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“可燃冰时代”已经来临?(Z.2017.7)

新闻来源:中国船检    浏览量:425 中国船检 2017-08-24
        2017年5月18日,中国国土资源部部长姜大明宣布中国首次海域天然气水合物(天然冰)试采成功, 引起国内外广泛关注。为什么可燃冰的试采成功引起了上至党中央、国务院,下至普通群众的强烈反响?我们是否已经迎来了“可燃冰时代”?在可燃冰开采这条路上,我们已经走了多远,还有多远的路需要走?
        Why 可燃冰?
        目前我们对全球天然气水合物资源量并无明确的认识,但是据联合国环境规划署对甲烷水合物全球展望中的分析来看,全球范围内广泛存在着适合天然气水合物形成的压力和温度条件,全球各个地区都拥有大量的潜在天然气水合物技术可采资源量(TRR),砂质储层中原地气资源量的累积平均估算值为1217万亿立方米。
        我国可燃冰潜在储量十分巨大。据国土资源部专家表示,我国在南海地区预计有700亿吨油当量的可燃冰,与全国陆海常规与非常规天然气的地质资源量总和大致相当。此外,除了南海外,在青海地区也发现了350亿吨标准油当量的天然气水合物。
        从全球能源格局角度来看,一旦可燃冰实现商业化开采,将对全球能源格局产生巨大影响。从潜在供给量上看,根据国土资源部中国地质调查局副局长李金发在接受央视采访时表示,可燃冰总资源量大约相当于全球已知煤、石油和天然气总资源量的两倍,这将对当前以石油供应为主的能源供应格局产生巨大冲击。正如美国页岩气技术的突破给石油市场带来的冲击类似,全球油气资源价格或将再次承压。
        根据不完全统计,已有30多个国家和地区开展了可燃冰的调查研究,至今已有美国、加拿大、日本、韩国、中国、印度、德国、新西兰等国设立国家研究计划,开展资源调查、钻探、实验开采技术以及环境影响评价研究等系统研究。
        日本是当前业界公认的领先全球可燃冰开采技术的国家,尤其是在福岛核事故两年后,日本果断地开展可燃冰开采测试,充分体现出该国对能源供应安全的渴求,力图将可燃冰打造成提振能源经济的“国家产物”。
        美国为了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。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。
        俄罗斯一直积极开展对天然气水合物的研究,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。
        中石油经济技术研究院数据显示,2016年中国的原油对外依存度上升至65.5%,并且2020年前可能超过70%。天然气的对外依存度在过去十多年由净出口变为依存度超过30%,这对中国的能源安全是很大的威胁。
        因此对于我国来说,可燃冰开采的重要意义不言而喻。一方面,作为世界能源消费大国,我国面临的资源短缺和环境污染的压力巨大。我国能源变革的基本方向和首要任务应是优化能源结构、加快发展可替代煤炭等各种清洁能源,其中一个重要方面就是要下大气力推动可燃冰的开发利用。
        此外,按照我国能源发展规划,到2030年,将天然气的国内供给量提高至6000亿立方米,相当于现在的3倍。为了达成“巴黎协定”的目标,中国将推进发电燃料从煤炭向天然气转换,以应对国内消费量的增加。此外,天然气的进口量也将增至3倍以上。可燃冰早日实现商业化开采,无疑将大大加快我国能源独立的步伐。
        尚需时日?
        根据此次试采的牵头方,国土资源部中国地质调查局副局长李金发称:“从目前我们试采的连续性和产气量来看,离商业性开采距离不远了。在2030年以前,具有最大潜力的天然气水合物资源将会得到商业性开发利用。”实际上可燃冰从试采成功到商业化仍然有较长的路要走。究其原因,主要有以下两点:
        一是经济优势不足,开采成本较高。从经济角度分析,天然气水合物仍属于未来新能源类型。据日本相关机构推算,采用减压法开发成本相当于日本液化天然气(LNG)进口价格的2倍,但随着规模扩大及技术进步,成本有望下降70%以上。美国能源部的资料也显示,目前的天然气水合物开采成本平均高达200美元/立方米,相当于每立方米天然气的成本在1美元以上,远高于页岩气。
        采用统一热当量分析,对可燃冰、天然气、页岩油和深海石油的开发成本进行核算,根据热当量计算,每桶原油相当于5800立方英尺天然气的所产生的热量,则以目前的水平来看,可燃冰的单位开采成本约为天然气的5倍~15倍,并且其成本已明显高于当前油价。
        此外,可燃冰还面临着由于油气价格低位导致的研发投入不足的问题。尽管全球多个国家都将可燃冰视为一种战略能源,但是由于当前全球油气价格比较低,各国在可燃冰的研发投入上动力不足,这将在一定程度上阻碍可燃冰技术研发的进程。
        二是技术条件约束,环境影响恶劣。一方面,水合物开采会产生严重的地质影响。水合物层有极大的脆弱性和不稳定性,洋流、重荷、地震、火山、台风、构造活动和海平面升降均可能引起天然气水合物大块滑动或急剧分解,引发滑坡、地层塌陷等地质灾害或浅层构造变动,严重的情况下可诱发海啸、地震等地质灾害及浊流、气旋等海洋灾害。
        另一方面,天然气水合物对全球气候变化具有两面性。有利的一面是,在所有的传统化石燃料中,天然气每能量单位生产过程中排放的碳最少,可燃冰的商业化开采将增加天然气的使用,同时减少其他化石能源消耗,许多国际评估将天然气视为向无碳能源的未来转变的过渡性燃料;不利的一面是,在当前的开采条件下,可燃冰开采过程可能会造成甲烷大量释放,从海底释放的大部分甲烷可能在水体中被氧化,造成海洋酸化以及溶解氧消耗,对于海洋生态环境将造成灾难性后果。而甲烷作为一种气体释放到大气中,其温室效应要比二氧化碳大上25倍,将加剧全球变暖问题。
        路在何方?
        在可燃冰开采由陆上向深海发展的技术推动下,开采必须面对可燃冰集中在海底分布的困难,因此海上钻采设备、储存运输设备和管道铺送设备的技术需求将出现急剧增长。从目前发展趋势,海上可燃冰开采具备深水、超深水发展的特点。在掌握深海进入、深海探测、深海开发等关键技术方面取得重大成果,将对推动能源生产和消费革命具有重要而深远的影响。
        一、改进已有技术,提高生产效率
        热激法是迄今为止受到最广泛关注和研究的开采方法之一,但此方法存在热效率低、热量损失严重的技术缺陷。因此,如何提高热量利用效率、实现循环利用将成为技术突破的关键问题,目前已有学者提出循环加热法和热吞吐方法的相关研究。
        另一种最为关键的可燃冰开采技术为降压法,其具备操作简单、成本低廉且能量效率较高的技术特点,但受到产水产砂量大、开采过程中水合物再生成以及冰的生成等问题影响,其安全性一直是技术发展的一大瓶颈,日本在2013年的连续试采失败,也在很大程度上受到了该方法的技术限制。
        二、创新开采方法,实现新旧互补
        近年来,化学抑制剂法和气体置换法的研究相对火热,前者指向储层注入甲醇乙二醇等特定的化学试剂或海水、盐水等无机混合物,从而改变沉积层中水合物的相平衡条件,使天然气水合物在储层位置的温度压力条件下不能保持平衡而发生分解;后者则是通过向水合物储层注入二氧化碳,利用二氧化碳分子置换水合物中的甲烷分子,从而达到收集甲烷气体同时利用生成二氧化碳水合物封存温室气体二氧化碳的双重目的。这两种方法目前还处于起步阶段,生产效率和安全性仍待考证,但发展前景广阔,特别是置换法凭借其维持储层力学性质和地层稳定性的特点,备受研究人员的青睐。
        根据已有研究,油气热激法与降压法相结合开采时,能量利用效率能够达到单一注热法或降压法的1.6倍,这说明热激-降压联合开采天然气水合物具有更高的效率和经济价值,同时,新方法的使用又能够有效防止水合物的二次生成以及冰的堵塞等问题,全力推进新旧方式的优势互补已刻不容缓。
        除了核心的开采技术外,还有两大关键技术同样需要得到解决,才可进一步缩短可燃冰开采与其商业化之间的差距,一是加快勘查评价和重点靶区钻探取芯,另一个是开展天然气水合物成藏机理和富集规律等理论研究。
        可燃冰是未来重要的可替代能源,从现在发展情况看,可燃冰离真正实现商业化开采还有较长时间要走。但是考虑到可燃冰在能源独立上的战略意义,其发展前景不容忽视。未来随着经济性开采技术的成熟,可燃冰仍然有望主导未来全球能源供给。国内企业当前应提前做好相关技术积累,为可燃冰的商业化开采做好技术储备。(本文作者:张辉 赵羿羽 金伟晨 尤婷婷)
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