21世纪新能源-可燃冰

《能源与环境》
课程报告
题目：21世纪新能源-可燃冰学号：201148250107203 姓名：胡兆鑫
提交日期：2012-06-01
21世纪新能源-可燃冰
摘要：可燃冰又称天然气水合物，在低温、高压条件下形成，是近些年来世界各国相继发现的一大新型能源，因其优越的燃烧性能和清洁燃烧产物，有可能成为21世纪的新能源。

目前多个国家已进行了研究、勘探和试开发。

我国也将其纳入重大项目，并已获得样品。

本文阐述了可燃冰形成和发现过程，并分析总结目前国内外对可燃冰的研究现状，在此基础上分析了可燃冰的应用对环境产生的利与弊，说明对可燃冰的研究开发对未来能源储备具有重要意义。

关键词：可燃冰；天然气水合物；研究开发现状；开发前景
0 引言
在煤炭、石油、天然气等传统能源储量有限的情况下，世界各国的科学家正努力寻找清洁高效的新型能源，以取代日益枯竭的传统能源。

此时，一种俗称“可燃冰”的“冰块”，正以其独特的优势，进入科学家的视野，并有可能一举成为21世纪的新能源。

可燃冰又叫做“天然气水合物”也称作气体水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate），是分布于深海沉积物中，它是由天然气与水在高压（大于100atm，或大于10MPa）和低温（0~10℃）条件下合成的一种固态类冰状结晶物质，因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“固体瓦斯”或者“气冰”。

因形成天然气水合物的主要气体为甲烷，所以可燃冰又称为固态甲烷[1]。

可燃冰具有很强的浓缩(吸附)气体的能力,是其他非常规气源岩（如煤层、黑色页岩）能量密度的10倍,是常规天然气能量密度的2~5倍。

可燃冰的燃烧值高，清洁无污染，燃烧后几乎不产生任何废弃物，SO2产生量比燃烧原油或煤低两个数量级。

可燃冰是近20年来在海洋和冻土带发现的新型洁净优质能源，已引起了各国政府和能源专家的广泛关注[2,3]。

1 可燃冰的发现与形成条件
1.1可燃冰的发现
早在1778年，英国化学家普得斯特里就着手研究气体生成的气体水合物温度和压强。

19世纪70年代，美国地质工作者在海洋中钻探时，发现了一种看上去像普通干冰的东西，当它从海底被捞上来后，那些“冰”很快就成为冒着气泡的泥水，而那些气泡却意外地被点着了，这些气泡就是甲烷。

据研究测试，这些像干冰一样的灰白色物质，是由天然气与水在高压低温条件下结晶形成的固态混合物。

1934年，前苏联在油气管道和加工设备中发现了冰状固体堵塞现象，这些固体不是冰，就是人们现在说的可燃冰，自此对于可燃冰这一新能源在世界上产生了广泛的关注；于是，继天然气水合物矿藏被苏联于1965年首次在西西伯利亚发现之后，各国相继地发现了可燃冰的存在，并着手对它进行了深入的研究。

自此，可燃冰的神秘面纱正被一步步地揭开[1]。

1.2可燃冰的形成条件
“可燃冰”的形成有3个基本条件：首先，温度不能太高，零度以上，0~10℃为宜，最高限是20 ℃左右，再高就会分解。

第二，压力要够，但也不能太大，零度时，30 个标准大气压以上它就可能生成。

第三，地底要有气源。

因为在陆地只有西伯利亚的。

因为在陆地只有西伯利亚的永久冻土层才具备形成条件和使之保持稳定的固态，而海洋深层300~500m 的沉积物中都可能具备这样的低温高压条件。

因此，其分布的陆海比例为1∶100[3]。

2 可燃冰的分布
目前，世界上已探明的“可燃冰”总资源量巨大，共有79个国家和地区已经发现了天然气水合物气藏。

据保守估算，世界上天然气水合物所含天然气的总资源量约为1.8亿亿至2.1亿亿立方米，其有机碳含量相当于全世界已探明煤碳、石油和天然气等能源总碳量的两
倍，全球“可燃冰”的资源量可满足人类未来1000年的需求，是21世纪最理想、最具商业开发价值的新能源，其开发利用目前已经引起世界各国的重视[4]。

到目前为止，世界上海底天然气水合物已发现的主要分布区是大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、日本南海海槽、苏拉威西海和新西兰北部海域等，东太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亚滨外和秘鲁海槽等印度洋的阿曼海湾，南极的罗斯海和威德尔海，北极的巴伦支海和波弗特海，以及大陆内的黑海与里海等。

全球范围内的可燃冰分布如图1所示。

3可燃冰的开采利用
可燃冰的储量巨大，但有效的从可燃冰中开采天然气的方法至今还在探索和研究之中。

3.1非注热开采可燃冰方法
开采可燃冰的方法众多，主要分为注热开采和非注热开采法，但都不同程度的存在不足。

压降法：只需控制井口压力，使井底压力低于地层温度下水合物的平衡压力，此方法适用于高渗透层，深度超过700m的大型水合物的开采。

缺点是在井口易于再次形成可燃冰；分解的气体中若含有C组分时，其平衡压力会显著降低，不利开采。

注入抑制剂：采用甲醇、乙二醇、丙三醇等化学药剂作为抑制剂，改变水合物平衡条件使部分可燃冰分解。

该方法十分简单，使用方便；缺点是费用昂贵，作用缓慢，对海底环境造成危害。

CO置换法：将相平衡压力较低、更容易形成水合物的CO；注入可燃冰储层。

形成二氧化碳水合物过程中释放热量，从而加热可燃冰使之分解。

此方法开采可燃冰可以避免污染海底环境。

缺点是开采时的反应速率较低。

3.2注热开采可燃冰方法
注热开采可燃冰是一种较为有前景的开采水合物方法，它是借助热水、蒸汽将热量输送到井底或是利用井底加热装置和钻具旋转产生热量分解可燃冰。

但是由于注入的热量大多都
加热岩层而损失掉了，所以效果并不理想。

对此，提出了以下开采新思路。

（1）直井注热开采
在直井注热开采中，推荐采用盐水作为注热载体，盐水具有抑制水合物生成、防止采气过程中孔隙和井眼堵塞。

为提高热效，尽量增加盐度，可使用饱和或超饱和盐水，若采用地热层的盐水，则地热层的温度便是盐水温度的上限，地热层盐水温度为394K-477K。

（2）多分支水平井结构
采取向水合物储层的非渗透层底部注入能自动生热的放射性废液，生成的热量向上传递，加热水合物产层。

可结合水合物的开采周期采取间断性的注入放射性废液。

具有费用小、放热多的优点。

缺点是不渗透的热量交换慢，产生放射性危险污染[5]。

4可燃冰研究现状
4.1国外可燃冰研究现状
迄今，世界上至少有30多个国家和地区进行可燃冰的研究与调查勘探。

美国、日本、印度等国近年来纷纷制订天然气水合物研究开发战略和国家研究开发项目计划。

美国于1981年投入800万美元制订了天然气水合物10年研究计划；1998年又把天然气水合物作为国家发展的战略能源列入长远计划，每年投入2000万美元，准备在2015年试开采。

日本经济产业省已从2000年开始着手开发海底天然气水合物，开发计划分两段进行,前5年对开采海域的蕴藏量和分布情况进行调查，从第3年开始就打井以备调查用,之后5年进行试验性采掘工作，2010年以后实现商业生产。

韩国产业资源部制订了《可燃冰开发10年计划》，计划投入总计2257亿韩元,用以研究开发深海勘探和商业生产技术。

印度在1995年制订了5年期《全国气体水合物研究计划》，由国家投资5600万美元对其周边海域的天然气水合物进行前期调查研究[2,3]。

目前，美国、俄罗斯、荷兰、加拿大、日本等国探测可燃冰的目标和范围已覆盖了世界上几乎所有大洋陆缘的重要潜在远景地区以及高纬度极地永冻土地带和南极大陆陆缘区，同时，俄、美、加等国通过地震勘探工作,已查明在北极地区有大量正在形成的天然气水合物。

据日本经济产业省专家小组会议2008年8月18日在东京发表的一份文件所说，日本政府将在一个叫作Nankai海槽的深海沟中进行冰冻甲烷的试验性生产。

韩国已成功完成《可燃冰开发10年计划》第一阶段任务，确认韩国周边海域海底可燃冰矿藏，并对储藏量进行初步估计；2008~2011年，韩国将完成对周边海域进一步勘探工作；2012~2014年,对周边海域发现的可燃冰矿藏储量进行最终确认，研发可燃冰商业生产相关技术[2,3]。

3.2我国可燃冰研究现状
1990年中国科学院与莫斯科大学冻土专业学者合作开展室内可燃冰合成试验。

1992年，史斗等人将当时国外有关天然气水合物研究的资料进行整，理精选，翻译出版了中国第一部关于天然气水合物研究的中文资料《国外天然气水合物研究进展》。

1998年,中国完成了“中国海域气体水合物勘测研究调研”课题，首次对中国海域的天然气水合物成矿条件及找矿远景做了总结。

据专家分析，青藏高原的羌塘盆地和东海、南海、黄海的大陆坡及其深海,都可能存在体积巨大的可燃冰。

2002年，国家批准设立了水合物专项“我国海域天然气水合物资源勘测与评价”[2]。

2003年10月，80多位国内外专家学者集聚青岛，召开可燃冰的学术研讨会。

近年来，在国土资源部统一组织下，中国海洋地质调查部门通过调查研究，发现南海北部具有良好的可燃冰资源前景，2007年6月5日，我国南海北部神狐海域天然气水合物资源调查获得重大突破：经钻探在南海北部神狐海域获取了可燃冰的实物样品。

我国也因此成为继美国、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，此次发现天然气水合物的南海神狐海域，成为世界上第24个采到天然气水合物实物样品的地区。

在南海北部获取实物样品之后尽快发现具有开采价值的天然气水合物矿藏，已成为当前中国
天然气水合物勘探研究的首要目标。

为尽早在我国南海北部发现具有开采价值的可燃冰矿藏，南海可燃冰项目已纳入《国家重点基础研究发展规划》（“973”计划）。

项目于2009年1月正式启动，2013年结束。

这标志着中国对天然气水合物的重大基础研究全面展开。

项目将主要集中在五个方面做研究，包括可燃冰成藏的基础条件；演化的动力学过程；成藏机制及富集规律；地球物理、地球化学异常机理；开发中的多相流动机理和相关理论[3]。

2008年11月，国土资源部在青海省祁连山南缘永久冻土带（青海省天峻县木里镇，海拔4062米）成功钻获天然气水合物实物样品；2009年6月继续钻探，获得宝贵的实物样品，我国成为世界上第一个在中低纬度冻土区发现“可燃冰”的国家。

此次钻探，证明了我国冻土区存在丰富的天然气水合物资源，对认识天然气水合物成藏规律、寻找新能源具有重大意义，不仅在地学史上有里程碑意义，也将对我国的经济社会发展产生巨大影响。

专家称：大庆油田的发现为我国甩掉了贫油国的帽子。

可燃冰作为“后石油时代”的重要替代能源，此次发现和随后的研究利用，可以同大庆油田的意义相媲美。

5可燃冰的开发前景
天然气水合物作为21世纪的一种环境友好燃料，具有广阔的应用前景。

但目前开发利用这种非常规资源还面临着许多无法回避的挑战：首先，在技术方面，这类资源地处没有运输基础设施的冰封和遥远地区，难以开采利用；其次，在科学研究方面，为了更精确地预测甲烷气的蕴藏量，需要更充分地了解控制天然气水合物形成与分布的各种地质因素[6]。

天然气水合物是一种溢散气体，因此开采时最易泄漏，如果控制不住，极易造成“井喷”。

大量可燃冰排出后会造成强烈的温室效应，可燃冰中的甲烷温室效应为二氧化碳的13倍，全球海底可燃冰中的甲烷总量为地球大气中甲烷总量的3000倍。

若不慎让海底甲烷气逃逸到大气中，将产生无法想象的后果：一方面加剧全球气候变暖，另一方面对海洋本身也有极大地危害，可能造成大陆架边缘的动荡，甚至导致灾难性海啸，同时也会危及海底油气管线、水下电缆等设施[2,3]。

从上述分析来看，“可燃冰”的开发会对环境带来种种不利因素，但从另外一个角度来看，排向大气中的甲烷最终会对于稳定全球气候产生积极的作用。

冰川时期开始时，由于全球变冷、冰盖扩大进而引起海平面下降，而海平面的下降又会导致对海底压力的下降，这样天然气水合物的离散和甲烷的释放增加了大气的温室效应，从而全球气候持续变冷得到了有效控制。

因此，天然气水合物又成为了稳定全球温度的一个重要因素[1]。

由以上种种来看，短时间内，可燃冰成为新能源只是人类的一个希望。

但长期来说，可燃冰作为一种清洁高效、潜力巨大的新能源，将成为继石油、煤炭、天然气之后的一种主要能源。

6结语
可燃冰作为本世纪极具开发前景的能源，从性质研究到勘探开采，涉及到地质、化学、环境、物理、生物等不同领域的一系列问题，是一个颇具挑战性的课题。

虽然许多国家围绕这一课题开展了或正在开展许多科研攻关，但目前为止离实际大规模开采利用还相去甚远。

而且可燃冰的开发有利有弊，如何在确保人类生存环境不受到较大影响的前提下开采利用这一潜力巨大的能源是以后的研究重点。

相信在不同领域专家的协作和不懈努力下，将可燃冰投入生活利用的日子将不会遥远。

参考文献
[1]马小娟,呼方涛,王锦华.浅析可燃冰的研究现状与发展前景.资源管理,2011,7.
[2]吴震.新型洁净能源可燃冰的研发现状.节能,2009,2:7-8.
[3]冯丹,李选民.新型能源—可燃冰的研发现状.能源技术与管理.2009,6:113-115.
[4]胡志琴.一种新能源—可燃冰.科学教育,2011,3(11):94-95.
[5]邵帅.天然气水合物研究进展.高校理科研究.
[6]钱伯章,朱建芳.天然气水合物:巨大的潜在能源.天然气与石油,2008,26(4):47-52.。