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揭开可燃冰神秘面纱

2017-06-15 09:36:17   来源:国土报

  可燃冰是什么?
  可燃冰,是由气体分子与水分子组成的一种冰状的固体物质,学名为“天然气水合物”,外观多呈白色或浅灰色晶体,外貌似冰雪,可直接点燃,故被称为“可燃冰”。
  根据可燃冰的分子晶体结构,可为三种类型:Ⅰ型为立方晶体结构,组成的气体分子主要为甲烷(含量大于93%);Ⅱ型为菱形晶体结构,组成的气体分子除甲烷外,还含有相当数量的乙烷、丙烷和异丁烷;H型为六方晶体结构,由直径较大的气体分子构成,如二氧化碳等。
  可燃冰的形成需具备四个基本条件:低温、高压环境以及充足的气源和水。自然界中的可燃冰主要赋存于高压、低温环境的海底浅表层沉积物和高纬度冻土里,约有97%可燃冰分布于海洋中,仅3%分布在陆地冻土带。可燃冰可在低于10℃时生成,超过20℃便会分解。在0℃时,只需30个大气压即可生成,压力越大越稳定。
  海洋中,可燃冰往往分布于水深大于300米的海底沉积物中,分布范围从海底到海底之下1000米左右,气体主要来源于海底浅部的生物成因气和地层深部热解气。目前,在全球直接或间接发现水合物的矿点已达到234处, 在49处获得了水合物样品。在5个矿点开展了试开采或开采,其中海域有两个矿点:中国1个、日本1个;陆域有三个矿点,美国1个、加拿大1个、俄罗斯1个。
  可燃冰的自然产出状态有块状、脉状、结核状、分散状等,其成因主要有两种类型:一种是由于气体渗漏到地层的孔洞或裂缝中,呈块状、脉状或结核状;另外一种是气体扩散到沉积物的孔隙中,形成微小的可燃冰颗粒充填于沉积物的孔隙中,通常不为肉眼所识别,这种可燃冰就像一杯水倒进沙子里,什么都看不到一样。
  在标准状态下,1体积的可燃冰大概可以分解为164体积的甲烷气体。据估算,全球可燃冰中的有机碳占全球有机碳的53.3%,而煤、石油和天然气三者的总量才占到26.6%。储量巨大和高效清洁的特点使得可燃冰被誉为21世纪的绿色能源。由于可燃冰的重大战略资源意义,从20世纪80年代开始,美国、英国、德国、加拿大、日本、印度、韩国等相继投入巨资开展勘查开发及科学研究。
  根据可燃冰的储集类型,目前认为自然界中大部分可燃冰分布在海洋黏土质或粉砂质细粒沉积物中,其次是分布在地层的孔洞或裂缝中的可视型可燃冰,再其次是分布在海洋砂层中的可燃冰和陆域冻土带砂层中的水合物。据估算,全球赋存在砂层可燃冰中的气体量可能超过1217万亿立方米,约占全球可燃冰原地资源量的中间范围估值的5%。从目前的技术条件看,砂岩中的可燃冰较容易开采,陆域及日本海域目前主要针对砂岩储层中的可燃冰进行开采试验,而中国在神狐海域开采的可燃冰储集类型是黏土质粉砂储层,开采难度较大。
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  在南海钻获的可燃冰样品
  如何揭开南海可燃冰的神秘面纱?
  在国土资源部、中国地质调查领导下,广州海洋地质调查局负责实施南海可燃冰勘查试采工作,广泛吸收国内外优势力量,在南海水合物勘查、试采、成藏地质理论研究、技术装备研发等发挥了主导作用。自1999年开始,历经前期调查(1999~2001年)、调查与评价国家专项(2002~2010年)、勘查与试采国家专项(2011年至目前)三个阶段,通过近20年的攻关,我国创新集成了具有南海特点的水合物综合探测技术体系,初步形成了天然气水合物成矿、控矿、找矿理论,建立了南海水合物资源评价、区带评价及目标预测理论和方法,取得一系列重大找矿突破和开拓性创新成果,实现了从国内空白到领跑世界的跨越发展。
  目前,广州海洋地质调查局在南海已完成高分辨率多道地震13万千米、多波束测量7万千米、浅层剖面测量2.4万千米、热流测量522个站位、地质取样2272个站位、OBS调查195台站、可控源电磁测量20台站、深潜器(ROV)调查23站位,在南海北部陆坡基本完成地质—地球物理普查测网调查,在重点目标区开展了以三维地震探测为主的多手段详查,钻井87口。通过系统勘查评价,预测南海海域水合物远景资源量达800亿吨油当量,并圈定了6个水合物成矿远景区、19个成矿区带、25个有利区块、24个钻探目标区,发现珠江口盆地东部海域和神狐海域2个千亿方级的水合物矿藏。
  我国可燃冰的勘探开发历程已有近20年的历时。1999年,我国首次在南海西沙海域可燃冰存在的地震反射证据—似海底反射界面(BSR)。2004年,首次在台西南盆地发现“九龙甲烷礁”。2007年,首次在南海神狐海域钻探获取实物样品,使我国成为继美国、日本、印度之后第四个通过国家级研发计划在海底钻探获得可燃冰实物样品的国家。
  2013年,在南海珠江口盆地东部海域首次钻获大量块状、脉状、分散状等多类型的高饱和度水合物样品,首次证实超千亿方级天然气水合物矿藏。
  2015年,在南海北部神狐海域实现水合物钻获成功率100%,再次钻探证实超千亿方级天然气水合物矿藏。利用自主研发“海马”号深潜器在珠江口盆地西部海域发现 “海马冷泉”,并利用大型重力活塞取样器获取块状水合物实物样品。
  2016年,通过钻探锁定试采目标,系统获取了试采目标井储层关键数据,为试采实施奠定了坚实基础。
  2017年,首次在世界上成功实现连续安全可控试采,实现了我国海域水合物试采历史性突破。
  可燃冰能被开发利用吗?
  近年来,国际可燃冰研发态势已逐步从勘查阶段进入试采验证阶段,迄今已在加拿大麦肯齐三角洲、美国阿拉斯加北坡、中国祁连山冻土区、日本南海海槽和中国南海神狐海域实施了试验性开采,前苏联在西西伯利亚麦索亚哈气田进行了可燃冰开发。
  1969~1990年,前苏联在麦索亚哈气田对水合物藏进行商业开采。该气田为常规气田,在气田上方形成水合物藏。该水合物层经由减压途径无意中得以开采的,通过开采水合物藏之下的常规天然气,导致水合物层压力降低发生分解。气田的最高年产量为21亿立方米。从该气藏的游离气中大约生产出80亿立方米天然气,从分解的水合物中生产出约30亿立方米天然气。
  2002年,加拿大、日本等在加拿大西北部麦肯齐三角洲(马利克地区)进行第一次陆上试采,采用“热水循环法”在全球首次成功从水合物层中产出天然气,生产持续5天,总产气量470立方米。2007年进行第二次陆上试采,采用“降压法”实现连续12.5小时从水合物层中产出天然气,总产气量850立方米。2008年进行第三次陆上试采,采用“降压法”实现连续5天从水合物层中产出天然气,总产气量1.3万立方米。
  2011年,中国在青海祁连山冻土区成功实施陆域天然气水合物试开采,采用降压法和加热法成功将地下130米~400米处的天然气水合物分解出天然气。
  2012年,康菲石油公司等在美国阿拉斯加北部斜坡完成了利用二氧化碳置换可燃冰的开采测试。在整个开采阶段,包括后续6天的气体回收,共开采出甲烷约24210.9立方米,在固相中实现了甲烷—二氧化碳的置换。
  2013年,日本在其南海海槽利用降压法进行可燃冰试采,开采出气持续6天,生产天然气12万立方米,后因严重出砂被迫终止。
  国际上试验性开采均针对高渗砂质储层,我国首次瞄准低渗细粒水合物储层进行试采,难度更大,极具挑战性。
  2017年5月10日,中国在南海神狐海域首次试采可燃冰点火成功,至5月18日连续产气8天,平均日产超过1.6万立方米。截至6月10日,连续产气31天,总产气量21万立方米,平均日产6800立方米。试采井产气过程平稳,井底状态良好,钻井作业安全,海底海洋环境监测未发现异常,无海底甲烷气体泄漏情况,取得了持续时间长、气流稳定、环境安全等多项重大突破性成果。
  中国海域水合物试采成功具有十分重大的意义,必将引领和推动世界可燃冰开发基础研究和技术方法发展,加快人类开发利用可燃冰的步伐。
  (作者系中国地质调查局天然气水合物工程技术中心总工程师,教授级高级工程师,中国地质调查局“李四光学者”;国家水合物专项项目《南海天然气水合物资源勘查》负责人,“海域天然气水合物试采工程”副首席专家)

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