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那些沉睡海底的新能源宝藏 你知多少?

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世界上最大的天然气资源封存在地下永冻层和海底沉积物中。

能源行业的下一个“变革者”,甲烷水合物?

目前,页岩气已经成为了世界能源的“变革者”,油气行业的研究人员正致力于开发新技术来开采甲烷水合物。这项研究是非常重要的,因为甲烷水合物中的油气资源量比世界上石油、天然气和煤等所有资源量的总和还要大。如果我们能够高效、经济的开发这些油气储量,那么甲烷水合物将成为下一个能源“变革者”。

科学家已经在北极永冻层、南极冰层以及全球大陆边缘的地下沉积物中发现了大量的甲烷水合物。在世界某些地区,甲烷水合物的分布位置比天然气田的分布位置更靠近人口密度大的地区。如果甲烷水合物能够开发,将使得这些目前依靠天然气进口的国家转变为天然气自给自足的国家。然而,开采这些资源目前仍面临挑战,即如何以安全、经济的方式来进行开采。

什么是甲烷水合物?

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上图为甲烷水合物的球棍模型,甲烷分子被包围在水分子组成的“笼”中。戊烷和乙烷等其他碳氢化合物分子位于该结构的中心(源于美国能源部)。

甲烷水合物是一种由甲烷气体分子组成的结晶固体,其被若干水分子组成的笼子所包围(见上图)。甲烷水合物又称为“可燃冰”,是在合适的地层温度和压力条件下天然形成于地下沉积物中。

如果“可燃冰”在这个温度和压力条件下进行开采,将变得极不稳定。正是因为这个原因,对甲烷水合物的研究就变得非常困难。可想而知,沉积物中的甲烷水合物一旦被带到地面,压力的降低和温度的升高会造成可燃冰的融化和甲烷气体的逸散,因此可燃冰不能像其他的地下资源一样,通过钻井取心来进行研究。

甲烷水合物又被称为甲烷格状物、甲烷烃、甲烷冰、可燃冰、天然气水合物以及气体水合物。大多数甲烷水合物还含有少量的除甲烷以外的其他烃类分子,例如乙烷和丙烷。

甲烷水合物分布在哪儿?

以下四种地理环境具备适合甲烷水合物形成和稳定保存的温度和压力。

1)北极地下永冻层的沉积物及沉积岩;
2)大陆边缘沉积物;
3)内陆湖或海洋深水沉积物;
4)南极冰川之下。

除了南极以外,甲烷水合物的分布深度并不是很深。大多数情况下,甲烷水合物分布在水下几百米深的沉积物表面。

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上图为大陆边缘和永冻层的甲烷水合物的分布情况。

在这些能够生成甲烷水合物的环境中,甲烷水合物一般以层状、块状或者粒间胶结物的形式分布在沉积物中。这些沉积物通常非常致密且为横向稳定分布,因此可以形成一个非渗透性层而圈闭从下部向上运移的天然气。

2008年,美国地质调查局评估了阿拉斯加北坡地区未被勘探的天然气水合物总量。他们估计,未被勘探的天然气水合物总量为25.2~157.8万亿立方英尺。因为只有极少数的井钻遇到天然气水合物分布层,因此这个估算具有很大的不确定性。石油圈原创www.oilsns.com

现在能够进行甲烷水合物开采的地方有哪些?

到目前为止,甲烷水合物还未进行大规模的商业开采,所有的甲烷水合物开采都是小规模或者试验性的开采。

2012年初,在美国和日本的合资项目中,他们通过向甲烷水合物富集处注入二氧化碳而获得源源不断的甲烷。其原理是,二氧化碳分子取代水合物中的甲烷分子,而甲烷则被释放出来,流向地面。这个测试具有重要的意义,因为开采时不需要融化甲烷水合物,从而不会出现不稳定的问题。

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上图是美国地质调查局所研究的全球天然气水合物分布位置图。

甲烷水合物的首选开采区域应具有以下特征:
1)水合物浓度高;
2)储层渗透率高;石油圈原创www.oilsns.com
3)具有基础设施的地方。

目前看来,满足这些特征的地区主要是阿拉斯加北坡和俄罗斯北部。

甲烷水合物的危害

甲烷水合物可以说是一种 “敏感型”沉积物。当外界温度增加或压力降低时,甲烷水合物就会快速融化分解,形成游离的甲烷气和水。甲烷水合物融化是一个由固态转变为液态或者气态的过程,降低了地层支撑力和地层剪切强度,从而会导致海底崩塌、滑坡、沉陷的发生,破坏海底生产设备和海底管道的完整性。

甲烷是一种强大的温室气体,其造成的温室效应是二氧化碳的20倍。北极地区的气温变暖可能会导致其永冻层中甲烷水合物的逐渐融化,而海洋变暖可能会导致位于沉积物/水界面的甲烷水合物逐渐融化。尽管很多新闻都曾报导了这些可能发生的灾难,但是美国地质调查局确定,目前融化的不稳定水合物不是造成大气中的大量甲烷的罪魁祸首,其也不可能大量的逃逸到大气中去。

甲烷水合物巨大潜力

虽然甲烷水合物分布在不同的环境下并且面临着巨大的开采技术挑战,但是它们是地球上分布广泛且储量最大的碳氢化合物资源。我们可以为甲烷水合物的开采研发多种技术,例如减压开采、离子交换以及其它利用甲烷水合物独特的物理化学性质的技术手段。目前,美国、加拿大、日本和印度都正在努力研究甲烷水合物开采的可行性技术。甲烷水合物必将在未来能源结构中扮演重要的角色。

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