作者：高大统 中国石油大学（华东）化学工程学院
天然气水合物的钻采是非常规天然气开发中的世界性难题。目前，不可再生能源消耗日益增大，许多国家都在着手研究一种天然气水合物——可燃冰的开采方法。在国际上，可燃冰被公认为石油、天然气的接替能源，被称为能够满足人类使用 1000年的新能源，具有广阔的开发前景。
1 可燃冰的形成及分布特征
可燃冰不是冰，而是一种自然存在的微观结构为笼型的化合物，其分子式现已经被证实为CH4.8H2O，即为一个甲烷分子被包围在 8 个水分子所形成的笼型结构中。可燃冰是其俗称，其外观结构看起来像冰，且遇火即可燃烧，因此，这种天然气水合物又被称“固体瓦斯”或“气冰”。
1.1 自身特点
可燃冰是由甲烷和水在高压（30 MPa 以上）、低温(0~10 ℃) 条件下形成的类冰状白色固体燃料，是一种高效、清洁能源。可燃冰燃烧热值高，其燃烧产生的能量是相同质量普通化石燃料的数十倍。1 m3可燃冰分解后在标准状况下可以生成164~180 m3天然气。
因可燃冰燃烧值高、使用方便，若其能够实现大规模开采，居民家用灶台、热水器可以用可燃冰替代天然气，甚至还可以用可燃冰替代汽油、柴油、天然气，为汽车等提供动力能源，当然，这并不意味着可燃冰可以直接使用。
可燃冰的形成需要低温和高压两个必要条件，若两个条件不能具备，无适宜的储存设备，可燃冰则会迅速融化为水和甲烷，甲烷气体将“溜走”。
1.2 分布特征
可燃冰已经稳定存在上百万年，于20世纪60年代首次被发现，其主要分布于深海沉积层，少量分布于陆地永久冻土带。若在 0℃条件下，压力增至10 MPa及以上时，一旦水和小分子烃类混合在一起，则会形成一种新的水合物，而深海海底提供了这种天然气水合物产生的必要条件。
可燃冰燃烧仅生成少量的二氧化碳和水，污染远小于普通化石燃料，且其分布广泛。作为21 世纪极具开发潜力的新型战略资源，可燃冰成为许多国家和国际组织关注的热点。
2 研究进展
2.1 冷钻热采技术
近年来，中国对于可燃冰的研究取得了新进展。经长达12 年的努力，吉林大学相关科研团队成功研发了国内外首创的可燃冰冷钻热采关键技术。该技术的关键创新点：
（1）天然气水合物孔底快速冷冻取样。开采取样时，压力降低，天然气水合物易分解，因此开采时需要采取保温保压措施。该技术改善了传统保压措施的缺点，通过外部冷源（液氮）降低水合物温度（-30 ℃ ），从而抑制水合物分解。
（2）钻井液动态强制制冷。通过一个载冷剂箱和同轴泥浆泵连接进行换热而形成制冷机组，又通过泵和管道将同轴泥浆换热器和泥浆池连接，采用乙二醇为冷流体，逆流换热，快速将泥浆温度限制在允许范围内（-3~3 ℃ ）。
（3）高压热射流开采天然气水合物。该技术采用高压热射流冲击，热流体经高压泵喷出，高速射流直接冲击天然气水合物，使天然气水合物被切割，同时发生分解。由于流速较快，未来得及分解的天然气水合物则随回流进入开采管，随气液混合物一同上升至气液分离装置，经气液分离后，待开采的气体被捕集入收集装置，完成开采。
2.2 技术新突破
2017 年5 月，中国在南海“神狐”海域进行天然气水合物试开采，这也是世界首次成功实现开发难度最大的泥质粉砂型天然气水合物安全可控开采，标志着中国成为全世界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。此次可燃冰开采难度大的原因是：①可燃冰埋藏于海底，且海底地层松软。开采过程中既要保持井柱的稳定，又不能破坏水合物储层。若施加重型机械，则极易引发海底床层大规模坍塌。②该地区砂型较细，含泥量大，使得泥沙的渗透率大幅降低，将对可燃冰的产量和产品质量造成影响。
南海“神狐”海域天然气水合物开采采用降压法，并使用中国独创的水-泥-气分离技术（图1）。虽然该方法在大规模天然气水合物开采中已被多个国家使用，但是可控连续开采尚属首次。
3 工业化开采及挑战
随着工业的不断发展，全球能源需求将大幅度增加，预估全世界能源消耗总量将从2012 年的579×1015 kJ 增至2020 年的664×1015 kJ，预计将于2040年增至860×1015 kJ。可燃冰主要采用降压法、热激发法及CO2-CH4 置换法等进行开采，一旦在开采技术方面获得突破性的进展，那么可燃冰将迅速成为21 世纪的主要能源。
3.1 国外开采进展
目前，80 多个国家及地区正在开展可燃冰的相关研究与调查勘探。2012 年2-4 月，美国能源部与康菲石油公司、日本国家石油天然气和金属公司等进行合作，运用CO2-CH4 置换法，在美国阿拉斯加北坡的冻土区进行试验开采，实现了开采甲烷的同时有效封存了二氧化碳。
2013 年3 月12 日，日本在爱知县东南部的海槽进行了可燃冰试采。在这次生产性试验中，日本首次实现了在海域水合物中开采出甲烷，6 天累计产量13 ×104 m3。但是该次试采因出砂堵塞等技术问题最终失败。
2017 年4 月，日本针对可燃冰开展第 2 次海洋生产性试验，由千代田公司和日挥株式会社牵头，联合其他50 家公司，成立了一个支持可燃冰深水开发的组织，以期在此次海洋生产性试验中有所突破。在该次试采过程中，第一口试采井累计产气3.5×104 m3。
2017 年5 月15 日，再次因出砂堵塞问题而终止产气。
在可燃冰可行性技术研究及试开采方面，尽管美国、日本等国暂时处于世界领先水平，但其尚未形成可靠的方法与方案，均未能实现可燃冰的大规模开采。
3.2 对环境的挑战
可燃冰在进入大规模生产阶段之前，面临诸多问题和挑战，如经济、地质灾害及环境等方面。若无成熟、安全的开采技术作为支撑，一旦天然气水合物开采不当而发生甲烷泄漏，后果将不堪设想。更为严重的是，这种固结于海底沉积物中的水合物，千百年来已经适应了自身的“居住”环境，一旦人为地改变其生存条件，甲烷若从水合物中释放出来，沉积层的物理性质则会随之改变。假设人为将其分解，则会极大地降低海底沉积物的力学稳定性，整体变成松散的分解体，由此可能导致海底滑坡、海啸等突发性灾害。因此，对于可燃冰的开发，态度需极度审慎。
3.3 工业化开采前景
作为未来的主流能源之一，可燃冰对于缓解人类面临的能源枯竭危机，具有举足轻重的作用。
目前，中国的石油对外依存度高达65％，天然气则逼近40％ ，未来10~15 年，将是中国能源安全挑战的关键时期。虽然可燃冰对于优化中国能源结构意义重大，但是考虑到开采成本、技术局限等方面，尤其是环境问题，要在中国海域实现可燃冰的工业化大规模开采，预计要等到30 年以后，而陆域可燃冰的工业化开采也需要等到10~15 年以后。
4 结论与建议
为了进一步推动可燃冰工业化大规模开采，中国应将可燃冰勘探开发纳入国家战略规划，以提升中国在全球油气治理领域的话语权和影响力。
（1）加大可燃冰核心技术研究力度。建议基于现有技术，以“神狐”海域可燃冰成功试采为契机，分层次开展可燃冰专项技术攻关，逐步形成具有自主知识产权的成套技术，为实现工业化大规模开采奠定基础。
（2）不断拓展国际研发合作空间。目前，中国天然气水合物研究水平已经处于世界先进行列，中国应该利用在可燃冰勘探开发方面的技术优势，加强与周边国家、“一带一路”沿线国家的开发合作，在拓展国际合作空间的同时，为中国的“一带一路”战略服务。此外，中国还应积极参与北极冻土区可燃冰资源勘探开发的国际合作，造福人类社会。
（3）从国家战略高度，加强可燃冰研发的顶层设计。中国应将可燃冰作为破解能源供给困境的一个关键突破口，优先编制可燃冰开发中长期规划，健全适合中国资源特点的技术标准和技术体系，进一步深化石油天然气体制改革，深化国有油气企业改革，提升国际国内资源利用能力和市场风险防范能力。
（4）加大政府支持力度，推进可燃冰工业化开发。
（来源：油气储运 2017年10月）
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前沿 I 新技术
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