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天然气水合物勘查与研究的意义

来源:转载自yuanzi16的博客 日期:2010-09-16 浏览量:
1、能源意义
 
 
  资源潜力巨大
天然气水合物是地球上一种高度压缩的天然气资源,是全球的第二大碳储库,仅次于碳酸盐岩,其蕴藏的天然气资源潜力巨大。据保守估算,地球上天然气水合物所含天然气的总资源量约为(1.8~2.1)×1016m3(1.8~2.1万万亿m3)。其热当量相当于全球已知煤、石油和天然气总热当量的2倍。也就是说,天然气水合物中有机碳总资源量(约为11×1018g)是地球上已知化石燃料中有机碳总资源量的两倍,可满足人类1000年的需求。
据有关资料,地球上有机碳的构成如下:大气圈占0.02%;海洋占5.23%(包括海水中的有机质和海洋生物);大陆占14.86%(包括陆生生物、土壤中的有机质和泥炭);化石燃料占26.63%(包括媒、石油和天然气);海底天然气水合物占53.26%。
另据专家估算,在全球的边缘海、深海槽区及大洋盆地深度在 3000m以内沉积物中,天然气水合物中甲烷资源量为 2.1×1016m3 (2.l万万亿 m3)。
即使是针对某一个国家,其海域天然气水合物资源量也是巨大的。例如,美国海域天然气水合物资源量约有5663亿立方米,其蕴藏的天然气资源量约有92万亿立方米,可以满足美国未来数百年的需要。
可见,地球上天然气水合物储量之大,分布面积之广,是人类未来不可多得的接替能源。以上储量的估算,尚不包括天然气水合物矿层之下圈闭的游离天然气。天然气水合物点燃了21世纪人类开发利用新型绿色能源的希望之光!
埋藏浅
与常规石油和天然气比较,天然气水合物矿层埋藏较浅,有利于商业开发。在深海,天然气水合物矿层赋存于海底以下0~1500米的沉积层中,而且多数赋存于自表层向下厚数百米(500~800米)的沉积层中。在加拿大西北Mackenzie三角洲永久冻土带,天然气水合物矿层赋存于地下810.1~1102.3米处,含天然气水合物的地层厚111米。
规模大
天然气水合物矿层一般厚数十厘米至数百米,分布面积一般为数万至数十万平方公里。单个海域天然气水合物中,天然气的资源量可达数万至数百万亿立方米。其规模之大,是其它常规天然气气藏无法比拟的。这里可以略举几个例子:
美国东部大陆边缘有一个面积为30海里×100海里的布莱克海台,其天然气水合物蕴藏的天然气资源量非常巨大,相当于约180亿吨油当量,按美国目前年消耗量计算,能够满足美国未来105年的需要。
美国南、北卡罗莱纳州岸外还有两个海域,面积相当于罗得岛州,天然气水合物矿层蕴藏的天然气资源量估计有1300万亿立方英尺,相当于美国1989年天然气消耗量的70倍还多。
加拿大Vancouver岛大陆坡的天然气水合物资源量也十分丰富,其蕴藏的天然气资源量估计约10万亿立方米。按加拿大目前年消耗量计算,可满足加拿大未来200年的需要。
加拿大西海岸胡安-德夫卡洋中脊陆坡区,也蕴藏着丰富的天然气水合物资源,其储量是美国布莱克海台的10倍。
日本静冈县御前崎近海,天然气水合物矿层蕴藏的天然气储量达7.4万亿立方米,可满足日本未来140年的需要。
能量密度高
天然气水合物的能量密度极高。在标准状态下,天然气水合物分解后,天然气体积与水体积之比为164∶1。也就是说,一个单位体积的天然气水合物分解后,至少可以释放出160个单位体积的天然气。也即是说,1立方米的天然气水合物分解后可以释放出164立方米的天然气和0.81立方米的水。这样的能量密度是常规天然气的2~5倍,是煤的10倍。
洁净
天然气水合物分解后释放出来的天然气成分主要是甲烷。它比常规天然气含有更少的杂质,燃烧后几乎不产生环境污染物质,是未来理想的一种新型绿色能源。
2、环境意义
 
如果真要将天然气水合物作为资源来开发,目前还存在不少难题。因为,天然气水合物一旦脱离地下低温、高压环境,就会突然分解,释放气体而引发气爆或燃烧;而融化出来的水又会使沉积物突然“液化”变成泥浆,诱发海底崩塌或海底滑坡。况且,如果一旦失控,甲烷气会大量释放进入大气,这将严重助长全球变暖的趋势。因为甲烷也是活性极强的温室气体,其气候增温效应是二氧化碳的20倍。有人甚至认为,近20年来的全球变暖很可能与此类甲烷的释放有密切联系。
⑴、碳通量变化
碳通量是指在单位时间和单位面积内碳增减的数量。尽管目前我们还不清楚碳通量对海洋化学会产生怎样的影响,但是已经知道,天然气水合物的分解是碳进入海洋的重要来源之一。天然气水合物中碳同位素分馏程度非常高。由天然气水合物分解引起的碳通量的任何微小变化,都能改变人们对海洋中碳同位素升降的看法。碳同位素是人们早期研究古海洋尤其是古气候的有效工具。今后若再利用这种工具,就应充分考虑到天然气水合物可能产生的影响。
碳,作为地球上生命有机体的一种关键成分,以二氧化碳、碳酸盐、有机化合物等多种形式在自然环境中不断循环。海洋是一个巨大的“碳库”,具有吸收和贮存大气中二氧化碳的能力。二氧化碳会在海洋和大气中进行循环。因此,海洋的碳通量,会影响大气中二氧化碳这一温室气体的含量,它也因此成为研究全球气候变化的一个关键点。
⑵、气候变化
甲烷CH4是一种温室效应极强的温室气体。每分子甲烷蓄热能力是每分子CO2的27倍。若以重量计,则甲烷的气候增温效应是CO2的10倍。在正常情况下,大气中甲烷只占温室气体的15%,其对全球温室效应的影响排在CO2之后。但是,全球天然气水合物中甲烷量是如此之大,占地球上甲烷总量的99%以上,大约是大气中甲烷量的3000倍。一旦海水温度或压力发生变化,海底甲烷从天然气水合物中释放出来,可导致全球气候迅速变暖。
在地史时期,海平面剧烈变化、海底地壳活动,都有可能引起海底天然气水合物分解,从而导致甲烷气泄露,并引起全球气候变暖。在地史上,地球上天然气水合物中甲烷气泄露,也不一定全是灾难性的,也可能起着平衡气候的作用。
当全球气候变冷、海平面下降时,海底压力减小,进而导致海洋天然气水合物分解,甲烷释放到大气中,温室效应将阻碍全球气候变冷趋势,使得气候波动趋于平缓。当全球气候变暖、海平面上升时,极地海域天然气水合物会因气候变暖而失稳分解,甲烷气释放到大气中,从而导致地球气候变暖加剧。
一旦人类活动导致天然气水合物中甲烷气的大量泄露,将会引起全球气候迅速变暖,从而灾难性地危及人类的生存环境。这是人类在开发利用天然气水合物之前,必须高度重视的首要问题。
天然气水合物中甲烷气的释放,可能极大地影响人们对过去和未来气候的认识。自然界如何控制天然气水合物?天然气水合物又如何影响环境?目前人们还知道甚少。
⑶、海洋军事技术
通过试验,人们已经了解到天然气水合物以及天然气水合物胶结沉积物表层的声波速度是较高的。但是,对天然气水合物胶结沉积物的特殊声学特征,还不是很清楚,需要进一步研究。海洋天然气水合物可能对海军使用的声学模型产生影响,并可能造成判断失误。掌握天然气水合物胶结沉积物的特殊声学特征,对于声纳仪器的正确运用具有重要意义。美国海军非常重视这一点,并积极参与海洋天然气水合物的声学性质研究。
⑷、减灾防灾
天然气水合物的生成和分解都有可能产生灾害。主要有以下三种灾害:
油气管道堵塞
在高纬度永久冻土带及极地地区,天然气水合物的生成可以堵塞诸如油井、油气管道等油气生产设施,从而构成灾害。
海底滑坡
在海底,天然气水合物是极其脆弱的,轻微的温度升高或压力下降都有可能使它失稳而产生分解,从而影响海底沉积物的稳定性,甚至导致发生海底滑坡。相对而言,天然气水合物矿层是刚性层,其下的饱和气、水的沉积物层是塑性层。由于游离天然气聚集在天然气水合物矿层的底界面,此处产生的压力可能超过孔隙压力,使之成为一个脆弱的剪切带。一旦某种因素(如海平面下降、海底构造活动、海底热流值增高、钻井或采气不当)引起海底压力降低或温度上升,天然气水合物矿层底界面的天然气水合物,将有可能首先分解成天然气和水。其结果是:天然气水合物矿层底界面处沉积物发生液化,气压不断增大,最终使其上部的沉积层失稳而产生滑坡。如果巨厚的天然气水合物沉积层滑坡体滑进深海里,天然气水合物可能因压力降低而分解。
美国地质调查局科学家Bill·Dillon证实,美国南卡罗莱纳州岸外就有一个年轻的海底滑坡体。地震资料显示,该滑坡体下部的沉积物中几乎不含天然气水合物。一个可能的机制是:冰期海平面下降导致海底压力下降,天然气水合物矿层底界面的水合物因压力下降而分解。结果,该处半胶结的沉积物带会变成充满气体的、无剪切强度的易滑带,最终导致滑坡。这次滑坡可能释放大量的甲烷,导致大气中甲烷含量增加4%(与现在相比)。
海底滑坡会对深海油气钻探、输油管道、海底电缆等海底工程设施构成危害。
海水毒化
一旦海底天然气水合物因突发因素而失稳分解,大量的甲烷气体将进入海水。结果是,海水被还原毒化,造成缺氧环境,进而引起海洋生物大量死亡,甚至导致生物绝灭事件发生。在地史上,不排除这种事件发生的可能性。
总之,由自然和人为因素引起的温度、压力变化,都会使天然气水合物发生分解,从而造成海底滑坡、生物灭绝和气候变暖等环境灾害。因此,深入研究与天然气水合物有关的环境保护、灾害防治和钻采方法技术,非常重要。
一些国家和科学家担心,开发海洋天然气水合物可能引起不可逆转的环境问题。这种担心并不是多余的。因为一旦开发不当,有可能导致海底天然气大量泄露,从而引起全球气候变暖,也有可能引起海底滑坡而破坏海洋生态环境。这种环境破坏对全球来说可能是灾难性的。即使这些问题不出现,人类开发利用天然气水合物,必然产生大量CO2,也会导致全球变暖问题。因此,天然气水合物能否真正成为常规油气的替代能源,关键是能否进行安全开发利用。
因此,在高度评价天然气水合物勘查研究的能源意义的同时,必须充分考虑和高度重视天然气水合物开发利用可能带来的环境问题。在海洋天然气水合物开发之前,必须研究它可能带来的环境问题及其预防措施。各国政府必须谨慎对待海洋天然气水合物的开发。当然,可以相信,随着科学的高速发展,今后人类能够做出理智的决定:是否开发海洋天然气水合物。随着技术的高速发展,人类也能够找到开发海洋天然气水合物的理想方法技术,把可能出现的环境问题降低到最低危害程度。
3、潜在科学价值
天然气水合物储量巨大,其总量之大足以取代日益枯竭的传统能源。不仅如此,天然气水合物勘查研究院开发利用还具有潜在的科学价值。
天然气水合物最早的发现是基于实验室的科学实验,而不是传统能源的野外实证。它表明天然气水合物的发现和开发利用,都必须依赖最先进的技术手段和科学理论。天然气水合物不会是建基于经验基础上的产业。到目前为止,气体水合物的发现已经有229年,使用天然气水合物的概念也已经有196年了。天然气水合物的勘查研究和开发利用,已成为世界大国能源科学实验和技术创新的重要战场。
海平面变化、海底地壳活动以及不合理的人类活动(如未来人类开发不当),都有可能导致海底天然气泄露,从而引起全球变暖,也有可能引起海底滑坡而破坏海洋生态环境。因此,天然气水合物勘查研究有可能对地质学、环境科学和能源科学等的发展产生深刻影响。这一点已经引起世界上许多国家的高度重视。
20世纪60年代以来,美国、日本、前苏联及俄罗斯、加拿大、英国、挪威、德国、印度、巴西等国家,相继投入巨资进行勘查研究。
尤其是近10年来,这些国家对天然气水合物的理化性质、产出条件、分布规律、实验模拟、勘查技术、储量评估、开发工艺、环境影响、经济评价与环境关系等方面,进行了不同程度的科学考察和研究,取得了丰硕的研究成果,并掀起了天然气水合物研究热潮。美国、日本、印度等国家更将其列入国家研究开发计划,而且预算均在5000万美元之上。加拿大、英国、巴西、挪威、俄罗斯也在积极开展天然气水合物研究计划,德国、法国、瑞士、韩国、捷克和乌克兰等国则正在酝酿制订自己国家的天然气水合物研究开发计划。