新能源—可燃冰
摘要：
可燃冰作为一种新能源，具有其它能源无法比拟的优点：它储量大、燃烧后产物不污染环境而且能量巨大。各国对针对这一新能源展开了研究，并取得了重大进展。但是在这背后，还有许多问题亟待解决。比如说可燃冰的主要成分甲烷，它造成的温室效应比CO2更为强烈，如何确保安全是一大问题。
关键词：可燃冰 开发利用 环境问题 研究调查
一、可燃冰（CH4·8H2O）
可燃冰顾名思义像冰一样的固体点火能燃烧，是一种非常规能源。通俗地说，就是水包含甲烷的结晶体，它是天然气分子(除氢、氦和氖外)充填在水的晶体笼架中形成的冰状固体物，又叫(天然)气水合物或固体气。由于可燃冰中以甲烷(大于90％)为主，故也称甲烷水合物。充甲烷的可燃冰l立方米可产出气164立方米和水0．8立方米，其能量密度是煤和黑色页岩的10倍左右，是一种能量密度高的能源。
要形成可燃冰，必须同时具备三个条件：一是低温(O。1 0℃)；由于需要同时具备高压和低温的环境，它们大多分布在深海底和沿海的冻土区域，这样才能保持稳定的状态。二是高压(>IOMPa或水深300m及更深)；可燃冰是自然形成的，它们最初来源于海底下的细菌。海底有很多动植物的残骸，这些残骸腐烂时产生细菌，细菌排出甲烷，当正好具备高压和低温的条件时，细菌产生的甲烷气体就被锁进水合物中。三是充足的气源。由于形成条件的制约，可燃冰通常仅分布在海洋大陆架外的陆坡、深海和深湖以及永久冰土带。
二、可燃冰的研究历史
可燃冰的研究由来已久，可追溯到二百多年前。18—19世纪是在实验室内小规模的研究。1778年和1811年分别实验成功二氧化硫水合物和氯气水合物，此后至20世纪30年代前，实验获得了甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷，氮、二氧化碳、硫化氢、氩、氪和氙等各自的水合物。30年代初苏联学者在西伯利亚输气管道中首次发现了自然形成的可燃冰，1946年苏联学者最先提出在永久冻土带有可燃冰的假想。上世纪60年代开始，苏联、美国、德国、荷兰相继开展水合物的结构和热动力学研究。1960年在西伯利亚发现了第一个可燃冰气藏——麦素雅哈气田，并于1969年投入开发，采气14年，总采气50．17×108m3(约为该气田总产气量的36％)。1972年美国学者苏联学者分别在阿拉斯加北极斜坡第三系中和黑海海底沉积物中取得可燃冰天然样品。世界第一个可燃冰气藏的发现和开发，以及在地层中可燃冰自然样品的获得，对20世纪后叶可燃冰的综合研究和勘探、评价及研究领域迅速扩大，研究国家不断增加，起到了重大推动作用。美国、日本、印度、俄罗斯、德国、美国、加拿大、挪威和巴基斯坦、荷兰在寻找海洋可燃冰上有较大的投入，并取得显著的进展。迄今，世界上至少有30多个国家和地区进行可燃冰的研究与调杏勘探。
三、我国有关可燃冰的研究及调查
根据地质条件分析。从理论上讲，可燃冰在我国分布也应该十分广泛．我国南海、东海、黄海等近300万平方公里广大海域以及青藏高原的冻土层，都有可能存在。
近年来，国家领导和国土资源部、科技部、财政部、国家计委等部委领导非常重视天然气水合物的调查与研究。首先是对我国管辖海域历年来做过大量的地震勘查资料分析，在
冲绳海槽的边坡、南海的北部陆坡、西沙海槽和两沙群岛南坡等处发现了海底天然气水合物存在的似海底地震反射层(BSR)标志。并在对海底天然气水合物的成因、地球化学、地球物理特征、资料处理解释、钻孔取样、测井分析、资源评价、海底地质灾害等方面进行了系统的研究，并取得了丰富的资料和大量的数据。从1984年开始，我国地质界对国外有关水合 物调查状况及其巨大的资源潜力进行了系统的资料汇集。
在2002年，中国地质调查局组织有关单位在我国南海海域某区首次开展天然气水合物资源调查工作中发现：在采集的高分辨率多道地震剖面上，初步鉴别出在400多公里地震剖面上、面积为8000多平方公里的区域上存在有可燃冰气藏的显示标志，显示出了巨大的资源前景。另外，在我国的东海陆坡海域也有类似重大发现。
四、可燃冰成为替代能源新热点
储存量和前景
据专家估计，全世界石油总储量在2700亿吨到6500亿吨之间。按照目前的消耗速度，再有50－60年，全世界的石油资源将消耗殆尽。可燃冰的发现，让陷入能源危机的人类看到新希望。美国地质勘探研究院地质学家迪姆·克勒特表示，可燃冰有望成为人们向未来更清洁能源(氢能和太阳能)过渡时的“桥梁”，在为人们提供所需能源的同时，减少向大气中排放二氧化碳，延缓全球变暖过程。可燃冰被能源科学家看作最环保的化石气体，经过燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水，并且能量巨大，是普通天然气的2至5倍。 1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，海底可燃冰的储量够人类使用1000年。
随着研究和勘测调查的深入，世界海洋中发现的可燃冰逐渐增加，1993年海底发现57处，2001年增加到88处。据探查估算，美国东南海岸外的布莱克海岭，可燃冰资源量多达180亿吨，可满足美国105年的天然气消耗；日本海及其周围可燃冰资源可供日本使用100年以上。
开采、利用可燃冰
1开发利用中的问题
从本质上来说，可燃冰就是埋在海洋或冻土层下的天然气矿层。尽管含量如此丰富，但利用起来却面临麻烦。
要大量开采可燃冰，首先就是能源消耗问题。虽然可燃冰中存在的天然气能源利用率比石油和煤炭都高，但在目前的技术水平下，将其从埋藏处输送至地表所需的能源消耗量，远高于其自身所含能源量。因为可燃冰光依靠发掘不能实现自喷，而且埋藏在深海域，所以将其开采运输所需要的工程量十分巨大，自然也就带来相应的成本消费和能源消费。
另一个现实问题就是环境保护。直接开采会导致甲烷泄露。因为”可燃冰”中存在两种温室气体甲烷和二氧化碳。甲烷是绝大多数可燃冰中的主要成分．同时也是一种反应快速、影响明显的温室气体。可燃冰中甲烷的总量大致是大气中甲烷数量的3000倍。如果在开采中甲烷气体大量泄漏于大气中．造成的温室效应将比二氧化碳更加严重。而可燃冰矿藏哪怕受到最小的破坏，甚至是自然的破坏，都足以导致甲烷气的大量散失。而这种气体进入大气，无疑会增加温室效应，进而使地球升温更快。
可燃冰也可能是引起地质灾害的主要因素之一。由于可燃冰经常作为沉积物的胶结物
存在，它对沉积物的强度起着关键的作用。可燃冰的形成和分解能够影响沉积物的强度，进而诱发海底滑坡等地质灾害的发生。美国地质调查所的调查表明，可燃冰能导致大陆斜坡上发生滑坡。这对各种海底设施是一种极大的威胁。由此可见．可燃冰作为未来新能源的同时也是一种危险的能源。可燃冰的开发利用就像一柄“双刃剑”．需要加以小心对待。 2开发利用方法
可燃冰开采方案主要有三种。
第一是热解法。利用“可燃冰”在加温时分解的特性，使其由固态分解出甲烷蒸汽。但此方法难处在于不好收集。海底的多孔介质不是集中为“一片”，也不是一大块岩石，而是较为均匀地遍布着。如何布设管道并高效收集是急于解决的问题。
方案二是降压法。有科学家提出将核废料埋入地底，利用核辐射效应使其分解。但它们都面临着和热解法同样布设管道并高效收集的问题。
方案三是“置换法”（或注入剂法）。研究证实，将CO2液化（实现起来很容易），注入1500米以下的洋面（不一定非要到海底），就会生成二氧化碳水合物，它的比重比海水大，于是就会沉入海底。如果将CO2注射入海底的甲烷水合物储层，因CO2较之甲烷易于形成水合物，因而就可能将甲烷水合物中的甲烷分子“挤走”，从而将其置换出来。
开采的最大难点是保证井底稳定，使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。针对这些问题，日本提出了“分子控制”的开采方案。可燃冰气藏的最终确定必须通过钻探，其难度比常规海上油气钻探要大得多，一方面是水太深．另一方面由于可燃冰遇减压会迅速分解，极易造成井喷。日益增多的成果表明，由自然或人为因素所引起的温压变化，均可使水合物分解，造成海底滑坡、生物灭亡和气候变暖等环境灾害。因而研究天然气水合物的钻采方法已迫在眉捷。尽快开展室内外可燃冰分解、合成方法和钻采方法的研究工作刻不容缓。 3中国的可燃冰研发状况
2007年5月，中国地质勘探人员首次在南海采集到了高纯度可燃冰样品，成为继美国、日本、印度之后，第4个采到可燃冰实物样品的国家。专家根据地质勘探数据分析，我国在塔里木盆地、藏北高原的冻土层中都有大量可燃冰层。据数据显示，目前全球各地可燃冰中的甲烷总量达到了1000至100000万亿立方米，可提供的能量比目前所剩的石油多得多。但横亘在人们面前的开采难题，就像人们在利用石油之初对几千米下的油层毫无办法一样，海底数百甚至数千米的可燃冰带来的麻烦更大。海底高压、缺氧、低温环境的情况异常复杂，既要保证无污染利用，还要经济实惠，有诸多难题需要克服。
新能源—可燃冰
摘要：
可燃冰作为一种新能源，具有其它能源无法比拟的优点：它储量大、燃烧后产物不污染环境而且能量巨大。各国对针对这一新能源展开了研究，并取得了重大进展。但是在这背后，还有许多问题亟待解决。比如说可燃冰的主要成分甲烷，它造成的温室效应比CO2更为强烈，如何确保安全是一大问题。
关键词：可燃冰 开发利用 环境问题 研究调查
一、可燃冰（CH4·8H2O）
可燃冰顾名思义像冰一样的固体点火能燃烧，是一种非常规能源。通俗地说，就是水包含甲烷的结晶体，它是天然气分子(除氢、氦和氖外)充填在水的晶体笼架中形成的冰状固体物，又叫(天然)气水合物或固体气。由于可燃冰中以甲烷(大于90％)为主，故也称甲烷水合物。充甲烷的可燃冰l立方米可产出气164立方米和水0．8立方米，其能量密度是煤和黑色页岩的10倍左右，是一种能量密度高的能源。
要形成可燃冰，必须同时具备三个条件：一是低温(O。1 0℃)；由于需要同时具备高压和低温的环境，它们大多分布在深海底和沿海的冻土区域，这样才能保持稳定的状态。二是高压(>IOMPa或水深300m及更深)；可燃冰是自然形成的，它们最初来源于海底下的细菌。海底有很多动植物的残骸，这些残骸腐烂时产生细菌，细菌排出甲烷，当正好具备高压和低温的条件时，细菌产生的甲烷气体就被锁进水合物中。三是充足的气源。由于形成条件的制约，可燃冰通常仅分布在海洋大陆架外的陆坡、深海和深湖以及永久冰土带。
二、可燃冰的研究历史
可燃冰的研究由来已久，可追溯到二百多年前。18—19世纪是在实验室内小规模的研究。1778年和1811年分别实验成功二氧化硫水合物和氯气水合物，此后至20世纪30年代前，实验获得了甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷，氮、二氧化碳、硫化氢、氩、氪和氙等各自的水合物。30年代初苏联学者在西伯利亚输气管道中首次发现了自然形成的可燃冰，1946年苏联学者最先提出在永久冻土带有可燃冰的假想。上世纪60年代开始，苏联、美国、德国、荷兰相继开展水合物的结构和热动力学研究。1960年在西伯利亚发现了第一个可燃冰气藏——麦素雅哈气田，并于1969年投入开发，采气14年，总采气50．17×108m3(约为该气田总产气量的36％)。1972年美国学者苏联学者分别在阿拉斯加北极斜坡第三系中和黑海海底沉积物中取得可燃冰天然样品。世界第一个可燃冰气藏的发现和开发，以及在地层中可燃冰自然样品的获得，对20世纪后叶可燃冰的综合研究和勘探、评价及研究领域迅速扩大，研究国家不断增加，起到了重大推动作用。美国、日本、印度、俄罗斯、德国、美国、加拿大、挪威和巴基斯坦、荷兰在寻找海洋可燃冰上有较大的投入，并取得显著的进展。迄今，世界上至少有30多个国家和地区进行可燃冰的研究与调杏勘探。
三、我国有关可燃冰的研究及调查
根据地质条件分析。从理论上讲，可燃冰在我国分布也应该十分广泛．我国南海、东海、黄海等近300万平方公里广大海域以及青藏高原的冻土层，都有可能存在。
近年来，国家领导和国土资源部、科技部、财政部、国家计委等部委领导非常重视天然气水合物的调查与研究。首先是对我国管辖海域历年来做过大量的地震勘查资料分析，在
冲绳海槽的边坡、南海的北部陆坡、西沙海槽和两沙群岛南坡等处发现了海底天然气水合物存在的似海底地震反射层(BSR)标志。并在对海底天然气水合物的成因、地球化学、地球物理特征、资料处理解释、钻孔取样、测井分析、资源评价、海底地质灾害等方面进行了系统的研究，并取得了丰富的资料和大量的数据。从1984年开始，我国地质界对国外有关水合 物调查状况及其巨大的资源潜力进行了系统的资料汇集。
在2002年，中国地质调查局组织有关单位在我国南海海域某区首次开展天然气水合物资源调查工作中发现：在采集的高分辨率多道地震剖面上，初步鉴别出在400多公里地震剖面上、面积为8000多平方公里的区域上存在有可燃冰气藏的显示标志，显示出了巨大的资源前景。另外，在我国的东海陆坡海域也有类似重大发现。
四、可燃冰成为替代能源新热点
储存量和前景
据专家估计，全世界石油总储量在2700亿吨到6500亿吨之间。按照目前的消耗速度，再有50－60年，全世界的石油资源将消耗殆尽。可燃冰的发现，让陷入能源危机的人类看到新希望。美国地质勘探研究院地质学家迪姆·克勒特表示，可燃冰有望成为人们向未来更清洁能源(氢能和太阳能)过渡时的“桥梁”，在为人们提供所需能源的同时，减少向大气中排放二氧化碳，延缓全球变暖过程。可燃冰被能源科学家看作最环保的化石气体，经过燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水，并且能量巨大，是普通天然气的2至5倍。 1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，海底可燃冰的储量够人类使用1000年。
随着研究和勘测调查的深入，世界海洋中发现的可燃冰逐渐增加，1993年海底发现57处，2001年增加到88处。据探查估算，美国东南海岸外的布莱克海岭，可燃冰资源量多达180亿吨，可满足美国105年的天然气消耗；日本海及其周围可燃冰资源可供日本使用100年以上。
开采、利用可燃冰
1开发利用中的问题
从本质上来说，可燃冰就是埋在海洋或冻土层下的天然气矿层。尽管含量如此丰富，但利用起来却面临麻烦。
要大量开采可燃冰，首先就是能源消耗问题。虽然可燃冰中存在的天然气能源利用率比石油和煤炭都高，但在目前的技术水平下，将其从埋藏处输送至地表所需的能源消耗量，远高于其自身所含能源量。因为可燃冰光依靠发掘不能实现自喷，而且埋藏在深海域，所以将其开采运输所需要的工程量十分巨大，自然也就带来相应的成本消费和能源消费。
另一个现实问题就是环境保护。直接开采会导致甲烷泄露。因为”可燃冰”中存在两种温室气体甲烷和二氧化碳。甲烷是绝大多数可燃冰中的主要成分．同时也是一种反应快速、影响明显的温室气体。可燃冰中甲烷的总量大致是大气中甲烷数量的3000倍。如果在开采中甲烷气体大量泄漏于大气中．造成的温室效应将比二氧化碳更加严重。而可燃冰矿藏哪怕受到最小的破坏，甚至是自然的破坏，都足以导致甲烷气的大量散失。而这种气体进入大气，无疑会增加温室效应，进而使地球升温更快。
可燃冰也可能是引起地质灾害的主要因素之一。由于可燃冰经常作为沉积物的胶结物
存在，它对沉积物的强度起着关键的作用。可燃冰的形成和分解能够影响沉积物的强度，进而诱发海底滑坡等地质灾害的发生。美国地质调查所的调查表明，可燃冰能导致大陆斜坡上发生滑坡。这对各种海底设施是一种极大的威胁。由此可见．可燃冰作为未来新能源的同时也是一种危险的能源。可燃冰的开发利用就像一柄“双刃剑”．需要加以小心对待。 2开发利用方法
可燃冰开采方案主要有三种。
第一是热解法。利用“可燃冰”在加温时分解的特性，使其由固态分解出甲烷蒸汽。但此方法难处在于不好收集。海底的多孔介质不是集中为“一片”，也不是一大块岩石，而是较为均匀地遍布着。如何布设管道并高效收集是急于解决的问题。
方案二是降压法。有科学家提出将核废料埋入地底，利用核辐射效应使其分解。但它们都面临着和热解法同样布设管道并高效收集的问题。
方案三是“置换法”（或注入剂法）。研究证实，将CO2液化（实现起来很容易），注入1500米以下的洋面（不一定非要到海底），就会生成二氧化碳水合物，它的比重比海水大，于是就会沉入海底。如果将CO2注射入海底的甲烷水合物储层，因CO2较之甲烷易于形成水合物，因而就可能将甲烷水合物中的甲烷分子“挤走”，从而将其置换出来。
开采的最大难点是保证井底稳定，使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。针对这些问题，日本提出了“分子控制”的开采方案。可燃冰气藏的最终确定必须通过钻探，其难度比常规海上油气钻探要大得多，一方面是水太深．另一方面由于可燃冰遇减压会迅速分解，极易造成井喷。日益增多的成果表明，由自然或人为因素所引起的温压变化，均可使水合物分解，造成海底滑坡、生物灭亡和气候变暖等环境灾害。因而研究天然气水合物的钻采方法已迫在眉捷。尽快开展室内外可燃冰分解、合成方法和钻采方法的研究工作刻不容缓。 3中国的可燃冰研发状况
2007年5月，中国地质勘探人员首次在南海采集到了高纯度可燃冰样品，成为继美国、日本、印度之后，第4个采到可燃冰实物样品的国家。专家根据地质勘探数据分析，我国在塔里木盆地、藏北高原的冻土层中都有大量可燃冰层。据数据显示，目前全球各地可燃冰中的甲烷总量达到了1000至100000万亿立方米，可提供的能量比目前所剩的石油多得多。但横亘在人们面前的开采难题，就像人们在利用石油之初对几千米下的油层毫无办法一样，海底数百甚至数千米的可燃冰带来的麻烦更大。海底高压、缺氧、低温环境的情况异常复杂，既要保证无污染利用，还要经济实惠，有诸多难题需要克服。