用于火星探测的气体转化系统辅助石油开采Gas Conversion Systems Reclaim Fuel for Industry

用于火星探测的气体转化系统辅助石油开采
Gas Conversion Systems Reclaim Fuel for Industry

火星探测器能源系统研发与从废旧矿井中开采石油或收集钻井过程中释放的气体的技术，这些技术之间的关联，可以通过材料的原子组成来理解。特别是碳、氧和氢原子，不同的组合可能会产生截然不同的特性，而对原子的重新排列仅需通过正确的化学反应即可实现。火星气体转化系统与废旧矿井石油开采技术就是通过不同化学反应，以实现原子重新排列的过程。

先锋航天公司和先锋能源公司的创始人兼总裁Robert Zubrin说：“宇航员可通过电解水获取氧气，并回收氢气。火星大气中含有丰富的二氧化碳，含量达95%。将回收的氢气与火星大气中的二氧化碳相结合，就可以产生甲烷和水。甲烷和氧气组合则可作为火箭燃料，为探测器返回地球提供动力。我们研究了在火星上制取甲醇和氧气的方法，制作了一套能够将甲醇和水分解成氢和二氧化碳的系统。”

在公司发展过程中，先锋航天公司赢得了约60项小企业创新研究（SBIR）计划合同，其中大部分是与NASA合作的项目，合同总额超过1250万美元。其中最早的合同可以追溯到20世纪90年代中后期与约翰逊航天中心的合作，其主要关注在火星表面上通过分子混合和匹配来制造火箭燃料。后来，该公司作为NASA承包商，与洛克希德·马丁公司和马丁·玛丽埃塔航空航天公司合作开发先进的太空探索方案。其首先与洛克希德·马丁公司合作，帮助其制造了首批收集火星大气中的二氧化碳并将其转化为氧气和甲烷的气体转化系统模型。

约翰逊航天中心推进与动力分部的原位资源利用（ISRU）总工程师Gerald Sanders说：“Robert Zubrin还在先锋航天公司开展了其它化学试验，如通过反向的水气转化反应从二氧化碳中获取氧气等。他的很多工作都非常具有开创性，开展的大部分实验不仅适用于在火星或月球上收集和利用资源，还适用于太空探索任务中的生命支持和能源系统。”Gerald Sanders及其研究团队尝试将Robert Zubrin开发的这些系统组合在一起，用于火星探测活动。例如，火星的土壤里含有水，可通过水的电解获得氢，将氢与火星大气中的二氧化碳反应，可生成作为燃料的甲烷，以及既可以作为燃料也能提供生命支持的氧气。这些设备由一个小型核电站提供能源，同时还需使用土壤处理装置和运输漫游车进行土壤采掘。附加设备的重量约为2000kg，而从地球携带甲烷燃料的重量约为6500kg，因此，这种原位资源利用方式有利于提高资源利用效率，降低航天发射的成本。

在这些技术的研发和使用过程中，Robert Zubrin意识到，可利用早期与NASA合作开发的气体转化系统的逆反应过程进行石油的开采。为了实施这一想法，2008年，他创建了先锋能源公司。Robert Zubrin解释说：“在火星上，宇航员利用二氧化碳与氢反应生成甲烷和水，利用电解水产生氧气和氢。在地球上，我们从天然气中获得甲烷，甲烷和水反应产生二氧化碳和氢气，然后将其分离，氢气可以用于产生无碳电力，而二氧化碳可用于废弃油井的石油开采。因此，这一过程基本上是对火星原位处理系统的逆向运行。”

由于地质原因，通过最初的泵取过程，矿井中的石油开采量仅能达到30%。在20世纪早期，出现了一种新的石油开采技术——将水注入矿井中，使石油上浮，然后对石油进行开采。这种技术可获得原始石油储存量的约20%。但采用这两种方法进行开采后，仍有约一半的石油留在地下。20世纪80年代，“增强的石油开采”技术出现，该技术将二氧化碳注入矿井，与石油混合，降低其粘度，并对其施加压力，可获得原始石油储量的约20%。在该过程中，二氧化碳可被封存起来。然而，目前美国仅4%的石油是通过上述方式获得的。原因在于这种方式需要存在天然的二氧化碳的埋藏地。而石油矿井和自然二氧化碳埋藏地共存的情况很少。尽管很多人认为可以使用发电厂排出的二氧化碳，但是，发电厂排出的二氧化碳气体已被稀释，且压力不高，难以分离，可能与油井的位置相距甚远，因此，这种方式很难实现。此外，人们还提出，将二氧化碳通过管道传输到油井所在地，但这种工程浩大，企业通常不愿投资于尚未成功利用“增强的石油开采”技术开展试验验证的油田。现在的唯一途径是利用卡车运输，但成本高昂，因此，没有人会开展这种试验，管道输送二氧化碳也就无法实现。

▲ 先锋能源公司开发的MAGS系统

先锋能源公司制造了便携式增强开采技术（PERT）系统，提供了一种有吸引力的、成本较低的原位利用甲烷和水产生二氧化碳的解决方案。2014年，先锋能源公司对其全尺寸PERT模型，以及相关的其它设备进行了测试。

在石油开采的早期阶段，矿井会释放出大量的天然气副产物——“火炬气”。由于石油矿井通常位于偏远地区，“火炬气”一般采用就地燃烧的方式处理。但这种方式造成了光污染和巨大的能源浪费。

先锋能源公司开发的移动式烷烃气体分离（MAGS）系统将石油开采初期产生的“火炬气”分离成3部分，其中一部分由丙烷、丁烷和戊烷等组成，可充入气罐运输到外地销售；甲烷可用于替代柴油驱动发电机，为石油钻探装置供能；乙烷则主要用于为MAGS系统自身供能。2014年春天，MAGS系统进行了首次现场测试，2014年秋季，被运送到北达科他州使用。

▲ MAGS系统可应用于石油开采过程中“火炬气”的分离和利用

MAGS系统的优点是多方面的：首先，其可大幅减少“火炬气”燃烧产生的光污染，减少柴油消耗量，获得可以出售的液体丙烷和丁烷。另外，该系统还可实现自给自足。PERT系统每天可以产生足够的氢，获得1.3MW的电力和14158.4m3二氧化碳。这足以开展小型的“增强的石油开采”技术验证试验，从而为建设二氧化碳输送管道提供验证支持。

Robert Zubrin说：“美国拥有世界上最古老的石油工业，全国各地散落着成千上万的废弃油井，其中仍有超过半数的石油未被开采出来。据估算，采用这两种系统可获得美国石油采收量约10%的石油。当然，这些系统也可应用于其他国家，极大地增加世界石油资源。”

Gerald Sanders说：“这与火星气体转化系统显然是不同的应用，但从化学反应的过程及其研究来看，该系统与火星原位资源利用技术有着直接联系。这表明，NASA为火星所做的研究工作也可对地球上的生产和生活产生重要影响。” (甜 译)