可能引發海嘯

　　環保考量仍是可燃冰開採最大的瓶頸。儘管可燃冰被看做綠色環保型資源，但開採不當，將加劇溫室效應。在開採中，一旦失去高壓和低溫的環境，可燃冰中的甲烷就會迅速氣化，釋放到大氣中，加速全球氣候變暖，而甲烷的影響遠遠大於二氧化碳。有關專家測算，如果目前埋藏的可燃冰氣化散發到大氣中，地球平均氣溫將在10年內上升4℃。另外，大量開採可燃冰，還可能造成大陸架動盪甚至海床塌方，甚至引發海嘯。「因此，各國開採可燃冰都主要集中在永久凍土及深海地區，靠近大陸架位置的可燃冰尚不考慮大規模開採。」上述專家說。

　　固態能源　挖掘運輸昂貴

　　在成本方面，由於可燃冰分佈不穩定，沒有規律，並不像油氣田那樣，通常厚度可達上百米、面積幾十公里，開採難以實現規模化；開採技術也不成熟，開採地區往往是生態脆弱地區，勘探運輸等輔助設施費用都很高，因此使得成本極其高昂。

　　另外，可燃冰為固態，不能像石油一樣自行噴出，需要將其從深海或凍土層挖掘並輸送至地表，這一過程中需要相當多的能源耗費，工程量亦巨大。目前美日等國家可燃冰的開採成本高達每立方米200美元，摺合成天然氣成本達到每立方米1美元左右。「在高昂的成本下，無法進行大規模商業開採。」

　　另外，可燃冰開採還需突破技術瓶頸，如天然氣採收工藝，勘探、運輸技術等，可燃冰開採對海底生態、全球氣候變化影響的評估亦需加快。

　　50年內難替代石油

　　中石化北京化工研究院高級工程師朱良認為，受限於技術、成本等因素，可燃冰商業開採難度大，因而在可預見的中期內不可能完全替代石油。

　　朱良認為，新能源要代替石油、煤炭，需至少具備兩個條件。首先新能源自身具備優勢，包括足夠的儲量、適當的開採成本及便利的使用條件和儲運條件等。「目前即使較早進行該項研究的俄羅斯、美國、日本等國家，至今也沒有形成成熟的工業開採技術。中國可燃冰開發技術研究雖已起步，但研究水平最少比先進國家滯後一二十年。」另外，能源替代也必須伴隨著工業體系的轉變，而這將是個漫長的過程。中國以石油替代煤炭作為主要能源的過程，就經歷了30多年的時間，而且內地的石油工業體系亦日漸完善。

　　目前石油在世界能源總消費量中佔37％左右。「可燃冰完全替代石油，至少在未來三、五十年是不可能的。」　朱良說。

　　國際探「冰」賽　美日俄領先

　　為搶奪可燃冰這一21世紀最有希望的戰略資源，世界範圍內的可燃冰開發競賽正在進行。迄今已有30多個國家和地區在研究可燃冰，美國、俄羅斯開始進行初級的工業開發。

　　目前美國、俄羅斯、荷蘭、加拿大、日本等國家勘測可燃冰的範圍已覆蓋世界所有大洋陸緣及高緯度極地永久凍土區和南極大陸陸緣區。早前美國在阿拉斯加凍土區獲取可燃冰實物樣品，並進行試生產，計劃到2015年實行商業性試開採。而日本商業開發可燃冰的時間表則比美國還提前了5年至2010年，現在日本已基本完成了周邊海域的調查與評價，並鑽探了7口探井，圈定了12塊礦集區，成功取得可燃冰樣品。

　　有觀點指出，由於喜馬拉雅山地區、中國東海、南海等地可能富藏可燃冰，因此中國鄰近地帶已經成為可燃冰開發的全球中心區域。

　　小知識：可燃冰燃燒不留渣

　　可燃冰是一種天然氣水合物，外貌像雪，又類似固體酒精，是天然氣和水在低溫高壓條件下形成的一種冰狀固體物質。主要成分為甲烷，可直接點燃，且燃燒後幾乎不產生任何殘渣，污染比煤、石油、天然氣等燃料小得多，可燃冰是重要的替代能源，被譽為「21世紀最有希望的戰略資源」。

　　可燃冰分佈在海底和永久凍土層內，資源量巨大，是全球煤炭、石油、天然氣資源總量的2倍，可滿足人類千年的能源需求。

　　可燃冰能量密度很高。就燃燒能量而言，1立方米可燃冰相當於164立方米的天然氣。換句話說，1立方米可燃冰就可以滿足三口之家大半年的天然氣需求。

http://www.chinareviewnews.com   2009-10-20

中國陸域首份「可燃冰」研究通過鑒定

　　中評社北京10月22日電／由中國煤炭地質總局負責完成的「青海木裡地區多能源資源綜合研究」科研項目在北京通過了中國煤炭工業協會組織的鑒定。與會的院士、專家評價認為，該項目研究思路、技術路線合理，成果整體處於國際領先水準。這是中國陸域成功鑽獲「可燃冰」實物樣品之後，在「可燃冰」研究領域取得的又一重大突破。

　　新華社報道，該課題綜合研究了青海木裡煤田高原凍土帶水合物的成因和賦存狀態，首次提出煤礦床、煤層氣藏、「煤型氣源」天然氣水合物三位一體的廣義煤炭資源的概念。同時採用煤炭總量理論產氣量法、天然氣水合物體積法、天然氣水合物穩定帶體積法等三種方法，估算木裡煤田「煤型氣源」天然氣水合物的潛在資源總量巨大，預示著中國凍土區存在豐富的「可燃冰」資源。

　　據了解，青海木裡地區之所以成為中國陸域「可燃冰」首個「現身地」，與這一地區獨特的自然地理地貌環境有密切關係。該課題針對青海木裡煤田提出煤炭、煤層氣、「可燃冰」科學規劃、統一開發思路，對中國在與青藏高原相似地區開展環境保護和尋找「可燃冰」工作具有指導意義。

http://www.chinareviewnews.com   2009-10-22