二十載“冰與火”的探索！一系列可燃冰方面的部署正在青島加速推進

問道“可燃冰”：二十載“冰與火”的探索

啟動研究項目、獲批技術專利、出版理論書籍……一系列可燃冰方面的部署正在青加速推進

從實驗室到海上證實可燃冰存在

可燃冰是世界上公認的一種清潔高效能源，約97%分布在海洋中，3%分布在陸地凍土帶，預測資源量相當于已發(fā)現煤、石油、天然氣等化石能源的兩倍以上。在低溫高壓及氣體濃度大于其溶解度的條件下，可燃冰在海底可呈肉眼可見的結晶狀。但當地勢再稍往下，它們就隨著海底溫度的升高轉化成微小的結晶甚至氣態(tài)，隱蔽在了泥土沙礫里。

早在20世紀60年代，國際上已經陸續(xù)對可燃冰開展勘探調查。20世紀80年代，美國、日本等國家紛紛將可燃冰資源勘查和開發(fā)利用納入國家能源中長期發(fā)展規(guī)劃。自20世紀90年代開始，我國逐漸關注到西方國家在可燃冰領域的相關研究，當時國內也存在一些討論，集中在中國有沒有可燃冰和可燃冰有沒有利用價值等方面。

“這主要是我國可燃冰調查研究起步較晚的緣故?！鼻鄭u海洋地質研究所水合物地質室副主任胡高偉研究員介紹，作為以海洋地質研究為主要特色的研究所，他們當時認為，如果能夠在實驗室里模擬海底低溫高壓的環(huán)境并人工合成可燃冰，就可以佐證可燃冰的存在及其作為清潔能源的意義，加快我國勘查開發(fā)進程。

青島海洋地質研究所獲取的我國海域可燃冰實物樣品。

帶著這種想法，青島海洋地質研究所開啟了研究可燃冰的征程。當時，還沒有天然氣水合物創(chuàng)新團隊，對于可燃冰的研究，實際上是業(yè)渝光研究員帶領的一個課題組在進行。2000年，他們開始籌建天然氣水合物實驗室；2001年，建成我國第一個擁有自主知識產權的海洋天然氣水合物模擬實驗室；同年11月，國內首次在模擬實驗室中合成可燃冰并成功點燃。

“實驗的成功，提振了業(yè)界信心。2002年，我國開展了天然氣水合物資源調查與評價專項，正式拉開了大規(guī)模、多學科、多手段開展海域天然氣水合物資源調查評價的大幕?！?胡高偉說，包括青島海洋地質研究所在內，我國各單位合力調查取樣，有力證實了我國海域可燃冰的存在。

在參與從海底找可燃冰的過程中，青島海洋地質研究所也不斷系統(tǒng)部署海洋可燃冰基礎物性、成藏機制、開采理論方法、環(huán)境效應4大研究方向，研究可燃冰的隊伍越來越壯大，并于2012年被正式批準建設國土資源部（現自然資源部）天然氣水合物重點實驗室。

全方位保障我國南海可燃冰試采

2017年，中國地質調查局組織實施了我國首次海域天然氣水合物試采，試采持續(xù)60天，累計產氣超過30萬方，創(chuàng)下了產氣時長和總量的世界紀錄。作為可燃冰試采團隊中的一員，青島海洋地質研究所天然氣水合物創(chuàng)新團隊李彥龍副研究員全程參與，負責開采儲層出砂與防砂管控方面工作。

青島海洋地質研究所自主研發(fā)小道距高分辨率地震探測技術應用于可燃冰資源勘查。

要明白李彥龍及其團隊當時所做的工作，首先需要了解可燃冰開采的基本步驟。一般而言，可燃冰開采可以分為三步：第一是基礎理論與室內模擬研究，主要是認清可燃冰的理化性質，據此推斷其可能存在的區(qū)域和開發(fā)的可行性；第二是資源勘探與評價，主要是找到可燃冰的富集區(qū)，為實際開采提供優(yōu)良靶點；第三是開采技術的研發(fā)，主要解決開采過程中安全持續(xù)產氣、提高產氣規(guī)模、降低產氣成本等問題，最終實現可燃冰開采產業(yè)化。

李彥龍參與我國首次可燃冰試采。

常規(guī)可燃冰開采時，需要在海上平臺和海底可燃冰地層之間建立一條開采通道（開采井），這其中有兩個安全問題最為關鍵。首先，海底可燃冰是以固態(tài)的形式存在于海底地層中，而開采時是通過一定方式將其分解為氣和水產出。開采過程中，海底地層可能因可燃冰分解而出現松軟垮塌等情況，必須有技術方法應對這些地質風險。其次，可燃冰開采時，泥砂也會隨氣和水通過管道流出，而開采井井孔又較為狹小，因此必須防止泥砂堵塞問題，確?？扇急Ｉa。

“我國首次可燃冰試采時，開采井的井孔直徑只有約20-30厘米，其中還要容納大量的開采機械設備，所以剩余空間實際上非常有限?？梢韵胂螅绻_采時泥砂在短期內大量產出，那就存在整個井眼被埋的風險?！崩顝堈f，因此，他需要對流入到井中的泥砂進行直徑、濃度的實時監(jiān)測預警，隨時用技術手段加以控制。這是一個很重要的工作，在此之前，加拿大、日本等國家也對可燃冰進行過試采，但卻因為沒有解決好出砂防砂問題，導致開采井被泥砂埋沒，不得不提前終止試采。

青島海洋地質研究所天然氣水合物創(chuàng)新團隊相關技術助力我國海域首次可燃冰試采。

李彥龍所在的團隊在可燃冰試采前也做出了很多努力。依托天然氣水合物重點實驗室，他們建立了國際領先的可燃冰實驗測試和模擬實驗技術體系，結合數值模擬與實驗模擬，獲取了可燃冰形成分解的微觀機理，論證了開發(fā)的可行性；通過揭示南海等典型地區(qū)可燃冰成藏過程，為可燃冰試采目標優(yōu)選提供了科學依據；通過實驗模擬與理論分析，提出了可燃冰降壓開采儲層出砂的基本模式和出砂機理，研制了開采行為調控等關鍵技術，為試采降壓方案制定提供了支撐。

“可以說，在可燃冰開采的各個步驟中，我們團隊全方位參與，不僅支撐了試采靶區(qū)準確圈定，而且指導了試采實施方案的科學制訂，為我國海域前兩輪可燃冰試采重大工程的突破起到了重要的支撐作用?！崩顝埍硎荆舱切纬闪艘越祲赫{控、出砂調控為代表的可燃冰開采調控關鍵技術，打破了國外技術壟斷，助力我國可燃冰試采，他們牽頭完成的“海洋天然氣水合物開采仿真模擬與調控關鍵技術及應用”項目在今年6月獲得了2021年度山東省科學技術進步一等獎。

為我國可燃冰開采產業(yè)化做準備

一般認為，要實現可燃冰開采產業(yè)化，大致可分為理論研究與模擬試驗、探索性試采、試驗性試采、生產性試采、商業(yè)開采5個階段。2017年，我國海域首次可燃冰試采是探索性試采，回答了我們具備技術可采性的問題；2020年，我國海域第二輪可燃冰試采是試驗性試采，創(chuàng)造了試采1個月“產氣總量86.14萬立方米，日均產氣量2.87萬立方米”兩項新的世界紀錄，回答了具備開采價值的問題；接下來將是生產性試采、商業(yè)開采，回答開采出的天然氣能否用之于民的問題。目前，青島海洋地質研究所天然氣水合物創(chuàng)新團隊正在為我國可燃冰開采產業(yè)化做準備。

“有研究認為，日均產氣量達到10萬立方米且能連續(xù)穩(wěn)定生產十年以上，可燃冰方可具備商業(yè)開采價值，也有人認為日均產氣量要達到50萬立方米才行，其實這個數據并不固定。因為是否具備商業(yè)開采價值，受到日均產氣量和日均開采成本共同的影響，當開采成本降低后，即便產氣量較低企業(yè)也可能盈利，從而推動商業(yè)開采?！崩顝埛治?，用這個眼光來看待我國將來要開展的生產性試采、商業(yè)開采，最重要的還是要在保證安全試采的前提下，進一步提高產能、降低成本。

安全試采的問題，我國已有較好的應對方案。但是，必須認識到后續(xù)任務的復雜性和嚴峻性?！艾F有的技術都是針對短期試采量身定制的，這些技術、方法能在多大程度上用于未來的產業(yè)化開發(fā)，還有待論證，其中最關鍵的一個挑戰(zhàn)就是要回答可燃冰產業(yè)化開發(fā)的地質承載力上限，防止荷載作用下地層變形對開采生產造成破壞性影響，而這也是我們目前和未來一段時間著力攻關的方向?！崩顝堈f。

在提高產能方面，青島海洋地質研究所天然氣水合物創(chuàng)新團隊近年來研發(fā)了一系列新的技術、提出了一系列新的方案，最大的目的就是讓海底可燃冰分解速度更快、分解范圍更廣、分解后產生的水氣流速更快，從而提高日均產氣量?！斑@其中涉及的原理相對簡單，但技術比較復雜?！焙邆ヅe例說，不同于海底常規(guī)的石油天然氣，海底可燃冰分布范圍小、不連續(xù)性強，因此需要通過技術手段，將海底地層中不連續(xù)的可燃冰串聯(lián)起來，這樣在開采時就增加了分解面積。類似的技術不一而足。今年以來，團隊又獲批8項可燃冰專利。截至目前，團隊擁有可燃冰研究專利超100項，可燃冰開采出砂管控知識產權集群初步形成，正從技術、方法上為可燃冰開采產業(yè)化提供支撐和有效保障。

在降低成本方面，可能更需要開采方不斷突破?！澳壳拔覀冊嚥珊５卓扇急旧鲜褂玫氖情_采深海油氣的裝備，但相對深海油氣，海底可燃冰所在地層溫度、壓力都相對較低，從理論上來講，這種高端裝備的使用無形中增加了開采成本?！崩顝埾嘈?，隨著開采技術、開采裝備的不斷演進，我國可燃冰開采的產業(yè)化將不再遙遠。

推進可燃冰研究的自主化體系化

20多年前，青島海洋地質研究所自主設計研發(fā)了我國第一套水合物模擬實驗裝置，在國內率先人工合成了可燃冰。在這之后，研究所逐步加大在可燃冰研究領域的裝備布局，自然資源部天然氣水合物重點實驗室現已擁有大型儀器設備約90臺套，成為可燃冰研究原始創(chuàng)新、科技突破的主要策源地。

“在實驗室日益完備的同時，我們也在捫心自問，實驗室里有哪些裝備是國產的？帶著這個問題意識，我們近年來全力推進關鍵儀器設備的國產化。”胡高偉說。關鍵儀器設備既包括硬件設備，比如CT儀，可以從微觀層面研究可燃冰的成核、聚集與成藏受何因素控制等，胡高偉表示他們下一套CT儀一定會具有“自主研發(fā)、國產化”的標簽，也包括軟件設備，因為海上開采可燃冰的成本很高，因此國際上通常采用數字模擬的方法，通過仿真模擬開采場景，優(yōu)選最佳開采方案，推動產出最大化。一直以來，可燃冰數字模擬軟件一直被西方國家主導。鑒于此，海洋地質研究所天然氣水合物創(chuàng)新團隊歷經四年努力，開發(fā)了一套具有自主知識產權的同類軟件，而且功能更加完善。

在實驗室之外，青島海洋地質研究所日臻完備的海上“移動設備”，也在助力我國可燃冰調查研究自主化。2017年12月，“海洋地質九號”船正式在青入列。今年5月，6000米級ARV（自主/遙控水下機器人）列裝“海洋地質九號”船。該科考船及系列科考裝備都在服務于勘探海底可燃冰資源工作。此外，另一艘頂尖科考船正加快建設，入列后將進一步促進我國可燃冰勘查開采產業(yè)化進程。

“海洋地質九號”船

“在自然資源部天然氣水合物重點實驗室基礎上，我們正在籌備申請國家重點實驗室?！崩顝堈f，未來，團隊將繼續(xù)為勘探海底可燃冰資源做好技術支撐，摸清我國海域可燃冰“家底”；加強對可燃冰模擬實驗與測試、成藏過程與演化、資源勘查與評價等技術與機理的研究，助力可燃冰勘探開發(fā)；圍繞防砂、儲層改造、環(huán)境監(jiān)測等關鍵環(huán)節(jié)，集中攻關，研究適應不同類型特點的試采工藝和技術裝備，形成從開采到儲存到輸運的全環(huán)節(jié)技術體系。

回顧可燃冰研究歷程，青島海洋地質研究所天然氣水合物創(chuàng)新團隊已經持續(xù)了20余年。在以往的研究基礎上，他們還在繼續(xù)承接重大項目，不斷拓展可燃冰研究范疇。今年4月，啟動“西太平洋天然氣水合物資源與環(huán)境效應及智能探測技術”項目，以西太平洋典型水合物系統(tǒng)為研究對象，提升我國在天然氣水合物資源環(huán)境領域內的競爭力。

與此同時，團隊加快建立可燃冰開采學科體系。今年5月，《海洋天然氣水合物開采熱電參數評價及應用》《海洋天然氣水合物開采出砂管控理論與技術》出版發(fā)行，這兩本書屬于“海洋天然氣水合物開采基礎理論與技術叢書”系列，預計今年全套叢書共6冊將全部出版發(fā)行。屆時，可燃冰開采的理論、技術將初步形成體系，推動學科的發(fā)展和人才的培養(yǎng)。

“等到我們國家真正實現了可燃冰商業(yè)化開采，那個時候就該企業(yè)‘唱戲’了。”胡高偉表示，為了這一天早點到來，他們必須步履不停，還需要走很長的路。（青島日報/觀海新聞記者 李勛祥）