可燃冰在天然氣中的應(yīng)用

可燃冰在天然氣中的應(yīng)用

一、可燃冰研究燃料可萃取也稱為天然氣水合物，它是指天然氣（主要成分為甲烷）在特定的低溫和高壓下形成的“氣水合物”的固體材料。從1810年開始科學(xué)家就在實(shí)驗(yàn)室把各種氣體通過降溫加壓和水結(jié)合生成“冰塊”。自然界中也存在大量的可燃冰,如果自然環(huán)境具備了低溫高壓、有氣有水的條件,就有天然的可燃冰存在,這種條件在自然界不少。1968年,在西西伯利亞北部的麥索雅哈天然氣田(現(xiàn)已關(guān)閉)就發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)天然氣水合物氣藏。迄今為止,世界上至少已有30多個(gè)國家和地區(qū)在進(jìn)行可燃冰的研究。其中,日本已基本完成周邊海域的可燃冰調(diào)查與評價(jià),鉆探了7口探井,成功取得可燃冰樣品,期望在2010年投入商業(yè)開采;而美國也希望于2015年在海床或永久凍土帶進(jìn)行商業(yè)開采。我國從1997年起就開始組織對可燃冰的前期研究。中國地質(zhì)調(diào)查局2007年5月在我國南海北部神狐海域成功鉆探獲得可燃冰實(shí)物樣品,并證實(shí)此地區(qū)可燃冰資源蘊(yùn)藏豐富。由此中國成為繼日本、美國、印度之后的第4個(gè)通過國家級研發(fā)計(jì)劃開采到天然氣水合物實(shí)物樣品的國家。二、可燃冰的開發(fā)和利用1.海底的油氣成礦可燃冰的形成有3個(gè)基本條件:(1)溫度不能太高,在0℃以上可以生成,0~10℃為宜,最高20℃左右。(2)壓力要夠,但不能太大,0℃與30個(gè)大氣壓以上可燃冰即可生成。(3)地底要有氣源。根據(jù)上述理論,地球上可燃冰礦藏的形成有兩條途徑:一是氣候寒冷致使礦層溫度下降,加上地層的高壓力,使原來分散在地殼中的碳?xì)浠衔餁怏w和地殼中的水形成氣—水結(jié)合的礦層。二是由于海洋里大量的生物和微生物死亡后,留下的遺體不斷沉積到海底,很快分解成有機(jī)氣體如甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)等,這樣,它們便鉆進(jìn)海底結(jié)構(gòu)疏松的沉積巖微孔,和水形成“氣水合物”。最有可能形成可燃冰的區(qū)域一個(gè)是高緯度的凍土層,如美國的阿拉斯加、俄羅斯的西伯利亞都已發(fā)現(xiàn)了可燃冰,而且俄羅斯20年前就已經(jīng)鉆取到可燃冰樣品。另一個(gè)是海底大陸架斜坡,在美國和日本的近海海域,如加勒比海沿岸及我國南海和東海海底均有儲(chǔ)藏,估計(jì)我國黃海海域和青藏高原的凍土帶也儲(chǔ)藏有可燃冰。二者之中,海底的可燃冰儲(chǔ)量較大。2.燃燒冰的制備思路一:與傳統(tǒng)油氣開采結(jié)合,通過降壓、注熱、注化學(xué)藥劑以及CO2的方法,將可燃冰在海底分解為氣體,然后輸導(dǎo)至海平面。其開采方法主要有熱解法、降壓法和置換法3種。(1)海底多孔介質(zhì)的收集和利用利用可燃冰在加溫時(shí)分解的特性,使其由固態(tài)分解出CH4氣體。但應(yīng)用此方法的難處在于不好收集。海底的多孔介質(zhì)不是集中為“一片”,也不是一大塊巖石,而是較為均勻地遍布著。如何布設(shè)管道并高效收集CH4氣體是亟需解決的問題。(2)抗壓法有科學(xué)家提出將核廢料埋入地底,利用核輻射效應(yīng)使其分解。但它們都面臨著和熱解法同樣要布設(shè)管道并高效收集的問題。(3)ch4水合物+固體開采研究證實(shí),將CO2液化,注入1500m以下的洋面(不一定非要到海底),就會(huì)生成CO2水合物,它的比重比海水大,就會(huì)沉入海底。如果將CO2注射入海底的CH4水合物儲(chǔ)層,因CO2較CH4更易形成水合物,因而就可將CH4水合物中的CH4分子置換出來。該法存在布設(shè)管道和高效收集CH4氣的問題。思路二:固態(tài)開采,即將可燃冰以固體形態(tài)輸送到海底,進(jìn)行初步泥沙分離后采用固—液—?dú)馊噍斔图夹g(shù),將固態(tài)可燃冰及輸送過程中分解出的氣體輸送到海面,然后利用海面的高溫海水對可燃冰進(jìn)行分解、收集并通過管道輸送,或?qū)⒎纸獾脕淼臍怏w重新制成可燃冰固體轉(zhuǎn)入船運(yùn)。海洋可燃冰的傳統(tǒng)開采法與固態(tài)開采法各有優(yōu)缺點(diǎn),見表1。從各國進(jìn)行的試驗(yàn)性開采來看,這些方法要么技術(shù)復(fù)雜、成本高昂,要么推廣價(jià)值不大,不適合大規(guī)模作業(yè)。3.這些困難用于開發(fā)和利用可燃冰和石油、天然氣相比,更不易開采和運(yùn)輸,世界上至今還沒有較完善的開采方案。開采可燃冰主要面臨著以下3個(gè)難題:(1)ch4氣的釋放由于CH4是絕大多數(shù)可燃冰中的主要成分,同時(shí)也是一種對溫室效應(yīng)影響快速明顯的氣體。可燃冰中CH4的總量大致是大氣中CH4數(shù)量的3000倍。作為短期溫室效應(yīng)氣體,CH4比CO2所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)影響要大?？扇急浅２环€(wěn)定,在常溫和常壓下極易分解,一旦從海底升到海面就會(huì)分解釋放出CH4氣體。學(xué)者認(rèn)為,可燃冰礦藏極易受到破壞,甚至是自然的破壞,從而導(dǎo)致CH4氣的大量散失。而這種氣體進(jìn)入大氣,無疑會(huì)增加溫室效應(yīng),進(jìn)而使地球升溫更快。(2)燃冰和水質(zhì)通過降低生物活性或提高水合物分解溫度,有利于海底滑坡、生物融合和環(huán)境基由于可燃冰經(jīng)常作為沉積物的膠結(jié)物存在,它對沉積物的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用?？扇急男纬珊头纸饽軌蛴绊懗练e物的強(qiáng)度,進(jìn)而誘發(fā)海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。日益增多的研究成果表明,由自然或人為因素所引起的溫壓變化,均可使水合物分解,造成海底滑坡、生物滅亡和氣候變暖等環(huán)境災(zāi)害。美國地質(zhì)調(diào)查所的調(diào)查表明,可燃冰能導(dǎo)致大陸斜坡發(fā)生滑坡,這對各種海底設(shè)施是一種極大的威脅。由此可見,可燃冰既是未來的一種新能源,同時(shí)也是一種有潛在危險(xiǎn)的能源。(3)可燃冰效率低根據(jù)美國和日本披露的數(shù)據(jù),目前的可燃冰開采平均成本高達(dá)200美元/m3,根據(jù)1m3可燃冰釋放能量相當(dāng)于164m3的天然氣計(jì)算,其折合天然氣的成本達(dá)到1美元/m3以上,而上海目前民用天然氣的售價(jià)也不過2元/m3。上述難題已經(jīng)成為人類大規(guī)模開發(fā)利用可燃冰的巨大障礙。不過,隨著技術(shù)進(jìn)步和科學(xué)發(fā)展,未來這些問題都將能得到很好的解決。三、南?？扇急_采的技術(shù)合作我國從1993年起成為石油凈進(jìn)口國以來,石油進(jìn)口量不斷增加,目前石油進(jìn)口量已占石油消耗總量的40%以上,而且這一比例還在增大。因此,開發(fā)可燃冰資源,對我國的后續(xù)能源供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,具有重大的戰(zhàn)略意義。由于我國對可燃冰的研究較日本、美國等國家晚,盡管已成功取得了可燃冰實(shí)物樣品,但依然不能太樂觀。調(diào)查僅僅認(rèn)識(shí)了天然氣水合物存在的現(xiàn)象,鉆探也僅僅在一個(gè)點(diǎn)上取得突破,要科學(xué)地認(rèn)識(shí)南海北部整個(gè)海域天然氣水合物的形成機(jī)理和分布規(guī)律,尚有許多科學(xué)問題需要解決。另外,在開采技術(shù)方面,鉆探獲取可燃冰的中國地質(zhì)調(diào)查局研究人員承認(rèn):中國目前還不具備獨(dú)立鉆探和取芯的技術(shù),所以應(yīng)和國外鉆探公司加強(qiáng)合作,加快可燃冰的開發(fā)利用速度。但有關(guān)可燃冰開