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可燃冰:我国第173个矿种

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    发表于 2018-1-21 11:20:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    本帖最后由 刘萝卜锅 于 2018-1-23 14:19 编辑

    品质源于技术 服务源于态度

    这是阿什卡微信公众号的第472篇原创文章

    首发于2018年1月14日


    国外可燃冰简史+国内可燃冰简史
    作者:李忠模 宣之强
    可燃冰.jpg

    可燃冰是俗称,它的学名叫天然气水合物,简单讲就是水分子手拉手变成小笼子,把烷烃类天然气分子包起来。化学上叫笼形包合物,宏观看像冰。理论分子式:CH4·5.75H20。这东西需要在低温高压下才能形成。

    通常,在常温常压下,1m3的天然气水合物,可以放出164m3的天然气和0.8m3的水。作为能源,可以说比较高效清洁了。

    推测,世界上储存的可燃冰中的至少有10x104亿吨。这是多少呢?是当今探明的化石燃料中碳含量总和的2。所以很多人认为,能源的未来就靠它了[1]
    1 国外可燃冰简史[2]
    水合物最初是由戴维(法拉第的老师)于1810年在实验室中发现的,确定了气体可以和水一起形成水合物。这个时期,人类见过的所有水合物,都是人造的。1934年,苏联在天然气输气管线中发现天然气水合物堵塞管道,破坏设备,这才刮目相看。不过,研究目的是怎么防止它破坏人民管道。

    到了1965年,在前苏联西伯利亚麦索亚哈气田中,发现居然有储存天然气水合物的地层,这才引起科学家的重视。这是人类首次在地层中发现自然生成的天然气水合物,且首次进行了开采试验,具重大里程碑意义。

    1970年后,美国在阿拉斯加的西布鲁德霍湾的艾林钻井的岩心中发现天然气水合物

    1974年在美国东海岸近海地震物探中发现拟海底反射层,简称BSR,这是一种地震波速度异常的现象。结果一钻探,发现可燃冰。因此,史托认为:BSR,是天然气水合物存在的LOGO。

    1974年,加拿大也在马更些三角洲冻土地带浅部地层发现了天然气水合物。

    后来,BSR在世界各海洋的海底沉积层中相继被发现,简单列个清单:

    北太平洋的白令海。
    西太平洋的鄂霍茨克海、日本海、南海海槽、冲绳海槽。
    台湾西南海域,南海北部陆坡。
    东太平洋的中美海槽、北加利福尼亚-俄勒冈近海、秘鲁海槽。
    大西洋美国东部近海布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海、南美洲东部的“外陆缘”、非洲西部近海。
    北极的巴伦支海和波弗特海。
    南极的罗斯海和威德尔海。
    印度半岛的东西近海、孟加拉湾、阿拉伯湾。
    以及黑海、里海、贝加尔湖等等。
    新区块不断发现中….几乎遍布世界各地。

    当时,希聰研究认为,具有商业开采价值可燃冰的地区,包括美国阿拉斯加的北极石油区、加拿大的马更些三角洲及北极群島,俄罗斯的西西伯利亚北部等。

    从此,天然气水合物作为一种非传统的新型能源展现在世人面前
    2002和2008年,加拿大、日本和美国对Malik和阿拉斯加冻土带地区天然气水合物成功进行了试验性开采,表明用降压和热激相结合的方法,开采天然气水合物的技术是可行的。

    2013年5月,日本在南海海槽进行了可燃冰开采试验,这是全球首次进行的海底天然气水合物的试开采。
    2中国可燃冰简史[2]
    由于中国政府和科学家的及时关注,中国人在可燃冰开发研究中进展迅速
    早期初创阶段(1980-1999年)

    1980年后,中国科学院兰州分院图书馆、中国地质科学院矿床所等单位开始注意收集和追踪可燃冰的信息和资料,关心未来新能源进展的科学家有郭天明、涂光炽、李庭栋、陈毓川、汪集旸、金庆焕、杜乐天、吴必豪、刘玉山、祝有海等。

    中国地质科学院还派人到国外取经,聘请国外专家来华讲学,开始有计划地培养人材。

    从1995年起,在大洋开发协会、国土资源部和国家“863”计划的支持下,地科院矿产资源研究所牵头,先后与广州海洋地质调查局、中国地质矿产信息研究院、中国科学院地质与地球物理研究所协作,承担了西太平洋和中国近海天然气水合物找矿远景、探查关键技术等课专题的研究。

    中期勘探评价(1999-2013年)

    1999年起,中国开始大规模进入天然气水合物的实质勘查研究阶段。在西沙海槽盆地,中国地质调查局组织了试验性的调查和初步评价,首获地震地球物理和地球化学异常的标志,初步确认了广州海洋地质局等国内调查、研究单位的实力,为以后大规模调查做好了技术和组织的准备。

    2002年开始启动了我国天然气水合物资源调查与评价的专项工作。中国地质调查局继续承担该项任务,制定了战略方向,组织了国内外的广泛协作,广州海洋地质调查局、油气资源调查中心(原为中国地质科学院承担)分别牵头负责海上、陆上作业,重点研究区:南海西沙海槽、神孤、东沙、琼东南等海域;青藏高原、东北冻土带。

    2004年起,钻采攻关。首创的“冷钻热采”的关键技术——自主知识产权哟。2007、2008年,分别在南海北部、青藏高原搞到可燃冰。

    2008年,在中国地调局部门和“陆域冻土带天然气水合物资源调查与评价”项目支持下,刘玉山、祝有海和吴必豪等开始收集和编纂国内外有关天然气水合物领域的信息和资料,特别关注2012年后新勘探的矿床特征以及开采技术上的新成果。2017年4月,《天然气水合物:21世纪的新能源》出版,全面系统地论述了天然气水合物的物理化学性质、矿床形成机理及全球重点地区可燃冰矿床的特征和开发等的有关内容。资料翔实、文字精辟,是居家旅行、钻探开发可燃冰的必备良品。


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    后期创新开发(2013-2017年)

    2013年,广州海洋地质调查局再次出手,在南海北坡开展大规模钻探调查,在珠江口外,探明具有一定储量的高饱和度可燃冰矿藏;在青藏高原冻土带,也陆续发现了层状天然气水合物的赋存和天然气井喷。海、陆“可燃冰”调查都取得了重大进展。
    2017年3月28日起,实现了“可燃冰”全流程试采技术的重要突破,形成了国际领先的新型试采工艺。第一次针对粉砂质地层水合物进行了开采试验。监测结果,显示了60天全过程的安全、可控和环保试采

    此次试采中,使用了大量国产化装备。从此,中国可燃冰开采也迈入世界前列。中国已成为继前苏联、美国、加拿大和日本之后,钻探或开发天然气水合物的排头兵。

    南海可燃冰试采成功(2017年5月10日-7月9日)

    创下多项新纪录:产气时间最长,产气量最大,气流稳定和环境安全多项重大突破成果。点火产气连续60天,累计产气30.9万立方米,这是世界纪录。
    试采地点:南中国海北部的“神狐”海域,距离广东省珠海320公里。

    试采从水深1266m海底以下203-277m的泥质粉砂岩型天然气水合物矿藏中采出天然气,平均日产气5000m3以上。甲烷含量高达99.5%。

    获得科学试验数据647万组,表明我国天然气水合物开采理论、技术、工程和装备都在世界范围内具有先进优势。
    有关领导表示,未来将进一步加大天然气水合物资源的勘察力度,为产业化提供资源保障;还要加大理论、技术、工程、装备等研究,为产业化提供技术准备;为了保护海洋生态环境,研究提供勘探开发管理规范性文件和产业政策,为可燃冰绿色矿业开发和产业化提供相关保障。

    3 可燃冰喜欢出现在哪种出没?[2]
    由于需要低温、高压,所以主要分布在:世界三大洋近海海底、大陆永久冻土带、内陆湖海中。在全球各大洋,赋存于主动和被动陆缘(大陆)与半岛的陆坡及陆隆的海底沉积层中,分布比较广泛。

    一般讲,水深大于300m,最深可达2000多m。

    在赤道水深300m的海底、水温约0C。可燃冰存在于海床至海床下1100m的海底沉积物中。

    在极地和高纬度冻土带的岩层中,可燃冰存在深度为150~2000m。

    海洋“可燃冰”资源量占全球总量的90%以上,陆上仅占10%左右。

    可燃冰分布多与石油天然气产区重合,或部分重合,这是一个规律。如在阿拉斯加、墨西哥湾及西西伯利亚。一方面对油气工业开采带来不少安全问题;另一方面却为可燃冰勘探开发带来许多有利条件。可充分利用油气工业原有钻探开采和生产管道等基础设施,减少投资。例如,美国阿拉斯加北坡大油田,于1972年发现了可燃冰,之后检查了几百口工业油气井的测井资料,发现至少直50口生产井可能存在水合物,厚薄不等、个别厚度可达3~31m。

    4 可燃冰也有地域歧视[2]
    可燃冰有两大类型:海洋型大陆型。目前,已发现200多处产地或矿点。

    陆上的可燃冰:俺们多属砂岩型天然气水合物,开采风险小、工艺简单、成本低。而用了他们海洋型呢,动不动就导致海底坍塌、滑坡或海啸。所以,开发可燃冰,请认准陆上、砂岩型哟。

    海洋型可燃冰:然而我们海洋型“可燃冰”占资源总量的90%。就喜欢你看我不顺眼,却不得不开采我的样子。

    话说,陆地上可燃冰,几乎全产在永久冻土带,处于热力学稳定平衡状态。多数矿藏位于主权国家境内,埋藏浅、距工业基地近,交通方便。开采中,首先让可燃冰分解、转变成气体,再抽取上来。

    经验证明,用密封钻井式的开采技术是可行的:通过管道将天然气输送到气体储集站。全过程不能外泄甲烷气体,才符合环保要求。
    紧随“可燃冰”工业开发的兴起,有学者提出,按资源的“质量和可采度”对水合物进行新的划分,分为4类:

    (1)砂岩水合物。

    (2)破裂泥页岩水合物。

    (3)海床之上和浅部的块状水合物。

    (4)泥页岩中的低品位浸染状水合物。

    此外,还存在以砂岩和泥岩为格架的复合型水合物。其中,1)和(2)是优先开采的对象

    5 可燃冰咋来的?[2][3][4]
    天然气水合物的形成,需要丰富的烃类气体源,以及长期积累。自然界中烃类气体形成,可分为有机无机成因两大类。
    有机成因的气体包含生物气、热解气哥俩。

    生物气
    是指沉积物在堆积过程中,在温度为4~55C时,静水压力大、有机质在细菌的生物化学作用和还原环境下,转化形成烃类气体(甲烷、乙烷、丙烷等)。

    细菌活动的深度可达海床之下700~800m,深部有的细菌活动比表层更活跃。

    陆地地表下的地层也是生产甲烷的细菌活动重要领域,这里厌氧细菌的密度可达106~107Cells/mL。

    在寒冷的冻土带和湿地地表之下,各种细菌活动会造成缺氧的还原环境,有利于甲烷的生成。

    生物成因“可燃冰”几乎全部由甲烷组成(甲烷>99%)。其甲烷气的δ13C很小,多数为60‰~90。目前认为,天然气水合物的形成,主要是生物成因。
    热解气
    是指埋深大于数千米的沉积物,温度、压力进一步升高,其中的有机质热解形成的烃类气体。也含有深部幔源上升带来的气体。可称为深源气(无机成因气),有时也被归并到热解气中。

    这哥俩怎么区分呢?热解气的甲烷碳同位素值,以及乙烷、丙烷含量较高。

    6 国外怎么采可燃冰?[2][4]
    先是开采大陆冻土带。主要用了两种方法:降压法、热激开采法。

    降压法
    通过钻孔和其它途径,降低可燃冰层的平衡压力。或通过矿层裂隙抽取其中的流体直接降压,使其发生分解、释放出甲烷气体。这是比较常用的开采技术。

    热激法
    是向矿层注入热水、热卤水或蒸汽等,对矿层加热,促使可燃冰分解成甲烷气,顺导管采出。

    1970年前后,在西伯利亚冻土带的麦索亚哈气田中,前苏联就进行了30年的可燃冰开采试验。

    2002年、2008年,加拿大、日本等多个国家合作,在加拿大的MalliK地区进行可燃冰开采试验。主要用降压法,证明是安全和实用的。

    随后,美国也对在阿拉斯加北坡冻土带的可燃冰做了试验开采。

    降压法在大陆上好用,到海底还行不行?

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     楼主| 发表于 2018-1-21 11:22:07 | 显示全部楼层



    2013年3月,日本石油天然气金属公司在商贸工业省的支持下,在南海海槽的“大日‐渥美海丘”进行了海底可燃冰试验开采。6天,成功采出12x104m3甲烷气体。

    这是全球第一次海底可燃冰的成功开采,也具有重要里程碑意义。

    7 有风险,怎么办?[2][5]
    啥风险?主要是环境风险。甲烷的温室效应是二氧化碳的23倍。

    可燃冰开采不当,甲烷气体泄漏,不仅加重地球变暖,也会诱导突发事件:

    ○海洋温度升高,可燃冰分解可引发海底滑坡、坍塌,引起温室效应,改变全球气候。

    ○若在海底长期开发,可能引起可燃冰的分解,形成甲烷气体大量渗漏、喷发或爆炸,造成钻井工程及管道损坏。

    ○有人认为,可燃冰的自然分解变化,可能是引起地球上火山爆发、地震和大面积雾霾等自然灾害和事件的原因之一。

    如何保障安全,是开发这种新能源的重中之重

    如今,对可燃冰的资源类型的新的分类和评估,以及陆上和海底水合物开采技术方法等的研究,都取得了突破性的成就。

    降压法的开采技术、数学模拟成功用于加拿大MalliK和阿拉斯加冻土带的试采,以及中国在南海长达60天连续成功的试采,都预示着:只要安全有保障,全球将迎来“可燃冰”商业开采的高潮。

    近年来,日本研究出一种水平钻采技术,沿天然气水合物储层水平开采,效率可提高30%。

    除传统的降压、热激试剂注入3种方法外,还有一种置换法:就是狸猫换太子,向可燃冰储层注入液态二氧化碳,使其形成二氧化碳水合物,同时置換采出甲烷天然气这样,既充填了采空岩层,又把工业产生的二氧化碳贮存于地下深部,起到了“固碳作用”,又防止了矿层破坏坍塌,一举多得。

    为预防开采可能带来的安全事故,美国矿物管理局一直致力可燃冰开采中相关的安全研究。例如,在墨西哥湾测绘海床,用RMS建成3D地震模型,监测海底地形的变动,用测井技术长期监测深部岩层的物理性质、温度和压力参数。此外,还建立了含水合物岩层研究实验室,测量和模拟开采时天然岩层物性的演变。

    近来,联合国“政府间气候变化委员会”的报告指出,过去十几年发生过甲烷脉动外逸,每年向大气层注入的甲烷约3700x104t(Brewer,1999)。

    固碳作用是把温室气体封存于海底岩层中。现在,一个更大规模的保护环境的研究高潮已在全球各地兴起,总名称就叫“碳的捕获与贮存
    中国是世界上最大的能源消费国,占全球消费的23%和全球净增长的34%。

    中国有14亿多的人口,每天对能源的消耗就是一个天文数字。中国人渴望新能源的每一项成就。

    2017年11月16日,中国国土资源部正式批准天然气水合物为新矿种,成为我国第173个矿种。
    PS:这是一篇正规论文,小编对部分内容进行了口语化翻译。

    相关文章:


    参考资料:
    1苏更林.感受可燃冰的“温度”[J].百科知识,2017,07A:17~18
    2刘玉山,祝有海,吴必豪编著.天然气水合物:21世纪的新能源[M].北京:海洋出版社,2017,4
    3庞名立执笔.非常规油气资源[M].北京:中国石化出版社,2013,8:67~75
    4李钟模.我国可燃冰开采研究取得新进展,钟模科普作品选[M].北京:化学工业出版社,2016,9:112
    5宣之强,李钟模.冰中取火-可燃冰[J].地球,2017,11
    本文得到吴必豪、刘玉山研究员审阅,  2017年12月5日修改于涿州
    作者:
    宣之强 (1939~) 男,主要从化工地质及盐类矿产研究高级工程师
    李钟模 (1937~) 男,科普作家 从事地层古生物研究高级工程师



    -END-




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