甲烷水合物的开发现状

成田英夫 [作者简介]

[2012.07.05] 其它語言 : ENGLISH | 繁體字 | FRANÇAIS | ESPAÑOL |

2012年2月,旨在开展全球首例甲烷水合物海洋生产试验的前期挖掘工作正式启动。作为一种新能源而备受关注的甲烷水合物,如今的开发工作进展到何种程度了呢?

充满魅力的能源资源

日本的天然气供给大部分依赖于从海外进口的液化天然气(LNG)。2011年,LNG的全年进口量首次突破了1000亿m3。进口支出总额同比也增长了37%,创下4.8万亿日元的历史最高纪录。可以认为,东日本大地震造成大批核电站停止运转,是导致进口量增加的一个原因。天然气方面,由于美国加大了对页岩气的开发,因此预计今后的供给能力将保持稳定,但问题在于价格。据BP世界能源统计报告(2011)显示,日本的LNG进口价格(CIF价格(※1))为美国亨利港(Henry Hub,纽约商品能源期货交易所天然气期货交割地——译注)价格(※2)的2.5倍,对电力单价和贸易收支都带来了巨大影响。

在这种形势下,存在于日本专属经济区内的甲烷水合物资源,对于能源资源匮乏的日本而言,具有非常吸引人的价值。通过甲烷水合物资源生产出的甲烷气是天然气的主要成分,如果能确立具有良好经济性的生产技术,不仅可以长期确保能源的稳定供应,提高自给率,更有可能成为LNG进口谈判中的一张王牌。日本方面,经济产业省一直在推进甲烷水合物的资源开发,目前已正式启动面向明年海洋生产试验的前期准备工作。

甲烷水合物的资源分布

燃烧中的人造甲烷水合物(图片提供:甲烷水合物研究中心)

甲烷水合物是一种被称为水包合物的物质,每1m3含有约170m3(标准状态换算)的甲烷气,由于外观与冰相似,所以也被称作“可燃冰”。在相对低温、高压条件下的自然界中也发现了这种物质的存在。它主要蕴藏在永久冻土地带和大陆边缘的海域内,里海和贝加尔湖等深水湖泊下也勘测到它的存在。有关其蕴含的甲烷气总量的各种报告,从数百万亿m3到数百万万亿m3不等,差距非常大,而最近大多认为应在数千万亿m3水平。在日本周边海域,即从北海道周边的十胜冲、襟裳冲到日高冲一带、佐渡西南部海域、鹿岛滩洋面、从静冈县冲到四国、九州东岸的太平洋海域等地都观测到了海底仿拟反射(Bottom Simulating Reflector,或称BSR,表明甲烷水合物的存在),据估计,其总面积为122000 km2

日本的资源开发经过

2001年7月,通商产业省(现在的经济产业省)公布了“我国的甲烷水合物开发计划”,为实施这一开发计划,于2002年3月成立了“甲烷水合物资源开发研究联合会(MH21 Research Consortium)”。在第一阶段(2001-08年),针对东海海域至熊野滩的东部南海海槽的原始资源量进行了评估,探明储量约为11400亿m3,按当时日本LNG全年消费量计算可使用11年,并开发出了减压法这种能源效率较高的生产方法。此外,还开发出了针对甲烷水合物层原始位置条件的物理性质和分解特性进行测量及评估的技术、甲烷水合物资源开发专用的生产模拟装置(MH21-HYDRES)、地层变形模拟装置(COTHMA)等旨在实现未来商业化开发的基础性技术。为了确认减压法在生产上的有效性,2008年3月,在位于永久冻土地带的加拿大麦肯齐三角洲上开展了为期6天的实际操作验证试验,证实了采用减压法进行连续生产的可能性。本项目在2009年以后进入了第二阶段,由独立行政法人石油天然气和金属矿物资源机构、独立行政法人产业技术综合研究所组成的研究团体负责实施具体工作。

开发对象为海底的砂质堆积层

在自然界中已得到确认的甲烷水合物主要分为三类:暴露于海底表面附近的巨大块状体、存在于泥层断裂处的块状体和存在于砂层的砂与砂间隙处的块状体。目前的开发对象甲烷水合物层,是位于海底200-300米深处的砂质堆积层。除了日本,美国也在进行这种形态的甲烷水合物层开发。这是因为砂质堆积层具有良好的渗透性,分解后的甲烷气流动比较迅速,有望生产出较多的甲烷气;同时,人们在传统的油气田开发领域积累的众多开发技术也适用于此;另外,由于甲烷水合物存在于砂层的间隙中,所以即使它分解成甲烷气和水而消失,也不会对砂层本身的结构产生太大的影响,引发大规模地基下沉和对地层产生干扰的可能性很小。

甲烷水合物资源开发的特点与减压法

就传统油气田来看,由于油气以高压气体状态存在于结构密实的砂岩中,所以一旦挖掘,就很容易自行向外喷出,而甲烷水合物资源则是以固体形态存在于结构松散的砂质堆积层孔隙内,不会自行喷出。因此,必须将甲烷水合物分解成气体进行收集。此外,开发对象为深水海域(1000-3000米)的浅层地带、生产活动将大大改变甲烷水合物层的物理性质、生产活动会使甲烷水合物层的温度下降等,这些都是有异于传统油气田开发活动的特点。

减压生产法,是指抽取生产井内的水以降低甲烷水合物层的压力,进而分解、收集甲烷水合物的方法。此时,甲烷水合物将从其自身及周围间隙中的水、砂处获得相当于分解热的热能,随之发生分解。随着生产的进行,作为供热方的地层温度不断下降,当达到与已经减小的地层压力相适应的甲烷水合物生成分解平衡温度时,分解反应就会停止。因此,在采用减压法时,地层的原始温度将成为决定生产率和回收率的重要因素。由于基本上只需要用于抽取坑内海水的水泵动力作为生产所需的能源,因此能源效率很高,作为商业化生产的核心生产方法,备受人们的期待。

全球首例海洋生产试验

2012年2月,日本在距离渥美半岛海域南东南约70km、志摩半岛海域东南约50km的第二渥美海丘实施了世界首例海洋试生产的前期挖掘。前期挖掘活动中,挖掘了1个生产井和多个监测井。在明年1月至3月开展的试验生产前,通过生产井挖掘甲烷水合物层,建好坑井,并安装好由气体隔离器、电磁水泵及传感器类构成的坑内设备。每隔20米左右将设置1个监测井,目的是测量伴随生产进行而出现的甲烷水合物层温度变化等状况,并计划在开展生产试验时安装海底表层倾斜仪等设备。借助这些监控测量工作,过去开发的生产模拟装置和地层变形模拟装置的精度有望得到提升。此次生产试验将采用减压法的生产方式,其中一项关键工作就是要检验该方法在海底的甲烷水合物层是否也能实现稳定生产。

通向实用化之路

东日本大地震以后,作为天然气资源的甲烷水合物日益受到社会的关注,而要开发这种全新的资源,则必须通过反复的运作试验,奠定坚实的技术基础。明年,将按计划实施海洋生产试验,类似这样的实际验证案例越多,开发技术的精度就会越高。另一方面,在甲烷水合物资源开发过程中培育形成的基础技术,有可能也适用于过去未曾涉足的传统油气田开发领域,产生辐射效应,甚或有可能促进日本原创的资源开发技术的发展,培养承担起未来的研发工作的科研技术人员已成为时代对我们的要求。

(2012年4月2日)

(※1)^ 含运费和保险费的价格。日本的贸易统计采用CIF价格计算进口额。

(※2)^ 在NYMEX(纽约商品能源期货交易所)交易的天然气期货价格。该价格被用作考量美国LNG价格的指标。

独立行政法人产业技术综合研究所(产综研)甲烷水合物研究中心主任。北海道大学研究生院工学博士。历任加拿大艾伯塔州立研究所客座研究员、新能源产业技术综合开发机构主任研究员。

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