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    瞄准科技前沿:“冰火”试采催生中国能源变革

  • 来源:人民日报海外版
  • 2017-12-07 11:26
  •   新华社发

      在“蓝鲸一号”钻探平台上,工作人员庆祝天然气水合物试采成功(资料图片)

     

      开采可燃冰方法的示意图

    中共十九大报告提出了“加快生态文明体制改革,建设美丽中国”的伟大目标,并把“构建清洁低碳、安全高效的能源体系”作为实现这一目标的重要手段之一。这无疑高度契合了中国当前环境保护和可持续发展面临的真实状况,抓住了问题症结所在。多年来,中国受困于以煤炭为主的能源结构。根据相关分析报告,2016年,中国经过艰苦努力,虽然实现了煤炭消费量占能源消费总量比前一年下降了4.7%,但比重仍然高达62%。这种长期形成的“以煤为主”的能源结构,使得煤炭在开采、运输和燃烧过程中的污染日益累积,在很大程度上造成了以“雾霾锁城”为代表的一系列环境问题。

    只有在加强环境治理的同时,积极开发利用环保、高效的替代能源,大幅降低煤炭的使用量,从根本上变革中国能源结构,才能确保“打赢蓝天保卫战”,切实增强民众的获得感。而能量密度高、储量极其丰富的清洁能源天然气水合物“可燃冰”为推进中国能源结构的变革带来了潜在机遇。而要把潜在机遇转化为现实,就需要突破可燃冰开采技术并大幅降低开采成本,尽早实现可燃冰的商业化开发。

    困难重重 开采面临瓶颈

    自20世纪60年代以来,人们陆续在冻土带和海洋深处发现了可燃冰,对其物理和化学性质,特别是能量密度高、绿色环保等特点有了深入的认知,对其庞大的储量进行了准确预测和成功勘查、验证。在国际上,可燃冰早已被公认是煤、石油等的替代能源,是世界重要的战略资源。然而40多年过去了,今天,世界各国并没有开采利用可燃冰,甚至进行试开采的国家也屈指可数,这究竟是为什么呢?

    难,可燃冰开采是一项世界性难题,这是由其成矿原理和物理、化学性质决定的。天然气水合物是在高压、低温的条件下形成的。一旦失压,或者温度升高,就会变成气体,体积急剧增大160多倍。在海底,天然气水合物赋存于泥质粉砂中。一旦钻孔密封不好,大量海水灌入,可能造成更大范围内的失稳,大量的温室气体逸出,甚至引发海底滑坡和更大的灾害。在冻土、泥砂中,天然气水合物因为混合了砂砾,开采过程中一旦出砂将很难处理。天然气水合物一旦开采出来,如果管道密封保护不好,甲烷气体就会逸出。可燃冰开采的核心难点在于有序、可控,不发生地质等次生灾害。实践上也印证了这一点。2013年,日本在其南海海槽进行了海上可燃冰试采,但因出砂等技术问题而失败。2017年,日本在同一海域进行第二次试采,很快又因出砂问题而再次中止产气。

    即使解决了开采技术性问题,可燃冰作为新型绿色能源,其成本的相对竞争力也是制约开发利用的重要因素,就是说,相对于煤炭、石油、天然气等传统化石能源,可燃冰只有在解决了“大规模开采得出来”的基础上,将开采、运输等综合成本降到与传统化石能源相当,才具有进入现有能源体系,实现能源结构变革。

    后来居上 试采圆满成功

    5月中旬,中国南海神狐海域,碧海蓝天下,橙黄色的蓝鲸一号钻井平台高大的身姿巍然耸立,向海上伸出的一个塔架末端跳动着熊熊燃烧的火焰。这火焰通过电视新闻画面既点燃了全国人们的热情,又吸引了全世界的目光。经过20多年的努力,中国能源科技工作者和工程人员,不仅实现了可燃冰勘查技术的一个又一个突破,成功进行了海域和陆域可燃冰的取样,而且初步攻克海域可燃冰的开采难关,在南海上,将这种“沉睡”上万年的绿色能源用中国自主研发的技术和装备安全试开采出来。

    此次试开采经过60天持续产气和现场测试,累计产气量近31万立方米,平均日产超5000立方米,甲烷含量最高达99.5%,创下了产气时长和总量的两项世界纪录。特别值得一提的是,试开采经受住了今年第2号台风“苗柏”的严峻考验,在台风中心最大风力11级、浪高6.5米的恶劣环境下,试采团队采取有力措施积极应对,生产过程未受影响,产气过程平稳。试采的成功一举把中国可燃冰开采技术和能力推向当今世界最先进水平。在本次南海可燃冰试采成功之际,中共中央、国务院向全体参研参试单位和人员发去贺电,称赞我国在可燃冰领域实现了历史性突破,试开采成功是中国人民勇攀世界科技高峰的又一标志性成就,对推动能源生产和消费革命具有重要而深远的影响。

    据中国地质调查局副总工程师、南海可燃冰试采现场指挥部指挥长叶建良介绍,为保障试采可燃冰成功,试采团队实现了6大技术体系、20项关键技术自主创新。其中,“地层流体抽取法”是最重要的创新技术之一,该技术由本次可燃冰试采工程首席科学家卢海龙在国际上提出并实施。地层流体抽取法以可燃冰的物性和在自然界的产出特征为基础,针对可燃冰开发面临的储层沉积物易出砂、低渗等问题提出,在储层和井壁稳定允许的降压幅度下,通过储层改造等方法,加大储层流体抽取量,从而达到长期、高效、安全开采可燃冰的目的。

    绿色能源还须绿色开采。南海可燃冰试开采的历程同时也是全面实施环境检测的过程,试采团队针对可燃冰开采开发了相应的海洋环境监测技术,包括多学科多手段环境评价、立体环境监测和井下原位实时测量技术。此外,在试采环境安全防控方面,团队建立了可燃冰环境效应评价技术方法,获得试采前环境本底数据;构建了大气、海水、海底、井下“四位一体”的立体环境监测网,实现了对温度、压力、甲烷浓度及海底稳定性参数实时监测及安全预警。

    瞄准目标 形成产业链条

    试采成功,国产装备功不可没。据叶建良介绍,由于可燃冰开采的特殊性,常规海洋开发装备材料无法直接应用,这就要求试采团队自主研发可燃冰专用的装备、管材、特殊材料等。据国土资源部中国地质调查局副局长李金发介绍,此次试采实现了诸多重大技术装备自主创新,包括适合试采储层特点的防砂筛管及适用于实时监测海底形变的地震监测仪,还研发了可燃冰保温保压取样器、海底可控源电磁探测系统、天然气水合物试采大型模拟实验装置。其中特别值得一提的是自主设计建造的超深水半潜式钻井平台蓝鲸一号,它是中国研制成功的世界最大、钻井深度最深的海上钻井平台之一,拥有高效的双钻塔系统。该平台当仁不让地承担了中国可燃冰首次试采重担,并表现出优异的性能,尤其在对抗台风等海上恶劣气象条件的环境下。

    在李金发看来,试采成功表明,中国实现了海域可燃冰开发理论、技术、工程和装备的自主创新,但这只是一个新的开始。下一步,不同类型天然气水合物试采工作将逐步展开,这就要求研发适应不同类型特点的试采工艺和技术装备,建立适合中国资源特点的开发技术体系。

    试采成功之后,中国可燃冰开发呈现加快发展势头。就在南海可燃冰试采焰火缓缓熄灭,第一口试开采井封井之后约1个月,蓝鲸一号姊妹船蓝鲸二号建造完成,并成功进行了首航。该船刷新了蓝鲸一号保持的多项性能纪录,无疑将成为中国可燃冰开发的又一利器。近日,国务院批准可燃冰为我国第173个独立矿种。国土资源部矿产资源储量司司长鞠建华表示,此举将极大地促使中国天然气水合物勘探开发工作进入新的发展阶段。国土资源部将研究制定可燃冰资源勘查开发规划,建立技术标准规范体系,加强资源管理和政策支持,推动可燃冰资源勘查开采工作快速发展。

    值得注意的是,鞠建华透露的政策方向直指可燃冰商业化开发。比如,将可燃冰开发纳入战略新兴产业目录,会同有关部门在税收优惠、价格补贴等方面制定出台扶持政策,提升企业积极性,鼓励和引导企业有序进入天然气水合物勘查开发领域。此举将增强可燃冰作为新能源的市场竞争能力,增强市场主体进入该领域的商业动力。再比如,加强与可燃冰有关的重大科学问题研究和技术装备研发,此举有利于推动钻采装备制造、管网建设、工程施工、液化天然气船、非常规天然气勘探开发特种技术及装备制造,形成上游勘探开发、中游运输储备、下游综合利用的完整产业链。

    “依靠科技进步,保护海洋生态,促进天然气水合物勘查开采产业化进程,为推进绿色发展、保障国家能源安全作出新的更大贡献。”中共中央、国务院对海域可燃冰试采成功的贺电指明了我国可燃冰事业发展的方向。只要我们瞄准这一方向,久久为功,就一定能率先实现可燃冰的开发利用,实现能源结构的根本变革,走出一条绿色能源之路。

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