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可燃冰:人类的福音还是禁果?

2009年11月23日 17:07 来源: 《观察与思考》 【字体:

  随着全球气候变暖以及常规的化石能源日益走向枯竭,人类开始积极寻求后石油时代的能源替代物。

  从目前看,主要有两个方向,一是以风能、太阳能、潮汐能、生物质能为代表的可再生能源,另外一个方向就是作为低碳能源的可燃冰。

  “可燃冰”,学名天然气水合物,是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件下混合产生的一种固态物质,外貌极像冰雪或固体酒精,点火即可燃烧,被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源,因为1立方米可燃冰相当于170立方米的天然气。估计全球储量是现有天然气、石油储量的两倍,被认为是本世纪能够解决人类能源危机的最具开发前景的新型能源。

  也许,地下的“可燃冰”是大自然给人类最后的天然能源。然而专家提出担忧,开采“可燃冰”有可能是大自然给人类的一个陷阱。这是由于开发“可燃冰”容易引发温室效应、海底滑坡以及破坏海洋生态平衡等,而在陆地开采“可燃冰”同样存在包括破坏环境等问题。

  所以,在没有解决开发“可燃冰”给自然界环境的影响问题之前,还不能像常规一次性矿产资源那样大量开采“可燃冰”。事实上,目前全世界对“可燃冰”的研究大都只处于调查评价研究阶段。

  巨大的储量

  一般认为,“可燃冰”的形成有三个基本条件:首先,温度不能太高,零度以上,0-10℃为宜,最高限是20℃左右,再高就会分解。第二,压力要够,但也不能太大,零度时,30个大气压以上它就可能生成。第三,地底要有气源。因为在陆地只有那些永久冻土层才具备形成条件和使之保持稳定的固态,而海洋深层300-500米的沉积物中都可能具备这样的低温高压条件。

  研究结果表明,海洋可燃冰由海洋板块活动而成。当海洋板块下沉时,较古老的海底地壳会下沉到地球内部,海底石油和天然气便随板块的边缘涌上表面。当接触到冰冷的海水和在深海压力下,天然气与海水产生化学作用,就会形成水合物。科学家估计,海底可燃冰分布的范围约占海洋总面积的10%,相当于4000万平方公里,是迄今为止海底最具价值的矿产资源,足够人类使用1000年。

  而陆地上的“可燃冰”都在永久冻土带,其成矿机理大致是:煤层气向上溢散,而上面有冻土层的覆盖,煤层气和水在高压、低温的条件下形成“可燃冰”,其组分除了甲烷,还有少量乙烷、丙烷等气体。

  “可燃冰”在世界范围内分布广泛,资源量大,据测算,全球甲烷水合物的资源量是常规天然气的50倍,这种新型能源一旦得到开采,将使人类的燃料使用史延长几个世纪。据粗略了解,

  据推算,目前已经发现的石油储备量还可用40年,天然气还可用70年,煤炭还可用190年,可燃冰的发现,让陷入能源危机的人类看到新希望。

  目前,以美国为首的深海钻探计划(DSDP)及其后续的大洋钻探计划(ODP),相继在中美洲海沟陆坡、太平洋秘鲁海沟陆坡、大西洋布莱克洋脊、墨西哥湾、加利福尼亚北部海域、北海、日本近海、北大西洋的斯瓦尔巴尔特陆坡、尼日利亚近海等地点发现了天然气水合物。

  各国的努力

  早在19世纪30年代,可燃冰即进入人类视野—1965年,前苏联首次在西西伯利亚永久冻土带发现可燃冰矿藏,并引起多国政府关注。

  美国、俄罗斯、英国、德国、加拿大、日本、印度、韩国、巴西等都从能源储备战略角度重视天然气水合物的调查研究工作。它们将此作为政府行为,投入巨资,相继开展了本国专属经济区和国际海底区域内的调查研究和资源评价。美国、日本、加拿大、印度等国已制定了勘探和开发天然气水合物的国家计划。

  随着常规能源的日益减少和科学技术的发展,作为一种巨大的能源储备,“可燃冰”必将发挥重要作用,并且谁主导了“可燃冰”,谁就将主导下一代能源。

  具体而言,日本现已基本完成了周边海域可燃冰的调查与评价,钻探了7口探井,圈定了12块矿集区,并成功取得可燃冰样本。由于能源匮乏,日本1992年开始重视海洋可燃冰,1995年投入150亿日元制定了5年期“甲烷水合物研究及开发推进初步计划”,计划于2010年进行试生产。

  美国是开展海洋可燃冰调查最早的国家,1991年美国投入800万美元制定了可燃冰10年研究计划,1999年又计划投入2亿美元制定“国家甲烷水合物多年研究和开发项目计划”,计划2010年投入试生产,2020年投入商业生产。

  2008-2009年,由青海煤炭地质105勘探队和中国地质科学院资源所、勘探所共同合作承担的《青藏高原冻土带天然气水合物调查评价》项目,在青海省祁连山南缘永久冻土带成功钻获天然气水合物实物样品,使我国成为世界上第一次在中低纬度冻土区发现天然气水合物的国家,也是继加拿大1992年在北美麦肯齐三角洲、美国2007年在阿拉斯加北坡通过国家计划钻探发现天然气水合物之后,在陆域通过钻探获得天然气水合物样品的第三个国家。

  青海能够成为我国陆域“可燃冰”的首个“现身地”,国土资源部总工程师张洪涛博士说有几个原因,首先,青海有着面积广、厚度深的冻土带资源,为可燃冰的存在提供了地质条件;其次,因为甲烷是可燃冰的主要成分,因此可燃冰发现的地方一般都存在油气资源,而青海木里有着丰富的煤矿资源,为可燃冰的形成提供了可能的油气来源。

  国土资源部总工程师张洪涛表示,在永久冻土区成功获取“可燃冰”,对于我国未来的能源接续利用格外重要。在冻土区发现这一潜在资源,将极大地开拓人类寻找新资源的视野,为我国经济社会可持续发展提供新型能源。张洪涛说“可燃冰”作为“后石油时代”的重要替代能源,此次发现的意义可同当年发现大庆油田相比,是新时代地质工作者划时代的贡献。

  我国是世界上第三冻土大国,冻土区总面积达215万平方公里,具备良好的天然气水合物赋存条件和资源前景。据科学家初略估算,远景资源量至少有350亿吨油当量,可供中国使用近90年,而青海省的储量约占其中的1/4。

  同时,“可燃冰”在青海的发现,会给大兴安岭、青藏高原冻土带的“可燃冰”勘查带来示范意义。青藏高原冻土带燃气水合物调查评价项目负责人之一—中国煤炭地质总局青海煤炭地质105队队长、总工程师文怀军说,“可燃冰”在青海的发现,为我国增加了一个重要的新矿种,对我国战略能源意义重大。

  文怀军说,青海木里煤田含“可燃冰”岩层段埋藏浅,只有130-300多米,这为可燃冰开采带来很大有利条件。并且这里的冻土层较薄,只有80-120米,也为将来的工程和科研带来极大便利。“可燃冰的开发有望在这里取得突破。”

  其实,早在2002年,我国已经启动海域和陆域“可燃冰”的研究和勘探,迄今已经持续了整整八年。2007年,在南海发现了可燃冰,储量约为185亿吨油当量。而陆域主要是在永久冻土区进行相关的调查和勘探。

  现在,中国国家发展和改革委员会公布了名为《中国石油替代能源发展概述》的研究报告,报告称,目前已在中国海域内发现大量可燃冰储量,仅南海北部的可燃冰储量估计相当于中国陆上石油总量的50%左右,在未来10年,中国将投入8亿元进行勘探研究,预计2010—2015年进行试开采。世界其他国家早在上个世纪70年代就开始可燃冰的利用和开采技术研究,而我国直到1990年才开始,与国外相比至少差了20年,目前,在可燃冰开采研究上,我国已经开始发力追赶。预计2020年前后有望实现工业开采,最快到2030年实现商业生产。

  但必须指出的是,在可燃冰勘测过程中,传统的设备就足够了,若要将可燃冰从海底取出,就需要用空心钻,那是一个可以密封并加强压力的特殊设备。换言之,使用现有技术已可以做到获取可燃冰。

  开采的难度

  开发天然气水合物容易引发温室效应、海底滑坡以及破坏海洋生态平衡等。在没有解决开发天然气水合物对自然界环境的影响问题之前,天然气水合物还不能像常规一次性矿产资源那样大量开采。

  “可燃冰”的开采方案主要有三种:一是热解法。利用“可燃冰”在加温时分解的特性,使其由固态分解出甲烷蒸汽。但此方法不好收集。海底的多孔介质不是集中为“一片”,也不是一大块岩石,而是较为均匀地遍布着。如何布设管道并高效收集是急于解决的问题。二是降压法。有科学家提出将核废料埋入地底,利用核辐射效应使其分解。但它们都面临着和热解法同样布设管道并高效收集的问题。三是“置换法”。研究证实,将二氧化碳液化,注入到1500米以下的洋面,就会生成二氧化碳水合物,它的比重比海水大,于是就会沉入海底。如果将二氧化碳注射入海底的甲烷水合物储层,因二氧化碳较之甲烷易于形成水合物,因而就可能将甲烷水合物中的甲烷分子“挤走”,从而将其置换出来。

  但如果“可燃冰”在开采中发生泄露,大量甲烷气体分解出来,经由海水进入大气层。甲烷的温室效应比二氧化碳要大21倍,因此一旦这种泄露得不到控制,全球温室效应将迅速增大,大气升温后,海水温度也将随之升高、地层温度上升,这会造成海底的“可燃冰”的自动分解,引起恶性循环。因此,开采必须要受控,使释放出的甲烷气体都能被有效收集起来。

  可燃冰的物质形态和储藏地域都极其特殊,对开发技术的要求甚高。国土资源部总工程师张洪涛曾表示,从地下开采1立方米的可燃冰,将在地下形成164立方米左右的压力空缺,对环境的影响极大,而青藏高原地区是生态环境最脆弱的地区之一。

  至于海底“可燃冰”的开采,最大的难度在于防止海底压力骤减后破坏海底环境并可能引发海啸。

  迄今为止,还没有一项技术能使可燃冰大规模的从海底转移到陆地上,将其保存。另有一种争议认为,集中地大量地开采可燃冰,可能会造成大陆架动荡甚至海床塌方。这和泥石流是一样的道理,泥土里的水在冬天凝结成冰,春天到来时,如果冰融化的速度超过了水蒸发的速度,土地就会崩塌。

  目前已有证据显示,过去甲烷气体的大规模自然释放,在某种程度上导致了地球气候急剧变化。8000年前在北欧造成浩劫的大海啸,也极有可能是由于这种气体大量释放所致。

  此外,陆缘海边的可燃冰开采起来十分困难,一旦出了井喷事故,就会造成海啸、海底滑坡、海水毒化等灾害。经调查研究证明,在美国大西洋大陆边缘发生的多次滑坡几乎都与可燃冰矿层的断裂有关。

  可燃冰就是上帝或者说自然界留给人类的最后一点东西,它究竟会把人类引向好的方面还是引向不好的方面?这是一个很严峻的问题。如果是引向不好的方面,那它就是一个陷阱。而且,水合物可不可以开采也是一个值得思考的问题。不能简单下结论说它就是一个资源。

  尽管储量丰富,但可燃冰的商业应用尚面临诸多难题。可燃冰的分布没有规律,相对不稳定,不像油气田,厚度可达上百米、面积达几十公里。正是由于可燃冰这种飘忽不定的特性,使得开采难度很大,开发成本过高,其成本是每立方米200 美元的天价。究竟还要多长时间才能投入商业化的开采?这始终是个问题。

  多数科学工作者认为,“可燃冰”的开采,如果按照科学规律办事,应该不会对环境造成大的方面的影响。原因有两点,首先,随着科学和技术的进步,人类是能够找到安全、高效的开采方法的,是能够最大限度的避免其负面影响的;其次,迄今已经进行的试开采,未对环境造成负面影响,更没有发生灾害。

  “可燃冰”本身没什么缺点,但如果利用不当,会产生一些问题,主要是环境问题,如海底滑坡、温室效应等。对“可燃冰”利用可能存在的一些问题,既不能无限夸大,也要高度重视,世界上没有绝对完美的东西,只要我们坚持科学的态度,采用科学的方法,就一定能克服缺点,造福人类。

  作为替代能源的可燃冰何时能够被人类用上?从技术上讲,在2015年进行开采是可能的,但是由于开采的经济性、环保、世界能源需求等多方面的影响,在今后30年内,“可燃冰”还不大可能替代传统能源。

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