可燃冰

解讀大熱的可燃冰（2）：哪里可以找到可燃冰？人類何時又如何發現了它？

第一電動大牛作者震旦能源 2017-05-26 11:09

[編者按] 5月18日中共中央、國務院電賀我國海域天然氣水合物試采成功。隨之媒體鋪天蓋地的報道，手機刷爆了屏幕。那么到底可燃冰是什么？其發展前景如何？中國在可燃冰研究與開發的水平所處的位置如何？等等這些問題，筆者將發表系列文章，以便讓廣大讀者朋友對可燃冰有一個比較清楚的了解。【解讀大熱的可燃冰（1）：可燃冰是什么？它是怎么形成的？】

1.哪里可以找到可燃冰？

上篇文章敘述了可燃冰(天然氣水合物)是什么以及其形成，本篇將就在全球哪些地方可以找到可燃冰進行敘述。在一定的壓力與溫度條件下可燃冰才能穩定存在。但是，即使在滿足了可容納穩定存在的壓力與溫度條件的地方，也不可能保證就有可燃冰。有機碳的有無對甲烷的生成起著重要作用，而有機碳并不是全球到處都有分布的。而一個地方如果沒有甲烷存在，就根本談不上有沒有可燃冰(圖1)。

圖1 已采集到樣品或者被證實的可燃冰分布圖

可燃冰可能是廣泛分布的。根據地震資料和其它衛星遙感技術，已經推測到可燃冰也廣泛分布在次永久凍土帶、大陸斜坡和大陸隆起的沉積物中，但是在深海平原地區推測可能沒有可燃冰分布。這表明可燃冰的形成不僅受溫度與壓力要求的限制，還受大陸附近的甲烷含量的制約。(來源：Timothy S Collett，USGS)

可燃冰的分布是受穩定區(GHSZ)限制的。圖2就是全球GHSZ預測厚度分布圖。GHSZ厚度分布圖可以代表可燃冰潛在的分布范圍，但是并不能真實表明沉積物中可燃冰的含量。

圖2 全球GHSZ預測厚度分布圖

最厚的穩定區(600-800)主要分布在高緯度地區(北極和南極地區)，因為底部水溫低，這是可燃冰形成必備的條件。GHSZ延伸部分可以分布到大陸邊緣(>500米)，這個地方沉積層序厚，因此在其之下有游離氣聚集。請注意，這種全球GHSZ的定義給出了可燃冰可能存在的上限。(來源：Burwicz et al 2011)

來自Boswell(2011)的熱點圖像給出了不同可燃冰系統組成的概括描述(圖3)。A和B樣品表示大量的可燃冰是在含水合物海洋粘土中形成的。C樣品表示含水合物的海洋沙。D和E樣品代表海底土丘(露頭)和含水合物粘土(細而分散，成巖性很差)(圖4、5、6、7、8)。

在GHSZ(Milkov and Sassen, 2002)內，根據流體運移模式和可燃冰富集程度可以確定和區分3種主要的可燃冰聚集類型。

圖3 熱點圖像：不同可燃冰系統組成的概括描述。典型的可燃冰藏形態包括：(A)充滿可燃冰的脈狀網絡；(B)巨大可燃冰晶體；(C)海洋沙中顆粒充填的可燃冰；(D)巨大海底土丘；(E)海洋粘土中顆粒充填的可燃冰；(F)陸上北極砂/礫巖中顆粒充填的可燃冰。

圖4 A-可燃冰脈狀充填網絡；B巨型可燃冰晶體

圖5 C –海洋砂中顆粒充填的可燃冰(日本)

圖6 D – 巨型海底土丘(美國墨西哥灣)

圖7 E – 海洋粘土中顆粒充填的可燃冰

圖8 F – 陸上北極地區砂巖/礫巖中顆粒充填的可燃冰

目前已知可燃冰在陸地和海洋環境中都有發現。已經在極地地區的陸地永久凍土帶以下的沉積物中發現了可燃冰。而海洋里主要分布在地球外大陸邊緣的沉積物中。在海洋環境中，開放的海洋下面的沉積物中，幾乎沒有有機碳沉積，那里生命稀少，因此通常也很少出現可燃冰，即使是溫度與壓力適合可燃冰的形成。海洋沉積物中有機碳的90%以上是分布在大陸附近的相對較淺水域。在海平面下降到更低的時候，有機碳就沉積在今天大陸邊緣更遠一點的地方，比如現在的大陸斜坡等地方。因此，目前發現的海洋可燃冰大部分都是位于較遠處的大陸邊緣或者大陸斜坡的沉積物中，常常與其它烴類的沉積相伴生，比如石油與天然氣(圖9)。

圖9 可燃冰分布環境示意圖

在北極和海洋環境中可以形成可燃冰。(來源：Energy Resource Potential of Methane Hydrate)

此外，在內陸湖泊和大海的深水的沉積物中也有可燃冰分布。根據2009年9月25日國際在線報道，我國在青藏高原也發現了可燃冰，是世界上第一次在中低緯度凍土區發現天然氣水合物，也是繼加拿大1992年在北美麥肯齊三角洲、美國2007年在阿拉斯加北坡通過國家計劃鉆探發現天然氣水合物之后，在陸域通過鉆探獲得天然氣水合物樣品的第三個國家(圖10)。

圖10 青海省天峻縣木里鎮祁連山南麓“可燃冰”鉆探現場

2002年，由日本、加拿大和美國組成的國際聯合研究隊在加拿大北極地區Mallik人類第一次進行了短期的生產測試，結果表明甲烷確實能夠從可燃冰中開采出來(圖11、12)。與此同時，大洋鉆探計劃(Ocean Drilling Program)正在俄勒岡沿岸海上執行的ODP Leg 204，發現了可燃冰高富集區域，這就是我們今天稱之為水合物脊(Hydrate Ridge)。幾年以后的2005年，國際大洋鉆探計劃(International Ocean Drilling Program)完成了IODP Leg 311，該項目包括在溫哥華島沿岸海上4個地點進行；常規取芯和高壓取芯。在這個區域的粗粒沉積物發現了可燃冰。

圖11 加拿大西北北極地區的Mallik井位置圖(來源：USGS)

圖12 加拿大西北北極地區的Mallik井現場圖。(來源：USGS)

圖13 在2008年Mallik地點使用減壓技術進行測試期間天然氣點火情況 (來源：Natural Resources Canada and Japan Oil,Gas,and Metals National Corporation)

在2007年和2008年，日本和加拿大的研究人員又回到了Mallik地點，進行了較長時間的生產測試，測試的目的層是接近可燃冰穩定區(MHSZ)底部的含可燃冰層。為期6天的壓力降低測試使得從可燃冰中獲得了穩定的、持續的天然氣流(圖13)。

最近幾年，美國、日本、印度等聯合開展國際研究，在多個地方取得了令人矚目的成果(圖14、圖15、圖16)。中國在中國南海、韓國在東海(East Sea)等也取得了重大成果。

圖14 JIPLeg II項目在美國墨西哥灣鉆井位置圖。(Energy Resource Potential of Methane Hydrate)

圖15 印度國家可燃冰計劃鉆探地點圖

圖16 世界各可燃冰計劃分布圖(Timothy SCollett et al，2009)

IODP = Integrated Ocean Drilling Program; UBGH1 = Ulleung Basin Gas Hydrate Expedition 1; ODP =Ocean Drilling Program; JIP = Joint Industry Project; METI =Ministry ofEconomy, Trade, and Industry; GMGS = Guangzhou Marine Geological Survey; NGHP =India National Gas Hydrate Program.

2.人類何時、怎么發現可燃冰的？

對于天然氣水合物的研究是困難的，因為其在地球表面的條件下很快分離了。早在1810年英國化學家Sir Humphry Davy首次在實驗室制出籠形水合物(Clathrate Hydrate)(圖1)。在其后的一百多年里，一直是研究機構對其研究感興趣，但是科學家認為天然氣水合物在自然界是不可能存在的。

圖17 英國化學家Sir Humphry Davy，1778年12月17日生于英國康沃爾郡彭贊斯，1829年5月29日卒于瑞士日內瓦。(來源：Wikipedia)

然而，直到1930年代天然氣水合物作為油氣管道中工業災害而被人們認識的。當時，隨著天然氣開始作為燃料被廣泛應用并通過管道輸送，一些管道內由于出現一種冰的東西堵塞了管道，使得天然氣輸送受阻。后來被證實這些冰就是天然氣水合物。因此，被認為是工業災害。在其被發現后的幾十年里，研究的重點主要是如何阻止天然氣水合物在管道及相關設備內形成。

到了1960年代，研究重點開始發生了變化，這時俄羅斯科學家發現了自然界天然氣水合物自然存在的重大證據。

圖18 可燃冰發現者Yuri F. Makogon

1965年，Yuri F. Makogon實踐證明自然界巖石中有可燃冰，1969年得到蘇聯正式承認并注冊。在其60多年的油氣研究與實踐生涯中，出版6部可燃冰專著，發表270多篇科學論文，擁有27項專利。他1990成為俄羅斯自然科學院(RANS)正式院士，并擔任油氣委員會主席。他還是國際石油工程師學會(SPE)首任主席，并在1991-1993年任SPE俄羅斯分會主席，也是國際SPE會員。(來源：Makogon網站)

1963年，Yuri F. Makogon當時居住在前蘇聯雅庫特自治共和國(現薩哈共和國)西北部，是Moscow Oil-Gas Gubkin Institute石油工程碩士研究生。他參與了Markhinskaya井的鉆井工作，鉆至1800米深度時，井下溫度為3.8°C(圖4)。該井揭示了在1450米深度時地層溫度為0°C的一套巖石，這里永久凍土帶的下限在1200米深左右。Yuri認識到這套巖石與可燃冰形成的條件相匹配。他認為在如此冰冷的地層中可能存在可燃冰并聚集。他的這個看法受到專家們的嚴重懷疑，而且這種想法也需要實踐驗證。1965年，Yuri最終通過實踐證明了可燃冰在多孔隙巖石中可以大量聚集(圖5)。1969年，這個發現被蘇聯正式承認并登記注冊。今天，Yuri被正式公認為是自然界可燃冰的發現者。

圖19 俄羅斯薩哈共和國位置圖(雅庫特)(來源：Wikipedia)

圖20 Markhinskaya No. 1井溫度-深度記錄曲線(來源： Makogon, 1966)

圖21 Yuri F. Makogon 1966年發表的論文《Features of NaturalGas Fields Exploitation in Permafrost Zone》

直到1970年代后期至1980年代早期開展的深海鉆探計劃(Deep Sea Drilling Program)等一系列的研究與考察，可燃冰在自然界中廣泛大量的存在才被認識與確認。1978年，俄羅斯Gazprom VNIIGAZ一個團隊獲得Lake Baikal4底部可燃冰形成的證據。

不斷增長的能源需求與大家對氣候變化的關心，使得人們對可燃冰中巨量甲烷的興趣越來越大，人們越來越關注可燃冰。其結果使得在過去二十多年里對可燃冰的調查、研究得以加速，自然環境下可燃冰科學發現的步伐持續加快，重大發現接二連三。

圖22 可燃冰發現與研究的簡單歷程(來源：Frozen Heart)

工業領域還是將重點放在減輕生產與運輸設施方面形成的有害的可燃冰，開始投資研究這種可燃冰對深水和北極地區能源開發造成的災害。在學術界，通過國家計劃支持，開展對可燃冰基本的物理化學進行研究，開展可燃冰對沉積物的物理性質影響進行研究等，這些都取得了重大成果。通過這些研究，我們對可燃冰在全球環境變化過程中所起的作用有了進一步的認識，包括自然地質災害、長期碳循環和全球氣候變化等(甲烷是一種嚴重的溫室氣體)。

然而，目前對可燃冰進行研究的主要驅動力是可燃冰作為一種能源資源利用的前景如何。對于世界上能源需求不斷地穩步增長，而未來能源供應又不確定，這種可燃冰中天然氣資源廣泛而大量地存在不斷激勵著眾多國家加強研究調查、加大投資。

可燃冰的研究也從最初的單個科學家個人研究不斷地向多國合作研究轉變。因此，政策制定者、商界領袖和普通公民現在都熱衷于討論可燃冰最合適的研究與發展方向、管理以及資金問題。全球范圍內廣泛分布大量的可燃冰引起了眾多的社會與科學關注。

截止到目前，可燃冰已經在墨西哥灣、北美Cascadia大陸邊緣、黑海、里海、鄂霍次克海、日本海和大西洋南北等海底10到30米厚的淺層沉積物巖芯中采集到。

可燃冰也已經在美國海岸更深的海底取得到了，沿著美國和加拿大的Cascadia陸源、中美洲的海溝、秘魯海上、印度海上、中國海上和韓國海上以及日本東西邊緣等更深的等。

美國認識到了可燃冰研究的重要性，并根據協調研究機構的需要，國會于2000年5月2日頒布了《2000年天然氣水合物研究與開發法案》(Public Law 106-193)。該法案呼吁能源部長與聯邦其它機構一起協商開展可燃冰研究與開發計劃。這些聯邦機構有：國家科學基金、商務部國家海洋大氣管理局(NOAA)、國防部海軍研究實驗室、內政部礦產管理局和地質調查局等。2005年8月，又對此進行了修改補充，增加了土地管理局。

與此同時，日本國際貿易與產業省已經開始實施了一個新的可燃冰研究計劃，也就是在南海海溝(Nanjai Trough)開展尋找可燃冰的勘探鉆井項目。這也是目前我們所知道的最早開始的項目。其它國家也先后開展了可燃冰的研究與開發計劃，比如印度、中國、加拿大和韓國，都開展了大規模的可燃冰研究與開發計劃。這些國家積極開展，也導致重要科學研究與鉆探及生產測試投資大幅度增加。這些項目主要有：

★Ocean Drilling Program Leg 164 (1995)

★Japan NankaiTrough Project (1999～2000)

★Ocean Drilling ProgramLeg 204 (2004)

★Japan Tokai-‐okito Kumano～nada Project (2004)

★Gulf of Mexico JIP LegI (2005)

★Integrated Ocean Drilling Program Expedition 311 (2005)

★Malaysia Gumusut-‐Kakap Project(2006)

★India NGHP Expedition 01 (2006)

★China GMGS Expedition 01 (2007)

★Republic oLeg II (2009)

★Republic of Korea UBGH Expedition02(2010)

★MH-‐21Nankai Trough Pre-‐Production Expedition(2012～2013)