可燃冰革命时代加速来临

□王治法   2017-08-04 23:09:00

能源对于国家的发展十分重要,可燃冰成为重要的战略资源,各国争相研发其开采技术。此次中国的成功开采揭开了可燃冰应用的新篇章

2017年5月18日,国土资源部中国地质调查局在南海宣布,中国正在南海北部神狐海域进行的可燃冰试采获得成功,这也标志着中国成为全球第一个实现了在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。

自2017年5月10日点火测试,至6月10日14时52分,此次试采已连续产气31天,总产气量达到21万立方米,平均日产6800立方米。最高产量3.5万立方米/天,甲烷含量最高达99.5%,天然气产量稳定,实现了预定目标。随着中国南海神狐海域可燃冰试采满月,这种过去“可望而不可及”的非常规能源被逐渐揭开神秘面纱。人们距离开采一种储量明显超过常规石油和天然气的资源更近一步。

认识可燃冰

天然气水合物是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样,而且遇火即可燃烧,所以又被称作可燃冰、固体瓦斯和气冰。

可燃冰来之不易,它的诞生至少要满足三个条件:一是温度不能太高,如果温度高于20℃,它就会“烟消云散”,所以,海底的温度最适合可燃冰的形成;二是压力要足够大,越深的海底压力就越大,可燃冰也就越稳定;三是要有甲烷气源,古生物尸体的沉积物被细菌分解后会产生甲烷。

可燃冰在全球主要分布在两类地区:一类是水深300-3000米的海底;另一类是陆上冻土区,尤其是南北极冻土区。目前已发现的海底可燃冰多分布于环太平洋周边、大西洋西岸、印度洋北部、南极近海及北冰洋周边,地中海、黑海、里海等内陆海,贝加尔湖等湖底也有零星分布。陆上可燃冰则主要分布于环北冰洋的高纬度冻土区和中国青藏高原冻土区。

巨量新能源沉睡海底

可燃冰的最大特点就是占用体积小、能量密度高、资源潜力大。可燃冰的天然气含量约为80%-99%,比常规天然气纯净度高出约10%,1立方米可燃冰可以分解出160-180立方米的天然气。其燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水,污染比煤、石油、天然气小很多,被誉为清洁能源,而且能量高于煤、石油、天然气数倍。举个例子,一辆使用天然气为燃料的汽车,一次加100升天然气能跑300公里的话,那么加入相同体积的可燃冰,这辆车就能跑5万公里(理想条件)。

科学家们认为它是今后替代煤、石油等传统能源的首选,被誉为21世纪最理想的潜在替代能源。可燃冰储量究竟有多大,各方统计存在差异。不过可以肯定的是,其储量巨大,甚至可能超过了其他所有已知化石燃料所含有的能源总量。据美国地质勘探局估测,全球可燃冰中蕴藏着大约280万亿到2800万亿立方米甲烷。这意味着,以目前的消费速度,可燃冰储量可以满足80年至800年的全球天然气需求。相比之下,2015年全球天然气开采量约为35亿立方米,还不足天然气水合物储量的1‰。据2016年发布的《中国能源矿产地质调查报告》的最新数据显示,中国可燃冰预测远景资源量超1000亿吨油当量,具有广阔的开发前景。

然而对于人类而言,可燃冰却似“镜中花、水中月”。一是其赋存于尚未石化的海底、湖底等砂层中,赋存空间犹如用砂构筑的蜂巢,开采时可燃冰分解为天然气和水后,“蜂巢壁”极可能坍塌并被带走,进而堵塞采气管道。二是只要温度、压力条件一变,可燃冰即挥发成气体进入大气,瞬间变成环境杀手。因开采难度极大,故开采也一直无重大进展。

下一场页岩气革命

对于能源行业而言,可燃冰战略意义重大,其重要性可与美国的页岩气革命相媲美。可燃冰在全球分布非常广,资源量大,所以世界各国都在关注这方面的研究和试开采工作,包括美国、加拿大、日本、印度都在科研攻关,国际竞争非常激烈。日本是最早进行可燃冰试开采的国家之一。2013年,日本尝试过开采海底可燃冰并提取了甲烷,但由于海底砂流入开采井,试验仅6天就被迫中断。另一次试验持续12天后也因出砂问题被迫中断,未能完成连续三周稳定生产的原计划目标,12天产气量只有3.5万立方米。

中国是一个富煤、贫油、少气的国家,对进口石油依赖度高。中国海关总署的数据显示,2017年3月,中国原油进口量升至近920万桶/日的纪录高位,远超预期。这一数据已经超越美国,使中国成为全球第一大原油进口国。所以,对中国而言,开采可燃冰具有重要战略意义。

中国的突破,对于全世界而言具有可参考和借鉴的价值。而且它将可能会是继美国引领页岩气革命之后,由中国引领的新一轮天然气水合物革命,将推动整个世界能源利用格局的改变。

中国的开采历史

中国对可燃冰的研究从1995年开始,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。中国开展可燃冰试采技术研究储备始于2011年。南海神狐海域的可燃冰属于泥质粉砂型储层类型,该类型资源量在世界上占比超过90%,是中国主要的储集类型。此类储层的开采难度非常大。在此之前,对海域可燃冰的试采仅在日本实施过。与日本试采区相比,中国南海的试采区具有储层水深、埋藏浅、渗透性差、饱和度低、储层粒度更细、水合物类型更复杂等特点。所以,中国较日本的开采难度更高,可以借鉴的经验不多。

针对中国水合物储层主要为泥质粉砂,并且渗透性差的情况,此次试采,采用了水力割缝的方法进行储层改造。连续几天的测试表明,割缝效果良好,大大提高了地层渗透性。中国海域天然气水合物试采使用深水半潜式平台通过降压进行开采。

此次水合物试采作业,首先要点赞的是试采作业最重要的“大国重器”——中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”。这是目前世界唯一的、两座第七代超深水钻井平台,钻井深度已达到海面以下15公里,面对12级飓风仍可保持岿然不动,可适用于全球任何深海作业。

其次,掌握了钻井核心技术,研发了特殊的平衡钻井、井口稳定性增强等技术,构建了深水浅层钻完井技术体系等。大量拥有自主知识产权工具的成功应用表明,中国已具有深水工艺及设备研发能力,如防砂完井工艺,已远远超过石油工业的防砂极限。本次试采成功打破了中国在可燃冰勘查开发领域长期跟跑的局面,实现了理论、技术、工程和装备的完全自主创新,推动可燃冰的地质勘探、钻井、开采工艺、试采平台等20余项关键技术取得突破,为相关技术的进一步发展完善奠定了坚实的基础,为中国水合物开发研究提供了科学数据。

产业化任重道远

可燃冰试采虽然已获成功,但仍面临许多难题需要攻克,市场化之路还有很多坎要过。想要实现可燃冰开采产业化,前面还有巨大的障碍。在受到扰动时,该物质反应极其敏感。如果水分子形成的晶格结构被破坏,其中包含的甲烷极易逸出。这种反应机制隐藏着风险。而且,虽然天然气比煤炭更清洁,但是依然会排放二氧化碳。

想要促进可燃冰的产业化进程要进行三方面工作:一是借鉴页岩气开发经验,建议将天然气水合物设立为中国新矿种;二是将天然气水合物纳入新兴战略产业目录,制定相关产业政策,鼓励和引导企业参与勘探开发,推动天然气水合物开发利用进程;三是加强矿产资源管理,由国土资源部审批并颁发天然气水合物勘探开发审批许可证、采矿许可证,划定勘探区块,做好矿权登记。

可燃冰或许是地球上最后一种碳基燃料,各国都在使出浑身解数使其开采变得既安全又有利可图。中国让可燃冰的开采之路终于看到了光明,但或许最早也要到2025年我们才有可能见到其真正的商业开发。

(作者为中国石化石油工程技术研究院工程师)

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