冰封的能源--天然气水合物

冰封的能源一天然气水合物◆耿建华宋海斌天然气水合物是由水和天然气混合后在一定的温后来BSR被认为是深海沉积地层中含天然气水合物的度、压力、气体饱和度、水的盐度和pH值等条件下形反射地震标志。1972年在加拿大马更些三角洲的西北成的冰状或雪花状的结晶化合物。组成天然气的成分部也钻遇到了含天然气水合物地层。2000年在加拿大有甲烷(CH)、乙烷(CH)、丙烷(CH)、丁烷(CH1)等温哥华岸外,渔民在约1000米水深的深海海底用鱼网同系列烃类化合物或这些烃类化合物的混合物,还包直接拖到了块状的纯天然气水合物。从1970年代末到括部分二氧化碳(CO2)溴气(Br2)、二氧化硫(SO2)、氮2002年,国际深海钻探计划和国际大洋钻探计划的12气(N2)、硫化氢(HS)等。当组成天然气水合物中气体个航次在全球所有大洋底的几十个站位都钻遇到了天以烃类气体为主时,天然气水合物遇火即燃烧,因此俗然气水合物沉积地层,并取得了天然气水合物岩样,对称“可燃冰”。天然气水合物不仅因包含巨大的碳资源岩样的气体类型分析表明,绝大多数岩样分解产生的量被誉为21世纪的清洁能源同时也是全球碳循环的气体中甲烷含量都超过9%2001-2002年由加拿大、重要储载体,对全球环境变化起着重大影响。日本、美国、印度和德国等5国组成的国际天然气水合物开发计划,对加拿大马更些三角洲冻土带内的天然天然气水合物研究概况气水合物成功地进行了试开采,并钻探了两口地球物早在1810年英国科学家就在实验室合成了氯气理观测井,开展了包括地面高分辨反射地震、跨井地震水合物,1880年代又在实验室相继合成了CH4、CH、层析成像、地球物理测井、岩心地球物理与化学测量C2H4CH2等的气体水合物。1930年代初期,人们开始等,为天然气水合物的勘探与开发积累了技术与经验。注意到天然气输气管道生成天然气水合物造成的输气中国在“十五”期间也启动了海域天然气水合物研究与管道堵塞问题。1960年代中期苏联科学家首先预测到勘探计划,在南海和东海都相继发现了天然气水合物极地的永冻层中存在天然气水合物,随后西伯利亚北存在的地球物理与地球化学异常显示。部的麦索雅哈气田也被认为是一个典型天然气水合物目前普遍公认天然气水合物在全世界范围内广泛藏。1970年代初期在深海地质调查中有一个重大发现,存在,大约有27%的陆地和90%的大洋底是形成天然即在反射地震剖面上观察到了特殊的地震反射现气水合物的潜在地区,主要分布于极地和高原的永久象—似海底反射层 bottom simulating reflector,BsR),冻土区以及水深超过300米的海底和陆坡中。通过天然气水合物形成的相平衡条件以及海底水温、地温梯耿建华:副教授同济大学海洋与地球科学学院海洋地质教育部度等数据分析表明,在永冻区天然气水合物分布的深重点实验室,上海200092。度大约是地面下300-2000米的深度,而在大洋底分宋海斌:副研究员,中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029布的深度是海底下500-600米的深度范围内。初步估Geng Jianhua: Associate Professor, School of Ocean and Earth Science,凵中国煤化工全球所有化石燃料(包Tongji University, Laboratory of Marine Geology, Ministry of Education,CNMHG的2倍,而且由于天然Song Haibin: Associate Professor, Institute of Geology and Geophysics,气永合物中气体的9%为甲烷,因此天然气水合物被Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029认为是21世纪替代常规化石燃料的新的清洁能源。2004年7月(56卷4期)滑天然气水合物的分子结构是多个水分子通过氢键作用形成不同结构的笼状体,而气体分子通过范德瓦甲烷分子耳斯力的相互作用充填在笼中,可用M·nH2O来表示M代表气体水合物中的气体分子,n代表水分子数。气体分子的类型决定了笼形结构,也决定了气体水合物氧原子原子的种类。到目前为止,已经发现的天然气水合物结构有1型、Ⅱ型和H型。I型结构天然气水合物笼形结构氧原子只容纳CH4和CH这两种轻烃以及N2、CO2、HS等非烃分子,亦称甲烷水合物,在自然界分布比较广泛,普遍存在的形式是CH4575HO的几何格架,按此计算1米3的甲烷水合物分解可产生164米3的甲烷气体和天然气水合物结构天然气水合物具有笼形结构0.8米3的水。结构Ⅱ型气体水合物的笼形结构除包水分子一般通过键合成多面体笼,笼中包含有气体容甲烷和乙烷等轻烃分子外,可容纳CH和CH等分子。这种构造使得天然气水合物能在一种特定的高压低温条件下形成并穗定存在,但如果其所处的周国重烃类分子。结构H型气体水合物笼形结构可以容纳环境条件改变而使得温度、压力平街条件到破坏时,直径超过CH0的重烃类分子。在自然界也发现了就会导致天然气水合物分解而逃逸。Il、H型三种气体水合物共存的现象,而且实验表明Ⅱ型和H型天然气水合物比I型水合物更稳定。游离气的含量也呈现不同的特征。在海洋环境下,除天然气水合物成因温度和压力条件外,由微生物成因气形成的天然气水合物,其成藏动力条件主要是沉积速率和沉积物中的自然界中天然气水合物的成因以及甲烷在自然界有机碳含量。而由热解成因气形成的天然气水合物中的循环还不是十分清楚,但天然气水合物的形成须其成藏动力条件主要是构造和地下流体的活动,地球具备三个基本条件。首先是必须有充足的天然气和水,深部热解成因气通过流体活动沿断层通道或通过海底其次是特定的温度和压力条件,再是要有足够的生长泥火山的喷发向海底浅部运移,在适当的温压条件下空间。根据甲烷水合物的分子结构,只有当水晶格的形成天然气水合物稳定带,有的甚至直达海底溢出天90%空间被甲烷气体分子充填时才能形成甲烷水合然气或直接在海底形成天然气水合物。当然,沉积物物,这样甲烷和水的体积比至少要达到1501才能满中天然气水合物和游离气浓度的大小不仅取决于成藏足上述条件,但是在常温和常压下甲烷在海水中的溶动力条件的差异,还与古环境、古地理和沉积物性质密解度(0045)很低,因此天然气水合物在自然界中只能切相关。天然气水合物主要分布于两种地质构造背景形成于甲烷十分丰富的区域。此外天然气水合物的稳被动大陆边缘(典型地区是美国布莱克海岭)与活动大定存在要求低温高压条件,重烃类气体以及CO2气体陆边缘(典型地区是加拿大温哥华岸外)。在活动大陆成分的增加会扩大天然气水合物的稳定范围,而水中边缘,天然气水合物的形成与板块俯冲引起的构造与盐度及N2含量的增加会使稳定范围缩小。热流体活动关系密切。大量的研究表明,形成天然气水合物的天然气有天然气水合物探测技术三种来源。第一种来源于微生物分解海底沉积物中的有机碳形成的甲烷,第二种来源于地球深部(海底或尽管天然气水合物在自然界广泛分布,并可通过地表下数千米)的热解天然气,第三种来源是上述两相平衡与温压条件推测天然气水合物成藏的潜在区种气体的混合物。天然气的三种成因可以通过同位素但是具体确定天然气水合物藏的位置要依靠多种高新地球化学方法加以区分。天然气水合物稳定存在的区探测技术,主要为采样与直接观测技术、地球物理探测域为天然气水合物稳定带,它是由沉积物、水、气以技术和地球化学探测技术,其中一些技术可应用于陆及天然气水合物组成的多相动态平衡系统。在海洋天地冻土环境下天然气水合物藏的探测。然气水合物稳定带下面往往还有含游离气层的存在,中国煤化工而天然气水合物稳定带是这些游离气的良好封闭层。CNMHG含采集海底水样、海不同成因气体形成的天然气水合物其成藏动力条底浅表两底休层仉积物岩样等。通过对样件也完全不同,天然气水合物稳定带中气体水合物与品的观察与测试分析可推测海底沉积物中含天然气水万方)(双月刊)合物的可能性。在采样过程常采用保温保压取样技术,以保证样品的原位特性,即要保证样品从海底提到海面时不会因为温度和压力的变化而导致沉积物中气体海底反射水合物的分解。反射空白倾斜地层反射直接观测是通过海底摄像系统或载人深潜器观察海底与含天然气水合物有关的一些特殊现象,如海底气泡上溢(由于地温变化或其他原因引起气体水合物分解)、海底冷泉群、微地貌、噬烃类(气体水合物分解释放出的烃)、依赖化学作用自养生物群及其产物生物自生碳酸盐岩等。地球物理探测技术似海底反射层(BsR)似海底反射层是海底的异由于取样与直接观测方法费用昂贵并且只局限在常地震反射层,在地震剖面上甚为明显,是海洋沉积物个点,大面积探测海洋天然气水合物主要依靠声探中存在天然气水合物的最直接证据,其位于海底之下几百米处与海底地形近于平行。似海底反射层实际上测与反射地震探测等地球物理探测技术,此外在有钻代表了海底沉积物中天然气水合物稳定带基底孔的条件下还可进行井中地球物理测量。声探测与反射地震探测有不同的目标。声探测频作用的强度)、钻井井径扩大(气体水合物分解后引起率在数百赫兹以上,具有很高的垂向分辨率,能够很好含气体水合物层段井壁坍塌)等现象。若钻井取得岩心分辨通向海底的微小断层或由于水合物分解引起的资料,还可在实验室对岩样开展一系列物理测量。例“气烟囱”,指示气体或流体运移的空间位置。反射地如,利用超声技术测量岩样的超声波传播速度、传播能震探测的频率在数十赫兹范围内,反射地震剖面上能量的衰减等,利用X射线扫描断面层析成像和核磁够显示天然气水合物存在的显著标志BSR。BSR一般共振等技术研究沉积物的结构以及天然气水合物在沉呈现出强振幅、负极性(与海底反射相比)、平行于海底积物孔隙空间中的分布特征,从而为声探测、反射地震并与沉积构造相交的特征,其中BSR平行海底和与沉探测等其他一系列物理探测技术提供标定。积结构斜交的显著特征可用海水深度、海底温度以及地球化学探测技末地温梯度的变化来解释,而BSR的强振幅与负极性特在海底天然气水合物的富集区,海底底水和沉积征可用含天然气水合物沉积地层的速度结构来解释。物中孔隙水往往形成天然气地球化学异常,这些异常深海海底高孔隙沉积物地震纵波的传播速度一般为不仅可指示天然气水合物存在的可能位置,而且可利1500~1700米/秒,但是如果沉积物孔隙中充填了天然用其烃类湿度值及碳同位素成分判断天然气水合物中气水合物时,纵波传播速度会显著增大,一般会超过天然气的成因。1800米秒,甚至高达2500米/秒。另外纵波速度还随由于天然气水合物的笼形结构只允许纯水进入而沉积物中天然气水合物浓度的增大而增大。地下温度不允许盐离子进入,天然气水合物形成将使周围水的随着深度的增大而上升,当温度超出了天然气水合物盐度增高,反之天然气水合物的分解将会使孔隙水盐的稳定界限后,在天然气水合物稳定带下伏地层中就度变小。在常温常压下对样品孔隙水盐离子浓度如氯不会有天然气水合物存在,甚至沉积孔隙中会充填游离子或硫酸根离子测量,若其浓度降低则揭示沉积物离的天然气,从而导致稳定带下伏层地震纵波速度显中含天然气水合物的可能性。另外随着天然气水合物著降低,这样稳定带和游离气层之间形成了一个强波地球化学探测技术的深入研究,还发现了天然气水合阻抗界面,在反射地震波剖面上表现为强振幅与反极物新的地球化学异常标志,如水中氘的富集、天然气中性特征,而且BSR与这个含天然气水合物稳定带基底氦的增高等。大体对应。海底沉积物中含天然气水合物显著改变了沉积物天然气水合物开发技术的物理特性,因此若在钻孔中开展地球物理测量也可EdHs稳定条件可使其分解成识别出含天然气水合物沉积地层。含天然气水合物沉中国煤化工气〔的常规方法来开采天积地层往往具有高电阻率、小声波时差(速度高)、自然CNMHG气水合物分解的方法原电位差幅度低(水合物堵塞了孔隙降低了扩散和渗滤则上都能用来开发天然气水合物。目前工程上有热激200年月55卷4期)●法、降压法和化学试剂法三种主要的开发技术。气中的CO2与天然气水合物藏中的天然气置换,让大热激法是将蒸汽、热水或其他热流体注入含气体气中的CO2沉寂在海底形成二氧化碳水合物这样不水合物地层,也可采用开采稠油使用的火驱法或利用仅可以降低全球工业化排放CO2引起的温室效应,而钻杆加热器,让地层温度升高促使气体水合物分解。且避免了开采天然气水合物引起的灾害性问题热激法开采技术会造成大量的热能损耗,近年来人们天然气水合物在全球碳循环、全球变暖及海平面为了提高热激法的效率采用井下电磁加热方法,该方变化方面充当了重要角色。尽管大气中甲烷的浓度是法是在靠近气体水合物带的上下层或直接在气体水合二氧化碳浓度的1200,但是甲烷的温室效应是二氧物层内放入不同的电极,通以交流电进行加热。化碳的数倍。自然界天然气水合物中的主要成分是甲降压法是通过降低压力而促使天然气水合物分烷,全球变暖会导致天然气水合物失稳而分解大量甲解。主要是通过让气体水合物层之下游离气的压力降烷进入大气,从而增强温室效应。而全球温度升高会低,使与含游离气层接触的气体水合物变得不稳定而引起地球两极的冰盖融化,导致海平面上升,而海平面分解。可以通过先开采含气体水合物层之下的游离气上升又会导致海底静水压力增大,这样又使天然气水来降低压力,也可调节开采天然气的速度来达到控制合物的稳定性增高,一些溶解于水中的甲烷又会沉寂压力的目的,进而控制气体水合物分解速度。减压法起来,这只是甲烷参与全球碳循环的一种简单的解释,最大的特点是不需要耗能,可能是今后大规模开采天实际上问题可能远比这复杂。在地质历史时期全球灾然气水合物的有效方法之一。但是单纯使用减压法开变方面古新世末(约5550万年前)深海生物灭绝事件采速度较慢可能为海洋天然气水合物分解所引发。由于古新世末化学试剂法是通过采用一些化学试剂,如盐水、甲全球增温使海洋底层水温升高了4-8℃,导致大量天醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等可改变天然气水合物形成然气水合物的分解,释放出的甲烷通过细菌和水中溶的相平衡条件,以降低水合物稳定温度与压力,从而引解氧反应产生二氧化碳,消耗了大量的溶解氧,海底高起气体水合物的分解。化学试剂法较热激法作用缓慢水温与贫溶解氧造成了许多深海生物死亡。且费用昂贵天然气水合物在其他领域也有广泛的应用。例如天然气水合物发展前景天然气长距离的管道运输费用要比使天然气固化成天然气水合物运输费用昂贵,而且天然气管道运输还会天然气水合物作为可利用的能源在自然界的具体带来天然气水合物堵塞管道等问题,因此可研究经济分布和准确的蕴藏量目前仍不是十分清楚,而且天然的天然气固化技术来代替管道运输。气水合物的动力成因、探测技术以及开发技术方面都还有待深入研究。在天然气水合物的成因方面,其形史斗孙成权朱岳年编国外天然气水合物研究进展,兰州:兰州大成涉及从分子运动的时间尺度到百万年级的地质年代学出版社,1992尺度(构造与沉积),且形成动力过程非常复杂。在探2 Dickens G R, Paull C K, et a. Direct Measurement of in Situ Methane测技术方面,BSR被认为是含天然气水合物沉积地层Quantities in A Larger Gas-Hydrate Reservoir Nature, 1997, 385: 462典型的反射地震标志,但是在一些海域也发现了没有③] Davie K, Buffett B A. Numerical Model for the Formation of GasHydrate Below the Seafloor. Journa of Geophysical Research, 2001BSR的情况下也同样存在天然气水合物,说明原有的认识还有待深化。在开发技术方面,尽管在永冻区的马在田宋海斌孙建国海洋天然气水合物的地球物理探测高新技俄罗斯麦索雅哈气田和加拿大马更些三角洲等地对天术,地球物理学进展,200163)1然气水合物藏成功进行了试开采,但是在深海海底开5] Singh SC Minshull T A, et al, Velocity Structure of Gas-Hydrate Reflec发天然气水合物要比在永冻层中开发天然气水合物困tor. Science. 1993. 260 204难得多,因为海洋环境下天然气水合物一般储存于海宋海斌天然气水合物体系动态演化研究(①):地质历史演变地球物底陆坡浅表层高孔隙的沉积物中,天然气水合物产出理学进展,2003,18(2:188会引起海底沉积物刚性减弱,从而可能导致海底滑坡引发海啸等灾害。此外开采过程中的稳定性控制也非关键词:天然气水合物地球物理地球化学常重要,因为天然气水合物一旦快速分解有可能会产中国煤化工生连锁反应,气体的快速膨胀会带来爆炸等灾难CNMHG些科学家设想了一种安全和环保的开采技术,即将大《科学》(双月刊)