近日，我國海域天然氣水合物（又稱可燃冰）第二輪試採成功。在水深1225米的南海神狐海域，創造了“產氣總量86.14萬立方米，日均產氣量2.87萬立方米”兩項新的世界紀錄，給全國人民送上一份捷報。
那麼可以燃燒的冰塊到底長啥樣？有啥用呢？“可燃冰”的真實身份
天然氣水合物也稱“可燃冰”，是冰狀的晶體礦物，由低分子量氣體（如甲烷、乙烷或二氧化碳）與水在低溫和高壓條件下結合形成。其中大多數由甲烷（CH4）形成，所以“天然氣水合物”也可稱為“甲烷水合物”。
因為天然氣水合物多呈白色或淺灰色晶體，可像酒精塊一樣被點燃，所以人們叫它“可燃冰”。由於海底的高壓，所以可燃冰中的甲烷被高度壓縮，1立方米的可燃冰約包含了164立方米的天然氣。海床表面沉積的可燃冰如圖1所示，由於海底溫度壓力的波動，可燃冰表面不斷釋放甲烷氣泡。
圖1 沉積在海底的可燃冰（來自INSPIRE）
通常天然氣水合物會被海洋沉積物覆蓋，埋藏在海床的淺層，在海底形成土丘狀堆積，如圖2所示。
圖2 天然氣水合物礦床（來自NOAA）
當土丘發生破壞後，其邊緣可以看到暴露出的天然氣水合物，如圖3所示。在黑色魚的左側，可以看到氣泡從突出物下方冒出，經年累月形成多孔結構。
圖3 沉積物覆蓋的橙黃色天然氣水合物（來自NOAA）
圖4中可以看到另一種顏色的天然氣水合物，這是因為其中微生物的顏色不同。在照片中可見不斷釋放的天然氣泡流。
圖4 “可燃冰”釋放甲烷氣泡（來自NOAA）
“可燃冰”的形成
海洋中的甲烷主要通過兩種方式形成：熱成因和生物成因。當海底深處的有機物被地熱降解時產生的甲烷稱為熱成因甲烷；當海底的古生菌的吃掉有機物質時，會產生生物甲烷。由於海底壓力高、溫度低，在這種條件下，水分子在甲烷分子周圍結冰，就會形成甲烷水合物即可燃冰，如圖5所示。圖中左上為可燃冰結構，中心的綠、灰色分子是甲烷，四周的紅色分子為水。
圖5 燃燒的冰塊（來自INSPIRE）
圖6說明了天然氣水合物的形成條件。在該溫度——深度圖上，甲烷水合物在紫色曲線的左側能夠穩定存在。水深每增加100米，壓力增加約10兆帕。藍色曲線表示實際測量的海洋溫度。沉積物溫度是根據海底油井溫度數據估算的。由圖可知，天然氣水合物從海面600米深處以下，直到海床沉積物的淺層都能夠穩定存在。
圖6 天然氣水合物存在條件（來自C. Ruppel）
在合適的壓力和溫度範圍內，甲烷以這種水合物的形式可以穩定的存儲很長時間。但是一旦溫度或壓力發生改變，水合物將變得不穩定，迅速釋放大量的甲烷氣體。根據美國能源部的數據，一立方米的天然氣水合物一旦提取，就會釋放164立方米的常規天然氣和0.8立方米的水，可燃冰就像一個天然氣的“超級壓縮包”。
“可燃冰”有啥用
我國是世界上最大的石油和天然氣進口國。2007-2018年，我國天然氣消費量年均增長190.7億立方米，天然氣產量年均增長82.8億立方米，供應缺口不斷擴大，天然氣進口量年均增長達107.9億立方米。能源對於經濟發展和國家安全的重要性不言而喻。由於國際形勢動盪不安，我們必須通過尋找替代燃料來源，以加強能源安全。
天然氣水合物（可燃冰）具有極大的發展潛力。據統計，全球天然氣水合物礦床中所含的碳大約是煤炭、石油和常規天然氣總儲量中的兩倍，是極具潛在有價值的能源。中國的天然氣水合物（可燃冰）儲量相當於約1000億噸石油，其中800億噸位於南中國海，如果能有效開採，對於我國的能源自給起到巨大的保障作用。
“可燃冰”的開發難度
如前所述，甲烷水合物是在狹窄的壓力/溫度窗口內形成的。如果改變了海底的壓力/溫度條件，這些水合物可能會迅速從固體變成氣體，甲烷體積膨脹164倍，引發事故。
有科學家認為，百慕大三角、日本龍三角海域經常出現沉船或墜機事件，元兇就是海底可燃冰產生的巨大甲烷氣泡。當海底發生猛烈的地震活動時，可燃冰會因外界壓力減輕迅速汽化。巨大的氣泡上升並膨脹，使海水失去浮力，此時經過這裡的船隻，就會像石頭一樣沉入海底。如果此時正好有飛機經過，當甲烷氣體遇到灼熱的飛機發動機時，會立即燃燒爆炸，導致墜機。
如果海床下方大範圍的天然氣水合物汽化，有可能會引起海底滑坡，進而導致海嘯。同時釋放出大量甲烷，因為甲烷是一種會影響地球氣候的溫室氣體，甲烷洩漏將加劇溫室效應。所以，天然氣水合物的開採難度極大。
為了打開這個能源寶庫，我國進行了長期的研究，穩步推進了各項相關技術發展。1999年，我國開始天然氣水合物調查；2002年，設立天然氣水合物勘查專項；2017年5月18日，我國海域天然氣水合物首次試採成功；2020年（本次試採）開展“試驗性試採”，重點解決“提高產氣規模”的問題。
在本次試採中，通過自主創新的環境風險防控技術體系，對試採過程進行了全方位的監測，結果表明，試採過程中甲烷無洩漏，也未發生地質災害，表明我國天然氣水合物研究已經走在了世界的前列。
參考
科普中國：我國可燃冰再突破：Level 1到Level 2需要多少加成？
人民日報：我國海域可燃冰第二次試採成功 鑽採關鍵技術實現突破
Monica Heintz ：Methane in the Ocean
Carolyn Ruppel，Diva Amon： Ice Worms and Gas Hydrate-Encased Bubble Tubes
NOAA：What are gas hydrates?
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