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可燃冰,未来能源之星还是灭世恶魔?(二)

发布时间:2020年04月14日
来源:星球科学评论公众号(2020-04-14)

 03 未来商业开发的不确定性


管扮演着不安定的角色,但这并没有影响人们将可燃冰作为资源加以利用的冲动。对于可燃冰的研究大约始于上世纪60年代,那时的人们曾认为苏联西伯利亚的Messoyakha气田生产的天然气存在可燃冰分解释放的气体,但该结论尚存争议[35-36]。真正毫无争议的、直接从含可燃冰地层里进行试验性开采,仅有短短18年的历史

人们首先开采的是北极圈内永久冻土带以下的可燃冰,这是2002年及2007年多国合作在加拿大西北部Mallik地区的试采项目,冻土厚度650米左右,含有可燃冰的砂层位于大约1000米深。首次试采海底泥沙中的可燃冰2013年,位于日本爱知县附近海域,这里的水深约1000米,蕴含可燃冰的砂层位于海底以下300米[37-38]


世界可燃冰开采试验位置分布图 | 迄今为止,确切进行过可燃冰开采试验的地点一共有五个,分别是位于加拿大北部的Mallik项目区(2007-2008年试采),美国阿拉斯加北坡的Hot Ice项目区(2012年试采),二者均为冻土可燃冰区块,且由多国团队合作试采;位于日本爱知县附近南海海槽的爱知海项目区是首次(2013年)和第二次(2017年)海底可燃冰试采位置,由日美合作完成;中国的可燃冰试采由中国团队独立完成。制图@陈随&巩向杰/星球科学评论
中国的可燃冰研究启动较晚,于2007年和2009年在南海神狐海域青海祁连山木里冻土带分别钻遇可燃冰。2011年和2016年,研究人员首先在祁连山冻土区进行了两次陆上可燃冰试采[39-40],分别产气近5天和23天。2017年,中国在南海神狐海域进行了首次海上试采,稳定生产60天,产气30.9万立方米。2019年,中国在南海同一海域完成了第二次试采,试验了水平井在海底软泥沙中的钻探技术,实现稳定生产30天,产气86.14万立方米。
目前为止,中国是世界上累计试采可燃冰产气量最多的国家。但在成就的背后,我们也需要对风险和不确定性有清晰的认识。

 

2017年首次可燃冰试采的蓝鲸1号 | 图源@图虫创意

 

可燃冰商业化开采面临的主要问题,正如前文第二节所提,在于会改变泥沙的力学性质,降低泥沙的整体强度,容易引起海底不均匀变形、海底地层垮塌、高压气体喷出甚至滑坡等剧烈破坏现象[41-45]。遗憾的是,人们对于这些风险的认识尚十分粗浅。现阶段的主要研究方法,是使用试采获得的数据进行实验模拟和计算机模拟。然而实验室条件难以代表深海的自然环境,计算机模型也会存在基于不同方法而产生的差异,它们有时甚至会出现完全迥异的结果。例如,2013年日本试采后,一个日本研究团队的计算机模拟显示,6天的试采中,可燃冰发生分解的区域可能达到距离钻井25米的地区;如果继续生产至180天后,可燃冰分解范围可能会扩展至200米范围[43]。但在2017年中国试采后,一支中国研究团队的另一种计算机模拟显示,可燃冰的分解会局限在钻井周围区域,即使两年后也不会超过30米[46]

 

日本“地球号”海洋钻探船 | 该船是日本进行海洋钻井的主力科考船,参加过多次全球大洋钻探项目。日本两次钻探海底可燃冰,使用的都是这条科考船。图源@JAMSTEC/日本国立海洋科技开发机构

 

类似这样的不确定还有很多,而仅有的几次试采结果,也并不足以打消人们的顾虑。2017年9月,中国首次南海试采结束的2个月后,科研人员来到试采海域展开环境监测。通过对比试采前、试采中和试采后的数据,认为仅在钻井过程中发生了预期内的少量甲烷释放。试采过程中和结束两个月后,未见甲烷泄露、未见海底缺氧,海底也没有发生海水浑浊度的变化,表明没有发生大规模的海底地质变化[47]

 

中国南海首次可燃冰试采的主要环境监测数据 | 来源@文献[47]

 

这当然是一个好消息,但无论是中国的第一次试采还是日本的两次试采,均未公开海底是否发生变形的数据[48]。在刚刚结束不久的中国第二次海底试采中,人们使用了未观测到甲烷泄露,未发生地质灾害”这样的字眼,这符合第一次试采后的检测结果,但同时也没有提及是否存在地层变形等方面的情况。

也许是没有发生,也许是变化太小没有探测到,但也不能排除这些变化尚未从几百米深处影响到海底。这些变化所需的时间,也是未知数。2017年俄罗斯Yamal半岛发生在河道里的气爆为例,从发现变形到最终爆发用了两个月,但气体在地下聚集发展了多久,人们则完全没有头绪。在斯瓦尔巴德岛北部的海底泥沙中,高压天然气聚集、破坏地层产生“管道结构”需要多长时间,现在也完全是未知数。

 

中国南海首次可燃冰试采时的火炬 | 图源@文献[47]

 

总之,在关于可燃冰开采引发海底变形的领域,还存在太多的空白,我们并不知道地层变形将如何累积、高压气体是否在地下聚集、何时会开始上涌破坏地层、何时会上升到海底浅层、何种条件会触发滑坡、风险会达到何种规模、滑坡是否会使附近的可燃冰失稳分解等细节。根据一份计算机模拟研究,长期(长达4年以上的水平井开发)可燃冰开采会引起地层变形逐渐积累,并最终可能会发展成大规模海底变形甚至滑坡[49]因此,一两口井持续一两个月的试采和数据测量,或许并不足以说明问题。而矛盾的是,想要知道这些问题的答案,只能开展时间更长、规模更大的生产实践,甚至在真实的事故里来分析事故的原因。在当下的科学认识水平下,只要开采可燃冰,就意味着要承担很多未知风险;但也只有继续进行开采试验,才能更好地认识风险。这种不可调和的矛盾,会贯穿在整个可燃冰开采的实践里

 

位于加拿大麦肯齐三角洲的Mallik可燃冰试采现场 | 这里位于北极圈内,极度严寒,阳光穿透大气中的冰晶后呈现出光柱。图源@USGS/美国地质调查局

 

当代海洋正处在表层海水快速酸化和缺氧的背景下[51-55],人为引发可燃冰分解和释放的前景不免令人担心。而且这些研究大多集中在海洋表层,并没有深入考虑海底可燃冰分解造成的深层海水酸化和缺氧问题。由于表层海水与深层海水的大规模交换作用(如温盐环流),最终的情况可能更糟。

 

驱动全球海水大规模交换的温盐环流 | 图源@grida.no

 

海水酸化会影响部分海洋生物碳酸钙外壳的合成,缺氧海水则容易引发大面积生物死亡,二者最终会影响到海洋食物链,并以此影响到人类社会。


海洋化学性质的变化如何影响海洋生物? | 许多浮游生物具有钙质外骨骼,酸化的海水不利于生物合成,会严重影响它们的生存,从而危及到整个海洋食物链。图中的生物是翼足类动物,它是一种具有碳酸钙贝壳的软体动物,幼体营浮游生活。研究人员将它的贝壳放在当前认识水平下,与2100年海水酸性和碳酸盐含量相当的水中,45天后贝壳就开始溶解。图源@NOAA/美国国家海洋和大气管理局

虽然短期内肯定不会引起大规模生物灭绝,但势必会逐渐改变现有海洋生物的生存格局,从而进一步影响到海洋养殖业和捕捞业,并以这种方式影响人们的餐桌——海洋为人类提供了18%的蛋白质来源,它们不光是各种生猛海鲜,还有以海洋生物作为饲料的家畜家禽。一旦海洋的生态出现问题,人类社会将会发生不小的动荡。

 

夕阳下的渔船 | 可燃冰开采对海洋环境的潜在冲击,会通过复杂的食物链最终影响到每一个人。图源@VCG

 

是的,人们需要关心可燃冰开采对于海洋环境的潜在冲击,这不仅因为对于可燃冰的各种认识仍然过于粗浅,而且暂时还没有很好的监测手段和可靠模型,更因为它也能影响到你我饭桌上的食物,影响到子孙后代的食物。

海鲜 | 对于普通人而言,关注可燃冰开采风险,最终会回归到食物安全问题。图源@VCG
可燃冰只是地球上存在了亿万年,并将继续存在亿万年的一种物质,是这颗星球生生不息的碳循环发动机中,一个并不起眼的小齿轮。它究竟是未来能源之星,还是将要影响人类社会的魔鬼,决定权其实在于人类。在于人们选择怎样的开发策略,在于保持高度谨慎徐徐图之;在于充分做好风险研判和科研跟进,在于提高从业人员的风险认知水平。也在于整个社会的你我他,能够认识到可燃冰这种物质的风险,和背后尚存的诸多未知。

[责任编辑:dc]

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