中国低碳网讯 2010年,深水地平线平台(Deepwater Horizon)破裂,大量漏油,期间,起初看起来像是有可能速战速决:抑制性穹顶被下沉到管道破裂处,以获取流出的油,把它抽到水面,进行妥善处理。但是,这种尝试很快就失败了,因为穹顶几乎即刻就堵满了凝固的甲烷水合物。
一个块的天然气水合物(甲烷气水包合物)从海底沉积物中开采出来,就在俄勒冈(Oregon)海岸。来源:麻省理工学院
甲烷水合物会凝固,因为它会接触深海的冷水,这是一个老大难问题,困扰着深海石油和天然气钻井。有时,这些凝固的水合物在井筒内部形成,会限制甚至阻塞油气流,给油井运营商增加巨大成本。
现在,麻省理工学院(MIT)的研究人员,在副教授和机械工程师克里帕·瓦拉纳西(Kripa Varanasi)的带领下,找到了一个解决方案,2012年3月23日发表在杂志《物理化学化学物理》(Physical Chemistry Chemical Physics)上,题为《疏水合物表面:从根本上研究气水包含物附着的减少》(Hydrate-phobic surfaces: fundamental studies in clathrate hydrate adhesion reduction)。论文的第一作者是J.大卫·史密斯(J. David Smith),他是机械工程专业的研究生。
深海正在成为“关键资源”,可开发新的石油和天然气井,瓦拉纳西说,因为世界能源需求在继续迅速上涨。但是,有一个关键问题,要使这些深井可以开采,就要“保证流通”:要设法避免堆积甲烷水合物。目前,做到这一点,主要是使用昂贵的加热系统或化学添加剂。
“目前,在石油和天然气行业,每年至少要花费2亿美元,只是为了购买化学品,”以防止这样的堆积,瓦拉纳西说;业内人士透露,从总数字看,预防和生产损失中,因为水合物产生的可能达数十亿美元。他的研究小组有了新方法,使用被动涂层,涂在管道内侧,这种设计可以防止水合物附着。
这些水合物形成笼状结晶结构,称为包合物(clathrate),其中,甲烷分子被困在水分子晶格中。虽然他们看起来像普通的冰,但是,甲烷水合物的形成需要非常高的压力:只是在深海或海底,史密斯说。据估计,世界海底包合物中的甲烷(天然气的主要成分)总量,大大超过了储藏的所有其他化石燃料总量。
管道内要输送深处的油或天然气,甲烷水合物会附着到内壁,就像血小板堆积在人体的动脉内,在某些情况下,会完全堵塞血液流动。堵塞的发生没有前兆,在严重的情况下,需要把阻塞的部分管道去除并更换,这会导致长期停产。目前的预防工作,包括昂贵的管道加热或保温,也需要添加剂,如把甲醇(Methanol)倒入流动的石油或天然气。“甲醇是一种很好的抑制剂,”瓦拉纳西说,而且,如果泄露,也“很环保”。
瓦拉纳西的研究小组开始研究这个问题在先,后来墨西哥湾(Gulf of Mexico)深水地平线发生漏油。这个小组长期以来集中研究一些方法,防止普通积冰,比如在飞机机翼上,也研究创造超疏水表面,防止水滴附着到表面上。因此,瓦拉纳西决定进行研究,有可能创造他所说的“疏水合物”表面,防止水合物紧紧附着到管壁。甲烷水合物本身是危险的,所以,研究人员研究时,主要采用了模型水合物系统,它具有相似的性质。
水合物附着强度在裸钢、玻璃上和增加抑制剂涂层后的情况。来源:麻省理工学院
这项研究产生了几个显著的效果:首先,使用简单的涂层,瓦拉纳西和他的同事们可减轻水合物黏附管道,使未处理表面的附着量减少到四分之一。其次,他们设计的测试系统提供了简单廉价的方式,可寻找更有效的抑制剂。最后,研究人员还发现了相关性很强的表面“疏水合物”属性和润湿性,湿润性可以测量液体如何在表面上扩散。
这些基本发现也适用于其他固体附着物,瓦拉纳西表示,例如,焊料附着在电路板上,方解石沉积在管道内,因此,相同的测试方法也可涂屏,适用于各种各样的商业和工业加工。
理查德·卡米利(Richard Camilli)是伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)应用海洋物理学和工程副研究员,他没有参与这项研究,他说,“能源行业一直在奋力保障安全性和流通性,这些问题涉及到水合物的形成和堵塞,已经有近一个世纪。”。他补充说,这个问题变得更为严重,因为钻探正在进展到更深的水域,他又说,瓦拉纳西研究小组的工作“向前迈出了一大步,会找到更环保的方法,防止管道中水合物阻塞。”
这一研究小组成员包括麻省理工学院(MIT)博士后亚当·缪勒(Adam Meuler)和本科生哈里森·布拉娄维尔(Harrison Bralower),机械工程教授加雷思·麦金利(Gareth McKinley);圣·洛朗(St. Laurent)的化学工程教授罗伯特?科恩(Cohen)和湿婆·素布拉曼尼亚(Siva Subramanian)和拉玛·卡特桑(Rama Venkatesan),这两位研究人员来自雪佛龙能源技术公司(Chevron Energy Technology Company)。这项研究的资金来自麻省理工学院能源计划-雪佛龙方案和瓦拉纳西的道尔提主持的海洋利用项目(Doherty Chair in Ocean Utilization)。