用于火星探測的氣體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)輔助石油開采
Gas Conversion Systems Reclaim Fuel for Industry

火星探測器能源系統(tǒng)研發(fā)與從廢舊礦井中開采石油或收集鉆井過程中釋放的氣體的技術(shù)，這些技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)，可以通過材料的原子組成來理解。特別是碳、氧和氫原子，不同的組合可能會(huì)產(chǎn)生截然不同的特性，而對原子的重新排列僅需通過正確的化學(xué)反應(yīng)即可實(shí)現(xiàn)?；鹦菤怏w轉(zhuǎn)化系統(tǒng)與廢舊礦井石油開采技術(shù)就是通過不同化學(xué)反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)原子重新排列的過程。

先鋒航天公司和先鋒能源公司的創(chuàng)始人兼總裁Robert Zubrin說：“宇航員可通過電解水獲取氧氣，并回收氫氣?；鹦谴髿庵泻胸S富的二氧化碳，含量達(dá)95%。將回收的氫氣與火星大氣中的二氧化碳相結(jié)合，就可以產(chǎn)生甲烷和水。甲烷和氧氣組合則可作為火箭燃料，為探測器返回地球提供動(dòng)力。我們研究了在火星上制取甲醇和氧氣的方法，制作了一套能夠?qū)⒓状己退纸獬蓺浜投趸嫉南到y(tǒng)?！?/p>

在公司發(fā)展過程中，先鋒航天公司贏得了約60項(xiàng)小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計(jì)劃合同，其中大部分是與NASA合作的項(xiàng)目，合同總額超過1250萬美元。其中最早的合同可以追溯到20世紀(jì)90年代中后期與約翰遜航天中心的合作，其主要關(guān)注在火星表面上通過分子混合和匹配來制造火箭燃料。后來，該公司作為NASA承包商，與洛克希德·馬丁公司和馬丁·瑪麗埃塔航空航天公司合作開發(fā)先進(jìn)的太空探索方案。其首先與洛克希德·馬丁公司合作，幫助其制造了首批收集火星大氣中的二氧化碳并將其轉(zhuǎn)化為氧氣和甲烷的氣體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)模型。

約翰遜航天中心推進(jìn)與動(dòng)力分部的原位資源利用（ISRU）總工程師Gerald Sanders說：“Robert Zubrin還在先鋒航天公司開展了其它化學(xué)試驗(yàn)，如通過反向的水氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)從二氧化碳中獲取氧氣等。他的很多工作都非常具有開創(chuàng)性，開展的大部分實(shí)驗(yàn)不僅適用于在火星或月球上收集和利用資源，還適用于太空探索任務(wù)中的生命支持和能源系統(tǒng)。”Gerald Sanders及其研究團(tuán)隊(duì)嘗試將Robert Zubrin開發(fā)的這些系統(tǒng)組合在一起，用于火星探測活動(dòng)。例如，火星的土壤里含有水，可通過水的電解獲得氫，將氫與火星大氣中的二氧化碳反應(yīng)，可生成作為燃料的甲烷，以及既可以作為燃料也能提供生命支持的氧氣。這些設(shè)備由一個(gè)小型核電站提供能源，同時(shí)還需使用土壤處理裝置和運(yùn)輸漫游車進(jìn)行土壤采掘。附加設(shè)備的重量約為2000kg，而從地球攜帶甲烷燃料的重量約為6500kg，因此，這種原位資源利用方式有利于提高資源利用效率，降低航天發(fā)射的成本。

在這些技術(shù)的研發(fā)和使用過程中，Robert Zubrin意識(shí)到，可利用早期與NASA合作開發(fā)的氣體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的逆反應(yīng)過程進(jìn)行石油的開采。為了實(shí)施這一想法，2008年，他創(chuàng)建了先鋒能源公司。Robert Zubrin解釋說：“在火星上，宇航員利用二氧化碳與氫反應(yīng)生成甲烷和水，利用電解水產(chǎn)生氧氣和氫。在地球上，我們從天然氣中獲得甲烷，甲烷和水反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳和氫氣，然后將其分離，氫氣可以用于產(chǎn)生無碳電力，而二氧化碳可用于廢棄油井的石油開采。因此，這一過程基本上是對火星原位處理系統(tǒng)的逆向運(yùn)行?！?/p>

由于地質(zhì)原因，通過最初的泵取過程，礦井中的石油開采量僅能達(dá)到30%。在20世紀(jì)早期，出現(xiàn)了一種新的石油開采技術(shù)——將水注入礦井中，使石油上浮，然后對石油進(jìn)行開采。這種技術(shù)可獲得原始石油儲(chǔ)存量的約20%。但采用這兩種方法進(jìn)行開采后，仍有約一半的石油留在地下。20世紀(jì)80年代，“增強(qiáng)的石油開采”技術(shù)出現(xiàn)，該技術(shù)將二氧化碳注入礦井，與石油混合，降低其粘度，并對其施加壓力，可獲得原始石油儲(chǔ)量的約20%。在該過程中，二氧化碳可被封存起來。然而，目前美國僅4%的石油是通過上述方式獲得的。原因在于這種方式需要存在天然的二氧化碳的埋藏地。而石油礦井和自然二氧化碳埋藏地共存的情況很少。盡管很多人認(rèn)為可以使用發(fā)電廠排出的二氧化碳，但是，發(fā)電廠排出的二氧化碳?xì)怏w已被稀釋，且壓力不高，難以分離，可能與油井的位置相距甚遠(yuǎn)，因此，這種方式很難實(shí)現(xiàn)。此外，人們還提出，將二氧化碳通過管道傳輸?shù)接途诘?，但這種工程浩大，企業(yè)通常不愿投資于尚未成功利用“增強(qiáng)的石油開采”技術(shù)開展試驗(yàn)驗(yàn)證的油田?，F(xiàn)在的唯一途徑是利用卡車運(yùn)輸，但成本高昂，因此，沒有人會(huì)開展這種試驗(yàn)，管道輸送二氧化碳也就無法實(shí)現(xiàn)。

▲ 先鋒能源公司開發(fā)的MAGS系統(tǒng)

先鋒能源公司制造了便攜式增強(qiáng)開采技術(shù)（PERT）系統(tǒng)，提供了一種有吸引力的、成本較低的原位利用甲烷和水產(chǎn)生二氧化碳的解決方案。2014年，先鋒能源公司對其全尺寸PERT模型，以及相關(guān)的其它設(shè)備進(jìn)行了測試。

在石油開采的早期階段，礦井會(huì)釋放出大量的天然氣副產(chǎn)物——“火炬氣”。由于石油礦井通常位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，“火炬氣”一般采用就地燃燒的方式處理。但這種方式造成了光污染和巨大的能源浪費(fèi)。

先鋒能源公司開發(fā)的移動(dòng)式烷烴氣體分離（MAGS）系統(tǒng)將石油開采初期產(chǎn)生的“火炬氣”分離成3部分，其中一部分由丙烷、丁烷和戊烷等組成，可充入氣罐運(yùn)輸?shù)酵獾劁N售；甲烷可用于替代柴油驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，為石油鉆探裝置供能；乙烷則主要用于為MAGS系統(tǒng)自身供能。2014年春天，MAGS系統(tǒng)進(jìn)行了首次現(xiàn)場測試，2014年秋季，被運(yùn)送到北達(dá)科他州使用。

▲ MAGS系統(tǒng)可應(yīng)用于石油開采過程中“火炬氣”的分離和利用

MAGS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是多方面的：首先，其可大幅減少“火炬氣”燃燒產(chǎn)生的光污染，減少柴油消耗量，獲得可以出售的液體丙烷和丁烷。另外，該系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)自給自足。PERT系統(tǒng)每天可以產(chǎn)生足夠的氫，獲得1.3MW的電力和14158.4m3二氧化碳。這足以開展小型的“增強(qiáng)的石油開采”技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，從而為建設(shè)二氧化碳輸送管道提供驗(yàn)證支持。

Robert Zubrin說：“美國擁有世界上最古老的石油工業(yè)，全國各地散落著成千上萬的廢棄油井，其中仍有超過半數(shù)的石油未被開采出來。據(jù)估算，采用這兩種系統(tǒng)可獲得美國石油采收量約10%的石油。當(dāng)然，這些系統(tǒng)也可應(yīng)用于其他國家，極大地增加世界石油資源。”

Gerald Sanders說：“這與火星氣體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)顯然是不同的應(yīng)用，但從化學(xué)反應(yīng)的過程及其研究來看，該系統(tǒng)與火星原位資源利用技術(shù)有著直接聯(lián)系。這表明，NASA為火星所做的研究工作也可對地球上的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生重要影響。” (甜 譯)