冬天煤炭开采（冰火并非两重天）

出品：科普中国

制作：中国科学院西北生态环境资源研究院 陈治理

监制：中国科学院计算机网络信息中心

自然资源部中国地质调查局副局长李金发近日表示，我国将加快推进天然气水合物勘查开采产业化进程，统筹开展资源勘查、试采攻关、环境保护、平台建设及产业政策制定等。基于中国可燃冰调查研究和技术储备现状，预计我国在2030年左右有望实现可燃冰商业化开采。

可燃冰，顾名思义就是"可以燃烧的冰"。它是天然气水合物的俗称，外形为白色似冰状物，是天然气和水在低温高压环境下通过结晶作用形成的类冰状化合物，像固体酒精一样可以直接点燃。

可燃冰

为什么可燃冰日益受到人们关注？

可燃冰相比传统能源具有诸多优点。天然气中几乎不含硫、粉尘及其他有害物质，对环境的污染比煤（燃烧产物为二氧化碳、二氧化硫及粉尘，可能导致全球变暖、形成酸雨，危害人类呼吸系统）和石油（燃烧产物为二氧化硫和三氧化硫。严重污染大气、土壤及水体等）小得多，其燃烧产生的温室气体极少。因此，可燃冰是一种清洁能源，其燃烧所造成的污染，远远小于煤、石油等传统能源。

此外，天然气相对而言热值、热效率高。与煤炭和石油相比，天然气单位热值为8000-10000大卡，远高于煤炭；并且天然气的热效率可达70%以上，不仅高于煤炭40%-60%的热效率值，也高于石油的65%。常温常压下，1m3的可燃冰在"溶化"后可以释放出约164m3的天然气。

可燃冰是怎么形成的呢？

（1）温度条件。能够形成可燃冰的环境温度通常为0-10℃，最高不能超过20℃。否则会导致可燃冰的分解。

（2）压力条件。可燃冰的生成需要高压环境。如在0℃时，30个以上标准大气压才可能生成可燃冰。

（3）气源条件。烃类气源是形成可燃冰的源泉。

当然，除此之外，pH值、盐度、气体运输通道等也是可燃冰形成的重要条件。陆地上只有少数永久冻土层的地区，例如青藏高原、西伯利亚地区具备上述三个条件。在海洋中，位于海平面下300米到500米处的沉积物里也可能具备适合可燃冰形成、并使其维持稳定状态的低温高压条件。

可燃冰分子结构图

那么，在哪里可以找到可燃冰呢？

可燃冰广泛分布于陆域永久冻土带及海洋或内陆深水环境，地球上大约有27%的陆地和约90%的海洋水域是可以形成可燃冰的潜在地区。全球已探明的可燃冰中的天然气资源量超过15万亿m3，是一种资源潜力巨大的非常规天然气资源。

可燃冰世界分布区域

可燃冰如何开采呢？会导致什么问题吗？

由于可燃冰苛刻的形成条件和所处的敏感特殊环境，开采不当容易造成多方面问题。例如，可燃冰在脱离地层后极易分解逸散，释放出的主要气体甲烷产生的温室效应是CO2的20-26倍。

目前，可燃冰的开采的原理是破坏可燃冰的平衡状态，使水和天然气分离，从而达到开采目的。常见开采方法如下：

中国可燃冰海上开采平台

当然，可燃冰若开采不当，导致甲烷气体泄漏，会加剧全球变暖，诱发自然灾害和突发事件发生。

（1） 引发地质灾害

特定地质环境下，可燃冰开发会发生相变。可燃冰的基底区域变得松散，气体溢出，易造成海底滑坡，海底地震等自然灾害。溢出的气体会迅速上窜，极易引起井喷，严重危害开采人员和设备的安全。

（2） 破坏生态环境

贸然对可燃冰进行钻探开采，可能会加速甲烷的溢出速度。甲烷进入海水后，部分会被微生物或喜氧细菌氧化，从而导致海水缺氧，引发大量生物死亡甚至灭绝，严重破坏生态环境。

（3） 影响全球气候

甲烷是一种温室气体，温室效应比同等重量CO2大20倍。在陆上和海洋中，可燃冰里甲烷含量是大气中含量的3000倍。因此，如开采不当导致甲烷泄漏，可能对大气构成和大气辐射特性产生重大影响，从而影响全球气候。

可燃冰开采新技术

近年来，日本研究出一种水平钻采技术。沿天然气水合物储层水平开采，效率可提高30%。除传统的降压、热激和试剂注入3种方法外，还可向开采中的天然气水合物储层中注入液态二氧化碳，使其形成二氧化碳水合物，同时置換采出甲烷天然气。这样，既充填了采空岩层，又把工业产生的二氧化碳贮存于地下深部，起到了"固碳作用"、又防止了矿层破坏坍塌，一举多得。

前面提到，可燃冰广泛分布于陆域冻土带或者海域。需要注意的是，冻土地区可燃冰在成藏条件和发育特征等方面与海域相比存在很大差异。海域水合物主要存在于新生界未固结的松散地层中，地层孔隙度大、产状平缓、构造简单，水合物含量高、厚度大；而陆域水合物，以我国青藏高原为例，属于中纬度高海拔多年冻土区，冻土（岩）层较薄，地层产状陡、断裂发育，岩性复杂，发现的水合物主要存在于中生界砂岩、泥岩、页岩等硬岩石的孔隙或裂隙内，具有埋深浅、饱和度低、水平及纵向分布不连续等特点。

成藏条件和发育特征的差异，必然会造成水合物储层表现出不同的地球物理和地球化学响应特征，造成海域水合物勘查技术难以直接应用于陆域天然气水合物勘查工作中。那么，目前陆域水合物探测方法有哪些呢？

目前常见的探测方法有高精度地震勘探技术、电磁探测技术、低频探地雷达技术、综合地球物理测井技术、地面核磁共振技术、遥感探测技术等。下面让我们简单了解一下其中几种。

（1） 高精度地震勘探技术

地震勘探指的是人工激发所引起弹性波，利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析人工地震产生的地震波在地下的传播规律，推断地下岩层的性质和形态的一种勘探方法。在天然气水合物探测中，我们也是利用地震波组的振幅、频率和速度特征进行综合解释，识别天然气水合物储层。

（2） 低频探地雷达技术

探地雷达是利用天线发射和接收高频电磁波来探测介质内部物质特性和分布规律的一种探测方法。，主要用于考古、灾害地质调查、工程质量检测等。在天然气水合物探测中，我们采用使用了伪随机编码技术的低频探地雷达，通过反射信号的""高频、强振幅""特征，识别天然气水合物储层。

（3） 地面核磁共振技术

首先，我们先要了解下核磁共振技术。核磁共振，简称NMR，是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(（F.Block)）和哈佛大学珀赛尔(（E.M.Purcell)）各自独立发现的，两人还因此获得1952年诺贝尔物理学奖。

核磁共振是一个基于原子核特征的物理现象，是指具有核子顺磁性的物质,选择地吸收电磁波能量。从理论上讲，应用NMR技术的唯一条件是所研究物质的原子核磁矩不为零。而水中氢核具有核子顺磁性，并且其磁矩不为零。

核磁共振在医学、化工、建材、食品、冶金、地质、国防等方面被广泛应用。地面核磁共振技术，简称SNMR，是目前主要直接探测地下水的探测方法。其基本思想是基于核磁共振原理对氢原子的探测，可以直接探测液态氢质子存在性和含量多少。

地下水是形成水合物必要物质条件，地下水的发育还会对水合物的成藏环境产生影响。利用地面核磁共振可以有效探测地层含水率和地下水空间分布状况，为天然气水合物储层描述提供参考。

（4） 遥感探测技术

遥感探测是指从人造卫星、飞机或其他飞行器上收集地物目标的电磁辐射信息，判认地球环境和资源的技术。是60年代在航空摄影和判读的基础上，随航天技术和电子计算机技术的发展而逐渐形成的综合性感测技术。

遥感探测技术主要应用于大气成分探测、植物病虫害探测等。在天然气水合物探测中，通过分析各种传感器数据，获取冻土区近地面甲烷浓度分布，解译气源条件，分析水合物成藏有利区。

天然气水合物是一种清洁能源，其勘探开采备受世界瞩目。2017 年11 月16 日，中国国土资源部正式批准天然气水合物（可燃冰）为新矿种，成为我国第173个矿种，是21世纪石油天然气的理想替代资源。中国也正在进一步加大天然气水合物资源的勘察开发力度，实现天然气水合物资源的利用。可以期待，可燃冰将成为未来重要的替代能源之一。

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