在浩瀚的大西洋，有一處被稱為“百慕大三角”的海域，自1945年以來，有數(shù)以百計的飛機船只在這里神秘消失、石沉大?！?/p>

△百慕大群島、波多黎各和美國佛羅里達州之間神秘的三角地帶

近期有科學家從可燃冰“分解”的角度解釋了百慕大三角之謎：海底猛烈的地震活動“翻”出了深埋的可燃冰，壓力減小，可燃冰迅速氣化，氣流上升導致海水密度降低，浮力減弱，過往的船只瞬間被海水吞沒；飛機經(jīng)過，發(fā)動機產(chǎn)生的火花導致天然氣爆炸、機毀人亡。

△百慕大海底的可燃冰

可燃冰也許就是百慕大的神秘“殺手”，但人類看重它清潔、高效的特點，認為它就是可以倚重的未來能源。耳熟能詳?shù)目扇急闶欠裾娴牧私?？今天讓我們共同走進可燃冰的世界。

< 背景知識 >

一、什么是可燃冰？

可燃冰，即天然氣水合物（Natural Gas Hydrate），水和天然氣在一定條件下形成的結(jié)晶化合物，其外觀像冰，但遇火可以燃燒。

△90%可燃冰的氣體成分為甲烷

△可燃冰分解會吸熱，燃燒產(chǎn)生水

△可燃冰的形成復雜多樣，開發(fā)方式各有不同

二、可燃冰的形成和結(jié)構(gòu)

海底的動植物殘骸被細菌分解釋放出天然氣(以甲烷為主)；板塊運動導致地殼深部的天然氣上涌，在高壓低溫的海底環(huán)境下，與水結(jié)合，形成了可燃冰。

△形成可燃冰的三個必要條件：低溫，0~4℃；高壓，30個大氣壓（0℃）；甲烷遇水

甲烷氣體分子被包圍在水分子搭建的“籠子”中形成可燃冰。

△ 籠狀多面體格架：mCH(2m+2)?nH2O，m表示水合物中的氣體分子，n為水合物指數(shù)

這些“籠子”結(jié)構(gòu)不同，形態(tài)各異，總體而言可以分為三類：Ⅰ型（氣體為甲烷、CO2等）、Ⅱ型（丙烷、異丁烷等）和H型（H2、丁烷等）。

△氣體分子不同，籠架結(jié)構(gòu)不同

< 可燃冰在哪里？ >

全球大約27%的陸地和30%的海底具備形成天然氣水合物的地質(zhì)條件（海底、海島斜坡帶、大陸與海洋邊緣帶、極地大陸架及陸地凍土帶）。可燃冰能量密度高、環(huán)保無污染，前景被廣泛看好。

一、分布廣儲量大

△海底以甲烷氣體為主，陸地永凍區(qū)以乙烷和其他烴類為主

△世界可燃冰分布圖（紅點表示已探明產(chǎn)地，黃點表示推測產(chǎn)地）

△在天王星、土星及哈雷彗星等星球上也有可燃冰的存在

保守估計，全球海洋中可燃冰儲藏的碳含量約為1.2萬億噸；而陸地上已探明儲量約有0.5萬億噸，相當于所有探明化石能源碳總和的2倍。什么概念？足夠人類使用1000年！(⊙o⊙)…

△全球可燃冰潛在儲量

△全球天然氣資源儲量構(gòu)成圖

二、能量密度高

1立方米可燃冰能釋放160-180立方米的天然氣，也就是1立方米就可以滿足3口之家半年的天然氣使用需求。

三、環(huán)保無污染

可燃冰燃燒后基本沒有污染物質(zhì)，是一種更為清潔的能源。

△為治理霧霾帶來了曙光

此外，可燃冰還具有便于儲存運輸，可迅速再生等優(yōu)點，被譽為“上帝帶給人類的禮物”。

< “禮物”or“陷阱”？>

可燃冰是好東西，但對于可燃冰的開發(fā)，科學家們還是持有種種顧慮。因為可燃冰的開采過程很容易改變其賴以賦存的低溫高壓條件，導致其分解。如果在開發(fā)中不能有效控制溫壓條件和后續(xù)氣體采集，就會給環(huán)境帶來一系列問題。

一、溫室效應

可燃冰的主要成分是甲烷，而甲烷是一種強效的溫室氣體，其溫室效應是二氧化碳的10倍，全球海底可燃冰中甲烷的總量約為大氣中的3000倍。人為的開采和自然擾動，都極可能造成甲烷氣體逸散，后果難以想象。

△全球變暖導致陸地永凍土退化，可燃冰釋放，導致溫室效應加劇，形成惡性循環(huán)

△天然氣逸散將導致海水缺氧，使得海洋生物遭受毀滅性打擊

二、海底滑坡

開采可燃冰的過程會打破地層原有的應力平衡狀態(tài)，引發(fā)海底滑坡、地震等事件，甚至還會導致海水汽化和海嘯。

△氣體逸出破壞海底結(jié)構(gòu)，造成海底滑坡

△百慕大三角之謎

可燃冰是一把雙刃劍，只有具備高超的技藝才有可能駕馭它，長期以來世界各國投入大量資金進行相關技術(shù)的研發(fā)。

探索可燃冰的埋藏位置是進行科學研究的第一步。

< 可燃冰勘探 >

一、地球物理勘探法

地震勘探技術(shù)被廣泛應用于識別油氣藏位置，對于可燃冰勘探也同樣適用，其本質(zhì)是發(fā)現(xiàn)BSR（海底模擬反射層），進而確定大面積分布的可燃冰礦藏。

地震勘探技術(shù)詳見石油課堂012期文章：你所不知道的石油勘探“黑”科技

穩(wěn)定的天然氣水合物層具有較高的縱波速度，而下方可能存在的游離氣體則具有較低的縱波速度和泊松比，可利用這一特殊物理參數(shù)確定可燃冰的分布范圍，半定量計算其儲量。

△海底BSR反射示意圖（Michael Riedel等，2011）

二、地球化學勘探法

地化勘探法主要利用可燃冰極易隨溫度、壓力的變化而變化，在海底淺部沉積物中形成特定的化學異常，探測這些異常就可以獲得天然氣水合物可能存在的位置。

三、海洋可控源電磁技術(shù)

海洋可控源電磁技術(shù)是一種通過在近海底或海底人工激發(fā)并接收電磁場信號，測量海底地層電阻率的方法。利用可燃冰電阻率偏高這一特點，可以測得可燃冰的埋藏范圍、深度和厚度。

△工作人員部署電磁輻射器

此外，還可以利用礦物學、遙感衛(wèi)星以及各種新型技術(shù)手段來判斷可燃冰儲層位置，準確識別儲層位置是油氣藏開發(fā)的前提條件。

< 可燃冰的開采方式 >

目前，可燃冰的開采方式尚處于試驗階段。具體可分為兩類：一是與傳統(tǒng)油氣開采方式相結(jié)合，通過注熱、降壓、注化學藥劑以及注二氧化碳等方式改變可燃冰的賦存條件，使其在海底分解，采集生成的氣體。

一、傳統(tǒng)方式

1. 加熱法

加熱法又稱熱激發(fā)法，是將蒸汽、熱水或表層常溫海水泵入地層，利用電磁或微波加熱，促使地層溫度上升，水合物分解。

△缺點：造成大量的熱損失，效率低，甲烷蒸汽收集困難

2. 減壓法

減壓的途徑有兩種：一是采用低密度泥漿鉆井；二是泵出天然氣水合物層下方的游離氣或其他流體來降低天然氣水合物層的壓力。這種方法不需要連續(xù)激發(fā)，開采成本低，適合大面積開采。

△適用于存在大量氣體、位于溫壓平衡附近的水合物儲層

3.綜合開采法

綜合利用降壓法和加熱法。步驟為先用加熱法分解天然氣水合物，再用降壓法提取游離氣體。

△俄羅斯Messoyakha氣田和加拿大Mackensie氣田以該方法為主

4. 注化學試劑法

從井孔向水合物層注入化學試劑，例如鹽水、甲醇等，破壞其化學平衡，促使天然氣水合物分解。

△缺點：化學試劑成本高、作用緩慢且容易造成污染

5. CO2置換法

相同溫度下，CO2水合物保持穩(wěn)定所需要的壓力比可燃冰小。因此向儲層注入CO2氣體，促使可燃冰分解，分解產(chǎn)生的水與CO2氣體生成更穩(wěn)定的CO2水合物，釋放的熱量還可以維持分解作用。

以上5種方式可以直接利用現(xiàn)有的油氣開采技術(shù)，只需完善技術(shù)以便提升可燃冰的分解效率。

二、固態(tài)開采

將可燃冰以固體形式開采至海底，初步處理后再輸送到海面設施，然后利用海面的高溫海水對其進行分解。

優(yōu)點：輸送過程中分解的氣體可以產(chǎn)生自發(fā)向上的動力，開采效率高。但該技術(shù)與現(xiàn)有油氣開采技術(shù)差別較大、沒有成熟的系統(tǒng)應用經(jīng)驗。

總體而言，目前的開采技術(shù)尚未成熟，成本較高，無法實現(xiàn)商業(yè)化開采。美國和日本發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示可燃冰目前的開采成本高達200美元/立方米，折合成天然氣為1美元/立方米，而目前北京民用天然氣的價格為3元/立方米，顯然不具備經(jīng)濟性。

< 可燃冰研究進程 >

可燃冰并不是從天而降。早在1810年，在實驗室里就發(fā)現(xiàn)了可燃冰。20世紀30年代，可燃冰作為堵塞高壓輸氣管道的“不速之客”被廣泛認識。1965年，自從前蘇聯(lián)在西伯利亞永久凍土帶發(fā)現(xiàn)了可燃冰礦藏后，全球掀起了研究、勘探可燃冰的熱潮，其神秘面紗正被一點點揭開。

1970年，前蘇聯(lián)開始商業(yè)開采陸上天然氣水合物礦藏。

△俄羅斯麥索雅哈——第一個商業(yè)開發(fā)的可燃冰氣田

1971年，美國學者Stoll等人在深海鉆探巖心中首次發(fā)現(xiàn)海洋天然氣水合物，并正式提出“天然氣水合物”的概念。1979年在墨西哥灣實施深海鉆探，首次驗證了海底天然氣水合物礦藏的存在。2012年，在阿拉斯加北坡試采可燃冰，獲得了穩(wěn)定的天然氣流。

△美國阿拉斯加北部可燃冰試采地點——Brudhoe灣3號鉆機

日本于1992年開始關注可燃冰，2008年完成周邊海域可燃冰的調(diào)查與評價，2013年成功在南海海槽可燃冰氣田分離出天然氣。

△日本“地球”號深海探測船嘗試從可燃冰中分離甲烷氣體

△成功從愛知縣附近深?？扇急鶎又蟹蛛x甲烷

△日本南灣海槽開采

目前，全球有79個國家和地區(qū)都發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物氣藏，30多個國家和地區(qū)在進行可燃冰的研究與調(diào)查勘探。

△全球天然氣水合物研究項目與計劃

< 中國可燃冰戰(zhàn)略 >

我國的可燃冰主要分布在南海和東海海域、青藏高原及東北凍土帶。南海北部陸坡的可燃冰預測儲量高達194億立方米，相當于南海深水已探明油氣儲量的6倍。西沙海槽可燃冰的分布面積為5000多平方公里，資源儲量達到4.1億立方米。

△南海珠江口和瓊東南盆地潛在天然氣水合物分布區(qū)

有中國地質(zhì)調(diào)查局牽頭，國家從1999年起開始開展對可燃冰的調(diào)查和研究。

2004年，我國與德國合作，在南海北部首次獲取海底淺表層的天然氣水合物，打破我國在天然氣水合物研究上的“零突破”。

△科技人員通過海底照相機拍攝南海北部陸坡存在可燃冰的地理特征圖

2007年，在南海北部神狐海域成功鉆探，獲得了天然氣水合物的實物樣品。

△我國在南海采集巖芯樣品，白色斑點為天然氣水合物

2009年9月底，在青海省祁連山一帶鉆獲可燃冰樣品，成為世界首個在中低緯度凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)可燃冰的國家。初略估算，遠景資源量至少有350億噸油當量。

2013年，在珠江口盆地東部海域首次實施三個航段的鉆探，圈定了天然氣水合物資源遠景區(qū)、成礦有利區(qū)，確定了鉆探目標。

我國未來“可燃冰”的研究開發(fā)路線為：
2008至2020年，完成對中國海域可燃冰的勘探評估、開采技術(shù)等前期準備工作；
2021至2035年，進行海上商業(yè)化試采；
2036至2050年，開展海上大規(guī)模商業(yè)化開采。

△《中國至2050年能源科技發(fā)展路線圖》報告

美國借助“頁巖氣”革命不僅實現(xiàn)了“能源獨立”的目標，影響了全球能源供需格局，也推動了全球能源格局向更為清潔環(huán)保、低碳排放方向轉(zhuǎn)型。而可燃冰作為一種分布廣儲量大、環(huán)保無污染的資源，若能實現(xiàn)經(jīng)濟有效開發(fā)，必將緩解我國能源安全、環(huán)境保護和降低排放等多重壓力。

雖然可燃冰的開發(fā)是一把“雙刃劍”，目前仍可望而不可及，但相信在廣大科學工作者堅持不懈的努力和持之以恒的堅守下，可燃冰的大規(guī)模商業(yè)開采會逐漸成熟。在不遠的將來，可燃冰作為地球上儲量豐富的清潔能源，一定會照亮人類文明！