天然氣水合物(Natural Gas Hydrate,簡稱Gas Hydrate)即可燃冰,是分佈于深海沉積物或陸域的永久凍土中,由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結晶物質。因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒,所以又被稱作“可燃冰”(Combustible ice)或者“固體瓦斯”和“氣冰”。其實是一個固態塊狀物。天然氣水合物在自然界廣泛分佈在大陸永久凍土、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內陸湖的深水環境。2013年6月至9月,在廣東沿海珠江口盆地東部海域首次鑽獲高純度天然氣水合物樣品,並通過鑽探獲得可觀的控制儲量。2014年2月1日,南海天然氣水合物富集規律與開採基礎研究通過驗收,建立起中國南海“可燃冰”基礎研究系統理論。2017年5月,中國首次海域天然氣水合物(可燃冰)試採成功。

中文名
天然氣水合物
外文名
Natural Gas Hydrate
別    名
可燃冰、甲烷水合物、籠形包合物
主要成分
甲烷
分子式
CH4·xH2O
性    質
清潔能源

1簡介

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天然氣水合物又稱“可燃冰”,是分佈于深海沉積物或陸域的永久凍土中,由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結晶物質。因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒,所以又被稱作“可燃冰”。其資源密度高,全球分佈廣泛,具有極高的資源價值,因而成為油氣工業界長期研究熱點。自上世紀60年代起,以美國、日本、德國、我國、南韓、印度為代表的一些國家都制訂了天然氣水合物勘探開發研究計劃。迄今,人們已在近海海域與凍土區發現水合物礦點超過230處,涌現出一大批天然氣水合物熱點研究區。

2歷史沿革

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1810年,首次在實驗室發現天然氣水合物。

1934年,前蘇聯在被堵塞的天然氣輸氣管道裏發現了天然氣水合物。由於水合物的形成,輸氣管道被堵塞。這一發現引起前蘇聯人對天然氣水合物的重視。

1960年,前蘇聯在西伯利亞發現了可燃冰,1965年,前蘇聯首次在西西伯利亞永久凍土帶發現天然氣水合物礦藏;並於1969年投入開發;1970年,前蘇聯開始對該天然氣水合物礦床進行商業開採。

1970年,國際深海鑽探計劃(DSDP)在美國東部大陸邊緣的布萊克海臺實施深海鑽探,在海底沉積物取心過程中,發現冰冷的沉積物岩心嘶嘶地冒著氣泡,並達數小時。當時的海洋地質學家非常不解。後來才知道,氣泡是水合物分解引起的,他們在海底取到的沉積物岩心其實含有水合物。

美國于1969年開始實施可燃冰調查,1998年把可燃冰作為國家發展的戰略能源列入國家級長遠計劃;日本開始關注可燃冰是在1992年;完成周邊海域的可燃冰調查與評價。但最先挖出可燃冰的是德國。

1971年,美國學者Stoll等人在深海鑽探岩心中首次發現海洋天然氣水合物,並正式提出“天然氣水合物”概念。

1974年,前蘇聯在黑海1950米水深處發現了天然氣水合物的冰狀晶體樣品。

1979年,DSDP第66和67航次在墨西哥灣實施深海鑽探,從海底獲得91.24米的天然氣水合物岩心,首次驗證了海底天然氣水合物礦藏的存在。

1981年,DSDP計劃利用“格羅瑪·挑戰者號”鑽探船也從海底取上了3英尺長的水合物岩心。

1992年,大洋鑽探計劃(ODP)第146航次在美國俄勒岡州西部大陸邊緣Cascadia海臺取得了天然氣水合物岩心。

1995年,ODP第164航次在美國東部海域布萊克海臺實施了一系列深海鑽探,取得了大量水合物岩心,首次證明該礦藏具有商業開發價值。

1997年,大洋鑽探計劃考察隊利用潛水艇在美國南卡羅來納海上的布萊克海臺首次完成了水合物的直接測量和海底觀察。同年,ODP在加拿大西海岸胡安-德夫卡洋中脊陸坡區實施了深海鑽探,取得了天然氣水合物岩心。至此,以美國為首的DSDP及其後繼的ODP在10個深海地區發現了大規模天然氣水合物聚集:秘魯海溝陸坡、中美洲海溝陸坡(哥斯大黎加、瓜地馬拉、墨西哥)、美國東南大西洋海域、美洲西部太平洋海域、日本的兩個海域、阿拉斯加近海和墨西哥灣等海域。

1996年和1999年期間,德國和美國科學家通過深潛觀察和抓鬥取樣,在美國俄勒岡州岸外Cascadia海臺的海底沉積物中取到嘶嘶冒著氣泡的白色水合物塊狀樣品,該水合物塊可以被點燃,併發出熊熊的火焰。

1998年,日本通過與加拿大合作,在加拿大西北Mackenzie三角洲進行了水合物鑽探,在890~952米深處獲得37米水合物岩心。該鑽井深1150米,是高緯度地區永凍土帶研究氣體水合物的第一口井。

1999年,日本在其靜岡縣御前崎近海挖掘出外觀看起來象濕潤雪團一樣的天然氣水合物。

1999~2001年,中國地質調查局科技人員首次在南海西沙海槽發現了顯示天然氣水合物存在的地震異常資訊(似海底地震發射波“BSR”)。2002年國務院批准設立我國海域天然氣水合物資源調查專項。

2000年開始,可燃冰的研究與勘探進入高峰期,世界上至少有30多個國家和地區參與其中。其中以美國的計劃最為完善——總統科學技術委員會建議研究開發可燃冰。為開發這種新能源,國際上成立了由19個國家參與的地層深處海洋地質取樣研究聯合機構,有50個科技人員駕駛著一艘裝備有先進實驗設施的輪船從美國東海岸出發進行海底可燃冰勘探。這艘可燃冰勘探專用輪船是當今世界上唯一的一艘能從深海下岩石中取樣的輪船,船上裝備有能用於研究沉積層學、古人種學、岩石學、地球化學、地球物理學等的實驗設備。這艘專用輪船由得克薩斯州A·M大學主管,英、德、法、日、澳、美科學基金會及歐洲聯合科學基金會為其提供經濟援助。

自2002年起,中國地質調查局對我國凍土區特別是青藏高原凍土區開展了地質、地球物理、地球化學和遙感調查,發現我國凍土區具備較好的天然氣水合物成礦條件和找礦前景,其中羌塘盆地為Ⅰ級遠景區,祁連山、漠河盆地和風火山—烏麗地區為Ⅱ級遠景區。

1999年在國家發展改革委、財政部等大力支援下,國土資源部正式啟動天然氣水合物資源調查,包括在珠江口盆地開展天然氣水合物綜合調查40個航次,完成高解析度多道地震測量45800公里、多波束測量36800公里、淺地層剖面測量7100公里、海底地質取樣1480個站位、海底熱流測量222個站位等調查工作。

2005年4月14日,中國在北京舉行中國地質博物館收藏中國首次發現的天然氣水合物碳酸鹽岩標本儀式。宣佈中國首次發現世界上規模最大被作為“可燃冰”即天然氣水合物存在重要證據的“冷泉”碳酸鹽岩分佈區,其面積約為430平方公里。

2007年5月1日淩晨,中國在南海北部的首次採樣成功,證實了中國南海北部蘊藏豐富的天然氣水合物資源,標誌著中國天然氣水合物調查研究水準已步入世界先進行列。中國在南海北部成功鑽獲天然氣水合物實物樣品“可燃冰”,從而成為繼美國、日本、印度之後第4個通過國家級研發計劃採到水合物實物樣品的國家。

2009年9月中國地質部門公佈,在青藏高原發現了一種名為可燃冰(又稱天然氣水合物)的環保新能源,預計十年左右能投入使用。初略的估算,遠景資源量至少有350億噸油當量。

2013年6月~9月,我國海洋地質科技人員在廣東沿海珠江口盆地東部海域首次鑽獲高純度天然氣水合物(俗稱“可燃冰”)樣品,並通過鑽探獲得可觀的控制儲量。此次發現的天然氣水合物樣品具有埋藏淺、厚度大、類型多、純度高4個主要特點。控制儲量1000億立方米~1500億立方米,相當於特大型常規天然氣礦規模。

日本2013年3月12日成功從愛知縣附近深海可燃冰層中提取出甲烷,成為世界上首個掌握海底可燃冰採掘技術的國家。日本希望2018年開發出成熟技術,實現大規模商業化生産。

圖為日本從海底“可燃冰”採集的天然氣圖為日本從海底“可燃冰”採集的天然氣

採掘試驗由日本經濟産業省屬下的石油天然氣金屬礦物資源機構實施。該機構利用地球深處探測船“地球”號,從愛知縣渥美半島附近約1000米的海底挖入330米,到達可燃冰層後,通過把可燃冰中的水分抽出降低其壓力,使水和甲烷分離,然後提取出甲烷,整個過程約用了4小時。該機構將繼續在該海域進行為期兩周左右的採掘試驗,以進一步完善技術

2014年,由中國地質調查局與中國科學院主辦的第八屆國際天然氣水合物大會29日在北京開幕,記者從大會上獲悉,我國計劃于2015年在中國海域實施天然氣水合物的鑽探工程,將有力推動中國“可燃冰”勘探與開發的進程,引發中國能源開發利用的“革命”。

2017年1月,經10餘年技術攻關,吉林大學科研團隊研發出陸域天然氣水合物冷鑽熱採關鍵技術,填補了國內該領域空白,總體達到國際先進水準。

與國際上通用的“被動式保壓保溫取樣”鑽探原理不同,新技術首次提出“主動式降溫冷凍取樣”原理,發明瞭鑽井泥漿強化製冷方法、水合物孔底快速冷凍取樣方法和高溫脈衝熱激發開採技術,主要技術指標超過國外同類技術。

2017年5月,中國首次海域天然氣水合物(可燃冰)試採成功。5月18日,中共中央、國務院向參加這次任務的全體參研參試單位和人員,表示熱烈的祝賀。

2007年實施的天然氣水合物取樣,首次成功獲取了實物樣品,證實了我國南海北部蘊藏有豐富的天然氣水合物資源。由此,使我國成為繼美國、日本、印度之後第四個通過國家級研發計劃採到天然氣水合物實物樣品的國家。

2009年,中國地質調查局組織實施的《祁連山凍土區天然氣水合物科學鑽探工程》施工完成的8個鑽井中,有5個鑽井鑽獲天然氣水合物實物樣品。這是我國凍土區首次鑽獲天然氣水合物實物樣品,也是全球首次在中低緯度高山凍土區發現天然氣水合物實物樣品。

2011年國務院批准設立了新的天然氣水合物國家專項。中國地質調查局廣州海洋地質調查局通過進一步勘查,在珠江口盆地東部海域發現了天然氣水合物有利目標區。2013年5月~9月,在該區域實施了3個航段共計102天的鑽探取樣工作。

2013年,日本在世界上首次開採出海底可燃冰。日本在2013年3月12日成功地在愛知縣渥美半島以南70公里、水深1000米處海底開採出可燃冰並提取出甲烷,成為世界上首個掌握海底可燃冰採掘技術的國家。日本于3月12日-18日,6天之內成功開採出12萬立方米氣體,後因泥沙堵住鑽井通道而中止。

2013年8月,《祁連山及鄰區天然氣水合物資源勘查》項目組再次在青海省天峻縣木裏鎮DK-9科學鑽探試驗井中,成功鑽獲天然氣水合物實物樣品,單層厚度超過20米。

2016年6月25日上午,廣州海洋地質調查局通報,繼我國在南海發現大面積可燃冰分佈後,我國首次在南海北部陸坡西部海域發現規模空前的活動性冷泉“海馬冷泉”,分佈面積約618平方公里。它的發現是我國天然氣水合例勘查的重大突破!

我國首次可燃冰試開採我國首次可燃冰試開採
2017年,我國在南海北部神狐海域進行的可燃冰試採獲得成功。本次試採作業區位於珠海市東南320千米的神狐海域。3月28日第一口試採井開鑽,5月10日下午14時 52分點火成功,從水深1266米海底以下203-277米的天然氣水合物礦藏開採出天然氣。到5月18日上午10時,連續産氣近8天,平均日産超過1.6萬立方米,超額完成“日産萬方、持續一週”的預定目標。國土資源部部長姜大明在現場宣佈我國海域天然氣水合物首次試採成功,中共中央、國務院發來賀電。至5月26日,試採井連續産氣16天,平均日産超過1萬立方米。5月27日開始,按照施工方案開展溫度、壓力變化對儲層、井底、井筒、氣體流量等影響的科學測試研究工作。截至目前,已連續産氣超過22天,平均日産8350立方米,氣壓氣流穩定,井底狀態良好。試採安全評估和環境監測結果顯示,鑽井作業安全,海底地層穩定,大氣和海水甲烷含量無異常變化。取得了持續産氣時間長、氣流穩定、環境安全等多項重大突破性成果。截至6月10日下午,試採總産氣量達到21萬立方米,平均日産6800立方米。目前産氣過程平穩,井底狀況良好,獲得各項測試數據264萬組,為下一步工作奠定了堅實基礎。2017年7月29日,由國土資源部中國地質調查局組織實施的南海天然氣水合物試採工程海上作業全面完成,承擔本次試採工作的平臺“藍鯨1號”將返回位於煙臺的母港。這也標誌著我國首次海域天然氣水合物試採工作圓滿結束。

3理化性質

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天然氣水合物燃燒後幾乎不産生任何殘渣,污染比煤、石油、天然氣都要小得多。1立方米可燃冰可轉化為164立方米的天然氣和0.8立方米的水。開採時只需將固體的“天然氣水合物”升溫減壓就可釋放出大量的甲烷氣體。

天然氣水合物在海洋淺水生態圈,通常出現在深層的沉澱物結構中,或是在海床處露出。甲烷氣水包合物據推測是因地理斷層深處的氣體遷移,以及沉澱、結晶等作用,于上升的氣體流與海洋深處的冷水接觸所形成。

在高壓下,甲烷氣水包合物在 18 °C 的溫度下仍能維持穩定。一般的甲烷氣水化合物組成為 1摩爾的甲烷及每 5.75 摩爾的水,然而這個比例取決於多少的甲烷分子“嵌入”水晶格各種不同的包覆結構中。據觀測的密度大約在 0.9 g/cm³。一升的甲烷氣水包合物固體,在標準狀況下,平均包含 168 升的甲烷氣體。

1立方米的可燃冰可在常溫常壓下釋放164立方米的天然氣及0.8立方米的淡水)所以固體狀的天然氣水合物往往分佈于水深大於 300 米 以上的海底沉積物或寒冷的永久凍土中。海底天然氣水合物依賴巨厚水層的壓力來維持其固體狀態,其分佈可以從海底到海底之下 1000 米 的範圍以內,再往深處則由於地溫升高其固體狀態遭到破壞而難以存在。

天然氣水合物從物理性質來看,天然氣水合物的密度接近並稍低於冰的密度,剪切系數、電解常數和熱傳導率均低於冰。天然氣水合物的聲波傳播速度明顯高於含氣沉積物和飽和水沉積物,中子孔隙度低於飽和水沉積物,這些差別是物探方法識別天然氣水合物的理論基礎。此外,天然氣水合物的毛細管孔隙壓力較高。

可燃冰分子結構就像一個一個由若干水分子組成的籠子。

形成可燃冰有三個基本條件:溫度、壓力和原材料。

首先,低溫。可燃冰在0—10℃時生成,超過20℃便會分解。海底溫度一般保持在2—4℃左右;

其次,高壓。可燃冰在0℃時,只需30個大氣壓即可生成,而以海洋的深度,30個大氣壓很容易保證,並且氣壓越大,水合物就越不容易分解。

最後,充足的氣源。海底的有機物沉澱,其中豐富的碳經過生物轉化,可産生充足的氣源。海底的地層是多孔介質,在溫度、壓力、氣源三者都具備的條件下,可燃冰晶體就會在介質的空隙間中生成。

4組成結構

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天然氣水合物天然氣水合物
天然氣水合物是一種白色固體物質,有極強的燃燒力,主要由水分子和烴類氣體分子(主要是甲烷)組成,它是在一定條件(合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、PH值等)下由水和天然氣在中高壓和低溫條件下混合時組成的類冰的、非化學計量的、籠形結晶化合物(碳的電負性較大,在高壓下能吸引與之相近的氫原子形成氫鍵,構成籠狀結構)。一旦溫度升高或壓強降低,甲烷氣則會逸出,固體水合物便趨於崩解。

5分佈範圍

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天然氣水合物在自然界廣泛分佈在大陸永久凍土、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內陸湖的深水環境。在標準狀況下,一單位體積的天然氣水合物分解最多可産生164單位體積的甲烷氣體。

世界上海底天然氣水合物已發現的主要分佈區是大西洋海域的墨西哥灣、加勒比海、南美東部陸緣、非洲西部陸緣和美國東海岸外的布萊克海臺等,西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千島海溝、沖繩海槽、日本海、四國海槽、中國南海海槽、蘇拉威西海和紐西蘭北部海域等,東太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亞濱外和秘魯海槽等,印度洋的阿曼海灣,南極的羅斯海和威德爾海,北極的巴倫支海和波弗特海,以及大陸內的黑海與裏海等。

天然氣水合物天然氣水合物

天然氣水合物在在地球上大約有27%的陸地是可以形成天然氣水合物的潛在地區,而在世界大洋水域中約有90%的面積也屬這樣的潛在區域。已發現的天然氣水合物主要存在於北極地區的永久凍土區和世界範圍內的海底、陸坡、陸基及海溝中。由於採用的標準不同,不同機構對全世界天然氣水合物儲量的估計值差別很大。

天然氣水合物分佈區域天然氣水合物分佈區域

甲烷氣水包合物受限于淺層的岩石圈內(即 <2000m深)。發現在一些必要條件下,惟獨在極地大陸的沉積岩,其表面溫度低於0°C,或是在水深超過300m ,深層水溫大約2°C的海洋沉積物底下。大陸區域的蘊藏量已確定位在西伯利亞和阿拉斯加800m深的砂岩和泥岩床中。海生型態的礦床似乎分佈于整個大陸棚,且可能出現于沉積物的底下或是沉積物與海水接觸的表面。他們甚至可能涵蓋更大量的氣態甲烷。

全球蘊藏的常規石油天然氣資源消耗巨大,很快就會枯竭。科學家的評價結果表明,僅在海底區域,可燃冰的分佈面積就達4000萬平方公里,佔地球海洋總面積的 1/4。2011年,世界上已發現的可燃冰分佈區多達116處,其礦層之厚、規模之大,是常規天然氣田無法相比的。科學家估計,海底可燃冰的儲量至少夠人類使用1000年。

中國國內可燃冰主要分佈在南海海域、東海海域、青藏高原凍土帶以及東北凍土帶,據粗略估算,其資源量分別約為64.97x10^12m、3.38x10^12m、12.5x10^12m和2.8x10^12m。並且已在南海北部神狐海域和青海省祁連山永久凍土帶取得了可燃冰實物樣品。

在本州島海岸線30英里外,科學家們發現了一條蘊藏量驚人的海溝:在海溝裏的甲烷呈水晶狀,大約有500米厚,總量達40萬億立方米。這個儲量儘管還不能與沙特或者俄羅斯的石油資源相比,但也足夠日本用上一陣了。

6形成原因

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海洋生成

有兩種不同種類的海洋存量。最常見的絕大多數(> 99%)都是甲烷包覆于結構一型的包合物,而且一般都在沉澱物的深處才能發現。在此結構下,甲烷中的碳同位素較輕(δ13C < -60‰),因此指出其是微生物由CO2的氧化還原作用而來。這些位於深處礦床的包合物,一般認為應該是從微生物産生的甲烷環境中原處形成,因為這些包合物與四週溶解的甲烷其δ13C值是相似的。

在接近沉積物表層所發現較少見的第二種結構中,某些樣本有較高比例的碳氫化合物長鏈(<99% 甲烷)包含于結構二型的包合物中。其甲烷的碳同位素較重(δ13C 為 -29 至 -57 ‰),據推斷是由沉積物深處的有機物質,經熱分解後形成甲烷而往上遷移而成。此種類型的礦床在墨西哥灣和裏海等海域出現。

某些礦床具有介於微生物生成和熱生成類型的特性,因此預估會出現兩種混合的型態。

氣水化合物的甲烷主要由缺氧環境下有機物質的細菌分解。在沉積物最上方幾釐米的有機物質會先被好氧細菌所分解,産生CO2,並從沉積物中釋放進水團中。在此區域的好氧細菌活動中,硫酸鹽會被轉變成硫化物。若沉澱率很低(<1釐米/千年)、有機碳成分很低(<1%),且含氧量充足時,好氧細菌會耗光所有沉積物中的有機物質。但該處的沉澱率和有機碳成分都很高,沉積物中的孔隙水僅在幾釐米深的地方是缺氧態的,而甲烷會經由厭氧細菌産生。此類甲烷的生成是更為複雜的程式,需要各個種類的細菌活動、一個還原環境(Eh -350 to -450 mV),且環境pH 值需介於6至8之間。在某些海域(例如墨西哥灣)包合物中的甲烷至少會有部份是由有機物質的熱分解所産生,但大多是從石油分解而成。包合物中的甲烷一般會具有細菌性的同位素特徵,以及很高的 δ13C 值(-40 to -100‰),平均大約是-65‰。在固態包合物地帶的下方處,沉積物裏的大量甲烷可能以氣泡的方式釋放出來。

海洋生成的甲烷包合物,蘊藏量鮮為人知。自從1960至1970年代,包合物首次發現可能存在海洋中的那段時期,其預估的蘊藏量就每十年以數量級的概估速度遞減。曾經預估過的蘊藏量(高達3×1018m³)是建構在假設包合物非常稠密地散佈在整片深海海床上。然而,隨著我們對包合物化學和沉積學等知識進一步的了解,發現水合物只會在某個狹窄範圍內(大陸棚)的深度下形成,以及某些地點的深度範圍內才會存在(10-30%部分的 GHSZ 區),而且通常是在低濃度(體積的0.9-1.5%)的地點。最新的估計強制採用直接取樣的方式,指出全球含量介於 1×10和 5×10m³ 之間。這個預估結果,對應出大約500至2500個十億噸單位的碳 (Gt C),比預估所有礦物燃料的5000GtC數量還少,但整體上卻超過所預估其他天然氣來源的約230Gt C。在北極圈的永凍地帶,其儲藏量預估可達約400Gt C[13],但在南極區域並未估出可能的蘊藏量。這些是很大的數字。相較于大氣中的總碳數也才大約700個Gt C。

這些近代的估計結果,與當初人們以為包合物為礦物燃料來源時(MacDonald 1990,Kvenvolden 1998)所提出的10,000to11,000 Gt C (2×10m³),數量上明顯的要少。包合物藏量的縮減,並未使其失去經濟價值,但縮減的整體含量和多數産地明顯過低的採集密度[10],的確指出僅限某些地區的包合物礦床才能提供經濟上的實質價值。

大陸生成

在大陸岩石內的甲烷包合物會受限在深度800m以上的砂岩或粉沙岩岩床中。採樣結果指出,這些包合物以熱力或微生物分解氣體的混合方式形成,其中較重的碳氫化合物之後才會選擇性地被分解。這類的型態存在於阿拉斯加和西伯利亞。

儲量比地球上石油的總儲量還大幾百倍。這些可然冰都蘊藏在全球各地的450米深的海床上,表面看起來,很象乾冰,實際卻能燃燒。在美東南沿海水下2700平方米麵積的水化物中,含有足夠供應美國70多年的可燃冰。其儲量預計是常規儲量的2.6倍,如果全部開發利用,可使用100年左右。中國地質大學(武漢)和中南石油局第五物探大隊在藏北高原羌塘盆地開展的大規模地球物理勘探成果表明:繼塔裏木盆地後,西藏地區很有可能成為中國21世紀第二個石油資源戰略接替區。

7開採方法

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由於可燃冰在常溫常壓下不穩定,因此開採可燃冰的方法設想有:①熱解法。②降壓法。③二氧化碳置換法。(技術仍不完善,由此洩露的甲烷可造成比二氧化碳嚴重十倍的溫室效應)

傳統開採

(1) 熱激發開採法 熱激發開採法是直接對天然氣水合物層進行加熱,使天然氣水合物層的溫度超過其平衡溫度,從而促使天然氣水合物分解為水與天然氣的開採方法。這種方法經歷了直接向天然氣水合物層中注入熱流體加熱、火驅法加熱、井下電磁加熱以及微波加熱等發展歷程。熱激發開採法可實現迴圈注熱,且作用方式較快。加熱方式的不斷改進,促進了熱激發開採法的發展。但這種方法至今尚未很好地解決熱利用效率較低的問題,而且只能進行局部加熱,因此該方法尚有待進一步完善。

(2) 減壓開採法  減壓開採法是一種通過降低壓力促使天然氣水合物分解的開採方法。減壓途徑主要有兩種: ①採用低密度泥漿鑽井達到減壓目的;②當天然氣水合物層下方存在游離氣或其他流體時,通過泵出天然氣水合物層下方的游離氣或其他流體來降低天然氣水合物層的壓力。減壓開採法不需要連續激發,成本較低,適合大面積開採,尤其適用於存在下伏游離氣層的天然氣水合物藏的開採,是天然氣水合物傳統開採方法中最有前景的一種技術。但它對天然氣水合物藏的性質有特殊的要求,只有當天然氣水合物藏位於溫壓平衡邊界附近時,減壓開採法才具有經濟可行性。

天然氣水合物天然氣水合物

(3) 化學試劑注入開採法 化學試劑注入開採法通過向天然氣水合物層中注入某些化學試劑,如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等,破壞天然氣水合物藏的相平衡條件,促使天然氣水合物分解。這種方法雖然可降低初期能量輸入,但缺陷卻很明顯,它所需的化學試劑費用昂貴,對天然氣水合物層的作用緩慢,而且還會帶來一些環境問題,所以,對這種方法投入的研究相對較少。 並且添加化學劑較加熱法作用緩慢,但確有降低初始能源輸入的優點。添加化學劑最大的缺點是費用太昂貴。

新型開採

(1)CO2置換開採法。這種方法首先由日本研究者提出,方法依據的仍然是天然氣水合物穩定帶的壓力條件。在一定的溫度條件下,天然氣水合物保持穩定需要的壓力比CO2水合物更高。因此在某一特定的壓力範圍內,天然氣水合物會分解,而CO2水合物則易於形成並保持穩定。如果此時向天然氣水合物藏內注入CO2氣體,CO2氣體就可能與天然氣水合物分解出的水生成CO2水合物。這種作用釋放出的熱量可使天然氣水合物的分解反應得以持續地進行下去。

天然氣水合物天然氣水合物

二氧化碳置換法二氧化碳置換法

(2)固體開採法。固體開採法最初是直接採集海底固態天然氣水合物,將天然氣水合物拖至淺水區進行控制性分解。這種方法進而演化為混合開採法或稱礦泥漿開採法。該方法的具體步驟是,首先促使天然氣水合物在原地分解為氣液混合相,採集混有氣、液、固體水合物的混合泥漿,然後將這種混合泥漿導入海面作業船或生産平臺進行處理,促使天然氣水合物徹底分解,從而獲取天然氣。

8開採實例

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麥索亞哈氣田發現于20 世紀60 年代末,是第一個也是迄今為止唯一一個對天然氣水合物藏進行了商業性開採的氣田。該氣田位於前蘇聯西西伯利亞西北部,氣田區常年凍土層厚度大於500 m,具有天然氣水合物賦存的有利條件。麥索亞哈氣田為常規氣田,氣田中的天然氣透過蓋層發生運移,在有利的環境條件下,在氣田上方形成了天然氣水合物層。該氣田的天然氣水合物藏首先是經由減壓途徑無意中得以開採的。通過開採天然氣水合物藏之下的常規天然氣,致使天然氣水合物層壓力降低,天然氣水合物發生分解。後來,為了促使天然氣水合物的進一步分解,維持産氣量,特意向天然氣水合物藏中注入了甲醇和氯化鈣等化學抑製劑。

天然氣水合物天然氣水合物

麥肯齊三角洲地區位於加拿大西北部,地處北極寒冷環境,具有天然氣水合物生成與保存的有利條件。該區天然氣水合物研究具有悠久的歷史。早在1971~1972 年間,在該區鑽探常規勘探井MallikL238 井時,偶然于永凍層下800~1 100 m 井段發現了天然氣水合物存在的證據 ;1998 年專為天然氣水合物勘探鑽探了Mallik 2L238 井,該井于897~952 m 井段發現了天然氣水合物,並採出了天然氣水合物岩心。2002 年,在麥肯齊三角洲地區實施了一項舉世關注的天然氣水合物試採研究。該項目由加拿大地質調查局、日本石油公團、德國地球科學研究所、美國地質調查局、美國能源部、印度燃氣供給公司、印度石油與天然氣公司等5 個國家9 個機構共同參與投資,是該區有史以來的首次天然氣水合物開採試驗,也是世界上首次這樣大規模對天然氣水合物進行的國際性合作試採研究。

美國阿拉斯加北部普拉德霍灣—庫帕勒克河地區,位於阿拉斯加北部斜坡地帶。1972年阿科石油公司和埃克森石油公司在普拉德霍灣油田鑽探常規油氣井時于664~667m層段採出了天然氣水合物岩心。其後在阿拉斯加北部斜坡區進行了大量天然氣水合物研究。在此基礎上,2003年在該區實施了一項引人注目的天然氣水合物試採研究項目。該項目由美國Anadarko石油公司、Noble公司、Mau2rer技術公司以及美國能源部甲烷水合物研究與開發計劃處聯合發起,目標是鑽探天然氣水合物研究與試採井———熱冰1井。這是阿拉斯加北部斜坡區專為天然氣水合物研究和試採而鑽的第一口探井。

天然氣水合物藏的開採會改變天然氣水合物賴以賦存的溫壓條件,引起天然氣水合物的分解。在天然氣水合物藏的開採過程中如果不能有效地實現對溫壓條件的控制,就可能産生一系列環境問題,如溫室效應的加劇、海洋生態的變化以及海底滑塌事件等。

(1) 甲烷作為強溫室氣體,它對大氣輻射平衡的貢獻僅次於二氧化碳。一方面,全球天然氣水合物中蘊含的甲烷量約是大氣圈中甲烷量的3 000倍 ;另一方面,天然氣水合物分解産生的甲烷進入大氣的量即使只有大氣甲烷總量的0. 5 %,也會明顯加速全球變暖的進程。因此,天然氣水合物開採過程中如果不能很好地對甲烷氣體進行控制,就必然會加劇全球溫室效應。除溫室效應之外,海洋環境中的天然氣水合物開採還會帶來更多問題。①進入海水中的甲烷會影響海洋生態。甲烷進入海水中後會發生較快的微生物氧化作用,

影響海水的化學性質。甲烷氣體如果大量排入海水中,其氧化作用會消耗海水中大量的氧氣,使海洋形成缺氧環境,從而對海洋微生物的生長髮育帶來危害。②進入海水中的甲烷量如果特別大,則還可能造成海水汽化和海嘯,甚至會産生海水動蕩和氣流負壓卷吸作用,嚴重危害海面作業甚至海域航空作業。

(2) 開採過程中天然氣水合物的分解還會産生大量的水,釋放岩層孔隙空間,使天然氣水合物賦存區地層的固結性變差,引發地質災變。海洋天然氣水合物的分解則可能導致海底滑塌事件]。研究發現,因海底天然氣水合物分解而導致陸坡區穩定性降低是海底滑塌事件産生的重要原因。鑽井過程中如果引起天然氣水合物大量分解,還可能導致鑽井變形,加大海上鑽井平臺的風險。

(3) 如何在天然氣水合物開採中對天然氣水合物分解所産生的水進行處理,也是一個應該引起重視的問題。

9主要危害

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天然氣水合物在給人類帶來新的能源前景的同時,對人類生存環境也提出了嚴峻的挑戰。天然氣水合物中的甲烷,其溫室效應為CO2的20倍,而全球海底天然氣水合物中的甲烷總量約為地球大氣中甲烷總量的3000倍,若有不慎,讓海底天然氣水合物中的甲烷氣逃逸到大氣中去,將産生無法想像的後果。而且固結在海底沉積物中的水合物,一旦條件變化使甲烷氣從水合物中釋出,還會改變沉積物的物理性質,極大地降低海底沉積物的工程力學特性,使海底軟化,出現大規模的海底滑坡,毀壞海底工程設施,如:海底輸電或通訊電纜和海洋石油鑽井平臺等。

天然可燃冰呈固態,不會像石油開採那樣自噴流出。如果把它從海底一塊塊搬出,在從海底到海面的運送過程中,甲烷就會揮發殆盡,同時還會給大氣造成巨大危害。為了獲取這種清潔能源,世界許多國家都在研究天然可燃冰的開採方法。科學家們認為,一旦開採技術獲得突破性進展,那麼可燃冰立刻會成為21世紀的主要能源。

10製備方法

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“可燃冰”的開採方法主要有熱激化法、減壓法和置換法三種。開採的最大難點是保證井底穩定,使甲烷氣不泄漏、不引發溫室效應。

開採方案主要有三種。第一是熱激化法。利用“可燃冰”在加溫時分解的特性,使其由固態分解出甲烷蒸汽。但此方法難處在於不好收集。海底的多孔介質不是集中為“一片”,也不是一大塊岩石,而是較為均勻地遍佈著。如何布設管道並高效收集是急於解決的問題。

方案二是減壓法。有科學家提出將核廢料埋入地底,利用核輻射效應使其分解。但它們都面臨著和熱解法同樣布設管道並高效收集的問題。

方案三是“置換法”。研究證實,將CO2液化,注入1500米以下的洋面,就會生成二氧化碳水合物,它的比重比海水大,於是就會沉入海底。如果將CO2注射入海底的甲烷水合物儲層,因CO2較之甲烷易於形成水合物,因而就可能將甲烷水合物中的甲烷分子“擠走”,從而將其置換出來。

11鑒別方法

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天然氣水合物可以通過底質沉積物取樣、鑽探取樣和深潛考察等方式直接識別,也可以通過擬海底反射層(BSR)、速度和震幅異常結構、地球化學異常、多波速測深與海底電視攝像等方式間接識別。下面介紹一些間接標誌。

海洋天然氣水合物存在的主要地震標誌有擬海底反射層(BSR)、振幅變形(空白反射)、速度倒置、速度-振幅異常結構(VAMP)。大規模的甲烷水合物聚集可以通過高電阻率(>100歐米)聲波速度、低體積密度等號數進行直接判讀。

BSR是地震剖面上的一個平行或基本平行于海底、可切過一切層面或斷層的反射界面,天然氣水合物穩定帶之下還常圈閉著大量的游離甲烷氣體,從而導致在地震反射剖面上産生BSR。現已證實,BSR代表的是氣體水合物穩定帶的基底,其上為固態的水合物層段,聲波速率高,其下為游離氣或僅孔隙水充填的沉積物,聲波速率低,因而在地震剖面上形成強的負阻抗反射界面。因此,BSR是由於低滲透率的水合物層與其下大量游離天然氣及飽和水沉積物之間在聲阻抗(或聲波傳播速度)上存在較大差別引起的。因為水合物層的底界面主要受所在海域的地溫梯度控制,往往位於海底以下一定的深度,因此BSR基本平行于海底,被稱為“擬海底反射層”。BSR除被用來識別天然氣水合物的存在和編制水合物分佈圖外,還被用來判明天然氣水合物層的頂底界和産狀,計算水合物層深度、厚度和體積。

然而,並不是所有的水合物都存在BSR。在平緩的海底,即使有天然氣水合物,也不易識別出BSR。BSR常常出現在斜坡或地形起伏的海域。另外,也並不是所有的BSR都對應有天然氣水合物。在極少數情況下,其他因素也可能導致BSR.還應注意的是,儘管絕大部分水合物層都位於BSR之上,但並不是所有的水合物層都位於BSR之上,這已被深海鑽探證明。因此,BSR不能被作為天然氣水合物的唯一標誌,應結合其他方法綜合判斷。近幾年,分析和研究地震的速度結構成為該學科領域的前沿。水合物層是高速層,其下飽氣或飽水層是低速層。在速度曲線上,BSR界面處的速度會出現突然降低,表現出明顯的速度異常結構。此外,分析振幅結構也可識別天然氣水合物。相比而言,水合物層是剛性層,其下飽氣或飽水層是塑性層,在振幅曲線上,BSR界面處的振幅會出現突然減小,表現出明顯的振幅異常結構。這些方法對海底平緩的海域來説,尤其顯的重要。

淺層沉積物和底層海水的甲烷濃度異常高、淺層沉積物孔隙水Cl-含量(或礦化度)和δ18O異常高、出現富含重氧的菱鐵礦等,均可作為天然氣水合物的地球化學標誌。

在海洋環境中,水合物富集區烴類氣體的滲逸可在海底形成特殊環境和特殊的微地形地貌。天然氣水合物的地貌標誌主要有泄氣窗、甲烷氣苗、泥火山、麻點狀地形、碳酸鹽殼、化學合成生物群等。在最近幾年德國基爾大學 Geomar研究所通過海底觀測,在美國俄勒岡州西部大陸邊緣Cascadia水合物海臺就發現了許多不連續分佈、大小在5cm2左右的水合物泄氣窗,泄氣窗中甲烷氣苗一股一股地滲出,滲氣速度為每分鐘5公升。在該滲氣流的周圍有微生物、蛤和碳酸鹽殼。

12開發前景

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全球天然氣水合物的儲量是現有天然氣、石油儲量的兩倍,具有廣闊的開發前景,美國、日本等國均已經在各自海域發現並開採出天然氣水合物,據測算,中國南海天然氣水合物的資源量為700億噸油當量,約相當中國陸上石油、天然氣資源量總數的二分之一。在人類日益為能源所困的今天,可燃冰的成功試採自然是萬眾矚目。

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標簽: 自然 社會 教育

天然氣水合物 圖冊

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  • 更新時間:2017-07-30
  • 創建者:jiangmingjun
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