甲烷水合物的開發現狀

成田英夫 [作者簡介]

[2012.07.05] 其它語言:ENGLISH | 简体字 | FRANÇAIS | ESPAÑOL |

2012年2月,旨在開展全球首例甲烷水合物海洋生產試驗的前期挖掘工作正式啟動。作為一種新能源而備受關注的甲烷水合物,如今的開發工作進展到何種程度了呢?

充滿魅力的能源資源

日本的天然氣供給大部分依賴於從海外進口的液化天然氣(LNG)。2011年,LNG的全年進口量首次突破了1,000億m3。進口支出總額同比也增長了37%,創下4.8兆日圓的歷史最高紀錄。可以認為,東日本大地震造成大批核電廠停止運轉,是導致進口量增加的一個原因。天然氣方面,由於美國加大了對頁岩氣的開發,因此預計今後的供給能力將保持穩定,但問題在於價格。據BP世界能源統計報告(2011)顯示,日本的LNG進口價格(CIF價格(※1))為美國亨利港(Henry Hub,紐約商品能源期貨交易所天然氣期貨交割地——譯註)價格(※2)的2.5倍,對電力單價和貿易收支都帶來了巨大影響。

在這種形勢下,存在於日本專屬經濟區內的甲烷水合物資源,對於能源資源匱乏的日本而言,具有非常吸引人的價值。通過甲烷水合物資源生產出的甲烷氣是天然氣的主要成分,如果能確立具有良好經濟性的生產技術,不僅可以長期確保能源的穩定供應,提高自給率,更有可能成為LNG進口談判中的一張王牌。日本方面,經濟產業省一直在推進甲烷水合物的資源開發,目前已正式啟動面向明年海洋生產試驗的前期準備工作。

甲烷水合物的資源分佈

燃燒中的人造甲烷水合物(圖片提供:甲烷水合物研究中心)

甲烷水合物是一種被稱為水包合物的物質,每1m3含有約170m3(標準狀態換算)的甲烷氣,由於外觀與冰相似,所以也被稱作“可燃冰”。在相對低溫、高壓條件下的自然界中也發現了這種物質的存在。它主要蘊藏在永久凍土地帶和大陸邊緣的海域內,裏海和貝加爾湖等深水湖泊下也勘測到它的存在。有關其蘊含的甲烷氣總量的各種報告,從數百兆m3到數百京(萬兆)m3不等,差距非常大,而最近大多認為應在數千兆m3水準。在日本周邊海域,即從北海道周邊的十勝沖、襟裳沖到日高沖一帶、佐渡西南部海域、鹿島灘洋面、從靜岡縣沖到四國、九州東岸的太平洋海域等地都觀測到了海底仿擬反射(Bottom Simulating Reflector,或稱BSR,表明甲烷水合物的存在),據估計,其總面積為122,000km2

日本的資源開發經過

2001年7月,通商產業省(現在的經濟產業省)公布了“我國的甲烷水合物開發計劃”,為實施這一開發計劃,於2002年3月成立了“甲烷水合物資源開發研究聯合會(MH21 Research Consortium)”。在第一階段(2001-08年),針對東海海域至熊野灘的東部南海海槽的原始資源量進行了評估,探明儲量約為1兆1,400億m3,按當時日本LNG全年消費量計算可使用11年,並開發出了減壓法這種能源效率較高的生產方法。此外,還開發出了針對甲烷水合物層原始位置條件的物理性質和分解特性進行測量及評估的技術、甲烷水合物資源開發專用的生產模擬裝置(MH21-HYDRES)、地層變形模擬裝置(COTHMA)等旨在實現未來商業化開發的基礎性技術。為了確認減壓法在生產上的有效性,2008年3月,在位於永久凍土地帶的加拿大麥肯齊三角洲上開展了為期6天的實際操作驗證試驗,證實了採用減壓法進行連續生產的可能性。本項目在2009年以後進入了第二階段,由獨立行政法人石油天然氣和金屬礦物資源機構、獨立行政法人產業技術綜合研究所組成的研究團體負責實施具體工作。

開發對象為海底的砂質堆積層

在自然界中已得到確認的甲烷水合物主要分為三類:暴露於海底表面附近的巨大塊狀體、存在於泥層斷裂處的塊狀體和存在於砂層的砂與砂間隙處的塊狀體。目前的開發對象甲烷水合物層,是位於海底200-300公尺深處的砂質堆積層。除了日本,美國也在進行這種形態的甲烷水合物層開發。這是因為砂質堆積層具有良好的滲透性,分解後的甲烷氣流動比較迅速,有望生產出較多的甲烷氣;同時,人們在傳統的油氣田開發領域積累的眾多開發技術也適用於此;另外,由於甲烷水合物存在於砂層的間隙中,所以即使它分解成甲烷氣和水而消失,也不會對砂層本身的結構產生太大的影響,引發大規模地盤下陷和對地層產生干擾的可能性很小。

甲烷水合物資源開發的特點與減壓法

就傳統油氣田來看,由於油氣以高壓氣體狀態存在於結構密實的砂岩中,所以一旦挖掘,就很容易自行向外噴出,而甲烷水合物資源則是以固體形態存在於結構鬆散的砂質堆積層孔隙內,不會自行噴出。因此,必須將甲烷水合物分解成氣體進行收集。此外,開發對象為深水海域(1,000-3,000公尺)的淺層地帶、生產活動將大大改變甲烷水合物層的物理性質、生產活動會使甲烷水合物層的溫度下降等,這些都是有異於傳統油氣田開發活動的特點。

減壓生產法,是指抽取生產井內的水以降低甲烷水合物層的壓力,進而分解、收集甲烷水合物的方法。此時,甲烷水合物將從其自身及周圍間隙中的水、砂處獲得相當於分解熱的熱能,隨之發生分解。隨著生產的進行,作為供熱方的地層溫度不斷下降,當達到與已經減小的地層壓力相適應的甲烷水合物生成分解平衡溫度時,分解反應就會停止。因此,在採用減壓法時,地層的原始溫度將成為決定生產率和回收率的重要因素。由於基本上只需要用於抽取坑內海水的水泵動力作為生產所需的能源,因此能源效率很高,作為商業化生產的核心生產方法,備受人們的期待。

全球首例海洋生產試驗

2012年2月,日本在距離渥美半島海域南東南約70km、志摩半島海域東南約50km的第二渥美海丘實施了世界首例海洋試生產的前期挖掘。前期挖掘活動中,挖掘了1個生產井和多個監測井。在明年1月至3月開展的試驗生產前,通過生產井挖掘甲烷水合物層,建好坑井,並安裝好由氣體隔離器、電磁水泵及感測器類構成的坑內設備。每隔20公尺左右將設置1個監測井,目的是測量伴隨生產進行而出現的甲烷水合物層溫度變化等狀況,併計劃在開展生產試驗時安裝海底表層傾斜儀等設備。借助這些監控測量工作,過去開發的生產模擬裝置和地層變形模擬裝置的精度有望得到提升。此次生產試驗將採用減壓法的生產方式,其中一項關鍵工作就是要檢驗該方法在海底的甲烷水合物層是否也能實現穩定生產。

通向實用化之路

東日本大地震以後,作為天然氣資源的甲烷水合物日益受到社會的關注,而要開發這種全新的資源,則必須通過反覆的運作試驗,奠定堅實的技術基礎。明年,將按計劃實施海洋生產試驗,類似這樣的實際驗證案例越多,開發技術的精度就會越高。另一方面,在甲烷水合物資源開發過程中培育形成的基礎技術,有可能也適用於過去未曾涉足的傳統油氣田開發領域,產生波及效應,甚或有可能促進日本原創的資源開發技術的發展,培養承擔起未來的研發工作的科研技術人員已成為時代對我們的要求。

(2012年4月2日)

(※1)^ 含運費和保險費的價格。日本的貿易統計採用CIF價格計算進口額。

(※2)^ 在NYMEX(紐約商品能源期貨交易所)交易的天然氣期貨價格。該價格被用作考量美國LNG價格的指標。

  • [2012.07.05]

獨立行政法人產業技術綜合研究所(產綜研)甲烷水合物研究中心主任。北海道大學研究所工學博士。歷任加拿大亞伯達州立研究所客座研究員、新能源產業技術綜合開發機構主任研究員。

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