Dầu khí

Khí mê-tan

Khí mê-tan



Tài nguyên khí đốt tự nhiên lớn nhất thế giới bị mắc kẹt bên dưới lớp băng vĩnh cửu và trầm tích đại dương.


Khí mê-tan: Bên trái là mô hình bóng và khí mêtan hydrat cho thấy phân tử metan trung tâm được bao quanh bởi một "lồng" các phân tử nước. Các phân tử hydrocarbon khác như pentane và ethane có thể chiếm vị trí trung tâm trong cấu trúc này. (Hình ảnh Bộ Năng lượng Hoa Kỳ). Bên phải là một mẫu băng cháy metan hydrat (hình ảnh khảo sát địa chất Hoa Kỳ).

Metan hydrat "xi măng" trong tập đoàn?: Bức ảnh này cho thấy một mẫu cốt lõi của vùng methane hydrate trong Mallik Test Well. Điều này cũng thâm nhập vào các mỏ băng vĩnh cửu ở khu vực đồng bằng sông Mackenzie của Canada. Phần lõi này cho thấy sỏi được kết dính thành một "tập đoàn" bằng băng metan hydrat. Nhấn vào đây để phóng to hình ảnh.

Năng lượng tiếp theo "Thay đổi trò chơi"?

Khi khí tự nhiên từ đá phiến trở thành "công cụ thay đổi trò chơi" năng lượng toàn cầu, các nhà nghiên cứu dầu khí đang nỗ lực phát triển các công nghệ mới để sản xuất khí tự nhiên từ các mỏ khí mêtan. Nghiên cứu này rất quan trọng vì tiền gửi hydrat mêtan được cho là một nguồn hydrocarbon lớn hơn tất cả các nguồn tài nguyên dầu, khí tự nhiên và than của thế giới cộng lại. 1 Nếu các khoản tiền gửi này có thể được phát triển một cách hiệu quả và kinh tế, methane hydrate có thể trở thành công cụ thay đổi trò chơi năng lượng tiếp theo.

Một lượng lớn khí mêtan hydrat đã được tìm thấy bên dưới lớp băng vĩnh cửu Bắc Cực, bên dưới băng Nam Cực và trong các trầm tích trầm tích dọc theo rìa lục địa trên toàn thế giới. Ở một số nơi trên thế giới, chúng gần các khu vực dân cư cao hơn bất kỳ mỏ khí tự nhiên nào. Các khoản tiền gửi gần đó có thể cho phép các quốc gia hiện nhập khẩu khí đốt tự nhiên trở nên tự cung tự cấp. Thách thức hiện tại là kiểm kê tài nguyên này và tìm ra những cách an toàn, tiết kiệm để phát triển nó.

Biểu đồ ổn định metan hydrat: Biểu đồ pha này cho thấy độ sâu của nước (áp suất) trên trục tung và nhiệt độ trên trục hoành. Các đường đứt nét tách các trường ổn định của nước, nước đá, khí và khí hydrat. Dòng có nhãn "chuyển hóa hydrat sang khí" là rất quan trọng. Điều kiện cho sự hình thành của metan hydrat xảy ra dưới dòng này. Trên dòng này methane hydrate sẽ không hình thành. Đường màu đỏ theo dõi một địa nhiệt (sự thay đổi nhiệt độ với độ sâu tại một vị trí cụ thể). Lưu ý làm thế nào, khi độ sâu tăng, địa nhiệt vượt qua đường chuyển hydrat sang khí. Điều này có nghĩa là khí hydrat trong trầm tích thường chồng lên khí tự do. Đồ thị sửa đổi sau NOAA. 4

Metan hydrat là gì?

Methane hydrate là một chất rắn kết tinh bao gồm một phân tử metan được bao quanh bởi một lồng các phân tử nước lồng vào nhau (xem hình ở đầu trang này). Methane hydrate là một "băng" chỉ xuất hiện tự nhiên trong các lớp trầm tích dưới bề mặt nơi điều kiện nhiệt độ và áp suất thuận lợi cho sự hình thành của nó. Những điều kiện này được minh họa trong sơ đồ pha trên trang này.

Nếu băng được lấy ra khỏi môi trường nhiệt độ / áp suất này, nó trở nên không ổn định. Vì lý do này, tiền gửi methane hydrate rất khó nghiên cứu. Chúng không thể được khoan và khoan để nghiên cứu như các vật liệu dưới bề mặt khác bởi vì khi chúng được đưa lên bề mặt, áp suất giảm và nhiệt độ tăng. Điều này khiến băng tan chảy và khí mêtan thoát ra.

Một số tên khác thường được sử dụng cho methane hydrate. Chúng bao gồm: metan clathrate, hydromethane, băng metan, băng lửa, hydrat khí tự nhiên và hydrat khí. Hầu hết các mỏ hydrat mêtan cũng chứa một lượng nhỏ hydrocarbon hydrat khác. Chúng bao gồm propan hydrat và ethane hydrate.

Bản đồ metan hydrat: Bản đồ này là một phiên bản tổng quát của các địa điểm trong kho lưu trữ cơ sở dữ liệu xảy ra khí hydrat tự nhiên toàn cầu của USGS. 2

Bản đồ khí hydrat: Một trong những mỏ khí hydrat được nghiên cứu rộng rãi nhất là Blake Ridge, ngoài khơi Bắc Carolina và Nam Carolina. Những thách thức của việc sản xuất mêtan từ tiền gửi này là hàm lượng sét cao và nồng độ metan thấp. 3 Bản đồ này là một ví dụ về sự gần gũi của tiền gửi biên lục địa với các thị trường khí đốt tự nhiên tiềm năng. Hình ảnh của NOAA. 4

Phòng thí nghiệm khí hydrat USGS: Video này đưa bạn đến thăm Phòng thí nghiệm Gas Hydrates của USGS nơi các nhà nghiên cứu tiến hành thí nghiệm trên các mẫu khí hydrat được thu thập từ các khu vực rìa cực và lục địa. Họ cũng tạo ra hydrat khí tổng hợp và tiến hành các thí nghiệm để xác định tính chất hóa học và vật lý của chúng.

Tiền gửi hydrat mêtan ở đâu?

Bốn môi trường Trái đất có điều kiện nhiệt độ và áp suất phù hợp cho sự hình thành và ổn định của metan hydrat. Đó là: 1) trầm tích và các đơn vị đá trầm tích dưới lớp băng vĩnh cửu Bắc Cực; 2) trầm tích trầm tích dọc theo biên lục địa; 3) trầm tích nước sâu của hồ nội địa và biển; và, 4) dưới băng Nam Cực. 10. Ngoại trừ các trầm tích ở Nam Cực, sự tích lũy hydrat mêtan không sâu lắm dưới bề mặt Trái đất. Trong hầu hết các tình huống, khí mêtan nằm trong phạm vi vài trăm mét bề mặt trầm tích.

Mô hình tiền gửi hydrat mêtan: Các mô hình ký gửi cho tiền gửi hydrat mêtan ở rìa lục địa và dưới lớp băng vĩnh cửu. 7

Trong các môi trường này, metan hydrat xảy ra trong trầm tích dưới dạng các lớp, nốt sần và xi măng giữa các hạt. Các lớp trầm tích thường rất dày đặc và dai dẳng đến mức chúng tạo ra một lớp không thấm nước bẫy khí tự nhiên di chuyển lên từ bên dưới.

Năm 2008, Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ đã ước tính tổng tài nguyên khí hydrat chưa được khám phá cho khu vực Dốc Bắc Alaska. Họ ước tính rằng tổng tài nguyên khí tự nhiên chưa được phát hiện dưới dạng khí hydrat nằm trong khoảng từ 25,2 đến 157,8 nghìn tỷ feet khối. Bởi vì rất ít giếng đã được khoan qua tích lũy khí hydrat, các ước tính có mức độ không chắc chắn rất cao. 5

Phòng thí nghiệm khí hydrat USGS: Video này đưa bạn đến thăm Phòng thí nghiệm Gas Hydrates của USGS nơi các nhà nghiên cứu tiến hành thí nghiệm trên các mẫu khí hydrat được thu thập từ các khu vực rìa cực và lục địa. Họ cũng tạo ra hydrat khí tổng hợp và tiến hành các thí nghiệm để xác định tính chất hóa học và vật lý của chúng.

Khí hydrat tốt: Khí Ignik Sikumi # 1 hydrat tốt trên Dốc Bắc Alaska. Một đánh giá tài nguyên khí hydrat USGS xác định rằng North Slope có một nguồn tài nguyên hydrat khí mở rộng bị mắc kẹt dưới lớp băng vĩnh cửu. Bộ năng lượng ảnh.

Ignik Sikumi: Video này đưa bạn đến thăm thử nghiệm khí hydrat Ignik Sikumi, một cái giếng ở North Slope của Alaska sản xuất khí tự nhiên từ hydrat khí bên dưới lớp băng vĩnh cửu. Thành tựu đạt được ở đây là giải phóng khí mê-tan bằng cách thay thế nó bằng carbon dioxide - mà không làm tan chảy khí hydrat.

Methane Hydrate được sản xuất ở đâu hôm nay?

Cho đến nay, không có sản xuất mêtan thương mại quy mô lớn từ tiền gửi khí hydrat. Tất cả sản xuất có quy mô nhỏ hoặc thử nghiệm.

Đầu năm 2012, một dự án chung giữa Hoa Kỳ và Nhật Bản đã tạo ra một dòng khí mêtan ổn định bằng cách bơm carbon dioxide vào sự tích lũy hydrat mêtan. Carbon dioxide đã thay thế khí mêtan trong cấu trúc hydrat và giải phóng khí mêtan chảy ra bề mặt. Thử nghiệm này rất có ý nghĩa vì nó cho phép sản xuất mêtan mà không có sự bất ổn liên quan đến hydrat khí nóng chảy. 6

Các khoản tiền gửi hydrat mêtan có khả năng nhất được lựa chọn để phát triển đầu tiên sẽ có các đặc điểm sau: 1) nồng độ hydrat cao; 2) đá hồ chứa có độ thấm cao; và, 3) các vị trí có cơ sở hạ tầng hiện có. 7 Tiền gửi đáp ứng các đặc điểm này có thể sẽ nằm ở Dốc Bắc Alaska hoặc ở miền bắc nước Nga.

Ignik Sikumi: Video này đưa bạn đến thăm thử nghiệm khí hydrat Ignik Sikumi, một cái giếng ở North Slope của Alaska sản xuất khí tự nhiên từ hydrat khí bên dưới lớp băng vĩnh cửu. Thành tựu đạt được ở đây là giải phóng khí mê-tan bằng cách thay thế nó bằng carbon dioxide - mà không làm tan chảy khí hydrat.

Khí hydrat nóng chảy: Khi các giếng dầu được khoan qua các trầm tích chứa hydrat, nhiệt độ ấm của dầu di chuyển lên qua vùng hydrat đông lạnh có thể gây ra sự tan chảy. Điều này có thể dẫn đến thất bại tốt. Đường ống ấm chạy qua dòng chảy hydrat đông lạnh cũng là một mối nguy hiểm. 8 hình ảnh USGS.

Nguy cơ mêtan hydrat

Metan hydrat là trầm tích nhạy cảm. Chúng có thể phân tách nhanh chóng khi tăng nhiệt độ hoặc giảm áp suất. Sự phân ly này tạo ra khí metan và nước tự do. Việc chuyển đổi một trầm tích rắn thành chất lỏng và khí sẽ tạo ra sự mất đi sự hỗ trợ và độ bền cắt. Những thứ này có thể gây ra sự sụp đổ của tàu ngầm, lở đất hoặc sụt lún có thể làm hỏng thiết bị sản xuất và đường ống. 7

Khí mê-tan là một loại khí nhà kính mạnh mẽ. Nhiệt độ Bắc cực ấm hơn có thể dẫn đến sự tan chảy dần dần các hydrat khí dưới lớp băng vĩnh cửu. Đại dương nóng lên có thể gây ra sự tan chảy dần dần của khí hydrat gần giao diện nước-trầm tích. Mặc dù nhiều báo cáo tin tức đã trình bày đây là một thảm họa tiềm tàng, nghiên cứu của USGS đã xác định rằng hydrat khí hiện đang góp phần vào tổng lượng khí mê-tan trong khí quyển và sự tan chảy thảm khốc của các mỏ hydrat không ổn định khó có thể gửi một lượng lớn khí mê-tan vào khí quyển. 9

Bạn có biết không? Metan hydrat có nồng độ metan rất cao. Nếu bạn làm tan chảy một khối khí metan một mét khối, khoảng 160 mét khối khí metan sẽ được giải phóng.
Methane Hydrate Tài liệu tham khảo
1 Phòng thí nghiệm khí hydrat USGS: Stephen Wessells, Laura Stern, Steve Kirby; Video khảo sát đa phương tiện khảo sát địa chất Hoa Kỳ, 2012.
2 Một kho lưu trữ toàn cầu về sự xuất hiện của khí hydrat tự nhiên: Keith A. Kvenvolden và Thomas D. Lorenson, Trung tâm khoa học biển & bờ biển Thái Bình Dương, Khảo sát địa chất Hoa Kỳ.
3 Hydrat khí tự nhiên: Một đánh giá: Timothy S. Collett, Arthur H. Johnson, Camelia C. Knapp, Ray Boswell; Hydrat khí tự nhiên - Tiềm năng tài nguyên năng lượng và các mối nguy địa chất liên quan: Hồi ức AAPG 89, tr. 146-219, 2009.
4 Gas Hydrates ngoài khơi Đông Nam Hoa Kỳ: Carolyn Ruppel, Viện Công nghệ Georgia, trang web NOAA Ocean Explorer, truy cập lần cuối vào tháng 11 năm 2016.
5 Đánh giá tài nguyên khí hydrat trên dốc Bắc, Alaska, 2008: Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, Tờ thông tin 2008-3073, tháng 10 năm 2008.
6 Hoa Kỳ và Nhật Bản Hoàn thành thử nghiệm thành công lĩnh vực công nghệ sản xuất Methane Hydrate: Thông cáo báo chí của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, ngày 2 tháng 5 năm 2012.
7 Tiềm năng tài nguyên năng lượng của Methane Hydrate: Giới thiệu về tiềm năng khoa học và năng lượng của một nguồn tài nguyên độc đáo; xuất bản bởi Phòng thí nghiệm Công nghệ Năng lượng Quốc gia, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, tháng 2 năm 2011.
8 Kết quả tính chất nhiệt pha tinh khiết: sI Methane Hydrate: Trung tâm khoa học Woods Hole, Khảo sát địa chất Hoa Kỳ, 2007.
9 Khí hydrat và khí hậu nóng lên - Tại sao thảm họa Methane không có khả năng: Carolyn Ruppel và Diane Noserale, Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, Bản tin Sóng âm, Tháng 5 / Tháng 6 năm 2012.
10 Nghiên cứu cho thấy các hồ chứa khí mêtan lớn bên dưới dải băng ở Nam Cực: Tim Stephens, thông cáo báo chí, Đại học California Santa Cruz, ngày 29 tháng 8 năm 2012.

Tiềm năng rất lớn

Mặc dù tích lũy metan hydrat nằm trong môi trường khó khăn và có nhiều thách thức kỹ thuật, chúng được phân phối rộng rãi và là nguồn hydrocarbon lớn nhất trên Trái đất. Một loạt các công nghệ có thể được phát triển để tạo ra chúng bằng cách sử dụng giảm áp, trao đổi ion và các quá trình khác tận dụng các tính chất hóa học và vật lý độc đáo của chúng. Hoa Kỳ, Canada, Nhật Bản và Ấn Độ đều có các chương trình nghiên cứu mạnh mẽ để khám phá các công nghệ khả thi để sản xuất hydrat khí. Methane hydrate có thể sẽ đóng một vai trò quan trọng trong hỗn hợp năng lượng trong tương lai của chúng ta.