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NO.2295-可燃冰是畫大餅？

作者：中年維特

校稿：辜漢膺 / 編輯：板栗

2015年前后，在石油價(jià)格節(jié)節(jié)攀升，環(huán)境問題日益凸顯的背景下，看名字就很有噱頭的可燃冰一度成為地球村全村人的希望。不但中、美、日等大國紛紛進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性開發(fā)，還被編入考題，寫進(jìn)新聞，一時(shí)間風(fēng)光無兩。

可燃冰 新晉網(wǎng)紅？▼

甚至還鬧出過“100L可燃冰，可讓汽車跑5萬公里”的大烏龍，經(jīng)過廣泛傳播，進(jìn)一步加深了可燃冰的神話色彩。

然而，幾年過去了，曾經(jīng)被嘲笑騙補(bǔ)貼的新能源發(fā)展成了“寧王”“迪王”?？扇急鶇s不見蹤跡，只是偶爾會(huì)被冠以“中國儲(chǔ)量第一”、“夠用1000年”的標(biāo)題，出現(xiàn)在犄角旮旯的推文中。

可燃冰為什么搞不出大新聞了？它真的那么有前景嗎？

能源續(xù)命的種子選手

可燃冰指的是天然氣水合物，因看上去像冰卻可以燃燒的特性得名。它通常在0℃-10℃、10MPa以上的壓力、擁有充足水源和氣源的環(huán)境下，由氣體分子和水分子形成。氣體可以是甲烷，也可以是乙烷、二氧化碳、硫化氫、氮?dú)獾?，都是天然氣田中的常見成分?/p>

甲烷被水分子包圍并被困在分子籠中

這種分子結(jié)構(gòu)被稱為包合物

（圖：可燃冰球棍模型 參考：world ocean review）▼

可燃冰分解時(shí)吸熱并會(huì)釋放大量的水

因此手托著燃燒的可燃冰也沒事

（圖：world ocean review）▼

可燃冰中的烴類氣體主要有三種來源，有的來自于微生物的分解，稱為微生物氣型；有的來自于深部油氣田的熱降解，稱為熱解氣型，兩者混合形成的就叫混合氣型。在海域發(fā)現(xiàn)的可燃冰絕大多數(shù)為微生物氣型，在陸域發(fā)現(xiàn)的可燃冰以混合氣型、熱解氣型為主。

（圖：可燃冰生成過程 參考：world ocean review）▼

根據(jù)氣體分子的不同，可燃冰可以分為三類：

I型由甲烷、乙烷、二氧化碳、硫化氫等較小直徑的氣體分子和水分子結(jié)合而成；

Ⅱ型由甲烷、乙烷等小分子，丙烷及異丁烷等較大分子和水分子結(jié)合而成；

H型由氣體組分中有異戊烷等較大氣體分子和水分子結(jié)合而成。

（各類可燃冰結(jié)構(gòu)及組成 圖：wiki）▼

（I型甲烷籠型結(jié)構(gòu) 圖：flickr）▼在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1立方米可燃冰可釋放出164立方米天然氣和0.8立方米的水，能量密度是天然氣的2至5倍、是煤的10倍。驚人的能量密度讓它具備廣泛的應(yīng)用場景。

更好的消息是，可燃冰的分布非常廣泛，27%的陸域和90%的海域都存在可燃冰。前者主要分布在大陸永久凍土區(qū)；后者主要貯藏在深海淺底部的沉積物中，太平洋沿岸海域分布尤其密集。全球可燃冰含碳量超過已探明煤炭、石油、天然氣三者含碳量總和的2倍。

橫屏—全球可燃冰分布情況 （圖：USGS）▼

中國的可燃冰開發(fā)潛力尤其巨大，根據(jù)《中國礦產(chǎn)資源報(bào)告2018》的初步預(yù)測，中國可燃冰資源量高達(dá)800億噸油當(dāng)量。

不過，正因?yàn)閷?duì)于可燃冰的勘探與應(yīng)用還在比較初期的階段，很難給出一個(gè)可靠的世界各國可燃冰儲(chǔ)量排名。所以中國的可燃冰儲(chǔ)量雖然大，在現(xiàn)階段渲染“全球儲(chǔ)量第一”未必準(zhǔn)確也缺乏實(shí)際意義。

中國的凍土區(qū)總面積達(dá)215萬平方公里，排名世界第三，蘊(yùn)藏著350億噸油當(dāng)量左右的可燃冰。凍土下的可燃冰可供我國使用近90年。

青藏高原、西部高原山地和大小興安嶺是中國陸域凍土區(qū)可燃冰的集中分布地區(qū)。然而，這些地方普遍位于交通不便的高寒地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，想要開發(fā)并不容易。

而且，這些地區(qū)又是中國乃至半個(gè)亞洲的水塔，中國、印度、中南半島和俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)的母親河普遍發(fā)源于此。當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)非常脆弱，一旦開發(fā)不當(dāng)，就可能造成嚴(yán)重的環(huán)境后果。

凍土區(qū)生態(tài)環(huán)境一旦遭到破壞很難恢復(fù)

（圖：圖蟲創(chuàng)意）▼

中國廣袤的深海中預(yù)計(jì)蘊(yùn)藏著450億噸油當(dāng)量的可燃冰，又以南海的貯藏量最為突出。中國在南海已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)超千億立方米的礦藏，圈定11個(gè)成礦遠(yuǎn)景區(qū)、25個(gè)有利區(qū)塊。其中神狐海域的可燃冰已經(jīng)分別于2017年和2020年完成了兩次試采。

未來南海可能會(huì)成為中國的能源重地。

可燃冰試采的功臣——藍(lán)鯨一號(hào)

（圖：圖蟲創(chuàng)意）▼

易散的白色石油

可燃冰具備種種優(yōu)勢，奈何自然狀態(tài)的可燃冰并不是純凈、集中、敲下來幾塊就能用的“可燃冰冰川”。而是深埋于高寒的凍土、深海海底沉積物之下，混雜于沙石之中的可燃冰礦產(chǎn)。

可燃冰形成條件十分復(fù)雜，在自然界往往呈現(xiàn)出多種形態(tài)

（不同形態(tài)的可燃冰 圖：USGS）▼

開采可燃冰，要面對(duì)井筒溫度壓力控制、安全鉆井液密度窗口狹窄、試采出砂嚴(yán)重、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)等方方面面的問題。比石油、天然氣麻煩多了，甚至比頁巖油開采難度更大。

當(dāng)代社會(huì)的能源、化工產(chǎn)業(yè)很多是與天然氣適配的。能量密度很大的可燃冰，卻不能以“冰”的形式直接利用。所以目前的開采方法，還是把可燃冰當(dāng)作雜質(zhì)多的天然氣，想辦法置換出其中的甲烷。

我國采取的地層流體抽取法開采可燃冰示意

（圖：地質(zhì)云）▼

目前，中國、美國、日本、加拿大等強(qiáng)國都在努力研究、勘探可燃冰，謀求早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采。

2002年加拿大率先在北極凍土區(qū)利用注熱法試采可燃冰。這種方法利用可燃冰20℃時(shí)氣體分子就會(huì)溢出的特性，直接加熱天然氣水合物層，促使天然氣溢出。這是最初級(jí)的方法。

注熱法示意 （參考：world ocean review）▼

2008年，加拿大試驗(yàn)減壓法，通過降低壓力促使天然氣水合物分解，取得了比第一次更好的效果。隨后2013、2017年日本試采；2017、2020年中國試采使用的都是這種方式。目前減壓法是相對(duì)比較成熟，應(yīng)用最多的方法。

減壓法示意

（參考：world ocean review）▼

2012年，美國試驗(yàn)了二氧化碳置換開采法，在一定的溫度和壓強(qiáng)下注入二氧化碳，與水結(jié)合置換出甲烷。二氧化碳水合物形成會(huì)放熱，進(jìn)一步促進(jìn)可燃冰分解。這種騷操作不但采集了甲烷，還封存了二氧化碳，而且更安全，就是難度系數(shù)太大，暫時(shí)沒有商業(yè)化前景。

二氧化碳置換法示意 （參考：world ocean review）▼

除了這些成功試采的方法外，還有化學(xué)試劑注入開采法；直接開采可燃冰礦，在淺水分解的固體開采法等等方式。

從目前五花八門的開采方式便不難看出，可燃冰的大規(guī)模開采尚在試驗(yàn)階段。類似20年前處在頁巖革命前夕的頁巖油氣，可燃冰未來可期，但是當(dāng)前技術(shù)卻不夠成熟，商業(yè)化成本較高。

為什么沒下文了？

在2010年代，各國紛紛上馬可燃冰試驗(yàn)，不但技術(shù)上突飛猛進(jìn)，還在宣傳上開足馬力，讓可燃冰似乎成為了接棒石油的新能源。如今關(guān)于可燃冰的消息似乎沒了下文，這背后的原因是多方面的。

2007年，我國首次在南海實(shí)驗(yàn)鉆探中成功獲取實(shí)物樣品

（激動(dòng)的心，默默比贊的手 圖：中國地質(zhì)調(diào)查局）▼

最根本的原因是如今常規(guī)天然氣不夠枯竭，如果沒有地區(qū)沖突的影響，天然氣供應(yīng)非常穩(wěn)定，價(jià)格也比較低廉。而水合物的分解是吸熱反應(yīng)，開采過程中需要不斷注熱和降壓，以破壞相平衡條件。這就決定了可燃冰的開采成本低不了。

而可燃冰的競爭者卻已經(jīng)已經(jīng)成熟了。頁巖氣革命比尚未達(dá)成的“可燃冰革命”早了幾步，頁巖氣開采成本大幅下降。頁巖氣技術(shù)的成熟降低了發(fā)展可燃冰技術(shù)的緊迫性，進(jìn)一步提高了商業(yè)化的難度。

川渝地區(qū)的頁巖氣資源十分豐富

其中川南還是我國最大的頁巖氣生產(chǎn)基地

（圖：圖蟲創(chuàng)意）▼

其次在于開采可燃冰的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)過高。甲烷是一種強(qiáng)效溫室氣體，它的溫室效應(yīng)為二氧化碳的20倍，全球海底可燃冰中的甲烷總量約為地球大氣中甲烷總量的3000倍。

偏偏開采可燃冰容易引發(fā)甲烷泄露，甚至是海底滑坡，生產(chǎn)事故可能會(huì)演變?yōu)樯鷳B(tài)和地質(zhì)的雙重災(zāi)難。這進(jìn)一步提高了可燃冰開采的成本和技術(shù)難度。

如何規(guī)避或應(yīng)對(duì)開采可燃冰

可能引發(fā)的災(zāi)害還需進(jìn)一步研究▼

更大的悲劇是，可燃冰尚未等到屬于自己的時(shí)代，時(shí)代就已經(jīng)變了。近年來，氣候變化終于發(fā)展到了肉眼可見，影響每一個(gè)人生活的地步。綠色能源轉(zhuǎn)型成為了全世界的共識(shí)。

天然氣可以作為過渡但是終究不是長久之計(jì)?？扇急@種“不純的天然氣”相較于風(fēng)口上的風(fēng)電、光電、鋰電顯然不是優(yōu)先選擇。

現(xiàn)在綠色、低碳、環(huán)保、可持續(xù)才是時(shí)代的主旋律

（圖：flickr）▼

即使將來可燃冰大規(guī)模商業(yè)開發(fā)成功，也僅僅意味著成功為化石能源續(xù)命，而非從根本上改變能源結(jié)構(gòu)。如果沒有技術(shù)突破，可燃冰大規(guī)模商業(yè)化會(huì)以常規(guī)天然氣資源進(jìn)一步枯竭，氣價(jià)上升為前提。到那時(shí)，發(fā)展可再生能源會(huì)變得更加緊迫。

往年冬天，這日子已經(jīng)十分難過了

今年冬天，缺油缺氣，寒冬更難熬

（奧地利 圖：壹圖網(wǎng)）▼

即使如此，繼續(xù)研究可燃冰依舊意義重大，因?yàn)榭扇急^不僅僅是“有雜質(zhì)的天然氣”。

可燃冰大量分解可能是二疊紀(jì)-三疊紀(jì)生物大滅絕的原因，了解背后的機(jī)制才能避免悲劇重演；海底和凍土中的天然氣管道維護(hù)成本極高，偏偏符合低溫、高壓、有氣源的條件，容易形成可燃冰堵塞管道。

明日的我們會(huì)不會(huì)成為昔日的它們呢，誰也不知道

（圖：alamy）▼

只有研究可燃冰的生成原理，才能減少管道可燃冰的形成，降低維護(hù)成本。而且，人工可燃冰為更安全地運(yùn)輸天然氣提供了新的可能。而二氧化碳封存技術(shù)即使不是為了能源，在雙碳背景下也顯得很有意義。

因此，可燃冰成為人類能源支柱的未來，并不是最好的未來，但是可燃冰的研究前景，卻值得期待。

最后

參考資料：

1.付亞榮,李明磊,王樹義,李云峰,李莉.中國陸域凍土層可燃冰勘探開發(fā)現(xiàn)狀與前景[J].工程研究-跨學(xué)科視野中的工程,2018:6-16.

2.任輝,周鋒,寧樹正,王松,蘭友根.我國人工可燃冰開發(fā)利用狀況與戰(zhàn)略研究[J].中國煤炭地質(zhì),2019:5-11.

3.湯曉勇,陳俊文,郭艷林,梁法春,王馳.可燃冰開發(fā)及試采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].天然氣與石油,2020:7-15.

4.https://www.cgs.gov.cn/ddztt/jqthd/trqshw/kybkp/201705/t20170527_430755.html

5.可燃冰——未來新能源的翹楚 - 地質(zhì)調(diào)查科普網(wǎng) (china-shj.org.cn)

6.不吹不黑，中國可燃冰開采真比外國強(qiáng)？_中國地質(zhì)調(diào)查局 (cgs.gov.cn)

*本文內(nèi)容為作者提供，不代表地球知識(shí)局立場

封面：shutterstock

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原標(biāo)題：《可燃冰，究竟是不是畫大餅？》

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