冰封的能源--天然氣水合物

冰封的能源一天然氣水合物◆耿建華宋海斌天然氣水合物是由水和天然氣混合后在一定的溫后來(lái)BSR被認為是深海沉積地層中含天然氣水合物的度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度和pH值等條件下形反射地震標志。1972年在加拿大馬更些三角洲的西北成的冰狀或雪花狀的結晶化合物。組成天然氣的成分部也鉆遇到了含天然氣水合物地層。2000年在加拿大有甲烷(CH)、乙烷(CH)、丙烷(CH)、丁烷(CH1)等溫哥華岸外,漁民在約1000米水深的深海海底用魚(yú)網(wǎng)同系列烴類(lèi)化合物或這些烴類(lèi)化合物的混合物,還包直接拖到了塊狀的純天然氣水合物。從1970年代末到括部分二氧化碳(CO2)溴氣(Br2)、二氧化硫(SO2)、氮2002年,國際深海鉆探計劃和國際大洋鉆探計劃的12氣(N2)、硫化氫(HS)等。當組成天然氣水合物中氣體個(gè)航次在全球所有大洋底的幾十個(gè)站位都鉆遇到了天以烴類(lèi)氣體為主時(shí),天然氣水合物遇火即燃燒,因此俗然氣水合物沉積地層,并取得了天然氣水合物巖樣,對稱(chēng)“可燃冰”。天然氣水合物不僅因包含巨大的碳資源巖樣的氣體類(lèi)型分析表明,絕大多數巖樣分解產(chǎn)生的量被譽(yù)為21世紀的清潔能源同時(shí)也是全球碳循環(huán)的氣體中甲烷含量都超過(guò)9%2001-2002年由加拿大、重要儲載體,對全球環(huán)境變化起著(zhù)重大影響。日本、美國、印度和德國等5國組成的國際天然氣水合物開(kāi)發(fā)計劃,對加拿大馬更些三角洲凍土帶內的天然天然氣水合物研究概況氣水合物成功地進(jìn)行了試開(kāi)采,并鉆探了兩口地球物早在1810年英國科學(xué)家就在實(shí)驗室合成了氯氣理觀(guān)測井,開(kāi)展了包括地面高分辨反射地震、跨井地震水合物,1880年代又在實(shí)驗室相繼合成了CH4、CH、層析成像、地球物理測井、巖心地球物理與化學(xué)測量C2H4CH2等的氣體水合物。1930年代初期,人們開(kāi)始等,為天然氣水合物的勘探與開(kāi)發(fā)積累了技術(shù)與經(jīng)驗。注意到天然氣輸氣管道生成天然氣水合物造成的輸氣中國在“十五”期間也啟動(dòng)了海域天然氣水合物研究與管道堵塞問(wèn)題。1960年代中期蘇聯(lián)科學(xué)家首先預測到勘探計劃,在南海和東海都相繼發(fā)現了天然氣水合物極地的永凍層中存在天然氣水合物,隨后西伯利亞北存在的地球物理與地球化學(xué)異常顯示。部的麥索雅哈氣田也被認為是一個(gè)典型天然氣水合物目前普遍公認天然氣水合物在全世界范圍內廣泛藏。1970年代初期在深海地質(zhì)調查中有一個(gè)重大發(fā)現,存在,大約有27%的陸地和90%的大洋底是形成天然即在反射地震剖面上觀(guān)察到了特殊的地震反射現氣水合物的潛在地區,主要分布于極地和高原的永久象—似海底反射層 bottom simulating reflector,BsR),凍土區以及水深超過(guò)300米的海底和陸坡中。通過(guò)天然氣水合物形成的相平衡條件以及海底水溫、地溫梯耿建華:副教授同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院海洋地質(zhì)教育部度等數據分析表明,在永凍區天然氣水合物分布的深重點(diǎn)實(shí)驗室,上海200092。度大約是地面下300-2000米的深度,而在大洋底分宋海斌:副研究員,中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029布的深度是海底下500-600米的深度范圍內。初步估Geng Jianhua: Associate Professor, School of Ocean and Earth Science,凵中國煤化工全球所有化石燃料(包Tongji University, Laboratory of Marine Geology, Ministry of Education,CNMHG的2倍,而且由于天然Song Haibin: Associate Professor, Institute of Geology and Geophysics,氣永合物中氣體的9%為甲烷,因此天然氣水合物被Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029認為是21世紀替代常規化石燃料的新的清潔能源。2004年7月(56卷4期)滑天然氣水合物的分子結構是多個(gè)水分子通過(guò)氫鍵作用形成不同結構的籠狀體,而氣體分子通過(guò)范德瓦甲烷分子耳斯力的相互作用充填在籠中,可用M·nH2O來(lái)表示M代表氣體水合物中的氣體分子,n代表水分子數。氣體分子的類(lèi)型決定了籠形結構,也決定了氣體水合物氧原子原子的種類(lèi)。到目前為止,已經(jīng)發(fā)現的天然氣水合物結構有1型、Ⅱ型和H型。I型結構天然氣水合物籠形結構氧原子只容納CH4和CH這兩種輕烴以及N2、CO2、HS等非烴分子,亦稱(chēng)甲烷水合物,在自然界分布比較廣泛,普遍存在的形式是CH4575HO的幾何格架,按此計算1米3的甲烷水合物分解可產(chǎn)生164米3的甲烷氣體和天然氣水合物結構天然氣水合物具有籠形結構0.8米3的水。結構Ⅱ型氣體水合物的籠形結構除包水分子一般通過(guò)鍵合成多面體籠,籠中包含有氣體容甲烷和乙烷等輕烴分子外,可容納CH和CH等分子。這種構造使得天然氣水合物能在一種特定的高壓低溫條件下形成并穗定存在,但如果其所處的周?chē)責N類(lèi)分子。結構H型氣體水合物籠形結構可以容納環(huán)境條件改變而使得溫度、壓力平街條件到破壞時(shí),直徑超過(guò)CH0的重烴類(lèi)分子。在自然界也發(fā)現了就會(huì )導致天然氣水合物分解而逃逸。Il、H型三種氣體水合物共存的現象,而且實(shí)驗表明Ⅱ型和H型天然氣水合物比I型水合物更穩定。游離氣的含量也呈現不同的特征。在海洋環(huán)境下,除天然氣水合物成因溫度和壓力條件外,由微生物成因氣形成的天然氣水合物,其成藏動(dòng)力條件主要是沉積速率和沉積物中的自然界中天然氣水合物的成因以及甲烷在自然界有機碳含量。而由熱解成因氣形成的天然氣水合物中的循環(huán)還不是十分清楚,但天然氣水合物的形成須其成藏動(dòng)力條件主要是構造和地下流體的活動(dòng),地球具備三個(gè)基本條件。首先是必須有充足的天然氣和水,深部熱解成因氣通過(guò)流體活動(dòng)沿斷層通道或通過(guò)海底其次是特定的溫度和壓力條件,再是要有足夠的生長(cháng)泥火山的噴發(fā)向海底淺部運移,在適當的溫壓條件下空間。根據甲烷水合物的分子結構,只有當水晶格的形成天然氣水合物穩定帶,有的甚至直達海底溢出天90%空間被甲烷氣體分子充填時(shí)才能形成甲烷水合然氣或直接在海底形成天然氣水合物。當然,沉積物物,這樣甲烷和水的體積比至少要達到1501才能滿(mǎn)中天然氣水合物和游離氣濃度的大小不僅取決于成藏足上述條件,但是在常溫和常壓下甲烷在海水中的溶動(dòng)力條件的差異,還與古環(huán)境、古地理和沉積物性質(zhì)密解度(0045)很低,因此天然氣水合物在自然界中只能切相關(guān)。天然氣水合物主要分布于兩種地質(zhì)構造背景形成于甲烷十分豐富的區域。此外天然氣水合物的穩被動(dòng)大陸邊緣(典型地區是美國布萊克海嶺)與活動(dòng)大定存在要求低溫高壓條件,重烴類(lèi)氣體以及CO2氣體陸邊緣(典型地區是加拿大溫哥華岸外)。在活動(dòng)大陸成分的增加會(huì )擴大天然氣水合物的穩定范圍,而水中邊緣,天然氣水合物的形成與板塊俯沖引起的構造與鹽度及N2含量的增加會(huì )使穩定范圍縮小。熱流體活動(dòng)關(guān)系密切。大量的研究表明,形成天然氣水合物的天然氣有天然氣水合物探測技術(shù)三種來(lái)源。第一種來(lái)源于微生物分解海底沉積物中的有機碳形成的甲烷,第二種來(lái)源于地球深部(海底或盡管天然氣水合物在自然界廣泛分布,并可通過(guò)地表下數千米)的熱解天然氣,第三種來(lái)源是上述兩相平衡與溫壓條件推測天然氣水合物成藏的潛在區種氣體的混合物。天然氣的三種成因可以通過(guò)同位素但是具體確定天然氣水合物藏的位置要依靠多種高新地球化學(xué)方法加以區分。天然氣水合物穩定存在的區探測技術(shù),主要為采樣與直接觀(guān)測技術(shù)、地球物理探測域為天然氣水合物穩定帶,它是由沉積物、水、氣以技術(shù)和地球化學(xué)探測技術(shù),其中一些技術(shù)可應用于陸及天然氣水合物組成的多相動(dòng)態(tài)平衡系統。在海洋天地凍土環(huán)境下天然氣水合物藏的探測。然氣水合物穩定帶下面往往還有含游離氣層的存在,中國煤化工而天然氣水合物穩定帶是這些游離氣的良好封閉層。CNMHG含采集海底水樣、海不同成因氣體形成的天然氣水合物其成藏動(dòng)力條底淺表兩底休層仉積物巖樣等。通過(guò)對樣件也完全不同,天然氣水合物穩定帶中氣體水合物與品的觀(guān)察與測試分析可推測海底沉積物中含天然氣水萬(wàn)方)(雙月刊)合物的可能性。在采樣過(guò)程常采用保溫保壓取樣技術(shù),以保證樣品的原位特性,即要保證樣品從海底提到海面時(shí)不會(huì )因為溫度和壓力的變化而導致沉積物中氣體海底反射水合物的分解。反射空白傾斜地層反射直接觀(guān)測是通過(guò)海底攝像系統或載人深潛器觀(guān)察海底與含天然氣水合物有關(guān)的一些特殊現象,如海底氣泡上溢(由于地溫變化或其他原因引起氣體水合物分解)、海底冷泉群、微地貌、噬烴類(lèi)(氣體水合物分解釋放出的烴)、依賴(lài)化學(xué)作用自養生物群及其產(chǎn)物生物自生碳酸鹽巖等。地球物理探測技術(shù)似海底反射層(BsR)似海底反射層是海底的異由于取樣與直接觀(guān)測方法費用昂貴并且只局限在常地震反射層,在地震剖面上甚為明顯,是海洋沉積物個(gè)點(diǎn),大面積探測海洋天然氣水合物主要依靠聲探中存在天然氣水合物的最直接證據,其位于海底之下幾百米處與海底地形近于平行。似海底反射層實(shí)際上測與反射地震探測等地球物理探測技術(shù),此外在有鉆代表了海底沉積物中天然氣水合物穩定帶基底孔的條件下還可進(jìn)行井中地球物理測量。聲探測與反射地震探測有不同的目標。聲探測頻作用的強度)、鉆井井徑擴大(氣體水合物分解后引起率在數百赫茲以上,具有很高的垂向分辨率,能夠很好含氣體水合物層段井壁坍塌)等現象。若鉆井取得巖心分辨通向海底的微小斷層或由于水合物分解引起的資料,還可在實(shí)驗室對巖樣開(kāi)展一系列物理測量。例“氣煙囪”,指示氣體或流體運移的空間位置。反射地如,利用超聲技術(shù)測量巖樣的超聲波傳播速度、傳播能震探測的頻率在數十赫茲范圍內,反射地震剖面上能量的衰減等,利用X射線(xiàn)掃描斷面層析成像和核磁夠顯示天然氣水合物存在的顯著(zhù)標志BSR。BSR一般共振等技術(shù)研究沉積物的結構以及天然氣水合物在沉呈現出強振幅、負極性(與海底反射相比)、平行于海底積物孔隙空間中的分布特征,從而為聲探測、反射地震并與沉積構造相交的特征,其中BSR平行海底和與沉探測等其他一系列物理探測技術(shù)提供標定。積結構斜交的顯著(zhù)特征可用海水深度、海底溫度以及地球化學(xué)探測技末地溫梯度的變化來(lái)解釋,而B(niǎo)SR的強振幅與負極性特在海底天然氣水合物的富集區,海底底水和沉積征可用含天然氣水合物沉積地層的速度結構來(lái)解釋。物中孔隙水往往形成天然氣地球化學(xué)異常,這些異常深海海底高孔隙沉積物地震縱波的傳播速度一般為不僅可指示天然氣水合物存在的可能位置,而且可利1500~1700米/秒,但是如果沉積物孔隙中充填了天然用其烴類(lèi)濕度值及碳同位素成分判斷天然氣水合物中氣水合物時(shí),縱波傳播速度會(huì )顯著(zhù)增大,一般會(huì )超過(guò)天然氣的成因。1800米秒,甚至高達2500米/秒。另外縱波速度還隨由于天然氣水合物的籠形結構只允許純水進(jìn)入而沉積物中天然氣水合物濃度的增大而增大。地下溫度不允許鹽離子進(jìn)入,天然氣水合物形成將使周?chē)碾S著(zhù)深度的增大而上升,當溫度超出了天然氣水合物鹽度增高,反之天然氣水合物的分解將會(huì )使孔隙水鹽的穩定界限后,在天然氣水合物穩定帶下伏地層中就度變小。在常溫常壓下對樣品孔隙水鹽離子濃度如氯不會(huì )有天然氣水合物存在,甚至沉積孔隙中會(huì )充填游離子或硫酸根離子測量,若其濃度降低則揭示沉積物離的天然氣,從而導致穩定帶下伏層地震縱波速度顯中含天然氣水合物的可能性。另外隨著(zhù)天然氣水合物著(zhù)降低,這樣穩定帶和游離氣層之間形成了一個(gè)強波地球化學(xué)探測技術(shù)的深入研究,還發(fā)現了天然氣水合阻抗界面,在反射地震波剖面上表現為強振幅與反極物新的地球化學(xué)異常標志,如水中氘的富集、天然氣中性特征,而且BSR與這個(gè)含天然氣水合物穩定帶基底氦的增高等。大體對應。海底沉積物中含天然氣水合物顯著(zhù)改變了沉積物天然氣水合物開(kāi)發(fā)技術(shù)的物理特性,因此若在鉆孔中開(kāi)展地球物理測量也可EdHs穩定條件可使其分解成識別出含天然氣水合物沉積地層。含天然氣水合物沉中國煤化工氣〔的常規方法來(lái)開(kāi)采天積地層往往具有高電阻率、小聲波時(shí)差(速度高)、自然CNMHG氣水合物分解的方法原電位差幅度低(水合物堵塞了孔隙降低了擴散和滲濾則上都能用來(lái)開(kāi)發(fā)天然氣水合物。目前工程上有熱激200年月55卷4期)●法、降壓法和化學(xué)試劑法三種主要的開(kāi)發(fā)技術(shù)。氣中的CO2與天然氣水合物藏中的天然氣置換,讓大熱激法是將蒸汽、熱水或其他熱流體注入含氣體氣中的CO2沉寂在海底形成二氧化碳水合物這樣不水合物地層,也可采用開(kāi)采稠油使用的火驅法或利用僅可以降低全球工業(yè)化排放CO2引起的溫室效應,而鉆桿加熱器,讓地層溫度升高促使氣體水合物分解。且避免了開(kāi)采天然氣水合物引起的災害性問(wèn)題熱激法開(kāi)采技術(shù)會(huì )造成大量的熱能損耗,近年來(lái)人們天然氣水合物在全球碳循環(huán)、全球變暖及海平面為了提高熱激法的效率采用井下電磁加熱方法,該方變化方面充當了重要角色。盡管大氣中甲烷的濃度是法是在靠近氣體水合物帶的上下層或直接在氣體水合二氧化碳濃度的1200,但是甲烷的溫室效應是二氧物層內放入不同的電極,通以交流電進(jìn)行加熱?；嫉臄当?。自然界天然氣水合物中的主要成分是甲降壓法是通過(guò)降低壓力而促使天然氣水合物分烷,全球變暖會(huì )導致天然氣水合物失穩而分解大量甲解。主要是通過(guò)讓氣體水合物層之下游離氣的壓力降烷進(jìn)入大氣,從而增強溫室效應。而全球溫度升高會(huì )低,使與含游離氣層接觸的氣體水合物變得不穩定而引起地球兩極的冰蓋融化,導致海平面上升,而海平面分解?？梢酝ㄟ^(guò)先開(kāi)采含氣體水合物層之下的游離氣上升又會(huì )導致海底靜水壓力增大,這樣又使天然氣水來(lái)降低壓力,也可調節開(kāi)采天然氣的速度來(lái)達到控制合物的穩定性增高,一些溶解于水中的甲烷又會(huì )沉寂壓力的目的,進(jìn)而控制氣體水合物分解速度。減壓法起來(lái),這只是甲烷參與全球碳循環(huán)的一種簡(jiǎn)單的解釋,最大的特點(diǎn)是不需要耗能,可能是今后大規模開(kāi)采天實(shí)際上問(wèn)題可能遠比這復雜。在地質(zhì)歷史時(shí)期全球災然氣水合物的有效方法之一。但是單純使用減壓法開(kāi)變方面古新世末(約5550萬(wàn)年前)深海生物滅絕事件采速度較慢可能為海洋天然氣水合物分解所引發(fā)。由于古新世末化學(xué)試劑法是通過(guò)采用一些化學(xué)試劑,如鹽水、甲全球增溫使海洋底層水溫升高了4-8℃,導致大量天醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等可改變天然氣水合物形成然氣水合物的分解,釋放出的甲烷通過(guò)細菌和水中溶的相平衡條件,以降低水合物穩定溫度與壓力,從而引解氧反應產(chǎn)生二氧化碳,消耗了大量的溶解氧,海底高起氣體水合物的分解?；瘜W(xué)試劑法較熱激法作用緩慢水溫與貧溶解氧造成了許多深海生物死亡。且費用昂貴天然氣水合物在其他領(lǐng)域也有廣泛的應用。例如天然氣水合物發(fā)展前景天然氣長(cháng)距離的管道運輸費用要比使天然氣固化成天然氣水合物運輸費用昂貴,而且天然氣管道運輸還會(huì )天然氣水合物作為可利用的能源在自然界的具體帶來(lái)天然氣水合物堵塞管道等問(wèn)題,因此可研究經(jīng)濟分布和準確的蘊藏量目前仍不是十分清楚,而且天然的天然氣固化技術(shù)來(lái)代替管道運輸。氣水合物的動(dòng)力成因、探測技術(shù)以及開(kāi)發(fā)技術(shù)方面都還有待深入研究。在天然氣水合物的成因方面,其形史斗孫成權朱岳年編國外天然氣水合物研究進(jìn)展,蘭州:蘭州大成涉及從分子運動(dòng)的時(shí)間尺度到百萬(wàn)年級的地質(zhì)年代學(xué)出版社,1992尺度(構造與沉積),且形成動(dòng)力過(guò)程非常復雜。在探2 Dickens G R, Paull C K, et a. Direct Measurement of in Situ Methane測技術(shù)方面,BSR被認為是含天然氣水合物沉積地層Quantities in A Larger Gas-Hydrate Reservoir Nature, 1997, 385: 462典型的反射地震標志,但是在一些海域也發(fā)現了沒(méi)有③] Davie K, Buffett B A. Numerical Model for the Formation of GasHydrate Below the Seafloor. Journa of Geophysical Research, 2001BSR的情況下也同樣存在天然氣水合物,說(shuō)明原有的認識還有待深化。在開(kāi)發(fā)技術(shù)方面,盡管在永凍區的馬在田宋海斌孫建國海洋天然氣水合物的地球物理探測高新技俄羅斯麥索雅哈氣田和加拿大馬更些三角洲等地對天術(shù),地球物理學(xué)進(jìn)展,200163)1然氣水合物藏成功進(jìn)行了試開(kāi)采,但是在深海海底開(kāi)5] Singh SC Minshull T A, et al, Velocity Structure of Gas-Hydrate Reflec發(fā)天然氣水合物要比在永凍層中開(kāi)發(fā)天然氣水合物困tor. Science. 1993. 260 204難得多,因為海洋環(huán)境下天然氣水合物一般儲存于海宋海斌天然氣水合物體系動(dòng)態(tài)演化研究(①):地質(zhì)歷史演變地球物底陸坡淺表層高孔隙的沉積物中,天然氣水合物產(chǎn)出理學(xué)進(jìn)展,2003,18(2:188會(huì )引起海底沉積物剛性減弱,從而可能導致海底滑坡引發(fā)海嘯等災害。此外開(kāi)采過(guò)程中的穩定性控制也非關(guān)鍵詞:天然氣水合物地球物理地球化學(xué)常重要,因為天然氣水合物一旦快速分解有可能會(huì )產(chǎn)中國煤化工生連鎖反應,氣體的快速膨脹會(huì )帶來(lái)爆炸等災難CNMHG些科學(xué)家設想了一種安全和環(huán)保的開(kāi)采技術(shù),即將大《科學(xué)》(雙月刊)