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默默耕耘17年,青岛海地所揭秘可燃冰"前世后生"!

2017-12-12 11:07 中国·青岛蓝色经济网

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扫描到手持设备

它是一种“冰”,却可以燃烧,成为全世界追捧的新型绿色能源。这种神奇的物质就是天然气水合物,俗称“可燃冰”。今年5月我国在南海神狐海域首次试采可燃冰成功,举世瞩目。前不久,国务院正式批准天然气水合物为我国第173个矿种。

但是,可燃冰深藏于具有低温、高压环境的海底或者陆地上的高纬度冻土带,其成藏理论与基础物化性质不清楚,开采难度大、成本高。坐落于福州南路的中国地质调查局青岛海洋地质研究所为探究可燃冰的成藏过程与演化规律,组建了模拟实验室,默默耕耘了17年,还原了可燃冰生成与释放的“前生后世”,成为我国可燃冰勘探开发的重要科技支撑。

  每小时拍摄1000张片子记录可燃冰的生成

青岛海地所的天然气水合物实验室始建于2000年,比国家天然气水合物资源调查项目的实施还稍微早一些。以此为依托,2012年5月,国土资源部天然气水合物重点实验室正式获批建设。经过十多年的努力,实验室自主研发了一批水合物模拟实验装置,最早在国内人工合成了可燃冰。

记者走进其中一间水合物CT实验室,研究生李晨安正在将一个直径只有大约2厘米的柱状物放入大型工业CT机内。他告诉记者,这个柱状物叫“反应釜”,里面装着的就是从南海海底取得的沉积物,沉积物内有大量的有孔虫壳体。

“有孔虫死后留下的壳体在海底的泥沙中形成很多细小的缝隙,甲烷气体渗入这些缝隙,在低温、高压作用下,就有可能慢慢结晶变成可燃冰。”李晨安解释说,他们把反应釜放入CT机,注入海水溶液和甲烷气体,将CT机内的温度控制在2-4摄氏度、初始压力控制在大约6兆帕,就相当于创建了一个非常接近于海底温度、压力条件的环境,然后等待可燃冰的生成。

据了解,这台用于实验的设备是纳米级的CT,分辨率能够达到10微米的精确度。当反应釜放置一段时间后,设备对其进行三维扫描,大约每66分钟就能拍摄1000多张图片,采集的数据在电脑上进行可燃冰生成过程的模拟重建。

记者通过电脑上放大几千倍的图片连续播放,能清楚地看到可燃冰集腋成裘的演化过程。“大约一两个月,反应釜里的可燃冰饱和度就能达到70%-80%。”据李晨安介绍,除了观察可燃冰的生成,技术人员也会故意改变反应釜内的温度和压力,去探究可燃冰分解需要的外部条件临界值。

  自主研发反应釜给可燃冰做全面“体检”

就像医院里的查体设备,实验室为可燃冰准备了CT实验室,也准备了核磁共振实验室。研究团队的孟庆国博士拿出一个直径7毫米的、长1厘米左右的小试管,告诉记者这就是他们实验中的“核心装置”。

原来,这个不起眼的小家伙是用来封装可燃冰样品的专用氧化锆转子。实验人员将研磨至粉状的水合物样品填充至转子中,盖上转子帽后,将转子在低温液氮保护下转移接近磁体并放入导管中,利用液氮气化产生的气流让转子在设备内高速转动,通过水分子磁共振信号对可燃冰的结构进行测定。

“可燃冰在自然界当中有多种类型,我们实验室里的这些设备和医院里的查体设备是一个道理,其实就是对可燃冰进行‘体检’,观察它由自由水到固态水的变化过程,探究它在形成状态、分解状态下各种温度、压力值的变化。”孟庆国说。

此前,国土资源部天然气水合物重点实验室副主任刘昌岭研究员接受采访时有一个形象的比喻:可燃冰是由水分子与气体分子在特定条件下结合而成的,其中水分子就像各种大小不同的“笼子”,每个“笼子”只能容纳一个气体分子,不同数量的“笼子”就组成了水合物的基本晶格,而水合物具体生成了哪种晶体结构主要由气体分子决定。

“微观研究是基础,天然气水合物研究的许多科学问题需要从微观层面来解答,例如水合物的成核、聚集与成藏受何因素控制?水合物在沉积物孔隙或裂隙中饱和度多少?如何分布?这些科学问题的回答,迫切需要有微观测试技术对其进行分析测试和直接观测。”因此,青岛海地所自2006年以来引进了激光拉曼光谱仪、X-CT、核磁共振、低温扫描电镜、高压差示扫描量热仪等大型仪器,具备了水合物晶体学、谱学、热学、形态学及地化参数的测试能力。值得一提的是,在这些引进设备中专门添加的反应釜,全部由青岛海地所自主研发设计。

  为我国可燃冰勘探开发提供“神助攻”

据了解,我国可燃冰资源相当丰富,主要分布在南海海域和青藏高原冻土带。经过大约15年的调查和评价,南海海域预计有740多亿吨油当量的可燃冰,青藏地区又发现了350亿吨油当量的可燃冰,而未探明的资源可能还有很多。

可燃冰的资源勘探、评价、开采都需要大量的基础参数,而海上勘查与钻探成本高、风险大,获得这些参数的难度大。在实验室内模仿天然气水合物的生成环境条件,研发模拟实验与探测技术,是获得水合物储层基本物性参数最经济、最有效的手段。

目前,天然气水合物重点实验室主要分为四大学科方向的实验平台:天然气水合物模拟实验与测试技术,天然气水合物成藏过程与演化,天然气水合物资源勘查与评价技术,天然气水合物开发利用与环境效应,拥有国际先进的分析测试仪器10台套,自主研制有知识产权的天然气水合物模拟实验装置20台套,具备了从室内模拟、技术研发到海域天然气水合物资源勘查与评价、开采及环境效应研究与实施的能力。通过实验模拟与测试,青岛海地所为我国南海和陆域祁连山钻获的天然气水合物鉴定提供了重要依据。

(王娉 )

关键词: 海洋经济 蓝色经济 可燃冰

编辑:徐琛

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