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油气之光——“可燃冰”是怎样形成的

2015-6-11 10:11:38 作者:邓 坚

“可燃冰”是一种规模巨大的新型潜在绿色能源,其资源量是全球煤炭、石油和天然气等化石能源资源量总和的2倍,按目前的能源消费水平来计算,可满足人类使用200年。因此,现已成为世界各国调查研究的热点。那么,你知道它们是怎么形成的吗?

可燃冰实际上是由天然气和水这两种物质在低温高压条件下形成的类似冰状的固体物质,因其外貌极像冰雪,点火即燃,故称“可燃冰”。按其物质成分和结构特征来看,科学家们则称其为天然气水合物。

天然气水合物的形成条件主要包括物源条件和温压条件。物源条件要求有大量的天然气(主要是甲烷气)和水,它们是可燃冰形成的物质基础,没有它们将是“无米之炊”;环境条件则要求低温和高压,一般需要低于10℃的温度和大于100个大气压的压力(水深1000米以下),因为只有在这种低温和高压条件下,含有大量天然气的水溶液才能形成可燃冰,缺少这个条件“生米就不能煮成熟饭”。

天然气水合物的生成过程实际上是水合物-溶液-气体三相平衡变化的过程,任何能影响相平衡的因素都能影响水合物的生成/分解过程,如温度升高或压力降低,水合物就分解成天然气和水,即由固相变为气相和液相。反之,天然气和水又可生成水合物,现在科学家们已经可以通过试验数据获得水合物稳定性的平衡温压曲线,并根据该曲线对比陆地或海底地层的实际温度和压力求出水合物形成带的厚度与深度,这个水合物形成带被称为“水合物稳定带”。理论上讲,在水合物稳定带内只要同时具有充足的天然气和水就可以形成天然气水合物。目前,地球上符合天然气水合物形成温压条件的地区主要在大陆边缘的海底(水深>300米)及陆地冻土区浅表地层(深度>几十米)。

可燃冰的天然气来源有两类:一是生物化学成因气,它们是由微生物在地表较浅深度和较低温度下分解有机质而成的,这种成因的气体成分相对简单,主要由甲烷组成,仅含有少量的乙烷和丙烷,农村使用的沼气也属于生物化学成因的气体;二是热解成因气,它们是由较高温度(高于100℃)和较大深度下的有机质热分解而成的,成分较复杂,除了含有大量甲烷外,还含有较多的乙烷、丙烷等其它烃类气体。目前,世界上发现的天然气气藏绝大多数都是这种成因的天然气。另外,上述两种成因的气体有可能混合,或微生物对热解成因气再分解,形成所谓的混合成因气。

水合物的形成主要有三种模式——低温冰冻模式、原地细菌生成模式和孔隙流体运移模式。

低温冰冻模式:这种模式通常发生在陆地上的冻土地区,由地下已存在的天然气矿床或含有饱和天然气的水在上升过程中受到冰冻发生相变而堆积形成天然气水合物的方式。这种方式就像先在冰箱冷冻室放一瓶水,然后接通电源制冷,水自然会转变成冰。

原地细菌生成模式:该模式主要发生在海底高沉积速率(高有机炭沉积)和微生物高生产率的地区,在水合物稳定带内微生物分解出的烃类气体就近形成水合物。

孔隙流体运移模式:此模式主要发生在俯冲带和高沉积速率区,这些地区由于地壳构造压缩变形或有沉积物的侧向压实作用,导致沉积物中有大量流体排放,含有甲烷(可以是微生物成因,也可以是热解成因)的孔隙流体在向上运移,在水合物稳定带内形成水合物。

全球244个“可燃冰”样品的分析数据显示,绝大多数海底“可燃冰”中的天然气以微生物气型为主,混合气型次之,热解气型较少,其成矿模式主要为原地细菌生成模式和孔隙流体运移模式;陆域冻土区水合物以混合气型、热解气型为主,微生物气型极少,其成矿模式主要为低温冰冻模式。□

(作者单位:中国地质调查局油气资源调查中心)

可燃冰。

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