冰也可以燃烧？这个神奇的能源或将从海底“苏醒”

科普中国网-科普融合创作 2016-12-14

　　出品：科普中国

　　制作：冰与火团队

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　　石油可以说是推动世界经济发展的血液，全球每天的石油消耗量高达8000万桶。随着海洋油气开发逐渐向深海、远海发展，人们发现了一种既不同于深藏于海底岩层中的流体石油，也不同于气相的天然气，而是以固态形式赋存于海底松散的沉积物中，并且与海底油气成因存在密切联系的非常规能源——可燃冰。

　　人们在提到能源时，浮现在脑海中的往往是燃烧的火焰，而绝不会是冰块。冰与火本来是相反的两种物质形态，但是越来越多的科学家相信：未来能源的很大一部分是以能够燃烧的冰状晶体形式蕴藏在海底。据初步估算，全球可燃冰资源总量约为2.1×10^16m³，是煤、石油和天然气资源总量的2倍，足够人类使用上千年。随着能源开发技术的不断提高，海底沉睡的能源即将苏醒，“冰火交融”将从梦想走进现实。

　　可燃冰，即天然气水合物（natural gas hydrate），是在一定条件下由轻烃、二氧化碳及硫化氢等小分子气体与水相互作用形成的固态结晶物质，呈白色或浅灰色晶体，外貌类似冰雪，还可以亲切地称呼它为“固体瓦斯”或“气冰”。

　　可燃冰是怎么形成的呢？

　　一、温度不能太高，高于20℃就会分解，海底的温度是2~4℃，适合可燃冰的形成；

　　二、压力要足够大，压力越大越稳定，但可燃冰的形成压力并不需要太大，在0℃时，需要30个大气压即可；

　　三、有甲烷气源，这是形成可燃冰的根本条件，没有气就只能形成不能燃烧的普通冰了。

　　根据可燃冰的生成环境我们将它分为四类：极地冻土带水合物、海底砂岩型水合物、粉砂质泥页岩型水合物以及泥页岩型水合物。

　　上图金子塔中，越往上面水合物的品质越好，但是资源量就越少。因此，从资源量以及开采技术多方面综合考虑，专家认为海底砂岩型水合物是未来天然气水合物资源开发的主要目标。

　　哪儿可以找到这种神奇的能源呢？

　　世界范围内可燃冰分布

　　资料显示，目前在全球79个地区直接或者间接地发现了可燃冰的存在，主要分布于世界各大洋边缘海域的大陆坡、陆隆(深水海台)和盆地，以及一些内陆海。总体上看，“可燃冰”主要还是分布在北半球，且以太平洋边缘海域最多，其次是大西洋。陆上寒冷永冻土中的天然气水合物主要分布在西伯利亚、阿拉斯加和加拿大以及青藏高原等地区。

　　我国可燃冰分布

　　我国可燃冰的储量丰富，其中主要分布在南海海域、东海海域、青藏高原冻土带及东北冻土带，位于我国南海北坡的海域是可燃冰富集区，预测储量约194亿立方米！

　　可燃冰的开发技术

　　随着目前常规能源的继续消耗，世界上各国都对可燃冰颇感兴趣。经过多个发达国家的研究证明：开发可燃冰并不困难。只要有效勘探，合理开发，可燃冰这种潜力巨大的新能源造福人类将在不久的将来成为可能。

　　1 热激发开采法　

　　热激发开采法是直接对天然气水合物层进行加热，使天然气水合物层的温度超过其平衡温度，从而促使天然气水合物分解为水与天然气的开采方法。这种方法经历了直接向天然气水合物层中注入热流体加热、火驱法加热、井下电磁加热以及微波加热等发展历程。热激发开采法可实现循环注热，且作用方式较快。加热方式的不断改进，促进了热激发开采法的发展。

　　u 热激发开采法

　　2 减压开采法　

　　减压开采法是一种通过降低压力促使天然气水合物分解的开采方法。减压途径主要有两种：①采用低密度泥浆钻井达到减压目的；②当天然气水合物层下方存在游离气或其他流体时，通过泵出天然气水合物层下方的游离气或其他流体来降低天然气水合物层的压力。

　　u 减压开采法

　　3 化学试剂注入开采法　

　　化学试剂注入开采法通过向天然气水合物层中注入某些化学试剂，如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，破坏天然气水合物藏的相平衡条件，促使天然气水合物分解。

　　u 化学试剂注入开采法

　　4 CO2置换开采法

　　这种方法首先由日本研究者提出，方法依据的仍然是天然气水合物稳定带的压力条件。在一定的温度条件下，天然气水合物保持稳定需要的压力比CO2水合物更高。因此在某一特定的压力范围内，天然气水合物会分解，而CO2水合物则易于形成并保持稳定。如果此时向天然气水合物藏内注入CO2气体，CO2气体就可能与天然气水合物分解出的水生成CO2水合物。

　　u CO2置换开采法

　　5 固体开采法

　　固体开采法最初是直接采集海底固态天然气水合物，将天然气水合物拖至浅水区进行控制性分解。这种方法进而演化为混合开采法或称矿泥浆开采法。该方法的具体步骤是，首先促使天然气水合物在原地分解为气液混合相，采集混有气、液、固体水合物的混合泥浆，然后将这种混合泥浆导入海面作业船或生产平台进行处理，促使天然气水合物彻底分解，从而获取天然气。