摘要：主流说法认为:“可燃冰是石油枯竭后首选的替代能源”，因为它的储量足够人类用千年。但本文从成矿时间跨度、矿层厚度等方面论证了“全球可燃冰应比煤炭石油少”。又从开采能耗和环境风险方面分析，也可得出“可燃冰不可能成为替代石油主能源”的结论。 目录: 一、可燃冰的生成； 二、可燃冰全球分布； 三、发现过程及开发状况； 四、储量估计； 五、对可燃冰估计储量的质疑； 六、可燃冰的开采方法； 七、开采难度及能耗； 八、开采的环境风险。 可燃冰是固体状态的天然气水合物，主要是甲烷分子(俗称沼气)被水分子组成的笼子包裹而成的冰状物质。燃烧后生成C02和水。可燃冰大部分储藏在深海沉积物中,少部分在陆地永久冻土层内。据称此物可成为常规石油天然气枯竭后的主要替代能源，并可供人类用1000年。[㈠] 这是科学预言还是充饥的画饼？本文将从其生成、分布、储量、开采难度、开采能耗、环境影响等方面逐一剖析。 一、可燃冰的生成 科学家们对可燃冰中甲烷的碳同位素含量（δ13C < -60‰）分析发现:其具有细菌性的同位素特征。以此推测可燃冰中的甲烷(CH4)是由有机物在细菌作用下生成的。而不是无机形成，更不是由慧星带来的。海洋生物粪便及遗体,大部分被细菌分解成可被浮游植物吸收的无机物。也有少部分沉入海底,其中的大部分被底栖生物利用后还可能有残存。加上底栖生物未被分解的粪便及遗体，以及陆地冲入海底的有机物，在海底至几厘米内的有氧环境里，其中的碳水化合物可被好氧细菌分解成CO2和水，硫酸盐会被转变成硫化物。如果仍有残存, 则因上层沉积物覆盖而进入缺氧环境。在多种厌氧菌作用下,碳水化合物可转化成甲烷。再经多年覆盖加压,沉积物发生岩变，这些甲烷藏在多孔岩石中，当压力达到30个大气压以上，温度在0~100C，甲烷分子被周围结冰过程中的水包围，而形成天然气水合物，即可燃冰。 其形成条件有三：一是低温，0~10℃，超过20℃便会分解;二是高压，0℃时需30个大气压;三是充足的气源有机物沉淀。 至于陆地可燃冰，从已开采可燃冰的西伯利亚油气田来看，常规气油田上层天然气从盖层逸出，在低温高压下被冰包围,形成了可燃冰。由这一环境可燃冰碳同位素δ13C -29至-57 ‰也可证实,其甲烷气源是被热解后的有机物质生成的。 可燃冰密度约 900公斤/米3。由其分子式CH4.8H2O可算出每米3可燃冰含90公斤甲烷,溶化后在标准状况下可获125.5米3 的甲烷气。[㈡] 二、可燃冰全球分布 已发现海底可燃冰主要分布区是:大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等;西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、日本南海海槽、苏拉威西海和新西兰北部海域及我国南海北部陆坡东沙群岛以东海域等;东太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亚滨外和秘鲁海槽等;印度洋的阿曼海湾;南极的罗斯海和威德尔海;北极的巴伦支海和波弗特海;大陆内的黑海与里海等。 上述海域中，在水深大于 300 米的海底, 沉积物厚度500米以上为溶解态甲烷;300~500米内为可燃冰层，藏于多孔岩石的孔隙中(简称冰藏层)；小于300米气态甲烷(简称气藏层)。 永久冻土中的可燃冰主要在于阿拉斯加和西伯利亚,藏于800米以深的砂岩或粉沙岩岩床中。青藏高原冻土带也有发现。 三、发现过程及开发状况 1965年在西西伯利亚永久冻土带首次发现,至2011年全球已有116处发现了可燃冰。 至于商业开采，至今只有西西伯利亚西北部麦索亚哈常规气田以上的可燃冰,从1970年至2010年，已开采了41年。此例只是陆地常规气田溢出天然气形成的可燃冰，而冻土独立存在的可燃冰藏，特别是主要储藏区的海底可燃冰藏，至今尚无商业开采实例。 进展最快的日本，2013年3月12日从爱知县渥美半岛以南80公里处海域，向下1000米的海底挖入330米，从60米厚的可燃冰层中提取出甲烷。[㈢]为全球首例在从海洋获得可燃冰中的天然气，而达到技术成熟并进行商业化生产,只是希望2018年实现,并非肯定实现。美国从1969年开始调查,1998年列入国家级长远计划，2015年进行商业性试开采。中国2005年4月在南海北部陆坡东沙群岛以东海域发现了大量的自生碳酸盐岩。2007年5月首次采样，计划在2006年~2020年调查，2020年~2030年开发试生产，2030年~2050年进入商业生产阶段。这些还只是想法。 四、储量估计 气体联合会（PGC，1981）估计，永久冻土区天然气水合物资源量为1.4×1013～3.4×1016米3，包括海洋天然气水合物在内的资源总量为7.6×1018米3。按孔隙率0.9%~1.5％和每米3含甲烷90公斤计算, 甲烷总含量至少达6.16*1015吨。2009年全球能源消費121.5亿吨标准油。照此计算，可燃冰全部开采可供人类使用50万年! 后来,大多数人认为储存在水合物中的碳至少有1×1013吨，约是当前已探明的所有化石燃料（包括煤、石油和天然气）中碳含量总和的2倍。折成甲烷为13.33万亿吨。[㈣] 按2009年全球能耗也夠人类用1100年，这大概是“海底可燃冰储量够人类使用1000年”的依据吧！ 再后来,强制采用直接取样的方式估计，全球可燃冰含量 1×1015 ~ 5×1015 米3; 大约5000至25000亿吨碳, 折甲烷6650~33250亿吨，按2009年全球能耗也夠人类用55~275年。 五、对可燃冰估计储量的质疑 1、上述估计掌握的资料充足吗？ 上述可供人类使用50万年的估计是在1981年，当时全球才在6处海底岩心发现可燃冰，显然资料太少,很快被后来的估计数否定。即使最新的强制采用直接取样方式估计，2011年止全球也只在116处发现可然冰。按估计的全球4000万平方公里分布面积计算,平均每采样点覆盖34万平方公里。我国黄海38万平方公里，试想如果在黄海某处海底某深度采集一块含可燃冰的岩芯，能夠推算出整个黄海海域可燃冰的资源量吗？ 2007年5月才在南海首次采样，就能证实中国南海北部蕴藏“丰富”的可燃冰资源吗？2009年9月在青藏高原发现了可燃冰,就可估出200多万平方公里青藏高原地下,至少有350亿吨油当量的可燃冰，并预计十年左右投入使用吗？作出估计的人是科学家还是神仙？ 2、可燃冰藏覆盖面积真有4000万平方公里吗？ 已发现海底可燃冰主要海域面积分别为:墨西哥湾154.3万平方公里(下同),加勒比海275.4,白令海230.4,鄂霍茨克海159,日本海101,苏拉威西海43.5,南海东沙群岛东陆坡约4.5,加利福尼亚滨外17.7,巴伦支海140.5,黑海42.3,合计1168.6万平方公里。[㈤] 其余为面积较小的海沟、海槽及陆缘。而这些海域中，平均水深大于1500米的面积达807.6万平方公里，占上述面积69%。大于2000米的面积占27%。在总面积中扣除小于200米深的大陆架和大于2000米深的大陆隆，可燃冰覆盖总面积充其量不超过600万平方公里。不知“可燃冰藏覆盖面积4000万平方公里”是如何算得的？ 3、可燃冰成矿时段比石油和煤炭少得多。 石油成矿的地质年代主要集中在石炭纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪。即3.62~1.35亿年前,历经2.27亿年。[㈥] 煤炭成煤期主要在石炭纪~白垩纪, 即3.62~0.65亿年前历经2.97亿年。其中石炭纪、二叠纪和白垩纪最多，历经1.82亿年。[㈦] 海洋可燃冰藏分布在海底以下300~500米深多孔的碳酸盐岩内，它是由海水钙质生物软泥和碎屑逐层堆积而成。其沉积速率十几米至几十米/百万年。[㈧] 按最慢的10米/百万年计算，200米的沉积物也只需要2000万年。可燃冰、石油及煤炭都是由未被细菌彻底还原的有机物演变而成的。假如全球未被彻底分解的有机物,在单位时间内接近相等，按成矿时间跨度推算，演变成可燃冰的未分解有机物，只有演变成石油的未分解有机物1/10。煤炭主要是未彻底分解的陆地植物残骸演变而成，陆地生物总量远比海洋多，这就决定了全球煤炭资源总量比石油多，更比可燃冰多。可燃冰资源量怎么可能比煤炭石油总量还多呢？ 4、高纬度海洋残存有机物应比低纬度少。 目前正在进行海上可燃冰试采研究的日本、加拿大和美国，试采位置都在高纬度海域。可燃冰形成条件之一是低温，资源量也会隨纬度降低而减少。相反，石油资源最多的中东和委内瑞拉都处于低纬度区域。无论陆地和海洋，生物量分布总是隨纬度升高而减少，未彻底分解的有机物也会隨之减少。况且，甲烷的形成最终要由产甲烷菌来完成，而产甲烷菌繁殖最佳温度30~400C，<500C土壤中温度每降低100C，CH4量下降2~3量级。[㈨] 从这个角度分析，全球可燃冰资源量不应比石油多。 5、可燃冰藏厚度比油藏薄, 可燃冰资源体积比煤矿小得多。 世界巨型油田深度约为4000~6000米，[㈩] 可燃冰藏厚度只有200米。在孔隙率相同的情况下，每平方公里柱体孔隙总体积, 可燃冰藏只有油藏的3.33%~5%。况且单位体积孔隙内可燃冰含有80%的水，也比石油多。从这个角度上分析可燃冰总量应比石油少得多。目前开采的煤层厚度约为600~800米,在同一柱体内主要是煤而不是岩石，所以每平方公里柱体煤田的煤资源量比石油资源多，更比可燃冰资源量多。可燃冰资源量也不可能比煤炭、石油多。 六、可燃冰的开采方法 据介绍，目前试采主要用三种方法： 一是热激发开采法,向井内注入热流体加热、火驱法加热、井下电磁加热以及微波加热，至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题； 二是减压开采法，钻井内注入低密度泥浆达到减压目的。当可燃冰藏层的下方含有游离气或其他流体时，泵出游离物减少冰藏层内压力而使冰融化。日本爱知县试采成功也是用减压法。其原理是：用泵在封闭的井筒把海水抽出海面，以降低井筒内压力。因井壁在冰藏层(60米厚)有许多开孔与井周岩层相通，井内减压传递到井外，可使冰藏层岩缝减压，导致“冰笼”融化，甲烷气逸出。再用泵从另一个通道抽出海面; 三是化学试剂注入开采法，注入某些化学试剂，如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，破坏冰藏层的相平衡条件。此法费用昂贵，作用缓慢，并引起环境问题。 还有两种新思路：一是CO2置换开采法，向冰藏内注入CO2气体，可能将天然气水合物中甲烷气置换出来，生成CO2水合物;二是固体开采法，原地分解为气液混合相，采集气、液、固体水合物的混合泥浆，将泥浆导入海面作业船或生产平台进行处理。 加拿大先在冰层中打许多很深的孔，然后借助大量抽水机降低打孔带来的重压，从而让有用的甲烷气体从海水中分离出来，慢慢浮至人力便于提取的深度。 七、开采难度及能耗 石油开采不仅可从钻井中自喷、抽取，还可在生产井周围注水加压。因为油藏内岩缝所存的是液体，可以沿缝隙流向油井的导油管，被油泵抽到地面。海上油田虽难通过注水加压，但原油仍可被抽到平台上。陆地上的油页岩可采取地表挖掘和井下开采的方法。可燃冰矿是存于海底岩石孔隙中的固体,不能自行流动用泵抽取，也不能挖掘，必须先融冰再抽气。 1、采用热激发法开采的能耗：⑴井壁向海水散发的热量，水越深越热损失越多；⑵钻井进入海底后到达冰藏层前向周围沉积物或岩层散发的热量，无冰藏的岩层越厚热损失越大；⑶在冰藏层内被多孔岩石吸收的热量，因为孔隙率只有0.9%~1.5％，要使孔隙中的冰溶化，必须把98.5%-99.1％的岩石也加热到00C以上,孔隙率越低热损失越大；⑷克服孔隙内可燃冰的潜热，每公斤冰消耗80大卡的热量； ⑸平台建设、压入热流、抽取天然气和水的能耗；⑹抽到平台上的天然气压缩成液体及运回陆地耗能，钻井平台离岸越远耗能越大。所有这些能耗只可换得孔隙内可燃冰包裹甲烷的燃烧值。假如孔隙率为1%,则把1米3岩石升到00C以上,可获得0.9公斤天然气，约为9000大卡热能。上述6类能耗只有小于9000大卡时才具有开采价值。 2、采用减压法开采的能耗： ⑴抽取海水的能耗：在海洋中每加深10米增加1个大气压。进入海底岩层，每加深4米增加1个大气压（岩石密度按2.5吨/米3估计）。以日本爱知县为例，可燃冰在1000米深海底的330米以下的岩层中，自然压力可达180个大气压，要抽取海水减至30个大气压以下才能使岩缝中可燃冰融化。海水越深，无冰藏的岩层越厚，要抽的海水越多；⑵压力传递的能量损失：岩缝中可燃冰变成流体后才易于传递被降低的压力。缝隙率越低，离井壁越远，压力传递过程中能量损失越大；⑶抽取天然气的能耗，钻井越深，单井产量越低，获得每米3能耗越大；⑷分离能耗；⑸平台建设能耗；⑹天然气压缩及运回陆地能耗。 3、可燃冰开采的难点：一是海水的腐蚀性。无论是热激发法，还是减压法，都需抽取或压入海水。对设备的腐蚀不可避免;二是热能（或压力）传递困难。输入热能（或降低的压力）最初只能融化井壁周围的岩缝中可燃冰。随投产时间推移，需要融化的可燃冰离井壁越远，能量传递损失越大。当所获能源少于所耗能源时，此井只好报废，另建新井显然又增加了能耗和其它资源及成本; 三是可燃冰溶化后生成80％的水，加上热流水与气混合，与常规天然气开采一样，水的侵入封闭孔隙，阻塞气流。也需另外用深水泵抽水，从而增加能耗。[11] 至于用C02置换甲烷，不仅要考虑C02从电厂烟气中分离、压缩、运至钻井平台及压入冰藏层的能耗，更要解决如何让C02分子钻入“比钻井断面大上万倍岩层”，再钻入“无数个孔隙的冰笼子”的技术难题。 八、开采的环境风险 1、甲烷泄漏：泄漏的可能性包括：⑴冰藏层以上的岩层气态甲烷泄漏。如前所述，海底的下300米深以内(甲烷气藏层)，因其所受压力,不足以使孔隙水形成包裹甲烷分子的笼形结构。但海水及沉积物向下的压力，大于或等于甲烷气向上的浮力，致使其中所存甲烷以气态存于多孔岩石中。在可燃冰开采建设及投产后，因强力的机械震动可使钻井附近的地层结构疏松，打破原有的压力与浮力的平衡，致使少部分甲烷气向海水中逃逸。更主要的是在投产后，持续将热流经钻井注入“冰藏层”，必经“气藏层”。井壁散发的热量逐渐对气藏层岩石加热，气体膨胀，经缝屑升至海底冲入海水中。投产时间越长，气藏层被加热的范围越大，逃逸的甲烷气越多。⑵冰藏层内的可燃冰被热流溶化后，在向钻井方向移动时，既有气管的负压引导，也有热流的阻挡，所以逸出的甲烷气还可能向上移动。如果冲破冰藏层与气藏层界面，就可能经气藏层进入海水中。 进入海水中的甲烷至少有两种危害：一是在海水中被氧化成C02和水，消耗周围的氧气，可引起部分海洋生物窒息死亡;二是未被氧化的甲烷气最终冲破海面进入大气层。向大气排放1吨甲烷气引起的温室效应，是排放1吨C02的20倍。只要向大气排放28.75亿吨甲烷，大气甲烷浓度就增加1ppmv(即按体积计算的百万分之一)。[12] 工业革命前的1750年至2005年，大气甲烷浓度从0.715ppmv增加到1.774ppmv, 255年只增加了1.059ppmv。1905~2004年的100年全球年平均气温增加了0.740C,其中0.190C是由甲烷浓度增加1.059ppm所致。[13]假如石油枯竭后,全球能耗还保持2009年121.5亿吨标准油的水平，那么只要用可燃冰获得的甲烷取代25%的能源，每年就需消耗30.4亿吨甲烷。再假如每采10吨甲烷泄漏1吨到大气中，则只需15年就可使大气中甲烷达到2005年前255年的增量。[14] 人们对岩缝中甲烷的泄漏，抓不着看不见。井管直径数以米计，冰藏范围数以千米计，要想把泄漏量控制在1/10以内，恐怕难以实现。 2、淡水混入海水：可燃冰藏的孔隙中含80％的淡水，融冰后可能被抽出井口倒入海水中，也可能隨甲烷气的泄漏渗入底层海水。从而改变周围海水的盐度、温度和密度。有可能改变海流方向，影响附近生物的生存环境。 3、海床崩塌,诱发地震海啸；从海岸到深海，海底地形从平缓的大陆架进入较陡的大陆坡。可燃冰藏就分布在大陆坡上，虽然全球大陆坡平均坡度只有4度多，但多数崎岖不平，局部陡坡甚至达40度以上。[15] 隨可燃冰开采进展，岩石孔隙的水气流失增多，支撑力减弱。加之机械震动引起结构松动，可形成滑坡、崩塌。部分可燃冰藏分布在环太平洋地震带，若在此区域崩塌可诱发地震，甚至形成海嘨。崩塌还可能导致大量甲烷泄漏。 4、引发旋涡:如果有大量气泡从岩缝中快速逸出冲向海面，可形成巨大旋涡，导致沉船。 综上所述，按理论推测，可燃冰的资源量应比石油、煤炭少得多。从热损失及环境影响分析，可燃冰也很难成为石油枯竭后的主要替代能源。科学家们应在技术成熟并经环境资源评价后再宣布研究成果。而对新能源存量估计更应在掌握充分资料基础上再行公布，以免误导公众特别是政界。决不能为争名抢功，用画饼给人类充饥。 2013/4/7~12，6/5 -------------------------------------------------------------------------------- [㈠] 本文除注明外，均参考“百度百科名片”—天然气水合物。 [㈡] 900*(16/16+8*18)=90 公斤;90 /0.717=125.5米3。 [㈢] 见2013年第6期《科学世界》“日本海底开发可燃冰”。 [㈣] 1*1013 *16/12。 [㈤] 东沙群岛东陆坡面积按《大百科全书》中国地理卷“中国的近海”条目南海附图测算，其余面积据冯土筰等《海洋科学导论》高等教育出版社1999年版P.24-25。 [㈥] 百度知道：石油生成的主要地质年代2008-06-06。 [㈦] 马学昌：《煤炭资源开发及其利用前景》地质出版社1994年版p.11。 [㈧] 吕炳全等《海洋环境与地质》同济大学出版社1997年版P.157。 [㈨] 见王明星：《大气化学》气象出版社1999年版p.110。 [㈩] 参见张厚福等：《石油地质学》石油工业出版社1999年版P.312。 [11] 参见百度名片“天然气”。 [12] 1ppm大气质量=1.013公斤*10-3*104*106*5.1*108*10-8*10-6=51.66亿吨。甲烷分子量16，空气平均分子量28.75，1ppmVCH4=51.66*16/28.9=28.75亿吨。 [13] 据政府间气候委员会第4次报告数据计算。2005年自然和人为相对于1750年各种因素辐射强迫总和1.84w/m2，其中甲烷浓度增加引起0.48w/m2，近百年增温0.740C。甲烷增温贡献=0.74*0.48/1.84=0.1930C。 [14] 据IPCC第4次报告,2004年CH4排放=490*14.3%=70.07亿吨CO2当量，70.07/20=3.5亿吨甲烷，1990~2004年的年排放近似,14年累计排放49亿吨甲烷。1990浓度1.732PPmv，2004年1.774PPmv，大气累计增加了=28.75*(1.774-1.732)=1.2亿吨.大气每年清除=(49-1.2)/14=3.4亿吨。因清除能力不变，在原有3.5亿吨排放量中扣除，化石能源工业排放的1亿吨(见《全球变暖》P42)后，仍排放2.4亿吨。若可燃冰年产30.4亿吨，泄漏1/10，每年排放3.04亿吨，则每年增加积累量=2.4+3.04-3.4=2.04亿吨。因积累增加30.4亿吨可升温0.19度(见注11)，则升温0.19度需年数=30.4/2.04=15年。 [15] 见《海洋科学导论》P.28。 |
