天然气水合物研究历程及现状
1.世界天然气水合物研究历程回顾
从1810 年英国Davy在实验室首次发现气水合物和1888 年Villard人工合成天然气水合物后, 人类就再没有停止过对气水合物的研究和探索。在这将近2 的时间内, 全世界对天然气水合物的研究大致经历了 3 个阶段, 如表1-1[2]所示。
第一阶段是从1810 年到20 世纪30 年代初。( 18 , Davy 合成氯气水合物并于次年发表文章正式提出水合物一词。) 在这120 年中, 对气水合物的研究仅停留在实验室, 且争议颇多。
第二阶段是大致可看作是自1934年起始的。当年美国Hammerschmidt发表文章, 提出天然气输气管道堵塞与水合物有关, 从负面加深了对气水合物及其性质的研究。在这个阶段, 研究主题是工业条件下水合物的预报和清除、水合物生成阻化剂的研究和应用。
第三阶段是从上世纪60年代至今, 全球天然气水合物进入大范围勘探普查开发的格局。上世纪60 年代特罗费姆克等发现了天然气能够以固态形式存在于地壳中。特罗费姆克等的研究工作为世界上第一座天然气水合物矿田——麦索雅哈气田的发现、勘探与开发前期的准备工作提供了重要的理论依据, 从而大大拓宽了天然气地质学的研究领域。美国学者在上世纪70年代也开始重视气水合物研究, 并于1972年在阿拉斯加获得世界上首次确认的冰胶结永冻层中的气水合物实物。天然气水合物成藏理论预测的成功、测得成藏理论区气水合物地球物理, 地球化学异常, 以及经过钻探取得水合物实样, 这一系列的成果被认为是上世纪能源问题的重大发现。能够说, 从上世纪60 年代至今, 全球气水合物研究跨入了一个崭新的阶段——第三个阶段(把气水合物作为一种能源进行全面研究和实践开发的阶段) , 世界各地科学家对气水合物的类型及物化性质、自然赋存和成藏条件、资源评价、勘探开发手段以及气水合物与全球变化和海洋
地质灾害的关系等进行了广泛而卓有成效的研究。
天然气水合物研究已经发展成为包括天然气水合物地质学、天然气水合物地球化学、天然气水合物区域工程地质学和天然气水合物地球物理调查以及天然气水合物与全球气候变化在内的一门新兴学科。能够预料, 到不远的将来, 天然气水合物在为人类提供能源方面将担任主角。[2]
表1 世界天然气水合物研究开发年系表
2.国外天然气水合物研究现状
当前, 世界上至少有30多个国家和地区进行着天然气水合物的研究与调查勘探, 而美国、日本、韩国、印度等国近年来制定的天然气水合物研究开发战略和国家研究开发项目计划尤为引人注目。
日本对天然气水合物的研究开发处于领先地位。1998年, 日本国家石油公司与加拿大地质测量局和美国地质测量局合作, 在加拿大西北部三角洲进行首次试钻, 取得地下1 150 m永久冻土层天然气水合物砂质岩心, 并计划在年在太平洋进行试验性钻井作业来开采埋在海床下面的天然气水合物并检验这种资源是否是一种可行的下一代燃料, 同时打算在前完成将天然气水合物用于商业化的必要技术开发。
美国于1981年投入800万美元制定了天然气水合物的研究计划; 1998年, 美国参议院经过决议, 把天然气水合物作为国家发展的战略能源, 将”甲烷水合物研究与资源开发利用”列入国家发展长远计划, 每年投人2 000万美元, 由能源部和美国地质调查局组织有关部门实施, 要求年达到计划目标, 进行商业性试采。
印度是继日本之后提出天然气水合物研究计划的第二个国家。其目的是迅速摸清全国水合物资源的资源量, 为经济开采做准备。
俄罗斯自20世纪70年代末以来, 先后在黑海、里海、白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟和太平洋西南部等海域进行海底天然气水合物研究, 发现具有工业价值的区域, 近期仍在对巴伦支海和鄂霍茨克海的天然气水合物进行研究。
德国于20世纪80年代与印尼等国对西南太平洋的边缘海进行过联合研究, 在莽拉威西海发现海底天然气水合物的识别标志。当前, 德国正在筹划大规模的国家研究计划, 可能计划与俄罗斯合作研究鄂霍茨克海的海底水合物。
另外, 研究天然气水合物的国家还有韩国、挪威和欧洲一些国家, 欧洲联
盟已拨出专款, 研制天然气传感器和专用的水合物取样工具, 在北大西洋开展天然气水合物调查, 查清资源量。[3]
当前, 国外对于天然气水合物地球化学勘探的方法主要有气体异常检测法、流体地球化学法、稳定同位素法、酸解烃法和顶空气法等。在流体地球化学方面, 主要经过采集沉积物样品或海水样品, 分别经过脱气装置获得气体( 沉积物为顶空气, 海水为水溶气) , 然后用气相色谱在船上直接检测烃类气体( 主要包括、、等) 和等组分, 剩余样品则携带到相应的实验室进行测试。( 标注文献4) 在孔隙水地球化学方面, 一般都是采集沉积物样品到甲板上, 经过压榨法或其它方法获得孔隙水样品, 再在船上开展水地球化学组分分析( 一般包括碱度、盐度、、、、、、、、、、等12项) 。但在对于深海天然气水合物原位探测方面, 国外主要以德国研制的K-METS较为先进, 它能够在快速运动中碱性测量甲烷浓度, 还能够进行水体剖面调查。该套设备能够应用于海底3500m, 检测的甲烷浓度的测量范围为1nmol/L—50nmol/L。但套设备也存在精度不够的问题, 在”十五”和”十一五”计划的天然气水合物原位勘查过程中, 该套设备未检测到甲烷指标组分浓度信号。这是也是当今世界科学界对天然气水合物原位探测技术的发展必要的原因。
图 1 K-METS 实物图 2 K-METS 内部结构示意图
表2 德国CAPSUM公司 K-Mets甲烷探测器主要参数数据
德国CAPSUM公司K-Mets甲烷探测器主要参数数据
探测器类型半导体
工作原理烃类气体经过一层特殊的硅有机质半透膜从液体孔隙中释放出来进入探测器, 烃类气体在活性层被吸附, 与氧发生氧化还原反应, 反应中电子的
得失经过传感器转化为电压信号。
半透膜指标
标准配置10 μm硅有机质隔膜
可选配置10-100 μm 硅有机质隔膜, 防污型
操作范围
深度0- m或0-3500 m( 供选择)
温度2-20℃( 其它温度可与厂家联系订制)
甲烷50 nmol/l-10 μmol/l ( 其它浓度范围可与厂家联系订制)
电流160 mA( 启动时最高会达到400mA)
输出
标准模拟信号0-5V 数字信号RS-485
规格
外壳直径49 mm