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可燃冰的所有真相

2017-06-20 10:50:38 中国能源网   作者: 庞名立  

科学家已经证实,全球海洋的可燃冰(即天然气水合物,Natural Gas Hydrates,NGH)中的碳估计至少有10万亿吨,约为当前已探明的所有化石燃料中碳含量总和的两倍。消息一出,媒体开始炒作,有人轻易地计算出海底可燃冰的储量至少够人类使用1000年,并且把可燃冰称之高效的清洁能源。更有趣的是,把可燃冰炒到啼笑皆非的地步,汽车加100升可燃冰能跑5万公里!还真把可燃冰当成核燃料了。

回顾过去,2013年日本能源厅也曾宣称,日本首次在全球实现了海底可燃冰的提取试验,并力争早日实现商业化开采,后来没有戏了。冷静分析这类言论,揭开可燃冰的真面纱,别被炒作忽悠了。

可燃冰是什么?

天然气水合物是笼形包合物的一种。它是在一定条件(即合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等)下由水和天然气组成的类似冰状的、非化学计量的、笼形结晶化合物,因其遇火即可燃烧,所以也被称为“可燃冰”。可燃冰可用化学式M·nH2O来表示,其中M代表水合物中的气体分子,n为水合指数(即水分子数)。

天然气组分如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等同系物以及二氧化碳、氮、硫化氢等均可形成单种或多种天然气水合物,但形成天然气水合物的主要气体为甲烷。对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物,通常又称为“甲烷水合物”。

在全球范围内,可燃冰存在于大陆架边缘、陆上冻土带,或在1万5千年前,由于海平面上升淹没过去的离岸残留的冻土带。可燃冰也可以从沉积物之下开采,如世界上最大的淡水湖-贝加尔湖。

自然界中可燃冰的稳定性取决于温度、压力及气-水组分之间的相互关系,这些因素制约着可燃冰仅分布于岩石圈的浅部,地表以下不超过2000米的范围内。已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土带和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。

全球99%的可燃冰存在于海底的可燃冰稳定带之中。“天然气水合物相图”表示了可燃冰生成的水深-温度-压力的关系。温度越低,水越深,水压力越大,可燃冰越利于生成。

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可燃冰是怎么形成的?

可燃冰为什么这么牛?那得看可燃冰生成可不一般。

可燃冰生成有两种途径:

⑴由生物气转化而成。地球形成已有46亿年历史,生物界从海洋到陆地经历了38亿年的演化过程,大量陆地生物残体流入海洋,同时海洋生物的死亡就像飘雪一样沉积在海洋之中,称之为海洋雪(marine snow)。巨大量的海生动植物死亡,被厌氧甲烷菌分解生成甲烷,为可燃冰的生成提供了丰富的源泉。由生物气转化而成的可燃冰几乎全部是甲烷。海洋雪是形成储量巨大的可燃冰的基础。

⑵由热成因气而成。热成因气是在深层形成,即有机物沉积物热裂解转化和深层原油在高温热裂解转化成可燃冰。

油气生成的有机成因与无机成因之争,从未停止。世界上最大的油田-加瓦尔油田(Ghawar Oil field)、最大的气田-南帕尔斯/北部穹窿凝析气田(South Pars/North Dome),最大的油砂矿-阿萨帕斯卡油砂矿藏(Athabasca oilsands),这些巨大的含量并集中在一个狭小的地方难以用有机成因来解释。在地球形成初期,就有巨大量的甲烷包围着地球。这类甲烷或非常规石油热分解出的甲烷是否进入可燃冰,就讲不清楚了。

“天然气水合物沉积”图说明,生物甲烷在浅海沉积900米深处生成,而热成因气是从地质断层缓慢渗透出来,生成极厚的可燃冰储层。由于地壳变动,在极地和冻土带也会埋藏丰富的可燃冰。

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可燃冰资源量是多少?

全球可燃冰分布很广,约有27%的陆地是可以形成可燃冰的潜在地区,而在世界大洋水域中约有90%的面积也属潜在区域。

我国有多少可燃冰资源量?有几条报道:

⑴中国首次钻获可燃冰储量约合1500亿m3天然气。

⑵我国陆域可燃冰远景资源量至少有350亿吨油当量,可供我国使用近90年。

⑶南海可燃冰资源量相当于650亿吨石油,够我国使用130年。

⑷中国海域预测远景可燃冰资源量近800亿吨油当量,相当于我国常规天然气资源量的2倍。按当前的消耗水平,可满足我国近200年的能源需求。

⑸我国可燃冰远景资源量超过1000亿吨油当量,潜力巨大。

可以奇怪地发现,随着年份增长,我国可燃冰储量比年份增长得快。

国际应用系统分析研究所(IIASA)下属组织-水合物能源国际 (Hydrate Energy International LLC,HEI)评价了全球可燃冰资源潜力。分析了全球丰富的天然气水合物集中在砂体,并含有巨大的天然气储量。全球天然气水合物在砂体中的地质资源量为1226万亿立方米,其中中国只有5万亿立方米。

哪个数据对?其实他们说的也算对。实际上,资源量是估计的数据,不具备商业价值。有的计算很有趣,居然能够从资源量算出可以开采多少年,那绝对是被高智商糊弄了。

当您用高技术自信地从地层中获取天然气时,千万别认为地球会乖乖地把远景资源量无私奉献给您,地球会很吝啬地留有余地,因此在能源经济中引入了“可采储量(Reserves)”的概念。也就是说,能够用现代技术采得出,卖得掉的部分,就叫可采储量。也就是说,可燃冰可以利用多少年,不能从资源量而是从可采储量来计算。目前世界各国尚未有可采储量数据。

采收率是指从地质储量可回收的估计量,用百分比(%)表示。计算公式:采收率=(估计可回收量/原始地质储量)×100

常规天然气采收率约达40%~60%,而原油一次采收率5%~15%,三次采油的收率最高60%。非常规油气采收率是很低的。在非常规储层中滞留着常规油气:致密油、致密气和页岩气。由于渗透率不同,采收率的表现也各不相同。这是走在开发非常规油气资源前沿的美国报道的数据。致密气比较高在10~15%之间居多,页岩气比较低了,一般在4%~10%之间,最低的是致密油,一般在1%~6%之间。

由于可燃冰的渗透率极低,其采收率会更低。如有媒体说“世界可燃冰资源量约为2100万亿立方米,可供人类使用1000年”。这个错误在于:简单地把资源量作为可采储量来看待,认为可以百分之百把可燃冰一个也不省地开采出来。

可燃冰怎样生产天然气?

可燃冰蕴藏着丰富的天然气。1立方米的可燃冰可以产生160~170立方米的天然气。

可燃冰的生产说起来似乎很简单,见图。随着压力降低或者温度升高,固体可燃冰就可以释放出甲烷和水。

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可燃冰的开采方法跟常规开采大不一样,目前主要有三种:

⑴热激发法。能促使温度上升达到水合物分解的方法。此法是将水蒸气、热水、热盐水或其他热流体泵入水合物地层,也可采用开采重油时使用的火驱法或利用钻柱加热器。其缺点是造成大量的热损失,效率很低。特别是在永久冻土区,即使利用绝热管道,永冻层也会降低传递给储集层的有效热量。

为了提高热激发法的效率,可采用井下装置加热技术,如井下电磁加热方法。

⑵化学药剂激发法。某些化学药剂如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等可以改变水合物形成的相平衡条件,降低水合物稳定温度。将上述化学试剂从井口泵入后,就会引起水合物的分解。化学药剂法较热激发法作用缓慢,而且最大的缺点是费用太昂贵。在海洋中由于天然气水合物的压力较高,因而不宜采用此方法。

⑶减压法。通过降低压力而引起天然气水合物稳定的相平衡曲线的移动,从而达到促使水合物分解。 一般是通过在水合物层之下的游离气聚集层中,“降低”天然气压力或形成一个天然气“囊”(由热激发或化学试剂作用人为形成),使与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水。开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法,另外通过调节天然气的提取速度可以达到控制储层压力的目的,进而达到控制水合物分解的效果。

减压法最大的特点是不需要昂贵的连续激发,因而可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。但是,只单独使用减压法开采天然气水合物的速度很慢。

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单独采用任何一种方法来开采天然气水合物都是不经济的,只有结合不同方法的优点才能达到对水合物的有效开采。如将减压法和热开采技术结合使用,即用热激发法分解天然气水合物,而用减压法提取游离气体。

目前开采的最大难点是保证井底稳定,使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。可燃冰气藏的最终确定必须通过钻探,其难度比常规海上油气钻探要大得多,一方面是水太深,另一方面由于可燃冰遇减压会迅速分解,极易造成井喷。

有个基本概念容易被搞懵,什么叫产量?人们可以顺口说出,产量是工厂生产的数量。在能源经济中,产量即商品量,指进入市场并其价格能为消费者接受的数量。说得具体点,天然气从井口采出来的数量,称为井口量,减去通过加工缩减损失量、多余天然气回注量、管输损失量和放空烧却量,此时得到的数量是进入能源市场的产量,此产量的价格必须消费者能够接受。美国页岩气讲得清楚,页岩气的可采储量和产量,可是可燃冰就不敢讲了。目前,各国开采得可燃冰只是燃烧放空,严格来说,都不能叫产量,但对媒体用“产量”一词不必细究,因为太不好表达。

我们可以好好计算下,在海面下1000米干这种事要花多少钱?况且这些可燃冰的渗透率几乎为零,即不流动的,开采船必须经常移动位置,又怕地质滑坡造成海啸。可燃冰的开采要比页岩气难得多。

可燃冰是清洁能源吗?

几乎没有一篇文章不贴上“可燃冰是清洁能源”的标签。清洁能源是指再生能源和核能,可燃冰是未被人类利用的新能源,但被吹成高效的清洁能源,那就过分了。可燃冰只是一种非常规天然气,属于化石燃料的一种。非常规天然气有致密天然气、煤层气、页岩气和可燃冰(天然气水合物)。非常规天然气用天然气资源金字塔(resource pyramid for natural gas)来描写,见图。

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天然气储层级别越低,就意味着渗透率降低,开采程度越困难。这种低渗透气藏的渗透率按照:致密气→煤层气→页岩气→天然气水合物的顺序递降;其储量却按此顺序增加,它们都比高渗透的常规天然气藏丰富得多。而可燃冰广泛分布在海底,虽然开采难度远比前三者难,但储量极为丰富。

清洁能源与化石燃料区别于二氧化碳的排放,清洁能源少排放或不排放,而化石燃料燃烧时,大量排放二氧化碳造成气候变暖。国际能源署(IEA)公布的化石燃料燃烧时二氧化碳排放量的数据如下表。

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看得出来天然气燃烧排放也不少。千万不要按家庭主妇烧饭的逻辑,烧柴不清洁,烧天然气清洁,得出天然气就是清洁能源的结论,把在厨房烹饪没有像烧柴的烟雾作为标准,正好说反,柴薪是生物质燃料,植物经光合作用吸收二氧化碳,燃烧时又放出二氧化碳,构成了地球上二氧化碳的小循环,没有增加大气的二氧化碳含量。柴薪属于清洁能源。2014年全球使用木材颗粒(Wood Pellet)2410万吨,主要是欧美国家,2015年又翻了半倍。大量使用并解决烟雾排放,但中国的木材颗粒燃料发展很慢。

可燃冰是高效能源吗?

把可燃冰被说成高效能源,也炒作的误导,可燃冰具备一般天然气的特性。当今时代,仍然是石油时代,或者说是石油向清洁能源过渡的后石油时代,高效能源仍然是指常规石油,见图。所有其他能源如常规天然气、煤层气、页岩气、生物乙醇、生物柴油、光伏等等都被说成替代能源,即替代石油的能源。譬如国外没有“新能源汽车”的提法,他们把所有能够替代石油的汽车都称为替代燃料汽车(Alternative Fuel Vehicle)。

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常规原油的烃类价值层次最高,在非常规油气的生产和转化中需要更多热量,因此,促使其能源强度增大。生产常规石油只需本身6%的能量,而生产超重原油需20%~25%、油砂需30%、油页岩需30%。生产常规天然气所需能量相对较少,在气层上钻井,天然气呼啦呼啦涌向井筒,付出能量较小,而生产非常规天然气,特别是可燃冰,其特点是分散的,需要付出的能量更多,而且对环境污染大。当前还计算不出来生产1亿立方米天然气需要消耗本身多少能量。可燃冰燃烧能量真的高吗?

媒体炒作:“1立方米的可燃冰分解后可以释放出164立方米的天然气,可见可燃冰能量密度非常之高,而且在同等条件下,可燃冰燃烧产生的能量比石油、天然气、煤炭要多出10倍之多”,这句话也不靠谱。可燃冰不可单独利用,只能以气态天然气形式利用。纠结可燃冰含164立方米天然气没有意义,可燃冰能源密度再高也高不过液化天然气(1吨液化天然气=1360立方米天然气)。表说明化石燃料的比能量和能源密度的数据。可燃冰的能源密度(Energy density)比石油、天然气、煤炭要多出10倍之多显然不对。

可燃冰面临什么地质灾害?

有种假说,叫“Clathrategun hypothesis”,翻译为“水合物喷射假说”。它是指大海温度上升和(或)海平面下降触发了蕴藏在海底和冻土层中的可燃冰爆发性释放的一种假说。因为甲烷本身就是一种比二氧化碳强劲21倍的温室气体,当它逸出时,它将导致温度进一步升高,并搅动可燃冰,这实际上是启动了一个失控的不可逆的过程,一旦发生犹如枪口连续发射。当发生“水合物喷射”时,可能导致突发性失控变暖。

尽管认为“水合物喷射”不太可能发生。但可燃冰崩溃失控会引起海洋环境剧烈变化,如海洋酸化和海洋层结。因此,可燃冰开采对环境的影响是必须十分重视的问题。

开采可燃冰时,当其地层温度或压力发生变化时,可燃冰将由固体变成气体从地层中释放出来,对环境造成影响,甚至灾害。这些伤害包括:

⑴若该地层位于陆缘大陆斜坡,则有可能造成海床崩塌或滑移等地质灾害,所伴随的大量天然气逸出海床进入水中,甚至进入大气圈;

⑵如果可燃冰在开采中甲烷气体大量泄漏到大气中,造成的温室效应将比二氧化碳更加严重。即使可燃冰矿藏受到最小的破坏,甚至是自然的破坏,都足以导致甲烷气的大量散失进入大气,使地球升温更快速;

⑶陆缘海边的可燃冰开采起来十分困难,至今尚无非常成熟的勘探开发技术,若一旦发生井喷事故,就会造成海水汽化,发生海啸(Tsunami)船翻。此外,可燃冰也可能是引起地质灾害的主要因素之一;

⑷由于可燃冰经常作为沉积物的胶结物存在,它对沉积物的强度起着关键的作用。天然气水合物的形成和分解能够影响沉积物的强度,进而诱发海底滑坡(Submarineslide)等地质灾害的发生,并能导致大陆斜坡发生滑坡,对各种海底设施造成极大的威胁。

由此可见,开采可燃冰对环境的保护仍是开采非常规天然气中难度最大的,必须认真研究可靠的开发技术。

可燃冰面临着什么竞争?

人类并不知道地下蕴藏有多少资源,目前采用的所谓远景资源量,只是一种臆测。就世界各国而论,具有商业价值的可燃冰可采储量数据尚未出台。

人类寻找到资源,不一定必须开采,是否能够开采决定于三个因素:技术可行、市场接受和环境允许。通俗地说,利用现代技术可以开采得出来,市场能够接受它的销售价格,并且不造成环境污染。

美国页岩革命成功,符合这三个条件,美国天然气生产结构中,页岩气已经占天然气产量的60%,改变了美国的能源格局,但是它并没有改变世界能源结构。曾经一度吹捧美国页岩气廉价出口,将会改变世界能源结构,大脑短路了吧!那是生意经,没有友谊可谈。您不要想从美国那里买到廉价的页岩气,奥巴马不给,商人出生的普朗特更不会给,您不被美国坑就不错了。全球天然气销售商那么多,在当前油价下跌的情况下天然气价格不贵,可燃冰开采出来的价格必须跟常规天然气价格抗衡。可燃冰的开采比页岩气难得多,可燃冰市场化八字还没有一撇,根本谈不上“推动整个世界能源格局的改变”。当今世界,能源各路神仙都在各显神通,都在争夺制高点,页岩气、煤制气、油砂、致密油、光伏发电等等都想改变世界能源格局,结果谁也改变不了全球能源格局。未来的能源是多元(种类)化、多源(渠道)化的世界。

尽管可燃冰储量巨大,必定是化石燃料,不但开采成本高,容易造成地质灾害,而且无论是开采和使用均可大量排放二氧化碳,加速全球暖化进程。可燃冰的开采还面临着再生能源的排挤,全球再生能源发展十分快速,如根据REN21(再生能源全球现况报告)2015年全球再生能源发电占发电总量的 23.7%。尽管再生能源还不能排挤天然气离开市场,但其发展足以威胁着可燃冰进入能源市场。

结论

⑴可燃冰属于非常规天然气的一种,也是人类追求的新能源,但不是清洁能源。即便开采不排放但燃烧也会大量排放二氧化碳,加速全球气候暖化。可燃冰就是一般的化石燃料,不要过度地神化了。

⑵尽管可燃冰远景资源量数据巨大,别扯得太远,这是估计的数据,既不能算出可采多少年,更不能作为经济建设计划的依据。只有通过可采储量数据才能计算出可以开采多少年。至今还没有一个国家有此数据。

⑶目前不管哪个国家,可燃冰能够开采得出来,都是处于试验阶段,离商业化还很远。可燃冰面临着再生能源的排挤,但就目前的力量还不可能把化石燃料挤出能源市场,因此,目前可燃冰尚有发展余地。

⑷美国页岩气改变了美国的能源结构,引起全球能源界的关注,但说天然气水合物将改变全球能源结构还为时过早。可燃冰的开采比页岩气难得多,而且造成的地质伤害和环境污染更加严重。

⑸找到资源不能说必须开采,可燃冰是否开采决定于三个因素:技术可行、市场接受和环境允许。

可燃冰燃烧必然会有大量排放二氧化碳,这是由于可燃冰是化石燃料的本质决定的,无法改变;但是只要开采不会泄露甲烷,不会造成地质伤害,同时销售价格可以跟常规天然气价格抗衡,能源市场可以接受,那么可燃冰就商业化了,进入大规模生产的时代。当然,不要让再生能源和核能工业发展得太快。

庞名立,曾在中国计量科学院(北京)和中石油(四川)工作。著有多本石油和天然气书籍




责任编辑: 曹吉生

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