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[信息] 新能源--可燃冰

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发表于 2011-6-1 13:09:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
中文名称:天然气水合物 英文名称:natural gas hydrate;gas hydrate 其他名称:可燃冰 定义1:天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。 应用学科:海洋科技(一级学科);海洋科学(二级学科);海洋地质学、海洋地球物理学、海洋地理学和河口海岸学(三级学科) 定义2:分布于深海沉积物中,由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。 应用学科:资源科技(一级学科);海洋资源学(二级学科)
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天然气水合物
天然气水合物(Natural Gas Hydrate,简称Gas Hydrate)因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧,所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。它是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、Hp值等)下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。它可用M·nH2O来表示,M代表水合物中的气体分子,n为水合指数(也就是水分子数)。组成天然气的成分如CH4C2H6C3H8C4H10等同系物以及CO2N2H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷,对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物Methane Hydrate)。
  天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下,一单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体,因而其是一种重要的潜在未来资源。
  天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质,外貌极像冰雪或固体酒精,点火即可燃烧,有“可燃水”、“气冰”、“固体瓦斯”之称,被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源,天然气水合物是一种新型高效能源,其成分与人们平时所使用的天然气成分相近,但更为纯净,开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。
  天然气水合物使用方便,燃烧值高,清洁无污染。据了解,全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍,具有广阔的开发前景,美国、日本等国均已经在各自海域发现并开采出天然气水合物,据测算,我国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量,约相当我国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。
  我国首次开采出天然气水合物(可燃冰)样品
  我国在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”,从而
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天然气水合物
成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。
  2007年5月1日凌晨,我国在南海北部的首次采样成功,证实了我国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源,标志着我国天然气水合物调查研究水平已步入世界先进行列。
  可燃冰的学名为“天然气水合物”,是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。“冰块”里甲烷占80%~99.9%,可直接点燃,燃烧后几乎不产生任何残渣,污染比煤、石油、天然气都要小得多。1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。目前,全世界拥有的常规石油天然气资源,将在40年或50年后逐渐枯竭。而科学家估计,海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里,占海洋总面积的10%,海底可燃冰的储量够人类使用1000年,因而被科学家誉为“未来能源”、“21世纪能源”。
  据悉,迄今为止,全球至少有30多个国家和地区在进行可燃冰的研究与调查勘探。
  可燃冰主要储存于海底或寒冷地区的永久冻土带,比较难以寻找和勘探。新研制的这套灵敏度极高的仪器,可以实地即时测出海底土壤、岩石中各种超微量甲烷、乙烷、丙烷及氢气的精确含量,由此判断出可燃冰资源存在与否和资源量等各种指标。
  传统开采方法
  (1) 热激发开采法 热激发开采法是直接对天然气水合物层进行加热,使天然气水合物层的温度超过其平衡温度,从而促使天然气水合物分解为水与天然气的开采方法。这种方法经历了直接向天然气水合物层中注入热流体加热、火驱法加热、井下电磁加热以及微波加热等发展历程 。热激发开采法可实现循环注热,且作用方式较快。加热方式的不断改进,促进了热激发开采法的发展。但这种方法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题,而且只能进行局部加热,因此该方法尚有待进一步完善。
  (2) 减压开采法 减压开采法是一种通过降低压力促使天然
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天然气水合物
气水合物分解的开采方法。减压途径主要有两种: ①采用低密度泥浆钻井达到减压目的;②当天然气水合物层下方存在游离气或其他流体时,通过泵出天然气水合物层下方的游离气或其他流体来降低天然气水合物层的压力 。减压开采法不需要连续激发,成本较低,适合大面积开采,尤其适用于存在下伏游离气层的天然气水合物藏的开采,是天然气水合物传统开采方法中最有前景的一种技术。但它对天然气水合物藏的性质有特殊的要求,只有当天然气水合物藏位于温压平衡边界附近时,减压开采法才具有经济可行性。
  (3) 化学试剂注入开采法 化学试剂注入开采法通过向天然气水合物层中注入某些化学试剂,如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等,破坏天然气水合物藏的相平衡条件, 促使天然气水合物分解 。这种方法虽然可降低初期能量输入,但缺陷却很明显,它所需的化学试剂费用昂贵,对天然气水合物层的作用缓慢,而且还会带来一些环境问题,所以,目前对这种方法投入的研究相对较少。
  新型开采方法
  (1)CO2 置换开采法。这种方法首先由日本研究者提出 ,方法依据的仍然是天然气水合物稳定带的压力条件。在一定的温度条件下,天然气水合物保持稳定需要的压力比CO2 水合物更高 。因此在某一特定的压力范围内,天然气水合物会分解,而CO2 水合物则易于形成并保持稳定。如果此时向天然气水合物藏内注入CO2 气体,CO2 气体就可能与天然气水合物分解出的水生成CO2 水合物。这种作用
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天然气水合物
释放出的热量可使天然气水合物的分解反应得以持续地进行下去。
  (2)固体开采法。 固体开采法最初是直接采集海底固态天然气水合物,将天然气水合物拖至浅水区进行控制性分解。这种方法进而演化为混合开采法或称矿泥浆开采法。该方法的具体步骤是,首先促使天然气水合物在原地分解为气液混合相,采集混有气、液、固体水合物的混合泥浆,然后将这种混合泥浆导入海面作业船或生产平台进行处理,促使天然气水合物彻底分解,从而获取天然气
  典型开采研究实例麦索亚哈气田天然气水合物的开采
  麦索亚哈气田发现于20 世纪60 年代末,是第一个也是迄今为
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天然气水合物
止唯一一个对天然气水合物藏进行了商业性开采的气田。该气田位于前苏联西西伯利亚西北部,气田区常年冻土层厚度大于500 m ,具有天然气水合物赋存的有利条件。麦索亚哈气田为常规气田,气田中的天然气透过盖层发生运移,在有利的环境条件下,在气田上方形成了天然气水合物层。该气田的天然气水合物藏首先是经由减压途径无意中得以开采的。通过开采天然气水合物藏之下的常规天然气,致使天然气水合物层压力降低,天然气水合物发生分解。后来,为了促使天然气水合物的进一步分解,维持产气量,特意向天然气水合物藏中注入了甲醇和氯化钙等化学抑制剂。
 楼主| 发表于 2011-6-1 13:11:08 | 显示全部楼层
麦肯齐三角洲地区天然气水合物试采集

  麦肯齐三角洲地区位于加拿大西北部,地处北极寒冷环境,具有天然气水合物生成与保存的有利条件。该区天然气水合物研究具有悠久的历史。早在1971~1972 年间,在该区钻探常规勘探井MallikL238 井时,偶然于永冻层下800~1 100 m 井段发现了天然气水合物存在的证据 ;1998 年专为天然气水合物勘探钻探了Mallik 2L238 井,该井于897~952 m 井段发现了天然气水合物,并采出了天然气水合物岩心 。2002 年,在麦肯齐三角洲地区实施了一项举世关注的天然气水合物试采研究 。该项目由加拿大地质调查局、日本石油公团、德国地球科学研究所、美国地质调查局、美国能源部、印度燃气供给公司、印度石油与天然气公司等5 个国家9 个机构共同参与投资,是该区有史以来的首次天然气水合物开采试验,也是世界上首次这样大规模对天然气水合物进行的国际性合作试采研究。

  阿拉斯加北部斜坡区天然气水合物开采试验

  美国阿拉斯加北部普拉德霍湾—库帕勒克河地区,位于阿拉斯加北部斜坡地带。1972 年阿科石油公司和埃克森石油公司在普拉德霍湾油田钻探常规油气井时于664~667 m 层段采出了天然气水合物岩心。其后在阿拉斯加北部斜坡区进行了大量天然气水合物研究。在此基础上,2003 年在该区实施了一项引人注目的天然气水合物试采研究项目 。该项目由美国Anadarko 石油公司、Noble 公司、Mau2rer 技术公司以及美国能源部甲烷水合物研究与开发计划处联合发起,目标是钻探天然气水合物研究与试采井———热冰1 井。这是阿拉斯加北部斜坡区专为天然气水合物研究和试采而钻的第一口探井。
  天然气水合物开采中的环境问题
  天然气水合物藏的开采会改变天然气水合物赖以赋存的温压条件,引起天然气水合物的分解。在天然气水合物藏的开采过程中如果不能有效地实现对温压条件的控制,就可能产生一系列环境问题,如温室效应的加剧、海洋生态的变化以及海底滑塌事件等
  (1) 甲烷作为强温室气体,它对大气辐射平衡的贡献仅次于二氧化碳。一方面,全球天然气水合物中蕴含的甲烷量约是大气圈中甲烷量的3 000倍 ;另一方面,天然气水合物分解产生的甲烷进入大气的量即使只有大气甲烷总量的0. 5 % ,也会明显加速全球变暖的进程 。因此,天然气水合物开采过程中如果不能很好地对甲烷气体进行控制,就必然会加剧全球温室效应。除温室效应之外,海洋环境中的天然气水合物开采还会带来更多问题。①进入海水中的甲烷会影响海洋生态。甲烷进入海水中后会发生较快的微生物氧化作用 ,影响海水的化学性质。甲烷气体如果大量排入海水中,其氧化作用会消耗海水中大量的氧气,使海洋形成缺氧环境, 从而对海洋微生物的生长发育带来危害 。②进入海水中的甲烷量如果特别大,则还可能造成海水汽化和海啸,甚至会产生海水动荡和气流负压卷吸作用,严重危害海面作业甚至海域航空作业 。
  (2) 开采过程中天然气水合物的分解还会产生大量的水,释放岩层孔隙空间,使天然气水合物赋存区地层的固结性变差,引发地质灾变 。海洋天然气水合物的分解则可能导致海底滑塌事件]。近年的研究发现,因海底天然气水合物分解而导致陆坡区稳定性降低是海底滑塌事件产生的重要原因 。钻井过程中如果引起天然气水合物大量分解,还可能导致钻井变形,加大海上钻井平台的风险 。
  (3) 如何在天然气水合物开采中对天然气水合物分解所产生的水进行处理,也是一个应该引起重视的问题。
  资料扩展
  可燃冰全称甲烷气水包合物(Methane clathrate),也称作甲烷水合物、甲烷冰、天然气水合物。最初人们认为只有在太阳系外围那些低温、常出现冰的区域才可能出现,但后来发现在地球上许多海洋洋底的沉积物底下,甚至地球大陆上也有可燃冰的存在,其蕴藏量也较为丰富。
  甲烷气水包合物在海洋浅水生态圈中是常见的成分,他们通常出现在深层的沉淀物结构中,或是在海床处露出。甲烷气水包合物据推测是因地理断层深处的气体迁移,以及沉淀、结晶等作用,于上升的气体流与海洋深处的冷水接触所形成。
  在高压下,甲烷气水包合物在 18 °C 的温度下仍能维持稳定。一般的甲烷气水化合物组成为 1 摩尔的甲烷及每 5.75 摩尔的水,然而这个比例取决于多少的甲烷分子“嵌入”水晶格各种不同的包覆结构中。据观测的密度大约在 0.9 g/cm³。一升的甲烷气水包合物固体,在标准状况下,平均包含 168 升的甲烷气体。
  甲烷形成一种结构一型水合物,其每单位晶胞内有两个十二面体(20 个端点因此有 20 个水分子)和六个十四面体(tetrakaidecahedral)(24 个水分子)的水笼结构。其水合值(hydratation value)20 可由 MAS NMR 来求得。[2] 甲烷气水包合物频谱于 275 K 和 3.1 MPa下记录,显示出每个笼形都反映出峰值,且气态的甲烷也有个别的峰值。
  自 20 世纪 60 年代以来,人们陆续在冻土带和海洋深处发现了一种可以燃烧的“冰”。这种“可燃冰”在地质上称之为天然气水合物(Natural Gas Hydrate,简称Gas Hydrate),又称“笼形包合物”(Clathrate),分子结构式为:CH4·nH2O,现已证实分子结构式为CH4·8H20。
  天然气水合物是一种白色固体物质,外形像冰,有极强的燃烧力,可作为上等能源。它主要由水分子和烃类气体分子(主要是甲烷)组成,所以也称它为甲烷水合物。天然气水合物是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等)下,由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质。 一旦温度升高或压强降低,甲烷气则会逸出,固体水合物便趋于崩解。(1立方米的可燃冰可在常温常压下释放164立方米的天然气及0.8立方米的淡水)所以固体状的天然气水合物往往分布于水深大于 300 米 以上的海底沉积物或寒冷的永久冻土中。海底天然气水合物依赖巨厚水层的压力来维持其固体状态,其分布可以从海底到海底之下 1000 米 的范围以内,再往深处则由于地温升高其固体状态遭到破坏而难以存在。
  从物理性质来看,天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度,剪切系数、电解常数和热传导率均低于冰。天然气水合物的声波传播速度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物,中子孔隙度低于饱和水沉积物,这些差别是物探方法识别天然气水合物的理论基础。此外,天然气水合物的毛细管孔隙压力较高。
  可燃冰燃烧方程式
   CH4·8 H2O + 2 O2 == CO2 + 10 H2O(反应条件为“点燃”)

储量介绍
  天然气水合物在世界范围内广泛存在,这一点已得到广大研究者的公认。在地球上大约有27%的陆地是可以形成天然气水合物的潜在地区,而在世界大洋水域中约有90%的面积也属这样的潜在区域。已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。由于采用的标准不同,不同机构对全世界天然气水合物储量的估计值差别很大。据潜在气体联合会(PGC,1981)估计,永久冻土区天然气水合物资源量为1.4×1013~3.4×1016m3,包括海洋天然气水合物在内的资源总量为7.6×1018m3。但是,大多数人认为储存在汽水合物中的碳至少有1×1013t,约是当前已探明的所有化石燃料(包括煤、石油和天然气)中碳含量总和的2倍。由于天然气水合物的非渗透性,常常可以作为其下层游离天然气的封盖层。因而,加上汽水合物下层的游离气体量这种估计还可能会大些。如果能证明这些预计属实的话,天然气水合物将成为一种未来丰富的重要能源。
  甲烷气水包合物受限于浅层的岩石圈内(即 < 2000 m 深)。发现在一些必要条件下,惟独在极地大陆的沉积岩,其表面温度低于 0 °C,或是在水深超过 300 m ,深层水温大约 2 °C 的海洋沉积物底下。大陆区域的蕴藏量已确定位在西伯利亚和阿拉斯加 800 m 深的砂岩和泥岩床中。海生型态的矿床似乎分布于整个大陆棚,且可能出现于沉积物的底下或是沉积物与海水接触的表面。他们甚至可能涵盖更大量的气态甲烷。
海洋生成
  有两种不同种类的海洋存量。最常见的绝大多数(> 99%)都是甲烷包覆于结构一型的包合物,而且一般都在沉淀物的深处才能发现。在此结构下,甲烷中的碳同位素较轻(δ13C < -60‰),因此指出其是微生物由 CO2的氧化还原作用而来。这些位于深处矿床的包合物,一般认为应该是从微生物产生的甲烷环境中原处形成,因为这些包合物与四周溶解的甲烷其 δ13C 值是相似的。
  这些矿床座落于中深度范围的区域内,大约 300-500 m 厚的沉积物中(称作气水化合物稳定带(Gas Hydrate Stability Zone)或 GHSZ),且该处共存著溶于孔隙水的甲烷。在这区域之下,甲烷只会以溶解型态存在,并随着沉积物表层的距离而浓度逐渐递减。而在这之上,甲烷是气态的。在大西洋大陆脊的布雷克海脊,GHSZ 在 190 m 的深度开始延伸至 450 m 处,并于该点达到气态的相平衡。测量结果指出,甲烷在 GHSZ 的体积占了 0-9% ,而在气态区域占了大约 12% 的体积。
  在接近沉积物表层所发现较少见的第二种结构中,某些样本有较高比例的碳氢化合物长链(<99% 甲烷)包含于结构二型的包合物中。其甲烷的碳同位素较重(δ13C 为 -29 至 -57 ‰),据推断是由沉积物深处的有机物质,经热分解后形成甲烷而往上迁移而成。此种类型的矿床在墨西哥湾和里海等海域出现。
  某些矿床具有介于微生物生成和热生成类型的特性,因此预估会出现两种混合的型态。
  气水化合物的甲烷主要由缺氧环境下有机物质的细菌分解。在沉积物最上方几厘米的有机物质会先被好氧细菌所分解,产生 CO2,并从沉积物中释放进水团中。在此区域的好氧细菌活动中,硫酸盐会被转变成硫化物。若沉淀率很低(< 1 厘米/千年)、有机碳成分很低(<1%),且含氧量充足时,好氧细菌会耗光所有沉积物中的有机物质。但该处的沉淀率和有机碳成分都很高,沉积物中的孔隙水仅在几厘米深的地方是缺氧态的,而甲烷会经由厌氧细菌产生。此类甲烷的生成是更为复杂的程序,需要各个种类的细菌活动、一个还原环境(Eh -350 to -450 mV),且环境 pH 值需介于 6 至 8 之间。在某些海域(例如墨西哥湾)包合物中的甲烷至少会有部份是由有机物质的热分解所产生,但大多是从石油分解而成。[5] 包合物中的甲烷一般会具有细菌性的同位素特征,以及很高的 δ13C 值(-40 to -100‰),平均大约是 -65 ‰ 。[6] 在固态包合物地带的下方处,沉积物里的大量甲烷可能以气泡的方式释放出来。
  在给定的地点内判定该处是否含有包合物,大多可以透过观测“海底仿拟反射”(BottomSimulatingReflector,或称BSR)分布,以震测反射(seismicreflection)的方式来扫描洋底沉积物与包合物稳定带之间的接口处,因而可观测出一般沉积物和那些蕴藏包合物沉积物之间的密度差异。
 楼主| 发表于 2011-6-1 13:11:35 | 显示全部楼层
海洋生成的甲烷包合物,蕴藏量鲜为人知。自从 1960 至 1970 年代,包合物首次发现可能存在海洋中的那段时期,其预估的蕴藏量就每十年以数量级的概估速度递减。曾经预估过的蕴藏量(高达 3×1018 m&#179;[11])是建构在假设包合物非常稠密地散布在整片深海海床上。然而,随着我们对包合物化学和沉积学等知识进一步的了解,发现水合物只会在某个狭窄范围内(大陆棚)的深度下形成,以及某些地点的深度范围内才会存在(10-30%部分的 GHSZ 区),而且通常是在低浓度(体积的0.9-1.5%)的地点。最新的估计强制采用直接取样的方式,指出全球含量介于 1×1015 和 5×1015 m&#179; 之间[10]。这个预估结果,对应出大约 500 至 2500 个十亿吨单位的碳 (Gt C),比预估所有矿物燃料的 5000 Gt C 数量还少,但整体上却超过所预估其他天然气来源的约 230 Gt C。在北极圈的永冻地带,其储藏量预估可达约 400 Gt C[13],但在南极区域并未估出可能的蕴藏量。这些是很大的数字。相较于大气中的总碳数也才大约 700 个 Gt C。
  这些近代的估计结果,与当初人们以为包合物为矿物燃料来源时(MacDonald 1990, Kvenvolden 1998)所提出的 10,000 to 11,000 Gt C (2×1016 m&#179;),数量上明显的要少。包合物藏量的缩减,并未使其失去经济价值,但缩减的整体含量和多数产地明显过低的采集密度[10],的确指出仅限某些地区的包合物矿床才能提供经济上的实质价值。
大陆生成
  在大陆岩石内的甲烷包合物会受限在深度 800 m 以上的砂岩或粉沙岩岩床中。采样结果指出,这些包合物以热力或微生物分解气体的混合方式形成,其中较重的碳氢化合物之后才会选择性地被分解。这类的型态存在于阿拉斯加和西伯利亚。
  储量比地球上石油的总储量还大几百倍。这些可然冰都蕴藏在全球各地的450米深的海床上,表面看起来,很象干冰,实际却能燃烧。在美东南沿海水下2700平方米面积的水化物中,含有足够供应美国70多年的可燃冰。其储量预计是常规储量的2.6倍,如果全部开发利用,可使用100年左右。中国地质大学(武汉)和中南石油局第五物探大队在藏北高原羌塘盆地开展的大规模地球物理勘探成果表明:继塔里木盆地后,西藏地区很有可能成为中国21世纪第二个石油资源战略接替区。
开采设想
  由于可燃冰在常温常压下不稳定,因此开采可燃冰的方法设想有:①热解法。②降压法。③二氧化碳置换法。
发表于 2011-6-1 13:31:12 | 显示全部楼层
管他什么样的石化燃料,生物燃料等,都不是啥好东西:lol
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