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领衔我国首次海域可燃冰试采成功,能量是天然

发布时间:2019-09-20 19:45编辑:渔民生活浏览(75)

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      原标题:可燃冰试采成功,对中国能源安全保障意味着什么?

    2017年5月10日,在南海北部神狐海域,可燃冰从海底沿着管道缓缓上升,在蓝色大海上空熊熊燃烧,奏响了一曲“冰与火之歌”。这一天,标志着我国首次海域天然气水合物试采的成功,这是我国新能源勘探开发的一次历史性突破。由此,中国打开了又一扇新能源的大门,开启了新能源勘探开发新纪元。

      可上九天揽月,可下五洋采“冰”——5月18日,我国南海神狐海域天然气水合物(又称“可燃冰”)试采实现连续187个小时的稳定产气。这是我国首次实现海域可燃冰试采成功,是“中国理论”“中国技术”“中国装备”所凝结而成的突出成就。中国人民又攀登上了世界科技的新高峰,将对能源生产和消费革命产生深远影响。

    天然气水合物试采是一项世界性难题。广州海洋地质调查局局长叶建良作为此次天然气水合物试采指挥部指挥长,带领试采团队攻克了没有成功经验可循、储层开采难度大、缺乏专用设备材料等难题,创新研发了关键技术和装备体系,从水深1266米海底的天然气水合物矿藏开采出天然气,并实现连续产气60天,产气总量超30.9万立方米,创造了产气时长和总量的世界纪录,实现了我国天然气水合物试采由“跟跑”到“领跑”的历史性跨越。

      看“神狐火炬”:点亮新能源时代曙光

    一项“不可能完成的任务

      提起能源,人们想到的往往是煤、油、气点燃的火炬而不会是冷冷的冰块,但中国科技工作者已经可以将蕴藏在海底的“冰块”点燃成熊熊燃烧的火焰,让“冰火交融”从梦想变成现实。

    可燃冰学名天然气水合物,是由天然气和水在高压低温状态下形成的固体结晶物质,形似冰雪,能像固体酒精一样被直接点燃。在陆域和海域均有分布,而海底可燃冰的分布范围要比陆地大很多。据理论计算,1立方米的可燃冰可释放出164立方米的甲烷气体和0.8立方米的水。可燃冰燃烧后,仅会生成少量的二氧化碳和水,被誉为21世纪最理想的清洁能源。

      从5月10日起,源源不断的天然气从1200多米的深海底之下200多米的底层中开采上来,点燃了全球最大海上钻探平台“蓝鲸一号”的喷火装置。这是我国首次、也是全球首次对资源量占比90%以上、开发难度最大的泥质粉砂型储层可燃冰成功实现试采。

    2003年12月,叶建良获得吉林大学地质工程专业博士学位,其博士论文内容正是“可燃冰”,并出版了《天然气水合物钻井的关键技术与对策》等专着。

      和人们熟悉的海底石油、海底天然气田相比,可燃冰要神秘得多。但这种由水和天然气在高压、低温情况下形成的类冰状结晶物质,却是标准的“高潜力”能源。

    2009年6月,叶建良和团队在青海省祁连山南缘永久冻土带成功钻获可燃冰实物样品,实现了我国陆域可燃冰的突破。我国也因此成为世界上第一个在中低纬度冻土区发现可燃冰的国家。

      它燃烧值高——1立方米的可燃冰分解后可释放出约0.8立方米的水和164立方米的天然气,燃烧产生的能量明显高于煤炭、石油,燃烧污染却又比煤、石油小,更加清洁环保。

    2014年7月,第八次国际天然气水合物大会在北京召开,中国代表宣布:我国将在2017年开展可燃冰试采工作年开展可燃冰试采工作。

      它资源储量丰富——可燃冰广泛分布于全球大洋海域,以及陆地冻土层和极地下面。估算其资源量相当于全球已探明传统化石燃料碳总量的两倍。

    2016年初,中国地质调查局决定成立天然气水合物试采指挥部,积极部署2017年试采工程。由于叶建良对可燃冰的长期研究和实验经验,试采指挥部指挥长这一重任落在了他的肩上。

      “可燃冰被各国视为未来石油、天然气的战略性替代能源,是世界瞩目的战略资源,对我国能源安全及经济发展也有着重要意义。”试采现场指挥部总指挥、广州海洋地质调查局局长叶建良说。

    “领导通知我担任首次天然气水合物试采现场指挥部指挥长,目标是努力实现我国海域天然气水合物‘日产一万立方米’。”叶建良说,“当时的感觉像做梦,因为这简直是不可能完成的任务。”

    图片 2  “蓝鲸一号”钻探平台(5月16日摄)。新华社记者梁旭摄

    在天然气水合物研究领域,相对国外一些发达国家,我国起步相对较晚,甚至一些可燃冰研究方面的专家连可燃冰样品都没见过,而且没有技术规范,数据无法进行对比,很多现有的油气勘探方法并不一定奏效……即使国外发达国家,也很少能达到“日产一万方”的目标。

     

    然而,叶建良也清楚地认识到,天然水合物的试采工程关乎国家未来发展,是国家重大需求。“没有人迈出第一步,就永远没办法向前走。”叶建良郑重地接下了这个“不可能完成的任务”。

      巍然矗立在蔚蓝海面中的“蓝鲸一号”,是个净重超过43000吨、37层楼高的庞然大物,今年2月刚刚“诞生”,就从烟台起航驶抵南海,投入了这项试采任务。

    历经挑战迎来第一缕冲天火焰

      南海海域是我国可燃冰最主要的分布区,全国可燃冰资源储存量约相当于1000亿吨油当量,其中有近800亿吨在南海。

    随后的日子,叶建良形容:“就像《西游记》里的故事情节,历经种种难关,突破重重阻碍,最终取得‘真经’。”

      试采现场指挥部地质组组长陆敬安说,勘探显示,神狐海域有11个矿体、面积128平方公里,资源储存量1500亿立方米,相当于1.5亿吨石油储量,“成功试采意味着这些储量都有望转化成可利用的宝贵能源”。

    第一关,就是组建人才队伍。天然气水合物的调查研究是一个庞大的体系,需要各个领域的专业人才。叶建良在中国地质调查局的支持下,开始在国内外选聘、招聘各方面的专家,最终组成了一个58人人的团队。

      一次点火,一次成功——这一比率即使放到已经非常成熟的海洋石油和天然气开采领域也堪称靓丽,而这一成功的背后,是我国海洋地质工作者在天然气水合物开发上的奋起直追。

    “指挥部的团队里人人有绝活。”介绍起团队人员,叶建良如数家珍。邱海峻长期从事油气勘察与研究,在油气勘探和开发方面有非常深厚的功底。谢文卫是山东平邑石膏矿现场抢险专家,在试采工程设计完善领域贡献才智;叶成民是水文钻探专家,助力防砂方案制订;陆程不仅精通日语,翻译了大量资料,在勘探钻井、井场建设方面也有着丰富的经验……每一个人都是“得力干将”。

      和国际上早在上个世纪60年代就开始勘探、研究可燃冰相比,我国的可燃冰研究起步要晚到1998年,但中国科技工作者只用了不到20年就完成了从空白到赶超的全过程。

    “接下来,选择支撑试采的平台成为一项当务之急。”叶建良说,经过多次调研和研究,领导小组锁定了中集集团的D90平台,就是后来为大家所熟悉的“蓝鲸一号”。

      回顾这一历程,试采现场指挥部办公室主任邱海峻用“快马加鞭”“奋发图强”形容可燃冰开采的“中国速度”。他介绍说,在1998年立项后,1999年我国就开始了南海和陆地冻土区的可燃冰调查工作,2007年就在神狐海域钻获可燃冰,这使得我国成为继美国、日本、印度之后,第四个通过国家级研发计划在海底钻获可燃冰的国家。

    这个由我国自主研发、设计、制造的超深水半潜式钻井平台,是目前世界上最先进的钻井平台。正常情况下,“蓝鲸一号”每天的租金最低也得80万美元。

      2015年,我国科技工作者在神狐海域准确定位了两个可燃冰矿体。2016年,地质调查工作人员围绕试采在神狐海域开展钻探站位8个,全部发现可燃冰。

    而项目经费不足以承担这样的价格。就在团队有些沮丧的时候,中集集团送来了“惊喜”——他们给出了低于成本的价格,即每天20多万美元,用实际行动支持中国科学事业。叶建良松了一口气。

      “2016年3月,我们正式开始准备可燃冰试开采,当时定下的开钻时间为2017年3月28日,就是说自开始准备至开钻仅有一年时间,如果不是之前持续拼搏积累下海量的地质数据,就不可能按时完成任务。”邱海峻说。

    万事俱备,攻克技术难关则成了最大的挑战。神狐海域蕴含着开采难度最大的泥质粉砂型天然气水合物。“这种储层类型也是我国目前主要的储集类型,如果我们这次成功了,意义无疑是巨大的。”叶建良说。

    图片 3  这是无人机拍摄的“蓝鲸一号”钻探平台,正在距离广东省珠海市东南320千米、水深1266米的南海神狐海域实施试采(5月16日摄)。新华社记者梁旭摄

    叶建良和他的团队顶住巨大压力,大胆创新。他们把储层改造作为重点突破。“储层改造的关键是通过特殊技术来提高海底可燃冰储层的渗透性。”叶建良说,后来的事实证明,他们的方法收到了很好的效果。

     

    为解决出砂堵气管的难题,叶建良和团队多次到中石油、中海油、青海油田等调研取经,一举创新了采油的防砂技术。“在传统理论、技术的基础上,我们逐渐探索出一套对可燃冰试采工作行之有效的理论、技术方案。”叶建良说,经过努力,团队解决了多项关键技术难题,为实施试采做好了充分准备。

      今年5月10日9时20分,神狐海域可燃冰试采开始,5小时32分钟后,试采点火成功。截至18日,经试气点火,本次试采已连续产气超过一周,最高产量3.5万立方米/天,平均日产超1.6万立方米,累计产气12万立方米,天然气产量稳定,甲烷含量最高达99.5%,完成预定目标,试采取得圆满成功。

    2017年3月20日,叶建良和团队陆续抵达南海神狐工区,正式准备试采。根据之前确定的方案流程,选择井位、安装设备……各项工作有条不紊。

      18日上午,国土资源部部长姜大明在“蓝鲸一号”上向世界宣布:中国在神狐海域的天然气水合物试采成功!

    5月10日,紧张的一刻终于来临,首次试采开始。

      “在豆腐上打铁、用金刚钻绣花”

    14点52分,从平台伸向海面的火焰冲天而起,可燃冰试采成功了!欢呼声中,叶建良激动得久久说不出话来……

      和海洋石油、天然气相比,海域可燃冰的开采就一个字:难。

    这一刻,标志着中国实现了在我国海域可燃冰开采零的突破,开启了新能源的又一扇大门。

      难点也是一个字:软。

    剑指“日产一万立方米”

      俗话说,柿子要捡软的捏。但可燃冰开采却最怕“软柿子”。

    点火成功了,仅仅是迈出的第一步,更大的挑战还在后面。

      “可燃冰虽然储量大、分布广,但形成年代要比石油、天然气晚得多,覆盖它的海底地层普遍是砂质,现有的海底钻井设备开采它就好比在‘豆腐上打铁’、用‘金刚钻绣花’,稍有不慎就会导致大量砂石涌进管道,造成开采失败。”试采现场指挥部首席科学家、中国地质调查局“李四光学者”卢海龙说。

    叶建良心里清楚,要完成“日产一万立方米”的既定目标,一刻也不能松懈。

      全球天然气水合物研发活跃的国家主要有中国、美国、日本、加拿大、韩国和印度等,各国竞相投入巨资开展天然气水合物试采,竞争异常激烈。其中,美国、加拿大在陆地上进行过试采,但效果不理想。日本于2013年在其南海海槽进行了海上试采,但因出砂等技术问题失败。2017年4月日本在同一海域进行第二次试采,第一口试采井累计产气3.5万立方米,5月15日再次因出砂问题而中止产气。

    6月上旬,第2号台风“苗柏”开始形成。“当时试采接近尾声,台风来了,是停止试采还是继续?”这让叶建良颇为纠结,“不走的话,台风对井上和井下设备的影响难以预料,但如果撤离则不利于这次可燃冰的持续开采和研究。”

    图片 4  “蓝鲸一号”钻探平台上天然气水合物试采作业中(5月16日摄)。新华社记者梁旭摄

    最终,叶建良团队与“蓝鲸一号”操船团队对平台动力系统和定位系统的能力进行评价,慎重作出“保持生产测试、原地抗击台风”的决定,并制订了详细的、可操作性强的应急预案。

     

    台风“苗柏”如期而至,一天凌晨4点,“苗柏”突然由预报的9级加剧至11级,考验着“蓝鲸一号”和整个试采工程。

      “与日本相比,我国海域主要属于粉砂型储层,这也是占全球90%以上比例的储藏类型。砂细导致渗透率更差,同时我国的可燃冰水深大、储层埋层浅,施工难度更大。我们的突破,对于全世界而言更具有可参考和借鉴的价值。”卢海龙说。

    叶建良不顾危险,全程值守,及时作出各种应急判断和应对措施。时间一分一秒地过去,“苗柏”风力逐渐减弱,平台顺利通过了台风考验,未造成任何人员及设备安全问题,为我国海域试采实现持续采气60天的世界纪录提供了保障。

      ——攻坚克难,首先依赖于“中国理论”的建立。陆敬安说,在多年勘探和陆地研究的基础上,我国在全球率先建立了可燃冰“两期三型”成矿理论,指导圈定了找矿有利区,精准锁定了试开采目标;创立可燃冰“三相控制”开采理论,应用于试开采模拟和实施方案制定,确保了试采过程安全可控。

    在叶建良和团队的不懈努力下,我国南海天然气水合物试采平均每天出气量达到了1.6万立方米,不仅超额完成了任务,还创造了世界纪录。

      ——试采的成功,也有赖于“中国技术”的突破。广州海洋地质调查局局长助理、试采现场指挥部办公室副主任谢文卫说,通过这次试采,我国实现可燃冰全流程试采核心技术的重大突破,形成了国际领先的新型试采工艺。

    试采成功了,叶建良的工作并没有停止,他开始思考如何推动天然水合物试采产业化发展的道路。“天然水合物试采产业化还有很长的路要走,需要解决一系列技术、资金等方面的问题,以加快成果转化和推广应用。”叶建良深思熟虑,为此,他将继续竭尽全力。

      “我们创新提出了‘地层流体抽取试采法’,有效解决了储层流体控制与可燃冰稳定持续分解难题。我们成功研发了储层改造增产、可燃冰二次生成预防、防砂排砂等开采测试关键技术,其中很多技术都超出了石油工业的防砂极限。”他说。

      ——试采的成功,也来自“中国装备”的支持。据介绍,这次试用的钻井平台“蓝鲸一号”是我国自主制造的“大国重器”,也是世界最大、钻井深度最深的双井架半潜式钻井平台,可适用于全球任何深海作业,在试采过程中,我国科技工作者还开发了大量拥有自主知识产权的工具并实现成功应用。

      向地球深部进军

      从“蓝鲸一号”起步的可燃冰试采,不仅对我国未来的能源安全保障、优化能源结构具有重要意义,甚至可能给世界能源接替研发格局带来改变。

      “试采成功打破了我国在能源勘查开发领域长期跟跑的局面,取得了理论、技术、工程和装备的完全自主创新,实现了在这一领域由跟跑到领跑的历史性跨越。”国土资源部党组成员、中国地质调查局局长钟自然说。

    图片 5  “蓝鲸一号”钻探平台上天然气水合物试采作业中(5月16日摄)。新华社记者梁旭摄

     

      “从理论上讲,地球内部可利用成矿空间分布在从地表到地下1万米,目前世界先进水平勘探开采深度已达2500米至4000米,而我国大多小于500米,向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”——2016年全国科技创新大会提出的这一论断,让人们对大地大海深处充满向往。

      如果我国固体矿产勘查深度达到2000米,探明资源储量可以翻一番。而辽阔的大洋海底,多金属结核总资源量约3万亿吨,有商业开采潜力的达750亿吨;海底富钴结壳中钴资源量约为10亿吨;太平洋深海沉积物中稀土资源量达880亿吨。未来全球油气总储量的40%将来自深海。

      “海洋特别是深海作为战略空间和战略资源,在国家安全和发展中的战略地位日益凸显,深海探测是建设海洋强国的战略需要。”国土资源部部长姜大明说,我国海洋探测科技创新已经取得很大进步,但在一些深海领域与美日俄及个别欧盟国家相比还存在差距,向深海进军,发挥后发优势,争取后发先至,这是必须解决的战略科技问题。

      在本次试开采之后,我国可燃冰开采将进入“科学积累”的新阶段。叶建良说,在系统总结本次试采经验、优化试采技术工艺的基础上,还将开展更多种类型可燃冰试采,建立适合我国资源特点的开发利用技术体系,同时创建国家重点实验室、工程技术中心等创新平台,进一步提高可燃冰勘探开发和深海科技创新能力。

    图片 6  在“蓝鲸一号”钻探平台上,工作人员庆祝天然气水合物试采成功(5月16日摄)。新华社记者梁旭摄

     

      根据国土资源科技创新规划,“十三五”期间,通过研制深远海油气及可燃冰勘探开发技术装备,我国将推进大洋海底矿产勘探及海洋可燃冰试采工程,力争2020年实现商业化试采,研制成功全海深潜水器和深远海核动力浮动平台技术。

      中国科学家们还对未来全球能源接续的“中国方案”雄心勃勃。“低渗粉砂质储层水合物矿藏在海上丝绸之路沿线国家广泛分布,很多国家对可燃冰有强烈需求。我们现在掌握了这一技术,有利于解决‘一带一路’沿线的资源、能源问题,推动‘一带一路’沿线的经济发展和融合。”邱海峻说。

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