可燃冰是什么？

　　可燃冰，是由氣體分子與水分子組成的一種冰狀的固體物質(zhì)，學(xué)名為“天然氣水合物”，外觀多呈白色或淺灰色晶體，外貌似冰雪，可直接點(diǎn)燃，故被稱為“可燃冰”。

　　根據(jù)可燃冰的分子晶體結(jié)構(gòu)，可為三種類型：Ⅰ型為立方晶體結(jié)構(gòu)，組成的氣體分子主要為甲烷（含量大于93%）；Ⅱ型為菱形晶體結(jié)構(gòu)，組成的氣體分子除甲烷外，還含有相當(dāng)數(shù)量的乙烷、丙烷和異丁烷；H型為六方晶體結(jié)構(gòu)，由直徑較大的氣體分子構(gòu)成，如二氧化碳等。

　　可燃冰的形成需具備四個基本條件：低溫、高壓環(huán)境以及充足的氣源和水。自然界中的可燃冰主要賦存于高壓、低溫環(huán)境的海底淺表層沉積物和高緯度凍土里，約有97%可燃冰分布于海洋中，僅3%分布在陸地凍土帶?？扇急稍诘陀?0℃時(shí)生成，超過20℃便會分解。在0℃時(shí)，只需30個大氣壓即可生成，壓力越大越穩(wěn)定。

　　海洋中，可燃冰往往分布于水深大于300米的海底沉積物中，分布范圍從海底到海底之下1000米左右，氣體主要來源于海底淺部的生物成因氣和地層深部熱解氣。目前，在全球直接或間接發(fā)現(xiàn)水合物的礦點(diǎn)已達(dá)到234處， 在49處獲得了水合物樣品。在5個礦點(diǎn)開展了試開采或開采，其中海域有兩個礦點(diǎn)：中國1個、日本1個；陸域有三個礦點(diǎn)，美國1個、加拿大1個、俄羅斯1個。

　　可燃冰的自然產(chǎn)出狀態(tài)有塊狀、脈狀、結(jié)核狀、分散狀等，其成因主要有兩種類型：一種是由于氣體滲漏到地層的孔洞或裂縫中，呈塊狀、脈狀或結(jié)核狀；另外一種是氣體擴(kuò)散到沉積物的孔隙中，形成微小的可燃冰顆粒充填于沉積物的孔隙中，通常不為肉眼所識別，這種可燃冰就像一杯水倒進(jìn)沙子里，什么都看不到一樣。

　　在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1體積的可燃冰大概可以分解為164體積的甲烷氣體。據(jù)估算，全球可燃冰中的有機(jī)碳占全球有機(jī)碳的53.3%，而煤、石油和天然氣三者的總量才占到26.6%。儲量巨大和高效清潔的特點(diǎn)使得可燃冰被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色能源。由于可燃冰的重大戰(zhàn)略資源意義，從20世紀(jì)80年代開始，美國、英國、德國、加拿大、日本、印度、韓國等相繼投入巨資開展勘查開發(fā)及科學(xué)研究。

　　根據(jù)可燃冰的儲集類型，目前認(rèn)為自然界中大部分可燃冰分布在海洋黏土質(zhì)或粉砂質(zhì)細(xì)粒沉積物中，其次是分布在地層的孔洞或裂縫中的可視型可燃冰，再其次是分布在海洋砂層中的可燃冰和陸域凍土帶砂層中的水合物。據(jù)估算，全球賦存在砂層可燃冰中的氣體量可能超過1217萬億立方米，約占全球可燃冰原地資源量的中間范圍估值的5%。從目前的技術(shù)條件看，砂巖中的可燃冰較容易開采，陸域及日本海域目前主要針對砂巖儲層中的可燃冰進(jìn)行開采試驗(yàn)，而中國在神狐海域開采的可燃冰儲集類型是黏土質(zhì)粉砂儲層，開采難度較大。

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　　在南海鉆獲的可燃冰樣品

　　如何揭開南海可燃冰的神秘面紗？

　　在國土資源部、中國地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)下，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局負(fù)責(zé)實(shí)施南?？扇急辈樵嚥晒ぷ?，廣泛吸收國內(nèi)外優(yōu)勢力量，在南海水合物勘查、試采、成藏地質(zhì)理論研究、技術(shù)裝備研發(fā)等發(fā)揮了主導(dǎo)作用。自1999年開始，歷經(jīng)前期調(diào)查（1999~2001年）、調(diào)查與評價(jià)國家專項(xiàng)（2002~2010年）、勘查與試采國家專項(xiàng)（2011年至目前）三個階段，通過近20年的攻關(guān)，我國創(chuàng)新集成了具有南海特點(diǎn)的水合物綜合探測技術(shù)體系，初步形成了天然氣水合物成礦、控礦、找礦理論，建立了南海水合物資源評價(jià)、區(qū)帶評價(jià)及目標(biāo)預(yù)測理論和方法，取得一系列重大找礦突破和開拓性創(chuàng)新成果，實(shí)現(xiàn)了從國內(nèi)空白到領(lǐng)跑世界的跨越發(fā)展。

　　目前，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在南海已完成高分辨率多道地震13萬千米、多波束測量7萬千米、淺層剖面測量2.4萬千米、熱流測量522個站位、地質(zhì)取樣2272個站位、OBS調(diào)查195臺站、可控源電磁測量20臺站、深潛器（ROV）調(diào)查23站位，在南海北部陸坡基本完成地質(zhì)—地球物理普查測網(wǎng)調(diào)查，在重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)開展了以三維地震探測為主的多手段詳查，鉆井87口。通過系統(tǒng)勘查評價(jià)，預(yù)測南海海域水合物遠(yuǎn)景資源量達(dá)800億噸油當(dāng)量，并圈定了6個水合物成礦遠(yuǎn)景區(qū)、19個成礦區(qū)帶、25個有利區(qū)塊、24個鉆探目標(biāo)區(qū)，發(fā)現(xiàn)珠江口盆地東部海域和神狐海域2個千億方級的水合物礦藏。

　　我國可燃冰的勘探開發(fā)歷程已有近20年的歷時(shí)。1999年，我國首次在南海西沙海域可燃冰存在的地震反射證據(jù)—似海底反射界面（BSR）。2004年，首次在臺西南盆地發(fā)現(xiàn)“九龍甲烷礁”。2007年，首次在南海神狐海域鉆探獲取實(shí)物樣品，使我國成為繼美國、日本、印度之后第四個通過國家級研發(fā)計(jì)劃在海底鉆探獲得可燃冰實(shí)物樣品的國家。

　　2013年，在南海珠江口盆地東部海域首次鉆獲大量塊狀、脈狀、分散狀等多類型的高飽和度水合物樣品，首次證實(shí)超千億方級天然氣水合物礦藏。

　　2015年，在南海北部神狐海域?qū)崿F(xiàn)水合物鉆獲成功率100%，再次鉆探證實(shí)超千億方級天然氣水合物礦藏。利用自主研發(fā)“海馬”號深潛器在珠江口盆地西部海域發(fā)現(xiàn) “海馬冷泉”，并利用大型重力活塞取樣器獲取塊狀水合物實(shí)物樣品。

　　2016年，通過鉆探鎖定試采目標(biāo)，系統(tǒng)獲取了試采目標(biāo)井儲層關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為試采實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　2017年，首次在世界上成功實(shí)現(xiàn)連續(xù)安全可控試采，實(shí)現(xiàn)了我國海域水合物試采歷史性突破。

　　可燃冰能被開發(fā)利用嗎？

　　近年來，國際可燃冰研發(fā)態(tài)勢已逐步從勘查階段進(jìn)入試采驗(yàn)證階段，迄今已在加拿大麥肯齊三角洲、美國阿拉斯加北坡、中國祁連山凍土區(qū)、日本南海海槽和中國南海神狐海域?qū)嵤┝嗽囼?yàn)性開采，前蘇聯(lián)在西西伯利亞麥索亞哈氣田進(jìn)行了可燃冰開發(fā)。

　　1969~1990年，前蘇聯(lián)在麥索亞哈氣田對水合物藏進(jìn)行商業(yè)開采。該氣田為常規(guī)氣田，在氣田上方形成水合物藏。該水合物層經(jīng)由減壓途徑無意中得以開采的，通過開采水合物藏之下的常規(guī)天然氣，導(dǎo)致水合物層壓力降低發(fā)生分解。氣田的最高年產(chǎn)量為21億立方米。從該氣藏的游離氣中大約生產(chǎn)出80億立方米天然氣，從分解的水合物中生產(chǎn)出約30億立方米天然氣。

　　2002年，加拿大、日本等在加拿大西北部麥肯齊三角洲（馬利克地區(qū)）進(jìn)行第一次陸上試采，采用“熱水循環(huán)法”在全球首次成功從水合物層中產(chǎn)出天然氣，生產(chǎn)持續(xù)5天，總產(chǎn)氣量470立方米。2007年進(jìn)行第二次陸上試采，采用“降壓法”實(shí)現(xiàn)連續(xù)12.5小時(shí)從水合物層中產(chǎn)出天然氣，總產(chǎn)氣量850立方米。2008年進(jìn)行第三次陸上試采，采用“降壓法”實(shí)現(xiàn)連續(xù)5天從水合物層中產(chǎn)出天然氣，總產(chǎn)氣量1.3萬立方米。

　　2011年，中國在青海祁連山凍土區(qū)成功實(shí)施陸域天然氣水合物試開采，采用降壓法和加熱法成功將地下130米～400米處的天然氣水合物分解出天然氣。

　　2012年，康菲石油公司等在美國阿拉斯加北部斜坡完成了利用二氧化碳置換可燃冰的開采測試。在整個開采階段，包括后續(xù)6天的氣體回收，共開采出甲烷約24210.9立方米，在固相中實(shí)現(xiàn)了甲烷—二氧化碳的置換。

　　2013年，日本在其南海海槽利用降壓法進(jìn)行可燃冰試采，開采出氣持續(xù)6天，生產(chǎn)天然氣12萬立方米，后因嚴(yán)重出砂被迫終止。

　　國際上試驗(yàn)性開采均針對高滲砂質(zhì)儲層，我國首次瞄準(zhǔn)低滲細(xì)粒水合物儲層進(jìn)行試采，難度更大，極具挑戰(zhàn)性。

　　2017年5月10日，中國在南海神狐海域首次試采可燃冰點(diǎn)火成功，至5月18日連續(xù)產(chǎn)氣8天，平均日產(chǎn)超過1.6萬立方米。截至6月10日，連續(xù)產(chǎn)氣31天，總產(chǎn)氣量21萬立方米，平均日產(chǎn)6800立方米。試采井產(chǎn)氣過程平穩(wěn)，井底狀態(tài)良好，鉆井作業(yè)安全，海底海洋環(huán)境監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)異常，無海底甲烷氣體泄漏情況，取得了持續(xù)時(shí)間長、氣流穩(wěn)定、環(huán)境安全等多項(xiàng)重大突破性成果。

　　中國海域水合物試采成功具有十分重大的意義，必將引領(lǐng)和推動世界可燃冰開發(fā)基礎(chǔ)研究和技術(shù)方法發(fā)展，加快人類開發(fā)利用可燃冰的步伐。

　　（作者系中國地質(zhì)調(diào)查局天然氣水合物工程技術(shù)中心總工程師，教授級高級工程師，中國地質(zhì)調(diào)查局“李四光學(xué)者”；國家水合物專項(xiàng)項(xiàng)目《南海天然氣水合物資源勘查》負(fù)責(zé)人，“海域天然氣水合物試采工程”副首席專家）