周焱 陸迪 管超群 王媛媛(長(zhǎng)江大學(xué)， 湖北 武漢 430100)

天然氣水合物研究進(jìn)展和思考

周焱 陸迪 管超群 王媛媛(長(zhǎng)江大學(xué)， 湖北 武漢 430100)

本文對(duì)天然氣水合物開(kāi)采原理進(jìn)行了介紹，并對(duì)水合物各種開(kāi)采方法進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，對(duì)具體開(kāi)采過(guò)程提出了自己獨(dú)特的見(jiàn)解，并對(duì)環(huán)境帶來(lái)的危害進(jìn)行了評(píng)估。

天然氣水合物；開(kāi)采原理；環(huán)境影響

0 引言

天然氣水合物(Natural Gas Hydrate，本文大多為簡(jiǎn)稱NGH)即可燃冰，是由CH4與H2O于高壓強(qiáng)低溫度環(huán)境中所產(chǎn)生的類似冰晶狀的結(jié)晶物質(zhì)[1]。它的密度比冰要低一些。NGH主要具有分布范圍廣、埋藏地層淺、能源效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。

NGH的熱效率非常驚人，1m3的NGH可在常溫常壓釋放出164m3的CH4，是一種能量密度很高的物質(zhì)。目前來(lái)看，儲(chǔ)存NGH資源的地方主要在大陸坡、盆地以及大部分內(nèi)陸海和比較深的湖泊中[2]，在這些地區(qū)中，有以下優(yōu)勢(shì)，沉積物漸漸發(fā)育，有機(jī)質(zhì)相對(duì)豐富，而以CH4為主的烴類氣體來(lái)源充足，所以比較有利NGH的形成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球天然氣水合物量為(1.8～2.1)×1016m3的天然氣，比地球上一半的碳含量還高，約為地球上化石能源含量的2倍[3]。天然氣水合物一般形成于低溫(0～10℃)、高壓(不小于10MPa)環(huán)境[4]。據(jù)測(cè)，全球已經(jīng)探明的NGH共有157處，而得到實(shí)際樣品的有44處，目前有幾種開(kāi)采水合物比較常規(guī)的方法：(1)熱激法；(2)降壓分解法；(3)注入化學(xué)藥劑法；(4)CO2置換法；(5)固體開(kāi)采法。

1 水合物開(kāi)采方法原理

1.1 熱激法

熱激法的原理是水合物被直接進(jìn)行供熱，從而使該區(qū)域的孔隙水或氣壓力條件下的溫度下相平衡溫度，從而破壞它的平衡，導(dǎo)致NGH的分解。熱激法開(kāi)采會(huì)造成大量的熱能損失并且能量轉(zhuǎn)換效率比較低，而且目前也只能進(jìn)行局部加熱，特別是在永久凍層區(qū)，熱管熱能消耗過(guò)大，實(shí)在不是開(kāi)采水合物的明智之舉[5]。但從一些開(kāi)采數(shù)據(jù)分析中可得到，熱激法在短期生產(chǎn)中還是比較理想的，但很明顯這樣無(wú)法滿足長(zhǎng)期開(kāi)采的需求

1.2 降壓分解法

水合物層壓力被人為減小，因而該區(qū)域溫度條件下相平衡壓力，從而使水合物從固態(tài)分解并釋放產(chǎn)生CH4氣體的過(guò)程。與常規(guī)油氣開(kāi)采比較相近的是降壓法開(kāi)采井的設(shè)計(jì)，對(duì)于水合物層來(lái)說(shuō)，如果滲透性較好，則壓力傳播較快，因此，降壓法又被視為是最有效而且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的開(kāi)采方式。但它也有著自身明顯的缺陷，是由于NGH在解相變的過(guò)程中，所需的熱量很大，由于水合物的分解，水合物局部溫度有所降低，從而二次形成水合物和冰，若是長(zhǎng)此以往的話，不僅會(huì)堵塞滲透路徑，還會(huì)因此降低長(zhǎng)期開(kāi)采效率。

1.3 CO2置換法

CO2置換法是指利用CO2與H2O比CH4的更易結(jié)合的性質(zhì)，從而在CO2注入到NGH的過(guò)程中，水合物分解，CO2和H2O結(jié)合，生成CH4。在這個(gè)過(guò)程中，還釋放了熱量，可以促進(jìn)水合物加速分解。同時(shí)將CO2封存在地底下，在一定程度上，可

以降低大氣中碳含量，同時(shí)，水合物分解造成的壓強(qiáng)減小形成的地質(zhì)災(zāi)害可能性也被減小了。

1.4 注化學(xué)藥劑法

注化學(xué)藥劑法是指通過(guò)某些化學(xué)藥劑可以打破水合物相平衡的狀態(tài)，從而使水合物分解得到CH4。例如常用的有甲醇，乙醇，乙二醇和鹽水，從而將NGH的相平衡曲線向上進(jìn)行推動(dòng)，這樣可以讓水合物在壓力和溫度開(kāi)采要求更低。在開(kāi)采初期，這種方法具有注入能量低的特點(diǎn)，但這種方法也存在著一些缺陷，譬如，開(kāi)采效率低，且給環(huán)境帶來(lái)的影響和危害還不能確定，而且化學(xué)試劑價(jià)格不是很便宜，不易大量開(kāi)采使用，不僅如此，水合物一般均在較為偏僻的位置，尚不可知這會(huì)給環(huán)境帶來(lái)多大的潛在危害。

1.5 固體開(kāi)采法

固體開(kāi)采法是通過(guò)類似于采礦機(jī)的挖掘工具，將NGH以固體的形式挖掘開(kāi)采出，將開(kāi)采出的固體提升到淺海區(qū)域。被采出的NGH固體經(jīng)過(guò)磨碎后并用海水加熱，使其充分分解釋放CH4。目前所存在的不足是在開(kāi)采和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中消耗能量過(guò)多，技術(shù)方面還有待突破。

2 NGH開(kāi)采方法分析

2.1 水合物開(kāi)采方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

到目前為止，全球只有俄羅斯的一個(gè)水合物礦藏進(jìn)行過(guò)相對(duì)規(guī)模較大的工業(yè)化開(kāi)采，主要原因是降壓法只適用于一部分NGH礦藏開(kāi)采，NGH的蓋層和底層均為非滲透層；或者NGH只有蓋層是非滲透層。但大量自由擴(kuò)散的CH4卻存在于NGH礦藏里[6]。因而降壓法的適用條件限制了它的發(fā)展。熱激法開(kāi)采熱損耗大，能量轉(zhuǎn)換效率不是很高，而且在開(kāi)采水合物，其儲(chǔ)藏地區(qū)多為永久凍土區(qū)域，在這種環(huán)境條件下，熱傳遞更會(huì)在傳遞過(guò)程中大大耗減，因此開(kāi)采效率低，這也是阻礙了熱激法為何沒(méi)走向工業(yè)化生產(chǎn)道路的制約因素。注化學(xué)試劑法是向儲(chǔ)層中注入甲醇類藥劑，這種方法開(kāi)采效率并不高,且它的反應(yīng)速率是隨著時(shí)間成反比的,反應(yīng)速率逐漸降低，注入化學(xué)試劑會(huì)對(duì)底部水源產(chǎn)生一定的影響，給環(huán)境帶來(lái)一定的潛在危害。對(duì)于CO2置換法來(lái)說(shuō)，CO2反應(yīng)速率較慢，不適合大型工業(yè)化開(kāi)采。固體開(kāi)采法在挖掘水合物和提升水合物均為大量機(jī)械做功，能量耗費(fèi)很大，其開(kāi)采效益實(shí)在不高。但未來(lái)若是有技術(shù)突破，也不失為一種可行之舉。

2.2 實(shí)際開(kāi)采中的方法考慮

只是采取其中一種方法，開(kāi)采時(shí)各有所不足之處，因而應(yīng)采取聯(lián)合開(kāi)采的方法。NGH開(kāi)采的初步階段，NGH處于溫度和壓強(qiáng)相平衡的情況，由開(kāi)采水合物實(shí)際實(shí)驗(yàn)和結(jié)論可得，降壓法是在初期效率最高的，但往往在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，由于氣藏中不含有熱源，若是向其中提供熱源，不僅可以促進(jìn)CH4的生成，而且還能避免因NGH在分解過(guò)程中吸收熱量，導(dǎo)致管道結(jié)冰的一種現(xiàn)象。在供熱方式的選取上，由于水合物是極性分子，可以吸收一定量的微波，相比傳統(tǒng)加熱法，在熱量傳遞的過(guò)程中能量損失要減少很多。因而，開(kāi)采初期可以采用降壓法和注化學(xué)藥劑法，隨著化學(xué)藥劑法和降壓法作用逐漸減小時(shí)，這時(shí)應(yīng)采用熱激法。熱激法的方式為井底微波法。在這些階段中，我們并沒(méi)有用固體開(kāi)采法，前面已經(jīng)對(duì)原因進(jìn)行闡述了，這里就不在多加贅述了。

3 環(huán)境影響

天然氣是一種溫室氣體，它所能造成的溫室效應(yīng)是相同質(zhì)量CO2的二十一倍[7]。又有數(shù)據(jù)表明海底NGH和CH4的總含量是大氣中所含有CH4的三千多倍，因而在開(kāi)采過(guò)程中CH4的泄露，其結(jié)果是不可預(yù)估的[8]。據(jù)推測(cè)，伴隨著大氣溫度的升高，而海水和凍土區(qū)底層溫度也會(huì)慢慢受到影響而逐漸上升，到那時(shí)水合物如同被熱源供熱，水合物會(huì)自發(fā)分解釋放CH4,CH4屬于溫室氣體，很明顯這會(huì)引發(fā)惡性循環(huán)，長(zhǎng)此已久，地球氣候必然會(huì)發(fā)生一番巨大的變化，若是沒(méi)認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，必然會(huì)造成不可預(yù)估的災(zāi)難。故筆者所見(jiàn)，開(kāi)采水合物一定要慎之又慎。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著對(duì)NGH開(kāi)采實(shí)驗(yàn)的不斷進(jìn)行，NGH逐漸吸引著人們的目光并寄托著人們對(duì)可替代能源的期望。在這些過(guò)程中，熱激法，降壓法和CO2置換法正逐漸走向成熟，并取得了一些成果[9]。但整體上來(lái)說(shuō)，NGH開(kāi)采只是處于一個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，目前還未能工業(yè)化開(kāi)采。距離商業(yè)開(kāi)發(fā)還有一段很長(zhǎng)的路要走。

目前來(lái)說(shuō)，技術(shù)方面可以采取借鑒開(kāi)采化石能源的方法，在對(duì)水合物有更深一步的了解后，通過(guò)對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)模擬分析，能夠在開(kāi)采NGH時(shí)CH4不外泄的情況下安全開(kāi)采，作為有著大好前景的新能源，若是在此有了突破，相信日后會(huì)發(fā)展一次重大的能源革命。

[1]馮玉.天然氣分輸站水合物生成預(yù)測(cè)及防治[J].中國(guó)化工貿(mào)易,2015,7(26).

[2]楊培舉.可燃冰時(shí)代∶中國(guó)能源戰(zhàn)略的驚喜與憂患[J].中國(guó)船檢,2004,(7)∶14-17.

[3]付喆.不同類型甲烷水合物藏降壓分解特性研究[D].大連理工大學(xué),2016.

[4]張樹(shù)林.中國(guó)海域天然氣水合物勘探研究新進(jìn)展[C].中國(guó)石油地質(zhì)年會(huì),2009∶154-158.

[5]李彬彬.凍土帶可燃冰成因機(jī)理研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué),2009.

[6]劉俊杰,馬貴陽(yáng),潘振,等.天然氣水合物開(kāi)采理論及開(kāi)采方法分析[J].當(dāng)代化工,2014,(11)∶2293-2296.

[7]楊淵,登云.松藻礦區(qū)煤層氣利用對(duì)溫室氣體減排的貢獻(xiàn)[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2010,35(8)∶34-37.

[8]梁學(xué)進(jìn).天然氣水合物開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)方法研究[D].中國(guó)石油大學(xué),2008.

[9]吳傳芝,趙克斌,孫長(zhǎng)青,等.天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)研究進(jìn)展[J].地質(zhì)科技情報(bào),2016,(6)∶243-250.

周焱(1996- )，男，湖北黃岡人，目前為長(zhǎng)江大學(xué)本科學(xué)生。