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茅永新

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日志

 
 
 
 

中国是继美国、日本、印度之后第4个采到“可燃冰”实物样品的国家!  

2013-03-15 12:38:52|  分类: HR教育培训 |  标签: |举报 |字号 订阅

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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:天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。天然气水合物(Natural Gas Hydrate,简称Gas Hydrate)是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中,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。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”。
天然气水合物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、PH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(碳的电负性较大,在高压下能吸引与之相近的氢原子形成氢键,构成笼状结构)。它可用mCH4·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CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S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永久冻土、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,中国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量,约相当中国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。
中国首次开采出天然气水合物(可燃冰)样品
中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  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,中国在南海北部的首次采样成功,证实了中国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源,标志着中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 。

发展历程

1810年,首次在实验室发现天然气水合物。
1934年,前苏联在被堵塞的天然气输气管道里发现了天然气水合物。由于水合物的形成,输气管道被堵塞。这一发现引起前苏联人对天然气水合物的重视。
1965年,前苏联首次在西西伯利亚永久冻土带发现天然气水合物矿藏,并引起多国科学家的注意。
1970年,前苏联开始对该天然气水合物矿床进行商业开采。
1970年,国际深海钻探计划(DSDP)在美国东部大陆边缘的布莱克海台实施深海钻探,在海底沉积物取心过程中,发现冰冷的沉积物岩心嘶嘶地冒着气泡,并达数小时。当时的海洋地质学家非常不解。后来才知道,气泡是水合物分解引起的,他们在海底取到的沉积物岩心其实含有水合物。
1971年,美国学者Stoll等人在深海钻探岩心中首次发现海洋天然气水合物,并正式提出“天然气水合物”概念。
1974年,前苏联在黑海1950米水深处发现了天然气水合物的冰状晶体样品。
1979年,DSDP第66和67航次在墨西哥湾实施深海钻探,从海底获得91.24米的天然气水合物岩心,首次验证了海底天然气水合物矿藏的存在。
1981年,DSDP计划利用“格罗玛·挑战者号”钻探船也从海底取上了3英尺长的水合物岩心。
1992年,大洋钻探计划(ODP)第146航次在美国俄勒冈州西部大陆边缘Cascadia海台取得了天然气水合物岩心。
1995年,ODP第164航次在美国东部海域布莱克海台实施了一系列深海钻探,取得了大量水合物岩心,首次证明该矿藏具有商业开发价值。
1997年,大洋钻探计划考察队利用潜水艇在美国南卡罗来纳海上的布莱克海台首次完成了水合物的直接测量和海底观察。同年,ODP在加拿大西海岸胡安-德夫卡洋中脊陆坡区实施了深海钻探,取得了天然气水合物岩心。至此,以美国为首的DSDP及其后继的ODP在10个深海地区发现了大规模天然气水合物聚集:秘鲁海沟陆坡、中美洲海沟陆坡(哥斯达黎加、危地马拉、墨西哥)、美国东南大西洋海域、美洲西部太平洋海域、日本的两个海域、阿拉斯加近海和墨西哥湾等海域。
1996年和1999年期间,德国和美国科学家通过深潜观察和抓斗取样,在美国俄勒冈州岸外Cascadia海台的海底沉积物中取到嘶嘶冒着气泡的白色水合物块状样品,该水合物块可以被点燃,并发出熊熊的火焰。
1998年,日本通过与加拿大合作,在加拿大西北Mackenzie三角洲进行了水合物钻探,在890~952米深处获得37米水合物岩心。该钻井深1150米,是高纬度地区永冻土带研究气体水合物的第一口井。
1999年,日本在其静冈县御前崎近海挖掘出外观看起来象湿润雪团一样的天然气水合物。
 
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。
全球蕴藏的常规石油天然气资源消耗巨大,很快就会枯竭。科学家的评价结果表明,仅在海底区域,可燃冰的分布面积就达4000万平方公里,占地球海洋总面积的 1/4。2011年,世界上已发现的可燃冰分布区多达116处,其矿层之厚、规模之大,是常规天然气田无法相比的。科学家估计,海底可燃冰的储量至少够人类使用1000年。
甲烷气水包合物受限于浅层的岩石圈内(即 <2000m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300m ,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800m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。

主要危害
天然气水合物在给人类带来新的能源前景的同时,对人类生存环境也提出了严峻的挑战。天然气水合物中的甲烷,其温室效应为CO2的20倍,温室效应造成的异常气候和海面上升正威胁着人类的生存。全球海底天然气水合物中的甲烷总量约为地球大气中甲烷总量的3000倍,若有不慎,让海底天然气水合物中的甲烷气逃逸到大气中去,将产生无法想象的后果。而且固结在海底沉积物中的水合物,一旦条件变化使甲烷气从水合物中释出,还会改变沉积物的物理性质,极大地降低海底沉积物的工程力学特性,使海底软化,出现大规模的海底滑坡,毁坏海底工程设施,如:海底输电或通讯电缆和海洋石油钻井平台等。

天然可燃冰呈固态,不会像石油开采那样自喷流出。如果把它从海底一块块搬出,在从海底到海面的运送过程中,甲烷就会挥发殆尽,同时还会给大气造成巨大危害。为了获取这种清洁能源,世界许多国家都在研究天然可燃冰的开采方法。科学家们认为,一旦开采技术获得突破性进展,那么可燃冰立刻会成为21世纪的主要能源。
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