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海工技術(shù)助推可燃冰實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)采
時(shí)間：2017-08-10 09:59
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最近，一則關(guān)于“可燃冰”的新聞紅遍各種媒體。同時(shí)，再加上有媒體爆出的一輛汽車加100升可燃冰能跑5萬(wàn)公里的“烏龍事件”，更使得可燃冰備受關(guān)注。那么，未來(lái)可燃冰到底給能源界帶來(lái)怎樣的變化？中國(guó)造船人如何看待這一新能源，以及如何助推早日實(shí)現(xiàn)可燃冰商業(yè)開(kāi)采？
造船界需關(guān)注海洋能源新動(dòng)向
可燃冰，又稱天然氣水合物，是一種甲烷和水分子在低溫高壓的情況下結(jié)合在一起的化合物，因形似冰塊卻能燃燒而得名。標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1體積的可燃冰大概可以分解為164體積的甲烷氣體。
據(jù)相關(guān)資料顯示，可燃冰在全球范圍內(nèi)廣泛存在，廣泛分布于深?；蜿懹虻挠谰脙鐾林?。全球約有27％的陸地是可形成可燃冰的潛在地區(qū)，在全球邊緣海、深海槽區(qū)及大洋盆地中，有利于形成水合物的海區(qū)面積約為18.9億平方千米，占其總面積的30%。據(jù)科學(xué)家初步預(yù)測(cè)，全球可燃冰所含有機(jī)碳總量相當(dāng)于全球已知石油、煤和天然氣等化石燃料含碳總量的兩倍。迄今為止，可燃冰已經(jīng)成為最有價(jià)值、最具潛力的海底礦產(chǎn)資源。目前，南極、北極均已發(fā)現(xiàn)可燃冰礦點(diǎn)，中國(guó)雖不屬于極地國(guó)家，但此前，我國(guó)已分別在南海海域和青藏高原凍土區(qū)鉆獲可燃冰實(shí)物樣品，使得我國(guó)成為世界上在中低緯度地區(qū)唯一擁有海底和陸上凍土區(qū)可燃冰資源的國(guó)家。據(jù)2016年相關(guān)部門發(fā)布的《中國(guó)能源礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》顯示，我國(guó)可燃冰預(yù)測(cè)遠(yuǎn)景資源量超過(guò)了1000億噸油當(dāng)量，開(kāi)發(fā)前景廣闊。若能實(shí)現(xiàn)可燃冰的商業(yè)開(kāi)采，許多國(guó)家都可實(shí)現(xiàn)能源自給，現(xiàn)存的世界能源貿(mào)易將可能徹底改變。
從20世紀(jì)60年代開(kāi)始至今，世界上已有79個(gè)國(guó)家和地區(qū)都發(fā)現(xiàn)了可燃冰藏，并且已有中國(guó)、美國(guó)、加拿大、日本、新西蘭等30個(gè)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展了可燃冰的調(diào)查研究。近年來(lái)，可燃冰的勘探開(kāi)發(fā)活動(dòng)日益增多，一些國(guó)家甚至將其提高到能源安全戰(zhàn)略的高度予以重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球現(xiàn)已累計(jì)發(fā)現(xiàn)超過(guò)230個(gè)可燃冰礦區(qū)。日本對(duì)可燃冰的研究始于上世紀(jì)90年代。2001年,日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省還發(fā)表了《甲烷水合物開(kāi)發(fā)計(jì)劃》,正式啟動(dòng)了為時(shí)18年的甲烷水合物的開(kāi)發(fā)性研究。美國(guó)、加拿大、俄羅斯、印度、韓國(guó)等國(guó)家政府也都分別制定了有關(guān)可燃冰的長(zhǎng)期研究計(jì)劃,計(jì)劃在5～10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)可燃冰的商業(yè)開(kāi)采。
2017年5月，“可燃冰”一下成為國(guó)際熱點(diǎn)新聞，5月4日，日本宣布從近海可燃冰中提取了甲烷；5月12日，美國(guó)宣布在墨西哥灣開(kāi)展可燃冰鉆探研究；18日，我國(guó)宣布在南海試采可燃冰成功，成為全球首個(gè)海域可燃冰試采獲得連續(xù)穩(wěn)定氣流的國(guó)家。我國(guó)天然氣的成功試采，為實(shí)現(xiàn)可燃冰商業(yè)性開(kāi)發(fā)利用提供了技術(shù)儲(chǔ)備，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，打破了我國(guó)在能源勘查開(kāi)發(fā)領(lǐng)域長(zhǎng)期跟跑的局面，取得了理論、技術(shù)、工程和裝備的完全自主創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了在這一領(lǐng)域由“跟跑”到“領(lǐng)跑”的歷史性跨越，對(duì)保障國(guó)家能源安全、推動(dòng)綠色發(fā)展、建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)具有重要而深遠(yuǎn)的影響。
關(guān)于技術(shù)瓶頸的另類解讀
最近在網(wǎng)上出現(xiàn)了有對(duì)中國(guó)可燃冰開(kāi)采技術(shù)不屑一顧者，認(rèn)為中國(guó)可燃冰開(kāi)采技術(shù)和鉆井船舶裝備都是石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)的常規(guī)技術(shù)和裝備，沒(méi)有任何技術(shù)上的突破，沒(méi)有什么可以自豪的。但我并不這么看。
同歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)可燃冰的研究晚了近20年，但是，從1999年開(kāi)展實(shí)質(zhì)性調(diào)查以來(lái)，我國(guó)一直在奮起直追。2007年5月成功獲取了可燃冰實(shí)物樣品，成為世界上第四個(gè)通過(guò)國(guó)家級(jí)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)可燃冰的國(guó)家。顯然，對(duì)于可燃冰的勘探和開(kāi)采，都需要很強(qiáng)的深海技術(shù)作為支撐，中國(guó)在底子薄、時(shí)間短的情況下能夠一躍進(jìn)入強(qiáng)者行列，實(shí)屬不易。這次可燃冰試采，從2017年5月10開(kāi)始出氣，截至18日，已連續(xù)產(chǎn)氣8天，已經(jīng)累計(jì)產(chǎn)出超過(guò)12萬(wàn)立方米甲烷含量高達(dá)99.5%的天然氣。平均日產(chǎn)超過(guò)1.6萬(wàn)立方米以及連續(xù)產(chǎn)氣超過(guò)一周，在此之前，還沒(méi)有一個(gè)國(guó)家能同時(shí)成功實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)指標(biāo)。這次南海神狐海域試采成功是我國(guó)首次、也是世界第一次成功實(shí)現(xiàn)資源量全球占比90%以上、開(kāi)發(fā)難度最大的泥質(zhì)粉砂型可燃冰安全可控開(kāi)采，為實(shí)現(xiàn)可燃冰產(chǎn)業(yè)化提供了技術(shù)儲(chǔ)備，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。
據(jù)了解，作為一項(xiàng)復(fù)雜的高技術(shù)密集的系統(tǒng)工程,我國(guó)海域可燃冰試采工作既面臨著儲(chǔ)層類型為泥質(zhì)粉砂型而開(kāi)發(fā)難度大的難題,也面臨著“無(wú)”成功先例、“無(wú)”成熟團(tuán)隊(duì)、“無(wú)”成熟平臺(tái)、“無(wú)”成熟工藝、施工難度大等多個(gè)難題。因此，這次試采成功，充分展現(xiàn)了中國(guó)勘查開(kāi)發(fā)理論、技術(shù)、工程和裝備自主創(chuàng)新能力，不僅展示了“中國(guó)身”，還展示了“中國(guó)心”的力量，創(chuàng)造了“六大技術(shù)體系、20項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)自主創(chuàng)新”。值得一提的是，在全流程試采核心技術(shù)上，這次試采形成了國(guó)際領(lǐng)先的新型試采工藝，尤其是“地層流體抽取”試采方法有效解決了儲(chǔ)層流體控制與可燃冰穩(wěn)定持續(xù)分解難題。此外，在試采中，我國(guó)掌握了鉆完井核心技術(shù)，構(gòu)建了深水淺層鉆完井技術(shù)體系。
此次成功試采，中國(guó)造船界也做出了不小的貢獻(xiàn)，有兩臺(tái)深海作業(yè)設(shè)備發(fā)揮了不可替代的重要作用，那就是我國(guó)自主研發(fā)的首臺(tái)4500米作業(yè)級(jí)無(wú)人遙控探測(cè)潛水器“海馬”號(hào)，以及由中集集團(tuán)旗下中集來(lái)福士自主設(shè)計(jì)建造的海上鉆井平臺(tái)“藍(lán)鯨一號(hào)”。“海馬”號(hào)深潛器是科技部863重點(diǎn)支持項(xiàng)目，是中國(guó)迄今為止自主研發(fā)的下潛最大、國(guó)產(chǎn)化率最高的無(wú)人遙控潛水系統(tǒng)。它是中國(guó)深海高科技領(lǐng)域繼“蛟龍”號(hào)之后的又一標(biāo)志性成果。它突破了本體結(jié)構(gòu)、浮力材料、液壓動(dòng)力和推進(jìn)、作業(yè)機(jī)械手和工具、觀通導(dǎo)航、控制軟硬件、升沉補(bǔ)償裝置等關(guān)鍵技術(shù)，先后完成了總裝聯(lián)調(diào)、水池試驗(yàn)和海上摸底試驗(yàn)等工作。“藍(lán)鯨一號(hào)”是由中集集團(tuán)旗下中集來(lái)福士自主設(shè)計(jì)建造，是中國(guó)最新研制成功的世界最大、鉆井深度最深的海上鉆井平臺(tái)，凈重超過(guò)42000噸、37層樓高，甲板面積相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)大小，最大作業(yè)水深3658米,最大鉆井深度1.5萬(wàn)米,造價(jià)50億元,是目前全球最先進(jìn)的雙井架半潛式鉆井平臺(tái)之一,可適用于全球任何深海作業(yè)。這個(gè)鉆井平臺(tái)技能點(diǎn)主要是開(kāi)采和防砂,是專門為開(kāi)采可燃冰而研發(fā)的,擁有一整套的完井防砂設(shè)計(jì)系統(tǒng),也足夠的穩(wěn)定,可以抵御12級(jí)的颶風(fēng),完全不怕海浪的顛簸。
雖然中國(guó)可燃冰試采成功，但要想實(shí)現(xiàn)大量穩(wěn)定開(kāi)采仍然面臨很多困難。首先是開(kāi)采技術(shù)問(wèn)題暫時(shí)難以突破，當(dāng)前可燃冰尚無(wú)成熟完美的開(kāi)采技術(shù)，傳統(tǒng)的三種方法均不太成熟，熱激發(fā)開(kāi)采法至今尚未很好地解決熱利用效率較低的問(wèn)題；化學(xué)試劑注入開(kāi)采法所需的化學(xué)試劑費(fèi)用昂貴,對(duì)可燃冰層的作用緩慢,而且還會(huì)帶來(lái)一些環(huán)境問(wèn)題；減壓開(kāi)采法不需要連續(xù)激發(fā)，成本較低，適合大面積開(kāi)采，尤其適用于存在下伏游離氣層的可燃冰藏的開(kāi)采，是可燃冰傳統(tǒng)開(kāi)采方法中最有前景的一種技術(shù)。但它對(duì)可燃冰藏的性質(zhì)有特殊要求，只有當(dāng)可燃冰藏位于溫壓平衡邊界附近時(shí)減壓開(kāi)采法才具有經(jīng)濟(jì)可行性。其次是開(kāi)采成本高。據(jù)估計(jì)，目前可燃冰開(kāi)采成本高達(dá)每立方米200美元，單位熱值的開(kāi)采成本遠(yuǎn)高于開(kāi)采常規(guī)天然氣和石油的成本。第三是環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。可燃冰穩(wěn)定性較差，一旦汽化可能導(dǎo)致大規(guī)模爆炸，“封存”它的海底沉積物會(huì)失去穩(wěn)定，不僅對(duì)海底管道、通信電纜和開(kāi)采平臺(tái)以及科學(xué)儀器造成破壞，而且還有可能造成大陸架邊緣動(dòng)蕩從而引發(fā)海底塌方，甚至導(dǎo)致大規(guī)模海嘯。而且可燃冰在開(kāi)采過(guò)程中可能造成甲烷成分泄露，全球可燃冰中蘊(yùn)含的甲烷量約是大氣圈中的3000倍，而可燃冰分解產(chǎn)生的甲烷進(jìn)入大氣的量即使只有大氣甲烷總量的0.5%，也會(huì)明顯加速全球變暖的進(jìn)程。正因?yàn)榇嬖谏鲜鲋T多有待突破的問(wèn)題，我國(guó)計(jì)劃先對(duì)開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行充分研究使其成熟，到2030年前后再進(jìn)行可燃冰的商業(yè)開(kāi)采。這一策略是十分明智和理性的。
創(chuàng)新為商業(yè)開(kāi)采提供堅(jiān)強(qiáng)支撐
因擔(dān)心破壞全球生態(tài)平衡，以及面臨諸多開(kāi)采技術(shù)難題，就否定天然冰的開(kāi)采價(jià)值，這是因噎廢食。以前很多人也不看好頁(yè)巖氣，但是現(xiàn)在美國(guó)的頁(yè)巖氣就做得很棒。隨著科技的發(fā)展，這些問(wèn)題都將得到最終解決?？扇急窈髮⒆鳛榍鍧嵞茉粗鸩教娲鷤鹘y(tǒng)化石能源的潛力是毋庸置疑的。但是，我們不能否認(rèn)，未來(lái)商業(yè)化開(kāi)采還面臨諸多挑戰(zhàn)。為此，一些專家也給出了不少非常好的建議。我個(gè)人認(rèn)為，還有以下幾點(diǎn)應(yīng)引起重視。
首先，要進(jìn)一步確立可燃冰資源在我國(guó)能源戰(zhàn)略中的地位，優(yōu)先編制可燃冰開(kāi)發(fā)中長(zhǎng)期規(guī)劃；將可燃冰納入新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)目錄，參照頁(yè)巖氣、煤層氣財(cái)稅政策盡快研究出臺(tái)可燃冰勘探、開(kāi)發(fā)、利用財(cái)稅扶持政策；加強(qiáng)礦產(chǎn)資源管理，審批并頒發(fā)可燃冰勘探開(kāi)發(fā)審批許可證、采礦許可證，劃定勘探區(qū)塊，做好礦權(quán)登記；建立健全開(kāi)采的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)體系，增強(qiáng)核心技術(shù)自主研發(fā)能力。
其次，在不斷加強(qiáng)國(guó)際合作，適當(dāng)引進(jìn)國(guó)際研究力量和技術(shù)的同時(shí)，整合國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)，把產(chǎn)學(xué)研結(jié)合起來(lái)，從設(shè)備制造、地質(zhì)研究、開(kāi)采試驗(yàn)、海底工程等方面組織力量加大力度進(jìn)行研究，以期用國(guó)產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備來(lái)解決可燃冰開(kāi)采問(wèn)題，爭(zhēng)取在2030年之前有大的突破。
第三，建立健全市場(chǎng)規(guī)則，制定民營(yíng)資本、中央和地方國(guó)有資本等以獨(dú)資、參股、合作、提供專業(yè)服務(wù)等方式參與投資勘探和開(kāi)發(fā)可燃冰資源的具體辦法。
作為造船人，我認(rèn)為在可燃冰領(lǐng)域造船界應(yīng)該有所作為，加大這方面的研發(fā)力度。在這方面我有些感悟。十年前，本人在訪問(wèn)日本三井造船時(shí)，聽(tīng)了日方關(guān)于可燃冰的技術(shù)講座和可燃冰的燃燒試驗(yàn)，感覺(jué)若實(shí)現(xiàn)可燃冰商業(yè)開(kāi)采，將會(huì)是國(guó)家能源戰(zhàn)略和海洋經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要組成部分。要商業(yè)化開(kāi)采可燃冰，必須解決甲烷的綠色安全開(kāi)采、經(jīng)濟(jì)安全儲(chǔ)運(yùn)等關(guān)鍵技術(shù)難題。可燃冰的新型開(kāi)采方式中相對(duì)可行的方法是置換法，即用二氧化碳去置換可燃冰中的甲烷。江南造船當(dāng)時(shí)研發(fā)了液化二氧化碳運(yùn)輸船和MOSS型液化天然氣（LNG）船，因此就大膽地設(shè)想，能否可以設(shè)計(jì)這樣一艘船，去程將用于置換的二氧化碳運(yùn)過(guò)去，回程將置換出來(lái)的甲烷液化后運(yùn)回來(lái)。此外，還將可燃冰開(kāi)采裝置設(shè)計(jì)成一艘“子船”。2010年，江南造船的青年團(tuán)隊(duì)以這個(gè)理念為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了“中華鱘”號(hào)可燃冰開(kāi)采船方案，曾獲“中船理想杯”未來(lái)船舶創(chuàng)意大賽三等獎(jiǎng)。盡管這個(gè)設(shè)想方案距離工程化還有很大的距離，但這種創(chuàng)新精神還是值得稱道的。
作為造船人，我們應(yīng)當(dāng)敏銳地意識(shí)到，可燃冰的商業(yè)化開(kāi)采對(duì)船企來(lái)來(lái)說(shuō)蘊(yùn)育著無(wú)數(shù)商機(jī)。這次在可燃冰試開(kāi)采出盡風(fēng)頭的“藍(lán)鯨一號(hào)”是一個(gè)通用的鉆井平臺(tái)，如要進(jìn)行商業(yè)化開(kāi)采和運(yùn)輸，必定對(duì)高效、經(jīng)濟(jì)、耐用的可燃冰開(kāi)采平臺(tái)和運(yùn)輸船舶提出需求。江南造船作為國(guó)內(nèi)液化氣船設(shè)計(jì)建造領(lǐng)先者，將致力海洋工程技術(shù)再創(chuàng)新，目前已經(jīng)著手利用成熟的C型艙技術(shù)進(jìn)行液化二氧化碳/LNG兼用運(yùn)輸船的研發(fā)，為置換法可燃冰開(kāi)采后的運(yùn)輸提供綠色、安全、高效、經(jīng)濟(jì)和可靠的運(yùn)輸船舶，助推可燃冰實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)采。
總之，可燃冰的勘探、開(kāi)發(fā)和利用是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及海洋地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、鉆探工程等多個(gè)學(xué)科，因此只有大家共同努力，不斷創(chuàng)新，才能助推中國(guó)在可燃冰領(lǐng)域取得更大突破。
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