龙宫探宝—深埋于海底的可燃冰揭秘

作者: 张鑫 杜增丰 王敏

来源: 科学大院

发布日期: 2017-11-01

本文详细介绍了可燃冰的基本概念、形成过程、勘探技术和开采方法,强调了可燃冰作为未来替代能源的重要性和其在全球能源结构中的潜力。

大家是否还记得数月前刷屏的新闻报道“我国在南海首次试开采可燃冰成功”?可燃冰到底是什么?它的试开采成功何以被国内外媒体争相报道?今天我们试着揭开可燃冰的神秘面纱,去了解它的前世今生。可燃冰,学名甲烷水合物,是气体水合物的一种。在低温高压条件下,低碳数(一般而言碳数≤5)的烷烃、二氧化碳、硫化氢等小分子气体与水会形成类冰状结晶物质,当参与形成过程的气体分子为甲烷时,形成的水合物为甲烷水合物即可燃冰。

根据水分子形成的不同的笼型结构,天然气水合物主要分为I型、II型和H型三种水合物。I型水合物比II型、H型水合物在自然界的分布更广泛,但II型、H型水合物的存在比I型水合物更稳定。由于可燃冰内的气体分子为甲烷,燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水,污染比煤、石油等现有主流能源小很多,但储能比远大于煤、石油。

此外,可燃冰储量巨大,所含有机碳总数相当于全球已知煤、石油和天然气总量的两倍,被国际公认为未来的替代能源。可燃冰的形成需要稳定的低温高压环境,这正是可燃冰多分布在永久冻土带、海底沉积物区的原因。形成可燃冰另一个条件是需要稳定的气源:只有存在稳定的气源补充,可燃冰才得以生成并存在。天然气水合物的气源成因一般有两种:热成因和生物成因。天然气水合物生成过程分为三个阶段:溶解,诱导,成长。

天然气水合物的动力学机制搞清楚之后,对我们有什么帮助呢?在了解天然气水合物动力学过程之后,我们就可以在一定程度上控制天然气水合物的生成及分解过程,这对可燃冰的开采及之后的运输至关重要。对天然气水合物矿藏的识别,现阶段主要依靠地球物理识别标志,地球化学识别标志,海底地质识别标志三方面进行识别。毫无疑问,地球物理技术是水合物识别最核心的技术。

当前识别天然气水合物的另一种重要技术手段就是地球化学方法,这种方法可以有效弥补地球物理方法带来的多解性,还可以进一步分析天然气水合物的成分、物化特性及形成演变机制等。另一种方法是海底地质识别方法,在深海一些特殊的地质结构往往意味着天然气水合物的存赋。随着天然气水合物基础研究的不断深入,天然气水合物开采研究空前活跃。

在技术方法方面,传统的热激发开采法、减压开采法与化学抑制剂注入开采法获得了不断的发展与改进;新型开采技术如CO2置换法与固体开采法引起了学者们的极大关注;最近我国还研制出适合于海洋天然气水合物开采的水力提升法。在开采研究实践方面,全世界已在3处冻土区进行了天然气水合物试采研究。

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