可燃冰真那么神奇吗？

庄北徐工

前注：本文旨在科普，同时也希望能澄清一些媒体对可燃冰夸大、错误的渲染。图片主要源自网络和专业文献，并作格式修改和中文贴字，恕未每每注明出处，版权属原作者，并向原作者致谢。

提要

一、什么是可燃冰？

二、可燃冰的热值高吗？

三、可燃冰成藏机理

四、可燃冰开采方法与难题

五、海底可燃冰试采实例

六、被误导、神化的可燃冰

一、什么是可燃冰？

顾名思义，可燃冰
既有可燃物 (碳、氢)，又有冰 (水)

如同霜雪包裹的松枝，

脱水后可以燃烧。

从结构上看，可燃冰就是

冰晶包着天然气的包裹体。

常识会告诉我们，

一担裹着厚雪的松枝不可能比

一担干松枝含有更多的热量，

况且化雪、脱水本身要消耗热能，

不信的话，拿到哪家老灶烧烧看。

以此类推，同体积的可燃冰

不可能比石油蕴含更多的能量

网络图片：黄山雪松

常规可燃物为碳、氢或碳氢化合物，

碳元素最小的化合物为甲烷，

即四氢化碳 (CH4)，

其分子量和水分子相近，

但直径大于水分子。

可燃冰中除水外，
绝大部分为甲烷 , 还有少量乙烷，

学名叫天然气水合物

如上所述，

水分子尺寸小于甲烷分子，

要想裹住甲烷，就要众人抱团，

搭建足够大的笼子，

其格子可以是不同的多边形，
空间上是复杂的多面体

根据被包裹对象的大小，

编织不同大小的笼子

水 (冰) 分子要包住甲烷，

并能周期性、无缝重复的

最小团队构成一个单晶，为：

2个12面体 + 6个14面体，

每个多面体包一个甲烷分子。

也就是说，可燃冰单晶含

8个甲烷分子和46个水分子，

化学式为 (CH4)4 (H2O)23

单晶堆积，长成冰块后，

形象地看，有点像这样

二、可燃冰的热值高吗？

根据可燃冰的成分

8个甲烷分子对46个水分子，

很容易算出可燃冰中的

甲烷比例和单位体积的热值。

可燃冰的密度为0.9克/立方厘米，

其中甲烷的质量比例仅为13.4%，

即0.12克/立方厘米。

为了与其它碳氢燃料热值对比，

以日常习惯的<升>为体积单位。

可燃冰的热值约为5.9兆焦尔/升，

大约相当于

液态天然气的30%，石油的1/6，

在下图所列的

常规碳氢燃料中热值最低

用热值进行比较有点抽象，

换算成标准条件下

（煤气表读数对应的条件）

的体积可能更好理解。

每立方米的可燃冰融化后

释放164标准立方米甲烷，

远低于液化天然气

释放的600标准立方米

由此可见，单位体积

可燃冰所蕴藏的能量

低于液化天然气，

更远低于汽油、柴油和原油。

各位还相信
同体积可燃冰比石油、煤炭能量更高，
汽车加入100升可燃冰
能行驶5万公里的神话吗？

这个错误：300x164 ~ 50000

就像买一辆车的钱，贬值膨胀164倍后，

有人高兴可买164辆车一样

三、可燃冰成藏机理

可燃冰生成必须满足

以下四个条件:

1) 天然气 (甲烷，少量乙烷)

2) 水份 (液态或气态)

3) 足够高的压力

4) 足够低的温度

什么是合适的压力、温度？

这取决于天然气和水的相平衡，

下图红线下方即为

可燃冰生成的压力-温度区域

例如在1200米深的海底，

静水压力大约12兆帕，

根据相图，

水合物形成的温度低于17°C

海底往下，大约400米深度内，

是可燃冰形成并储存的有利区域。

再往下，地温增高

越过水合物-气相边界，

甲烷以气态存在

地壳中，具备可燃冰大范围

生成和储存条件的区域为：

1) 极地、高寒永久冻土带

2) 大于500米水深的大陆边缘海域

可燃冰分布广泛，蕴藏量巨大，

南海只是具备可燃冰

成藏条件的海域之一

据测算，可燃冰内蕴藏了

全球过半 (53%) 的有机碳总量，

但目前还没成为可用资源

四、可燃冰开采方法与难题

可燃冰赋存的环境多样，

从海底浅层的堆积，

到具有渗透性砂质储集体，

再到非渗透性泥质储集体，

构成一个金字塔。

自金字塔顶往下，

开采难度相对由易到难，

相反，蕴藏量由少到多。

也就是说，绝大部分可燃冰

蕴藏在开采难度大，

可采率低的泥质储集体中

海底可燃冰取样

需要专门的技术，

有钻具或电缆取样两大类，

关键要密闭保压，或同时保压保温

从原理上讲，可燃冰开采方法

逆着其生成条件即可。

可燃冰生成需要高压、低温，

那么开采就降压、升温。

不外乎有如下几大类：

1）降压分解

2）增温分解

3）固态开采

4）注添加剂，如甲醇盐水，

改变水合物稳定参数

5）二氧化碳置换

当然，这些方法有的不完全独立，

例如，固态开采自然伴随降压分解

考虑到可能的实施规模，

降压法及类似的抽吸法

更可能有前景。

南海项目试采中发明的

“地层流体抽吸法”

我理解是

可燃冰和淤泥、粉砂一起抽，

在气、水、泥沙分离工艺上有突破，

但会很快洗刷掏空

井壁周围沉积物，造成塌陷堵塞

降压法示意图

无论采用何种方法

开采海底可燃冰，

都必须挺进深水，

（例如神狐海域水深1300米）

动用半潜式钻机或钻井船，

每天成本以几百万元计，

加上开发所需的

海底和海面生产设施，

投资就是天文数字，

自然要求极高的单井产量，

和可采储量。

目前可燃冰试采产量

远不及经济产量的零头，

并且很难持续

即使是常规油气开发，

一旦进入深水区，

就是烧钱赌大游戏，

以期高产高回报，

不是可燃冰产量所能企及。

全球深水常规油气开发金三角：

美国墨西哥湾，西非几内亚湾和巴西

常规油气田开发中，

油、气、水在孔隙中流动，

岩石骨架支撑着地层的稳定。

可燃冰储集在没有固结的

海底表层泥沙中，

生产中自身分解造成体积缺失，

必然会伴随泥沙生产，

造成井底的不稳定。

想起小时候挖莲藕的感觉，

要采莲藕 (可燃冰)，就得挖坑

可燃冰商业化开采面临

开采成本、产能和储量保障、

温室效应、地质灾害、

其它环境效应等问题或风险。

可燃冰能否作为新能源，

还有待实验论证，不容乐观

五、海底可燃冰试采实例

日本于2013年实现全球首次
海底可燃冰试采，持续6天，

后因沙堵停采

2017年日本进行第二次

海底可燃冰试采，持续36天，

累计产气26万立方米

2017年5月，

中国国土资源部地质调查局

在南海神狐海域

首次实现海底可燃冰连续试采，

累计产气超23万立方米，

引领技术，可歌可颂！

海上巨无霸

蓝鲸-1号半潜式钻井平台，

在约1300m水深的神狐海域作业。

据报道，蓝鲸-1号造价接近50亿元

（约7亿美元）

南海可燃冰试采火炬

六、被误导、神化的可燃冰

南海可燃冰试采成功，

自然是了不起的技术突破，

也得益于广泛的技术合作，

和强大的资金支持。

国人兴奋，可以理解，

但诸多新闻报道，甚至科普文献中

频繁出现技术错误，

夸大可燃冰的热值，

误导可燃冰做为燃料的环保效应，

夸大可燃冰商业开发预期，

和战略意义

1) 夸大可燃冰的热值和环保效应

可燃冰是碳氢燃料，

烧掉一个甲烷分子，

就要消耗两个氧分子，

排出一个二氧化碳和两个水分子。

基本的化学反应，谁也颠覆不了，

可燃冰作为燃料，是清洁，

但不可能比天然气更环保

100升让汽车跑5万公里，

这么大密度的可燃冰

大概要到黑洞视界附近才能挖到

2) 夸大技术和商业化进程

打个赌，看看谁家在30年内

能用上价廉物美的海底可燃冰

3）夸大国际反应和战略意义