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(jìn)

問道“可燃冰”：二十載“冰與火”的探索

啟動(dòng)研究項(xiàng)目、獲批技術(shù)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(jìn)

從實(shí)驗(yàn)室到海上證實(shí)可燃冰存在

可燃冰是世界上公認(rèn)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(yù)測(cè)資源量相當(dāng)于已發(fā)現(xiàn)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(jié)晶狀。但當(dāng)?shù)貏?shì)再稍往下，它們就隨著海底溫度的升高轉(zhuǎn)化成微小的結(jié)晶甚至氣態(tài)，隱蔽在了泥土沙礫里。

早在20世紀(jì)60年代，國(guó)際上已經(jīng)陸續(xù)對(duì)可燃冰開展勘探調(diào)查。20世紀(jì)80年代，美國(guó)、日本等國(guó)家紛紛將可燃冰資源勘查和開發(fā)利用納入國(guó)家能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃。自20世紀(jì)90年代開始，我國(guó)逐漸關(guān)注到西方國(guó)家在可燃冰領(lǐng)域的相關(guān)研究，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)也存在一些討論，集中在中國(guó)有沒有可燃冰和可燃冰有沒有利用價(jià)值等方面。

“這主要是我國(guó)可燃冰調(diào)查研究起步較晚的緣故。”青島海洋地質(zhì)研究所水合物地質(zhì)室副主任胡高偉研究員介紹，作為以海洋地質(zhì)研究為主要特色的研究所，他們當(dāng)時(shí)認(rèn)為，如果能夠在實(shí)驗(yàn)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(guó)勘查開發(fā)進(jìn)程。

青島海洋地質(zhì)研究所獲取的我國(guó)海域可燃冰實(shí)物樣品。

帶著這種想法，青島海洋地質(zhì)研究所開啟了研究可燃冰的征程。當(dāng)時(shí)，還沒有天然氣水合物創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，對(duì)于可燃冰的研究，實(shí)際上是業(yè)渝光研究員帶領(lǐng)的一個(gè)課題組在進(jìn)行。2000年，他們開始籌建天然氣水合物實(shí)驗(yàn)室；2001年，建成我國(guó)第一個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)室；同年11月，國(guó)內(nèi)首次在模擬實(shí)驗(yàn)室中合成可燃冰并成功點(diǎn)燃。

“實(shí)驗(yàn)的成功，提振了業(yè)界信心。2002年，我國(guó)開展了天然氣水合物資源調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)，正式拉開了大規(guī)模、多學(xué)科、多手段開展海域天然氣水合物資源調(diào)查評(píng)價(jià)的大幕?！?胡高偉說(shuō)，包括青島海洋地質(zhì)研究所在內(nèi)，我國(guó)各單位合力調(diào)查取樣，有力證實(shí)了我國(guó)海域可燃冰的存在。

在參與從海底找可燃冰的過(guò)程中，青島海洋地質(zhì)研究所也不斷系統(tǒng)部署海洋可燃冰基礎(chǔ)物性、成藏機(jī)制、開采理論方法、環(huán)境效應(yīng)4大研究方向，研究可燃冰的隊(duì)伍越來(lái)越壯大，并于2012年被正式批準(zhǔn)建設(shè)國(guó)土資源部（現(xiàn)自然資源部）天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

全方位保障我國(guó)南?？扇急嚥?/strong>

2017年，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織實(shí)施了我國(guó)首次海域天然氣水合物試采，試采持續(xù)60天，累計(jì)產(chǎn)氣超過(guò)30萬(wàn)方，創(chuàng)下了產(chǎn)氣時(shí)長(zhǎng)和總量的世界紀(jì)錄。作為可燃冰試采團(tuán)隊(duì)中的一員，青島海洋地質(zhì)研究所天然氣水合物創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)李彥龍副研究員全程參與，負(fù)責(zé)開采儲(chǔ)層出砂與防砂管控方面工作。

青島海洋地質(zhì)研究所自主研發(fā)小道距高分辨率地震探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于可燃冰資源勘查。

要明白李彥龍及其團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)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(chǔ)理論與室內(nèi)模擬研究，主要是認(rèn)清可燃冰的理化性質(zhì)，據(jù)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(píng)價(jià)，主要是找到可燃冰的富集區(qū)，為實(shí)際開采提供優(yōu)良靶點(diǎn)；第三是開采技術(shù)的研發(fā)，主要解決開采過(guò)程中安全持續(xù)產(chǎn)氣、提高產(chǎn)氣規(guī)模、降低產(chǎn)氣成本等問題，最終實(shí)現(xiàn)可燃冰開采產(chǎn)業(yè)化。

李彥龍參與我國(guó)首次可燃冰試采。

常規(guī)可燃冰開采時(shí)，需要在海上平臺(tái)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(gè)安全問題最為關(guān)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(shí)是通過(guò)一定方式將其分解為氣和水產(chǎn)出。開采過(guò)程中，海底地層可能因可燃冰分解而出現(xiàn)松軟垮塌等情況，必須有技術(shù)方法應(yīng)對(duì)這些地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。其次，可燃冰開采時(shí)，泥砂也會(huì)隨氣和水通過(guò)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(chǎn)。

“我國(guó)首次可燃冰試采時(shí)，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(jī)械設(shè)備，所以剩余空間實(shí)際上非常有限?？梢韵胂螅绻_采時(shí)泥砂在短期內(nèi)大量產(chǎn)出，那就存在整個(gè)井眼被埋的風(fēng)險(xiǎn)?！崩顝堈f(shuō)，因此，他需要對(duì)流入到井中的泥砂進(jìn)行直徑、濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，隨時(shí)用技術(shù)手段加以控制。這是一個(gè)很重要的工作，在此之前，加拿大、日本等國(guó)家也對(duì)可燃冰進(jìn)行過(guò)試采，但卻因?yàn)闆]有解決好出砂防砂問題，導(dǎo)致開采井被泥砂埋沒，不得不提前終止試采。

青島海洋地質(zhì)研究所天然氣水合物創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)相關(guān)技術(shù)助力我國(guó)海域首次可燃冰試采。

李彥龍所在的團(tuán)隊(duì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，他們建立了國(guó)際領(lǐng)先的可燃冰實(shí)驗(yàn)測(cè)試和模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)體系，結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)?zāi)M，獲取了可燃冰形成分解的微觀機(jī)理，論證了開發(fā)的可行性；通過(guò)揭示南海等典型地區(qū)可燃冰成藏過(guò)程，為可燃冰試采目標(biāo)優(yōu)選提供了科學(xué)依據(jù)；通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M與理論分析，提出了可燃冰降壓開采儲(chǔ)層出砂的基本模式和出砂機(jī)理，研制了開采行為調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)，為試采降壓方案制定提供了支撐。

“可以說(shuō)，在可燃冰開采的各個(gè)步驟中，我們團(tuán)隊(duì)全方位參與，不僅支撐了試采靶區(qū)準(zhǔn)確圈定，而且指導(dǎo)了試采實(shí)施方案的科學(xué)制訂，為我國(guó)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。”李彥龍表示，也正是形成了以降壓調(diào)控、出砂調(diào)控為代表的可燃冰開采調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，助力我國(guó)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(diào)控關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目在今年6月獲得了2021年度山東省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

為我國(guó)可燃冰開采產(chǎn)業(yè)化做準(zhǔn)備

一般認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)可燃冰開采產(chǎn)業(yè)化，大致可分為理論研究與模擬試驗(yàn)、探索性試采、試驗(yàn)性試采、生產(chǎn)性試采、商業(yè)開采5個(gè)階段。2017年，我國(guó)海域首次可燃冰試采是探索性試采，回答了我們具備技術(shù)可采性的問題；2020年，我國(guó)海域第二輪可燃冰試采是試驗(yàn)性試采，創(chuàng)造了試采1個(gè)月“產(chǎn)氣總量86.14萬(wàn)立方米，日均產(chǎn)氣量2.87萬(wàn)立方米”兩項(xiàng)新的世界紀(jì)錄，回答了具備開采價(jià)值的問題；接下來(lái)將是生產(chǎn)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(zhì)研究所天然氣水合物創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)正在為我國(guó)可燃冰開采產(chǎn)業(yè)化做準(zhǔn)備。

“有研究認(rèn)為，日均產(chǎn)氣量達(dá)到10萬(wàn)立方米且能連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)十年以上，可燃冰方可具備商業(yè)開采價(jià)值，也有人認(rèn)為日均產(chǎn)氣量要達(dá)到50萬(wàn)立方米才行，其實(shí)這個(gè)數(shù)據(jù)并不固定。因?yàn)槭欠窬邆渖虡I(yè)開采價(jià)值，受到日均產(chǎn)氣量和日均開采成本共同的影響，當(dāng)開采成本降低后，即便產(chǎn)氣量較低企業(yè)也可能盈利，從而推動(dòng)商業(yè)開采?！崩顝埛治觯眠@個(gè)眼光來(lái)看待我國(guó)將來(lái)要開展的生產(chǎn)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(jìn)一步提高產(chǎn)能、降低成本。

安全試采的問題，我國(guó)已有較好的應(yīng)對(duì)方案。但是，必須認(rèn)識(shí)到后續(xù)任務(wù)的復(fù)雜性和嚴(yán)峻性。“現(xiàn)有的技術(shù)都是針對(duì)短期試采量身定制的，這些技術(shù)、方法能在多大程度上用于未來(lái)的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，還有待論證，其中最關(guān)鍵的一個(gè)挑戰(zhàn)就是要回答可燃冰產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的地質(zhì)承載力上限，防止荷載作用下地層變形對(duì)開采生產(chǎn)造成破壞性影響，而這也是我們目前和未來(lái)一段時(shí)間著力攻關(guān)的方向?！崩顝堈f(shuō)。

在提高產(chǎn)能方面，青島海洋地質(zhì)研究所天然氣水合物創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)近年來(lái)研發(fā)了一系列新的技術(shù)、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(chǎn)生的水氣流速更快，從而提高日均產(chǎn)氣量?！斑@其中涉及的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，但技術(shù)比較復(fù)雜。”胡高偉舉例說(shuō)，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(qiáng)，因此需要通過(guò)技術(shù)手段，將海底地層中不連續(xù)的可燃冰串聯(lián)起來(lái)，這樣在開采時(shí)就增加了分解面積。類似的技術(shù)不一而足。今年以來(lái)，團(tuán)隊(duì)又獲批8項(xiàng)可燃冰專利。截至目前，團(tuán)隊(duì)擁有可燃冰研究專利超100項(xiàng)，可燃冰開采出砂管控知識(shí)產(chǎn)權(quán)集群初步形成，正從技術(shù)、方法上為可燃冰開采產(chǎn)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。“目前我們?cè)嚥珊５卓扇急旧鲜褂玫氖情_采深海油氣的裝備，但相對(duì)深海油氣，海底可燃冰所在地層溫度、壓力都相對(duì)較低，從理論上來(lái)講，這種高端裝備的使用無(wú)形中增加了開采成本?！崩顝埾嘈?，隨著開采技術(shù)、開采裝備的不斷演進(jìn)，我國(guó)可燃冰開采的產(chǎn)業(yè)化將不再遙遠(yuǎn)。

推進(jìn)可燃冰研究的自主化體系化

20多年前，青島海洋地質(zhì)研究所自主設(shè)計(jì)研發(fā)了我國(guó)第一套水合物模擬實(shí)驗(yàn)裝置，在國(guó)內(nèi)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(lǐng)域的裝備布局，自然資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)已擁有大型儀器設(shè)備約90臺(tái)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(shí)驗(yàn)室日益完備的同時(shí)，我們也在捫心自問，實(shí)驗(yàn)室里有哪些裝備是國(guó)產(chǎn)的？帶著這個(gè)問題意識(shí)，我們近年來(lái)全力推進(jìn)關(guān)鍵儀器設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化?！焙邆フf(shuō)。關(guān)鍵儀器設(shè)備既包括硬件設(shè)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(huì)具有“自主研發(fā)、國(guó)產(chǎn)化”的標(biāo)簽，也包括軟件設(shè)備，因?yàn)楹Ｉ祥_采可燃冰的成本很高，因此國(guó)際上通常采用數(shù)字模擬的方法，通過(guò)仿真模擬開采場(chǎng)景，優(yōu)選最佳開采方案，推動(dòng)產(chǎn)出最大化。一直以來(lái)，可燃冰數(shù)字模擬軟件一直被西方國(guó)家主導(dǎo)。鑒于此，海洋地質(zhì)研究所天然氣水合物創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)四年努力，開發(fā)了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的同類軟件，而且功能更加完善。

在實(shí)驗(yàn)室之外，青島海洋地質(zhì)研究所日臻完備的海上“移動(dòng)設(shè)備”，也在助力我國(guó)可燃冰調(diào)查研究自主化。2017年12月，“海洋地質(zhì)九號(hào)”船正式在青入列。今年5月，6000米級(jí)ARV（自主/遙控水下機(jī)器人）列裝“海洋地質(zhì)九號(hào)”船。該科考船及系列科考裝備都在服務(wù)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(shè)，入列后將進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)可燃冰勘查開采產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

“海洋地質(zhì)九號(hào)”船

“在自然資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上，我們正在籌備申請(qǐng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?！崩顝堈f(shuō)，未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)為勘探海底可燃冰資源做好技術(shù)支撐，摸清我國(guó)海域可燃冰“家底”；加強(qiáng)對(duì)可燃冰模擬實(shí)驗(yàn)與測(cè)試、成藏過(guò)程與演化、資源勘查與評(píng)價(jià)等技術(shù)與機(jī)理的研究，助力可燃冰勘探開發(fā)；圍繞防砂、儲(chǔ)層改造、環(huán)境監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，集中攻關(guān)，研究適應(yīng)不同類型特點(diǎn)的試采工藝和技術(shù)裝備，形成從開采到儲(chǔ)存到輸運(yùn)的全環(huán)節(jié)技術(shù)體系。

回顧可燃冰研究歷程，青島海洋地質(zhì)研究所天然氣水合物創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)已經(jīng)持續(xù)了20余年。在以往的研究基礎(chǔ)上，他們還在繼續(xù)承接重大項(xiàng)目，不斷拓展可燃冰研究范疇。今年4月，啟動(dòng)“西太平洋天然氣水合物資源與環(huán)境效應(yīng)及智能探測(cè)技術(shù)”項(xiàng)目，以西太平洋典型水合物系統(tǒng)為研究對(duì)象，提升我國(guó)在天然氣水合物資源環(huán)境領(lǐng)域內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力。

與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)加快建立可燃冰開采學(xué)科體系。今年5月，《海洋天然氣水合物開采熱電參數(shù)評(píng)價(jià)及應(yīng)用》《海洋天然氣水合物開采出砂管控理論與技術(shù)》出版發(fā)行，這兩本書屬于“海洋天然氣水合物開采基礎(chǔ)理論與技術(shù)叢書”系列，預(yù)計(jì)今年全套叢書共6冊(cè)將全部出版發(fā)行。屆時(shí)，可燃冰開采的理論、技術(shù)將初步形成體系，推動(dòng)學(xué)科的發(fā)展和人才的培養(yǎng)。

“等到我們國(guó)家真正實(shí)現(xiàn)了可燃冰商業(yè)化開采，那個(gè)時(shí)候就該企業(yè)‘唱戲’了?！焙邆ケ硎荆瑸榱诉@一天早點(diǎn)到來(lái)，他們必須步履不停，還需要走很長(zhǎng)的路。（青島日?qǐng)?bào)/觀海新聞?dòng)浾?李勛祥）