新能源：可燃冰

新能源：可燃冰6.其它綠色新能源可燃冰可燃冰的學(xué)名是天然氣水合物(GasHydrates),這是天然氣和水在特定的條件下所形成的一種透明的冰狀結(jié)晶體,又稱“氣冰”、“固體瓦斯”。是一種清潔高效、使用方便的新能源?？扇急谧匀唤鐝V泛分布在大陸永久凍土、島嶼的斜坡地帶、活動(dòng)和被動(dòng)大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境。

全球天然氣水合物的儲(chǔ)量是現(xiàn)有天然氣、石油儲(chǔ)量的兩倍，具有廣闊的開發(fā)前景，美國、日本等國均已經(jīng)在各自海域發(fā)現(xiàn)并開采出天然氣水合物，據(jù)測(cè)算，中國南海天然氣水合物的資源量為700億噸油當(dāng)量，約相當(dāng)中國目前陸上石油、天然氣資源量總數(shù)的二分之一。

中國在南海北部成功鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品“可燃冰”，成為繼美國，日本，印度之后,第4個(gè)通過國家級(jí)研發(fā)計(jì)劃采到水合物實(shí)物樣品的國家?？扇急臉?gòu)成天然氣水合物與天然氣成分相似，且更為純凈，簡單地說，它是天然氣被包進(jìn)水分子中，在海底低溫和很高壓力下形成的一種冰狀的固態(tài)晶體。在一定條件（合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、PH值等）下由水和天然氣,在中高壓和低溫條件下混合時(shí)組成的類冰的、非化學(xué)計(jì)量的、籠形結(jié)晶化合物（碳的電負(fù)性較大，在高壓下能吸引與之相近的氫原子形成氫鍵，構(gòu)成籠狀結(jié)構(gòu)）。它可用mCH4·nH2O來表示，m代表水合物中的氣體分子，n為水分子數(shù)。

可燃冰的性能能量密度高，燃燒值高。1立方米的可燃冰可在常溫常壓下釋放164立方米的天然氣及0.8立方米的淡水

。清潔無污染（幾乎不產(chǎn)生任何燃燒廢棄物）使用方便。壓力降低就足以使天然氣水合物晶體分解并釋放出大量甲烷氣體。危險(xiǎn)性高可燃冰的形成條件水合甲烷的物質(zhì)大量沉積低于20oC的溫度較大的壓力

科學(xué)家的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，僅僅在海底區(qū)域，可燃冰的分布面積就達(dá)4000萬平方公里，占地球海洋總面積的1/4。目前，世界上已發(fā)現(xiàn)的可燃冰分布區(qū)多達(dá)116處，其礦層之厚、規(guī)模之大，是常規(guī)天然氣田無法相比的?？茖W(xué)家估計(jì)，海底可燃冰的儲(chǔ)量至少夠人類使用1000年，它將來有望替代煤、石油和天然氣，成為“世紀(jì)的新能源”。

天然氣水合物可以通過底質(zhì)沉積物取樣、鉆探取樣和深潛考察等方式直接識(shí)別，也可以通過擬海底反射層（BSR）、速度和震幅異常結(jié)構(gòu)、地球化學(xué)異常等方式間接識(shí)別。大規(guī)模的甲烷水合物聚集可以通過高電阻率（>100歐米）聲波速度、低體積密度等號(hào)數(shù)進(jìn)行直接判讀?？扇急淖R(shí)別

地震標(biāo)志

因?yàn)樗衔飳拥牡捉缑嬷饕芩诤Ｓ虻牡販靥荻瓤刂疲挥诤５滓韵乱欢ǖ纳疃?，因此BSR基本平行于海底，被稱為“擬海底反射層”。BSR是地震剖面上的一個(gè)平行或基本平行于海底、可切過一切層面或斷層的反射界面。天然氣水合物穩(wěn)定帶之下常圈閉著大量的游離甲烷氣體，從而導(dǎo)致在地震反射剖面上產(chǎn)生BSR.現(xiàn)已證實(shí)，BSR代表的是氣體水合物穩(wěn)定帶的基底，其上為固態(tài)的水合物層段，聲波速率高，其下為游離氣沉積物，聲波速率低，因而在地震剖面上形成強(qiáng)的負(fù)阻抗反射界面。

BSR除被用來識(shí)別天然氣水合物的存在和編制水合物分布圖外，還被用來判明天然氣水合物層的頂?shù)捉绾彤a(chǎn)狀，計(jì)算水合物層深度、厚度和體積。

然而，并不是所有的水合物都存在BSR.在平緩的海底，即使有天然氣水合物，也不易識(shí)別出BSR.BSR常常出現(xiàn)在斜坡或地形起伏的海域。另外，也并不是所有的BSR都對(duì)應(yīng)有天然氣水合物。在極少數(shù)情況下，其它因素也可能導(dǎo)致BSR.還應(yīng)注意的是，盡管絕大部分水合物層都位于BSR之上，但并不是所有的水合物層都位于BSR之上，這已被深海鉆探證明。

因此，BSR不能被作為天然氣水合物的唯一標(biāo)志，應(yīng)結(jié)合其它方法綜合判斷。

1810年，首次在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)天然氣水合物。

1934年，前蘇聯(lián)在被堵塞的天然氣輸氣管道里發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。這一發(fā)現(xiàn)引起前蘇聯(lián)人對(duì)天然氣水合物的重視。

1965年，前蘇聯(lián)首次在西西伯利亞永久凍土帶發(fā)現(xiàn)天然氣水合物礦藏，并引起多國科學(xué)家的注意。

1970年，前蘇聯(lián)開始對(duì)該天然氣水合物礦床進(jìn)行商業(yè)開采。

1971年，美國學(xué)者Stoll等人在深海鉆探巖心中首次發(fā)現(xiàn)海洋天然氣水合物，并正式提出“天然氣水合物”概念。

1974年，前蘇聯(lián)在黑海1950米水深處發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物的冰狀晶體樣品。

1979年，國際深海鉆探計(jì)劃DSDP第66和67航次在墨西哥灣實(shí)施深海鉆探，從海底獲得91.24米的天然氣水合物巖心，首次驗(yàn)證了海底天然氣水合物礦藏的存在。

1981年，DSDP計(jì)劃利用“格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)”鉆探船也從海底取上了3英尺長的水合物巖心。

1992年，大洋鉆探計(jì)劃(ODP)第146航次在美國俄勒岡州西部大陸邊緣Cascadia海臺(tái)取得了天然氣水合物巖心可燃冰的發(fā)展歷程

1995年，ODP第164航次在美國東部海域布萊克海臺(tái)實(shí)施了一系列深海鉆探，取得了大量水合物巖心，首次證明該礦藏具有商業(yè)開發(fā)價(jià)值。

1997年，大洋鉆探計(jì)劃考察隊(duì)利用潛水艇在美國南卡羅來納海上的布萊克海臺(tái)首次完成了水合物的直接測(cè)量和海底觀察。同年，ODP在加拿大西海岸胡安-德夫卡洋中脊陸坡區(qū)實(shí)施了深海鉆探，取得了天然氣水合物巖心。至此，以美國為首的DSDP及其后繼的ODP在10個(gè)深海地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模天然氣水合物聚集：秘魯海溝陸坡、中美洲海溝陸坡(哥斯達(dá)黎加、危地馬拉、墨西哥)、美國東南大西洋海域、美洲西部太平洋海域、日本的兩個(gè)海域、阿拉斯加近海和墨西哥灣等海域。

1996年和1999年期間，德國和美國科學(xué)家通過深潛觀察和抓斗取樣，在美國俄勒岡州岸外Cascadia海臺(tái)的海底沉積物中取到嘶嘶冒著氣泡的白色水合物塊狀樣品，該水合物塊可以被點(diǎn)燃，并發(fā)出熊熊的火焰。

1998年，日本通過與加拿大合作，在加拿大西北Mackenzie三角洲進(jìn)行了水合物鉆探，在890～952米深處獲得37米水合物巖心。該鉆井深1150米，是高緯度地區(qū)永凍土帶研究氣體水合物的第一口井。

1999年，日本在其靜岡縣御前崎近海挖掘出外觀看起來象濕潤雪團(tuán)一樣的天然氣水合物

(1)熱激發(fā)開采法直接對(duì)天然氣水合物層進(jìn)行加熱，使天然氣水合物層的溫度超過其平衡溫度，促使天然氣水合物分解為水與天然氣的開采方法。此法經(jīng)歷了直接向天然氣水合物層中注入熱流體加熱、火驅(qū)法加熱、井下電磁加熱，以及微波加熱等發(fā)展歷程。熱激發(fā)開采法可實(shí)現(xiàn)循環(huán)注熱，且作用方式較快。但這種方法至今尚未很好解決熱利用效率較低的問題，而且只能進(jìn)行局部加熱，該方法尚需進(jìn)一步完善。

（2）減壓開采法通過降低壓力促使可燃冰分解的開采方法：①采用低密度泥漿鉆井達(dá)到減壓目的；②當(dāng)天然氣水合物層下方存在游離氣或其他流體時(shí)，通過泵出天然氣水合物層下方的游離氣或其他流體來降低天然氣水合物層的壓力。此法不需要連續(xù)激發(fā)，成本較低，適合大面積開采，是天然氣水合物傳統(tǒng)開采方法中最有前景的一種技術(shù)。但它對(duì)天然氣水合物藏的性質(zhì)有特殊的要求，只有當(dāng)天然氣水合物藏位于溫壓平衡邊界附近時(shí)，減壓開采法才具有經(jīng)濟(jì)可行性。可燃冰的開采(3)化學(xué)試劑注入開采法通過向天然氣水合物層中注入某些化學(xué)試劑，如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，破壞天然氣水合物的相平衡條件，促使天然氣水合物分解。這種方法雖然可降低初期能量輸入，但它所需的化學(xué)試劑費(fèi)用昂貴，對(duì)天然氣水合物層的作用緩慢，而且還會(huì)帶來一些環(huán)境問題，所以，目前對(duì)這種方法投入的研究相對(duì)較少。(1)CO2

置換開采法。

首先由日本研究者提出，方法依據(jù)的仍然是天然氣水合物穩(wěn)定帶的壓力條件。在一定的溫度條件下，天然氣水合物保持穩(wěn)定需要的壓力比CO2

水合物更高。因此在某一特定的壓力范圍內(nèi)，天然氣水合物會(huì)分解，而CO2

水合物則易于形成并保持穩(wěn)定。如果此時(shí)向天然氣水合物內(nèi)注入CO2

氣，CO2

氣體就可能與天然氣水合物分解出的水生成CO2水合物。新型開采方法

(2)

固體開采法。

最初是直接采集海底固態(tài)天然氣水合物，將天然氣水合物拖至淺水區(qū)進(jìn)行控制性分解。后來演化為混合開采法或稱礦泥漿開采法。該方法的具體步驟是，首先促使天然氣水合物在原地分解為氣液混合相，采集混有氣、液、固體水合物的混合泥漿，然后將這種混合泥漿導(dǎo)入海面作業(yè)船或生產(chǎn)平臺(tái)進(jìn)行處理，促使天然氣水合物徹底分解，從而獲取天然氣。

典型開采研究實(shí)例

麥索亞哈氣田天然氣水合物的開采，該氣田發(fā)現(xiàn)與20年代60年代，位于前蘇聯(lián)西伯利亞西北部，氣田區(qū)常年凍土層厚度大于500m。麥索亞哈氣田為常規(guī)氣田，氣田中的天然氣透過蓋層發(fā)生運(yùn)移，在有利的環(huán)境條件下，在氣田上方形成了天然氣水合物層。該氣田的天然氣水合物藏首先是經(jīng)由減壓途徑無意中得以開采的。通過開采天然氣水合物藏之下的常規(guī)天然氣,致使天然氣水合物層壓力降低，天然氣水合物發(fā)生分解。后來，為了促使天然氣水合物的進(jìn)一步分解，維持產(chǎn)氣量，特意向天然氣水合物藏中注入了甲醇和氯化鈣等化學(xué)抑制劑。

美國阿拉斯加北部普拉德霍灣—庫帕勒克河地區(qū)，位于阿拉斯加北部斜坡地帶。1972年阿科石油公司和?？松凸驹谄绽禄魹秤吞镢@探常規(guī)油氣井時(shí)于664～667m層段采出了天然氣水合物巖心。其后在阿拉斯加北部斜坡區(qū)進(jìn)行了大量天然氣水合物研究。在此基礎(chǔ)上，2003年在該區(qū)實(shí)施了一項(xiàng)引人注目的天然氣水合物試采研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目由美國Anadarko石油公司、Noble公司、Mau2rer技術(shù)公司以及美國能源部甲烷水合物研究與開發(fā)計(jì)劃處聯(lián)合發(fā)起，目標(biāo)是鉆探天然氣水合物研究與試采井———熱冰1井。這是阿拉斯加北部斜坡區(qū)專為天然氣水合物研究和試采而鉆的第一口探井?？扇急拈_發(fā)利用

1810年，英國，達(dá)威在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)“天然冰”.雖然是塊全球矚目的大蛋糕，但開發(fā)利用仍然很困難：勘探定位技術(shù)，開采技術(shù)提制可燃?xì)獾募夹g(shù)運(yùn)輸?shù)膯栴}低成本開發(fā)環(huán)境問題可燃冰開采中的環(huán)境問題天然氣水合物的開采會(huì)改變天然氣水合物賴以賦存的溫壓條件，引起天然氣水合物的分解。在開采過程中如果不能有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)溫壓條件的控制，就可能產(chǎn)生一系列環(huán)境問題，如溫室效應(yīng)的加劇、海洋生態(tài)的變化以及海底滑塌事件等。(1)甲烷作為強(qiáng)溫室氣體,它對(duì)大氣輻射平衡的貢獻(xiàn)僅次于二氧化碳。一方面，全球天然氣水合物中蘊(yùn)含的甲烷量約是大氣圈中甲烷量的3000倍;另一方面，天然氣水合物分解產(chǎn)生的甲烷進(jìn)入大氣的量，即使只有大氣甲烷總量的0.5%,也會(huì)明顯加速全球變暖的進(jìn)程。因此，天然氣水合物開采過程中如果不能很好地對(duì)甲烷氣體進(jìn)行控制，就必然會(huì)加劇全球溫室效應(yīng)。除溫室效應(yīng)之外，海洋環(huán)境中的天然氣水合物開采還會(huì)帶來更多問題。①進(jìn)入海水中的甲烷會(huì)影響海洋生態(tài)。甲烷進(jìn)入海水中后會(huì)發(fā)生較快的微生物氧化作用，影響海水的化學(xué)性質(zhì)。甲烷氣體如果大量排入海水中，其氧化作用會(huì)消耗海水中大量的氧氣，使海洋形成缺氧環(huán)境，從而對(duì)海洋微生物的生長發(fā)育帶來危害。②進(jìn)入海水中的甲烷量如果特別大，則還可能造成海水汽化和海嘯，甚至?xí)a(chǎn)生海水動(dòng)蕩和氣流負(fù)壓卷吸作用，嚴(yán)重危害海面作業(yè)甚至海域航空作業(yè)。（2)開采過程中天然氣水合物的分解還會(huì)產(chǎn)生大量的水，釋放巖層孔隙空間，使天然氣水合物賦存區(qū)地層的固結(jié)性變差，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)變。海洋天然氣水合物的分