Nafta ja gaas

Metaanhüdraat

Metaanhüdraat



Maailma suurim maagaasiressurss on lõksus igikeltsa ja ookeani setete all.


Metaanhüdraat: Vasakul on metaanhüdraadi kuul- ja kleepuvmudel, millel on kujutatud keskne metaanimolekul, mida ümbritseb veemolekulide "puur". Teised süsivesiniku molekulid, näiteks pentaan ja etaan, võivad selles struktuuris keskse positsiooni hõivata. (Ameerika Ühendriikide energiaministeeriumi pilt). Paremal on põletav metaanhüdraadi jää proov (USA geoloogiateenistuse pilt).

Metaanhüdraadi "tsement" konglomeraadis ?: Sellel fotol on näha Malliku katsukaevu metaanhüdraadi tsooni põhiproov. See tungib igikeltsa maardlatesse Kanada Mackenzie jõe delta piirkonda. Sellel tuuma osal on kruusad, mis on tsementeeritud metaanhüdraadi jää abil "konglomeraadiks". Klõpsa pildi suurendamiseks

Järgmine energia "mänguvahetaja"?

Kuna põlevkivist saadav maagaas muutub globaalseks energiamängu muutujaks, töötavad nafta- ja gaasiuurijad uute tehnoloogiate väljatöötamiseks, et toota maagaasi metaanhüdraadi ladestustest. See uurimistöö on oluline, kuna arvatakse, et metaanhüdraadi ladestused on suuremad süsivesinikuvarud kui kõik maailma nafta-, maagaasi- ja söevarud kokku. 1 Kui neid ladestusi saab tõhusalt ja ökonoomselt arendada, võib metaanhüdraadist saada järgmine energiamängu muutja.

Arktika igikeltsa, Antarktika jää all ja settemaardlates kogu mandri äärealadel on leitud tohutul hulgal metaanhüdraati. Mõnes maailma piirkonnas on nad palju asustatud piirkondadele lähemal kui ükski maagaasiväli. Need läheduses asuvad maardlad võimaldavad maagaasi praegu imporditavatel riikidel muutuda iseseisvaks. Praegune väljakutse on selle ressursi inventeerimine ja ohutute, ökonoomsete võimaluste leidmine selle arendamiseks.

Metaanhüdraadi stabiilsustabel: See faasiskeem näitab vee sügavust (rõhku) vertikaalteljel ja temperatuuri horisontaalteljel. Katkendjooned eraldavad vee, vesijää, gaasi ja gaasihüdraadi stabiilsusväljad. Joon sildiga "hüdraadi ja gaasi üleminek" on märkimisväärne. Selle joone all asuvad metaanhüdraadi moodustumise tingimused. Selle joone kohal ei moodustu metaanhüdraati. Punane joon jätab jälje geotermile (temperatuuri muutus sügavusega konkreetses kohas). Pange tähele, kuidas sügavuse suurenemisel ületab geoterm hüdraadi ja gaasi üleminekupiiri. See tähendab, et setetes sisalduv gaasihüdraat on tavaliselt vaba gaasi kohal. Graafik on muudetud pärast NOAA-d. 4

Mis on metaanhüdraat?

Metaanhüdraat on kristalne tahke aine, mis koosneb metaanimolekulist, mis on ümbritsetud blokeeruvate veemolekulide puuriga (vt pilti selle lehe ülaosas). Metaanhüdraat on jää, mis ilmneb looduslikult ainult pinnase maardlates, kus temperatuuri ja rõhu tingimused on selle moodustamiseks soodsad. Neid tingimusi on illustreeritud selle lehe faasiskeemil.

Kui jää sellest temperatuurist / rõhu keskkonnast eemaldatakse, muutub see ebastabiilseks. Sel põhjusel on metaanhüdraadi ladestusi keeruline uurida. Neid ei saa uurimiseks puurida ega südamikuks teha nagu teisi maapinna materjale, sest kui nad pinnale tuuakse, väheneb rõhk ja temperatuur tõuseb. See põhjustab jää sulamist ja metaani väljapääsu.

Metaanhüdraadi jaoks kasutatakse tavaliselt mitut muud nimetust. Nende hulka kuuluvad: metaanklatraat, hüdrometaan, metaanijää, tulejää, maagaasi hüdraat ja gaasi hüdraat. Enamik metaanhüdraadi ladestusi sisaldab väikeses koguses ka muid süsivesinike hüdraate. Nende hulka kuuluvad propaanhüdraat ja etaanhüdraat.

Metaanhüdraadi kaart: See kaart on maagaasihüdraadi esinemise andmebaasi USGS globaalse loendi asukohtade üldistatud versioon. 2

Gaasihüdraadi kaart: Üks põhjalikumalt uuritud gaasihüdraadi leiukohti on Blake Ridge, Põhja-Carolina ja Lõuna-Carolina avamerel. Sellest maardlast metaani tootmisel on väljakutseks suur savisisaldus ja madal metaani kontsentratsioon. 3 See kaart on näide mandri marginaali hoiuste lähedusest potentsiaalsetele maagaasiturgudele. Pilt autor NOAA. 4

USGS gaasi hüdraatide labor: See video viib teid visiidile USGSi gaasihüdraatide laborisse, kus teadlased teevad katseid polaar- ja mandriosa piirkondadelt kogutud gaasihüdraatide proovidega. Samuti loovad nad sünteetilisi gaasihüdraate ja viivad läbi katseid nende keemiliste ja füüsikaliste omaduste kindlakstegemiseks.

Kus asuvad metaanhüdraadi hoiused?

Neljas Maa keskkonnas on temperatuuri ja rõhu tingimused sobivad metaanhüdraadi moodustamiseks ja stabiilsuseks. Need on: 1) setted ja settekivimite ühikud Arktika igikeltsa all; 2) settemaardlad mandri ääres; 3) siseveekogude järvede ja merede süvamere setted; ja 4) Antarktika jää all. 10. Metaanhüdraadi kogunemised ei asu Maa pinnal väga sügaval, välja arvatud Antarktika maardlad. Enamikul juhtudel on metaanhüdraat sette pinnast mõnesaja meetri raadiuses.

Metaanhüdraadi deponeerimise mudelid: Metaanhüdraadi ladestuste hoiustamismudelid mandri äärealadel ja igikeltsa all. 7

Selles keskkonnas toimub metaanhüdraat settes kihtide, sõlmede ja graanulitevahelise tsemendi kujul. Maardlad on sageli nii tihedad ja külgmiselt püsivad, et need moodustavad läbitungimatu kihi, mis püüab maagaasi alt ülespoole liikuva gaasi kinni.

2008. aastal hindas Ameerika Ühendriikide geoloogiateenistus Alaska põhjakalla piirkonnas avastamata gaasihüdraadi koguressurssi. Nende hinnangul jääb kogu avastamata maagaasi ressurss gaasihüdraadi kujul vahemikku 25,2–157,8 triljonit kuupjalga. Kuna gaasihüdraadi kogunemise tõttu on puuritud väga vähe kaevusid, on hinnangute väga kõrge määramatus. 5

USGS gaasi hüdraatide labor: See video viib teid visiidile USGSi gaasihüdraatide laborisse, kus teadlased teevad katseid polaar- ja mandriosa piirkondadelt kogutud gaasihüdraatide proovidega. Samuti loovad nad sünteetilisi gaasihüdraate ja viivad läbi katseid nende keemiliste ja füüsikaliste omaduste kindlakstegemiseks.

Gaasi hüdraatkaev: Ignik Sikumi nr 1 gaasihüdraat kaevus Alaska põhja nõlval. USGS-gaasi hüdraadiressursside hindamine leidis, et Põhja nõlval on ulatuslik gaasihüdraadi ressurss, mis on lõksus alla igikeltsa. Energiaosakonna foto.

Ignik Sikumi: See video viib teid külaskäigule Ignik Sikumi gaasihüdraadi väljakatsele - Alaska põhjakalla kaevu, mis tootis maagaasi igikeltsa all olevatest gaasihüdraatidest. Siin saavutati metaani vabastamine, asendades selle süsinikdioksiidiga - ilma gaasihüdraati sulamata.

Kus toodetakse täna metaanhüdraati?

Siiani ei ole gaasihüdraadi leiukohtadest ulatuslikku kaubanduslikku metaanitootmist toimunud. Kogu lavastus on olnud kas väikesemahuline või eksperimentaalne.

2012. aasta alguses toodi Ameerika Ühendriikide ja Jaapani ühisprojekti abil ühtlane metaanivoog, süstides metaanhüdraadi akumulatsiooni süsinikdioksiidi. Süsinikdioksiid asendas hüdraadistruktuuris oleva metaani ja vabastas metaani pinnale voolamise. See test oli märkimisväärne, kuna see võimaldas metaani toota ilma sulava gaasihüdraadiga seotud ebastabiilsuseta. 6

Esimesel arendamisel valitakse kõige tõenäolisemad metaanhüdraadi ladestused järgmiste omadustega: 1) hüdraadi kõrge kontsentratsioon; 2) suure läbilaskvusega reservuaarikivimid; ja 3) kohad, kus on olemas olemasolev infrastruktuur. 7 Nendele omadustele vastavad hoiused asuvad tõenäoliselt Alaska põhunõlval või Põhja-Venemaal.

Ignik Sikumi: See video viib teid külaskäigule Ignik Sikumi gaasihüdraadi väljakatsele - Alaska põhjakalla kaevu, mis tootis maagaasi igikeltsa all olevatest gaasihüdraatidest. Siin saavutati metaani vabastamine, asendades selle süsinikdioksiidiga - ilma gaasihüdraati sulamata.

Gaasi hüdraadi sulamine: Naftapuuraukude puurimisel läbi hüdraati kandvate setete võib külmutatud hüdraaditsoonist ülespoole liikuv õli soe temperatuur põhjustada sulamist. See võib põhjustada kaevu tõrke. Oht on ka külmunud hüdraadi paljanditest kulgevad soojad torustikud. 8 USGS-i pilt.

Metaanhüdraadi ohud

Metaanhüdraadid on tundlikud setted. Need võivad eralduda kiiresti temperatuuri tõusust või rõhu langusest. See dissotsiatsioon annab vaba metaani ja vett. Tahke sette muundamine vedelikeks ja gaasideks põhjustab tugede ja nihketugevuse kadu. Need võivad põhjustada allveelaevade kukkumist, maalihkeid või vajumist, mis võivad kahjustada tootmisseadmeid ja torujuhtmeid. 7

Metaan on võimas kasvuhoonegaas. Arktika soojem temperatuur võib põhjustada gaasihüdraatide järkjärgulise sulamise alla igikeltsa. Ookeanide soojenemine võib põhjustada gaasi hüdraatide järkjärgulist sulamist sette ja vee vahel. Ehkki paljud uudised on seda kirjeldanud kui potentsiaalset katastroofi, on USGS-i uuringutega kindlaks tehtud, et gaasihüdraadid põhjustavad praegu atmosfääri kogu metaani kogust ja ebastabiilsete hüdraadimaardlate katastroofiline sulamine ei lase tõenäoliselt atmosfääri suures koguses metaani. 9

Kas sa teadsid? Metaanhüdraadis on metaani väga kõrge kontsentratsioon. Kui sulatate ühe kuupmeetri ploki metaanhüdraati, eraldub sellest umbes 160 kuupmeetrit gaasilist metaani.
Metaanhüdraadi viited
1 USGS Gas Hydrates Lab: Stephen Wessells, Laura Stern, Steve Kirby; Ameerika Ühendriikide geoloogiakeskuse multimeediumigalerii video, 2012.
2 Maagaasihüdraadi esinemise ülemaailmne loetelu: Keith A. Kvenvolden ja Thomas D. Lorenson, Vaikse ookeani ranniku- ja mereteaduste keskus, USA geoloogiakeskus.
3 Maagaasi hüdraadid: ülevaade: Timothy S. Collett, Arthur H. Johnson, Camelia C. Knapp, Ray Boswell; Maagaasi hüdraadid - energiaressursside potentsiaal ja sellega seotud geoloogilised ohud: AAPG memoir 89, lk. 146-219, 2009.
4 Gaasi hüdraadid USA kaguosa rannikul: Carolyn Ruppel, Georgia Tehnoloogiainstituut, NOAA Ocean Exploreri veebisait, viimati avati 2016. aasta novembris.
5 Gaasihüdraadi ressursside hindamine Põhja nõlval, Alaska, 2008: Ameerika Ühendriikide geoloogiakeskus, teabeleht 2008-3073, oktoober 2008.
6 USA ja Jaapan viivad läbi metaanhüdraadi tootmistehnoloogiate eduka välikatse: Ameerika Ühendriikide energeetikaministeeriumi pressiteade, 2. mai 2012.
7 Metaanhüdraadi energiavarude potentsiaal: Sissejuhatus ainulaadse ressursi teadus- ja energiapotentsiaali; USA energeetikaministeeriumi riikliku energiatehnoloogia labori väljaanne, veebruar 2011.
8 Puhta faasi termilised omadused: sI metaanhüdraat: Woods Hole'i ​​teaduskeskus, Ameerika Ühendriikide geoloogiakeskus, 2007.
9 Gaasi hüdraadid ja kliimasoojenemine - Miks on metaanikatastroof ebatõenäoline: Carolyn Ruppel ja Diane Noserale, Ameerika Ühendriikide geoloogiakeskus, helilainete infoleht, mai / juuni 2012.
10 Uuring soovitab Antarktika jääkatte all suuri metaanimahuteid: Tim Stephens, pressiteade, California ülikooli Santa Cruz, 29. august 2012.

Tohutu potentsiaal

Kuigi metaanhüdraadi akumulatsioonid asuvad keerulises keskkonnas ja tekitavad arvukalt tehnilisi väljakutseid, on need laialt levinud ja suurim süsivesinike allikas Maal. Nende tootmiseks võiks välja töötada mitmesuguseid tehnoloogiaid, kasutades rõhu alandamist, ioonvahetust ja muid protsesse, mis kasutavad ära nende ainulaadseid keemilisi ja füüsikalisi omadusi. USA-s, Kanadas, Jaapanis ja Indias on kõigil jõulised teadusprogrammid, mille eesmärk on leida elujõulisi tehnoloogiaid gaasihüdraatide tootmiseks. Metaanhüdraat mängib tõenäoliselt olulist rolli meie tulevases energiavalikus.