天然氣水合物的研究與開發(fā)論文
作者: 金翔龍.方銀霞(國家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室) 收錄來源: 中國新能源網(wǎng)
【摘要】人類的生存發(fā)展離不開能源。當(dāng)人類學(xué)會使用第一個火種時便開始了能源應(yīng)用的漫長歷史。幾千年來，人類所使用的能源已經(jīng)歷了三代，正在向第四代能源時代邁進(jìn)。主體能源的更替充分反映出人類社會和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步與發(fā)展。第一代能源為生物質(zhì)材，以薪柴為代表；第二代能源以煤為代表；第三代能源則是石油、天然氣和部分核裂變能源。實(shí)際上，第二代和第三代能源是以化石燃料為主體，第四代能源的構(gòu)成將可能是核聚變能、氫能和天然氣水合物。
一、天然氣水合物是人類未來能源的希望
人類的生存發(fā)展離不開能源。當(dāng)人類學(xué)會使用第一個火種時便開始了能源應(yīng)用的漫長歷史。幾千年來，人類所使用的能源已經(jīng)歷了三代，正在向第四代能源時代邁進(jìn)。主體能源的更替充分反映出人類社會和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步與發(fā)展。第一代能源為生物質(zhì)材，以薪柴為代表；第二代能源以煤為代表；第三代能源則是石油、天然氣和部分核裂變能源。實(shí)際上，第二代和第三代能源是以化石燃料為主體，第四代能源的構(gòu)成將可能是核聚變能、氫能和天然氣水合物。
核聚變能主要寄希望于3He，它的資源量雖然在地球上有限（10~15t），但在月球的月壤中卻極為豐富（100-500萬t）。氫能是清潔、高效的理想能源，燃燒耐僅產(chǎn)生水（H2O），并可再生，氫能主要的載體是水，水體占據(jù)著地球表面的2/3以上，蘊(yùn)藏量大。天然氣水合物的主要成分是甲烷（C4H）和水，甲烷氣燃燒十分干凈，為清潔的綠色能源，其資源量特別巨大，開發(fā)技術(shù)較為現(xiàn)實(shí)，有可能成為21世紀(jì)的主體能源，是人類第四代能撅的最佳候選。
天然氣水合物（gas hydrate）是一種白色固體結(jié)晶物質(zhì)，外形像冰，有極強(qiáng)的燃燒力，可作為上等能源，俗稱為"可燃冰"。天然氣水合物由水分子和燃?xì)夥肿訕?gòu)戚，外層是水分子格架，核心是燃?xì)夥肿樱▓D1）。燃?xì)夥肿涌梢允堑蜔N分子、二氧化碳或硫化氫，但絕大多數(shù)是低烴類的甲烷分子（C4H），所以天然氣水合物往往稱之為甲烷水合物（methane hydrate）。據(jù)理論計算，1ｍ3的天然氣水合物可釋放出164ｍ3的甲烷氣和0.8ｍ3的水。這種固體水合物只能存在于一定的溫度和壓力條件下，一般它要求溫度低于0~10℃，壓力高于10MPa，一旦溫度升高或壓力降低，甲烷氣則會逸出，固體水合物便趨于崩解。
天然氣水合物往往分布于深水的海底沉積物中或寒冷的永凍±中。埋藏在海底沉積物中的天然氣水合物要求該處海底的水深大于300-500ｍ，依賴巨厚水層的壓力來維持其固體狀態(tài)。但它只可存在于海底之下500ｍ或1000ｍ的范圍以內(nèi)，再往深處則由于地?zé)嵘郎仄涔腆w狀態(tài)易遭破壞。儲藏在寒冷永凍土中的天然氣水合物大多分布在四季冰封的極圈范圍以內(nèi)。 煤、石油以及與石油有關(guān)的天然氣（高烴天然氣）等含碳能源是地質(zhì)時代生物遺體演變而成的，因此被稱為化石燃料。從含碳量估算，全球天然氣水合物中的含碳總量大約是地球上全部化石燃料的兩倍。因此，據(jù)最保守的統(tǒng)計，全世界海底天然氣水合物中貯存的甲烷總量約為1.8×108億ｍ3，約合11萬億t（11×1012t）。數(shù)冀如此巨大的礦物能源是人類未來動力的希望。
二、天然氣冰合物的研究現(xiàn)狀
1.分布與環(huán)境效應(yīng)
世界上絕大部分的天然氣水合物分布在海洋里，儲存在深水的海底沉積物中，只有極其少數(shù)的天然氣水合物是分布在常年冰凍的陸地上。世界海洋里天然氣水合物的資源量是陸地上的100倍以上。到目前為止，世界上已發(fā)現(xiàn)的海底天然氣水合物主要分布區(qū)有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、日本海、四國海槽、日本南海海槽、沖繩海槽、南中國海、蘇拉威西海和新西蘭北部海域等，東太平洋海域的中美海槽、加州濱外、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(nèi)的黑海與里海等。陸上寒冷永凍土中的天然氣水合物主要分布在西伯利亞、阿拉斯加和加拿大的北極圈內(nèi)。我國最有希望的天然氣水合物儲存區(qū)可能是南海和東海的深水海底。
天然氣水合物固然給人類帶來了新的能源希望，但它也可對全球氣侯和生態(tài)環(huán)境甚至人類的生存環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅。近年來，人們不斷討論地球大氣層的溫室效應(yīng)，認(rèn)為其造成的異常氣候（全球變暖）和海面上升可能正威脅著人類的生存。主導(dǎo)大氣溫室效應(yīng)的因子，普遍認(rèn)為是水氣和二氧化碳?xì)�。水氣是大自然循環(huán)中的活躍分子，難以凋控，于是二氧化碳便成為人們嚴(yán)重關(guān)注的對象。許多國際會議討論二氧化碳的溫室效應(yīng)，并決定限制各國二氧化碳廢氣的排放量。要知遣，當(dāng)前大氣中的二氧化碳?xì)庖悦磕?.3％的速率在增加，而大氣中的甲烷氣卻以每年0.9％的逮率在更為迅速地增加著。更為重要的是，甲烷氣的溫室效應(yīng)為二氧化碳?xì)鉁厥倚?yīng)的20倍。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量的3000倍，這么巨大量的甲烷氣如果釋放，將對全球環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響，嚴(yán)重地影響全球的氣候與海平面。
另外，固結(jié)在海底沉積物中的水合物，一旦條件發(fā)生變化，釋出甲烷氣，將會明顯改變海底沉積物的物理性質(zhì)。其后果是降低海底沉積物的工程力學(xué)特性，引發(fā)大規(guī)模的海底滑坡，毀壞一些海底的重要工程設(shè)施，如海底輸電或通信電纜、海洋石油鉆井平臺等。水合物的崩解造成海底滑坡，而海底滑坡又進(jìn)一步激發(fā)水合物的崩解，如此連鎖反應(yīng)，將造成雪崩式的大規(guī)模海底滑坡，并使大量的甲烷氣逸散到大氣中去，造成極大的災(zāi)難與經(jīng)濟(jì)損失。
2.全球關(guān)注天然氣水合物研究
基于天然氣水合物是21世紀(jì)的重要后續(xù)能源，并可能對人類生存環(huán)境及海底工程設(shè)施產(chǎn)生災(zāi)害性影響，全球科學(xué)家和各國政府都予以高度關(guān)注。早在20世紀(jì)30年代，天然氣水合物就在遠(yuǎn)東地區(qū)的天然氣輸送管道內(nèi)被發(fā)現(xiàn)。一直到70年代初，蘇聯(lián)學(xué)者論證了自然界有可能存在水合物生成帶，并在陸地凍土帶首先發(fā)現(xiàn)了第一個具有商業(yè)開采價值的麥索亞哈氣田之后，才真正引起世界各國科學(xué)家和政府的重視。后來在深海鉆探計劃（DSDP和大洋鉆探計劃（ODP）中，全球許多海域的海底（如鄂霍克茨海、墨西哥灣、大西洋、北美太平洋一側(cè)和拉丁美洲太平洋一側(cè)的世界海域）都發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。20世紀(jì)80年代以來，美國、日本、俄羅斯、德國、加拿大、挪威、英國及印度等國政府都著手開展天然氣水合物的調(diào)查和研究工作，并從能源戰(zhàn)略儲備角度考慮，紛紛制定作為政府行為的長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施計劃，將其視為爭奪海洋權(quán)益的重要內(nèi)容。深人開展天然氣水合物研究的熱潮已經(jīng)在全球興起。
美國1994年制訂過《甲烷水合物研究計劃》，稱天然氣水合物是未來世紀(jì)的新型能源。1995年，勘查美國東岸大西洋海底的布萊克海臺，首汰證實(shí)該處海底的天然氣水合物具有商業(yè)開采價值，并初步估算出該區(qū)水合物的資源量多達(dá)100億ｔ，可滿足美國105年的天然氣需要。1999年，美國又制定《國家甲烷水合物多年研究和開發(fā)項(xiàng)目計劃》，預(yù)期可建立天然氣水合物礦床氣體資源評價體系、發(fā)展商業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，了解和定量評價甲烷水合物在全球碳循環(huán)中的作用及其與全球氣候變化的相關(guān)性，解決水合物工程技術(shù)和海底穩(wěn)定性問題。
日本于1994年制定了龐大的海底天然氣水合物研究計劃，投巨資對日本周邊海域進(jìn)行大規(guī)模海底天然氣水合物研究，初步估計僅南海海槽處的水合物資源量就可滿足日本100年的能源消耗。1995年，又專門成立天然氣水禽物開發(fā)促進(jìn)委員會，分別于1997年在阿拉斯加和1999年在日本南海海槽進(jìn)行了海底水禽物的鉆探試驗(yàn)。
俄羅斯自20世紀(jì)70年代末以來，先后在黑海、里海、白令海、鄂霍茨克海、千島海溝和太平洋西南部等海域進(jìn)行海底天然氣水合物研究，發(fā)現(xiàn)具有工業(yè)價值的區(qū)域，近期仍在對巴倫支海和鄂霍茨克海的天然氣水合物進(jìn)行研究。
聯(lián)邦德國于20世紀(jì)80年代與印尼等國對西南太平洋的邊緣海進(jìn)行過聯(lián)合研究，在莽拉威西海發(fā)現(xiàn)海底天然氣水合物的識別標(biāo)志。目前，德國正在籌劃大規(guī)模的國家研究計劃，可能計劃與俄羅斯合作研究鄂霍茨克海的海底水合物。
印度科學(xué)與工業(yè)委員會設(shè)有重大研究項(xiàng)目《國家海底天然氣水合物研究計劃》，于1995年開始對印度近海進(jìn)行海底天然氣水合物研究，現(xiàn)已取得初步的良好結(jié)果。
由于天然氣水合物的資源前景還有待于進(jìn)一步研究證實(shí)，而煤和油氣等常規(guī)能源又能維持一段時期，因此，目前各能源企業(yè)對水合物研究的資金投入還較少主要是各國政府對天然氣水合物研究予以支持。如美國計劃投入.1.5～2億美元，日本在五年計劃中已投入150億日元，印度在1996～2000年間投入5600萬美元。
3.天然氣水合物的開發(fā)技術(shù)
隨著天然氣水合物研究的不斷深人，天然氣水合物相關(guān)技術(shù)的研究和開發(fā)也得到快速的發(fā)展。主要包括以下幾個方面：
地球物理探查技術(shù)、地球化學(xué)探查技術(shù)、鉆孔取樣技術(shù)、資源評價技術(shù)、開采技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室模擬技術(shù)和管道中水合物的探測與清除技術(shù)等。地球物理探查技術(shù)包括多道地震反射勘探和測井等方法。現(xiàn)在主要通過識別地震剖面上因水合物存在而引起的波阻抗反差界面-擬海底反射層BSR（Bottom Simulating Reflector）來判別天然氣水合物的存在及分布。目前正在開發(fā)特殊處理技術(shù)，以獲取深水區(qū)淺層高分辨率、高信噪比、高保真的地震數(shù)據(jù)，建立巖石物理模型，研究水合物沉積層及下伏游離氣的彈性性質(zhì)與特征，并研究基于矢量波動方程的多彈性參數(shù)疊前正、反演技術(shù)，以估算水合物的分布與數(shù)量。
地球化學(xué)探查技術(shù)系利用地球化學(xué)方法探測天然氣水合物的相關(guān)參數(shù)的變化，包括含天然氣水合物沉積物中孔隙水鹽度或氯度的降低，以及水的氧化-還原電位和疏酸鹽含量變低等。同時應(yīng)用海上甲烷現(xiàn)場探測技術(shù)，圈定甲烷高濃度區(qū)，從而確定天然氣水合物的遠(yuǎn)景分布。
鉆孔取樣技術(shù)。由于天然氣水合物特殊的物理學(xué)性質(zhì)，當(dāng)鉆孔巖芯提升到常溫常壓的海面時，天然氣水合物可能全部或大部分被分解。為能獲取保持原始壓力和溫度的沉積物巖芯，研制了保真取芯筒來進(jìn)行天然氣水合物層的取樣。
資源評價技術(shù)。天然氣水合物分布和資源量的估算主要有兩種方法：－是通過地質(zhì)地球物理勘探和鉆探，發(fā)現(xiàn)和取得天然氣水合物層的有關(guān)參數(shù)，預(yù)測其分布并計算出資源量；二是通過取得的實(shí)際參數(shù)和模擬實(shí)驗(yàn)建立天然氣水合物形成與釋氣的數(shù)學(xué)模型，用數(shù)值模擬方法研究其分布和資源量，同時模擬天然氣水合物生成和娜的動態(tài)過程。
天然氣水合物開采技術(shù)。目前已提出的天然氣水合物開采方法，包括熱激發(fā)法、化學(xué)試劑法和減壓法。熱激發(fā)法就是將蒸氣、熱水或其他熱流體從地面泵人水合物地層，或采用井下加熱技術(shù)，使溫度上升，水合物分解而生成天然氣；化學(xué)試劑法是利用化學(xué)試劑改變天然氣水合物的相平衡條件，降低水合物穩(wěn)定程度，引起水合物的分解；減壓法則通過降低壓力達(dá)到水合物的分解，再行開采。上述方法中，有些方法進(jìn)行了小規(guī)模實(shí)驗(yàn)，但生產(chǎn)成本太高，短期內(nèi)還難以投入實(shí)際生產(chǎn)。
實(shí)驗(yàn)室模擬技術(shù)。應(yīng)用物理化學(xué)手段，通過改變溫度、壓力、天然氣成分和流體成分等邊界條件，研究天然氣水合物形成和穩(wěn)定分布的條件，以及這些因素對天然氣水合物形成和分解等方面的影響。目前甲烷-純水、甲烷.海水等模擬己取得重要進(jìn)展，正在進(jìn)行含沉積物條件下的模擬實(shí)驗(yàn)。
管道中水合物的探測和清除技術(shù)。海底長距離天然氣／凝析液混輸管道輸運(yùn)壓力一般較高，環(huán)境溫度較低，管內(nèi)極易形成水合物堵塞通道。利用水合物形成的理論模型，計算水合物形成的壓力、溫度和組成條件，判斷管道中是否存在水合物，并研發(fā)出一些阻凝劑清除障礙。
天然氣水合物的開發(fā)還牽涉到許多相關(guān)技術(shù)，如儲存與運(yùn)輸技術(shù)等。由于天然水合物特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，目前勘探所獲樣品一般都保存在充滿氦氣的低溫封閉容器中。與此同時，天然氣水合物也為解決天然氣運(yùn)輸提供了一種新的思路。長期以來，天然氣運(yùn)輸?shù)囊环N常用方法是將其液化，運(yùn)載到目的地后再將其氣化（LNG法）。目前挪威科學(xué)家開發(fā)出NGH法，將天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粴馑衔铮诒３痔烊粴馑衔锓�(wěn)定的條件下"冷藏"起來運(yùn)輸，到目的地后再融化成氣。
三、天然氣水合物在中國的資源利用前景
1.天然氣水合物在中國能源結(jié)構(gòu)中的地位
天然氣水合物是石油和常規(guī)天然氣的重要后續(xù)能源。據(jù)美國能源部1988年發(fā)布的國際能源展望報告，世界能源消費(fèi)在未來20多年里將持續(xù)上升，目前人類每年要燃烷40億t煤、25億ｔ石油，并以每年3％的速度增長，照此下去地球上的煤還可維持二三百年，其他就只有五六十年的用量了。因此各國均將尋找后續(xù)能源列人國家未來能源發(fā)展戰(zhàn)略。
我國的能源資源總量約4萬億ｔ標(biāo)準(zhǔn)煤，居世界第三位，但因人口眾多，人均能源資源占有量仍相對匾乏。我國人口占世界總?cè)丝?1％，已探明的煤炭儲量占世界儲量的11％、原油占2.4％、天然氣僅占1.2％，人均能源資源占有量不到世異平均水平的一半。據(jù)預(yù)測我國到2010年一次性能源消費(fèi)量預(yù)計將達(dá)到19億ｔ標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭18億ｔ，石油2.5～2.7億ｔ，天然氣600～1000億ｍ3。而2010年石油產(chǎn)量只有約1.6
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