深海版“冰与火之歌”正在上演!

2021-12-28 10:15:29 来源: 瞭望 2021年第52期

 

实验室里的冰与火之歌

“把基础研究做好了,等到国家实际开采就可以省下不少钱。”

“做科研哪有一蹴而就?都是在前一步的基础上不断改良,最终才会成功。”

“我最大的期待就是让可燃冰能够真正有用武之地,为我们国家的能源结构改善,再点一把希望之火。”

  文 |《瞭望》新闻周刊记者 常清潭 康晋晖 实习生 韦梦想

  

  自然界有这样一种“冰”,当燃烧着的火苗接触它,它就会被点燃并产生热能。它就是可燃冰。上个世纪90年代起,我国开始对这种能源进行研究和开采,不断在这个领域创下世界纪录。

  李彦龙是中国地质调查局青岛海洋地质研究所副研究员,从2015年开始,他和其他科研人员一起,开展了大量的基础技术研究,见证了一个又一个技术进步的时刻。在实验室里、在深海中、在高压危险的设备旁,“冰与火之歌”正在上演。

  深海寻火种

  一来到李彦龙所在的实验室,就看到一簇火焰在冰上燃烧,发出滋滋沙沙的声音。这是可燃冰分解过程中产生的甲烷,从孔隙里被释放出来的声音。

  李彦龙介绍说,可燃冰的学名是天然气水合物,是由水和天然气在高压低温条件下,混合而成的一种结晶物质。因为外观看起来像冰块,所以又被称为可燃冰。

  可燃冰主要分布在海底。我国是世界上可燃冰储量最大的国家,可供人类使用100年。仅我国南海就有85万亿立方米,相当于我国陆地常规天然气资源总量的2.1倍以上。我国从上世纪90年代就开始对可燃冰的研究工作。2001年,我国第一次人工合成可燃冰样品。2017年,我国在南海神狐海域进行了首次海上试采。李彦龙全程参与了试采工作。

  要把可燃冰从1200米的海底以下带上海面,谈何容易?

  可燃冰的分布并不像油气那样集中,而且可燃冰在海底可能已经成为地质结构的一部分,如果开采不当,甚至会引发海底地质灾害。“不过现在并没有开展大规模商业化开采,目前试采工作还不会有地质灾害风险。”李彦龙说。

  传统的开采油气资源的设备在应对可燃冰开采时,也会遇到问题,影响产气效率,“现在这套金属的设备不怕岩石硬,但它怕软的海底和冰层,轨迹不好掌握。”他说。

  在参与试采过程中,李彦龙就遇到过泥砂涌入井筒的情况。当时他百思不得其解,回到实验室反反复复做实验才发现问题所在。

  “公众比较关心的可能是什么时候能用上可燃冰,而我更关心的是可燃冰可采背后的一些技术挑战和科学研究问题。”李彦龙说。

李彦龙正在准备可燃冰样品 康晋晖摄

  “做科研哪有一蹴而就”

  在李彦龙看来,作为新型能源,可燃冰有很多问题值得科研人员去探索。从2015年开始,毕业不久的他就开始和可燃冰打交道。7年来,他沉浸在科研的乐趣中。

  做实验,主要使用的还是人工制备的可燃冰。当水和甲烷遇到低温和高压时,就会生成纯白的可燃冰。“现在,我们的研究生同学基本上都能自行制备可燃冰样品。这也反映了我们国家的技术进步。”李彦龙说,

  实验室里,不论是制备可燃冰的设备,还是模拟钻井的系统,都存在一定危险。有一次,因为极端的低温,12颗螺丝从中间断开。李彦龙回忆,他们当时很紧张,但还是冒着危险尽力把实验风险降到了最低。虽然危险不断,但只要一想到“把基础研究做好了,等到国家实际开采就可以省下不少钱”,李彦龙就觉得这一切都是值得的。

  此前,李彦龙所在的青岛海洋科学与技术试点国家实验室,曾利用可燃冰的记忆效应提升其开采效率。可燃冰的记忆效应,是指在一定条件下,由水合物分解产生的水,比没有水合物形成历史的水更容易生成水合物。科研人员自主研发了全可视水合物成核概率探测装置,提出了恒速降温强制水合物快速成核以提高实验效率的方法,找到了决定记忆效应强弱的演化特征。

  “研究可燃冰,每隔一段时间就会有新的灵感。”对于李彦龙来说,新的灵感就是重复枯燥的研究生活中不期而遇的小惊喜。

  李彦龙有个习惯,他会把突然浮现的灵感和近期的工作记在本子上,“做越来越多的研究,反而觉得自己的记忆力变差了,遇到灵感得赶紧记下来,不然就会忘记。”李彦龙笑着解释。

  李彦龙知道还有很多难题等待被攻破,这些都不能阻碍他的研究脚步。“做科研哪有一蹴而就?都是在前面的基础上不断改良,才会最终成功”。

  “再点一把希望之火”

  当下,煤炭、石油等化石能源开采使用面临多重约束。而相对于常规油气等化石能源,可燃冰所含的杂质更少,相同质量燃烧产生的能量更多,燃烧的产物几乎只有水和二氧化碳。同时,1立方米的可燃冰分解,可以释放164立方米的天然气。

  因为储量丰富、燃烧起来清洁又高效,可燃冰被国际公认为石油和天然气的接替能源,各国都在加快对其的研究和开采。

  一些国家早在上世纪60年代就开始研究可燃冰。相比之下,我国起步较晚,但依然取得了令人瞩目的成绩。2020年,在水深1225米的南海神狐海域,第二轮可燃冰试采成功,创造了“产气总量86.14万立方米,日均产气量2.87万立方米”两项新的世界纪录,标志着我国成为又一独立掌握海洋“可燃冰”试采技术、工具的国家。

  “利用可燃冰目前最大的困难还是开采。”李彦龙说,如果能解决开采难题,可燃冰未来很有可能成为人类主要使用的能源之一。同时,由于我国是世界上可燃冰储量最丰富的国家,可燃冰的开采和利用可能改变世界能源格局,对国家的发展意义重大。

  我国计划在2030年实现可燃冰商业化开采。李彦龙说,“我最大的期待就是让可燃冰能够真正有用武之地,为我们国家的能源结构改善,再点一把希望之火”。