中國低碳網(wǎng)訊 2010年，深水地平線平臺（Deepwater Horizon）破裂，大量漏油，期間，起初看起來像是有可能速戰(zhàn)速決：抑制性穹頂被下沉到管道破裂處，以獲取流出的油，把它抽到水面，進行妥善處理。但是，這種嘗試很快就失敗了，因為穹頂幾乎即刻就堵滿了凝固的甲烷水合物。
一個塊的天然氣水合物（甲烷氣水包合物）從海底沉積物中開采出來，就在俄勒岡（Oregon）海岸。來源：麻省理工學院
甲烷水合物會凝固，因為它會接觸深海的冷水，這是一個老大難問題，困擾著深海石油和天然氣鉆井。有時，這些凝固的水合物在井筒內(nèi)部形成，會限制甚至阻塞油氣流，給油井運營商增加巨大成本。
現(xiàn)在，麻省理工學院（MIT）的研究人員，在副教授和機械工程師克里帕·瓦拉納西（Kripa Varanasi）的帶領(lǐng)下，找到了一個解決方案，2012年3月23日發(fā)表在雜志《物理化學化學物理》（Physical Chemistry Chemical Physics）上，題為《疏水合物表面：從根本上研究氣水包含物附著的減少》（Hydrate-phobic surfaces: fundamental studies in clathrate hydrate adhesion reduction）。論文的第一作者是J.大衛(wèi)·史密斯（J. David Smith），他是機械工程專業(yè)的研究生。
深海正在成為“關(guān)鍵資源”，可開發(fā)新的石油和天然氣井，瓦拉納西說，因為世界能源需求在繼續(xù)迅速上漲。但是，有一個關(guān)鍵問題，要使這些深井可以開采，就要“保證流通”：要設法避免堆積甲烷水合物。目前，做到這一點，主要是使用昂貴的加熱系統(tǒng)或化學添加劑。
“目前，在石油和天然氣行業(yè)，每年至少要花費2億美元，只是為了購買化學品，”以防止這樣的堆積，瓦拉納西說；業(yè)內(nèi)人士透露，從總數(shù)字看，預防和生產(chǎn)損失中，因為水合物產(chǎn)生的可能達數(shù)十億美元。他的研究小組有了新方法，使用被動涂層，涂在管道內(nèi)側(cè)，這種設計可以防止水合物附著。
這些水合物形成籠狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)，稱為包合物（clathrate），其中，甲烷分子被困在水分子晶格中。雖然他們看起來像普通的冰，但是，甲烷水合物的形成需要非常高的壓力：只是在深海或海底，史密斯說。據(jù)估計，世界海底包合物中的甲烷（天然氣的主要成分）總量，大大超過了儲藏的所有其他化石燃料總量。
管道內(nèi)要輸送深處的油或天然氣，甲烷水合物會附著到內(nèi)壁，就像血小板堆積在人體的動脈內(nèi)，在某些情況下，會完全堵塞血液流動。堵塞的發(fā)生沒有前兆，在嚴重的情況下，需要把阻塞的部分管道去除并更換，這會導致長期停產(chǎn)。目前的預防工作，包括昂貴的管道加熱或保溫，也需要添加劑，如把甲醇（Methanol）倒入流動的石油或天然氣�！凹状际且环N很好的抑制劑，”瓦拉納西說，而且，如果泄露，也“很環(huán)�！薄�
瓦拉納西的研究小組開始研究這個問題在先，后來墨西哥灣（Gulf of Mexico）深水地平線發(fā)生漏油。這個小組長期以來集中研究一些方法，防止普通積冰，比如在飛機機翼上，也研究創(chuàng)造超疏水表面，防止水滴附著到表面上。因此，瓦拉納西決定進行研究，有可能創(chuàng)造他所說的“疏水合物”表面，防止水合物緊緊附著到管壁。甲烷水合物本身是危險的，所以，研究人員研究時，主要采用了模型水合物系統(tǒng)，它具有相似的性質(zhì)。
水合物附著強度在裸鋼、玻璃上和增加抑制劑涂層后的情況。來源：麻省理工學院
這項研究產(chǎn)生了幾個顯著的效果：首先，使用簡單的涂層，瓦拉納西和他的同事們可減輕水合物黏附管道，使未處理表面的附著量減少到四分之一。其次，他們設計的測試系統(tǒng)提供了簡單廉價的方式，可尋找更有效的抑制劑。最后，研究人員還發(fā)現(xiàn)了相關(guān)性很強的表面“疏水合物”屬性和潤濕性，濕潤性可以測量液體如何在表面上擴散。
這些基本發(fā)現(xiàn)也適用于其他固體附著物，瓦拉納西表示，例如，焊料附著在電路板上，方解石沉積在管道內(nèi)，因此，相同的測試方法也可涂屏，適用于各種各樣的商業(yè)和工業(yè)加工。
理查德·卡米利（Richard Camilli）是伍茲霍爾海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）應用海洋物理學和工程副研究員，他沒有參與這項研究，他說，“能源行業(yè)一直在奮力保障安全性和流通性，這些問題涉及到水合物的形成和堵塞，已經(jīng)有近一個世紀�！�。他補充說，這個問題變得更為嚴重，因為鉆探正在進展到更深的水域，他又說，瓦拉納西研究小組的工作“向前邁出了一大步，會找到更環(huán)保的方法，防止管道中水合物阻塞�！�
這一研究小組成員包括麻省理工學院（MIT）博士后亞當·繆勒（Adam Meuler）和本科生哈里森·布拉婁維爾（Harrison Bralower），機械工程教授加雷思·麥金利（Gareth McKinley）；圣·洛朗（St. Laurent）的化學工程教授羅伯特?科恩（Cohen）和濕婆·素布拉曼尼亞（Siva Subramanian）和拉瑪·卡特桑（Rama Venkatesan），這兩位研究人員來自雪佛龍能源技術(shù)公司（Chevron Energy Technology Company）。這項研究的資金來自麻省理工學院能源計劃-雪佛龍方案和瓦拉納西的道爾提主持的海洋利用項目（Doherty Chair in Ocean Utilization）。