可燃冰之開發(fā)利用

1、LOGO 可燃冰可燃冰 -開發(fā)利用開發(fā)利用 Contents 可燃冰的勘察可燃冰的勘察 國外可燃冰開發(fā)研究現(xiàn)狀國外可燃冰開發(fā)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)可燃冰開發(fā)研究現(xiàn)狀國內(nèi)可燃冰開發(fā)研究現(xiàn)狀 可燃冰開發(fā)前景可燃冰開發(fā)前景 可燃冰的開采方法可燃冰的開采方法 可燃冰的勘察可燃冰的勘察 v截至2002年底,世界上已直接或間接發(fā)現(xiàn)天 然氣水合物共116處(其中海洋就有85處), 直接水合物樣品23處。 v目前勘察可燃冰最好的兩種方法是地震波 法和速聲波法。 最簡單且常用的方法最簡單且常用的方法,首先將地震波在巖首先將地震波在巖 石層和天然氣水合物層的差異記錄在濾石層和天然氣水合物層的差異記錄在濾 波器中波器中,然

2、后對(duì)其進(jìn)行檢測、判斷勘測速然后對(duì)其進(jìn)行檢測、判斷勘測速 度最快度最快,而且可以水、陸通行而且可以水、陸通行 速聲波法是利用聲波在天然氣水合物、海速聲波法是利用聲波在天然氣水合物、海 水和巖石層之間的傳播速度不同水和巖石層之間的傳播速度不同,而且前者而且前者 明顯最快明顯最快,接著再利用物理及化學(xué)法接著再利用物理及化學(xué)法,并根并根 據(jù)擴(kuò)散原理據(jù)擴(kuò)散原理,判定濃度最大的區(qū)域?qū)?yīng)的一判定濃度最大的區(qū)域?qū)?yīng)的一 定是礦藏的中心位置定是礦藏的中心位置,通過測量多個(gè)點(diǎn)通過測量多個(gè)點(diǎn),進(jìn)進(jìn) 而便可給出礦藏的圖示而便可給出礦藏的圖示 勘探方勘探方 法法 地震波法地震波法 速聲波法速聲波法 勘測勘測 v在我國南

3、海的西沙海槽地區(qū),地震波法地震波法勘探 100km以上的海洋波面,發(fā)現(xiàn)大約有1/3面積 的地震反射波與天然氣水合物的地震反射波 很相像,并由此推斷那里存在著豐富的可燃冰。 富含甲烷的天然氣水合物層中肯定會(huì)有一定 數(shù)量的氣體擴(kuò)散出來,使得局部甲烷的含量高 于周圍地區(qū)。 國外可燃冰開發(fā)利用現(xiàn)狀國外可燃冰開發(fā)利用現(xiàn)狀 v國外可燃冰研究開發(fā)現(xiàn)狀迄今,世界上至 少有30多個(gè)國家和地區(qū)進(jìn)行可燃冰的研究 與調(diào)查勘探。美國、日本、印度等國近年 來紛紛制訂天然氣水合物研究開發(fā)戰(zhàn)略和 國家研究開發(fā)項(xiàng)目計(jì)劃 國外可燃冰開發(fā)利用現(xiàn)狀國外可燃冰開發(fā)利用現(xiàn)狀 1981年投入800萬美元制訂了天然氣水合物10年研究計(jì)劃;

4、1998年又把天然氣水合物作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入長 遠(yuǎn)計(jì)劃,每年投入2000萬美元,準(zhǔn)備在2015年試開采。 日本日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省已從經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省已從2000年開始著手開發(fā)海底天然氣水合年開始著手開發(fā)海底天然氣水合 物物,開發(fā)計(jì)劃分兩段進(jìn)行開發(fā)計(jì)劃分兩段進(jìn)行,前前5年對(duì)開采海域的蘊(yùn)藏量和分布年對(duì)開采海域的蘊(yùn)藏量和分布 情況進(jìn)行調(diào)查情況進(jìn)行調(diào)查,從第從第3年開始就打井以備調(diào)查用年開始就打井以備調(diào)查用,之后之后5年進(jìn)年進(jìn) 行試驗(yàn)性采工作行試驗(yàn)性采工作,2010年以后實(shí)現(xiàn)商業(yè)生產(chǎn)。年以后實(shí)現(xiàn)商業(yè)生產(chǎn)。 產(chǎn)業(yè)資源部制訂了產(chǎn)業(yè)資源部制訂了可燃冰開發(fā)可燃冰開發(fā)10年計(jì)劃年計(jì)劃,計(jì)劃投入總計(jì)計(jì)劃投入總計(jì)22

5、57 億韓元億韓元,用以研究開發(fā)深?？碧胶蜕虡I(yè)生產(chǎn)技術(shù)。印度在用以研究開發(fā)深?？碧胶蜕虡I(yè)生產(chǎn)技術(shù)。印度在1995年年 制訂了制訂了5年期年期全國氣體水合物研究計(jì)劃全國氣體水合物研究計(jì)劃,由國家投資由國家投資5600萬美萬美 元對(duì)其周邊海域的天然氣水合物進(jìn)行前期調(diào)查研究。元對(duì)其周邊海域的天然氣水合物進(jìn)行前期調(diào)查研究。 美國美國 日本日本 韓國韓國 國外可燃冰開發(fā)利用現(xiàn)狀國外可燃冰開發(fā)利用現(xiàn)狀 v 目前,美國、俄羅斯、荷蘭、加拿大、日本等國探測可燃 冰的目標(biāo)和范圍已覆蓋了世界上幾乎所有大洋陸緣的重要 潛在遠(yuǎn)景地區(qū)以及高緯度極地永凍土地帶和南極大陸陸緣 區(qū),同時(shí),俄、美、加等國通過地震勘探工作,已查

6、明在北極 地區(qū)有大量正在形成的天然氣水合物。 v 據(jù)日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省專家小組會(huì)議2008年8月18日在東京發(fā) 表的一份文件所說,日本政府將在一個(gè)叫作Nankai海槽的 深海溝中進(jìn)行冰凍甲烷的試驗(yàn)性生產(chǎn)。韓國已成功完成 可燃冰開發(fā)10年計(jì)劃第一階段任務(wù),確認(rèn)韓國周邊海 域海底可燃冰礦藏,并對(duì)儲(chǔ)藏量進(jìn)行初步估計(jì); 20082011 年,韓國將完成對(duì)周邊海域進(jìn)一步勘探工作;20122014年, 對(duì)周邊海域發(fā)現(xiàn)的可燃冰礦藏儲(chǔ)量進(jìn)行最終確認(rèn),研發(fā)可 燃冰商業(yè)生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)。 史斗等人將當(dāng)時(shí) 國外有關(guān)天然氣 水合物研究的資 料進(jìn)行整理精選, 翻譯出版了中國 第一部關(guān)于天然 氣水合物研究的 中文資料國外 天然氣

7、水合物研 究進(jìn)展。 中國科學(xué)院與 莫斯科大學(xué)凍 土專業(yè)學(xué)者合 作開展室內(nèi)可 燃冰合成試驗(yàn) 。 ,中國完成了“中國 海域氣體水合物勘測 研究調(diào)研”課題,首 次對(duì)中國海域的天然 氣水合物成礦條件及 找礦遠(yuǎn)景做了總結(jié)。 據(jù)專家分析,青藏高 原的羌塘盆地和東海 、南海、黃海的大陸 坡及其深海,都可能 存在體積巨大的可燃 冰。. 我國可燃冰研究開發(fā)現(xiàn)狀我國可燃冰研究開發(fā)現(xiàn)狀 1990年1992年1998年 l,“863”計(jì)劃海洋技 術(shù)領(lǐng)域設(shè)立了“天然 氣水合物勘探開發(fā) 關(guān)鍵技術(shù)”重大項(xiàng)目。 國家科學(xué)技術(shù)部制 訂的國家重點(diǎn)基 礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 (“973”計(jì)劃)“十一五” 發(fā)展綱要中,大規(guī) 模新能源天 然氣

8、水合物的探索 研究被列為能源領(lǐng) 域重點(diǎn)研究方向。 國家批準(zhǔn)設(shè)立 了水合物專項(xiàng) “我國海域天 然氣水合物資 源勘測與評(píng)價(jià) ”?！?,我國南海北部可 燃冰鉆探順利結(jié) 束,科學(xué)家共在3 個(gè)工作站位成功 獲得高純度的可 燃冰樣品。. 我國可燃冰研究開發(fā)現(xiàn)狀我國可燃冰研究開發(fā)現(xiàn)狀 2000年,十一五”期間2007年6月 我國可燃冰開發(fā)利用現(xiàn)狀我國可燃冰開發(fā)利用現(xiàn)狀 v2008年10月,我國首艘自主研制的可燃冰綜 合調(diào)查船“海洋6”號(hào)在武昌造船廠下水 可燃冰開發(fā)前景可燃冰開發(fā)前景 v 天然氣水合物是一種溢散氣體,因此開采時(shí)最易泄漏,如果控制不住,極 易造成“井噴”。大量可燃冰排出后會(huì)造成強(qiáng)烈的溫室效應(yīng),破

9、壞海洋的 穩(wěn)定平衡,加劇氣候變暖,并對(duì)海洋本身也有極大的危害,甚至造成大陸 架邊緣的動(dòng)蕩,導(dǎo)致災(zāi)難性海嘯,同時(shí)也會(huì)危及海底油氣管線、水下電 纜等設(shè)施。因此,對(duì)這種新能源的開發(fā)利用重要的是要突破一系列的技 術(shù)難題。目前可燃冰的開采成本高達(dá)200美元/m3,折合成天然氣要1美 元/m3,這也是勘測、開采可燃冰不得不面對(duì)的問題。由以上種種來看, 短時(shí)間內(nèi),可燃冰成為新能源只是人類的一個(gè)希望。 v 但長期來說,可燃冰作為一種清潔高效、潛力巨大的新能源,將成為繼 石油、煤炭、天然氣之后的一種主要能源5 可燃冰的開采方法由于可 燃冰非常不穩(wěn)定，在常溫和常壓環(huán)境下極易分解，所產(chǎn)生的溫室效應(yīng) 要比二氧化碳高1

10、0 20倍。據(jù)測算，在可燃冰中固化的甲烷總量相 當(dāng)于大氣中甲烷數(shù)量的 3 000 倍。一旦沉睡中的可燃冰礦藏受到擾動(dòng)， 包括人為的開采和自然的破壞，都可能導(dǎo)致甲烷氣體大量逃逸到大氣 中，從而導(dǎo)致無法想象的后果。對(duì)此，科學(xué)家們表示出了擔(dān)憂: 對(duì)于 可燃冰礦藏開采的破壞，可能導(dǎo)致甲烷氣體的大量泄漏，釋放到大氣 層中，造成海嘯、海底滑坡、海水毒化、全球氣候變暖等災(zāi)害。 可燃冰的開采可燃冰的開采 v可燃冰的開采可分為減壓開采、注化學(xué)藥劑開采、 CO2置換開采等,國際上對(duì)如何開采可燃冰尚沒有 可靠的方法,基本上處于研究、試驗(yàn)階段。目前對(duì) 可燃冰的試采中,一般要先開鑿一口1200m深的鉆 井,直通到可燃冰

11、層,然后注入溫水,讓可冰溶于溫 水中,抽回地面進(jìn)行分離。具體實(shí)施可以利用雙重 結(jié)構(gòu)管道,在含水合物層打鉆,在內(nèi)側(cè)管道注入高壓 溫水,從外側(cè)管道收回水合物,使其轉(zhuǎn)化為甲烷氣體。 這一開采方法被認(rèn)為是目前最有效的方法,但是這 項(xiàng)工作也仍處在初級(jí)探索階 v從天然氣水合物 的相平衡 ( 圖3) 角圖 3 天然氣水 合物分解機(jī)理度 可以看出，升高 水合物的環(huán)境溫 度、降低水合物 所處的壓力、通 過化學(xué)方法改變 相平衡曲線等都 可以實(shí)現(xiàn)天然氣 水合物的分解 開采方法開采方法 加熱法加熱法 添加化學(xué)劑法添加化學(xué)劑法 綜合法綜合法 CO2置換法置換法 減壓法減壓法 4. Description of the

12、business 5. Description of the business 1. Description of the business 2. Description of the business 3. Description of the business 開采方法開采方法 v 加熱法 v 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)電磁加熱和微波加熱，促 使溫度上升、水合物分解( 圖 4) 。該法更適用于對(duì)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(huì)造成大量的熱損

13、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(huì)降低傳遞給儲(chǔ)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。圖 4 加熱法開采原理圖 v 減壓法 v 降壓法是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(dòng)，從而達(dá)到促使水合物分解的目的。一般是在水合 物層之下的游離氣聚集層中降低天然氣壓力或形成一個(gè)天 然氣空腔 ( 可由熱激發(fā)或化學(xué)試劑作用人為形成) ，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 ( 圖 5) 。在該方法中，由于沒有額外的熱量注入水合物開 采層，分解所吸收的熱量必須由周圍物質(zhì)提供，但是當(dāng)水

14、合物分解吸收的熱量達(dá)到一定程度，水合物周圍環(huán)境溫度 降低會(huì)抑制水合物的進(jìn)一步解16。研究表明，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，適 合于那些儲(chǔ)藏中存在大量自由氣體的水合物儲(chǔ)層，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) v添加化學(xué)試劑法 v通過從井孔向水合物儲(chǔ)層泵入化學(xué)試劑 ( 圖 6) ，如鹽水甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇 等17，改變水合物形成的相平衡條件， 降低水合物穩(wěn)定溫度，引起水合物的分解。 化學(xué)試劑法較熱激發(fā)法作用緩慢，費(fèi)用昂 貴，但確有降低初始能源輸入的優(yōu)點(diǎn)。圖 6 添加化學(xué)試劑法開采原理圖 vCO2置換法 v近期有學(xué)者提出用 CO2置換開采 ( 圖 7

15、) ， 將CO2通入天然氣水合物儲(chǔ)層，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，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)。圖 7 CO2置換開采 法原理 v綜合法 v綜合法是綜合利用降壓法和熱開采技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)對(duì) 天然氣水合物進(jìn)行有效開采。其具體方法是先用 熱激法分解天然氣水合物，后用降壓法提取游離 氣體 ( 圖 8) 。目前，這種方法已得到了人們的廣 泛推崇，已投產(chǎn)的俄羅斯 Messoyakha 氣田和加 拿大Mackensie 氣田均以該法為主要開采技術(shù)， 其技術(shù)在國內(nèi)具有良好的應(yīng)用前景19。圖 8 綜合法開采原理 可燃冰的發(fā)展前景可燃冰的發(fā)展前景 v 天然氣幾乎是燃燒值

16、最高的常規(guī)能源形態(tài)，燃燒時(shí)，1 m3天然氣釋放 的熱量幾乎是 1 kg 煤炭的 3倍，1 kg 汽油的2 倍。1 m3可燃冰等于 164 m3的常規(guī)天然氣藏，是其他非常規(guī)氣源巖 ( 如煤層、黑色頁巖) 能量密度的 10 倍，是常規(guī)天然氣能量密度的 2 5 倍，粗略算下來， 1 m3的可燃冰，其燃燒值竟約等于0. 5 t 煤炭。可滿足人類 1 000 年 的能源需要，這與其他常規(guī)化石能源形成了巨大的反差。據(jù)推算，目 前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的石油儲(chǔ)備量還可用 40 年，天然氣還可用70 年，煤炭還 可用 190 年。當(dāng)全世界的石油煤炭資源將消耗殆盡的時(shí)候，可燃冰的 發(fā)現(xiàn)，讓陷入能源危機(jī)的人類看到新希望。但是，

17、雖然全世界天然氣 水合物資源量非常可觀，除了小型現(xiàn)場試驗(yàn)之外，目前唯一實(shí)現(xiàn)開采 的只有俄羅斯的麥索亞哈天然氣水合物氣田，全球未來的天然氣水合 物產(chǎn)量尚不確定。目前，天然氣水合物的研究主要集中在天然氣水合 物資源的勘測與評(píng)估，天然氣水合物基礎(chǔ)物理化學(xué)性質(zhì)的研究、天然 氣水合物開采模擬與環(huán)境評(píng)價(jià)以及天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)與利用方面。根 據(jù)近年來試驗(yàn)性開采的成果和技術(shù)進(jìn)步來看，20152020 年發(fā)達(dá)國 家實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模開采天然氣水合物在技術(shù)上是可行的，但要實(shí)現(xiàn)商業(yè) 開采則值得探討。 v可燃冰是公認(rèn)的 21 世紀(jì)替代能源和清潔能 源，第 3 期 張穎異等: 新型潔凈能源可燃冰 的研究發(fā)展開發(fā)利用潛力巨大，我

18、國已將 其納入科技重大項(xiàng)目973 計(jì)劃，并已成功獲 得了天然氣水合物的巖心樣品。減壓法和 綜合法是現(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)。目前，對(duì)可燃冰的開 采仍處于試驗(yàn)階段，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。 開發(fā)可燃冰帶來弊開發(fā)可燃冰帶來弊 v 1.可燃冰與全球溫室效應(yīng)之間有著密切的聯(lián)系?？扇急c全球溫室效應(yīng)之間有著密切的聯(lián)系。 v 據(jù)統(tǒng)計(jì)，CH4的溫室效應(yīng)要比CO2整整大21倍。雖然目前大氣中 的甲烷總量并不高，僅僅占到二氧化碳總量5%，但甲烷對(duì)溫室 效應(yīng)的“貢獻(xiàn)”卻高達(dá)15%。一旦可燃冰作為新型能源大量開采， 則在開采過程中勢必會(huì)向大氣中排放大量的甲烷氣體，這將進(jìn)一 步加劇全球的溫室效應(yīng)，同時(shí)極地、海水和地層的溫度也將隨之 升高。久而久之，深埋在海底或地下的可燃冰會(huì)自動(dòng)分解，大氣 的溫室效應(yīng)的加劇將形成惡性循環(huán)。 v 2.海底可燃冰的不斷分解將導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性降低進(jìn)而使得海底滑海底可燃冰的不斷分解將導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性降低進(jìn)而使得海底滑 坡現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。坡現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。 v 3.破壞海洋中的生態(tài)平衡。破壞海洋中的生態(tài)平衡。研究表明，在開采過程中向海洋排放 的大量甲烷氣會(huì)與海水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致海水中氧氣含量 降低，一些