可燃冰

解读大热的可燃冰（2）：哪里可以找到可燃冰？人类何时又如何发现了它？

第一电动大牛作者震旦能源 2017-05-26 11:09

[编者按] 5月18日中共中央、国务院电贺我国海域天然气水合物试采成功。随之媒体铺天盖地的报道，手机刷爆了屏幕。那么到底可燃冰是什么？其发展前景如何？中国在可燃冰研究与开发的水平所处的位置如何？等等这些问题，笔者将发表系列文章，以便让广大读者朋友对可燃冰有一个比较清楚的了解。【解读大热的可燃冰（1）：可燃冰是什么？它是怎么形成的？】

1.哪里可以找到可燃冰？

上篇文章叙述了可燃冰(天然气水合物)是什么以及其形成，本篇将就在全球哪些地方可以找到可燃冰进行叙述。在一定的压力与温度条件下可燃冰才能稳定存在。但是，即使在满足了可容纳稳定存在的压力与温度条件的地方，也不可能保证就有可燃冰。有机碳的有无对甲烷的生成起着重要作用，而有机碳并不是全球到处都有分布的。而一个地方如果没有甲烷存在，就根本谈不上有没有可燃冰(图1)。

图1 已采集到样品或者被证实的可燃冰分布图

可燃冰可能是广泛分布的。根据地震资料和其它卫星遥感技术，已经推测到可燃冰也广泛分布在次永久冻土带、大陆斜坡和大陆隆起的沉积物中，但是在深海平原地区推测可能没有可燃冰分布。这表明可燃冰的形成不仅受温度与压力要求的限制，还受大陆附近的甲烷含量的制约。(来源：Timothy S Collett，USGS)

可燃冰的分布是受稳定区(GHSZ)限制的。图2就是全球GHSZ预测厚度分布图。GHSZ厚度分布图可以代表可燃冰潜在的分布范围，但是并不能真实表明沉积物中可燃冰的含量。

图2 全球GHSZ预测厚度分布图

最厚的稳定区(600-800)主要分布在高纬度地区(北极和南极地区)，因为底部水温低，这是可燃冰形成必备的条件。GHSZ延伸部分可以分布到大陆边缘(>500米)，这个地方沉积层序厚，因此在其之下有游离气聚集。请注意，这种全球GHSZ的定义给出了可燃冰可能存在的上限。(来源：Burwicz et al 2011)

来自Boswell(2011)的热点图像给出了不同可燃冰系统组成的概括描述(图3)。A和B样品表示大量的可燃冰是在含水合物海洋粘土中形成的。C样品表示含水合物的海洋沙。D和E样品代表海底土丘(露头)和含水合物粘土(细而分散，成岩性很差)(图4、5、6、7、8)。

在GHSZ(Milkov and Sassen, 2002)内，根据流体运移模式和可燃冰富集程度可以确定和区分3种主要的可燃冰聚集类型。

图3 热点图像：不同可燃冰系统组成的概括描述。典型的可燃冰藏形态包括：(A)充满可燃冰的脉状网络；(B)巨大可燃冰晶体；(C)海洋沙中颗粒充填的可燃冰；(D)巨大海底土丘；(E)海洋粘土中颗粒充填的可燃冰；(F)陆上北极砂/砾岩中颗粒充填的可燃冰。

图4 A-可燃冰脉状充填网络；B巨型可燃冰晶体

图5 C –海洋砂中颗粒充填的可燃冰(日本)

图6 D – 巨型海底土丘(美国墨西哥湾)

图7 E – 海洋粘土中颗粒充填的可燃冰

图8 F – 陆上北极地区砂岩/砾岩中颗粒充填的可燃冰

目前已知可燃冰在陆地和海洋环境中都有发现。已经在极地地区的陆地永久冻土带以下的沉积物中发现了可燃冰。而海洋里主要分布在地球外大陆边缘的沉积物中。在海洋环境中，开放的海洋下面的沉积物中，几乎没有有机碳沉积，那里生命稀少，因此通常也很少出现可燃冰，即使是温度与压力适合可燃冰的形成。海洋沉积物中有机碳的90%以上是分布在大陆附近的相对较浅水域。在海平面下降到更低的时候，有机碳就沉积在今天大陆边缘更远一点的地方，比如现在的大陆斜坡等地方。因此，目前发现的海洋可燃冰大部分都是位于较远处的大陆边缘或者大陆斜坡的沉积物中，常常与其它烃类的沉积相伴生，比如石油与天然气(图9)。

图9 可燃冰分布环境示意图

在北极和海洋环境中可以形成可燃冰。(来源：Energy Resource Potential of Methane Hydrate)

此外，在内陆湖泊和大海的深水的沉积物中也有可燃冰分布。根据2009年9月25日国际在线报道，我国在青藏高原也发现了可燃冰，是世界上第一次在中低纬度冻土区发现天然气水合物，也是继加拿大1992年在北美麦肯齐三角洲、美国2007年在阿拉斯加北坡通过国家计划钻探发现天然气水合物之后，在陆域通过钻探获得天然气水合物样品的第三个国家(图10)。

图10 青海省天峻县木里镇祁连山南麓“可燃冰”钻探现场

2002年，由日本、加拿大和美国组成的国际联合研究队在加拿大北极地区Mallik人类第一次进行了短期的生产测试，结果表明甲烷确实能够从可燃冰中开采出来(图11、12)。与此同时，大洋钻探计划(Ocean Drilling Program)正在俄勒冈沿岸海上执行的ODP Leg 204，发现了可燃冰高富集区域，这就是我们今天称之为水合物脊(Hydrate Ridge)。几年以后的2005年，国际大洋钻探计划(International Ocean Drilling Program)完成了IODP Leg 311，该项目包括在温哥华岛沿岸海上4个地点进行；常规取芯和高压取芯。在这个区域的粗粒沉积物发现了可燃冰。

图11 加拿大西北北极地区的Mallik井位置图(来源：USGS)

图12 加拿大西北北极地区的Mallik井现场图。(来源：USGS)

图13 在2008年Mallik地点使用减压技术进行测试期间天然气点火情况 (来源：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员又回到了Mallik地点，进行了较长时间的生产测试，测试的目的层是接近可燃冰稳定区(MHSZ)底部的含可燃冰层。为期6天的压力降低测试使得从可燃冰中获得了稳定的、持续的天然气流(图13)。

最近几年，美国、日本、印度等联合开展国际研究，在多个地方取得了令人瞩目的成果(图14、图15、图16)。中国在中国南海、韩国在东海(East Sea)等也取得了重大成果。

图14 JIPLeg II项目在美国墨西哥湾钻井位置图。(Energy Resource Potential of Methane Hydrate)

图15 印度国家可燃冰计划钻探地点图

图16 世界各可燃冰计划分布图(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.人类何时、怎么发现可燃冰的？

对于天然气水合物的研究是困难的，因为其在地球表面的条件下很快分离了。早在1810年英国化学家Sir Humphry Davy首次在实验室制出笼形水合物(Clathrate Hydrate)(图1)。在其后的一百多年里，一直是研究机构对其研究感兴趣，但是科学家认为天然气水合物在自然界是不可能存在的。

图17 英国化学家Sir Humphry Davy，1778年12月17日生于英国康沃尔郡彭赞斯，1829年5月29日卒于瑞士日内瓦。(来源：Wikipedia)

然而，直到1930年代天然气水合物作为油气管道中工业灾害而被人们认识的。当时，随着天然气开始作为燃料被广泛应用并通过管道输送，一些管道内由于出现一种冰的东西堵塞了管道，使得天然气输送受阻。后来被证实这些冰就是天然气水合物。因此，被认为是工业灾害。在其被发现后的几十年里，研究的重点主要是如何阻止天然气水合物在管道及相关设备内形成。

到了1960年代，研究重点开始发生了变化，这时俄罗斯科学家发现了自然界天然气水合物自然存在的重大证据。

图18 可燃冰发现者Yuri F. Makogon

1965年，Yuri F. Makogon实践证明自然界岩石中有可燃冰，1969年得到苏联正式承认并注册。在其60多年的油气研究与实践生涯中，出版6部可燃冰专著，发表270多篇科学论文，拥有27项专利。他1990成为俄罗斯自然科学院(RANS)正式院士，并担任油气委员会主席。他还是国际石油工程师学会(SPE)首任主席，并在1991-1993年任SPE俄罗斯分会主席，也是国际SPE会员。(来源：Makogon网站)

1963年，Yuri F. Makogon当时居住在前苏联雅库特自治共和国(现萨哈共和国)西北部，是Moscow Oil-Gas Gubkin Institute石油工程硕士研究生。他参与了Markhinskaya井的钻井工作，钻至1800米深度时，井下温度为3.8°C(图4)。该井揭示了在1450米深度时地层温度为0°C的一套岩石，这里永久冻土带的下限在1200米深左右。Yuri认识到这套岩石与可燃冰形成的条件相匹配。他认为在如此冰冷的地层中可能存在可燃冰并聚集。他的这个看法受到专家们的严重怀疑，而且这种想法也需要实践验证。1965年，Yuri最终通过实践证明了可燃冰在多孔隙岩石中可以大量聚集(图5)。1969年，这个发现被苏联正式承认并登记注册。今天，Yuri被正式公认为是自然界可燃冰的发现者。

图19 俄罗斯萨哈共和国位置图(雅库特)(来源：Wikipedia)

图20 Markhinskaya No. 1井温度-深度记录曲线(来源： Makogon, 1966)

图21 Yuri F. Makogon 1966年发表的论文《Features of NaturalGas Fields Exploitation in Permafrost Zone》

直到1970年代后期至1980年代早期开展的深海钻探计划(Deep Sea Drilling Program)等一系列的研究与考察，可燃冰在自然界中广泛大量的存在才被认识与确认。1978年，俄罗斯Gazprom VNIIGAZ一个团队获得Lake Baikal4底部可燃冰形成的证据。

不断增长的能源需求与大家对气候变化的关心，使得人们对可燃冰中巨量甲烷的兴趣越来越大，人们越来越关注可燃冰。其结果使得在过去二十多年里对可燃冰的调查、研究得以加速，自然环境下可燃冰科学发现的步伐持续加快，重大发现接二连三。

图22 可燃冰发现与研究的简单历程(来源：Frozen Heart)

工业领域还是将重点放在减轻生产与运输设施方面形成的有害的可燃冰，开始投资研究这种可燃冰对深水和北极地区能源开发造成的灾害。在学术界，通过国家计划支持，开展对可燃冰基本的物理化学进行研究，开展可燃冰对沉积物的物理性质影响进行研究等，这些都取得了重大成果。通过这些研究，我们对可燃冰在全球环境变化过程中所起的作用有了进一步的认识，包括自然地质灾害、长期碳循环和全球气候变化等(甲烷是一种严重的温室气体)。

然而，目前对可燃冰进行研究的主要驱动力是可燃冰作为一种能源资源利用的前景如何。对于世界上能源需求不断地稳步增长，而未来能源供应又不确定，这种可燃冰中天然气资源广泛而大量地存在不断激励着众多国家加强研究调查、加大投资。

可燃冰的研究也从最初的单个科学家个人研究不断地向多国合作研究转变。因此，政策制定者、商界领袖和普通公民现在都热衷于讨论可燃冰最合适的研究与发展方向、管理以及资金问题。全球范围内广泛分布大量的可燃冰引起了众多的社会与科学关注。

截止到目前，可燃冰已经在墨西哥湾、北美Cascadia大陆边缘、黑海、里海、鄂霍次克海、日本海和大西洋南北等海底10到30米厚的浅层沉积物岩芯中采集到。

可燃冰也已经在美国海岸更深的海底取得到了，沿着美国和加拿大的Cascadia陆源、中美洲的海沟、秘鲁海上、印度海上、中国海上和韩国海上以及日本东西边缘等更深的等。

美国认识到了可燃冰研究的重要性，并根据协调研究机构的需要，国会于2000年5月2日颁布了《2000年天然气水合物研究与开发法案》(Public Law 106-193)。该法案呼吁能源部长与联邦其它机构一起协商开展可燃冰研究与开发计划。这些联邦机构有：国家科学基金、商务部国家海洋大气管理局(NOAA)、国防部海军研究实验室、内政部矿产管理局和地质调查局等。2005年8月，又对此进行了修改补充，增加了土地管理局。

与此同时，日本国际贸易与产业省已经开始实施了一个新的可燃冰研究计划，也就是在南海海沟(Nanjai Trough)开展寻找可燃冰的勘探钻井项目。这也是目前我们所知道的最早开始的项目。其它国家也先后开展了可燃冰的研究与开发计划，比如印度、中国、加拿大和韩国，都开展了大规模的可燃冰研究与开发计划。这些国家积极开展，也导致重要科学研究与钻探及生产测试投资大幅度增加。这些项目主要有：

★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)