摘 要

可燃冰作为新世纪环保能源，有着无穷的开发潜力，本文讲述有关可燃冰开发，其中涵盖了全世界各国可燃冰研究现状和未来对可燃冰研究的展望，包括美日中俄加五国对可燃冰的研究和开采现状及五国针对可燃冰的先进技术、可燃冰基本物化原理、可燃冰在陆地和海洋的分布、可燃冰开采前的预处理技术及开采后的储藏和运输技术、可燃冰运用于内燃机、在我国有关能源的法律框架中对可燃冰相关领域的制定、我国在可燃冰研究方面与外国的合作展望等层面，研究结果表明现阶段可燃冰还处于基础探索阶段，未来的研发道路还很长，需要我们加速攻关，让可燃冰成为众多新能源中实用性最强的能源之一。本文特色是详细介绍了可燃冰的研发现状并对未来进行展望。

关键词：物化性质、分布、储量、运用、合作

Abstract

Combustible ice, as an environmentally friendly energy source in the new century, has endless potential for development. This article describes the development of flammable ice, which covers the research status of combustible ice around the world and future prospects for research on combustible ice, including the five countries in the United States and Japan are flammable The research and mining status of ice and the advanced technologies for flammable ice in the five countries, basic principles of flammable ice, distribution of flammable ice on land and in the sea, pre-treatment technology for flammable ice mining and storage and transportation technology after mining, flammable ice It is used in the internal combustion engine, in the legal framework of China's energy related to the development of flammable ice related fields, China's prospects in the field of flammable ice research and foreign cooperation, and other aspects, the research results show that the current stage of combustible ice is still in the basic exploration stage, future research and development The road is still very long. It requires us to speed up the research and make combustible ice one of the most practical energy sources for many new energy sources. This article is a detailed introduction to the status quo of the research and development of combustible ice and future prospects.

Key Words：Physical and chemical properties；distributed；Reserves；application；Cooperation

目录

第一章 可燃冰研发背景及国内外 1

1.1可燃冰研究背景 1

1.2可燃冰研究目的 1

1.3国内外可燃冰研究现状 2

1.3.1美国可燃冰研究现状 2

1.3.2日本可燃冰研究现状 3

1.3.3俄罗斯可燃冰研究现状 4

1.3.4中国可燃冰研究现状 6

1.3.5加拿大可燃冰研究现状 7

1.4本文研究内容及安排 7

第二章 可燃冰理化性质及分布 8

2.1可燃冰简介 8

2.2可燃冰物化性质 8

2.3可燃冰储量及其分布 9

2.4可燃冰陆地实验室建立展望 10

2.5本章小结 10

第三章 可燃冰开采预处理及后处理 11

3.1现阶段可燃冰开采困难 11

3.2可燃冰开采及其关键技术 11

3.3可燃冰的储藏和运输 13

3.4本章小结 14

第四章 可燃冰的实际运用及法律法规 15

4.1可燃冰运用于内燃机 15

4.2可燃冰相关法律法规 17

4.3中国与欧盟可燃冰法律法规合作展望 19

4.4本章小结 21

第五章 国内外可燃冰合作及前景 22

5.1加拿大和日本合作 22

5.2两岸合作前瞻 22

5.3中国和俄罗斯合作前瞻 22

5.4国外可燃冰研究对中国可燃冰研究启示 22

5.5本章小结 22

第六章 结语 23

参考文献 24

致谢 27

第一章 可燃冰研发背景及国内外

1.1可燃冰研究背景

进入21世纪，能源的高效利用和生态环境保护是最重要也是最急切解决的问题, 随着世界工业革命进程不断加速，生态环境遭到严重破坏，能源方面特别是石油、煤等化石燃料过度消耗，人们在不断寻找可替代能源，其中包括页岩气，太阳能，可燃冰等，要学习和领悟习近平总书记说的绿水青山和金山银山的关系，要始终围绕可持续发展这一理念以实现绿色的中国梦。

1.2可燃冰研究目的

煤、石油、常规天然气等化石燃料是当今世界各国首要利用的能源，若是连续无节制消耗，人类就要面对这些矿物能源枯竭的境地，探寻和探究新型高效的可替换能源如可燃冰等就成为现阶段的首要任务。怎样使能源绿色可循环利用, 直接影响着世界各国历史进程的演变。可燃冰具有高效、低碳、环保的特性，各国都将其作为今后战略能源, 未来可燃冰运用于生活中其商业开发前景非常广阔，因此可燃冰的研究尤其是开采和实际生活中的运用对未来新能源领域具有重要的战略意义。

图1.1可燃冰实体

1.3国内外可燃冰研究现状

1.3.1美国可燃冰研究现状

1934年美国科研人员在输气管道中首次发现可燃冰实体并提出Hammer schmidt方程由此美国成为世界上第一批设置可燃冰的研究计划的国家之一，并于1969年着手可燃冰的研究^[10]。

1981年美国能源部制定了可燃冰“十年”研究计划, 此计划共投入800多万美元用于可燃冰储藏分布和物理化学性质进行研究。1998年美国联邦政府发布一项投入经费2亿美元的“海底可燃冰研究计划”, 美国将海底可燃冰作为国家战略能源^[2]。1999年美国国家能源部发布了“国家可燃冰长期研发计划”，美国进入可燃冰快速开发期并建立了可燃冰矿床气体资源评价体系,定量的评价全球气候变化与可燃冰的相关性,致力于解决可燃冰工程和海底生态环境稳定性问题^[5]。

2000年美联邦政府通过《可燃冰研究和开发法案》, 此法案就可燃冰研究开发的各机构职责、研发目标和任务、研发经费预算等进行了明确的规定并且法案要求美国能源部联合国家科学基金会、商务部、国防部和内政部等多个国家部委共同制定国家级可燃冰研发计划，该法案成立后，美国组建了美国可燃冰顾问委员会,委员会委员包括15名代表, 委员会负责为能源部可燃冰计划提出意见,定期向国会提交可燃冰研发报告^[6]。2005年美国联邦政府审议并通过了美国《能源政策法》, 对可燃冰研究开发进行了调整, 将2005到2010年可燃冰开发的总拨款增加到1.55亿美元, 美国土地管理局作为后续国家部委加入可燃冰研发，美国研发并确立的可燃冰的地震识别标志似海底反射层，随后美国能源部发布了跨机构可燃冰研发计划这使可燃冰的研发工作。

图2.1美国2001～2014年天然气水合物项目经费与合作机构

美国致力于可燃冰基础的研发，开展了伯克利劳伦斯国家实验室的减压法、西北太平洋国家实验室的二氧化碳置换法的理论基础研究工作^[7]。2016年美国能源部宣布投入403万美元进行新阶段的可燃冰研究项目, 着力研究可燃冰受到自然环境影响和生产相关的物化变化规律,从而有助于确定可燃冰在未来进行大量商业性开采的可行性，其中有纽约州罗彻斯特大学研究甲烷泄漏对环境的影响,研究可燃冰对海洋大气生态环境的影响,了解甲烷排放量的全球分布和数量，得克萨斯州大学奥斯汀分校研究可燃冰在宏观和微观尺度的动态岩石物理属性,模拟可燃冰生产的能力;路易斯安那州立大学研究可燃冰生产过程中细颗粒迁移即天然气生产中沉积物的性质。相关研究还有可燃冰在水柱中形成甲烷气泡的过程和用于定位矿床的源电磁等^[10]。

图2.2北美东南大陆边缘Blake Ridge区域图

1.3.2日本可燃冰研究现状

日本是可燃冰研发的急先锋, 其原因是日本是资源高度匮乏的太平洋岛国，日本对进口化石燃料依赖度过高并一直寻找新能源代替化石燃料进口。日本周边海底的可燃冰储量十分丰富，日本的可燃冰储量足以支撑日本天然气需求高达一百多年^[13]，2011年东日本大地震发生福岛核事故，迫使日本只能增添火力发电量即对化石燃料的需求又逐渐上升。在众多社会压力下, 日本为确保其国内能源供应稳定, 加速对可燃冰开采及商业运用的有关研究进程。

日本东部海疆蕴藏着十几个代表性的孔隙填充型砂质可燃冰层，其可开采储量达五千亿立方米以上^[13]。日本MH21研究财团利用地震和物理探测技术确定可燃冰稳定层的下界线并采用岩芯取样法确定可燃冰的资源量评价即BSR海底反射层，MH21研究财团利用三次元捕捉法完善了横向分布，但MH21研究财团认为可燃冰密集层必须同时满足以下指标即存在BSR、探明浊流岩砂泥互层的分布、利用强振幅反射波法和高速声波传播法^[11]。

日本开辟了可燃冰密集层的高效抽出方法,日本也确定减压法最高效和经济，减压法正是日本利用先进的地球号新型深海竖管钻井系统, 使可燃冰发生反应并迅速形成甲烷气体, 其过程当中泥浆反复冲刷可使钻井内的压力平衡和温度维持平衡，可是减压法也存在局限性如产量及采收率会受可燃冰储集层温差的影响将导致产量降低。

日本自主研发了生产模拟装置进行模拟仿真试验, 从中可了解可燃冰产出过程可能导致的储集层剧变及地层变形模拟装置模拟现实产出过程中生态危害评估^[12]，日本已拥有世界最高层次的可燃冰资源判别方法和海底分化甲烷气的技能。

图2.3日本可燃冰开采区

可燃冰原始资源量=堆积层体积×砂层比例×孔隙率×可燃冰饱和率×体积倍率×笼体占有率^[13]

可燃冰可采资源量=可燃冰原始资源量×甲烷气采收率^[13]

1.3.3俄罗斯可燃冰研究现状

俄罗斯联邦政府是进行可燃冰研究较早的国家之一，上世纪六十年代，前苏联率先在冻土带钻取并获得可燃冰样品，莫斯科古勃金石油化学和天然气工业研究院气田开发教研室开始了可燃冰形成条件研究,初次证明了实体可燃冰的存在并在莫斯科青年石油工人科学大会上宣布了这一科研成果^[19]。前苏联时期，金斯堡、索洛维约夫等科学家也对里海南部可燃冰地区进行规划和区分。查哈罗夫和尤金等对鄂霍次海可燃冰进行了研究,研究发现鄂霍次海海底存在大量可燃冰，前苏联天然气研究所成立了可燃冰实验室,模拟了地层条件下研究可燃冰的形成和分解和室内条件下用光学显微镜观察可燃冰的形成和分解。上世纪九十年代，全俄天然气研究所和莫斯科大学冻土实验室共同进行可燃冰研究,通过研究扬堡凝析气田冻土层采样法,研究波瓦涅恩科凝析气田南部冻土层可燃冰取心。

在俄罗斯境内的拉普捷夫海和东西伯利亚海、里海、鄂霍次海、黑海、喀拉海、贝加尔湖、萨哈林群岛等确认存在大量可燃冰，其中最主要是北极，北极作为前苏联最主要的物资贮备基地其包含大量冻土带可燃冰，俄罗斯也在新世纪后把北极作为资源开发中心，上世纪北极的梅索亚哈可燃冰矿藏投入商业开发^[16][17]。

在第十一届国际天然气会议上前苏联成为可燃冰研发主导者，俄罗斯天然气工业股份公司全俄天然气研究所对俄罗斯可燃冰储量进行了评估约1400×10立方米。上世纪七十年代，学者瓦西里耶夫、马克贡诺姆、特列宾、特洛菲姆克、切尔斯基提出科学发现《地壳内固态天然气特性》,指出俄罗斯境内20%冻土层和90%海洋底部存在可燃冰,该著作被列入前苏联国家登记簿,随后全俄天然气研究所科研人员叶夫列莫夫和杰士琴科在黑海深水区海底取得了可燃冰样品并完成了里海可燃冰储量预测,根据该研究成果,首次对外宣布其领土内存在大量可燃冰,此举引发强烈反响，美国也以前苏联对可燃冰研究为基础进行相关研究^[18]。

图2.4普京坐潜艇至贝加尔湖底寻找可燃冰

1.3.4中国可燃冰研究现状

我国在对可燃冰的研究和开采运用起步比较晚，与发达国家相比较 我国对可燃冰的研究晚了30年，2002年我国启动可燃冰的研究和勘探工作距今仅16年成绩斐然^[4]。

我国翻译并出版了第一本有关可燃冰的书籍《国外天然气水合物研究进展》，2004年我国绘制首份冻土带可燃冰分布图并随后进行首次冻土带可燃冰钻探，我国2007年于南海北部海域发现大量可燃冰层，2013年于南海广东海域开采出高纯度可燃冰样品，2008年我国在海拔四千五百米的祁连山南部发现可燃冰，我国也是第一个在中低纬度冻土层探测并发现可燃冰的国家。

我国“973”计划、“863”计划中明确了可燃冰作为我国今后重要的战略储备能源，应对我国在南海研究和开采可燃冰,国土资源部对我国南海海神狐海域海底的可燃冰资源进行了大量的调查工作, 中国科学院也成立了广州研发中心建立了国际领先的可燃冰开采综合模拟技术系统, 中国海洋石油公司也参与研究^[4]。2017年9月, 我国“科学”号科考船在我国南海首次发现了裸露在海底的可燃冰并在同年五月于蓝鲸一号钻井平台上试采成功并创造了产气时长和总量的世界纪录^[1]。

图2-5我国南海神狐海域天然气水合物（可燃冰）试采平台“蓝鲸一号”

1.3.5加拿大可燃冰研究现状

加拿大是世界上从事可燃冰研究较早的国家之一，从上世纪七十年代就开始了可燃冰相关研究，在八十年代制订具有重要战略意识的开发计划，加强有关可燃冰方面人员的培养。加拿大在可燃冰研究的领先地位与其前瞻规划和布局使紧密相连的。加拿大“重生号”深潜器，不仅可以运用于深海勘测与追踪定位还可用于深海油气的开发领域，尤其可以运用于探寻海底可燃冰样品^[1]。

但是由于可燃冰的研究难度巨大且费用高昂，加拿大当局又无意向继续研发，所以加拿大联邦政府在新的财政年度开始时终止向可燃冰研究项目的拨款，这暗示着加拿大政府抛弃延续近三十年的可燃冰的研究，加拿大联邦政府官员曾说，此刻更加倾向于页岩气和价格低廉的传统天然气，加拿大政府接着商业化开采可燃冰的研究变得边缘化。十年前加拿大与日本联合对可燃冰进行研究，曾在加拿大西北部地区取得惊人的成果，两国的研究人员在加拿大三角洲地区成功且高效率地稳定抽取可燃冰。加拿大的可燃冰储量非常丰富并且加拿大政府已经从事可燃冰相关研究超过二十年，对于加拿大联邦政府在这个关键时候放弃已持续数年并取得很大成果的可燃冰研究，很多的加拿大参与可燃冰研究的科学家感到遗憾，他们希望自己的国家能改变这项决定^[4]。

1.4本文研究内容及安排

本文是围绕新型能源可燃冰进行阐述，主要有四个方面即可燃冰的现阶段基础理论研发状况及合作、可燃冰开采及开采前后的技术处理、可燃冰运用于内燃机的机理及推广、在我国法律框架内的制定有关可燃冰的法律展望。第一章介绍可燃冰研发的背景与目的及国内外研究现状；第二章介绍可燃冰基本物化结构与在世界的大致分布情况；第三章介绍可燃冰开采所面临的问题与要解决的问题及可燃冰开采前后的相关技术；第四章介绍可燃冰的具体运用于内燃机及有关可燃冰的法律法规及展望；第五章介绍我国在可燃冰领域与相关国家及地区在未来进行合作展望。

第二章 可燃冰理化性质及分布

2.1可燃冰简介

十八世纪英国化学家普德斯特里发现可燃冰距今已有两百多年。可燃冰即天然气水合物、甲烷水合物，主要储藏于海底百米或千米深的大陆架及陆地永久冻土带如我国南海神狐海域、俄罗斯里海、青藏高原冻土层、漠河冻土层等^[37]。

可燃冰几乎储藏于全球每个角落,世界上已探明的可燃冰资源量达到了全球所有化石燃料资源总量的两倍，目前世界上有一百多个国家和地区发现了可燃冰并多数国家有可燃冰样品。按照可燃冰的成因范例, 将天然气水合物矿藏划分别为散步普遍饱合度低的扩散型和产出不分散且量多的渗漏型两种。可燃冰不仅可以满足人类的能源需求,而且可以减少CO2的排放来缓解温室效应,因此对未来人类利用能源具有重要的意义^[39]。

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