可燃冰的研究與開發(fā)進(jìn)展[權(quán)威資料]

可燃冰的研究與開發(fā)進(jìn)展 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 摘要： 可燃冰是 21 世紀(jì)公認(rèn)的替代能源和清潔能源，開發(fā)利用潛力巨大，是天然氣水合物的俗稱。綜合介紹了可燃冰的概況、結(jié)構(gòu)特征、分布情況、開采方法以及開采過程中的難點(diǎn)問題，最后對可燃冰的未來開發(fā)前景做了展望，開采可燃冰會給環(huán)境帶來的一系列問題，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模開采和商業(yè)化開采還需要一定的時(shí)間。 Abstract： Flammable ice is commonly known as natural gas hydrate which is regarded as an alternative and clean energy in the 21st century. Flammable ice has a huge potential of development and utilization. The flammable ices structural features， distribution， mining methods and difficulties in the mining process are comprehensively presented. The prospects for the future development of flammable ice is given finally. A range of problems to the environment will be taken with the development of flammable ice. It will take a long time to achieve industrial-scale and commercial exploitation. 主題詞： 可燃冰；天然氣水合物；分布；開采方法 Key words： flammable ice； natural gas hydrate； distribution； mining method F407.7 A 1006-4311（ 2013） 08-0031-03 1 概述 可燃冰是天然氣水合物俗稱，主要蘊(yùn)藏在深海和陸地凍土帶。許多國家都把目光投向了可燃冰這種鮮為人知的新型能源。近 30 年來，隨著傳統(tǒng)能源的日趨枯竭，可燃冰能量密度非常高，達(dá)到煤的 10 倍，燃燒后不產(chǎn)生任何殘?jiān)蛷U氣，每立方米可釋放出 160-180m3 的天然氣，僅海底可燃冰的儲量就夠人類使用 1000 年。 各國科學(xué)家對全球天然氣水合物資源量，都發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物氣藏，它是剩余天然氣儲量（ 1.561014m3 ）的128 倍 1，較為一致的評價(jià)為 21016m3 。目前世界上有 79個(gè)國家和地區(qū)都在關(guān)注這項(xiàng)資源。圖 1 反映能源資源使用情況隨時(shí)間變化的規(guī)律 2。隨著開采技術(shù)和手段的不斷進(jìn)步，可燃冰勢必成為未來替代石油、煤的首 選綠色潔凈能源。從能源曲線預(yù)測中可以看出，到 2050 年，天然氣水合物在世界能源中所占的比例會超過五成。 2 可燃冰簡介 可燃冰即天然氣水合物，主要分布于深海沉積物中，由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結(jié)晶物質(zhì)。因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以又被稱作固體瓦斯和氣冰。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(shí)組成的類冰的、非化學(xué)計(jì)量的、籠形結(jié)晶化合物。分子結(jié)構(gòu) 3見圖 2。 反應(yīng)式為： G+NH2OG NH2O 它可用 G nH2O 來表示， G 代表水合物中的氣體分子，n 為水合指數(shù)（也就是水分子數(shù)）。組成天然氣的成分如CH4、 C2H6、 C3H8、 C4H10 等同系物以及 CO2、 N2、 H2S 等可形成單種或多種天然氣水合物。形成天然氣水合物的主要?dú)怏w為甲烷，對甲烷分子含量超過 99%的天然氣水合物通常稱為甲烷水合物 4。 3 可燃冰的分布 科學(xué)家們公認(rèn)，可燃冰在世界范圍內(nèi)有廣泛存在的可能性。在陸地上，大約有 27% 的面積是可以形成可燃冰的潛在地區(qū)，而大洋水域中 90% 的面積也屬這樣的潛在 區(qū)域。海底可燃冰分布的范圍約為 4107km2 ，占海洋總面積的 10%。從所取得的巖心樣品看，天然氣水合物可以以多種方式存在5： 占據(jù)大的巖石粒間孔隙； 以球粒狀散布于細(xì)粒巖石中； 以固體形式填充在裂縫中； 大塊固態(tài)水合物伴隨少量沉積物。圖 3 為全球已知和推斷的天然氣水合礦床圖 6。 我國可燃冰主要分布在南海海域、東海海域、青藏高原凍土帶以及東北凍土帶，據(jù)粗略估算，其資源量 7分別約為 64.971012m3 、 3.381012m3 、 12.51012m3 和2.81012m3 。其中，南海北部 陸坡的可燃冰資源量達(dá) 185 億噸油當(dāng)量，相當(dāng)于南海深水勘探已探明的油氣地質(zhì)儲備的 6倍，達(dá)到我國陸上石油總量的 50%。此外，在西沙海槽已初步圈出可燃冰分布面積為 5242km2，其資源估算達(dá) 4.1 萬億m3。而且在我國東海和臺灣省海域也存在大量可燃冰。經(jīng)海內(nèi)外專家學(xué)者多年探測研究，證實(shí)中國臺灣省西南面積約77000km2 的海域蘊(yùn)藏著極為豐富的可燃冰球。據(jù)科學(xué)家粗略估算，遠(yuǎn)景資源量至少有 350 億噸油當(dāng)量。 中國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(shí)物樣品。但是相對于深海可燃冰，陸域可燃冰 開采更可能提前實(shí)現(xiàn)。陸域可燃冰開采主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢 8： 陸地開采天然氣水合物，可以對海域可燃冰的研究做出技術(shù)等方面的儲備，為海洋天然氣水合物的利用和開采方法做示范。 陸地上開采天然氣水合物對出現(xiàn)的災(zāi)難性后果更易控制。如果出現(xiàn)事故，可燃冰的開采在陸域要比在深海好控制得多。 1 立方米可燃冰就可釋放出 164 立方米天然氣，在常溫和常壓環(huán)境下極易分解，可燃冰像固體酒精一樣可被直接點(diǎn)燃，稍有不慎就可能對環(huán)境造成危害。 陸地上天然氣水合物開采更加經(jīng)濟(jì)。祁連山凍土層較薄，為將來的工程 和科研帶來極大便利，只有 80-120 米，含可燃冰巖層段埋藏淺，只有 130-300 多米。祁連山凍土區(qū)含可燃冰巖層段埋藏淺。 陸地多年凍土區(qū)可燃冰開采難度低于海洋。一直困擾和束縛世界各國在海底開采可燃冰的難題，是海域可燃冰極易破壞海底生態(tài)環(huán)境，會在海底瞬間釋放時(shí)會產(chǎn)生龐大壓力。陸域可燃冰的開采前景較海域樂觀，陸域可燃冰的開采大多沒有這方面的顧慮。 4 可燃冰的開采方法 雖然有著誘人的前景，但是更大的挑戰(zhàn)也擺在了人們面前。由于可燃冰非常不穩(wěn)定，所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)要比二氧化碳高 10-20 倍，在常溫和常壓環(huán)境下極易分解，一旦沉睡中的可燃冰礦藏受到擾動，都可能導(dǎo)致甲烷氣體大量逃逸到大氣中，包括人為的開采和自然的破壞，從而導(dǎo)致無法想象的后果。在可燃冰中固化的甲烷總量相當(dāng)于大氣中的 3000倍。所以目前對可燃冰的開采仍處于試驗(yàn)階段，主要的開采方法有 CO2 置換法和綜合法、添加化學(xué)試劑法、減壓法、加熱法等 9。 加熱法又稱熱激發(fā)法，是將蒸汽、熱水、熱鹽水或其他熱流體從地面泵入水合物地層，進(jìn)行電磁加熱和微波加熱，促使溫度上升、水合物分解，見圖 4。該法更適用于對水合物層比較密集的水合物藏進(jìn)行 開采。如果水合物藏中各水合物層之間存在很厚的夾層，則不宜用此方法進(jìn)行開采。該方法的主要缺點(diǎn)是會造成大量的熱損失，效率很低，甲烷蒸汽不好收集。特別是在永久凍土帶，即使利用絕熱管道，永凍層也會降低傳遞給儲層的有效熱量。所以，減小熱量損失、合理布設(shè)管道并高效收集甲烷蒸汽是急于解決的問題。 CO2 置換法。近期有學(xué)者提出用 CO2 置換開采，通過形成二氧化碳水合物放出的熱量來分解天然氣水合物，見圖5。將 CO2 通入天然氣水合物儲層，同時(shí)可以用來處理工業(yè)排放的 CO2，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)。 添加化學(xué)試劑法。通 過從井孔向水合物儲層泵入化學(xué)試劑，改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物穩(wěn)定溫度，如鹽水甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，引起水合物的分解。它有降低初始能源輸入的優(yōu)點(diǎn)，但一般化學(xué)試劑法較熱激發(fā)法作用緩慢，費(fèi)用昂貴。 減壓法。為了達(dá)到促使水合物分解的目的，通過降低壓力而使天然氣水合物穩(wěn)定的相平衡曲線移動，一般是在水合物層之下的游離氣聚集層中，使與天然氣接觸的水合物變得不穩(wěn)定并且分解為天然氣和水，可由熱激發(fā)或化學(xué)試劑作用人為形成，一般是降低天然氣壓力或形成一個(gè)天然氣空腔。在該方法中由于沒有額外的熱量注入 水合物開采層，水合物周圍環(huán)境溫度降低會抑制水合物的進(jìn)一步分解，當(dāng)水合物分解吸收的熱量達(dá)到一定程度時(shí)，分解所吸收的熱量必須由周圍物質(zhì)提供。這種方法在氣體全面分解過程中有利于控制開采氣體的流量，研究表明，是現(xiàn)有水合物開采技術(shù)中經(jīng)濟(jì)前景比較好的開采技術(shù)，適合于那些儲藏中存在大量自由氣體的水合物儲層。 綜合法。綜合法對天然氣水合物進(jìn)行有效開采，主要是綜合利用降壓法和熱開采技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。見圖 6。先用熱激法分解天然氣水合物，后用降壓法提取游離氣體，是其具體方法。目前，這種方法已得到了人們的廣泛推崇，其技術(shù)在國 內(nèi)具有良好的應(yīng)用前景，已投產(chǎn)的加拿大 Mackensie 氣田和俄羅斯 Messoyakha 氣田均以該法為主要開采技術(shù)。 5 前景與展望 除了小型現(xiàn)場試驗(yàn)之外，目前實(shí)現(xiàn)開采的只有Messoyakha 氣田和加拿大 Mackensie 氣田，雖然全世界天然氣水合物資源量非?？捎^，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模開采和商業(yè)化開采還有很長一段時(shí)間，對可燃冰的開采仍處于試驗(yàn)階段。 據(jù)推算，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的石油儲備量還可用 40 年，可燃冰的發(fā)現(xiàn)，讓陷入能源危機(jī)的人類看到新希望，當(dāng)全世界的石油煤炭資源將消耗殆盡的時(shí)候，天然 氣只能還用 70 年，煤炭只能還用 190 年?？扇急谶@個(gè)時(shí)候出現(xiàn)，就能給大家?guī)硇碌哪茉?。但是在天然氣水合物礦藏的開采過程中如果不能有效地實(shí)現(xiàn)對溫度壓力條件的控制，就會出現(xiàn)一系列的海底滑塌事件、海洋生態(tài)的變化以及溫室效應(yīng)的加劇等等環(huán)境問題。 參考文獻(xiàn)： 1邵仲妮 .天然氣水合物資源分布及勘探開發(fā)進(jìn)展 J.當(dāng)代石油石化， 2007， 15（ 5）： 24-26. 2Makogon Y F， Holditch S A， Makogon T Y. 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