可燃冰开发简介

可燃冰简介与开发前景摘要随着能源日渐短缺，新能源的开发和利用已经被许多国家放到了发展的战略位置。可燃冰自20世纪70年代在海洋深处和冻土地带被发现后，就因其污染小、储量大等优点而受到高度重视。但是，若可燃冰的开采不慎，极易导致 其矿产受到破坏，甲烷气体的大量泄露并进入大气。在导致温室效应方面，甲烷所起的作用比二氧化碳要大10-20倍，由此可见，可燃冰也是一种带有危险性的能源。因此，在对其开发利用之前做好充分的研究十分重要。目前，对可燃冰的研究已经取得一定的进展，它的多种结构已经被X-Ray、Raman、NMR等实验验证，对可燃冰形成的温度、压力亦作了大量的研究工作，在理论方面也展开了一定的研究。关键词：可燃冰能源危机海底开发ＡＢＳＴＲＡＣＴSincetheshortageofenergysourceshasbecamemoreandmoreobvious,manycountriestreattheexplorationandutilizationofnewenergyasthemostimportantstrategyoftheirdevelopment.Thus,methanehydrates,foundindeepoceansandpermafrostregionsinthe1970s,havereceivedunprecedentedattentionbecauseoftheirspecialadvantages,suchaslesspollutionandlagerreserves.However,methaneisalsooneofthegreenhousegases,whichbringsabout10to20timesgreaterinfluencethanthatofcarbondioxide.Ifweexploremethanehydratescarelessly,itislikelytodestroytheminesandcausemethaneleakage,producingseveregreenhouseeffect.Thistraitmakesmethanehydrateadangerousenergysource.Therefore,itisnecessarytodoafullyresearchbeforeexploiting.Atpresent,wehaveachievedsomeprogressintheresearchofthestructureshavebeenconfirmedbyexperimentssuchasX-Ray、RamanandNMR.Also,researchesaremadeonmethanehydratesabouttheformingconditionssuchastemperature.Keywords:MethanehydratesEnergycrisesOceandevelopment动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元内。这些地区的构造环境由于具有形成“可燃冰”所需的充足物质来源、流体运移条件以及低温、高压环境，从而成为“可燃冰”分布和富集的主要场所。在世界上一些冻土带地区如美国的阿拉斯加、加拿大北部、俄罗斯的西伯利亚和中国青藏高原的羌塘盆地等地发现了大量的“可燃冰”。由于多年冻土区“可燃冰”资源评估较为复杂，迄今为止尚无一个国家对本国多年冻土区的“可燃冰”资源进行完整的评估，仅美国、俄罗斯和加拿大对多年冻土区“可燃冰”资源量进行了评估。图1.1可燃冰分布区域图1.4可燃冰开发面临的问题（2）可燃冰开采有很多看不见的危险，如果要大量开采可燃冰，首当其冲的就是能源消耗问题。虽然可燃冰中存在的天然气能源利用率比石油和煤炭都高，但在目前的技术水平下，将其从埋藏处输送至地表所需的能源消耗量，远高于其自身所含的能源量。因为可燃冰光依靠发掘不能实现自喷，而且埋藏在深海域，所以将其开采运输所需要的工程量十分巨大，自然也就带来相应的成本消费和能源消费。另一个现实问题是环保问题。可燃冰虽然号称绿色环保型资源，但是它的开采过程却可能面临破坏环境的危险。日本有关人士担心，如果发掘方法不当，就可能导致可燃冰大量气化，扩散至大气中，加速地球的气候变暖。有科学研究表明，8000年前，挪威海域曾经发生过一次由于可燃冰破裂导致的天然气大量喷射，数量约为3500t，相当于总埋藏量的3%，当时的100多个喷射口遗迹分布在1000km2的海底。如果目前埋藏的可燃冰气化散发到大气中，地球平均气温将在10年内上升4℃。甚至有人担心，可燃冰的气化再加上已经不断加速的地球气候变暖，将导致更大范围的可燃冰破裂，也许会将人类拖入灭亡的深渊。另外，由于开采可燃冰，需要将大量的采掘机械装载在海底，无疑会对海洋生态环境造成破坏。二可燃冰结构与性质2.1可燃冰的结构可燃冰的学名为天然气水合物（NaturalGasHydrate，简称GasHydrate），也称为甲烷水合物、甲烷冰、天然气水合物、“笼形包合物”（Clathrate），分子式为：CH4·nH2O，现已证实分子式为CH4·8H2O。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以被称作“可燃冰”(英译为：Flammableice）或者“固体瓦斯”和“气冰”。可燃冰是一种白色固体物质，有极强的燃烧力，主要由水分子和烃类气体分子（主要是甲烷）组成，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（碳的电负性较大，在高压下能吸引与之相近的氢原子形成氢键，构成笼状结构）。一旦温度升高或压强降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。可燃冰有多种结构，到目前为止已经发现至少130多种,1984年Jeffrey列出了7种水合物的晶体结构，这几种晶体结构(3)由7种单元构成，其结构参数和组成见表2.1。但最主要的有三种结构，即结构Ⅰ、结构Ⅱ、结构H，分别简称为SⅠ、SⅡ、SH。它们的晶体结构参数见表2.2。表2.1Jeffrey’slistofSeriesofsevenhydratecrystalstructure表2.2GeometryofCagesHydratecrystalstructure1965年，McMullan和Jeffrey通过X射线衍射分析证实了天然气水合物结构SⅠ(4)的存在，该结构是由2个十二面体512（H2O）20、6个十四面体51262（H2O）24和8个客体分子M构成的晶体结构。同年，Mak和McMullan也通过X射线衍射分析证实了天然气水合物SⅡ(5)的结构，该结构是由16个十二面体512（H2O）20和8个十六面体51264（H2O）28,在每一个多面体即单元里包裹一个客体分子M构成的晶体。1987年Ripmeester等人通过NMR得到SH(6)的结构，该结构是由5个十二面体（包括512（H2O）20和435663（H2O）20两种单元）及1个二十面体51264（H2O）28，在每一个多面体（即单元）内包裹一个客体分子M而构成的晶体。在上述三种结构中，共包含5种单元(7-10)，其单元结构如下图所示。1988年Ripmeester、Sum等人进一步通过X-ray、NMR等实验手段验证了可燃冰的水合数约为6，同时还研究分析了可燃冰单元里包裹的客体分子(11)。自可燃冰结构被实验证明以后，随着量子力学的发展，化学界的理论工作者们开始运用量子化学方法来探索可燃冰的结构特征、结合能（12）等化学性质，以期为可燃冰的开发提供理论依据。2.2可燃冰的性质可燃冰燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。开采时只需将固体的可燃冰升温减压就可释放出大量的甲烷气体。1立方米的可燃冰可在常温常压下释放164立方米的天然气及0.8立方米的淡水）所以固体状的天然气水合物往往分布于水深大于300米以上的海底沉积物或寒冷的永久冻土中。海底天然气水合物依赖巨厚水层的压力来维持其固体状态，其分布可以从海底到海底之下1000米的范围以内，再往深处则由于地温升高其固体状态遭到破坏而难以存在。天然气水合物从物理性质来看，天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度，剪切系数、电解常数和热传导率均低于冰。天然气水合物的声波传播速度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物，中子孔隙度低于饱和水沉积物，这些差别是物探方法识别天然气水合物的理论基础。此外，天然气水合物的毛细管孔隙压力较高。可燃冰燃烧方程式为：CH4·8H2O+2O2=CO2+10H2O（反应条件为“点燃”）形成可燃冰有三个基本条件：温度、压力和原材料。首先，低温。可燃冰在0—10℃时生成，超过20℃便会分解。海底温度一般保持在2—4℃左右；其次，高压。可燃冰在0℃时，只需30个大气压即可生成，而以海洋的深度，30个大气压很容易保证，并且气压越大，水合物就越不容易分解。最后，充足的气源。海底的有机物沉淀，其中丰富的碳经过生物转化，可产生充足的气源。海底的地层是多孔介质，在温度、压力、气源三者都具备的条件下，可燃冰晶体就会在介质的空隙间中生成。三我国的可燃冰开发展望3.1我国可燃冰发展的优势1.储量巨大中国是可燃冰资源储量最丰富的国家之一。2004年中德联合科考队的“太阳号”考察船在南海海底发现了当今全球最大的碳酸盐结壳，面积达430Km2。据专家预测，我国南海西沙海槽、南沙海槽、台湾西南陆坡、冲绳海槽海底可能存在大量可燃冰，可以满足我国今后数百年的需求。2009年夏，在祁连山南缘，一簇火苗的燃烧，成为令人振奋的消息，我国成为第一个在低纬度冻土区发现可燃冰的国家。据专家估计，我国可燃冰资源储量为803亿t油当量，接近于我国常规石油资源储量，约是我国常规天然气资源的两倍。（13）2.深海勘探技术成熟2012年6月“蛟龙号”载人潜水器将我国的下潜深度刷新到7062米，标志我国具备了到达全球大部分海洋深处进行作业的能力。蛟龙号已经在中国南海、东太平洋、西北太平洋等海域执行73次下潜任务，进行了多次科研作业，而其中的一项重要任务就是考察可燃冰的海底出口。（14）3.开采方便2013年6月至9月，中国海洋地质科技人员在广东沿海珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度可燃冰样品，此次钻获的可燃冰样品中甲烷最高含量达99%，具有埋藏浅、厚度大、类型多、纯度高的四个主要特点。虽然海洋可燃冰开采难度更大，尚未形成成熟的开采方案，但我国已经迈出了开采的步伐。我国陆域可燃冰主要分布在青藏高原和东北冻土层，青藏高原的木里煤田含可燃冰岩层段埋藏浅，只有130-300米，很利于开采。3.2我国可燃冰开发进程自2002年开始，中国地质调查局组织专家科学论证，全面部署我国海域天然气水合物资源调查工作。通过广泛的技术交流、国际合作以及奋力攻关，系统获取了显示天然气水合物存在的地质（碳酸盐岩结壳、冷泉等）、地球物理（似海底地震发射波“BSR”等）、地球化学（烃类异常）、生物（菌席、双壳类生物）等综合异常信息，初步圈定了天然气水合物重点目标区，为后续钻获实物样品奠定了基础。与此同时，通过积极开展天然气水合物资源调查与评价关键技术的自主研发、引进、集成和创新，经过长期科技攻关，在天然气水合物资源勘查技术装备、实验测试装备、模拟测试技术、找矿预测技术、成矿理论等方面取得了重要进展——建成了具有世界先进水平的综合调查船，集成和创新了高分辨率多道地震等综合勘查技术，建立了天然气水合物资源勘查规范；形成了先进的并具有我国特色的天然气水合物勘查技术体系和成矿理论方法，多项成果荣获国家发明专利、国家实用型专利和计算机软件著作权等登记证书，为天然气水合物找矿突破奠定了坚实的技术和理论基础。我国海域天然气水合物资源调查与研究项目历时10年，获得四大调查成果：发现南海北部陆坡天然气水合物有利区，评价其资源潜力，圈定目标区，成果获取天然气水合物实物样品。2007年实施的天然气水合物取样，首次成功获取了实物样品，证实了我国南海北部蕴藏有丰富的天然气水合物资源。由此，使我国成为继美国、日本、印度之后第四个通过国家级研发计划采到天然气水合物实物样品的国家，也标志着我国天然气水合物调查研究水平一举步入世界先进行列。2009年，中国地质调查局组织实施的《祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程》施工完成的8个钻井中，有5个钻井钻获天然气水合物实物样品。这是我国冻土区首次钻获天然气水合物实物样品，也是全球首次在中低纬度高山冻土区发现天然气水合物实物样品。为进一步加大天然气水合物资源勘查力度，2011年国务院批准设立了新的天然气水合物国家专项。中国地质调查局广州海洋地质调查局通过进一步勘查，在珠江口盆地东部海域发现了天然气水合物有利目标区，经过科学论证确定了钻探取样井位。2013年5月～9月，在该区域实施了3个航段共计102天的钻探取样工作，开展了10口井的钻探取芯，均钻获实物样品，获取了大量天然气水合物实物样品。现场分析认为，该区域天然气水合物具有埋藏浅、矿层厚度大、含天然气水合物纯度高等特点，具有巨大的开发价值和广阔的资源前景。2013年8月，《祁连山及邻区天然气水合物资源勘查》项目组再次在青海省天峻县木里镇DK-9科学钻探试验井中，成功钻获天然气水合物实物样品，单层厚度超过20米。此次钻获天然气水合物，是该区“点”上突破后“扩边”勘查的重大进展，不仅扩大了祁连山冻土区天然气水合物的分布范围，而且证实了对该区天然气水合物控矿因素与形成机理的初步认识，验证了多学科综合找矿方法的有效性。参考文献：吴敏：《“可燃冰”开发现状》，载于《矿冶工程》2012年08月第32卷：32-33.舟丹：《可燃冰开发面临的挑战》，载于《能源链接》2010年第4期：101.CarolyonAnnKoh.E.DendySloan.ClathrateHydrateofNaturalGases.CRCPress,2008,12.Mak,T.C.W.,McMulln.R.K.J.Chem.Phys.,1965,42:2732RipmeesterJ.A,TseJ.s,RatcliffeC.I,PowellB.MANewclathtatestructure.Nutu1987,325:135RipmeesterJ.A,RatcliffeC.I.Low-temperaturecross-polarization/magicanglespinning/sup13/CNMRofsolidmethanehydrates:structure,cageoccupancy,andhydrationnumber.J.Phys.Chem,1988,92:337.UdachinK.A.,RatcliffeC.I,RipmeesterJ.A.FourthInternationalConferenceonGasHydrates.2002,23:604.AdamJ,Rondinone,BryanC.Chakoumakos,ClaudiaJ.Rawn,YoshinobuIshii,NeutronDrffractionStudyofStructureIandStructureⅡTri