天然气水合物研究进展和思考

2017-03-04周焱陆迪管超群王媛媛长江大学湖北武汉430100

化工管理 2017年28期

关键词：水合物药剂天然气

周焱陆迪管超群王媛媛(长江大学，湖北武汉 430100)

天然气水合物研究进展和思考

周焱陆迪管超群王媛媛(长江大学，湖北武汉 430100)

本文对天然气水合物开采原理进行了介绍，并对水合物各种开采方法进行了优缺点对比，对具体开采过程提出了自己独特的见解，并对环境带来的危害进行了评估。

天然气水合物；开采原理；环境影响

0 引言

天然气水合物(Natural Gas Hydrate，本文大多为简称NGH)即可燃冰，是由CH4与H2O于高压强低温度环境中所产生的类似冰晶状的结晶物质[1]。它的密度比冰要低一些。NGH主要具有分布范围广、埋藏地层浅、能源效率高、环境污染小等优点。

NGH的热效率非常惊人，1m3的NGH可在常温常压释放出164m3的CH4，是一种能量密度很高的物质。目前来看，储存NGH资源的地方主要在大陆坡、盆地以及大部分内陆海和比较深的湖泊中[2]，在这些地区中，有以下优势，沉积物渐渐发育，有机质相对丰富，而以CH4为主的烃类气体来源充足，所以比较有利NGH的形成。据统计，全球天然气水合物量为(1.8～2.1)×1016m3的天然气，比地球上一半的碳含量还高，约为地球上化石能源含量的2倍[3]。天然气水合物一般形成于低温(0～10℃)、高压(不小于10MPa)环境[4]。据测，全球已经探明的NGH共有157处，而得到实际样品的有44处，目前有几种开采水合物比较常规的方法：(1)热激法；(2)降压分解法；(3)注入化学药剂法；(4)CO2置换法；(5)固体开采法。

1 水合物开采方法原理

1.1 热激法

热激法的原理是水合物被直接进行供热，从而使该区域的孔隙水或气压力条件下的温度下相平衡温度，从而破坏它的平衡，导致NGH的分解。热激法开采会造成大量的热能损失并且能量转换效率比较低，而且目前也只能进行局部加热，特别是在永久冻层区，热管热能消耗过大，实在不是开采水合物的明智之举[5]。但从一些开采数据分析中可得到，热激法在短期生产中还是比较理想的，但很明显这样无法满足长期开采的需求

1.2 降压分解法

水合物层压力被人为减小，因而该区域温度条件下相平衡压力，从而使水合物从固态分解并释放产生CH4气体的过程。与常规油气开采比较相近的是降压法开采井的设计，对于水合物层来说，如果渗透性较好，则压力传播较快，因此，降压法又被视为是最有效而且经济实惠的开采方式。但它也有着自身明显的缺陷，是由于NGH在解相变的过程中，所需的热量很大，由于水合物的分解，水合物局部温度有所降低，从而二次形成水合物和冰，若是长此以往的话，不仅会堵塞渗透路径，还会因此降低长期开采效率。

1.3 CO2置换法

CO2置换法是指利用CO2与H2O比CH4的更易结合的性质，从而在CO2注入到NGH的过程中，水合物分解，CO2和H2O结合，生成CH4。在这个过程中，还释放了热量，可以促进水合物加速分解。同时将CO2封存在地底下，在一定程度上，可

以降低大气中碳含量，同时，水合物分解造成的压强减小形成的地质灾害可能性也被减小了。

1.4 注化学药剂法

注化学药剂法是指通过某些化学药剂可以打破水合物相平衡的状态，从而使水合物分解得到CH4。例如常用的有甲醇，乙醇，乙二醇和盐水，从而将NGH的相平衡曲线向上进行推动，这样可以让水合物在压力和温度开采要求更低。在开采初期，这种方法具有注入能量低的特点，但这种方法也存在着一些缺陷，譬如，开采效率低，且给环境带来的影响和危害还不能确定，而且化学试剂价格不是很便宜，不易大量开采使用，不仅如此，水合物一般均在较为偏僻的位置，尚不可知这会给环境带来多大的潜在危害。

1.5 固体开采法

固体开采法是通过类似于采矿机的挖掘工具，将NGH以固体的形式挖掘开采出，将开采出的固体提升到浅海区域。被采出的NGH固体经过磨碎后并用海水加热，使其充分分解释放CH4。目前所存在的不足是在开采和运输的过程中消耗能量过多，技术方面还有待突破。

2 NGH开采方法分析

2.1 水合物开采方法的优缺点对比

到目前为止，全球只有俄罗斯的一个水合物矿藏进行过相对规模较大的工业化开采，主要原因是降压法只适用于一部分NGH矿藏开采，NGH的盖层和底层均为非渗透层；或者NGH只有盖层是非渗透层。但大量自由扩散的CH4却存在于NGH矿藏里[6]。因而降压法的适用条件限制了它的发展。热激法开采热损耗大，能量转换效率不是很高，而且在开采水合物，其储藏地区多为永久冻土区域，在这种环境条件下，热传递更会在传递过程中大大耗减，因此开采效率低，这也是阻碍了热激法为何没走向工业化生产道路的制约因素。注化学试剂法是向储层中注入甲醇类药剂，这种方法开采效率并不高,且它的反应速率是随着时间成反比的,反应速率逐渐降低，注入化学试剂会对底部水源产生一定的影响，给环境带来一定的潜在危害。对于CO2置换法来说，CO2反应速率较慢，不适合大型工业化开采。固体开采法在挖掘水合物和提升水合物均为大量机械做功，能量耗费很大，其开采效益实在不高。但未来若是有技术突破，也不失为一种可行之举。

2.2 实际开采中的方法考虑

只是采取其中一种方法，开采时各有所不足之处，因而应采取联合开采的方法。NGH开采的初步阶段，NGH处于温度和压强相平衡的情况，由开采水合物实际实验和结论可得，降压法是在初期效率最高的，但往往在实际开采过程中，由于气藏中不含有热源，若是向其中提供热源，不仅可以促进CH4的生成，而且还能避免因NGH在分解过程中吸收热量，导致管道结冰的一种现象。在供热方式的选取上，由于水合物是极性分子，可以吸收一定量的微波，相比传统加热法，在热量传递的过程中能量损失要减少很多。因而，开采初期可以采用降压法和注化学药剂法，随着化学药剂法和降压法作用逐渐减小时，这时应采用热激法。热激法的方式为井底微波法。在这些阶段中，我们并没有用固体开采法，前面已经对原因进行阐述了，这里就不在多加赘述了。

3 环境影响

天然气是一种温室气体，它所能造成的温室效应是相同质量CO2的二十一倍[7]。又有数据表明海底NGH和CH4的总含量是大气中所含有CH4的三千多倍，因而在开采过程中CH4的泄露，其结果是不可预估的[8]。据推测，伴随着大气温度的升高，而海水和冻土区底层温度也会慢慢受到影响而逐渐上升，到那时水合物如同被热源供热，水合物会自发分解释放CH4,CH4属于温室气体，很明显这会引发恶性循环，长此已久，地球气候必然会发生一番巨大的变化，若是没认识到这一点，必然会造成不可预估的灾难。故笔者所见，开采水合物一定要慎之又慎。