可燃冰：21世纪的能源水晶

“可燃冰”将成为本世纪的一种主要能源，但开采成本很高。

文|肖钢 李杰海

谈到能源，人们立即想到的是能燃烧的煤、石油或天然气，很少会联想到晶莹剔透的“冰”。然而，自 20 世纪 60 年代以来，人类陆续在冻土带和海洋深处发现了一种可以燃烧的、白色的、外形像冰的固体物质，这就是可作为优质能源的“可燃冰”。这种“可燃冰”在地质上被称为天然气水合物(Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate)，主要由水分子和烃类气体分子(主要是甲烷)组成，所以也称它为甲烷水合物，又称“笼形包合物”(Clathrate)，分子结构式为：CH4?8H2O。

研究发现，“可燃冰”是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等)下，由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质。 一旦温度升高或压强降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解 (1立方米可燃冰可在常温常压下可释放164立方米天然气及0.8立方米淡水)，所以固体状的天然气水合物往往分布于水深大于 300 米的海底沉积物中或寒冷的永久冻土中。

科学家估计，海底“可燃冰”的分布范围约占海洋总面积的10%，约4000万平方公里，是迄今为止海底最具价值的矿产资源，可供人类使用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：煤层气向上逸散，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。

美国地质调查局经过多年调查研究认为，“可燃冰”将成为本世纪的一种主要能源，是能源的“一个新领域”。按保守估计，全世界以天然气水合物形式存在的碳的总量是地球上已知化石燃料(包括煤)中碳含量的2倍。

如此储量巨大的“可燃冰”却也存在致命的缺点，那就是开发不当可能引发环境地质灾害。因此世界各国均采取了谨慎的态度和明智的做法——在没有找到理想的开采方法解决其对自然界环境的影响之前，不能像常规一次性矿产资源那样大量开采“可燃冰”。

“可燃冰”的开采方法主要有三种：一是热解法，二是降压法，三是置换法。前两种方法无非是通过破坏可燃冰的存在条件而使其脱离固态而变成气态以便收集。第三种则是用二氧化碳置换出“可燃冰”里的天然气。

笔者认为最有潜力且有“一石二鸟”之功效的当属“二氧化碳置换开采法”。这个计划“看上去很美”：既能生产燃料又能封存温室气体至冰冷的大洋底部。它克服了“可燃冰”利用中的瓶颈，消除了气候变化的威胁。研究发现，当给“可燃冰”晶状体的压强加到很大时，二氧化碳就能渗入晶体中，也就是说它填充了甲烷提取后形成的空洞，同时将甲烷“挤出”。这样二氧化碳被锁在了水形成的“牢笼”中。令人吃惊的是，研究发现一份甲烷水合物分解后在冰层中形成的空白可以容纳5份二氧化碳水合物。这一发现使得置换法更具吸引力，然而这项技术趋于完善还有很长的路要走。

就人类目前的技术，开采“可燃冰”主要面临三个难题。首先，可能导致大量温室气体排放污染环境。“可燃冰”中甲烷的总量大致是大气中甲烷数量的3000倍。作为温室气体，甲烷比二氧化碳所产生的温室效应要大得多。“可燃冰”非常不稳定，在常温和常压环境下极易分解。这些冰球一旦从海底升到海面就会砰然而逝，最后变成一摊水。学者认为，“可燃冰”矿藏哪怕受到最小的破坏，甚至是自然的破坏，都足以导致甲烷气的大量散失。而这种气体进入大气，无疑会增加温室效应，进而使地球升温更快。

其次，特殊的存在条件极有可能引发地质灾害。日益增多的研究成果表明，由自然或人为因素所引起的温压变化，均可使水合物分解，造成海底滑坡、生物灭亡和气候变暖等环境灾害。美国地质调查所的调查表明，“可燃冰”能导致大陆斜坡上发生滑坡，这对各种海底设施是一种极大的威胁。由此可见，“可燃冰”作为未来新能源的同时也是一种危险的能源。

另外，目前技术条件下开采成本过于高昂。“可燃冰”开采的最大难点是保证井底稳定，使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。但世界上还没有任何一个国家能对“可燃冰”进行大规模商业开采。从各国进行的试验性开采看，这些方法要么技术复杂、成本高昂，要么推广价值不大，不适合大规模作业。

2009年9月25日，在国土资源部的一场新闻发布会上宣布了一条特大新闻：在中国青海祁连山[1.39% 资金 研报]南缘永久冻土带成功钻获天然气水合物！这一成功钻获，证明我国冻土区存在丰富的天然气水合物资源，对认识天然气水合物成藏规律、寻找新能源具有重大意义。国土资源部总工程师、中国地质调查局副局长张洪涛说：“我国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的意义，不亚于发现大庆油田。”有人估算，青海蕴藏的“可燃冰”远景资源量至少有350亿吨油当量。

笔者认为，在陆地冻土带只钻了几个孔，还属于“一孔之见”，很难评估储量，但青海地区、漠河地区、羌塘盆地等是陆域“可燃冰”储藏条件最好的地区，储量预期应该非常巨大。遗憾的是，中国研究的紧迫感仍嫌不足，资助力度也非常小。青海能够成为我国陆域“可燃冰”的首个“现身地”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。按此思路，笔者认为，有“可燃冰”的地方就应该有煤层气，从而也应该有煤。

然而，相比其他国家，由于起步较晚，我国的“可燃冰”研究进程晚了10年，是一个后来者，而且还是一个实验性开采比较落后的国家，如若不推行重大的国家行动计划，将难以在“可燃冰”这个重要的战略产业立于不败之地。在今后的10-15年间，我国关于“可燃冰”研究的重点应集中在‘有多少’和‘怎么采’两个问题上，主要解决调查评价和开采的技术方法。

人类关于“可燃冰”开采的总体技术思路已经明确，即改变它的赋存环境，或减压力或加热增温或物质置换，促使天然气水合物分解和析出。但是，不管采取哪种技术方法，都还面临从基础理论到技术细节等一系列问题。因此，我国今后一个时期的另一个重点就是组织跨领域跨学科的全国性科研攻关，解决“可燃冰”开采所必须面对的技术方法。在找到成熟可靠的技术方法后，也要先进行试验性开采，待积累了充分的经验后，再推进商业化开采。也只有这样，才可以确保不会因“可燃冰”的开发利用而带来重大的环境问题。

我国对“可燃冰”的开采可谓刚刚起步，技术尚处于摸索阶段，而且开采前期勘探和试验需要投入大量的财力和物力，因此，“可燃冰”的开采将需要由资金雄厚、技术先进的大型企业来介入。其中，大型国企将可能分到市场上最大的一块“蛋糕”。业内人士认为，以中石油、中石化和中海油三大石油巨头为主导开发“可燃冰”市场的可能性比较大。笔者进一步认为，中海油在新能源领域的魄力、其雄厚的资金实力和资深的地质专业队伍不论在“海底”和“陆上”可燃冰领域均占有得天独厚的先机。一旦技术“Know-how”形成，征战世界“可燃冰”沙场的时刻将不会遥远。

“可燃冰”勘探开发的三个原则应该是：技术切实可行，经济有利可图，环境不能有害。“可燃冰”本身没有缺点，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”利用可能存在的问题，既不能无限夸大，又要高度重视。

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，就一定能克服其缺点，无损环境，造福人类。在感叹大自然巧夺天工的“能源水晶”作品的同时，人类更应当使其雕琢艺术日臻成熟。