在浩瀚的大西洋，有一處被稱(chēng)為“百慕大三角”的海域，自1945年以來(lái)，有數以百計的飛機船只在這里神秘消失、石沉大?！?div style="height:15px;">
△百慕大群島、波多黎各和美國佛羅里達州之間神秘的三角地帶
近期有科學(xué)家從可燃冰“分解”的角度解釋了百慕大三角之謎：海底猛烈的地震活動(dòng)“翻”出了深埋的可燃冰，壓力減小，可燃冰迅速氣化，氣流上升導致海水密度降低，浮力減弱，過(guò)往的船只瞬間被海水吞沒(méi)；飛機經(jīng)過(guò)，發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生的火花導致天然氣爆炸、機毀人亡。
△百慕大海底的可燃冰
可燃冰也許就是百慕大的神秘“殺手”，但人類(lèi)看重它清潔、高效的特點(diǎn)，認為它就是可以倚重的未來(lái)能源。耳熟能詳的可燃冰，你是否真的了解？今天讓我們共同走進(jìn)可燃冰的世界。
< 背景知識 >
一、什么是可燃冰？
可燃冰，即天然氣水合物（Natural Gas Hydrate），水和天然氣在一定條件下形成的結晶化合物，其外觀(guān)像冰，但遇火可以燃燒。
△90%可燃冰的氣體成分為甲烷
△可燃冰分解會(huì )吸熱，燃燒產(chǎn)生水
△可燃冰的形成復雜多樣，開(kāi)發(fā)方式各有不同
二、可燃冰的形成和結構
海底的動(dòng)植物殘骸被細菌分解釋放出天然氣(以甲烷為主)；板塊運動(dòng)導致地殼深部的天然氣上涌，在高壓低溫的海底環(huán)境下，與水結合，形成了可燃冰。
△形成可燃冰的三個(gè)必要條件：低溫，0~4℃；高壓，30個(gè)大氣壓（0℃）；甲烷遇水
甲烷氣體分子被包圍在水分子搭建的“籠子”中形成可燃冰。
△ 籠狀多面體格架：mCH(2m+2)?nH2O，m表示水合物中的氣體分子，n為水合物指數
這些“籠子”結構不同，形態(tài)各異，總體而言可以分為三類(lèi)：Ⅰ型（氣體為甲烷、CO2等）、Ⅱ型（丙烷、異丁烷等）和H型（H2、丁烷等）。
△氣體分子不同，籠架結構不同
< 可燃冰在哪里？ >
全球大約27%的陸地和30%的海底具備形成天然氣水合物的地質(zhì)條件（海底、海島斜坡帶、大陸與海洋邊緣帶、極地大陸架及陸地凍土帶）?？扇急芰棵芏雀?、環(huán)保無(wú)污染，前景被廣泛看好。
一、分布廣儲量大
△海底以甲烷氣體為主，陸地永凍區以乙烷和其他烴類(lèi)為主
△世界可燃冰分布圖（紅點(diǎn)表示已探明產(chǎn)地，黃點(diǎn)表示推測產(chǎn)地）
△在天王星、土星及哈雷彗星等星球上也有可燃冰的存在
保守估計，全球海洋中可燃冰儲藏的碳含量約為1.2萬(wàn)億噸；而陸地上已探明儲量約有0.5萬(wàn)億噸，相當于所有探明化石能源碳總和的2倍。什么概念？足夠人類(lèi)使用1000年！(⊙o⊙)…
△全球可燃冰潛在儲量
△全球天然氣資源儲量構成圖
二、能量密度高
1立方米可燃冰能釋放160-180立方米的天然氣，也就是1立方米就可以滿(mǎn)足3口之家半年的天然氣使用需求。
三、環(huán)保無(wú)污染
可燃冰燃燒后基本沒(méi)有污染物質(zhì)，是一種更為清潔的能源。
△為治理霧霾帶來(lái)了曙光
此外，可燃冰還具有便于儲存運輸，可迅速再生等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“上帝帶給人類(lèi)的禮物”。
< “禮物”or“陷阱”？>
可燃冰是好東西，但對于可燃冰的開(kāi)發(fā)，科學(xué)家們還是持有種種顧慮。因為可燃冰的開(kāi)采過(guò)程很容易改變其賴(lài)以賦存的低溫高壓條件，導致其分解。如果在開(kāi)發(fā)中不能有效控制溫壓條件和后續氣體采集，就會(huì )給環(huán)境帶來(lái)一系列問(wèn)題。
一、溫室效應
可燃冰的主要成分是甲烷，而甲烷是一種強效的溫室氣體，其溫室效應是二氧化碳的10倍，全球海底可燃冰中甲烷的總量約為大氣中的3000倍。人為的開(kāi)采和自然擾動(dòng)，都極可能造成甲烷氣體逸散，后果難以想象。
△全球變暖導致陸地永凍土退化，可燃冰釋放，導致溫室效應加劇，形成惡性循環(huán)
△天然氣逸散將導致海水缺氧，使得海洋生物遭受毀滅性打擊
二、海底滑坡
開(kāi)采可燃冰的過(guò)程會(huì )打破地層原有的應力平衡狀態(tài)，引發(fā)海底滑坡、地震等事件，甚至還會(huì )導致海水汽化和海嘯。
△氣體逸出破壞海底結構，造成海底滑坡
△百慕大三角之謎
可燃冰是一把雙刃劍，只有具備高超的技藝才有可能駕馭它，長(cháng)期以來(lái)世界各國投入大量資金進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。
探索可燃冰的埋藏位置是進(jìn)行科學(xué)研究的第一步。
< 可燃冰勘探 >
一、地球物理勘探法
地震勘探技術(shù)被廣泛應用于識別油氣藏位置，對于可燃冰勘探也同樣適用，其本質(zhì)是發(fā)現BSR（海底模擬反射層），進(jìn)而確定大面積分布的可燃冰礦藏。
地震勘探技術(shù)詳見(jiàn)石油課堂012期文章：你所不知道的石油勘探“黑”科技
穩定的天然氣水合物層具有較高的縱波速度，而下方可能存在的游離氣體則具有較低的縱波速度和泊松比，可利用這一特殊物理參數確定可燃冰的分布范圍，半定量計算其儲量。
△海底BSR反射示意圖（Michael Riedel等，2011）
二、地球化學(xué)勘探法
地化勘探法主要利用可燃冰極易隨溫度、壓力的變化而變化，在海底淺部沉積物中形成特定的化學(xué)異常，探測這些異常就可以獲得天然氣水合物可能存在的位置。
三、海洋可控源電磁技術(shù)
海洋可控源電磁技術(shù)是一種通過(guò)在近海底或海底人工激發(fā)并接收電磁場(chǎng)信號，測量海底地層電阻率的方法。利用可燃冰電阻率偏高這一特點(diǎn)，可以測得可燃冰的埋藏范圍、深度和厚度。
△工作人員部署電磁輻射器
此外，還可以利用礦物學(xué)、遙感衛星以及各種新型技術(shù)手段來(lái)判斷可燃冰儲層位置，準確識別儲層位置是油氣藏開(kāi)發(fā)的前提條件。
< 可燃冰的開(kāi)采方式 >
目前，可燃冰的開(kāi)采方式尚處于試驗階段。具體可分為兩類(lèi)：一是與傳統油氣開(kāi)采方式相結合，通過(guò)注熱、降壓、注化學(xué)藥劑以及注二氧化碳等方式改變可燃冰的賦存條件，使其在海底分解，采集生成的氣體。
一、傳統方式
1. 加熱法
加熱法又稱(chēng)熱激發(fā)法，是將蒸汽、熱水或表層常溫海水泵入地層，利用電磁或微波加熱，促使地層溫度上升，水合物分解。
△缺點(diǎn)：造成大量的熱損失，效率低，甲烷蒸汽收集困難
2. 減壓法
減壓的途徑有兩種：一是采用低密度泥漿鉆井；二是泵出天然氣水合物層下方的游離氣或其他流體來(lái)降低天然氣水合物層的壓力。這種方法不需要連續激發(fā)，開(kāi)采成本低，適合大面積開(kāi)采。
△適用于存在大量氣體、位于溫壓平衡附近的水合物儲層
3.綜合開(kāi)采法
綜合利用降壓法和加熱法。步驟為先用加熱法分解天然氣水合物，再用降壓法提取游離氣體。
△俄羅斯Messoyakha氣田和加拿大Mackensie氣田以該方法為主
4. 注化學(xué)試劑法
從井孔向水合物層注入化學(xué)試劑，例如鹽水、甲醇等，破壞其化學(xué)平衡，促使天然氣水合物分解。
△缺點(diǎn)：化學(xué)試劑成本高、作用緩慢且容易造成污染
5. CO2置換法
相同溫度下，CO2水合物保持穩定所需要的壓力比可燃冰小。因此向儲層注入CO2氣體，促使可燃冰分解，分解產(chǎn)生的水與CO2氣體生成更穩定的CO2水合物，釋放的熱量還可以維持分解作用。
以上5種方式可以直接利用現有的油氣開(kāi)采技術(shù)，只需完善技術(shù)以便提升可燃冰的分解效率。
二、固態(tài)開(kāi)采
將可燃冰以固體形式開(kāi)采至海底，初步處理后再輸送到海面設施，然后利用海面的高溫海水對其進(jìn)行分解。
優(yōu)點(diǎn)：輸送過(guò)程中分解的氣體可以產(chǎn)生自發(fā)向上的動(dòng)力，開(kāi)采效率高。但該技術(shù)與現有油氣開(kāi)采技術(shù)差別較大、沒(méi)有成熟的系統應用經(jīng)驗。
總體而言，目前的開(kāi)采技術(shù)尚未成熟，成本較高，無(wú)法實(shí)現商業(yè)化開(kāi)采。美國和日本發(fā)布的數據顯示可燃冰目前的開(kāi)采成本高達200美元/立方米，折合成天然氣為1美元/立方米，而目前北京民用天然氣的價(jià)格為3元/立方米，顯然不具備經(jīng)濟性。
< 可燃冰研究進(jìn)程 >
可燃冰并不是從天而降。早在1810年，在實(shí)驗室里就發(fā)現了可燃冰。20世紀30年代，可燃冰作為堵塞高壓輸氣管道的“不速之客”被廣泛認識。1965年，自從前蘇聯(lián)在西伯利亞永久凍土帶發(fā)現了可燃冰礦藏后，全球掀起了研究、勘探可燃冰的熱潮，其神秘面紗正被一點(diǎn)點(diǎn)揭開(kāi)。
1970年，前蘇聯(lián)開(kāi)始商業(yè)開(kāi)采陸上天然氣水合物礦藏。
△俄羅斯麥索雅哈——第一個(gè)商業(yè)開(kāi)發(fā)的可燃冰氣田
1971年，美國學(xué)者Stoll等人在深海鉆探巖心中首次發(fā)現海洋天然氣水合物，并正式提出“天然氣水合物”的概念。1979年在墨西哥灣實(shí)施深海鉆探，首次驗證了海底天然氣水合物礦藏的存在。2012年，在阿拉斯加北坡試采可燃冰，獲得了穩定的天然氣流。
△美國阿拉斯加北部可燃冰試采地點(diǎn)——Brudhoe灣3號鉆機
日本于1992年開(kāi)始關(guān)注可燃冰，2008年完成周邊海域可燃冰的調查與評價(jià)，2013年成功在南海海槽可燃冰氣田分離出天然氣。
△日本“地球”號深海探測船嘗試從可燃冰中分離甲烷氣體
△成功從愛(ài)知縣附近深?？扇急鶎又蟹蛛x甲烷
△日本南灣海槽開(kāi)采
目前，全球有79個(gè)國家和地區都發(fā)現了天然氣水合物氣藏，30多個(gè)國家和地區在進(jìn)行可燃冰的研究與調查勘探。
△全球天然氣水合物研究項目與計劃
< 中國可燃冰戰略 >
我國的可燃冰主要分布在南海和東海海域、青藏高原及東北凍土帶。南海北部陸坡的可燃冰預測儲量高達194億立方米，相當于南海深水已探明油氣儲量的6倍。西沙海槽可燃冰的分布面積為5000多平方公里，資源儲量達到4.1億立方米。
△南海珠江口和瓊東南盆地潛在天然氣水合物分布區
有中國地質(zhì)調查局牽頭，國家從1999年起開(kāi)始開(kāi)展對可燃冰的調查和研究。
2004年，我國與德國合作，在南海北部首次獲取海底淺表層的天然氣水合物，打破我國在天然氣水合物研究上的“零突破”。
△科技人員通過(guò)海底照相機拍攝南海北部陸坡存在可燃冰的地理特征圖
2007年，在南海北部神狐海域成功鉆探，獲得了天然氣水合物的實(shí)物樣品。
△我國在南海采集巖芯樣品，白色斑點(diǎn)為天然氣水合物
2009年9月底，在青海省祁連山一帶鉆獲可燃冰樣品，成為世界首個(gè)在中低緯度凍土區發(fā)現可燃冰的國家。初略估算，遠景資源量至少有350億噸油當量。
2013年，在珠江口盆地東部海域首次實(shí)施三個(gè)航段的鉆探，圈定了天然氣水合物資源遠景區、成礦有利區，確定了鉆探目標。
我國未來(lái)“可燃冰”的研究開(kāi)發(fā)路線(xiàn)為：
2008至2020年，完成對中國海域可燃冰的勘探評估、開(kāi)采技術(shù)等前期準備工作；
2021至2035年，進(jìn)行海上商業(yè)化試采；
2036至2050年，開(kāi)展海上大規模商業(yè)化開(kāi)采。
△《中國至2050年能源科技發(fā)展路線(xiàn)圖》報告
美國借助“頁(yè)巖氣”革命不僅實(shí)現了“能源獨立”的目標，影響了全球能源供需格局，也推動(dòng)了全球能源格局向更為清潔環(huán)保、低碳排放方向轉型。而可燃冰作為一種分布廣儲量大、環(huán)保無(wú)污染的資源，若能實(shí)現經(jīng)濟有效開(kāi)發(fā)，必將緩解我國能源安全、環(huán)境保護和降低排放等多重壓力。
雖然可燃冰的開(kāi)發(fā)是一把“雙刃劍”，目前仍可望而不可及，但相信在廣大科學(xué)工作者堅持不懈的努力和持之以恒的堅守下，可燃冰的大規模商業(yè)開(kāi)采會(huì )逐漸成熟。在不遠的將來(lái)，可燃冰作為地球上儲量豐富的清潔能源，一定會(huì )照亮人類(lèi)文明！
