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天然氣水合物的環境效應

2017-5-27 08:33| 發布者: admin| 查看: 102| 評論: 0

摘要: 隨著中國首次海域天然氣合物(可燃冰)試采成功,可燃冰進入公眾視線,那么可燃冰究竟是什么,它的環境效應如何呢?天然氣水合物結構天然氣水合物是氣體分子與水在低溫、高壓條件下形成的類冰狀的非化學計量的籠型結 ...



隨著中國首次海域天然氣合物(可燃冰)試采成功,可燃冰進入公眾視線,那么可燃冰究竟是什么,它的環境效應如何呢?


天然氣水合物結構


天然氣水合物是氣體分子與水在低溫、高壓條件下形成的類冰狀的非化學計量的籠型結晶水合物,其主體分子(水分子)在空間上呈籠型結構分布,故又稱籠型水合物。


在適當的壓力和溫度條件下,“主體”水分子在氫鍵作用下形成大小和形狀不同的多面體“籠”型結構,“客體”分子(氣體分子)通過范德華力填充在“籠”(又稱“孔穴”)中,形成不同類型的氣體水合物,其分子式可以用M·nH2O來表示


式中,M代表“客體”氣體分子,n為水合指數(即水分子數),M通常為甲烷CH4)、乙烷C2H6)、丙烷C3H8)、丁烷C4H10等同系物和二氧化碳CO2)、氮氣N2)、硫化氫H2S等其中的一種或多種組成 (Sloan, 1998)。


根據水分子構成的不同多面體,目前已發現天然氣水合物主要分為三種不同的結構類型:Ⅰ型、Ⅱ型和H型。圖1給出了天然氣水合物的三種晶體結構及其組成的示意圖(Sloan, 2003),它們分別包容數目不等的水分子和氣體分子,其結構參數見表1(孫志高等,2001; Sloan, 2003)。


圖1  Ⅰ型、Ⅱ型和H型水合物結構圖


表1  三種類型天然氣水合物晶體結構參數對照表


天然氣水合物基本性質


天然氣水合物為冰狀固體,俗稱“可燃冰”主要賦存于具有低溫、高壓環境的世界海洋大陸邊緣和高緯度凍土帶。目前,自然界中已發現的天然氣水合物,其氣體組成多以甲烷為主,故也稱為甲烷水合物,其外貌類似冰雪,點火可燃燒。

 

從顏色看,天然氣水合物多呈白色或淺灰色。從化學結構來看,天然氣水合物的構成特點為:由水分子搭成像籠子一樣的多面體格架,以甲烷為主的氣體分子被包含在籠子格架中。不同的溫壓條件及氣體組成,形成不同的多面體格架。從物理性質來看,天然氣水合物的密度接近并稍低于冰的密度,電介常數和熱傳導率均低于冰。天然氣水合物的聲波傳播速度明顯高于含氣沉積物和飽和水沉積物,中子孔隙度低于飽和水沉積物,這些差別是物探方法識別天然氣水合物的重要標志。

 

天然氣水合物具有多孔性,硬度和剪切模量小于冰,壓實的天然氣水合物密度略小于冰的密度,熱傳導率和電阻率遠小于冰的熱傳導率和電阻率。天然氣水合物屬于沉積礦產。從埋藏天然氣水合物的沉積層看,這些地層主要形成于新生代,而且以上新世的沉積層居多。除此之外,始新世、中新世、漸新世以及第四紀沉積層中也發現有天然氣水合物,含天然氣水合物的沉積層具有獨特的構造特征。

 

根據現有資料,含天然氣水合物的沉積層構造可分為塊狀構造、脈狀構造、透鏡狀擬層狀構造、斑狀構造和角礫狀構造。

 

天然氣水合物的能量密度極高。在常溫常壓下,天然氣水合物會發生分解,析出水,釋放氣體。在標準狀態下,1m3的天然氣水合物可釋放出約164m3的天然氣和0.8m3的水,這樣的能量密度是常規天然氣的2~5倍,是煤的10倍。由此可見,單位體積的天然氣水合物燃燒所能發出的熱量遠遠大于煤、石油和天然氣,因此它可作為一種比石油、天然氣更潔凈的氣體燃料。


天然氣水合物環境效應顯著


天然氣水合物與地球環境密切相關。一方面,天然氣水合物是一種潔凈能源,其主要氣體組成是甲烷,合理地開發和利用水合物的天然氣資源,將會極大地減輕當前傳統能源消費所帶來的環境污染等負面影響。

 

另一方面,作為一種溫室效應比較嚴重的氣體,不合理的開采可能使甲烷逃逸到大氣中,將對全球氣候變化以及海洋生態環境產生災難性的影響。此外,由于開采不當引起的水合物大規模地分解可能引發海底天然氣的快速釋放和沉積層液化,導致海底滑坡、重力流和海嘯等地質災害,對海洋工程造成毀滅性的破壞。因此,天然氣水合物資源是一柄,“雙刃劍”它在為人類帶來豐富的可利用資源的同時,也存在著潛在的不可逆轉的環境破壞(Kvenvolden, 1993, 1995),這是水合物開采利用過程中必須考慮的關鍵問題。

 

溫室效應


天然氣水合物是地殼淺部一個不穩定的碳庫,是全球碳循環鏈中一個重要的組成部分。天然氣水合物的存在在較大層面上牽制了大氣中溫室氣體含量的激增,在巖石圈、水圈和大氣圈的碳循環中起到了重要作用(MacDonald, 1990;Paull and Dillon, 2001; Kvenvolden and Lorenson, 2013)。


但是自然界中,天然氣水合物穩定性與其所賦存的地層條件密切相關,溫度和壓力的微小變化就可能引起水合物分解,釋放出的甲烷氣體將從過飽和的海水中逸出并進入大氣。甲烷是一種活動性強的溫室氣體,其溫室效應比等質量的二氧化碳大20倍,所以,一旦大量的甲烷氣體從水合物中釋放出來,可能導致全球變暖和冰川、冰蓋的融化。


但是,有關區域尺度定量模擬天然氣水合物分解可能進入大氣的甲烷通量的研究還很少,大氣中有多少甲烷是來自分解的水合物并不確定。全球天然氣水合物中蘊含的甲烷資源量大約是大氣圈中甲烷量的3000倍,當天然氣水合物分解產生的甲烷進入大氣圈中數量達到大氣甲烷總量的0.5%時,會明顯加速全球變暖的進程(Katz et al.,1999)。


海底滑坡

 

海底沉積物中,天然氣水合物形成時能夠在孔隙中產生一種膠結作用,當天然氣水合物以固體狀態存在時,能將沉積物顆粒膠結在一起,使原來較為疏松的結構變得致密,增強了地層的內聚力和摩擦角(蔣國盛等, 2002)。


當天然氣水合物分解時,會產生大量的氣體和水,將導致地層膠結作用喪失和孔壓急劇增大,甚至導致地層液化,誘發井壁失穩、滑坡、塌陷等工程事故與災害,從而對海底的管道、電纜等工程設施及開采工程構筑物與周圍環境造成嚴重影響,如圖2所示。當天然氣水合物處于失穩狀態時,由于其通常分布于大陸架外緣陸坡和陸隆沉積物中,其坡度都達到或超過海底滑坡的一般坡度,此時一旦受地震或者沉積載荷增大等因素觸發,僅依靠沉積物的自重,便可引起海底滑坡。挪威著名的Storrega海底山崩事件,大概是由于天然氣水合物釋放而形成的世界著名的最大滑體之一。


圖2  海底天然氣水合物不當分解可能導致的環境效應


海洋化學和海洋生物環境污染

 

海洋天然氣水合物開采會帶來更多環境問題。同進入海洋中的其他物質一樣,水合物釋放出來的甲烷在沉積物-海水-大氣系統中,也會發生一系列的遷移和轉化作用。


海水中的甲烷會影響海洋生態,甲烷進入海水中后會發生較快的有氧或無氧氧化作用,影響海水的化學性質;甲烷氣體的有氧氧化作用會消耗海水中大量的氧氣,使海洋形成缺氧環境,從而給海洋微生物的生長發育帶來危害,一些喜氧生物群落將會萎縮,甚至導致一些深海物種消失,生物礁退化,海洋生態平衡破壞;甲烷氣體的無氧氧化作用會消耗掉海水中大量的硫酸根離子,產生大量硫化氫離子,促使海水酸化;如果進入海水中的甲烷量特別大,還可能造成海水汽化,甚至會產生海水動蕩和氣流負壓卷吸作用,嚴重危害海面作業甚至海域航空作業。


采用注化學試劑法開采水合物過程中,需要添加一些酒精、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、氯化鈣等化學試劑,這些化學試劑的滲漏可能給海洋環境造成嚴重污染,造成海洋化學成分污染,海洋生物食物鏈中斷和一些海洋生物的絕滅,陸地上使用這些化學劑,也會造成局部地區地下水資源的污染。因此,天然氣水合物的研究不僅具有重要的能源戰略意義,也具有重要環境意義。


本文摘編自由劉昌嶺 孟慶國著《天然氣水合物實驗測試技術》第1章,內容有刪減。


(本期編輯:安靜)



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