日本可燃冰商業(yè)開發(fā)前景幾何

國際清潔能源論壇(澳門)副理事長兼秘書長、中國經(jīng)濟社會理事會理事、武漢新能源研究院研究員周杰

日本可燃冰商業(yè)開發(fā)計劃，在2018年步入了承上啟下的關(guān)鍵階段，為期18年的國家可燃冰開發(fā)計劃行將到期。近期日本政府先后公布了“第3期海洋基本計劃”“第5次能源基本計劃”，明確提出在2023至2027年期間將實現(xiàn)民營企業(yè)主導的可燃冰商業(yè)開采目標。今年年底還將出臺新的“海洋能源與礦物資源開發(fā)計劃”，進一步明確具體商業(yè)開發(fā)路線圖。日本可燃冰商業(yè)開發(fā)能否復制美國的“頁巖氣革命”奇跡，一舉甩掉“缺煤、缺油、又缺氣”的“資源小國”帽子，成為日本版能源革命的救世主?

在全球能源低碳轉(zhuǎn)型的進程中，天然氣作為清潔化石能源代表將起到十分重要的轉(zhuǎn)接作用。然而，對于不同類型天然氣的開發(fā)，一定要在環(huán)境、綜合成本、技術(shù)等多個方面進行評估，在成熟條件下開發(fā)，才能真正做到有的放矢?？扇急Y源固然可貴，但不確定因素相對較多，需要更加謹慎。

國家主導開發(fā)

規(guī)劃分三步走

全球可燃冰儲量預(yù)估達到2800萬億立方米，大約相當于全球已探明石油、煤炭和天然氣總量的兩倍，能滿足人類上千年使用。不過目前世界上可燃冰都處在勘查和試采階段，仍然沒有被大規(guī)模商業(yè)開發(fā)和利用的成功先例。

可燃冰成分復雜，包括甲烷、乙烷、丙烷和二氧化碳。因其只能在高壓低溫環(huán)境下生成，一般存在于水深500米以上的海底和長年凍土之下。

日本近海的可燃冰資源主要有兩大類，一類是深埋于海底地層的“砂層型可燃冰”，它存在海底下幾百米的砂層中，甲烷氣充填在砂粒隙縫間，主要分布在太平洋海域;另一類是位于海底表層附近的“表層型可燃冰”，它是地下的甲烷氣體噴出到海底表面后形成的結(jié)晶，主要分布在日本海海域。

可燃冰作為非常規(guī)天然氣資源具有重大戰(zhàn)略意義，因此，各大國都看上了這個能源革命的“新寵”，對于像日本這樣資源匱乏的國家來說意義更不可尋常。日本是世界上最早進行可燃冰研究和開采的國家之一，十分重視可燃冰資源勘查、基礎(chǔ)性研究和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)工作。

早在上世紀70年代就開始可燃冰的基礎(chǔ)研究，1980年日本發(fā)現(xiàn)四國南海海槽可燃冰存在的地理標志。1990年在此海域采集到可燃冰樣本。1995年政府實施了勘探南海海槽區(qū)域海洋可燃冰的五年計劃，日本十大油氣企業(yè)還聯(lián)合成立了“可燃冰開發(fā)技術(shù)研究中心”。2001年日本政府啟動了為期18年的“可燃冰開發(fā)計劃”，并設(shè)立了“21世紀可燃冰開發(fā)研究財團(MH21)”。

2008年3月，日本根據(jù)海洋基本法制定的《海洋基本計劃》將可燃冰開發(fā)計劃上升為國家戰(zhàn)略，還專門制定了《海洋能源與礦產(chǎn)資源開發(fā)計劃》，進一步明確了可燃冰開發(fā)路線圖。2013年安倍首相上臺不久就讓日本政策投資銀行準備萬億日元投資可燃冰項目，計劃到2023年要全面實現(xiàn)可燃冰商業(yè)化開采。

緊接著，日本政府出臺了“第2期海洋基本計劃”以及修訂了“海洋能源與礦產(chǎn)資源開發(fā)計劃”。新計劃提出：2018年要完成“砂層型可燃冰”商業(yè)化技術(shù)儲備，并探明“表層型可燃冰”資源儲量、分布地區(qū)和特征，大舉加速可燃冰投資開發(fā)。近年來日本可燃冰國家研究預(yù)算年年過百億，從2002年到2017年已累計投入1000多億日元。

日本可燃冰開發(fā)計劃路線圖分三個階段： 第一階段2001年至2008年為資源調(diào)查研究階段，主要以資源粗探和陸地可燃冰試采為主;第二階段2009年至2015年為試驗開發(fā)階段，主要以資源細探和海洋可燃冰試采為主;第三階段2016年到2018年為商業(yè)化準備階段，主要是繼續(xù)海域試采，檢驗不同的穩(wěn)定開采生產(chǎn)技術(shù)。整個計劃設(shè)定了六大目標：查明日本周邊海域可燃冰的產(chǎn)出條件和特征;估算可燃冰礦區(qū)甲烷氣的數(shù)量;優(yōu)選可燃冰資源賦存區(qū)并研究其經(jīng)濟可行性;在選定的資源賦存區(qū)進行可燃冰生產(chǎn)試驗;研發(fā)商業(yè)性生產(chǎn)技術(shù);建立環(huán)保的開采體系。

試錯探采技術(shù)

實現(xiàn)多個第一

日本利用地震探測法測到可燃冰BSR(海底模擬反射層)海域面積達到12.2萬平方千米。據(jù)此推測，日本近?？扇急鶅Σ亓考s12.6萬億立方米，按現(xiàn)在日本天然氣年消費量1120億立方米計算，此量可供日本消費100年以上。然而，并非所有蘊藏資源都可以被充分利用，只有從可開采量來計算才具實際意義。日本勘探太平洋海域可燃冰歷史足有20多年，但目前仍沒有可開采量的準確數(shù)據(jù)。

根據(jù)從南部海槽細長海溝中的取樣和數(shù)據(jù)分析，查明此海域有16個富集區(qū)塊，儲量為1.1415萬億立方米，可供日本使用10年左右。令人興奮的是，根據(jù)從熊野海盆泥火山的取樣研究，發(fā)現(xiàn)僅一座泥火山590米深處礦點儲量就達32億立方米。

日本政府一開始就重點鎖定太平洋海域的“砂層型可燃冰”開發(fā)。一方面是因為常規(guī)油氣鉆探技術(shù)有可能適用于砂層型可燃冰開發(fā)，另一方面是表層型可燃冰看上去開采簡單，實際上環(huán)境風險更難評估。而且毗鄰海區(qū)又存有領(lǐng)海和島嶼糾紛，更恐日后引發(fā)資源爭奪大戰(zhàn)。

2003年日本在開采海洋油氣田時就發(fā)現(xiàn)日本海的“表層型可燃冰”。之后，日本一些民間機構(gòu)先行開始調(diào)查。如獨立綜合研究所與東京大學自2004年起就聯(lián)合勘查日本?？扇急?，發(fā)現(xiàn)存有大量巨型可燃冰塊，而且成功地利用魚群探測器尋找甲烷氣泡來勘探可燃冰的富集區(qū)塊，大大降低了探查費用。2012年包括新瀉縣和京都府在內(nèi)的日本海沿岸10個府縣成立了“日本海海洋能源資源開發(fā)促進聯(lián)合會”，致力于日本海海域的可燃冰勘探和開發(fā)。2013年至2015年國家正式立項對日本海海域進行全方位勘探。

2016年9月，日本經(jīng)產(chǎn)省公布了表層型可燃冰儲量的調(diào)查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了海底1742個氣體柱礦點，氣體柱直徑為幾百米不等，厚度為100米左右，賦存層位于水深1000米左右的海底至海床下100米之間，呈現(xiàn)為塊狀、板狀、脈狀、粒狀等形態(tài)。僅上越海域的一個礦點儲存量推測為6億噸。但其分布不均，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，總儲量還難以測算。表層型可燃冰盡管開采成本相對較低，但由于可燃冰比重比水輕，一旦露出海底就可能自動漂浮至水面，非常容易自然分解，所以回收氣體更為困難，人為攪動所帶來的泄漏風險也更加險惡。

2002年3月5日，日本在世界上第一個在陸地凍土層利用熱解法成功開采可燃冰。日本利用80℃溫水循環(huán)法連續(xù)5天在加拿大西北部長年凍土層下開發(fā)可燃冰，在907米-970米深處成功分解可燃冰，最終只采氣470立方米，日均產(chǎn)氣量不足100噸，但這是全球首次在陸地試采可燃冰的成功案例。盡管這一項目日本與加拿大、美國、印度和德國等國的國際合作開發(fā)項目，但技術(shù)上則主要以日本為主導，由于此法開采效率較低，而且生產(chǎn)時間越長出氣量越少，日本轉(zhuǎn)而重點攻關(guān)降壓法技術(shù)。

為了研發(fā)高效采氣技術(shù)，日本與加拿大聯(lián)合進行第二次陸地采氣，共分為兩期實施。第一期為2006年12月—2007年4月，實驗了12.5個小時，采氣830立方米，因出砂問題而中斷;第二期為2008年1月—4月，利用降壓法連續(xù)5天半采氣1.3萬立方米，降壓法開采技術(shù)的可操作性得到了驗證。

2008年8月，日本第一次成功在湖底開采了“表層型可燃冰”。貝加爾湖是全世界最深的淡水湖，深處達到1642米。1997年日美俄三國聯(lián)合科考取樣曾發(fā)現(xiàn)1428米湖底深處存在可燃冰。此次日本與俄羅斯科學界聯(lián)合在貝加爾湖底水深400米處成功開采了表層型可燃冰，試采采用了新的回收技術(shù)，在湖底設(shè)置了分解裝置，直接用水攪拌回收氣體，100分鐘采氣1.4萬立方米。

2013年3月，日本還成為世界上第一個掌握海底可燃冰采掘技術(shù)的國家。日本“地球號”探測船于12日-18日成功地在愛知縣渥美半島以南70公里、水深1000米處海底鉆探330米，采用降壓法技術(shù)把可燃冰轉(zhuǎn)換成甲烷氣體。連續(xù)6天穩(wěn)定出氣11.9萬立方米，平均日產(chǎn)量約為2萬立方米左右。井底壓力降到30個標準大氣壓時產(chǎn)量驟增，遠遠超過了預(yù)期。但此次開采成本高達每百萬英熱50美元，竟是進口天然氣價格的3倍以上。由于海底砂流入開采井，再加之惡劣天氣，試驗僅6天就被迫中斷。

2017年5月4日，日本又開啟第二次海域可燃冰試采，試采打了兩口位于海底泥面以下350米的井。開采地點與第一次相同，第一口井原計劃連續(xù)開采生產(chǎn)3至4周，目的是檢驗連續(xù)生產(chǎn)開采的穩(wěn)定性，但因坑井底部大量泥沙注入又被迫再次中斷，中斷原因與第一次類似，連續(xù)生產(chǎn)12天只出氣4萬立方米。

2017年6月5日，重新又啟動第二口井的開采，原計劃開采生產(chǎn)1周，目的是檢驗兩套防沙裝置的可靠性。實際到6月28日為止則連續(xù)開采了24天，回收天然氣22萬立方米。第二口井盡管解決了泥沙堵塞問題，但副作用是出氣量明顯減少，水量過大造成水氣分離不暢，平均為每日9274.5立方米，與第一次每日2萬立方米相差很大。

如何提效增產(chǎn)及其影響降壓分解諸多因素仍待進一步解明。日本科學界因未能按原定計劃完成試驗一直比較低調(diào)和自責，甚至有的科學家認為這是一次失敗的開采。但此次開采由于采用不同壓力條件測試，采用了強減壓法技術(shù)，收集到大量有用數(shù)據(jù)，應(yīng)該說試采基本達到了預(yù)期。

2017年7月7日，日本“地球號”勘探船完成第2次勘探性開采任務(wù)之后靜悄悄地返回清水港。沒有鮮花，沒有慶功，沒有豪言壯語，日本依然不敢宣稱任何“第一”，因為商業(yè)化仍是遙遙無期。

燃燒的冰火

在大自然的鬼斧神工作用下，天工之力造就出一種奇特的能源--天然氣水合物，即天然氣(甲烷類)被包裹進水分子中，在海底低溫和壓力下結(jié)晶。

天然氣水合物是外表似冰狀的白色固體物質(zhì)，因含大量甲烷且可燃，也被稱為可燃冰?？扇急鶎崿F(xiàn)了冰與火的"融合"，不僅能夠燃燒，還能釋放巨大的能量。

可燃冰廣泛發(fā)育于淺海底層沉積物、深海大陸斜坡沉積地層和高緯度極地地區(qū)永久凍層中。在陸地上，分布于多年凍土地區(qū)地下200米到2000米區(qū)間范圍。在海洋中，分布于海平面300米以下及海底數(shù)百米厚的沉積層中。

據(jù)測算，1立方米的可燃冰，在常溫常壓下可釋放164立方米甲烷氣體和0.8立方米的淡水?？扇急哂腥紵蹈?、能量密度大和清潔無污染等特點，被視為有望替代煤炭和石油的清潔高效能源。

然而，開采可燃冰面臨著環(huán)境、生態(tài)安全等問題。由于對海底深海永久凍土的不了解，導致對開采后會產(chǎn)生的環(huán)境變化較為模糊。甲烷不溶于水且是易燃的溫室氣體，如果在開采過程中不能有效處理甲烷氣體將會破壞環(huán)境。

早在1778年就有科學家開始研究形成可燃冰的溫度和壓力條件。直到1810年，才在實驗室首次發(fā)現(xiàn)可燃冰。目前，全球?qū)扇急目碧皆诔掷m(xù)進行，并且斬獲頗豐：美國東部大陸邊緣布萊克海臺南部發(fā)現(xiàn)水合物資源量約350億噸油當量;加拿大溫哥華島大陸坡的天然氣水合物資源量也十分豐富，其蘊藏的天然氣約10萬億立方米;日本靜岡縣御前崎近海水合物蘊藏的天然氣儲量達7.4萬億立方米。

冰與火的故事已經(jīng)延續(xù)了200多年，并在持續(xù)升溫。目前，我們在探索可燃冰之路上只邁出了萬里長征一小步，注定會經(jīng)歷更多洗禮與磨礪?？扇急_采需要從一個綜合性體系進行考量，我們要科學、客觀地看待其開發(fā)和發(fā)展過程。幾經(jīng)探索、幾經(jīng)艱辛，冰與火的能源協(xié)奏曲或許會更加動聽。 (蘇子開)

安全性是保障 經(jīng)濟性是前提

由于第二次海域試采未達到預(yù)定目標，日本不得不重新調(diào)整可燃冰商業(yè)化開發(fā)的時間表。2017年6月，日本經(jīng)產(chǎn)省制定了新的“砂層型可燃冰商業(yè)化開發(fā)路線圖進程表”，原定2019年啟動的商業(yè)化開采目標再次往后推遲10年，預(yù)計2029年之后方可步入大規(guī)模商業(yè)化試采。其實商業(yè)化開采計劃推遲并非首次。2001年日本制定了2016年實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)可燃冰的規(guī)劃，但2008年“第1期海洋基本計劃”出臺后，這一計劃就被推遲到“今后10年以內(nèi)”，延后了2年。到了2013年4月，由于進展情況緩慢，“第2期海洋基本計劃”又將商業(yè)開發(fā)計劃推遲到2023年以后，擬在2023年至2027年間開啟可燃冰商業(yè)化項目。今年5月出臺的“第3期海洋基本計劃”盡管沒有繼續(xù)推遲這一時間表。但研發(fā)相應(yīng)技術(shù)還需時日，真正大規(guī)模商業(yè)開發(fā)預(yù)計將在2030年以后才能見分曉。由此可見，雖然可燃冰儲量巨大，但要經(jīng)濟、安全地開采，難度很大。當前商業(yè)化開發(fā)所面臨的主要課題有：

① 突破開采技術(shù)，實現(xiàn)穩(wěn)定產(chǎn)氣?？扇急_采技術(shù)的最大難點是保證井底穩(wěn)定，使甲烷氣不泄漏、不發(fā)生井噴、不出沙。盡管熱激發(fā)開采法、降壓開采法和注入化學試劑法等傳統(tǒng)技術(shù)基本成熟，二氧化碳置換開采法和固體開采法等新技術(shù)也取得較大進展。但真正實現(xiàn)開采技術(shù)突破，必須能保證連續(xù)幾個月乃至1年以上的安全穩(wěn)定采氣。

每口井要保證5年-10年能連續(xù)采氣，每口井日產(chǎn)天然氣須達每天5萬立方米以上才具商業(yè)開采價值。因此，突破開采技術(shù)就必須增加試采頻度和以年為單位的試驗時間。目前，在日本近海進行海洋產(chǎn)出試驗所需費用高達日均7000萬日元，因此轉(zhuǎn)而將重點放在國際合作上，準備陸地和海上同時開弓。

日本計劃與美國在阿拉斯加州開始陸地生產(chǎn)試驗，還將探討與印度聯(lián)手在氣象條件較為穩(wěn)定的印度洋進行海洋試采。這樣既可以節(jié)省試采費用，還可以扎實地掌握相關(guān)開采技術(shù)，但合作前提條件是日本能夠主導開發(fā)技術(shù)。三井造船已先行一步，去年6月與德國MH Wirth公司達成了共同開發(fā)“表層型可燃冰”的協(xié)議，準備嘗試利用水下機器人開采。

② 探明富集區(qū)塊，降低開采成本。富集區(qū)塊的存在是推進商業(yè)化的基本條件。目前僅利用地震波探測數(shù)據(jù)得出存在大量富集區(qū)存在的可能性，還須進行實際勘探和試采，才能進一步探明和確認富集區(qū)塊的存在和分布。1立方米的標準可燃冰重量約0.9噸，能轉(zhuǎn)化為164立方米天然氣和0.86噸水。164立方米天然氣燃燒可產(chǎn)生熱量6500兆焦耳，相當于1桶原油的價值，即60多美元左右。

日本設(shè)定投資回收期的目標為10年-20年，開采成本必須控制為每百萬英熱10美元以下，也就是說具備儲量500億立方米，日均產(chǎn)氣15萬立方米的氣田才有開采價值。但非常規(guī)油氣采收率是很低的，從技術(shù)角度和經(jīng)濟角度看，可開采的可燃冰僅為賦存量的30%左右，但實際究竟能夠得到何種程度的開采和利用尚不明確。因此，開采可燃冰天然氣的直接成本因貯留層不同相差很大。

由于可燃冰光靠發(fā)掘不能實現(xiàn)自噴，而且埋藏在深海域，開采和運輸?shù)墓こ塘渴志薮?，自然會帶來較大的成本開支和能源消費。而且，單井產(chǎn)量較低，必須實行井群生產(chǎn)工藝，為此須采用可多點移動開采的專用設(shè)備。再加上從可燃冰中分離的氣體體積較大，需要建造管道或氣體液化等基礎(chǔ)設(shè)施。所以，開采、儲存以及運送到地面和使用地的費用都非常高昂。在目前油價低位的行情下，且又有來自可再生能源的競爭?？扇急C合開采成本很可能將大于其所能產(chǎn)生的效益。

③ 評估環(huán)境影響，控制海洋污染?？扇急址Q之為“惡魔資源”。眾所周知，先史時代的甲烷大爆炸假說說明可燃冰有可能是全球氣候變暖的罪魁，毀滅地球生物的禍首。盡管這些問題還有些爭議，畢竟人類對于深海與地球認知還很有局限。而且，甲烷本身就是一種溫室氣體，甲烷排放的溫室效應(yīng)是二氧化碳的20倍以上。如果開采過程造成大量甲烷泄漏會造成更嚴重的溫室效應(yīng)，加劇全球變暖又會造成海水溫度上升進而導致可燃冰融化，從而引發(fā)更多的甲烷放出，形成惡性循環(huán)。

可燃冰本身就是一種不穩(wěn)定的物質(zhì)，人工采掘會破壞可燃冰堆積層而造成地基下沉，進而可能誘發(fā)地震或海嘯的發(fā)生。此外，還要考慮環(huán)境變動對海底生物與漁業(yè)、水文的影響。例如可燃冰分布的海底往往是北太平洋雪蟹及其他深海生物的多產(chǎn)區(qū)，甲烷過量泄漏則會導致海洋缺氧，生產(chǎn)開采污水還會影響海洋生態(tài)，使得海洋生物遭受毀滅性打擊。

所以鉆井船每每在試采過程中都要向海底打兩口觀察井以監(jiān)測不同巖層溫度和壓力變化，保證海洋環(huán)境不受破壞?；蛟S就因為如此，日本人對于發(fā)現(xiàn)和開發(fā)利用可燃冰資源又是歡喜又是憂。

綜上所述，技術(shù)可行、市場接受和環(huán)境允許是能否商業(yè)化開采的三個決定要因。目前仍然面臨技術(shù)裝備研發(fā)投入過大、開采成本過高，環(huán)境影響不可估量等難題。盡管離商業(yè)化的日子還有點遠，但靠海吃飯的日本人還是懷揣著對海洋資源的敬畏之心，一步一個腳印地往前走，2020年東京奧運會在糾結(jié)，點燃圣火是用可燃冰還是氫?此話聽起來似乎有點矯情。但日本人從美國頁巖氣革命中所學到的一個硬道理就是：未來誰擁有先進能源開發(fā)技術(shù)誰就掌控世界資源。