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科学松鼠会

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易探难采可燃冰   

2013-05-24 07:56:43|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:橡树村

不久前,来自日本的一则消息撩动公众神经—其勘探机构从近海海底可燃冰中成功提取甲烷气,标志该国商业开采可燃冰迈出关键一步。

可燃冰,这一时常见首不见尾的能源“新贵”究竟有何家世渊源?“近海海底”这四字是否意味着它与人们近在咫尺?它能否如“倚天”利刃一般,一旦出鞘就将诸多能源死结一并斩断呢?对于这些问题的解答,有赖专业人员对着深深海底“悬丝把脉”。

横空出世,炙手可热

上世纪60年代,苏联科研人员在西伯利亚发现一个奇特天然气田,在地下常规气田上面的永久冻土层里,有一种可以燃烧的冰。这是人类首次在自然界发现可燃冰资源。当然这种物质不是纯冰,而是甲烷、乙烷等天然气小分子被固定在水分子组成的晶体笼子里形成的天然气水合物。这种笼状结构在周围压力较高时可在0摄氏度以上形成。

固体可燃冰里藏有相当于自身体积近两百倍的天然气。如果可燃冰能保持固体状态被开采出来,就为远途运输天然气提供了一个新思路。很多天然气资源远离市场,因此输送天然气通常很不方便,需耗巨资铺设管道,或在低温高压条件下液化天然气并用昂贵的专用船只运送,对于产地附近的基础设施也有不少要求。而能量密度增加将近两百倍的可燃冰运输起来就方便不少。即便开采后难以使可燃冰保持固体状态,其蕴藏的天然气也是重要化石能源。

美国立刻对这个发现表现出兴趣,开始在自己的极地冻土带寻找可燃冰,很快就在阿拉斯加寻获丰富的可燃冰。但此后的详细调查显示,更多的可燃冰资源在海底。世界上有永久冻土的国家很有限,但掌握海疆的国家为数不少。这个发现立刻让诸多国家眼前一亮,加拿大、日本、印度等国随即开始勘探研究。中国在进入新千年后积极加入这一行列,不仅在青藏高原永久冻土层发现丰富的可燃冰资源,还在南海北部找到品级很高的可燃冰,并组织专业人员进行开采及应用研究,计划于2020年试采,2030年后开始商业开采。

【美国地址调查局公布的已确定与推测中可能有甲烷冰蕴藏的大陆棚海域 资料出处:维基百科】

临渊羡鱼,退而结网

与陆地相比,海底是更适合生成可燃冰的辽阔温床。可燃冰的形成需甲烷、水、合适的温度和压力共同作用。海洋生物资源丰富,在数十亿年的历史里,有无数生物死后葬身海底。这些生物在沉积层内逐渐被微生物分解,在一定条件下释放甲烷。深海温度常年在2至4摄氏度之间,所受压力相当于几十甚至数百个大气压,同时还有丰富的水,正好符合可燃冰的形成条件。海洋学界普遍知晓的数据显示,海底可燃冰资源的分布非常广泛,即便保守估计,海底蕴藏的可燃冰总量也超过目前已知的常规石油、煤炭和天然气资源总和。在传统化石能源逐渐枯竭,新发现储量少于开采量,人们逐渐转向非传统化石能源等替代能源时,海底可燃冰资源自然不容小觑。

可燃冰的形成条件比较苛刻,所以只要破坏若干形成条件,就有望使可燃冰中的甲烷释放出来。对此,研发人员主要提出三种开采思路:降低压力、提高温度、添加其他化学物质。减压法,就是通过打井,把可燃冰储层的压力直接释放,从而导致可燃冰分解,气体通过管道收集;用加热法可向井下灌注热水导致可燃冰分解释放甲烷;也可添加盐、醇等化学制剂来破坏可燃冰的形成条件,这个方法其实早被人们用于消除天然气输送管道内凝结的可燃冰。还有人提出通过化学置换反应,用二氧化碳把固定在水分子笼里的甲烷“换”出来,开采天然气的同时存储人类排放的二氧化碳。

各种方案五花八门,不同的方法与不同的资源地质情况相对应。不过这些方法绝大多数仍处于模拟阶段,很少实际应用。在这方面,资源匮乏、海疆丰富的日本走在了前列。2012年日本率先在距离爱知县渥美半岛70公里、深达千米的海底,尝试用减压法开采,并在2013年3月宣布从海底可燃冰层中成功提取甲烷气,还宣布5年后可能进行商业化开采。消息传来,立刻引起能源界聚焦,有媒体将其与扭转美国本土市场天然气供需关系的页岩气开采意义相提并论,甚至有分析认为意义更为深远。

开采可燃冰面临不少技术难题。由于形成条件的限制,海底可燃冰资源都分布在水深至少数百米,埋藏深度又是几百米的沉积层下面。海底的温度、压力、海水的腐蚀等等都是需克服的技术问题。特别是目前发现的储量丰富、富集度适当的海底可燃冰资源,大多分布在大陆架边缘向深海过渡的地方,这就给开采设施的安装、运行及管道铺设也带来不少麻烦。要解决这些问题,还需通过长时间工业实践来积累经验,从而逐渐找到降低开采成本的方法,使得可燃冰开采具有经济性。

作茧自缚,不可不防

开采之外的气候、地质问题则可能更加麻烦。进入工业时代以来,人类大量使用化石能源已导致海量二氧化碳排放,与此相关的气候变化已开始影响人类生活。甲烷是可燃冰中的主要有用成分。如以百年为限,甲烷在地球大气中的温室效应强度是二氧化碳的20几倍。如人类开采可燃冰造成甲烷大量泄漏,显然会加剧目前日益严重的气候变化问题。

实际上,自然界中的不少甲烷泄漏就来源于可燃冰的分解。与常规天然气甚至页岩气资源不同,封闭可燃冰的地底岩层并不十分致密,有很多缝隙,气体完全可能通过这些缝隙泄漏释放。此前已有科研人员发现,由于气候变化导致冻土层融化,引发可燃冰分解,甲烷“出笼”。地质史上也有可燃冰大量快速分解的例子可循。

另一个担心看起来更加直观。有研究人员推测海底沉积层内的可燃冰对于沉积层的稳定性有重要作用,可燃冰早已成为海底结构的一部分,有的甚至起到骨架支撑作用。如果发挥关键支撑作用的可燃冰被开采,那就有可能导致海底结构破坏,引发地震。同时海底结构被破坏后有可能导致周边地区的可燃冰不稳定,导致大量甲烷释放。

这可不是耸人听闻。挪威附近海底在大约八千年前,曾发生海底沉积层大规模运动,大面积沉积层从大陆架边缘滑向海底,运动距离达到800公里。这次巨大的海底地震可能导致高达25米的海啸。这次事件很可能就是可燃冰大量分解破坏海底结构所致。现有证据显示,在阿拉斯加地区可能也曾发生过类似的史前地质事件。

没有人愿意为了可燃冰开采承受这么大风险,人们必须对要开采的可燃冰附近地质结构有充分认识,采取足够措施,有足够把握避免类似的剧变发生之后,才能着手大规模商业化开采可燃冰。

可燃冰开采的必要性也是一个重要问题。可燃冰仍然是化石能源,即使能确保开采时不发生甲烷泄漏,也存在可燃冰燃烧后依然排放二氧化碳等问题。目前由于可以经济开发的可再生能源总量仍然有限,化石能源的主导地位仍难以撼动,因此虽属化石能源但比煤炭清洁的天然气,至少在未来二三十年内将是替代煤炭的主力军。不过如果大规模开发可燃冰的相关问题迟迟得不到解决,其商业化应用的时间拖到四五十年后甚至更久,在化石能源走向终结的末班列车上,就很可能不会看到可燃冰的身影。

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题图出处:oilguru.org

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