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海底可燃冰开采技术动向
时间:2017-04-01 09:47 来源:未知 点击:

    可燃冰又称天然气水合物,主要由甲烷构成,燃烧后的产物是水和二氧化碳,因而被认定为一种新的海洋清洁能源。图1是全球有机碳含量的分布情况(数据来自中国报告大厅),天然气水合物所含有机碳占到全球总有机碳量的一半以上,可以看出天然气水合物具有很好的开发前景。目前探查到的天然气水合物主要存在于两种环境条件下,即深海海底和陆上永久结冰带。据专家预测,深海蕴藏的天然气水合物约为(1〜5)×1015m3。日益枯竭的能源、不断增长的能源需求以及巨大的天然气水合物储量,决定了深海天然气水合物将是重要的海洋能源之一。
    对海底天然气水合物的学术研究情况进行文献计量分析(如图2),可以看出,从20世纪90年代开始,世界在海底天然气水合物领域的研究开始大幅增加,近年来一直呈现增长的趋势,说明了海底天然气水合物是海洋工程研究热点之一。

国内外开采研究现状
    海底天然气水合物的首次发现源于20世纪70年代美国在深海的钻探作业。20世纪80年代以来世界范围普遍进行海底天然气水合物相关研究、勘探、实验等。美国、日本、俄罗斯等国家处于海底天然气水合物研究的前列。
    美国为了探明布莱克海台天然气水合物资源的情况,早在1998年5月就通过了一个经费2亿美元、周期10年的海底天然气水合物研究计划。之后美国不断钻探研究井并从海底收集到天然气水合物的样本,例如在2007年2月,美国能源部、美国地质调查局和BP勘探(阿拉斯加)公司三家联合,在阿拉斯加北坡收集了约12.18立方米的天然气水合物核心样本。海底天然气水合物的安全开采一直是亟待解决的问题之一,因此在2012财年,美国能源部计划投入650万美元专门用于大洋天然气水合物安全开采技术及方法研究。2013年美国能源局发布了水合物2015年〜2030年研究计划。
    日本一直热衷于海底天然气水合物的开采研究。为了能够更好地研究海底天然气水合物,日本在1995年成立了天然气水合物开发促进委员会,并投入大量资金用于研发。日本通过多年来对海底天然气水合物开采方法的研究,基本确定了通过降低底层压力来提取天然气的方法。在2012年2月初,依托“地球”号深海探测船,日本对爱知县沿岸日本南海海沟中的天然气水合物展开了开采实验,图3是试采试验装置示意图。2013年3月12日,日本从距其海岸80km处全球首次通过降低底层压力的方法成功提取天然气,验证了该方法的可行性;后来由于设备故障,日本中止了此次开采试验。
    俄罗斯一直积极开展对天然气水合物的研究。前苏联解体后,俄罗斯面临经济问题,因而未能在国家层面给予海底天然气水合物的支持,但俄罗斯的大学、企业等机构没有放弃对海底天然气水合物的调查和研究,主要研究海域包括鄂霍茨克海、巴伦支海等。俄罗斯在陆上西伯利亚的麦索亚哈气田天然气水合物成功开采的经验实践,对其深海天然气水合物开采方法有巨大借鉴意义,俄罗斯学者经过研究分析认为气体提升法(固体开采法)是适用于深海的提取方法。俄罗斯提出了2020年天然气水合物大规模工业开采的计划,这将极大促进全球海底天然气水合物的开采。
    其他国家如印度、德国、加拿大、韩国等也开展了天然气水合物开采的相关研究。
    中国一直以来也很重视海底天然气水合物的研究。1995年,中国大洋矿产资源研究开发协会设立的“西太平洋气体水合物找矿前景与方法的调研”预研课题揭开了中国海底天然气水合物开采研究的序幕,正式研究于1997年开始。之后国家各部委开始设立海底天然气水合物专项研究课题,中国石油大学、中科院能源所、中南大学等科研机构在海底天然气水合物理论研究方面走在国内前列。经过多年研究,我国在海底天然气水合物勘探、取样钻探、开采等技术和专用设备方面取得了一定的进展,2007年我国在南海神狐海域成功收集了天然气水合物实物样品。但与国外先进技术水平相比,由于我国前期规划不足、科研力量分散和核心装备水平有限等原因,我国仍处于追赶阶段。近年来,“海洋石油981”、“蛟龙”号等深海装备的成功研制,在一定程度上将促进我国深海天然气水合物勘探、钻采的发展。
    总之,由于海底天然气水合物所处的环境条件复杂,开采过程面临太多的不确定风险,目前全球对海底天然气水合物的开采仍处于理论和试验试采阶段(冻土区天然气水合物的开采也未实现商业化),中、美、日三国天然气水合物开发历程和计划如图4所示。天然气水合物商业化开采是一项复杂的系统工程,它的实现不可能一蹴而就,各国仍在不断采用实验、数值模拟、现场试验等方式进行研究。

主要开采方法
    天然气水合物是一种新型的清洁能源,其开采得到很多人的支持,但是也存在着很大的隐患。若没有成熟、安全绿色的开采技术做支撑,一旦天然气水合物开采不当而发生甲烷泄漏,后果不堪设想。一方面,甲烷是比二氧化碳更强的温室气体,引发的温室效应危害性更大;另一方面,甲烷会影响水中的含氧量,对海洋生物也会造成严重影响。因此,当务之急是攻克海底天然气水合物开采关键技术,探索出安全、可靠、可行的开采方法。
    天然气水合物的传统开采方法包括降压法、热激法和试剂注入法3种,这3种开采方法广泛用于陆上天然气水合物的开采试验。陆上试验开采的实践表明,降压法是一种相对经济可行的方法。降压法通过降低天然气水合物储存层的压力来促使天然气水合物分解从而提取天然气。日本采用这种方法进行开采试验,成功在海底开采出天然气水合物,证明降压法可用于海底天然气水合物的开采。
    近年来国外科学家还提出了新的海底水合物开采方法,如CO2水合物置换法、固态开采法和混合泥浆开采法。置换法的原理是将CO2注入天然气水合物沉积层,CO2在生成水合物的同时,释放的热量将天然气水合物分解,此种方法可封存CO2,环保性好,是一种有前途的开采方法。固体开采法的原理是将固态天然气水合物直接进行采集,提升至浅水区或者船上进行分解。混合泥浆开采法源于固体开采法,其原理是首先让天然气水合物在沉积层分解为气液混合相,然后将混有天然气、水、泥浆三相的混合泥浆提升至船上进行处理。
    国内学者经过多年研究,也提出了一些基于固态开采法思想的方法,比如利用地热法、地面分解法、绞吸法、海水提升法等。当然这些方法还处于理论阶段,仍有很多关键问题需要解决。
    各种开采方法都有使用条件限制,也存在各种优缺点。如何选择合适的开采方法,需要结合天然气水合物所在环境条件以及自身的技术水平,这需要不断的理论和试验探索。目前国际上认为有前景的海底天然气水合物开采方法有降压法、CO2水合物置换法、固态开采法等。
    我国天然气水合物开采技术建议
    虽然我国在天然气水合物研究方面取得了一定的成果,但与国际先进水平仍存在一定的距离,也存在一些问题,比如缺乏系统的总体规划和开发路线图;研究较为分散,未形成研发体系;开采技术还不成熟,尚未形成安全可靠的开采方法;对天然气水合物应用研究和试采研究进展仍较为缓慢。针对上述问题,建议措施如下:
    1.加强顶层设计:明确海底天然气水合物的研发战略,制定适合我国南海等海域的天然气水合物研究开采规划和技术路线。
    2.构建研发体系:构建由企业、高校和研究机构组成的共同研发体系,产学研结合,综合各方研发成果制定统一的研发进度路线。
    3.加强成果转化:加大投入,整合各方面资源,促进已有创新性科研成果的实用转化,同时加强试采研究,推动实际规模开采。
    4.加强国际交流合作:积极推动海底天然气水合物试采研究方面的国际合作,与美国、加拿大、俄罗斯、日本等国的跨国公司开展合作,并积极设立天然气水合物国际论坛。
    5.构思产业化模式:要实现产业化,国家层面要制定配套政策予以支持,除了国家资金投入,还要鼓励民间资本和民营企业参与。
    6.攻关开发关键技术:包括天然气水合物勘探开发关键技术、自主研制用于天然气水合物探测的深潜器、天然气水合物探测遥感技术、高精度海底定位技术、采样机及钻机等设备材料的高耐压性/ 高密封性技术、天然气水合物环境效应研究、可燃冰开采灾害防范控制技术、以及可燃冰钻采船/ 平台和可燃冰运输船等新型装备开发等。
    天然气水合物在未来能源战略中具有重要的地位,在未来的20年内,将有越来越多的国家研究天然气水合物,并逐步实现天然气水合物的商业化开采。我国具有丰富的天然气水合物资源,国内也开展了多年的研究,取得一定的成果,与此同时我国也应看到自身的短板,通过不断进行制度完善、政策支持、技术攻关等,努力从技术追赶者转变为技术领先者。

 

来源:网络

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