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天然气水合物-未来清洁的新能源

发布人: 来源:网络 时间:2011/4/9 点击:9101

天然气水合物是由天然气与水分子在高压、低温条件下合成的一种固态类冰结晶物质。在大陆边缘深水沉积物上部数百米中,有巨量的天然气被蕴藏在冰冷的天然气水合物中。世界上天然气水合物中碳总量可能是地球上其它化石燃料中碳总量的两倍。天然气水合物中温室气体甲烷的总量可能是现在大气中甲烷总量的3000 倍。因此,天然气水合物对世界能源和全球气候变化都具有十分重要的意义。
    天然气水合物的概念

  天然气水合物,也称气体水合物(gas hydrate),是由天然气与水分子在高压(>100 大气压或>10MPa)和低温(010 )条件下合成的一种固态结晶物质。因天然气中80%90%的成分是甲烷,故也有人叫天然气水合物为甲烷水合物(methane hydrate methane gas hydrate)。天然气水合物多呈白色或浅灰色晶体外貌类似冰雪,可以象酒精块一样被点燃,故也有人叫它"可燃冰"

  从化学结构来看,天然气水合物是这样构成的:由水分子搭成象笼子一样的多面体格架,以甲烷为主的气体分子被包含在笼子格架中。不同的温压条件,具有不同的多面体格架。

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、电介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。

    天然气水合物的发现

  1810 年,首次在实验室发现天然气水合物。

  1934 年,前苏联在被堵塞的天然气输气管道里发现了天然气水合物。由于水合物的形成,输气管道被堵塞。这一发现引起前苏联人对天然气水合物的重视。

  1965 年,前苏联首次在西西伯利亚永久冻土带发现天然气水合物矿藏,并引起多国科学家的注意。1970 年,前苏联开始对该天然气水合物矿床进行商业开采。

  1970 年,国际深海钻探计划(DSDP)在美国东部大陆边缘的布莱克海台实施深海钻探,在海底沉积物取心过程中,发现冰冷的沉积物岩心嘶嘶地冒着气泡,并达数小时。当时的海洋地质学家非常不解。后来才知道,气泡是水合物分解引起的,他们在海底取到的沉积物岩心其实含有水合物。

  1971 年,美国学者Stoll 等人在深海钻探岩心中首次发现海洋天然气水合物,并正式提出"天然气水合物"概念。

  1974 年,前苏联在黑海1950 米水深处发现了天然气水合物的冰状晶体样品。

  1979 年,DSDP 66 67 航次在墨西哥湾实施深海钻探,从海底获得91.24米的天然气水合物岩心,首次验证了海底天然气水合物矿藏的存在。

  1981 年,DSDP计划利用"格罗玛挑战者号"钻探船也从海底取上了3 英尺长的水合物岩心。

  1992 年,大洋钻探计划(ODP)第146 航次在美国俄勒冈州西部大陆边缘Cascadia 海台取得了天然气水合物岩心。

  1995 年,ODP 164 航次在美国东部海域布莱克海台实施了一系列深海钻探,取得了大量水合物岩心,首次证明该矿藏具有商业开发价值。

  1997 年,大样钻探计划考察队利用潜水艇在美国南卡罗来纳海上的布莱克海台首次完成了水合物的直接测量和海底观察。同年,ODP 在加拿大西海岸胡安-德夫卡洋中脊陆坡区实施了深海钻探,取得了天然气水合物岩心。至此,以美国为首的DSDP 及其后继的ODP 10 个深海地区发现了大规模天然气水合物聚集:秘鲁海沟陆坡、中美洲海沟陆坡(哥斯达黎加、危地马拉、墨西哥)、美国东南大西洋海域、美洲西部太平洋海域、日本的两个海域、阿拉斯加近海和墨西哥湾等海域。

  1996 年和1999 年期间,德国和美国科学家通过深潜观察和抓斗取样,在美国俄勒冈州岸外Cascadia 海台的海底沉积物中取到嘶嘶冒着气泡的白色水合物块状样品,该水合物块可以被点燃,并发出熊熊的火焰。

  1998 年,日本通过与加拿大合作,在加拿大西北Mackenzie 三角洲进行了水合物钻探,在890952 米深处获得37 米水合物岩心。该钻井深1150 米,是高纬度地区永冻土带研究气体水合物的第一口井。

  1999 年,日本在其静冈县御前崎近海挖掘出外观看起来象湿润雪团一样的天然气水合物。

  到目前为止,在世界海域内已有60 处直接或间接发现了天然气水合物,其中在18 处钻探岩心中见到天然气水合物,42 处见有天然气水合物的地震标志BSR

    天然气水合物的形成条件与分布规律

  天然气水合物的形成与分布主要受烃类气体来源和一定的温压条件控制。天然气水合物的形成必须有充足的天然气来源,必须有低温或高压条件,这决定了它的特殊分布。从目前来看,天然气水合物主要分布在地球上两类地区:一类地区是水深为300 m4000 m 的海洋,在这里,天然气水合物基本是在高压条件下形成的,主要分布于泥质海底,赋存于海底以下01500 米的松散沉积层中;另一类地区是高纬度大陆地区永冻土带及水深100250 米以下极地陆架海,在这里,天然气水合物主要是在低海面时期低温条件下形成。

  水合物所赋存的沉积物多是新生代沉积。在沉积层中,水合物要么是以分散状胶结尚未固结的泥质沉积物颗粒,要么是以结核状、团块状和薄层状的集合体形式赋存于沉积物中,还可能以细脉状、网脉状充填于沉积物的裂隙之中。根据研究,生成天然气水合物的烃类气体主要来自于沉积物中微生物对有机质的分解,个别地区也有部分气体来自于深部沉积层中有机质的热分解(如美国东南大陆边缘水合物的部分气源是厚度大于13 公里的卡罗莱纳组)。这些气体在海底沉积物的孔隙空间中形成水合物。水合物的生成非常迅速,最近德国科学家在海底甲烷气体取样器和照相机上就见有水合物生成。但海底天然气水合物矿藏的形成可能要持续数百万年。

  从全球来看,海洋天然气水合物占绝对优势。海洋天然气水合物分布于世界各大洋边缘海域的大陆坡、陆隆(深水海台)和盆地,以及一些内陆海。例如,西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、日本四国海槽、日本南海海槽、印尼苏拉威西海、澳大利亚西北海域及新西兰北岛外海,东太平洋海域的中美海槽、美国北加利福尼亚-俄勒冈岸外海域及秘鲁海槽,大西洋西部海域的美国东海大陆边缘布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海及南美东海岸外陆缘海,以及非洲西海岸岸外海域、印度洋的阿曼海湾、北极的巴伦支海和波弗特海、南极的罗斯海和威德尔海、内陆的黑海和里海等。已有发现说明,海洋天然气水合物主要分布在北半球,且以太平洋边缘海域最多,其次是大西洋。陆坡、陆隆区是形成天然气水合物的最佳地区,这里沉积物较发育,有机质丰富,以甲烷为主的烃类气体来源充足,有利于天然气水合物生成。

    天然气水合物的调查和研究意义

  天然气水合物研究是当代地球科学和能源工业发展的一大热点。该研究涉及到新一代能源的探查开发、温室效应、全球碳循环和气候变化、古海洋、海洋地质灾害、天然气运输、油气管道堵塞、船艇能源更新和军事防御等,并有可能对地质学、环境科学和能源工业的发展产生深刻的影响。

能源

  天然气水合物作为未来潜在能源,具有分布广泛、资源量巨大、埋藏浅、规模大、能量密度高、洁净等特点,是地球上尚未开发的最大未知能库。尽管目前还不具备开采海洋天然气水合物的技术条件,但许多科学家相信它最有希望成?quot;21 世纪最理想的、具有商业开发前景的新能源"

    一、分布广泛

   据推算(按T<7P>50 个大气压),世界上占海洋总面积90%的海域具有天然气水合物形成的温压条件;据调查,世界天然气水合物矿藏的面积可达全部海洋面积的30%以上。目前,实际上在所有海洋边缘水深大于300500m 的大陆斜坡上均已发现了天然气水合物,在一些海洋边缘的深水海台或盆地的浅部地层中也都直接或间接地发现有天然气水合物,在极地冻土带和极地陆架海也发现有天然气水合物,证明世界天然气水合物分布十分广泛。据初步研究,我国东海陆坡和南海陆坡及盆地具备天然气水合物的成矿条件和找矿前景,其中南海西沙海槽、台湾东南陆坡已发现有天然气水合物存在的地球物理标志。

    二、资源量巨大

   天然气水合物是全球第二大碳储库,仅次于碳酸盐岩,其蕴藏的天然气资源潜力巨大。据保守估算,世界上天然气水合物所含天然气的总资源量约为(1.82.1×1016m3,其热当量相当于全球已知煤、石油和天然气总热当量的2 倍,也就是说,水合物中碳的总量(约为11×1018g)是地球已知化石燃料中碳总量的两倍。即使是针对某一个国家,其海域水合物资源量也是巨大的。例如,美国海域天然气水合物资源量约有5663 亿立方米,其蕴藏的天然气资源量约有92万亿立方米,可以满足美国未来数百年的需要。

    三、埋藏浅

  与常规石油和天然气比较,天然气水合物矿藏埋藏较浅,有利于商业开发。在深海,水合物矿藏赋存于海底以下01500 米的沉积层中,而且多数赋存于自表层向下厚数百米(500800 米)的沉积层中;在加拿大西北Mackenzie 三角洲永冻土带,水合物矿藏赋存于810.11102.3 米处,含天然气水合物地层厚111 米。

    四、规模大

  天然气水合物矿层一般厚数十厘米至数百米,分布面积数万到数十万平方公里,单个海域水合物中天然气的资源量可达数万至数百万亿立方米,规模之大,是其它常规天然气气藏无法比拟的。这里可以略举几个例子。美国东部大陆边缘有一个30 海里×100 海里的布莱克海台,其水合物蕴藏的天然气资源量非常巨大,相当于约180 亿吨油当量,按美国目前年消耗量计算,能够满足美国未来105 年的需要;美国南、北卡罗莱纳州岸外还有两个海域,面积相当于罗得岛州,水合物蕴藏的天然气估计有1300 万亿立方英尺,相当于美国1989 年天然气消耗量的70 倍还多。加拿大Vancouver 岛大陆坡的天然气水合物资源量也十分丰富,其蕴藏的天然气估计约10 万亿立方米,按加拿大目前年消耗量计算,可满足加拿大未来200 年的需要;加拿大西海岸胡安-德夫卡洋中脊陆坡区也蕴藏着丰富的水合物资源,其储量是美国布莱克海台的10 倍。日本静冈县御前崎近海水合物蕴藏的天然气储量达7.4 万亿立方米,可满足日本未来140 年的需要。

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