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日本离“可燃冰”商业开发还有多远?

福岛核事故后,日本面对能源自给率破安全警戒线,化石燃料占比过高,可再生能源难以基荷,核电无法重启的难题,安倍政府不得不另寻出路,一手拿着可燃冰,一手握着氢能,试图以这两大“国产资源”为抓手,一举甩掉“缺油、缺气、又缺煤”的“资源小国”帽子,从而实现150年前明治维新以来一直孜孜不倦追求的能源自给日本梦。

2018年是日本可燃冰开发计划承上启下的关键之年,为期18年的国家可燃冰开发计划行将到期,可燃冰能否复制美国的“页岩气革命”奇迹,成为日本能源革命的救世主?

文丨周杰

国际清洁能源论坛(澳门)秘书长、中国经济社会理事会理事

规划先行 分三步走

近年来可燃冰有点“热”。全球可燃冰储量预估达到2800万亿㎥,大约相当于全球已探明石油、煤炭和天然气总量的两倍,能满足人类上千年使用。不过目前世界上可燃冰都处在勘查和试采阶段,仍然没有被大规模商业开发和利用的成功先例。

所谓可燃冰是固态甲烷和水的水合物,甲烷分子在水分子组成的网状结构缝隙间留存,呈现为冰状的结晶体。可燃冰成分复杂,包括甲烷、乙烷、丙烷和二氧化碳。因其只能在高压低温环境下生成,一般存在于水深500米以上的海底和长年冻土之下。

日本近海的可燃冰资源主要有两大类,一类是深埋于海底地层的“砂层型可燃冰”,它存在海底下几百米的砂层中,甲烷气充填在砂粒隙缝间,主要分布在太平洋海域;另一类是位于海底表层附近的“表层型可燃冰”,它是地下的甲烷气体喷出到海底表面后形成的结晶,主要分布在日本海海域

可燃冰作为非常规天然气资源具有重大战略意义,因此,各大国都看上了这个能源革命的“新宠”。

日本是世界上最早进行可燃冰研究和开采的国家之一,十分重视可燃冰资源勘查、基础性研究和关键技术研发工作。

早在上世纪70年代就开始可燃冰的基础研究,1980年日本发现四国南海海槽可燃冰存在的地理标志,1990年在此海域采集到可燃冰样本。

1995年政府实施了勘探南海海槽区域海洋可燃冰的五年计划,日本十大油气企业还联合成立了“可燃冰开发技术研究中心”。

2001年日本政府启动了为期18年的可燃冰开发计划,并设立了“21世纪可燃冰开发研究财团(MH21)”。

2008年3月,日本根据海洋基本法制定的《海洋基本计划》将可燃冰开发计划上升为国家战略,还专门制定了《海洋能源与矿产资源开发计划》,进一步明确了可燃冰开发路线图。

2013年安倍首相上台不久就让日本政策投资银行准备万亿日元投资可燃冰项目,到2023年要全面实现可燃冰商业化开采。

于是,日本政府修订了《海洋基本计划》以及《海洋能源与矿产资源开发计划》。修订计划提出:2018年要完成“砂层型可燃冰”商业化技术储备,并探明“表层型可燃冰”资源储量、分布地区和特征,大举加速可燃冰投资开发。近年来日本可燃冰国家研究预算年年过百亿,从2002年到2017年已累计投入1000多亿日元。

日本可燃冰开发计划路线图分三个阶段:

第一阶段2001年至2008年为资源调查研究阶段,主要以资源粗探和陆地可燃冰试采为主;第二阶段2009年至2015年为试验开发阶段,主要以资源细探和海洋可燃冰试采为主;第三阶段2016年到2018年为商业化准备阶段,主要是继续海域试采,检验不同的稳定开采生产技术。

整个计划设定了六大目标:

 查明日本周边海域可燃冰的产出条件和特征;

② 估算可燃冰矿区甲烷气的数量;

③ 优选可燃冰资源赋存区并研究其经济可行性;

④ 在选定的资源赋存区进行可燃冰生产试验;

⑤ 研发商业性生产技术;

⑥ 建立环保的开采体系。

探明储量,反复试采

日本利用地震探测法测到可燃冰BSR(海底模拟反射层)海域面积达到122,000km²。据此推测,日本近海可燃冰储藏量约12.6万亿㎥,按现在日本天然气年消费量1120㎥计算,此量可供日本消费100年以上。然而,并非所有蕴藏资源都可以被充分利用,只有从可开采量来计算才具实际意义。日本勘探太平洋海域可燃冰历史足有20多年,但目前仍没有可开采量的准确数据。

根据从南部海槽细长海沟中的取样和数据分析,查明此海域有16个富集区块,储量为1.1415亿M3,可供日本使用10年左右。日本政府一开始就重点锁定太平洋海域的“砂层型可燃冰”开发。一方面是因为常规油气钻探技术有可能适用于砂层型可燃冰开发,另一方面是表层型可燃冰看上去开采简单,实际上环境风险更难评估。而且毗邻海区又存有领海和岛屿纠纷,更恐日后引发资源争夺大战。

2003年日本在开采海洋油气田时就发现日本海的“表层型可燃冰”。之后,日本一些民间机构先行开始调查。如独立综合研究所与东京大学自2004年起就联合勘查日本海可燃冰,发现存有大量巨型可燃冰块,而且成功地利用鱼群探测器寻找甲烷气泡来勘探可燃冰的富集区块,大大降低了探查费用。

2012年包括新泻县和京都府在内的日本海沿岸10个府县成立了“日本海海洋能源资源开发促进联合会”,致力于日本海海域的可燃冰勘探和开发。2013年至2015年国家正式立项对日本海海域进行全方位勘探。

2016年9月,日本经产省公布了调查结果:表层型可燃冰储存量为6亿M3,赋存层位于水深1000米左右的海底至海床下100米之间,为连续的块状结构。海底发现1742个气体柱矿点,气体柱直径为几百米不等,厚度为100米左右。由于可燃冰比重比水轻,表层型可燃冰一旦露出海底就可能自动漂浮至水面,非常容易自然分解,所以回收气体更为困难,人为搅动所带来的泄露风险也更加险恶。

2002年3月5日,日本在世界上第一个在陆地冻土层利用热解法成功开采可燃冰。日本利用80℃温水循环法连续5天在加拿大西北部长年冻土层下开发可燃冰,在907-970米深处成功分解可燃冰,最终只采气470M3,日均产气量不足100M3,但这是全球首次在陆地试采可燃冰的成功案例。尽管这一项目日本与加拿大、美国、印度和德国等国的国际合作开发项目,但技术上则主要以日本为主导,由于此法开采效率较低,而且生产时间越长出气量越少,日本转而重点攻关降压法技术。

2008年3月,日本又成为世界上第一个在陆地采用降压法开采可燃冰成功的国家。为了研发高效采气技术,日本与加拿大联合进行第二次陆地采气,共分为两期实施。

第一期为2006年12月-2007年4月,实验了12.5个小时,采气830M3,因出砂问题而中断。

第二期为2008年1月-2008年4月,利用降压法连续5天半采气13000M3,日均产气量达到了2400M3,降压法开采技术的可操作性得到了验证。

2008年8月,日本在世界上又第一个成功在湖底开采了“表层型可燃冰”。贝加尔湖是全世界最深的淡水湖,深处达到1642米。1997年日美俄三国联合科考取样曾发现1428米湖底深处存在可燃冰。

 

此次日本与俄罗斯科学界联合在贝加尔湖底水深400米处成功开采了表层型可燃冰,试采采用了新的回收技术,在湖底设置了分解装置,直接用水搅拌回收气体,100分钟采气1.4M3,为在日本海开采同类可燃冰积累了基础数据和经验。

2013年3月,日本还成为世界上第一个掌握海底可燃冰采掘技术的国家。日本“地球号”探测船于12-18日成功地在爱知县渥美半岛以南70公里、水深1000米处海底钻探330 m,采用降压法技术把可燃冰转换成甲烷气体。连续6天稳定出气119,000万M3,平均日产量约为2万M3左右。井底压力降到30个标准大气压时产量骤增,远远超过了预期。但此次开采成本核算高达50美元/MMBTU,竟是进口天然气价格的3倍以上。由于海底砂流入开采井,再加遭遇恶劣天气,试验仅6天就被迫中断。

2017年5月4日,日本又开启第二次海域可燃冰试采,试采打了两口位于海底泥面以下350m的井。开采地点与第一次相同,第一口井原计划连续开采生产3至4周,目的是检验连续生产开采的稳定性,但因坑井底部大量泥沙注入又被迫再次中断,中断原因与第一次类似,连续生产12天只出气40,849.9M3。

6月5日,重新又启动第二口井的开采,原计划开采生产1周,目的是检验两套防沙装置的可靠性。实际到6月28日为止则连续开采了24天,回收天然气222,587.1M3。第二口井尽管解决了泥沙堵塞问题,但副作用是出气量明显减少,水量过大造成水气分离不畅,平均为9274.5M3/日,与第一次的2万M3/日相差很大

如何提效增产及其影响降压分解诸多因素仍待进一步解明。日本科学界因未能按原定计划完成试验一直比较低调和自责,甚至有的科学家认为这是一次失败的开采。但此次开采由于采用不同压力条件测试,采用了强减压法技术,收集到大量有用数据,例如降压由最初的13.5MPa分为7→5→3MPa三段进行,数据显示并非减压程度越强出气量越多,应该说试采基本达到了预期。

7月7日,日本“地球号”勘探船完成第2次勘探性开采任务之后静悄悄地返回清水港。没有鲜花,没有庆功,没有豪言壮语,日本依然不敢宣称任何“第一”,因为商业化仍是遥遥无期。

放缓脚步 行稳致远

由于此次日本开采试验没有达到预定目标,日本不得不重新调整可燃冰商业化开发的时间表。2017年6月,日本经产省发布了“砂层型可燃冰商业化开发路线图”,制定了新的计划进程表,原定2019年启动的商业化开采目标再次往后推迟10年,预计2029年之后步入商业化开采。其实商业化开采计划推迟并非首次。2001年日本制定了2016年实现商业开发可燃冰的规划,但2008年“海洋基本计划”出台后,这一计划就被推迟到“今后10年以内”,这就表明最晚要推迟到2018年。

到了2013年4月,由于进展情况缓慢,“第二次海洋基本计划”又将商业开发计划推迟到2023年以后,拟在2023年至2027年间开始可燃冰商业化项目。但现在看来还需要时间研发相应技术。今年将出台的“第三次海洋基本计划”还会进一步推迟这一时间表。由此可见,虽然可燃冰储量巨大,但要经济、安全地开采,难度很大。当前商业化开发所面临的主要课题有:

① 突破开采技术,实现稳定产气。

可燃冰开采技术的最大难点是保证井底稳定,使甲烷气不泄漏、不发生井喷、不出沙。尽管热激发开采法、降压开采法和注入化学试剂法等传统技术基本成熟,二氧化碳置换开采法和固体开采法等新技术也取得较大进展。但真正实现开采技术突破,必须能保证连续几个月乃至1年的安全稳定采气。

每口井要保证5-10年能连续采气,每口井日产天然气须达5万M3/日以上才具商业开采价值。因此,突破开采技术就必须增加试采频度和以年为单位的试验时间。目前,在日本近海进行海洋产出试验所需费用高达日均7000至8000万日元,于是,日本不再“单干”,转而将重点放在国际合作上,准备陆地和海上同时开弓

日本计划与美国在阿拉斯加州开始陆地生产试验,还将探讨与印度联手在气象条件较为稳定的印度洋进行海洋试采。这样既可以节省试采费用,还可以扎实地掌握相关开采技术,但合作前提条件是日本能够主导开发技术。三井造船已先行一步,去年6月与德国MHWirth公司达成了共同开发“表层型可燃冰”的协议,准备尝试利用水下机器人开采。

② 探明富集区块,降低开采成本。

富集区块的存在是推进商业化的基本条件。目前仅利用地震波探测数据得出存在大量富集区存在的可能性,还须进行实际勘探和试采,才能进一步探明和确认富集区块的存在和分布。1M3的标准可燃冰重量约0.9吨,能转化为164M3天然气和0.86吨水。164M3天然气燃烧可产生热量6500MJ,相当于1桶原油的价值,即60多美元左右。

日本设定投资回收期的目标为10-20年,开采成本必须控制为10美元/MMBTU以下。但非常规油气采收率是很低的,从技术角度和经济角度看,可开采的可燃冰仅为赋存量的30%左右,但实际究竟能够得到何种程度的开采和利用尚不明确。因此,开采可燃冰天然气的直接成本因贮留层不同相差很大,约为46-174日元/1M3

由于可燃冰光靠发掘不能实现自喷,而且埋藏在深海域,开采和运输的工程量十分巨大,自然会带来较大的成本开支和能源消费。而且,单井产量较低,必须实行井群生产工艺,为此须采用可多点移动开采的专用设备。再加上从可燃冰中分离的气体体积较大,需要建造管道或气体液化等基础设施。

所以,开采、储存以及运送到地面和使用地的费用都非常高昂。在目前油价走低的行情下,且又有来自可再生能源的竞争。可燃冰综合开采成本很可能将大于其所能产生的效益。

③ 评估环境影响,控制海洋污染。

可燃冰又称之为“恶魔资源”。众所周知,先史时代的甲烷大爆炸假说说明可燃冰有可能是全球气候变暖的罪魁,毁灭地球生物的祸手。尽管这些问题还有些争议,毕竟人类对于深海与地球认知还很有局限。而且,甲烷本身就是一种温室气体,甲烷排放的温室效应是二氧化碳的20倍以上。如果开采过程造成大量甲烷泄露会造成更严重的温室效应,加剧全球变暖又会造成海水温度上升进而导致可燃冰融化,从而引发更多的甲烷放出,形成恶性循环。

可燃冰本身就是一种不稳定的物质,人工采掘会破坏可燃冰堆积层而造成地基下沉,进而可能诱发地震或海啸的发生。此外,还要考虑环境变动对海底生物与渔业、水产业的影响。例如可燃冰分布的海底往往是北太平洋雪蟹及其它深海生物的多产区,甲烷过量泄漏则会导致海洋缺氧,生产开采污水还会影响海洋生态,使得海洋生物遭受毁灭性打击。

所以钻井船每每在试采过程中都要向海底打两口观察井以监测不同岩层温度和压力变化,保证海洋环境不受破坏。或许就因为如此,日本人对于发现和开发利用可燃冰资源又是欢喜又是忧。

综上所述,技术可行、市场接受和环境允许是能否商业化开采的三个决定要因。目前仍然面临技术装备研发投入过大、开采成本过高,环境影响不可估量等难题。尽管离商业化的日子还有点远,但靠海吃饭的日本人还是怀惴着对海洋资源的敬畏之心,一步一个脚印地往前走,2020年东京奥运会在纠结,点燃圣火是用可燃冰还是氢?此话听起来似乎有点矫情。但日本人从美国页岩气革命中所学到的一个硬道理就是:未来谁拥有先进能源开发技术谁就掌控世界资源。

 

来源:中国能源报

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