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对话:可燃冰能否开辟能源新时代

国际燃气网  来源:中国石油报  日期:2018-12-04
    围绕可燃冰的战略地位,创新人才培养与产业机制,推动知识、技术等要素参与商业化分配。支持有条件的高校开展科技成果“三权”改革试点,围绕校地协同创新,制定配套的经济产业专项资金扶持、税收减免、科技从业人员个税优惠等政策措施。
 
具有完全自主知识产权的全球首个海洋天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验系统。
 
  上世纪30年代,人们在铺设天然气管道的过程中,发现管道内经常被奇怪的“冰块”堵塞,后来科学家对“冰块”的结构和成分进行了分析,发现这是一种天然气和水的结合物,俗称可燃冰。
 
  目前,世界各国都高度重视该领域商业化技术发展,正在加大投入和加紧研究,天然气水合物的商业开发应用技术。
 
  近日,第十二届世界天然气水合物研究与开发大会暨中国工程院284次中国工程科技论坛在西南石油大学召开。众多天然气水合物研究领域世界顶级专家首次齐聚中国,对天然气水合物的开发与商业利用进行了深入交流探讨。
 
  可燃冰之 ,如何各个击破
 
  天然气水合物在我国海域的资源量有约100万亿立方米,南海资源量达到了85万亿立方米,是全国常规天然气储量的2.1倍以上。
 
  海洋天然气水合物赋存区域大多具有埋深浅、矿藏疏松、弱胶结或未胶结、不稳定、无致密盖层、无发育完备的生储盖等特征(非成岩天然气水合物,占85%以上),采用降压法长期开采,水合物无序分解且不可控将面临五大风险:泥砂大量入井造成堵塞停产;大量分解天然气逸散到海水中,资源浪费、采气率、产量低;海底结构变形导致生产装备失稳失控,造成生产安全风险;大量逸散天然气自由膨胀上升对海上船只造成灾难和破坏海洋生态,大量天然气进入大气层产生温室效应;长期开采,水合物矿体溃散塌陷,导致地层不稳定,引发海底滑坡。
 
  国内外天然气水合物开采技术研究和试采工程以降压法为主,均借鉴常规油气开采工艺,由于试采时间短,回避了长期开采存在的环境安全、装备安全、生产安全以及工程地质风险。
 
  除了中国外,还有 80 多个国家和地区正在进行可燃冰的研究与调查勘探。日本在天然气水合物领域已有多年技术积累,曾两次尝试开采海底可燃冰并提取甲烷。但由于海底砂流入开采井,两次试验都在中途被迫中断。目前,日本正在与德国开展技术合作,计划开发用类似固态流化法的水下机器人开采天然气水合物。千叶大学教授Hitoshi Tomaru指出,日本希望能延长甲烷水合物的开采时间,减少开采成本,目前还有一些技术难题需要突破,希望有更多企业能参与天然气水合物的开采中。
 
  2017年,西南石油大学的固态流化试采是世界首次成功实现资源量占全球90%以上、开发难度最大的泥质粉砂型天然气水合物安全可控开采。这表明我国唯一拥有完全自主知识产权的海洋“可燃冰”固态流化开采新技术获得突破性成果,使中国成为独立掌握海洋“可燃冰”试采技术、工具的国家。
 
  可燃冰开采技术具有意义重大和难度巨大的双重属性,我国可燃冰开采技术已有阶段性优势。但是在大规模工业化应用的征途中急需扩大具有完全自主知识产权的可燃冰固态流化开采技术领先优势,攻克解决一系列世界性的关键问题,才能逐步形成稳固的国际领先地位。中国科学技术协会副主席周守为院士认为我国虽然迈出了关键一步,无论是基础理论研究还是开采方法、装备、运营模式等方面都还面临着巨大挑战。三气合采,即天然气水合物、浅层气、常规气开采可能是人类早期实现天然气水合物商业性开发利用的最有效途径。
 
  西南石油大学校长赵金洲表示,水合物的有效开采,将为我国加快推进天然气大规模利用提供坚实的资源基础,为推进能源生产和消费革命提供更好的支撑条件,为保障国家能源安全提供可靠的国内依托。他还指出,水合物的有效开采在国家层面具有战略性和革命性特征,在技术层面具有前沿性和竞争性特点,是必须加快布局、尽快抢占的技术制高点和产业制高点。
 
  可燃冰之 ,如何步步攻克
 
  可燃冰进行大规模研究是在 1998年后,国土资源部成立后,开展了新一轮国土资源大调查。在大调查的框架之下,国土资源部完成了“中国海域气体水合物勘测研究调研”课题,首次对中国海域的天然气水合物成矿条件及找矿远景做了总结。2002 年,天然气水合物被正式列入国家计划,国家批准设立了水合物专项 “我国海域天然气水合物资源勘测与评价”。2007 年 5 月,成功在南海海底钻到了天然气水合物样品。2009 年,中国在陆域永久冻土区祁连山钻探获得实物样品。
 
  2012年,西南石油大学首次基于海洋天然气水合物物理特性和海洋环境特点提出了六个“利用”原理,即:利用非成岩水合物埋深浅、疏松、易于粉碎流化的地质特性实现高效破碎保证采收率;利用海底温压相对稳定不易分解的海床环境实现矿体不分解保证海洋生态安全;利用从海底到海面温度自然升高、压力自然降低的自然条件实现管道内可控气化分解保证施工作业安全;利用水合物与泥砂比重差异大、可初步分离回填部分泥砂的特性实现地质稳定保证地层与水下装备安全;利用表层温度较高的海水作为引射流体起到升温分解作用,实现自然热流促进气化分解保证开采能耗最优;利用水合物升温降压条件下自然解析、相变的物理特征实现分解气举升保证开采输送效率。回避可燃冰储层的无序分解和地质坍塌,实现了“顺其自然、变害为利、变不可控为可控”的安全绿色开采。
 
  可燃冰所处环境十分复杂,开采更是牵一发而动全身,除了优化开采方式外,还需要攻克各种技术难题。这支技术团队历经了多年协同攻关,提出了海洋天然气水合物固态流化开采原理,发明了基于该原理的模拟实验方法和技术,研制和开发了具有完全自主知识产权的全球首个海洋天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验系统,通过系统实验模拟支撑了全球首次海洋非成岩天然气水合物固态流化成功试采的方案制定和工艺流程设计。
 
  科研团队首次将海洋天然气水合物分为成岩和非成岩水合物;基于非成岩水合物特征,提出6个“利用”技术策略,首创水合物固态流化开采技术原理和水合物采掘、碎化、海水引射流化、泥砂分离回填、浆体举升、平台深度分离再回填技术工艺,其科学实质是将非成岩不可控水合物藏转变为密闭管道内可控水合物藏;发明海洋非成岩天然气水合物固态流化开采模拟实验方法及技术,实现了1500米水深、4500米管长固态流化开采全程模拟;发明和研制成功全球首个具有完全自主知识产权的海洋非成岩天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验系统。包括水合物样品制备、破碎及浆体调制,浆体高效管输与分离,实时图像捕捉、数据采集及安全控制自动化3大模块12个子系统;首次系统开展海洋非成岩天然气水合物固态流化开采实验,为试采方案制定、工艺优化设计和井下工具研发提供了依据,支持了全球首次固态流化成功试采。
 
  2017年,《Science》以“Latest Achievement of SKL of SWPU”为题报道该成果。2018年,CNKI网络发布《海洋天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验》论文,央视《新闻直播间》以此文为典型报道了“巩固学术话语权”的重大意义。
 
  可燃冰之 ,如何越走越通畅
 
  在给人类带来新的能源前景的同时,可燃冰对人类的生存环境也提出了非常严峻的挑战。目前,为了加速实现“可燃冰”工业化大规模开采,中国可燃冰的相关理论研究、技术攻关和开发实验工作正在紧锣密鼓进行中。为了实现可燃冰工业化开采,把握我国未来“可燃冰”开采的主动权,针对可燃冰发展,有如下几点建议:
 
  制定可燃冰产业发展国家战略。由国家科技部牵头,组织中国工程院、中国石油、中国科协、西南石油大学等,对可燃冰产业发展进行统筹研究、总体布局,对可燃冰开发技术进行科学规划。
 
  制定可燃冰技术体系规划和配套政策。在可燃冰发展战略指导下,加快制定技术体系规划,完善政策、资金、体制机制等配套支撑。设立专项基金,支持包括储层评价、高效钻采、高效输送、地层、工程及环境安全控制和智能水下装备等规模化固态流化核心技术的攻关、优化和成果转化。
 
  提前研究制定行业标准体系。建议国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会提前介入,研制定可燃冰工厂化作业、水平井钻井、高效排采和环保方面标准;研制海洋可燃冰勘探开发与关键设备等关键技术标准;优化可燃冰产品标准,开展上游取样、分析测试等标准研究等。
 
  加快可燃冰装备制造产业集群发展。以可燃冰固态流化开采技术为核心,以国产化为基础,以油气装备制造企业为载体,以市场化为导向,以投资、财税等专项配套政策为支撑,规划国家级可燃冰制造业示范区,布局可燃冰技术成果转化孵化基地和装备制造产业集群。
 
  制定产业人才发展体系及支持政策。围绕可燃冰的战略地位,创新人才培养与产业机制,推动知识、技术、管理等要素参与未来商业化分配。大力支持有条件的高校开展科技成果“三权”改革试点,围绕校地协同创新的重点任务,制定与之配套的经济产业专项资金扶持、税收减免、科技从业人员个税优惠等政策措施。
 
  未来天然气水合物发展空间广阔,前景可期,正如中国工程院院长李晓红所言,只有全世界科学家们加强国际合作,致力于新能源的开发利用,才能打造世界新能源命运共同体,最终造福全人类。(
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