可燃冰的研究现状与前景

第48卷第4期当代化工V ol.48，No.4 2019年4月 Contemporary Chemical Industry April，2019

可燃冰的研究现状与前景

丁蟠峰1，杨富祥1，程遥遥2

（1. 东北石油大学，黑龙江大庆 163318； 2. 中国石油西部管道塔里木输油气分公司，新疆库尔勒 841000）摘要：可燃冰是目前公认最佳的替代能源和清洁能源，分布范围广，开发利用潜力大。综合介绍了可

燃冰的形成条件及世界分布情况，阐述了可燃冰开采方法以及开采过程中面临的挑战，最后对可燃冰的发展趋

势做了展望。

关键词：可燃冰；清洁能源；开采方法

中图分类号：X382 文献标识码：A 文章编号： 1671-0460（2019）04-0815-04

Research Status and Prospect of Combustible Ice

DING Pan-feng1, YANG Fu-xiang1, CHENG Yao-yao2

（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China；

2. Tarim Oil & Gas Transportation Sub-company,PetroChina West Pipeline Company, Xinjiang Korla 841000，China）

Abstract: Combustible ice is recognized as the best alternative energy and clean energy at present. It has a wide range

of distribution and great potential for development and utilization. In this paper, the formation conditions and world

distribution of combustible ice were introduced. The mining methods and challenges in the mining process were

described. The future development trend of combustible ice was also prospected.

Key words: Combustible ice; Clean energy; Mining method

天然气水合物( Natural Gas Hydrate，简称NGH)，也叫“可燃冰”(化学式为CH4·8H2O)，主要呈冰状白色结晶固体，是现今最具开发价值的非常规能源。其主要分布于深海地层和永久冻土层中，资源量巨大，燃烧热值高，每立方米天然气水合物在标准大气压下能释放出164 m3的天然气和 8 m3的水。据推算，世界天然气水合物资源储量比现存石油、煤炭与天然气总量的2倍还多，按目前消费速度，可供全球人类1 000年生产使用。如今全球超过100多个地区与国家已钻获可燃冰实物样品，各国政府与专家开始着手勘探与研究。

1 可燃冰简介

1.1 可燃冰的形成

可燃冰形成必须是在低温高压状态下，其温度必须满足在0 ～10 ℃，超过20 ℃时易分解；压力需大于10 MPa，在0 ℃时，30个以上标准大气压才可能形成；充足的气、水是必要条件，而一定的空隙结构则是其生长条件［1］。除此之外地质构造，含水介质，pH值也是影响可燃冰形成的重要原因。

1.2 可燃冰的分布

可燃冰于20世纪60年代首次被发现［2］，据勘测研究发现，可燃冰主要存在于冻土地区和海洋环境（深海和浅海环境均有）。 98%在海洋环境，2%在冻土地区。而已发现的可燃冰大多存在于陆地上的永久冻土区及陆地边缘的海底深层砂砾中［3］。就全球而言，可燃冰主要储存于海底之下0～1 500 m 的松散沉积岩中。国内的可燃冰主要分布在两个地区，一个青海和西藏的冻土区，另一个就是南海。青藏高原以冻土带为主，因此可能储藏大规模的可燃冰资源。其次，我国南海的可燃冰储量相当丰富，全球可燃冰含量大约是2.1×1016 m3，而我国南海大约含有6.4×1013 m3。

1.3 可燃冰研究开发现状

1.3.1 国外可燃冰研究开发现状

正是可燃冰清洁无污染、分布范围广、资源量大等优势，及寻求可替代能源的决心，使人们对可燃冰的开采工作掀起一股热浪。调查表明，至今已有30多个国家对可燃冰物性进行研究与分析，随着科技的不断发展，可燃冰的开发测试和勘查技术日渐趋于成熟，但可燃冰的安全商业化开采技术仍需不断改进与创新。

表1为一些主要国家可燃冰的发展现状。

此外，印度在1995年制订了5年期《全国气体

DOI:10.13840/21-1457/tq.2019.04.040

816 当 代 化 工 2019年4月 水合物研究计划》，1997年开展了天然气水合物特

性研究工作，2006年获取天然气水合物样品，推测

其蕴藏量约1 894万亿m3。2007年，韩国获取天然

气水合物样品，2008年确认周边海域可燃冰矿区,

并对其储量进行初步估计。一些发达国家和部分国

际组织也进行了与天然气水合物能源相关勘探研究

与开发技术储备等工作［6-8］。

表1 国外可燃冰发展现状

Table 1 Development status of foreign combustible ice

国家主要研究业绩

前苏联1960年，于西伯利亚发现世界第一个可燃冰气藏。1970年前后，对西伯利亚冻土带的麦索亚哈气田中天然气水合物进行了 30 年的开采试验。

美国1969年，实施可燃冰调查。

1981年，提出可燃冰十年勘探项目规划。

1998 年，将天然气水合物列为国家级站略项目。

2001 年，对阿拉斯加北缘天然气水合物构造特征进行分析研究。

2005 年，在墨西哥湾发现并证明砂层天然气水合物具有开采可行性。

2012 年，阿拉斯加陆上北坡，康菲公司开展CO2置换可燃冰试验成功。

日本1992年，关注可燃冰。

2000年，开始调查海底可燃冰的储藏量及分布情况，计划开发海底可燃冰

2012 年，在日本海域首次完成商业性钻探。

2013 年，MH21研究财团在大日—渥美海丘，成功采出12×104 m3甲烷气体，这是全球首次海底“可燃冰”成功开采［4］。

2017 年，对海底可燃冰开展第2次生产性试验［5］。2018 年，完善开采技术，实现全面商业化生产。

1.3.2 我国可燃冰研究开发现状

据调查显示，我国有2.15×106 km2冻土带，其蕴含可燃冰储量高达3.5×1010 t油当量，而我国海域可燃冰储量为4×109 t油当量。虽然我国可燃冰勘察研究比发达国家起步晚，但随着近几年来国际研发合作拓展，国家对可燃冰工业化开发的重视，可燃冰研究也取得了一定进展，勘探开发技术差距也在逐渐缩小。表2为我国可燃冰发展现状。

从中国发展战略规划及天然气水合物研究开发方案看出，2006年至2020 年为初步探查阶段，2020年至2030年为开采初期阶段，截至2050年，我国可燃冰发展达到商业化开采阶段［10］。

2 可燃冰开采方法

可燃冰在世界分布范围广资源蕴藏量大，其开采技术也不完善,且在常温和常压条件下极不稳定，所产生的温室效应要比CO2高20多倍，不仅破坏海洋稳态平衡，甚至引起大陆架边缘的动荡,导致灾难性海啸。因此目前对可燃冰的开采技术还处在探索阶段，还有一系列的技术难题需要攻破。目前主要的传统开采法有：降压法，热激法及化学试剂注入法等，提出的新方法有CO2置换封存法，冷钻热采法和固体开采法。下面对几种新方法进行详细介绍。

2.1 CO2置换封存法

CO2置换封存法是CO2海底封存技术与CO2置换CH4技术相结合提出的能利用CO2达到高效开采的新方法，通过制备提取天然气水合物中的天然气，还能发挥缓解温室效应的作用，有广泛的商业价值前景和环境效益。近年，联合国“政府间气候变化委员会”已经把海底固碳作为缓解温室气体的一种新型方法应用于实际当中。

表2 我国可燃冰发展现状

Table 2 Development status of combustible ice in China 年代主要研究业绩

上世纪80年代末关注可燃冰，收集其信息与资料并开始研究。

1998年

完成了“中国海域可燃冰研究调研”课题，第一次

对周边海域可燃冰形成条件做出总结与分析。

1999年南海第一次确定可燃冰存在性。

2002年

勘察南海蕴藏量约为7×1010 t油当量，界定了天然

气水合物矿区在西沙海槽。

2004年

中德开展合作项目发现南海“九龙甲烷礁”可燃冰

模拟系统成功研制。

2005年探查南海海域可燃冰发育区。

2006年

在南海神狐海域第一次成功获取天然气水合物样

品。

2007年

在祁连山南部冻土层获取天然气水合物样品，成

为首个世界上在中低纬度冻土带发现天然气水合

物的国家［9］。

2015年

青岛海洋研究实验室第一次成功模拟天然气水合

物。

2017年5月

在南海神狐海域，“蓝鲸一号”海上钻井平台天然

气水合物首次试采成功。

CO2置换法最早是由Ohgaki等［11］提出，其原理如图1所示，CO2分子在范德华力作用下将围绕在CH4气体分子周围的H2O分子吸引过来使原本在CH4气体分子周围和H2O分子之间的H键断裂，形成游离态的H2O分子，同时随着H2O分子逐渐离开，使处在里面的CH4气体分子游离出来。

CO2海底封存法理论上有很高的实践性，同时具有很高的技术水平，过去200年来，全球人类排放到大气中的CO2据研究显示约1.3万亿t，而海洋能溶解其中的30%~40%［12］，将CO2封存于海洋中是比较理想的方法，CO2封存于海底主要有两种形式:液态封存和固态封存［13］。CO2海洋封存示意图如图2所示。目前, 美国，加拿大，等国开展CO2海底封存研究与实践，并表明CO2海底封存技术有良好的发展前景。CO2置换封存法通过钻井平台，采气管道，