海洋能 - 日本可燃冰商業開發前景幾何
日本可燃冰商業開發前景幾何

 

海洋能  加入時間:2018-10-17 9:43:45  來源:中國石油報  
 

國際清潔能源論壇(澳門)副理事長兼秘書長、中國經濟社會理事會理事、武漢新能源研究院研究員周杰

日本可燃冰商業開發計劃,在2018年步入了承上啟下的關鍵階段,為期18年的國家可燃冰開發計劃行將到期。近期日本政府先后公布了3期海洋基本計劃”“5次能源基本計劃,明確提出在20232027年期間將實現民營企業主導的可燃冰商業開采目標。今年年底還將出臺新的海洋能源與礦物資源開發計劃,進一步明確具體商業開發路線圖。日本可燃冰商業開發能否復制美國的頁巖氣革命奇跡,一舉甩掉缺煤、缺油、又缺氣資源小國帽子,成為日本版能源革命的救世主?

在全球能源低碳轉型的進程中,天然氣作為清潔化石能源代表將起到十分重要的轉接作用。然而,對于不同類型天然氣的開發,一定要在環境、綜合成本、技術等多個方面進行評估,在成熟條件下開發,才能真正做到有的放矢。可燃冰資源固然可貴,但不確定因素相對較多,需要更加謹慎。

國家主導開發

規劃分三步走

全球可燃冰儲量預估達到2800萬億立方米,大約相當于全球已探明石油、煤炭和天然氣總量的兩倍,能滿足人類上千年使用。不過目前世界上可燃冰都處在勘查和試采階段,仍然沒有被大規模商業開發和利用的成功先例。

可燃冰成分復雜,包括甲烷、乙烷、丙烷和二氧化碳。因其只能在高壓低溫環境下生成,一般存在于水深500米以上的海底和長年凍土之下。

日本近海的可燃冰資源主要有兩大類,一類是深埋于海底地層的砂層型可燃冰,它存在海底下幾百米的砂層中,甲烷氣充填在砂粒隙縫間,主要分布在太平洋海域;另一類是位于海底表層附近的表層型可燃冰,它是地下的甲烷氣體噴出到海底表面后形成的結晶,主要分布在日本海海域。

可燃冰作為非常規天然氣資源具有重大戰略意義,因此,各大國都看上了這個能源革命的新寵,對于像日本這樣資源匱乏的國家來說意義更不可尋常。日本是世界上最早進行可燃冰研究和開采的國家之一,十分重視可燃冰資源勘查、基礎性研究和關鍵技術研發工作。

早在上世紀70年代就開始可燃冰的基礎研究,1980年日本發現四國南海海槽可燃冰存在的地理標志。1990年在此海域采集到可燃冰樣本。1995年政府實施了勘探南海海槽區域海洋可燃冰的五年計劃,日本十大油氣企業還聯合成立了可燃冰開發技術研究中心2001年日本政府啟動了為期18年的可燃冰開發計劃,并設立了“21世紀可燃冰開發研究財團(MH21)”

20083月,日本根據海洋基本法制定的《海洋基本計劃》將可燃冰開發計劃上升為國家戰略,還專門制定了《海洋能源與礦產資源開發計劃》,進一步明確了可燃冰開發路線圖。2013年安倍首相上臺不久就讓日本政策投資銀行準備萬億日元投資可燃冰項目,計劃到2023年要全面實現可燃冰商業化開采。

緊接著,日本政府出臺了2期海洋基本計劃以及修訂了海洋能源與礦產資源開發計劃。新計劃提出:2018年要完成砂層型可燃冰商業化技術儲備,并探明表層型可燃冰資源儲量、分布地區和特征,大舉加速可燃冰投資開發。近年來日本可燃冰國家研究預算年年過百億,從2002年到2017年已累計投入1000多億日元。

日本可燃冰開發計劃路線圖分三個階段: 第一階段2001年至2008年為資源調查研究階段,主要以資源粗探和陸地可燃冰試采為主;第二階段2009年至2015年為試驗開發階段,主要以資源細探和海洋可燃冰試采為主;第三階段2016年到2018年為商業化準備階段,主要是繼續海域試采,檢驗不同的穩定開采生產技術。整個計劃設定了六大目標:查明日本周邊海域可燃冰的產出條件和特征;估算可燃冰礦區甲烷氣的數量;優選可燃冰資源賦存區并研究其經濟可行性;在選定的資源賦存區進行可燃冰生產試驗;研發商業性生產技術;建立環保的開采體系。

試錯探采技術

實現多個第一

日本利用地震探測法測到可燃冰BSR(海底模擬反射層)海域面積達到12.2萬平方千米。據此推測,日本近海可燃冰儲藏量約12.6萬億立方米,按現在日本天然氣年消費量1120億立方米計算,此量可供日本消費100年以上。然而,并非所有蘊藏資源都可以被充分利用,只有從可開采量來計算才具實際意義。日本勘探太平洋海域可燃冰歷史足有20多年,但目前仍沒有可開采量的準確數據。

根據從南部海槽細長海溝中的取樣和數據分析,查明此海域有16個富集區塊,儲量為1.1415萬億立方米,可供日本使用10年左右。令人興奮的是,根據從熊野海盆泥火山的取樣研究,發現僅一座泥火山590米深處礦點儲量就達32億立方米。

日本政府一開始就重點鎖定太平洋海域的砂層型可燃冰開發。一方面是因為常規油氣鉆探技術有可能適用于砂層型可燃冰開發,另一方面是表層型可燃冰看上去開采簡單,實際上環境風險更難評估。而且毗鄰海區又存有領海和島嶼糾紛,更恐日后引發資源爭奪大戰。

2003年日本在開采海洋油氣田時就發現日本海的表層型可燃冰。之后,日本一些民間機構先行開始調查。如獨立綜合研究所與東京大學自2004年起就聯合勘查日本海可燃冰,發現存有大量巨型可燃冰塊,而且成功地利用魚群探測器尋找甲烷氣泡來勘探可燃冰的富集區塊,大大降低了探查費用。2012年包括新瀉縣和京都府在內的日本海沿岸10個府縣成立了日本海海洋能源資源開發促進聯合會,致力于日本海海域的可燃冰勘探和開發。2013年至2015年國家正式立項對日本海海域進行全方位勘探。

20169月,日本經產省公布了表層型可燃冰儲量的調查結果,發現了海底1742個氣體柱礦點,氣體柱直徑為幾百米不等,厚度為100米左右,賦存層位于水深1000米左右的海底至海床下100米之間,呈現為塊狀、板狀、脈狀、粒狀等形態。僅上越海域的一個礦點儲存量推測為6億噸。但其分布不均,內部結構復雜,總儲量還難以測算。表層型可燃冰盡管開采成本相對較低,但由于可燃冰比重比水輕,一旦露出海底就可能自動漂浮至水面,非常容易自然分解,所以回收氣體更為困難,人為攪動所帶來的泄漏風險也更加險惡。

200235日,日本在世界上第一個在陸地凍土層利用熱解法成功開采可燃冰。日本利用80溫水循環法連續5天在加拿大西北部長年凍土層下開發可燃冰,在907米, -970米深處成功分解可燃冰,最終只采氣470立方米,日均產氣量不足100噸,但這是全球首次在陸地試采可燃冰的成功案例。盡管這一項目日本與加拿大、美國、印度和德國等國的國際合作開發項目,但技術上則主要以日本為主導,由于此法開采效率較低,而且生產時間越長出氣量越少,日本轉而重點攻關降壓法技術。

為了研發高效采氣技術,日本與加拿大聯合進行第二次陸地采氣,共分為兩期實施。第一期為200612—20074月,實驗了12.5個小時,采氣830立方米,因出砂問題而中斷;第二期為20081—4月,利用降壓法連續5天半采氣1.3萬立方米,降壓法開采技術的可操作性得到了驗證。

20088月,日本第一次成功在湖底開采了表層型可燃冰。貝加爾湖是全世界最深的淡水湖,深處達到1642米。1997年日美俄三國聯合科考取樣曾發現1428米湖底深處存在可燃冰。此次日本與俄羅斯科學界聯合在貝加爾湖底水深400米處成功開采了表層型可燃冰,試采采用了新的回收技術,在湖底設置了分解裝置,直接用水攪拌回收氣體,100分鐘采氣1.4萬立方米。

20133月,日本還成為世界上第一個掌握海底可燃冰采掘技術的國家。日本地球號探測船于12-18日成功地在愛知縣渥美半島以南70公里、水深1000米處海底鉆探330米,采用降壓法技術把可燃冰轉換成甲烷氣體。連續6天穩定出氣11.9萬立方米,平均日產量約為2萬立方米左右。井底壓力降到30個標準大氣壓時產量驟增,遠遠超過了預期。但此次開采成本高達每百萬英熱50美元,竟是進口天然氣價格的3倍以上。由于海底砂流入開采井,再加之惡劣天氣,試驗僅6天就被迫中斷。

201754日,日本又開啟第二次海域可燃冰試采,試采打了兩口位于海底泥面以下350米的井。開采地點與第一次相同,第一口井原計劃連續開采生產34周,目的是檢驗連續生產開采的穩定性,但因坑井底部大量泥沙注入又被迫再次中斷,中斷原因與第一次類似,連續生產12天只出氣4萬立方米。

201765日,重新又啟動第二口井的開采,原計劃開采生產1周,目的是檢驗兩套防沙裝置的可靠性。實際到628日為止則連續開采了24天,回收天然氣22萬立方米。第二口井盡管解決了泥沙堵塞問題,但副作用是出氣量明顯減少,水量過大造成水氣分離不暢,平均為每日9274.5立方米,與第一次每日2萬立方米相差很大。

如何提效增產及其影響降壓分解諸多因素仍待進一步解明。日本科學界因未能按原定計劃完成試驗一直比較低調和自責,甚至有的科學家認為這是一次失敗的開采。但此次開采由于采用不同壓力條件測試,采用了強減壓法技術,收集到大量有用數據,應該說試采基本達到了預期。

201777日,日本地球號勘探船完成第2次勘探性開采任務之后靜悄悄地返回清水港。沒有鮮花,沒有慶功,沒有豪言壯語,日本依然不敢宣稱任何第一,因為商業化仍是遙遙無期。

燃燒的冰火

在大自然的鬼斧神工作用下,天工之力造就出一種奇特的能源--天然氣水合物,即天然氣(甲烷類)被包裹進水分子中,在海底低溫和壓力下結晶。

天然氣水合物是外表似冰狀的白色固體物質,因含大量甲烷且可燃,也被稱為可燃冰。可燃冰實現了冰與火的"融合",不僅能夠燃燒,還能釋放巨大的能量。

可燃冰廣泛發育于淺海底層沉積物、深海大陸斜坡沉積地層和高緯度極地地區永久凍層中。在陸地上,分布于多年凍土地區地下200米到2000米區間范圍。在海洋中,分布于海平面300米以下及海底數百米厚的沉積層中。

據測算,1立方米的可燃冰,在常溫常壓下可釋放164立方米甲烷氣體和0.8立方米的淡水。可燃冰具有燃燒值高、能量密度大和清潔無污染等特點,被視為有望替代煤炭和石油的清潔高效能源。

然而,開采可燃冰面臨著環境、生態安全等問題。由于對海底深海永久凍土的不了解,導致對開采后會產生的環境變化較為模糊。甲烷不溶于水且是易燃的溫室氣體,如果在開采過程中不能有效處理甲烷氣體將會破壞環境。

早在1778年就有科學家開始研究形成可燃冰的溫度和壓力條件。直到1810年,才在實驗室首次發現可燃冰。目前,全球對可燃冰的勘探在持續進行,并且斬獲頗豐:美國東部大陸邊緣布萊克海臺南部發現水合物資源量約350億噸油當量;加拿大溫哥華島大陸坡的天然氣水合物資源量也十分豐富,其蘊藏的天然氣約10萬億立方米;日本靜岡縣御前崎近海水合物蘊藏的天然氣儲量達7.4萬億立方米。

冰與火的故事已經延續了200多年,并在持續升溫。目前,我們在探索可燃冰之路上只邁出了萬里長征一小步,注定會經歷更多洗禮與磨礪。可燃冰開采需要從一個綜合性體系進行考量,我們要科學、客觀地看待其開發和發展過程。幾經探索、幾經艱辛,冰與火的能源協奏曲或許會更加動聽。 (蘇子開)

安全性是保障 經濟性是前提

由于第二次海域試采未達到預定目標,日本不得不重新調整可燃冰商業化開發的時間表。20176月,日本經產省制定了新的砂層型可燃冰商業化開發路線圖進程表,原定2019年啟動的商業化開采目標再次往后推遲10年,預計2029年之后方可步入大規模商業化試采。其實商業化開采計劃推遲并非首次。2001年日本制定了2016年實現商業開發可燃冰的規劃,但20081期海洋基本計劃出臺后,這一計劃就被推遲到今后10年以內,延后了2年。到了20134月,由于進展情況緩慢,2期海洋基本計劃又將商業開發計劃推遲到2023年以后,擬在2023年至2027年間開啟可燃冰商業化項目。今年5月出臺的第, 3期海洋基本計劃盡管沒有繼續推遲這一時間表。但研發相應技術還需時日,真正大規模商業開發預計將在2030年以后才能見分曉。由此可見,雖然可燃冰儲量巨大,但要經濟、安全地開采,難度很大。當前商業化開發所面臨的主要課題有:

突破開采技術,實現穩定產氣。可燃冰開采技術的最大難點是保證井底穩定,使甲烷氣不泄漏、不發生井噴、不出沙。盡管熱激發開采法、降壓開采法和注入化學試劑法等傳統技術基本成熟,二氧化碳置換開采法和固體開采法等新技術也取得較大進展。但真正實現開采技術突破,必須能保證連續幾個月乃至1年以上的安全穩定采氣。

每口井要保證5-10年能連續采氣,每口井日產天然氣須達每天5萬立方米以上才具商業開采價值。因此,突破開采技術就必須增加試采頻度和以年為單位的試驗時間。目前,在日本近海進行海洋產出試驗所需費用高達日均7000萬日元,因此轉而將重點放在國際合作上,準備陸地和海上同時開弓。

日本計劃與美國在阿拉斯加州開始陸地生產試驗,還將探討與印度聯手在氣象條件較為穩定的印度洋進行海洋試采。這樣既可以節省試采費用,還可以扎實地掌握相關開采技術,但合作前提條件是日本能夠主導開發技術。三井造船已先行一步,去年6月與德國MH Wirth公司達成了共同開發表層型可燃冰的協議,準備嘗試利用水下機器人開采。

探明富集區塊,降低開采成本。富集區塊的存在是推進商業化的基本條件。目前僅利用地震波探測數據得出存在大量富集區存在的可能性,還須進行實際勘探和試采,才能進一步探明和確認富集區塊的存在和分布。1立方米的標準可燃冰重量約0.9噸,能轉化為164立方米天然氣和0.86噸水。164立方米天然氣燃燒可產生熱量6500兆焦耳,相當于1桶原油的價值,即60多美元左右。

日本設定投資回收期的目標為10-20年,開采成本必須控制為每百萬英熱10美元以下,也就是說具備儲量500億立方米,日均產氣15萬立方米的氣田才有開采價值。但非常規油氣采收率是很低的,從技術角度和經濟角度看,可開采的可燃冰僅為賦存量的30%左右,但實際究竟能夠得到何種程度的開采和利用尚不明確。因此,開采可燃冰天然氣的直接成本因貯留層不同相差很大。

由于可燃冰光靠發掘不能實現自噴,而且埋藏在深海域,開采和運輸的工程量十分巨大,自然會帶來較大的成本開支和能源消費。而且,單井產量較低,必須實行井群生產工藝,為此須采用可多點移動開采的專用設備。再加上從可燃冰中分離的氣體體積較大,需要建造管道或氣體液化等基礎設施。所以,開采、儲存以及運送到地面和使用地的費用都非常高昂。在目前油價低位的行情下,且又有來自可再生能源的競爭。可燃冰綜合開采成本很可能將大于其所能產生的效益。

評估環境影響,控制海洋污染。可燃冰又稱之為惡魔資源。眾所周知,先史時代的甲烷大爆炸假說說明可燃冰有可能是全球氣候變暖的罪魁,毀滅地球生物的禍首。盡管這些問題還有些爭議,畢竟人類對于深海與地球認知還很有局限。而且,甲烷本身就是一種溫室氣體,甲烷排放的溫室效應是二氧化碳的20倍以上。如果開采過程造成大量甲烷泄漏會造成更嚴重的溫室效應,加劇全球變暖又會造成海水溫度上升進而導致可燃冰融化,從而引發更多的甲烷放出,形成惡性循環。

可燃冰本身就是一種不穩定的物質,人工采掘會破壞可燃冰堆積層而造成地基下沉,進而可能誘發地震或海嘯的發生。此外,還要考慮環境變動對海底生物與漁業、水文的影響。例如可燃冰分布的海底往往是北太平洋雪蟹及其他深海生物的多產區,甲烷過量泄漏則會導致海洋缺氧,生產開采污水還會影響海洋生態,使得海洋生物遭受毀滅性打擊。

所以鉆井船每每在試采過程中都要向海底打兩口觀察井以監測不同巖層溫度和壓力變化,保證海洋環境不受破壞。或許就因為如此,日本人對于發現和開發利用可燃冰資源又是歡喜又是憂。

綜上所述,技術可行、市場接受和環境允許是能否商業化開采的三個決定要因。目前仍然面臨技術裝備研發投入過大、開采成本過高,環境影響不可估量等難題。盡管離商業化的日子還有點遠,但靠海吃飯的日本人還是懷揣著對海洋資源的敬畏之心,一步一個腳印地往前走,2020年東京奧運會在糾結,點燃圣火是用可燃冰還是氫?此話聽起來似乎有點矯情。但日本人從美國頁巖氣革命中所學到的一個硬道理就是:未來誰擁有先進能源開發技術誰就掌控世界資源。

 




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