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能源领域的革命!中国计划2030年前进行可燃冰商业开发

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发布时间:2017-05-19 15:48:17

能源领域的革命!中国计划2030年前进行可燃冰商业开发


从5月10日起,国土资源部中国地质调查局从我国南海神狐海域水深1266米海底以下203—277米的可燃冰矿藏开采出天然气。截至5月17日15时,总量试采12万立方米,最高产量达3.5万立方米/天,平均日产超过1.6万立方米,其中甲烷含量最高达99.5%。

这是我国首次海域可燃冰试采成功,这一成果对促进我国能源安全保障、优化能源结构,甚至对改变世界能源供应格局,都具有里程碑意义。

国土资源部中国地质调查局副局长李金发指出,从目前我们试采的连续性和产气量来看,离商业性开采距离不远了。在2030年以前,具有最大潜力的天然气水合物资源将会得到商业性开发利用。下一步,试开采团队将继续在附近海域再进行二至三个不同矿区和类别的试开采工作。积累更多试开采经验,为在2030年前进行天然气水合物商业开发打下基础。

神狐海域可燃冰储量只是我国可燃冰蕴藏量的冰山一角

直升机从珠海九州机场起飞,飞行约90分钟,远远就见到蔚蓝的海面中巍然伫立着的37层楼高的钻井平台,这里就是我国首次完成可燃冰调查的神狐海域,也是我国首次进行可燃冰试采的海域。

“对于海洋可燃冰的研究,我国是从1995年开始的,并于2007年5月成功获取了可燃冰实物样品,成为世界上第四个通过国家级开发项目发现可燃冰的国家。”试采现场指挥部总指挥叶建良介绍说。

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可燃冰,又称天然气水合物,它是一种甲烷和水分子在低温高压的情况下结合在一起的化合物,因形似冰块却能燃烧而得名,是一种燃烧值高、清洁无污染的新型能源,分布广泛而且储量巨大。1立方米的可燃冰分解后可释放出约0.8立方米的水和164立方米的天然气,能量密度高,资源潜力巨大,估算其资源量相当于全球已探明传统化石燃料碳总量的两倍,科学家们甚至认为它是能够满足人类使用1000年的新能源,是今后替代石油、煤等传统能源的首选。

2010年底,由广州海洋地质调查局完成的《南海北部神狐海域天然气水合物钻探成果报告》通过终审,科考人员在我国南海北部神狐海域钻探目标区内圈定11个可燃冰矿体,显现出良好的资源潜力。“海洋六号”入列后,再次深入南海北部区域进行新一轮精确调查,调查海域包括琼东南海域、西沙海域、神狐海域和东沙海域等区域,调查的重点是在南海北部前期勘探的基础上圈定重点勘探区域。

试采现场指挥部地质组组长陆敬安说,勘探显示,神狐海域有11个矿体、面积128平方公里,资源储存量1500亿立方米,相当于1.5亿吨石油储量,“成功试采意味着这些储量都有望转化成可利用的宝贵能源”。

神狐海域可燃冰储量还只是我国可燃冰蕴藏量的“冰山一角”。在西沙海槽,科考人员已初步圈出可燃冰分布面积5242平方公里;在南海其他海域,同样也有天然气水合物存在的必备条件……

此次试采实现了勘查开发理论、技术、工程、装备的完全自主创新

可燃冰储量丰富,但是如果一直只躺在南海海底,则发挥不了其价值。但可燃冰开采难度巨大,迄今鲜有国家尝试。

全球可燃冰研发活跃的国家主要有中国、美国、日本、加拿大、韩国和印度等。其中,美国、加拿大在陆地上进行过试采,但效果不理想。日本于2013年在其南海海槽进行了海上试采,但因出砂等技术问题失败。2017年4月日本在同一海域进行第二次试采,第一口试采井累计产气3.5万立方米,5月15日再次因出砂问题而中止产气。

“此次试采实现了中国可燃冰勘查开发理论、技术、工程、装备的完全自主创新,在这一领域实现了从跟跑到领跑的跨越。” 叶建良介绍。

“通过这次试采,中国实现了可燃冰全流程试采核心技术的重大突破,形成了国际领先的新型试采工艺。”试采现场指挥部办公室副主任谢文卫说。

南海神狐海域的天然气为水合物泥质粉砂型储层类型,该类型资源量在世界上占比超过90%,也是我国主要的储集类型。这是我国也是世界第一次成功实现该类型资源安全可控开采,为可燃冰广泛开发利用提供了技术储备,积累了宝贵经验。谢文卫介绍,“我们提出‘地层流体抽取试采法’,有效解决了储层流体控制与可燃冰稳定持续分解难题。我们成功研发了储层改造增产、可燃冰二次生成预防、防砂排砂等开采测试关键技术,其中很多技术都超出了石油工业的防砂极限。”

本次试开采是世界上第一次针对粉砂质水合物进行开发试验,为此海洋地质学家们在试采思路、井位选择、工程地质勘查、关键技术和工艺确立、试采平台优选等诸多方面,都具有中国特色,可以称之为“中国方案”。

在试采作业中,大量国产化装备成功投入应用,充分表明“中国造”已走在世界的前列。

首先,必须要点赞的是试采作业最重要的“大国重器”——我国最新研制成功世界最大、钻井深度最深的海上钻井平台“蓝鲸一号”,这个净重超过43000吨、37层楼高的庞然大物今年2月刚“诞生”,就从中国烟台起航,于3月28日抵达神狐海域实施试采。“蓝鲸一号”是目前全球最先进的双井架半潜式钻井平台,可适用于全球任何深海作业。

其次,大量拥有自主知识产权工具的成功应用,表明国内石油公司已具有深水工艺及设备研发能力,如完井防砂工艺,已远远超过石油工业的防砂极限;完井与测试系统集成装备,结合可燃冰试采工程开发与科研需求,为我国可燃冰开发研究提供科学数据。

监测结果显示,试采过程安全、友好、可控、环保

试采可燃冰,外界一直有一个疑问,就是会不会对周边海域的环境造成影响。

由于甲烷是比CO2更高效的温室气体,因此可燃冰的环境问题一直是人们关心的一个重要问题。我国进行海域可燃冰试采,同样非常重视环境问题,为此投入人力物力进行了研究。

2011年6月至2017年3月,南海水合物环评项目组在南海神狐水合物区先后共组织了10个航次的野外调查工作,对试采区进行了多年系统调查,调查内容包括海底工程地质特征、地质灾害特征、海底环境监测、海洋生物特征、海水溶解甲烷含量、海水物理化学及水文特征、海表大气甲烷含量特征等,基本查明了可燃冰试采区的海洋环境特征,同时,发展了一系列我国自主产权的环境评价技术,为可燃冰试采、开发提供了良好基础。

可燃冰试采的环境问题,主要是试采过程中是否发生不可控的可燃冰分解,导致甲烷泄漏,从而引起海底滑坡等地质灾害,甚至是甲烷泄漏到海洋或者大气中而引起环境问题。针对这些问题,在试采过程中,一方面根据水合物区海底地形地貌特征、工程地质特征、水合物储层特征,通过合理设计井位及降压方案,从工程设计上避免发生甲烷泄漏所引发的环境问题和灾害问题,另一方面通过布设海底地形、气体渗漏等监测设备,构建了海水—海底—井下一体化环境安全监测体系,实现对温度、压力、甲烷浓度及海底稳定性参数的实时、全过程监测。监测结果显示试采未对周边大气和海洋环境造成影响,整个过程安全、友好、可控、环保。

本次开采试验还为后续研究提出了很多课题。下一步重点是研究如何解决本次试验当中发现的一些问题,并在之后3—5年内开展第二次试采,进一步为商业化开采做好技术准备。

可燃冰身为何物

20世纪30年代,天然气作为一种燃料开始被广泛使用,人们铺设了输气管道,但管道经常被奇怪的“冰块”堵塞,科学家为了解决这一难题,对这些“冰块”的结构和成份进行了分析,在1934年,由前苏联科学家发现这些冰块是天然气和水混合而成的,并称之为天然气水合物,就这样,可燃冰被人们意外地发现了。

可燃冰是由天然气和水在高压低温状态下形成的固体结晶物质,学名是天然气水合物,英文名为Natural Gas Hydrate,简称Gas Hydrate。其化学方程式为CH4?8H2O,外貌多为白色、淡黄色、琥珀色和暗褐色。纯净的天然气水合物呈白色,形似冰雪,能被直接点燃,故形象地称之为“可燃冰”。纯净的天然气水合物呈白色,形似冰雪,能被直接点燃,故形象地称之为“可燃冰”。


其分子结构非常复杂,但这其中超过99%的都是甲烷分子,因而易被点燃,也可以说可燃冰就像一个天然气的压缩包,包含数量巨大的天然气。据理论计算,1立方米的可燃冰可释放出164立方米的甲烷气和0.8立方米的水。而且燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水,不会像煤炭和石油产品燃烧时释放出粉尘、硫化物、氮氧化物等环境污染物,所以被誉为21世纪最理想的清洁能源。

笼状结构

可燃冰身在何处

可燃冰的形成必须具备四个条件。一是温度,生成可燃冰的温度不能太高,也不能太低,适宜温度是0—10℃之间,最高限是20℃。二是压力,形成可燃冰需要足够的压力,但也不能太大,在零度时,30个大气压以上就可。三是气源,“巧妇难为无米之炊”,丰富的天然气是可燃冰的重要组成部分。四是适量的水,这也是形成可燃冰不可或缺的成分。四个条件缺一不可。

可燃冰在陆域和海域均有分布,而海底可燃冰的分布范围要比陆地大很多,据科学家大致估计,可燃冰分布的陆海比例为1:100,大约27%的陆地,包括极地冰川冻土带和冰雪高山冻结岩,以及90%的大洋水域是可燃冰的潜在区。陆地可燃冰分布较少是因为除了永久冻土层,其他地方很少像海底一样具备可燃冰形成的条件,而在海底300-500米的沉积物中都可能具备。

可燃冰发展历程

我国海域可燃冰探寻阔步向前

目前,国际上确定天然气水合物的技术手段第一种是通过对地球物理资料的解释确定,如获得地震拟海底反射(BSR)标志,BSR是一种声反射面,指的是含气水合物的沉积物和其下伏不含气水合物之间的声反射界面,而在海洋环境中气水合物是稳定的,所以分析这种反射界面是判断是否存在天然气水合物的一个重要标志。第二种标志是典型的海底甲烷渗漏(即冷泉)反射特征,由于天然气水合物的主要成分就是甲烷,所以在海底监测到大量甲烷气体渗漏也是判断天然气水合物存在的重要标志。

1999年,广州海洋局派出“奋斗五号”船实施了首次针对水合物的高分辨多道地震调查,由此掀开了我国海域水合物调查的序幕。通过调查,在南海北部陆坡西沙海域首次发现了水合物存在的重要标志——似海底反射(BSR)。成果报送国务院后,时任国务院副总理温家宝批示“在南海发现天然气水合物存在的似海底反射波,意味着这类新资源在我国零的突破(2000年)”。我国于2002年正式批准设立天然气水合物资源勘查专项。从此,我国正式踏上了大规模、多学科、多手段开展天然气水合物资源调查的艰辛历程。

2002-2015年间,我国相继在南海北部陆坡的西沙、东沙、神狐和琼东南海域开展了天然气水合物资源调查及研究工作,并取得了一系列勘探成果和理论突破。

2007年4-6月,广州海洋地质调查局首次在南海北部神狐海域成功实施8个站位钻探,其中3个站位获得了天然气水合物实物样品,所获得的样品甲烷含量高达99.7%以上,点火即可燃烧。这一发现是我国首次在南海海域获取天然气水合物实物样品,证实了南海存在良好的水合物资源前景。

这是一次战略性的突破,使我国成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划在海底钻探获得天然气水合物实物样品的国家,也意味着我国海域天然气水合物资源调查正式跻身国际水合物勘探的先进行列。

2013年6月1日~9月8日,广州海洋地质调查局在珠江口盆地实施了第二次天然气水合物钻探。此次钻获了大量高纯度的新类型天然气水合物实物样品,样品中甲烷含量最高达到99%,呈块状、脉状、分散状等多种类型,主要赋存于水深600-1100米的海底以下220米以内的两个矿层中,具有埋藏浅、厚度大、类型多、含矿率高、甲烷纯度高等五大特点,在国际上罕见。该发现首次在我国南海获取了可视的块状天然气水合物实物样品。这一新发现,填补了我国海域可视水合物的空白,极大地丰富了我国海域水合物的赋存类型,是继2007年钻探航次后发现的新的水合物赋存类型,具有重大勘探实践意义和重要的科学研究价值,是我国海域水合物资源调查勘探一个里程碑式的重大突破。

2015年6月~9月,广州海洋地质调查局再次在神狐海域实施23口天然气水合物钻探井,这次的命中率达到了100%,23口井全部发现天然气水合物,水合物矿体厚度大、储量大,呈高饱和度特征。钻井控制矿藏面积128平方千米,控制资源量超过1500亿立方米,圈出10个规模较大的矿体,其中通过钻探取芯落实的2个大型矿体,此次钻探还首次发现Ⅱ型天然气水合物,与深部油气密切相关,对指导油气勘探具有重要意义。这次钻探为海域天然气水合物实验性开采提供了重要参考靶区,标志着我国海域天然气水合物资源调查已达到世界先进水平。

同年,广州海洋地质调查局利用地球物理资料在神狐邻近海域发现了典型的海底甲烷渗漏(即冷泉)反射特征,继而利用我国自主研发的“海马号”水下机器人(ROV)进行海底观测和实时甲烷测定,发现了大量化能自养的冷泉生物——菌席、贻贝类、管状蠕虫、蟹等组成的大型冷泉生态系统和大量沉淀于高碱度环境的冷泉碳酸盐岩,证实了巨型冷泉群——海马冷泉区的存在。同时,在海马冷泉区进行了目标精准的大型重力活塞取样,直接在海底浅表层采获渗漏型天然气水合物实物样品。海底观测和取样的结果验证了前期勘查研究中对海底渗漏型水合物分布预测的正确性,在南海海域水合物资源富集规律及与冷泉有关的海底生态系统认识上取得新突破,对后续钻探部署具有重要的指导意义。

2017年5月18日,我国南海神狐海域天然气水合物试采实现连续超过7天的稳定产气,取得天然气水合物试开采的历史性突破。