[科普中國]-冰火兩重天？可燃冰將能商業(yè)化開采

自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局副局長李金發(fā)近日表示，我國將加快推進天然氣水合物勘查開采產(chǎn)業(yè)化進程，統(tǒng)籌開展資源勘查、試采攻關(guān)、環(huán)境保護、平臺建設(shè)及產(chǎn)業(yè)政策制定等?；谥袊扇急{(diào)查研究和技術(shù)儲備現(xiàn)狀，預(yù)計我國在2030年左右有望實現(xiàn)可燃冰商業(yè)化開采。

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(huán)境下通過結(jié)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

（圖片來源：http://m.sohu.com）

為什么可燃冰日益受到人們關(guān)注？

可燃冰相比傳統(tǒng)能源具有諸多優(yōu)點。天然氣中幾乎不含硫、粉塵及其他有害物質(zhì)，對環(huán)境的污染比煤（燃燒產(chǎn)物為二氧化碳、二氧化硫及粉塵，可能導(dǎo)致全球變暖、形成酸雨，危害人類呼吸系統(tǒng)）和石油（燃燒產(chǎn)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(chǎn)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，遠遠小于煤、石油等傳統(tǒng)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，遠高于煤炭；并且天然氣的熱效率可達70%以上，不僅高于煤炭40%-60%的熱效率值，也高于石油的65%。常溫常壓下，1m3的可燃冰在“溶化”后可以釋放出約164m3的天然氣。

可燃冰是怎么形成的呢？

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

（2）壓力條件?？扇急纳尚枰邏涵h(huán)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(shù)永久凍土層的地區(qū)，例如青藏高原、西伯利亞地區(qū)具備上述三個條件。在海洋中，位于海平面下300米到500米處的沉積物里也可能具備適合可燃冰形成、并使其維持穩(wěn)定狀態(tài)的低溫高壓條件。

可燃冰分子結(jié)構(gòu)圖

（圖片來源：http://blog.sina.cn/）

那么，在哪里可以找到可燃冰呢？

可燃冰廣泛分布于陸域永久凍土帶及海洋或內(nèi)陸深水環(huán)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(qū)。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(guī)天然氣資源。

可燃冰世界分布區(qū)域

（圖片來源：http://3g.163.com/news/）

可燃冰如何開采呢？會導(dǎo)致什么問題嗎？

由于可燃冰苛刻的形成條件和所處的敏感特殊環(huán)境，開采不當容易造成多方面問題。例如，可燃冰在脫離地層后極易分解逸散，釋放出的主要氣體甲烷產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是CO2的20-26倍。

目前，可燃冰的開采的原理是破壞可燃冰的平衡狀態(tài)，使水和天然氣分離，從而達到開采目的。常見開采方法如下：

中國可燃冰海上開采平臺

（圖片來源：https://www.jfdaily.com/news/ ）

當然，可燃冰若開采不當，導(dǎo)致甲烷氣體泄漏，會加劇全球變暖，誘發(fā)自然災(zāi)害和突發(fā)事件發(fā)生。

（1） 引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害

特定地質(zhì)環(huán)境下，可燃冰開發(fā)會發(fā)生相變?？扇急幕讌^(qū)域變得松散，氣體溢出，易造成海底滑坡，海底地震等自然災(zāi)害。溢出的氣體會迅速上竄，極易引起井噴，嚴重危害開采人員和設(shè)備的安全。

（2） 破壞生態(tài)環(huán)境

貿(mào)然對可燃冰進行鉆探開采，可能會加速甲烷的溢出速度。甲烷進入海水后，部分會被微生物或喜氧細菌氧化，從而導(dǎo)致海水缺氧，引發(fā)大量生物死亡甚至滅絕，嚴重破壞生態(tài)環(huán)境。

（3） 影響全球氣候

甲烷是一種溫室氣體，溫室效應(yīng)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，如開采不當導(dǎo)致甲烷泄漏，可能對大氣構(gòu)成和大氣輻射特性產(chǎn)生重大影響，從而影響全球氣候。

可燃冰開采新技術(shù)

近年來，日本研究出一種水平鉆采技術(shù)。沿天然氣水合物儲層水平開采，效率可提高30%。除傳統(tǒng)的降壓、熱激和試劑注入3種方法外，還可向開采中的天然氣水合物儲層中注入液態(tài)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，既充填了采空巖層，又把工業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳貯存于地下深部，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，可燃冰廣泛分布于陸域凍土帶或者海域。需要注意的是，凍土地區(qū)可燃冰在成藏條件和發(fā)育特征等方面與海域相比存在很大差異。海域水合物主要存在于新生界未固結(jié)的松散地層中，地層孔隙度大、產(chǎn)狀平緩、構(gòu)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，屬于中緯度高海拔多年凍土區(qū)，凍土（巖）層較薄，地層產(chǎn)狀陡、斷裂發(fā)育，巖性復(fù)雜，發(fā)現(xiàn)的水合物主要存在于中生界砂巖、泥巖、頁巖等硬巖石的孔隙或裂隙內(nèi)，具有埋深淺、飽和度低、水平及縱向分布不連續(xù)等特點。

成藏條件和發(fā)育特征的差異，必然會造成水合物儲層表現(xiàn)出不同的地球物理和地球化學(xué)響應(yīng)特征，造成海域水合物勘查技術(shù)難以直接應(yīng)用于陸域天然氣水合物勘查工作中。那么，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(shù)、電磁探測技術(shù)、低頻探地雷達技術(shù)、綜合地球物理測井技術(shù)、地面核磁共振技術(shù)、遙感探測技術(shù)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(shù)

地震勘探指的是人工激發(fā)所引起彈性波，利用地下介質(zhì)彈性和密度的差異，通過觀測和分析人工地震產(chǎn)生的地震波在地下的傳播規(guī)律，推斷地下巖層的性質(zhì)和形態(tài)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、頻率和速度特征進行綜合解釋，識別天然氣水合物儲層。

（2） 低頻探地雷達技術(shù)

探地雷達是利用天線發(fā)射和接收高頻電磁波來探測介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)特性和分布規(guī)律的一種探測方法，主要用于考古、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查、工程質(zhì)量檢測等。在天然氣水合物探測中，我們采用使用了偽隨機編碼技術(shù)的低頻探地雷達，通過反射信號的“高頻、強振幅”特征，識別天然氣水合物儲層。

（3） 地面核磁共振技術(shù)

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

核磁共振是一個基于原子核特征的物理現(xiàn)象，是指具有核子順磁性的物質(zhì),選擇地吸收電磁波能量。從理論上講，應(yīng)用NMR技術(shù)的唯一條件是所研究物質(zhì)的原子核磁矩不為零。而水中氫核具有核子順磁性，并且其磁矩不為零。

核磁共振在醫(yī)學(xué)、化工、建材、食品、冶金、地質(zhì)、國防等方面被廣泛應(yīng)用。地面核磁共振技術(shù)是目前主要直接探測地下水的探測方法。其基本思想是基于核磁共振原理對氫原子的探測，可以直接探測液態(tài)氫質(zhì)子存在性和含量多少。

地下水是形成水合物必要物質(zhì)條件，地下水的發(fā)育還會對水合物的成藏環(huán)境產(chǎn)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(shù)

遙感探測是指從人造衛(wèi)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(huán)境和資源的技術(shù)。是60年代在航空攝影和判讀的基礎(chǔ)上，隨航天技術(shù)和電子計算機技術(shù)的發(fā)展而逐漸形成的綜合性感測技術(shù)。

遙感探測技術(shù)主要應(yīng)用于大氣成分探測、植物病蟲害探測等。在天然氣水合物探測中，通過分析各種傳感器數(shù)據(jù)，獲取凍土區(qū)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(qū)。

天然氣水合物是一種清潔能源，其勘探開采備受世界矚目。2017 年11 月16 日，中國國土資源部正式批準天然氣水合物（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(fā)力度，實現(xiàn)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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