可燃冰的开发利用

可燃冰的开发利用

1可燃冰的使用量可燃冰是天然气的一种俗称，主要分布在深和陆地冷土带。许多国家都把目光投向了可燃冰这种鲜为人知的新型能源。近30年来,随着传统能源的日趋枯竭,可燃冰能量密度非常高,达到煤的10倍,燃烧后不产生任何残渣和废气,每立方米可释放出160-180m3的天然气,仅海底可燃冰的储量就够人类使用1000年。各国科学家对全球天然气水合物资源量,都发现了天然气水合物气藏,它是剩余天然气储量(1.56×1014m3)的128倍,较为一致的评价为2×1016m3。目前世界上有79个国家和地区都在关注这项资源。图1反映能源资源使用情况随时间变化的规律。随着开采技术和手段的不断进步,可燃冰势必成为未来替代石油、煤的首选绿色洁净能源。从能源曲线预测中可以看出,到2050年,天然气水合物在世界能源中所占的比例会超过五成。2天然气结晶化合物可燃冰即天然气水合物,主要分布于深海沉积物中,由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧,所以又被称作固体瓦斯和气冰。它是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等)下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。分子结构见图2。反应式为:G+NH2O→G·NH2O它可用G·nH2O来表示,G代表水合物中的气体分子,n为水合指数(也就是水分子数)。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷,对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物。3陆域可燃冰资源及开采潜力科学家们公认,可燃冰在世界范围内有广泛存在的可能性。在陆地上,大约有27%的面积是可以形成可燃冰的潜在地区,而大洋水域中90%的面积也属这样的潜在区域。海底可燃冰分布的范围约为4×107km2,占海洋总面积的10%。从所取得的岩心样品看,天然气水合物可以以多种方式存在:(1)占据大的岩石粒间孔隙;(2)以球粒状散布于细粒岩石中;(3)以固体形式填充在裂缝中;(4)大块固态水合物伴随少量沉积物。图3为全球已知和推断的天然气水合矿床图。我国可燃冰主要分布在南海海域、东海海域、青藏高原冻土带以及东北冻土带,据粗略估算,其资源量分别约为64.97×1012m3、3.38×1012m3、12.5×1012m3和2.8×1012m3。其中,南海北部陆坡的可燃冰资源量达185亿吨油当量,相当于南海深水勘探已探明的油气地质储备的6倍,达到我国陆上石油总量的50%。此外,在西沙海槽已初步圈出可燃冰分布面积为5242km2,其资源估算达4.1万亿m3。而且在我国东海和台湾省海域也存在大量可燃冰。经海内外专家学者多年探测研究,证实中国台湾省西南面积约77000km2的海域蕴藏着极为丰富的可燃冰球。据科学家粗略估算,远景资源量至少有350亿吨油当量。中国已在南海北部神狐海域和青海省祁连山永久冻土带取得了可燃冰实物样品。但是相对于深海可燃冰,陆域可燃冰开采更可能提前实现。陆域可燃冰开采主要有以下几点优势:(1)陆地开采天然气水合物,可以对海域可燃冰的研究做出技术等方面的储备,为海洋天然气水合物的利用和开采方法做示范。(2)陆地上开采天然气水合物对出现的灾难性后果更易控制。如果出现事故,可燃冰的开采在陆域要比在深海好控制得多。1立方米可燃冰就可释放出164立方米天然气,在常温和常压环境下极易分解,可燃冰像固体酒精一样可被直接点燃,稍有不慎就可能对环境造成危害。(3)陆地上天然气水合物开采更加经济。祁连山冻土层较薄,为将来的工程和科研带来极大便利,只有80-120米,含可燃冰岩层段埋藏浅,只有130-300多米。祁连山冻土区含可燃冰岩层段埋藏浅。(4)陆地多年冻土区可燃冰开采难度低于海洋。一直困扰和束缚世界各国在海底开采可燃冰的难题,是海域可燃冰极易破坏海底生态环境,会在海底瞬间释放时会产生庞大压力。陆域可燃冰的开采前景较海域乐观,陆域可燃冰的开采大多没有这方面的顾虑。4天然气水合物开采法虽然有着诱人的前景,但是更大的挑战也摆在了人们面前。由于可燃冰非常不稳定,所产生的温室效应要比二氧化碳高10-20倍,在常温和常压环境下极易分解,一旦沉睡中的可燃冰矿藏受到扰动,都可能导致甲烷气体大量逃逸到大气中,包括人为的开采和自然的破坏,从而导致无法想象的后果。在可燃冰中固化的甲烷总量相当于大气中的3000倍。所以目前对可燃冰的开采仍处于试验阶段,主要的开采方法有CO2置换法和综合法、添加化学试剂法、减压法、加热法等。(1)加热法又称热激发法,是将蒸汽、热水、热盐水或其他热流体从地面泵入水合物地层,进行电磁加热和微波加热,促使温度上升、水合物分解,见图4。该法更适用于对水合物层比较密集的水合物藏进行开采。如果水合物藏中各水合物层之间存在很厚的夹层,则不宜用此方法进行开采。该方法的主要缺点是会造成大量的热损失,效率很低,甲烷蒸汽不好收集。特别是在永久冻土带,即使利用绝热管道,永冻层也会降低传递给储层的有效热量。所以,减小热量损失、合理布设管道并高效收集甲烷蒸汽是急于解决的问题。(2)CO2置换法。近期有学者提出用CO2置换开采,通过形成二氧化碳水合物放出的热量来分解天然气水合物,见图5。将CO2通入天然气水合物储层,同时可以用来处理工业排放的CO2,发展低碳经济。(3)添加化学试剂法。通过从井孔向水合物储层泵入化学试剂,改变水合物形成的相平衡条件,降低水合物稳定温度,如盐水甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等,引起水合物的分解。它有降低初始能源输入的优点,但一般化学试剂法较热激发法作用缓慢,费用昂贵。(4)减压法。为了达到促使水合物分解的目的,通过降低压力而使天然气水合物稳定的相平衡曲线移动,一般是在水合物层之下的游离气聚集层中,使与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水,可由热激发或化学试剂作用人为形成,一般是降低天然气压力或形成一个天然气空腔。在该方法中由于没有额外的热量注入水合物开采层,水合物周围环境温度降低会抑制水合物的进一步分解,当水合物分解吸收的热量达到一定程度时,分解所吸收的热量必须由周围物质提供。这种方法在气体全面分解过程中有利于控制开采气体的流量,研究表明,是现有水合物开采技术中经济前景比较好的开采技术,适合于那些储藏中存在大量自由气体的水合物储层。(5)综合法。综合法对天然气水合物进行有效开采,主要是综合利用降压法和热开采技术的优点。见图6。先用热激法分解天然气水合物,后用降压法提取游离气体,是其具体方法。目前,这种方法已得到了人们的广泛推崇,其技术在国内具有良好的应用前景,已投产的加拿大Mackensie气田和俄罗斯Messoyakha气田均以该法为主要开采技术。5模开采与商业化开采除了小型现场试验之外,目前实现开采的只有Messoyakha气田和加拿大Mackensie气田,虽然全世界天然气水合物资源量非常可观,要实现工业规模开采和商业化开采还有很长一段时间,对可燃冰的开采仍处于试验阶段。据推算,目前已经发现的石油储备量还可用40年,可燃冰的发现