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可燃冰和干热岩—21世纪的新型绿色能源
    时间:2017-10-17     点击率:177

《力学园地》编辑部:

我是一名退休工人,在报纸上看到中国开采可燃冰获得了成功的消息。能介绍介绍可燃冰是怎么回事儿吗?

                                                     一名退休工人

                                                  2017925

 

可燃冰和干热岩—21世纪的新型绿色能源

尊敬的工人同志:

    感谢你对可燃冰问题的关注,很高兴来回答你的问题。

可燃冰的学名叫“天然气水合物”,它是在低温(2-4°C)、高压(30atm)条件下由天然气和水分子相结合而成的。天然气水合物的主要气体为甲烷,甲烷分子含量超过99%的天然气水合物一般就叫做“甲烷水合物”。这里给出一幅可燃冰分子的结构图,它是美国地质调查局绘制的。可以看到,水合物和化合物不一样,并不是甲烷分子和水分子发生了化学反应而生成另一种新的分子,它是由一些水分子包围着的甲烷分子。只要温度增高或压力降低,水合物就会分解,释放出甲烷。

可燃冰分子结构图

纯净的天然气水合物是白色的,形似冰雪,可以像固体酒精一样直接被点燃,因此,它被形象地称为“可燃冰”。通常情况下,1立方米的可燃冰在常温常压下最高可分解出大约160立方米的甲烷气体,所以是一种能量密度很高的清洁能源,是石油、天然气最理想的接替能源。由于可燃冰成分与人们平时所使用的天然气成分相近,但更为纯净,其污染比煤、石油、天然气小很多,但能量却高出十倍。而且,开采时只需将固体的可燃冰升温、减压就可释放出大量的甲烷气体,因此被誉为21世纪最具有商业开发前景的战略资源之一。

中国可燃冰试采圆满结束

这次天然气水合物试采工程是由国土资源部中国地质调查局组织实施的,针对咱们南海“神狐”海域水深1266米海底以下203-277米的可燃冰矿藏进行的。执行这次试采技术服务的钻井平台叫“蓝鲸1号”,是由山东烟台企业自主设计建造的,净重超过4.3万吨,有37层楼那么高,是目前最先进的双井架半潜式钻井平台,可适用于全球任何深海作业。蓝鲸1201736日那天从烟台启航,经过8天的航行,于314日顺利到达位于珠海市东南320千米的中国南海“神狐”海域可燃冰试采区,510日开始点火,79日结束试采,直到729日返航,一共实施作业137天,其中试开采、连续试气点火60天。这次试采工程创造了产气时长和总量的世界纪录,积累了大量翔实可靠的数据资料,还在封井后转入监测井作业,探测地层物性变化、确定水合物分解区域、了解储层改变的情况以及水合物分解波及的地层空间范围。监测结果显示:周围地层没有明显变化,海水及周边大气等的甲烷浓度未出现异常,没有发生环境污染和地质灾害事件。

为什么这次试采受到了方方面面的关注呢?你可能已经知道,当前石油短缺已成为制约我国经济社会可持续发展的瓶颈,每年都要进口原油几亿吨,对外依存度超过了50%,因此急需寻找新的替代能源。而“可燃冰”就是石化能源的替代物,它被视为21世纪的新型能源,储量可观,而且对环境友好。在我国,不仅在南海海域,而且在青藏高原等地区的寒冷永冻土中,都采集到可燃冰样本。据科学家估计,全球海洋底部可燃冰分布的范围约4000万平方公里,储量可供人类使用约1000年;我国海域可燃冰远景资源量可达八百亿吨油当量,大约相当于我国海域和陆地油气资源量的总和。

这次试采是在泥质粉砂型储层中进行的,的资源量占全球90%以上,但是开发难度很大。因为这种储层具有特低孔隙度、特低渗透率等特点,再加上深水区浅部地层松软、极易垮塌,所以钻探风险很高。这次海上试采,我们运用了地层流体抽取试采法,有效解决了储层的流体控制和可燃冰的稳定持续分解等难题,还研发了储层改造增产、可燃冰二次生成预防、防砂排砂等开采测试的关键技术。这是世界上第一次成功实现的泥质粉砂型天然气水合物安全可控开采。

“蓝鲸1号”在试采中

所以,党中央和国务院发出了贺电,指出:天然气水合物是资源量丰富的高效清洁能源,是未来全球能源发展的战略制高点;我国取得了天然气水合物勘查开发理论、技术、工程、装备的自主创新,对推动能源生产和消费革命具有重要而深远的影响。同时,贺电还提到:海域天然气水合物试采成功只是万里长征迈出的关键一步,后续任务依然艰巨繁重。因为,对于可燃冰的勘探、开发和应用,目前还存在着不少障碍。特别是科学界对可燃冰的勘探、开采还没有达成广泛共识,包括一些人对开发可燃冰的环境效应表示担忧。例如,可燃冰中甲烷的温室效应为二氧化碳的20倍,全球海底可燃冰中的甲烷总量约为地球大气中甲烷总量的3000倍,如果稍有不慎,让可燃冰中的甲烷气逃逸到大气中去,将产生无法想象的后果。而且,可燃冰开采过程中,也可能导致海底软化,引发地质灾变。所以,可燃冰试采结束后,还有长长的长征路要继续探索。

关于可燃冰,最近又有好消息传来。中国科学院海洋研究所在922日发布信息说,我国科学家在南海发现了裸露在海底的“可燃冰”。我国新一代远洋综合科考船“科学”号在执行中科院海洋先导专项中,通过“发现”号无人潜水器携带的深海激光拉曼光谱探针,在大约1100米的深海海底,探测到两个站点存在裸露的天然气水合物。其中一个站点分布在冷泉化能极端生物群落中,动态合成并分解的天然气水合物,可以为深海极端生命提供甲烷等能量源;另一个天然气水合物站点则位于一个活动的冷泉喷口的内壁处。据说,天然气水合物一般分布在深海沉积物或者大陆永久冻土中,而裸露在海底表面的天然气水合物极难存在,因为需要大量的深海冷泉流体作为气源。这是国际上第一次使用原位拉曼光谱数据证实的科学结论。

和深海冷泉化能生物群落共生的裸露天然气水合物

附着在冷泉喷口内壁的裸露天然气水合物

最后,还要告诉你另外一个好消息。据报道,我国科学家在青海一个盆地3705米深处,钻探获取了236℃的高温干热岩体。这是我国钻获到的温度最高的干热岩体。那么什么是干热岩呢?它们是温度一般大于200℃、埋深数千米、内部不存在流体或仅有少量地下流体(致密不透水)的高温岩体。较常见的干热岩有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。目前对干热岩的开发利用,主要是发电。从理论上说,随着地球向深部的地热增温,任何地区达到一定深度都可以开发出干热岩,因此干热岩又被称为是无处不在的资源。但就现阶段来看,由于钻井技术和手段的限制,干热岩资源专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。

826日至27日召开的“青海省共和—贵德地区干热岩勘查和开发利用研讨会”上,专家们在实地考察和质询讨论的基础上,形成了评审意见:首次在青海共和盆地钻获高温优质干热岩体,实现了我国干热岩勘查的重大突破。专家们还一致认为:干热岩和可燃冰一样,是最具应用价值和利用潜力的清洁能源。它的生产成本是风能、潮汐能的一半,太阳能发电的十分之一,生产效率是它们的好几倍,而且绝对清洁环保零排放。据悉,此次探测发现的“干热岩”分布面积,达到了惊人的3000多平方千米。按照保守的估计,我国目前的陆域干热岩资源量的能量值已经达到了856万亿吨标准煤。根据国际通行标准2%的利用率,它相当于17万亿吨标准煤!这是一个什么样的概念呢?这么说吧,去年一年咱们中国的能源消耗总量折合下来,是43.6亿吨标准煤。如果按照43.6亿吨标准煤一年的消耗量来算,17万亿吨可以使用多少年?答案竟然是3900年!

干热岩勘查队在工作中

青海共和盆地干热岩储藏地

希望我的回答能帮助你了解咱们国家在新能源领域的进展。让我们一起祝贺我国在可燃冰试采和干热岩勘查方面取得的成绩,祝愿我们国家在未来能源经济领域先拔头筹!

 

                                                             龙翔

                                                       2017/10/15