Olie en gas

Methaanhydraat



'S Werelds grootste aardgasbron zit gevangen onder permafrost en oceaanafzettingen.


Methaanhydraat: Aan de linkerkant is een ball-and-stick model van methaanhydraat dat het centrale methaanmolecuul toont omringd door een "kooi" van watermoleculen. Andere koolwaterstofmoleculen zoals pentaan en ethaan kunnen de centrale positie in deze structuur innemen. (Afbeelding van het Amerikaanse ministerie van Energie). Aan de rechterkant is een brandend exemplaar van methaanhydraatijs (afbeelding United States Geological Survey).

Methaanhydraat "cement" in conglomeraat ?: Deze foto toont een kernmonster van de methaanhydraatzone in de Mallik-testput. Deze put dringt door in permafrostafzettingen in het Mackenzie River Delta-gebied in Canada. Dit gedeelte van de kern toont grind gecementeerd in een "conglomeraat" door methaanhydraatijs. Klik om de afbeelding te vergroten.

The Next Energy "Game Changer"?

Terwijl aardgas uit schalie een wereldwijde "game changer" wordt, werken olie- en gasonderzoekers aan nieuwe technologieën om aardgas te produceren uit methaanhydraatafzettingen. Dit onderzoek is belangrijk omdat men denkt dat methaanhydraatafzettingen een grotere koolwaterstofbron zijn dan alle olie-, aardgas- en kolenbronnen in de wereld samen. 1 Als deze afzettingen efficiënt en economisch kunnen worden ontwikkeld, kan methaanhydraat de volgende energiespelwisselaar worden.

Enorme hoeveelheden methaanhydraat zijn gevonden onder Arctische permafrost, onder Antarctisch ijs en in sedimentaire afzettingen langs continentale marges wereldwijd. In sommige delen van de wereld liggen ze veel dichter bij bevolkingsgebieden dan bij elk aardgasveld. Deze nabijgelegen afzettingen kunnen landen die momenteel aardgas importeren mogelijk zelfvoorzienend maken. De huidige uitdaging is om deze bron te inventariseren en veilige, economische manieren te vinden om deze te ontwikkelen.

Methaanhydraat stabiliteitstabel: Dit fasediagram toont waterdiepte (druk) op de verticale as en temperatuur op de horizontale as. De stippellijnen scheiden stabiliteitsvelden van water, waterijs, gas en gashydraat. De lijn met het label "overgang van hydraat naar gas" is significant. Voorwaarden voor de vorming van methaanhydraat treden onder deze lijn op. Boven deze lijn zal zich geen methaanhydraat vormen. De rode lijn volgt een geotherm (de verandering van temperatuur met diepte op een specifieke locatie). Merk op hoe, naarmate de diepte toeneemt, de geotherm de overgang van hydraat naar gas kruist. Dit betekent dat gashydraat in sedimenten meestal boven vrij gas ligt. Grafiek gewijzigd na NOAA. 4

Wat is methaanhydraat?

Methaanhydraat is een kristallijne vaste stof die bestaat uit een methaanmolecuul omgeven door een kooi van in elkaar grijpende watermoleculen (zie afbeelding bovenaan deze pagina). Methaanhydraat is een "ijs" dat alleen van nature voorkomt in ondergrondse afzettingen waar temperatuur- en drukomstandigheden gunstig zijn voor de vorming ervan. Deze voorwaarden worden geïllustreerd in het fasediagram op deze pagina.

Als het ijs uit deze temperatuur / drukomgeving wordt verwijderd, wordt het onstabiel. Om deze reden zijn methaanhydraatafzettingen moeilijk te bestuderen. Ze kunnen niet worden geboord en uitgeboord voor studie zoals andere ondergrondse materialen omdat wanneer ze naar het oppervlak worden gebracht, de druk wordt verlaagd en de temperatuur stijgt. Hierdoor smelt het ijs en ontsnapt het methaan.

Verschillende andere namen worden vaak gebruikt voor methaanhydraat. Deze omvatten: methaanclathraat, hydromethaan, methaanijs, vuurijs, aardgashydraat en gashydraat. De meeste methaanhydraatafzettingen bevatten ook kleine hoeveelheden andere koolwaterstofhydraten. Deze omvatten propaanhydraat en ethaanhydraat.

Methaanhydraatkaart: Deze kaart is een algemene versie van locaties in de wereldwijde USGS-inventaris van de database voor het voorkomen van aardgashydraat. 2

Gashydraatkaart: Een van de meest uitgebreid bestudeerde gashydraatafzettingen is Blake Ridge, offshore North Carolina en South Carolina. Uitdagingen voor het produceren van methaan uit deze afzetting zijn het hoge kleigehalte en de lage methaanconcentratie. 3 Deze kaart is een voorbeeld van de nabijheid van continentale margestortingen bij potentiële aardgasmarkten. Afbeelding door NOAA. 4

USGS Gas Hydrates Lab: Deze video neemt je mee op bezoek bij het USGS Gas Hydrates Lab, waar onderzoekers experimenten uitvoeren op monsters van gashydraten die zijn verzameld uit polaire en continentale marges. Ze creëren ook synthetische gashydraten en voeren experimenten uit om hun chemische en fysische eigenschappen te bepalen.

Waar zijn de methaanhydraatafzettingen?

Vier aardse omgevingen hebben de temperatuur- en drukomstandigheden die geschikt zijn voor de vorming en stabiliteit van methaanhydraat. Dit zijn: 1) sediment- en sedimentair gesteente-eenheden onder Arctische permafrost; 2) sedimentaire afzettingen langs continentale marges; 3) diep water sedimenten van binnenmeren en zeeën; en 4) onder Antarctisch ijs. 10. Met uitzondering van de Antarctische afzettingen liggen de accumulaties van methaanhydraat niet erg diep onder het aardoppervlak. In de meeste situaties bevindt het methaanhydraat zich binnen een paar honderd meter van het sedimentoppervlak.

Methaanhydraatafzettingsmodellen: Depositiemodellen voor methaanhydraatafzettingen aan continentale marges en onder permafrost. 7

In deze omgevingen komt methaanhydraat in het sediment voor als lagen, knobbeltjes en intergranulair cement. De afzettingen zijn vaak zo dicht en zijdelings persistent dat ze een ondoordringbare laag vormen die aardgas van onder naar boven opsluit.

In 2008 schatte de Geological Survey van de Verenigde Staten de totale niet-ontdekte gashydraatbron voor het Alaska North Slope-gebied. Ze schatten dat de totale onontdekte aardgasbron in de vorm van gashydraat tussen 25,2 en 157,8 biljoen kubieke voet ligt. Omdat zeer weinig putten door de accumulaties van gashydraat zijn geboord, hebben de schattingen een zeer hoge mate van onzekerheid. 5

USGS Gas Hydrates Lab: Deze video neemt je mee op bezoek bij het USGS Gas Hydrates Lab, waar onderzoekers experimenten uitvoeren op monsters van gashydraten die zijn verzameld uit polaire en continentale marges. Ze creëren ook synthetische gashydraten en voeren experimenten uit om hun chemische en fysische eigenschappen te bepalen.

Gashydraat goed: Ignik Sikumi # 1 gashydrateert goed op de Alaska North Slope. Een USGS-beoordeling van de gashydraatbron heeft vastgesteld dat de noordhelling een uitgebreide gashydraatbron heeft die onder permafrost is gevangen. Ministerie van Energie foto.

Ignik Sikumi: Deze video neemt je mee op bezoek bij de Ignik Sikumi-gashydraatveldproef, een put op de noordhelling van Alaska die aardgas produceerde uit gashydraten onder permafrost. De bereikte prestatie was om het methaan vrij te maken door het te vervangen door koolstofdioxide - zonder het gashydraat te smelten.

Waar wordt methaanhydraat tegenwoordig geproduceerd?

Tot op heden is er geen grootschalige commerciële methaanproductie uit gashydraatafzettingen geweest. De hele productie was kleinschalig of experimenteel.

Begin 2012 produceerde een gezamenlijk project tussen de Verenigde Staten en Japan een gestage stroom methaan door koolstofdioxide in de accumulatie van methaanhydraat te injecteren. Het koolstofdioxide verving het methaan in de hydraatstructuur en maakte het methaan vrij om naar het oppervlak te stromen. Deze test was significant omdat het de productie van methaan mogelijk maakte zonder de instabiliteiten geassocieerd met een smeltend gashydraat. 6

De meest waarschijnlijke methaanhydraatafzettingen die voor de eerste ontwikkeling worden geselecteerd, hebben de volgende kenmerken: 1) hoge concentraties hydraat; 2) reservoirrotsen met hoge permeabiliteit; en 3) locaties met een bestaande infrastructuur. 7 Deposito's die aan deze kenmerken voldoen, bevinden zich waarschijnlijk op de noordhelling van Alaska of in Noord-Rusland.

Ignik Sikumi: Deze video neemt je mee op bezoek bij de Ignik Sikumi-gashydraatveldproef, een put op de noordhelling van Alaska die aardgas produceerde uit gashydraten onder permafrost. De bereikte prestatie was om het methaan vrij te maken door het te vervangen door koolstofdioxide - zonder het gashydraat te smelten.

Gashydraat smelten: Wanneer oliebronnen door hydraathoudende sedimenten worden geboord, kan de warme temperatuur van de olie die door de bevroren hydraatzone omhoog beweegt smelten veroorzaken. Dit kan leiden tot goed falen. Warme pijpleidingen die over bevroren hydraattoppen lopen, vormen ook een gevaar. 8 USGS-afbeelding.

Methaanhydraatgevaren

Methaanhydraten zijn gevoelige sedimenten. Ze kunnen snel dissociëren met een toename van de temperatuur of een afname van de druk. Deze dissociatie produceert vrij methaan en water. De omzetting van een vast sediment in vloeistoffen en gassen zal een verlies aan ondersteuning en afschuifsterkte veroorzaken. Deze kunnen onderzeese onderzeeërs, aardverschuivingen of bodemdaling veroorzaken die productie-apparatuur en pijpleidingen kan beschadigen. 7

Methaan is een krachtig broeikasgas. Warmere Arctische temperaturen kunnen leiden tot geleidelijk smelten van gashydraten onder permafrost. Opwarmende oceanen kunnen geleidelijke smelten van gashydraten in de buurt van het grensvlak van sediment en water veroorzaken. Hoewel veel nieuwsberichten dit als een potentiële catastrofe hebben gepresenteerd, heeft USGS-onderzoek vastgesteld dat gashydraten momenteel bijdragen aan het totale atmosferische methaan en dat het onwaarschijnlijk is dat een catastrofaal smelten van onstabiele hydraatafzettingen grote hoeveelheden methaan de atmosfeer in stuurt. 9

Wist je dat? Methaanhydraat heeft een zeer hoge concentratie methaan. Als u een blok van één kubieke meter methaanhydraat smelt, komt er ongeveer 160 kubieke meter gasvormig methaan vrij.
Methaanhydraat Referenties
1 USGS Gas Hydrates Lab: Stephen Wessells, Laura Stern, Steve Kirby; Verenigde Staten Geological Survey Multimedia Gallery Video, 2012.
2 Een wereldwijde inventaris van het voorkomen van aardgashydraat: Keith A. Kvenvolden en Thomas D. Lorenson, Pacific Coastal & Marine Science Center, United States Geological Survey.
3 Aardgashydraten: een overzicht: Timothy S. Collett, Arthur H. Johnson, Camelia C. Knapp, Ray Boswell; Aardgashydraten - Potentieel van energiebronnen en bijbehorende geologische gevaren: AAPG Memoir 89, p. 146-219, 2009.
4 Gashydraten Offshore Zuidoost Verenigde Staten: Carolyn Ruppel, Georgia Institute of Technology, NOAA Ocean Explorer-website, laatst bezocht in november 2016.
5 Beoordeling van gashydraatbronnen op de noordhelling, Alaska, 2008: United States Geological Survey, Fact Sheet 2008-3073, oktober 2008.
6 VS en Japan voltooien succesvolle veldproef van methaanhydraatproductietechnologieën: Persbericht van het United States Department of Energy, 2 mei 2012.
7 Potentie van energiebronnen van methaanhydraat: Een inleiding tot het wetenschaps- en energiepotentieel van een unieke hulpbron; publicatie door het National Energy Technology Laboratory, United States Department of Energy, februari 2011.
8 Resultaten van thermische eigenschappen in zuivere fase: sI methaanhydraat: Woods Hole Science Center, Geological Survey, Verenigde Staten, 2007.
9 Gashydraten en klimaatopwarming - Waarom een ​​methaancatastrofe onwaarschijnlijk is: Carolyn Ruppel en Diane Noserale, Verenigde Staten Geological Survey, Nieuwsbrief Sound Sounds, mei / juni 2012.
10 Studie suggereert grote methaanreservoirs onder Antarctische ijskap: Tim Stephens, persbericht, Universiteit van Californië Santa Cruz, 29 augustus 2012.

Enorm potentieel

Hoewel methaanhydraataccumulaties zich in moeilijke omgevingen bevinden en tal van technische uitdagingen vormen, zijn ze wijd verspreid en de grootste bron van koolwaterstoffen op aarde. Er zou een verscheidenheid aan technologieën kunnen worden ontwikkeld om ze te produceren met behulp van drukreductie, ionenuitwisseling en andere processen die profiteren van hun unieke chemische en fysische eigenschappen. De Verenigde Staten, Canada, Japan en India hebben allemaal krachtige onderzoeksprogramma's die werken aan het ontdekken van levensvatbare technologieën voor de productie van gashydraten. Methaanhydraat zal waarschijnlijk een belangrijke rol spelen in onze toekomstige energiemix.

Bekijk de video: Dr. Peter Wadhams: Arctic Research & the Methane Risk (Oktober 2020).