可燃冰专题 (可燃冰专题论文)
简介 (“可燃冰”是未来洁净的新能源。它的主要成分是甲烷分子与水分子。它的形成与海底石油、天然气的形成过程相仿,而且密切相关。埋于海底地层深处的大量有机质在缺氧环境中,厌气性细菌把有机质分解,最后形成石油和天然气(石油气)。其中许多天然气又被包进水分子中,在海底的低温与压力下又形成“可燃冰”。这是因为天然气有个特殊性能,它和水可以在温度2~5摄氏度内结晶,这个结晶就是“可燃冰”。这种“可燃冰”在地质上称之为天然气水合物(Natural Gas Hydrate,简称Gas Hydrate),又称“笼形包合物”(Clathrate),分子结构式为:CH4•nH2O,现已证实分子结构式为CH4•8H20。天然气水合物是一种白色固体物质,外形像冰,有极强的燃烧力,可作为上等能源。它主要由水分子和烃类气体分子(主要是甲烷)组成,所以也称它为甲烷水合物。天然气水合物是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等)下,由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质。 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。(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。)
可燃冰 甲烷 天然气水合物 冻土
可燃冰的发现 (早在1778年英国化学家普得斯特里就着手研究气体生成的气体水合物温度和压强。1934年,人们在油气管道和加工设备中发现了冰状固体堵塞现象,这些固体不是冰,就是人们现在说的可燃冰。1965年苏联科学家预言,天然气的水合物可能存在海洋底部的地表层中,后来人们终于在北极的海底首次发现了大量的可燃冰。20世纪70年代,美国地质工作者在海洋中钻探时,发现了一种看上去像普通干冰的东西,当它从海底被捞上来后,那些“冰”很快就成为冒着气泡的泥水,而那些气泡却意外地被点着了,这些气泡就是甲烷。据研究测试,这些像干冰一样的灰白色物质,是由天然气与水在高压低温条件下结晶形成的固态混合物。目前的科研考察结果表明,它仅存在于海底或陆地冻土带内。纯净的天然气水合物外观呈白色,形似冰雪,可以像固体酒精一样直接点燃,因此,人们通俗、形象地称其为“可燃冰”。)
可燃冰的形成 (可燃冰由海洋板块活动而成。当海洋板块下沉时,较古老的海底地壳会下沉到地球内部,海底石油和天然气便随板块的边缘涌上表面。当接触到冰冷的海水和在深海压力下,天然气与海水产生化学作用,就形成水合物。形成有三个基本条件,缺一不可。据专家介绍,首先温度不能太高;第二压力要足够大,但不需太大;0℃时,30个大气压以上就可生成;第三,地底要有气源。这种可燃冰的形成有两条途径:一是气候寒冷致使矿层温度下降,加上地层的高压力,使原来分散在地壳中的碳氢化合物和地壳中的水形成气—水结合的矿层。二是由于海洋里大量的生物和微生物死亡后留下的遗尸不断沉积到海底,很快分解成有机气体甲烷、乙烷等,这样,它们便钻进海底结构疏松的沉积岩微孔,和水形成化合物。 天然气水合物受其特殊的性质和形成时所需条件的限制,只分布于特定的地理位置和地质构造单元内。一般来说,除在高纬度地区出现的与永久冻土带相关的天然气水合物之外,在海底发现的天然气水合物通常存在水深300~500m以下(由温度决定),主要附存于陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩中,也可以散布于洋底以颗粒状出现。这些地点的压力和温度条件使天然气水合物的结构保持稳定。从大地构造角度来讲,天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、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。据估计,陆地上20.7%和大洋底90%的地区,具有形成天然气水合物的有利条件。绝大部分的天然气水合物分布在海洋里,其资源量是陆地上的100倍以上。在标准状况下,一单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体,因而是一种重要的潜在未来资源。)
海底石油 天然气 水合物 温度(低温) 压力(高压)
气源 聚合大陆边缘大陆坡 被动大陆边缘大陆坡 海山 内陆海
边缘海深水盆地 海底扩张盆地
可燃冰的储藏 (储存:可燃冰在高于20℃的温度下就会分解,压强越大越稳定,也就是它的储藏条件是底温和高压。常压下不能稳定存在,而分解释放出来的甲烷是一种温室气体,它促使全球气温上升的能力是二氧化碳的10倍。因此储存问题是可燃冰成为开发利用的一大瓶颈。)
低温 高压 温室气体
开采、利用可燃冰 (可燃冰有望取代煤、石油和天然气,成为21世纪的新能源。科学家估计,海底可燃冰分布的范围约占海洋总面积的10%,相当于4000万平方公里,是迄今为止海底最具价值的矿产资源,足够人类使用1000年。但在繁复的可燃冰开采过程中,一旦出现任何差错,将引发严重的环境灾难,成为环保敌人—— 首先,收集海水中的气体是十分困难的,海底可燃冰属大面积分布,其分解出来的甲烷很难聚集在某一地区内收集,而且一离开海床便迅速分解,容易发生喷井意外。更重要的是,甲烷的温室效应比二氧化碳厉害10至20倍,若处理不当发生意外,分解出来的甲烷气体由海水释放到大气层,将使全球温室效应问题更趋严重。 此外,海底开采还可能会破坏地壳稳定平衡,造成大陆架边缘动荡而引发海底塌方,甚至导致大规模海啸,带来灾难性后果。)
开采 热解法。利用“可燃冰”在加温时分解的特性,使其由固态分解出甲烷蒸汽。但此方法难处在于不好收集。海底的多孔介质不是集中为“一片”,也不是一大块岩石,而是较为均匀地遍布着。如何布设管道并高效收集是急于解决的问题。 降压法。有科学家提出将核废料埋入地底,利用核辐射效应使其分解。但它们都面临着和热解法同样布设管道并高效收集的问题。 二氧化碳置换法。研究证实,将CO2液化,注入1500米以下的洋面(不一定非要到海底),就会生成二氧化碳水合物,它的比重比海水大,于是就会沉入海底。如果将CO2注射入海底的甲烷水合物储层,因CO2较之甲烷易于形成水合物,因而就可能将甲烷水合物中的甲烷分子“挤走”,从而将其置换出来。 利用
世界上可燃冰的分布 (海底天然气水合物作为 21 世纪的重要后续能源,及其对人类生存环境及海底工程设施的灾害影响,正日益引起科学家们和世界各国政府的关注。本世纪六十年代开始的深海钻探计划 (DSDP) 和随后的大洋钻探计划 (ODP) 在世界各大洋与海域有计划地进行了大量的深海钻探和海洋地质地球物理勘查,在多处海底直接或间接地发现了天然气水合物。到目前为止,世界上海底天然气水合物已发现的主要分布区是大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等,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、四国海槽、日本南海海槽、苏拉威西海和新西兰北部海域等,东太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亚滨外和秘鲁海槽等,印度洋的阿曼海湾,南极的罗斯海和威德尔海,北极的巴伦支海和波弗特海,以及大陆内的黑海与里海等。)
大陆内的黑海
我国发现海底可燃冰 (2005年4月14日,我国在北京举行中国地质博物馆收藏我国首次发现的天然气水合物碳酸盐岩标本仪式。宣布我国首次发现世界上规模最大被作为“可燃冰”即天然气水合物存在重要证据的“冷泉”碳酸盐岩分布区,其面积约为430平方公里。该分布区为中德双方联合在我国南海北部陆坡执行“太阳号”科学考察船合作开展的南中国海天然气水合物调查中首次发现。冷泉碳酸盐岩的形成被认为与海底天然气水合物系统和生活在冷泉喷口附近的化能生物群落的活动有关。)
“冷泉”碳酸盐岩
中国绘制可燃冰的商业开发路线 (按照战略规划的安排,2006年—2020年是调查阶段,2020年—2030年是开发试生产阶段,2030年—2050年,中国可燃冰将进入商业生产阶段。)
划时代意义:我国发现巨量可燃冰 (2009年9月中国地质部门公布,在青藏高原发现了一种名为可燃冰(又称天然气水合物)的环保新能源,预计十年左右能投入使用。这是中国首次在陆域上发现可燃冰,使中国成为加拿大、美国之后,在陆域上通过国家计划钻探发现可燃冰的第三个国家。初略的估算,远景资源量至少有350亿吨油当量。)