固体燃烧学论文 - 副本.docx

天然气水合物的开发摘要：天然气水合物是一种新型洁净能源，其蕴藏量约为现有地球化石燃料含碳量总和的两倍，天然气水合物资源开发已经引起了全世界的关注。提出了先利用高能气体压裂技术对储层进行压裂后再结合电磁加热或降压法开采此外，我们还要密切关注开采天然气水合物对环境的重要影响，同时我们国家开发天然气水合物的步伐也越来越快了。关键词：天然气水合物，燃烧，开发，环境一、天然气水合物概述 天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate）因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等）下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。它可用M n H2O 来表示，M代表水合物中的气体分子，n为水合指数（也就是水分子数）。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、 H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过99的天然气水合物通常称为甲烷水合物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。天然气水合物使用方便，燃烧值高，清洁无污染。据了解，全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，具有广阔的开发前景，美国、日本等国均已经在各自海域发现并开采出天然气水合物，据测算，我国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当我国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。 我国在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”，从而成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。1. 可燃冰的成因可燃冰是天然气分子（烷类）被包进水分子中，在海底低温与压力下结晶形成的。形成可燃冰有三个基本条件：温度、压力和原材料。首先，可燃冰可在0以上生成，但超过20便会分解。而海底温度一般保持在24左右；其次，可燃冰在0时，只需30个大气压即可生成，而以海洋的深度，30个大气压很容易保证，并且气压越大，水合物就越不容易分解。最后，海底的有机物沉淀，其中丰富的碳经过生物转化，可产生充足的气源。海底的地层是多孔介质，在温度、压力、气源三者都具备的条件下，可燃冰晶体就会在介质的空隙间中生成。可燃冰是天然气和水结合在一起的固体化合物，外形与冰相似。由于含有大量甲烷等可燃气体，因此极易燃烧。同等条件下，可燃冰燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要多出数十倍，而且燃烧后不产生任何残渣和废气，避免了最让人们头疼的污染问题。科学家们如获至宝，把可燃冰称作“属于未来的能源”。 可燃冰这种宝贝可是来之不易，它的诞生至少要满足三个条件：第一是温度不能太高，如果温度高于20，它就会“烟消云散”，所以，海底的温度最适合可燃冰的形成；第二是压力要足够大，海底越深压力就越大，可燃冰也就越稳定；第三是要有甲烷气源，海底古生物尸体的沉积物，被细菌分解后会产生甲烷。 2. 可燃冰的资源量世界上绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，据估算，海洋里天然气水合物的资源量是陆地上的 100 倍以上。据最保守的统计，全世界海底天然气水合物中贮存的甲烷总量约为 1.8 亿亿立方米 (18000 1012m3 ) ，约合 1.1 万亿吨 (11 1012t) ，如此数量巨大的能源是人类未来动力的希望，是 21 世纪具有良好前景的后续能源。 可燃冰被西方学者称为“21世纪能源”或“未来新能源”。迄今为止，在世界各地的海洋及大陆地层中，已探明的“可燃冰”储量已相当于全球传统化石能源(煤、石油、天然气、油页岩等)储量的两倍以上，其中海底可燃冰的储量够人类使用1000年。 二、中国的可燃冰开发现状1.可燃冰对中国的战略地位作为世界上最大的发展中的海洋大国，中国能源短缺十分突出。中国的油气资源供需差距很大， 1993 年中国已从油气输出国转变为净进口国， 1999 年进口石油 4000 多万吨，2000 年进口石油近 7000 万吨，预计 2010 石油缺口可达 2 亿吨。因此急需开发新能源以满足中国经济的高速发展。海底天然气水合物资源丰富，其上游的勘探开采技术可借鉴常规油气，下游的天然气运输、使用等技术都很成熟。因此，加强天然气水合物调查评价是贯彻实施党中央、国务院确定的可持续发展战略的重要措施，也是开发中国二十一世纪新能源、改善能源结构、增强综合国力及国际竞争力、保证经济安全的重要途径。2.可燃冰在中国的开发历程中国对海底天然气水合物的研究与勘查已取得一定进展，在南海西沙海槽等海区已相继发现存在天然气水合物的地球物理标志 BSR ，这表明中国海域也分布有天然气水合物资源，值得我们开展进一步的工作；同时青岛海洋地质研究所已建立有自主知识产权的天然气水合物实验室并成功点燃天然气水合物。2005年4月14日，中国在北京举行中国地质博物馆收藏中国首次发现的天然气水合物碳酸盐岩标本仪式。 宣布中国首次发现世界上规模最大被作为“可燃冰”即天然气水合物存在重要证据的“冷泉”碳酸盐岩分布区，其面积约为430平方公里。 该分布区为中德双方联合在中国南海北部陆坡执行“太阳号”科学考察船合作开展的南中国海天然气水合物调查中首次发现。冷泉碳酸盐岩的形成被认为与海底天然气水合物系统和生活在冷泉喷口附近的化能生物群落的活动有关。此次科考期间，在南海北部陆坡东沙群岛以东海域发现了大量的自生碳酸盐岩，其水深范围分别为550米650米和750米800米，海底电视观察和电视抓斗取样发现海底有大量的管状、烟囱状、面包圈状、板状和块状的自生碳酸盐岩产出，它们或孤立地躺在海底上，或从沉积物里突兀地伸出来，来自喷口的双壳类生物壳体呈斑状散布其间，巨大碳酸盐岩建造体在海底屹立，其特征与哥斯达黎加边缘海和美国俄勒岗外海所发现的“化学礁”类似，而规模却更大。“可燃冰”是由天然气与水分子结合形成的外观似冰的白色或浅灰色固态结晶物质，因其成分的80%99.9%为甲烷，这些碳酸盐岩的形成和分布记录了富含甲烷流体的类型、性质、来源、强度变化及其与海底可能存在的水合物系统的关系等情况。中德科学家一致建议，借距工作区最近的中国香港九龙的名谓，将该自生碳酸盐岩区中最典型的一个构造体命名为“九龙甲烷礁”，其中“龙”字代表了中国，“九”代表了多个研究团体的合作。按照战略规划的安排，2006年2020年是调查阶段，2020年2030年是开发试生产阶段，2030年2050年，中国可燃冰将进入商业生产阶段。青藏高原发现新能源可燃冰 至少350亿吨油当量。中国国土资源部总工程师张洪涛先生09年9月25日在北京介绍，中国地质部门在青藏高原发现了一种名为可燃冰(又称天然气水合物)的环保新能源，预计十年左右能投入使用。3. 可燃冰在中国的未来规划作为未来重要的新型能源矿藏“可燃冰”将首次纳入到能源规划之中。2011年3月15日，可燃冰已经纳入“十二五”能源发展规划，加快加强勘探和科学研究，以便为未来开发利用奠定基础。无论是国土资源部，还是国家能源局，对可燃冰的态度都日渐明确。作为一种新型能源，可燃冰纳入“十二五”能源发展规划更多的是侧重于勘探和科学研究。国土资源部总工程师张洪涛曾向记者介绍，天然气水合物又称“可燃冰”，是由水和天然气在高压、低温条件下混合而成的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，遇火即可燃烧，具有使用方便、燃烧值高、清洁无污染等特点，是公认的尚未开发的最大新型能源。在2011年全国“两会”期间，国家能源局副局长钱智民向媒体透露，天然气水合物将在能源发展规划中得到体现。而中国矿产资源权威人士也明确表示，在“十二五”能源规划中，可燃冰作为一种新型资源将被纳入其中。数据显示，“十一五”期间，全国油气勘探投入2750多亿元，平均每年550亿元，较“十五”期间翻番；同期页岩气、砂岩气、天然气水合物等非常规油气资源勘查速度进一步加快，而“十二五”期间，相关工作将更上一层楼。中国在南海、青藏高原冻土带先后发现可燃冰，其中中国作为第三大冻土大国，具备良好的天然气水合物赋存条件和资源前景。据科学家粗略估算，远景资源量至少有350亿吨油当量。三、可燃冰的开采方法简介天然可燃冰呈固态，不会像石油开采那样自喷流出。如果把它从海底一块块搬出，在从海底到海面的运送过程中，甲烷就会挥发殆尽，同时还会给大气造成巨大危害。为了获取这种清洁能源，世界许多国家都在研究天然可燃冰的开采方法。科学家们认为，一旦开采技术获得突破性进展，那么可燃冰立刻会成为21世纪的主要能源。 相反，如果开采不当，后果绝对是灾难性的。在导致全球气候变暖方面，甲烷所起的作用比二氧化碳要大20倍；而可燃冰矿藏哪怕受到最小的破坏，都足以导致甲烷气体的大量泄漏，从而引起强烈的温室效应。另外，陆缘海边的可燃冰开采起来十分困难，一旦出了井喷事故，就会造成海啸、海底滑坡、海水毒化等灾害。所以，可燃冰的开发利用就像一柄“双刃剑”，需要小心对待。 天然气水合物的开发思路，首先考虑如何使蕴藏在沉积物中的天然气水合物分解成天然气(目前主要是通过改变温度、压力促使其分解)，然后再将天然气采至地面。1. 加热法加热法（或称为热激发法)是将蒸汽、热水、热盐水或其他热流体从地面泵入水合物地层(也可用开采重油时使用的火驱法)，促使温度上升、水合物分解(见图2)。该方法主要缺点是热损失大、效率低，特别是在永久冻土区。2. 降压法降压法的做法一般是在水合物层之下的游离气聚集层中“降低”天然气压力或形成一个天然气空腔(可由热激发或化学试剂作用人为创造)，使与天然气接触的水合物变得不稳定，分解为天然气和水（见图3)。3. 添加化学剂法将某些化学剂如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等从井孔注入后，可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定的温度，从而其分解（见图4）。该方法较加热法作用缓慢，且成本高，但确有降低初始能源输入的优点。参考文献1赵生才天然气水合物研究现状及我国对策J_地球科学进展，2002，l7(3)：461-4642李淑霞，陈月明天然气水合物开采方法及数值模拟研究评述J中国石油大学学报(自然科学版