在浩瀚的大西洋，有一处被称为“百慕大三角”的海域，自1945年以来，有数以百计的飞机船只在这里神秘消失、石沉大海……
△百慕大群岛、波多黎各和美国佛罗里达州之间神秘的三角地带
近期有科学家从可燃冰“分解”的角度解释了百慕大三角之谜：海底猛烈的地震活动“翻”出了深埋的可燃冰，压力减小，可燃冰迅速气化，气流上升导致海水密度降低，浮力减弱，过往的船只瞬间被海水吞没；飞机经过，发动机产生的火花导致天然气爆炸、机毁人亡。
△百慕大海底的可燃冰
可燃冰也许就是百慕大的神秘“杀手”，但人类看重它清洁、高效的特点，认为它就是可以倚重的未来能源。耳熟能详的可燃冰，你是否真的了解？今天让我们共同走进可燃冰的世界。
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背景知识 >
一、什么是可燃冰？
可燃冰，即天然气水合物（Natural Gas Hydrate），水和天然气在一定条件下形成的结晶化合物，其外观像冰，但遇火可以燃烧。
△90%可燃冰的气体成分为甲烷
△可燃冰分解会吸热，燃烧产生水
△可燃冰的形成复杂多样，开发方式各有不同
二、可燃冰的形成和结构
海底的动植物残骸被细菌分解释放出天然气(以甲烷为主)；板块运动导致地壳深部的天然气上涌，在高压低温的海底环境下，与水结合，形成了可燃冰。
△形成可燃冰的三个必要条件：低温，0~4℃；高压，30个大气压（0℃）；甲烷遇水
甲烷气体分子被包围在水分子搭建的“笼子”中形成可燃冰。
△ 笼状多面体格架：mCH(2m+2)∙nH2O，m表示水合物中的气体分子，n为水合物指数
这些“笼子”结构不同，形态各异，总体而言可以分为三类：Ⅰ型（气体为甲烷、CO2等）、Ⅱ型（丙烷、异丁烷等）和H型（H2、丁烷等）。
△气体分子不同，笼架结构不同
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可燃冰在哪里？ >
全球大约27%的陆地和30%的海底具备形成天然气水合物的地质条件（海底、海岛斜坡带、大陆与海洋边缘带、极地大陆架及陆地冻土带）。可燃冰能量密度高、环保无污染，前景被广泛看好。
一、分布广储量大
△海底以甲烷气体为主，陆地永冻区以乙烷和其他烃类为主
△世界可燃冰分布图（红点表示已探明产地，黄点表示推测产地）
△在天王星、土星及哈雷彗星等星球上也有可燃冰的存在
保守估计，全球海洋中可燃冰储藏的碳含量约为1.2万亿吨；而陆地上已探明储量约有0.5万亿吨，相当于所有探明化石能源碳总和的2倍。什么概念？足够人类使用1000年！(⊙o⊙)…
△全球可燃冰潜在储量
△全球天然气资源储量构成图
二、能量密度高
1立方米可燃冰能释放160-180立方米的天然气，也就是1立方米就可以满足3口之家半年的天然气使用需求。
三、环保无污染
可燃冰燃烧后基本没有污染物质，是一种更为清洁的能源。
△为治理雾霾带来了曙光
此外，可燃冰还具有便于储存运输，可迅速再生等优点，被誉为“上帝带给人类的礼物”。
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“礼物”or“陷阱”？>
可燃冰是好东西，但对于可燃冰的开发，科学家们还是持有种种顾虑。因为可燃冰的开采过程很容易改变其赖以赋存的低温高压条件，导致其分解。如果在开发中不能有效控制温压条件和后续气体采集，就会给环境带来一系列问题。
一、温室效应
可燃冰的主要成分是甲烷，而甲烷是一种强效的温室气体，其温室效应是二氧化碳的10倍，全球海底可燃冰中甲烷的总量约为大气中的3000倍。人为的开采和自然扰动，都极可能造成甲烷气体逸散，后果难以想象。
△全球变暖导致陆地永冻土退化，可燃冰释放，导致温室效应加剧，形成恶性循环
△天然气逸散将导致海水缺氧，使得海洋生物遭受毁灭性打击
二、海底滑坡
开采可燃冰的过程会打破地层原有的应力平衡状态，引发海底滑坡、地震等事件，甚至还会导致海水汽化和海啸。
△气体逸出破坏海底结构，造成海底滑坡
△百慕大三角之谜
可燃冰是一把双刃剑，只有具备高超的技艺才有可能驾驭它，长期以来世界各国投入大量资金进行相关技术的研发。
探索可燃冰的埋藏位置是进行科学研究的第一步。
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可燃冰勘探 >
一、地球物理勘探法
地震勘探技术被广泛应用于识别油气藏位置，对于可燃冰勘探也同样适用，其本质是发现BSR（海底模拟反射层），进而确定大面积分布的可燃冰矿藏。
地震勘探技术详见石油课堂012期文章：你所不知道的石油勘探“黑”科技
稳定的天然气水合物层具有较高的纵波速度，而下方可能存在的游离气体则具有较低的纵波速度和泊松比，可利用这一特殊物理参数确定可燃冰的分布范围，半定量计算其储量。
△海底BSR反射示意图（Michael Riedel等，2011）
二、地球化学勘探法
地化勘探法主要利用可燃冰极易随温度、压力的变化而变化，在海底浅部沉积物中形成特定的化学异常，探测这些异常就可以获得天然气水合物可能存在的位置。
三、海洋可控源电磁技术
海洋可控源电磁技术是一种通过在近海底或海底人工激发并接收电磁场信号，测量海底地层电阻率的方法。利用可燃冰电阻率偏高这一特点，可以测得可燃冰的埋藏范围、深度和厚度。
△工作人员部署电磁辐射器
此外，还可以利用矿物学、遥感卫星以及各种新型技术手段来判断可燃冰储层位置，准确识别储层位置是油气藏开发的前提条件。
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可燃冰的开采方式 >
目前，可燃冰的开采方式尚处于试验阶段。具体可分为两类：一是与传统油气开采方式相结合，通过注热、降压、注化学药剂以及注二氧化碳等方式改变可燃冰的赋存条件，使其在海底分解，采集生成的气体。
一、传统方式
1. 加热法
加热法又称热激发法，是将蒸汽、热水或表层常温海水泵入地层，利用电磁或微波加热，促使地层温度上升，水合物分解。
△缺点：造成大量的热损失，效率低，甲烷蒸汽收集困难
2. 减压法
减压的途径有两种：一是采用低密度泥浆钻井；二是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。这种方法不需要连续激发，开采成本低，适合大面积开采。
△适用于存在大量气体、位于温压平衡附近的水合物储层
3.综合开采法
综合利用降压法和加热法。步骤为先用加热法分解天然气水合物，再用降压法提取游离气体。
△俄罗斯Messoyakha气田和加拿大Mackensie气田以该方法为主
4. 注化学试剂法
从井孔向水合物层注入化学试剂，例如盐水、甲醇等，破坏其化学平衡，促使天然气水合物分解。
△缺点：化学试剂成本高、作用缓慢且容易造成污染
5. CO2置换法
相同温度下，CO2水合物保持稳定所需要的压力比可燃冰小。因此向储层注入CO2气体，促使可燃冰分解，分解产生的水与CO2气体生成更稳定的CO2水合物，释放的热量还可以维持分解作用。
以上5种方式可以直接利用现有的油气开采技术，只需完善技术以便提升可燃冰的分解效率。
二、固态开采
将可燃冰以固体形式开采至海底，初步处理后再输送到海面设施，然后利用海面的高温海水对其进行分解。
优点：输送过程中分解的气体可以产生自发向上的动力，开采效率高。但该技术与现有油气开采技术差别较大、没有成熟的系统应用经验。
总体而言，目前的开采技术尚未成熟，成本较高，无法实现商业化开采。美国和日本发布的数据显示可燃冰目前的开采成本高达200美元/立方米，折合成天然气为1美元/立方米，而目前北京民用天然气的价格为3元/立方米，显然不具备经济性。
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可燃冰研究进程 >
可燃冰并不是从天而降。早在1810年，在实验室里就发现了可燃冰。20世纪30年代，可燃冰作为堵塞高压输气管道的“不速之客”被广泛认识。1965年，自从前苏联在西伯利亚永久冻土带发现了可燃冰矿藏后，全球掀起了研究、勘探可燃冰的热潮，其神秘面纱正被一点点揭开。
1970年，前苏联开始商业开采陆上天然气水合物矿藏。
△俄罗斯麦索雅哈——第一个商业开发的可燃冰气田
1971年，美国学者Stoll等人在深海钻探岩心中首次发现海洋天然气水合物，并正式提出“天然气水合物”的概念。1979年在墨西哥湾实施深海钻探，首次验证了海底天然气水合物矿藏的存在。2012年，在阿拉斯加北坡试采可燃冰，获得了稳定的天然气流。
△美国阿拉斯加北部可燃冰试采地点——Brudhoe湾3号钻机
日本于1992年开始关注可燃冰，2008年完成周边海域可燃冰的调查与评价，2013年成功在南海海槽可燃冰气田分离出天然气。
△日本“地球”号深海探测船尝试从可燃冰中分离甲烷气体
△成功从爱知县附近深海可燃冰层中分离甲烷
△日本南湾海槽开采
目前，全球有79个国家和地区都发现了天然气水合物气藏，30多个国家和地区在进行可燃冰的研究与调查勘探。
△全球天然气水合物研究项目与计划
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中国可燃冰战略 >
我国的可燃冰主要分布在南海和东海海域、青藏高原及东北冻土带。南海北部陆坡的可燃冰预测储量高达194亿立方米，相当于南海深水已探明油气储量的6倍。西沙海槽可燃冰的分布面积为5000多平方公里，资源储量达到4.1亿立方米。
△南海珠江口和琼东南盆地潜在天然气水合物分布区
有中国地质调查局牵头，国家从1999年起开始开展对可燃冰的调查和研究。
2004年，我国与德国合作，在南海北部首次获取海底浅表层的天然气水合物，打破我国在天然气水合物研究上的“零突破”。
△科技人员通过海底照相机拍摄南海北部陆坡存在可燃冰的地理特征图
2007年，在南海北部神狐海域成功钻探，获得了天然气水合物的实物样品。
△我国在南海采集岩芯样品，白色斑点为天然气水合物
2009年9月底，在青海省祁连山一带钻获可燃冰样品，成为世界首个在中低纬度冻土区发现可燃冰的国家。初略估算，远景资源量至少有350亿吨油当量。
2013年，在珠江口盆地东部海域首次实施三个航段的钻探，圈定了天然气水合物资源远景区、成矿有利区，确定了钻探目标。
我国未来“可燃冰”的研究开发路线为：
2008至2020年，完成对中国海域可燃冰的勘探评估、开采技术等前期准备工作；
2021至2035年，进行海上商业化试采；
2036至2050年，开展海上大规模商业化开采。
△《中国至2050年能源科技发展路线图》报告
美国借助“页岩气”革命不仅实现了“能源独立”的目标，影响了全球能源供需格局，也推动了全球能源格局向更为清洁环保、低碳排放方向转型。而可燃冰作为一种分布广储量大、环保无污染的资源，若能实现经济有效开发，必将缓解我国能源安全、环境保护和降低排放等多重压力。
虽然可燃冰的开发是一把“双刃剑”，目前仍可望而不可及，但相信在广大科学工作者坚持不懈的努力和持之以恒的坚守下，可燃冰的大规模商业开采会逐渐成熟。在不远的将来，可燃冰作为地球上储量丰富的清洁能源，一定会照亮人类文明！
