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天然氣水合物:天然氣水合物的合成模擬

96/04/04 瀏覽次數 8571
合成與模擬的重要性

天然氣水合物雖然已被視為21世紀可能的主要能源,但依現有的技術,其實還無法像煤及石油般大規模地商業化利用,在進行下一階段的開發利用之前,仍有許多開採技術瓶頸需要突破。目前遇到的難題有哪些呢?舉例而言:
  1. 如何才能利用各類遙測探勘方法,正確地測量埋藏地底的天然氣水合物分布範圍、穩定帶(礦床)厚度、沉積物孔隙中水合物的填充率、水合物中甲烷的飽合率、產狀等資料?唯有先獲取這些資訊,才能進行蘊藏量評估模式的研發。
  2. 如何提升鑽井技術?海域天然氣水合物大多分布在海水深度大於350公尺的區域,加上在鑽探解壓過程可能引發水合物解離,因此深具困難性。在鑽探過程中必須確保安全,同時達成各項井測、電測、岩心取樣等的目標。
  3. 如何研發開採技術?要想辦法以最低成本大規模地開發海域天然氣水合物,同時也要預防開採後造成的海床嚴重下陷、海底山崩等現象。
  4. 如何增進輸送與儲存效率?必須以最經濟的方式運輸天然氣水合物、維持運輸管路的暢通和確保儲存場所的安全。

為解決上述各項瓶頸,必須對天然氣水合物的物理化學性質有更多的了解,才能據以研擬適當的對策。例如知道了天然氣水合物在不同溫度、壓力下的解離速率,才能選出最符合成本,解離又最緩慢的溫壓條件來輸送。又如在進行海洋地球物理調查時,若使用不同的參數與模型,估計同一地點天然氣水合物的蘊藏量可能有相當大的差異。如何獲取不同蘊藏條件下(包含沉積物種類、溫度、壓力、孔隙水含量等)沉積層中天然氣水合物的物理參數,藉以估計海底水合物的儲量,就成為相當重要的研究課題。

目前要從自然界獲取天然氣水合物樣本進行分析並不容易。一方面,以當前的設備與技術而言,要鑽獲大量的天然氣水合物,所費不貲,且仍有其困難度。另一方面,自然樣本內部天然氣水合物的純度和沉積物種類變化相當大,不符合研究分析時為控制變因需大量性質相同標本的需求。譬如由海域鑽井岩心中取出的天然氣水合物,可能欠缺明確的成分計量(例如甲烷比率不定),加上沉積物顆粒大小不一,部分水合物又已解離,在太多變因的影響下,無法用於系統性的實驗分析。

合成模擬技術能在實驗室中以人工合成的方式製造符合所需的天然氣水合物樣本,且能維持一定的品質與穩定度,因此人工合成天然氣水合物是獲取在海洋沉積物中天然氣水合物各種物理參數的好方法。

國外的發展現況

美國、加拿大、俄國等早已設有低溫高壓實驗室以合成天然氣水合物。早期的實驗室架構比較簡單,僅能做基礎合成,無法目視觀察在高壓釜內部天然氣水合物生成的過程。後來針對各種研究需求,進一步發展出能直接觀測錄影的設備。日本在這一方面的研究也不遺餘力,第一個天然氣水合物低溫高壓實驗室於1993年於日本地質調查所建成,隨後在1995年加以改進,1998年針對模擬地層實驗又新建了一個實驗室。

這些新實驗室的特點是可視化程度高,可直接看見高壓裝置裡的相變過程。此外,測試精度大幅提升,可清楚辨認天然氣水合物形成與解離的壓力及溫度。這些實驗室初步架構了天然氣水合物的相圖,讓研究者對天然氣水合物的基本穩定態有更進一步的了解。

天然氣水合物模擬實驗技術近幾年發展更快。位於美國麻塞諸塞州木洞美國地質調查所的溫特斯(W.J. Winters),架設了一套天然氣水合物和沉積物試驗裝置(Gas Hydrate And Sediment Test Laboratory Instrument, GHASTLI),完成一些水合物模擬實驗。GHASTLI可說是目前天然氣水合物地球物理模擬實驗的尖端設備。

這套裝置在進行含有沉積物、水、冰和天然氣水合物的岩心試驗時,能重現自然界的壓力和溫度,測試天然氣水合物在生成或分解以前、當時及以後的多種物理特性,比如岩心強度和聲波速度的定量變化,岩心滲透率和電阻隨天然氣水合物含量多寡的變化等。此外,還進行過首次含天然氣水合物岩心的三維強度測試。目前正在進行的是比較自然界和實驗室形成的天然氣水合物-沉積物混合物的物理性質。這套裝置最主要的優點是在天然氣水合物合成後,可直接於儀器內量測各項性質,因而減少解離所造成的誤差。

中國大陸目前也積極展開天然氣水合物的模擬實驗研究,並自行設計相關設備與偵測儀器。其研究主題包括沉積物中天然氣水合物相平衡狀態的模擬實驗、發展判定天然氣水合物中氣體含量的技術等,且在聲波衰減譜的應用方面居國際領先地位。

本文以位於美國加州門洛帕克的美國地質調查所天然氣水合物岩石物理實驗室為例,介紹以冰晶混合不同沉積物,在低溫高壓環境下合成天然氣水合物的過程。這套方法能夠提供大量且穩定性高的水合物標本,用的也是前面所提GHASTLI裝置合成水合物的方式。

合成方式

冰晶的製作是先把蒸餾水凍結成不含氣泡的冰塊,利用碎冰機攪碎後過篩,一般取用大小介於180~250微米的冰晶顆粒。顆粒太大使反應速率過慢,太小則顆粒不容易均勻。

接著以銦(Indium)金屬薄片或是透明鐵氟龍做成的圓桶型模具,按所需的孔隙率把冰晶填塞入模具中。也可以把不同種類及大小的沉積物與冰晶混合,以不同方式填入。使用模具的主要目的是讓標本容易從高壓釜中取出。

把填置好的冰晶圓柱體放入高壓釜中,內有接連至電腦記錄器用來量測溫度變化的熱電偶。熱電偶可依需求放在標本中特定的位置,不過,放入前須先在冰晶圓柱體中鑽好所需深度的孔洞。待置妥後,確實封閉高壓釜以防止洩漏。

把裝設好的高壓釜連接在高壓管線上,並浸置於酒精浴槽中。整個裝置都設置在大型的冷凍櫃中,以提供整個天然氣水合物合成系統所需的均一低溫環境(約攝氏零下20度)。酒精浴槽中設有加溫棒,目的是讓高壓釜透過酒精循環對流均勻受熱。藉由冷凍櫃與酒精浴槽互相搭配,實驗中就能精準控制高壓釜內標本的溫度。

以空氣推動的增壓器把甲烷氣加壓到所需的壓力,灌入高壓釜內並關閉與外界相連的閥門後,維持釜內的壓力為25~33百萬帕。然後開始加溫,溫度由攝氏零下20度開始,以每小時5~12度的速率增溫,直到攝氏16~27度,並維持這溫度8~12小時。重複升降溫步驟數回,以確定冰晶已完全反應生成天然氣水合物。

經過這道程序後,天然氣水合物便已合成完畢,接下來可使高壓釜洩壓,並迅速把標本置於低溫的液態氮中保存。製作完成的天然氣水合物樣本,可利用不同儀器量測其分子結構、甲烷比率及其他物理化學性質。另外,也可經由電子顯微鏡觀察其特徵。

利用鑽石鉆直接觀察

雖然目前已有透過觀景窗直接觀察高壓容器中天然氣水合物生成與解離過程的論文,但是對於沉積物孔隙內天然氣水合物生成和解離機制的研究卻很少,尤其是在無流體及攪拌的狀態下。若要在這一領域進一步研究,鑽石鉆是很好的工具。

鑽石鉆是一組能提供微小空間內高壓(達30 GPa)環境的設備,加裝液態氮冷卻設備後,就能應用在天然氣水合物的研究上。利用鑽石的穿透性,可經由電子顯微鏡、X-ray發散吸收光譜、紅外線吸收光譜等儀器觀察天然氣水合物生成解離的機制及物理性質。

水合物特性研究的重要

由於自然界中的天然氣水合物樣本難以取得,成分變異性也相當大,在實驗室中以人工合成單純的或是混合各種不同沉積物的天然氣水合物,是系統化量測其物理參數和了解其生成與解離動力學的好方法。

設立合成實驗室,除了可藉由合作研究,趕上國外對天然氣水合物特性的研究進度外,也可掌握天然氣水合物的形成與解離機制,提供將來開採、運輸與儲存技術研發的奧援。

更重要的是,唯有自身擁有合成的能力,才能根據探查所得知的臺灣周邊海域的地球化學、地熱、地貌等參數資料,加上所取得的岩心沉積物標本,設計出適合我國海域地質條件的實驗方案。進而從各項合成模擬實驗中,了解臺灣附近海域天然氣水合物沉積層的物理化學性質(如聲波速度、強度變化等),以提供研究天然氣水合物富集模式、賦存條件與地球物理探勘作業時所需的參數。

目前國內已針對臺灣西南海域天然氣水合物賦存狀況展開地質探勘調查,不過對其特性的研究卻付之闕如。因此設立天然氣水合物低溫高壓模擬實驗室,以建立合成與分析技術,是刻不容緩的事。

當然,受限於經費與技術,國內目前對於如何在低溫高壓條件下,利用各類儀器迅速量測天然氣水合物標本的物理性質,還沒有完整的解決方案。如何在有限的資源下,結合不同領域的技術以順利進行更複雜的天然氣水合物特性研究,是未來值得努力與投資的方向。
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