博物循声No.20|冰封的能量块—可燃冰

从人类学会钻木取火开始，能源革命就不断在伴随人类的进化而发展，从木材到煤炭、再到石油天然气。人类一直在星辰大海间努力寻找更优质更清洁的能源。

2020年，一种俗称“可燃冰”的天然气水合物在我国南海第二次成功试采，让它迅速成名，获批为中国第173个矿种，也预示着即将到来的第三次能源革命可能将实现由石油天然气到可燃冰时代的转变。

2020年中国第二轮试采平台“蓝鲸2号”喷出双火焰 | 图 广州海洋地质调查局

可燃冰是什么

这到底是种怎样特殊的冰呢？俗话说水火不相容，既是冰，怎能燃烧？

答：可燃冰，学名为天然气水合物，是由气体分子与水分子在低温高压条件下形成的笼形化合物，水分子形成固定笼子而包裹气体分子。其中，气体分子主要为甲烷，此外还有少量多碳烃类、二氧化碳与氦气等，故称为“天然气水合物”，又称为“甲烷水合物”。可燃冰在自然界中以多种形态产出，其中，肉眼可见的仅为块状、条带状的白色或乳白色固体，绝大多数则以肉眼不可见的弥散状产出，但将这种弥散状可燃冰放进水中，又可见大量气泡冒出，这是不可见的可燃冰分解后产生甲烷导致的。

固态可燃冰与分子结构 | 图 worldoceanreview.com

其实这种“甲烷产生”的画面不难见到，比如冬天特有的一种景观—冰泡湖。

新疆赛里木湖冰泡 | 图 bing

自然界中的可燃冰主要赋存于低温、高压环境的海底浅表层沉积物和高纬度冻土里，约有97%可燃冰分布于海洋中，仅3%分布在陆地冻土带。可燃冰可在低于10℃时生成，超过20℃便会分解。在0℃时，只需30个大气压即可生成，压力越大越稳定。

其成因主要有两种类型：一种是由于气体渗漏到地层的孔洞或裂缝中，呈块状、脉状或结核状；另外一种是气体扩散到沉积物的孔隙中，形成微小的可燃冰颗粒充填于沉积物的孔隙中，通常不为肉眼所识别，这种可燃冰就像一杯水倒进沙子里，什么都看不到一样。

在南海钻获的可燃冰样品 | 图 广州海洋地质调查局

如何寻找可燃冰呢？

当然是需要借助到各种机器。

首先是地震探测装备，也就是海洋地质学家们的CT机。这个CT机一般放在海洋地质调查船上，主要由震源系统和接收系统组成。

还需要"海底可控源电磁技术"给海底做"核磁共振"，可以提供可燃冰附近电磁特性差异，结合CT可以更准确的分析可燃冰存在的区域和范围。

另外水下机器人也是探测海底可燃冰的手段，我国自主研发的海马"号水下机器人，可以在海底前后左右上下游来游去，敏捷地观察可燃冰存在的各种证据。比如看到以管状蠕虫、蛤类、贻贝、白瓜贝等多种在可燃冰附近生活的冷泉生物。

海马号和冷泉生物 | 图 广州海洋地质调查局

Tips 何为冷泉生物

海底“冷泉”简单的说就是海底之下的甲烷、硫化氢和二氧化碳等气体在地质结构或压力变化驱动下，溢出海底进入海水的活动。由于形态酷似陆地上的泉口，温度一般在3-5℃，所以被科学家成为“冷泉”。

冷泉的初级生产者主要为甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌。这些初级生产者,吸引了管状蠕虫、蛤类、贻贝类、多毛类、海星、海胆、海虾等初级消费者,以及鱼、石蟹等高级消费者。这些大型生物最终会被微生物分解,从而回归自然,形成一套完整的冷泉生态系统。

“冷泉”生态系统是研究地球深部生物圈的重要窗口，同时也是探寻天然气水合物的重要标志之一。

可燃冰的三大超级技能

近二十年来，可燃冰已被许多国家当作可替代新型洁净能源之一进行了一系列的探采。作为新型洁净能源，它到底有哪些压倒性优势呢？

清洁无污染：普通天然气甲烷含量一般是85%；而高质量可燃冰的甲烷纯度达到99.8%，燃烧后只会产生二氧化碳和水。与传统天然气、煤、石油比起来，没有粉尘、氮化物、硫化物等等污染。

能量密度高：可燃冰像一个天然气的“压缩包”，1m3的可燃冰（天然气水合物）中含有164 m3的天然气，即1m3水合物（固态）经过开采释放出来的甲烷（气态）有164m3。

分布广、储量多：国土资源部专家介绍说，如果把全球可燃冰的储量折算为有机碳资源，其有机碳占总量的比例超过53%，而煤、石油、天然气三者有机碳之和仅占26.6%，也就是说，前者是后三者之和的约2倍。主要存在于冻土地区和海洋环境（深海和浅海环境均有）。97%在海洋环境，3%在冻土地区。

目前，在全球直接或间接发现水合物的矿点已达到234处， 在49处获得了水合物样品。在5个矿点开展了试开采或开采，其中海域有两个矿点：中国、日本；陆域有三个矿点，美国、加拿大、俄罗斯。

我国的冻土区面积仅次于俄罗斯和加拿大，排名第三。青藏高原是多年生冻土带，可能蕴藏着大量的水合物矿藏。其次，就是南海地区。

国际上主要可燃冰钻探、试采活动 | 图 广州海洋地质调查局

山高水险 望洋兴叹？

可燃冰一般存在于冻土带地下砂层、海底砂层、泥质沉积物中，大部分与土颗粒混合，所以想要大量开采可燃冰首先要解决泥沙淤堵以及如何在地下分解成气态等问题。

另外可燃冰对温度和压力的变化很敏感，地层坍塌、海啸、地震、甲烷泄露都有可能伴随开采发生，如果大量甲烷泄露到大气层，所产生的温室效应比二氧化碳高25倍左右。那将是一场巨大的全球灾难。我国在神狐海域“可燃冰”开采之难，被喻为“在豆腐上打铁、用金刚钻绣花”。

危险和机遇同在，想要转型新能源，我们迎难而上逐一解决成本、技术、风险三大难题。

我国从1999年在南海首次发现可燃冰存在，到2020年3月26日可燃冰第二轮试采的圆满成功，对可燃冰的勘探开发经历了20年从理论技术到自主研发装备的艰辛历程。至此，中国已经继日、美、印等国迈出了从“跟跑”到“领跑”的历史性一步，成为全球首个实现在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。

目前天然气水合物常规开采方法主要有∶降压法、二氧化碳置换法、加热法、注入抑制剂法、等。我国海域天然气水合物试采使用的是自主研发的深水半潜式平台“蓝鲸1号”、“蓝鲸2号”通过降压原地分解后进行开采。

降压法：

让钻井套管达到可燃冰储层，管内压力小，管外可燃冰储层的压力大，于是可燃冰在这种压力差之下会分解出可燃气体，原为分解后再开采。但是为了预防泥沙淤堵管道，我国科学家提出了砾石-水合物连续置换开采和间歇式吞吐置换开采的解决方案，可在长期开采中对地层亏空量进行及时填充或置换。

二氧化碳置换法：

二氧化碳水合物形成的压力比可燃冰低，温度比可燃冰略高。可以向可燃冰储层注入二氧化碳，并在储层中形成二氧化碳水合物，这样由于压力差，可燃冰会分解出甲烷，便于持续开采。这种方法，因其兼顾环保技能，既能开发出水合物中的甲烷，又能实现二氧化碳封存。也能弥补降压法可能会导致的“储层”变为“空洞”，进而会出现海床垮塌，海底滑坡、引发地震海啸等危险。

加热法：

通过将水蒸汽、热水或表层海水输入到水合物层，促使其分解，但是此法成本较高。

注入抑制剂法：

通过注入乙醇、盐水等抑制剂，来改变水合物的均衡条件，促使其分解。

虽然理论研究与实验开采已经成功。但是，可燃冰要实现大规模商业开采还有很长一段路要走。需要有颠覆式的技术革命，降低开采成本，产生合理的经济价值。下一步广海局将深入开展勘查和评价，推动深海钻探装备与平台、大型科考船舶建造，尤其是水合物钻采船及相关配套船舶的建造等工程装备研发。相信新能源和高科技一直都在路上！

人类已经吸取教训，环境保护不应落后于经济发展，二者需同步进行。在研究可燃冰能否商业开采的同时，或许我们还可以把注意力放在其他清洁能源上。如风能、太阳能、潮汐能、地热能等作为能源结构的补充角色，甚至可以向阿根廷科学家学习，为牧场制作甲烷收集器，比如这款牛屁背包。

牛屁收集器 | 图 bing

因地制宜，多角度开发，可能这才是未来确保能源安全、减少环境问题的有效途径。下期我们开始讲讲人类赖以生存的其他众多矿产资源！