天然氣水合物的研究現狀與展望

第9卷第2期資源與產(chǎn)業(yè)Vol 9 No. 22007年4月RESOURCeS IndustriesApr.2007題研天然氣水合物的研究現狀與展望楊帆,李治平,李庚,周金應,張世浩中國地質(zhì)大學(xué)沉積盆地與能源地質(zhì)實(shí)驗室,北京100083)摘要:天然氣水合物是一種極為豐富的天然氣后備資源,其資源總量超過(guò)了全世界范圍內所有可燃能源的總量,成為21世紀旳戰略性能源。文中追溯了天然氣水合物的發(fā)現情況,歸納了目前國內外的研究情況和進(jìn)展,通過(guò)調研總結了國際上常用的天然氣水合物的勘探和開(kāi)發(fā)的主要手段。最后認為我國應該制定出短期和長(cháng)期的研究計劃,從天然氣水合物的特性和識別特征入手,研究其勘探和開(kāi)發(fā)技術(shù)關(guān)鍵詞∵天然氣水合物;現狀;勘探;開(kāi)發(fā)中圖分類(lèi)號:P6I8.13文獻標識碼:A文章編號:1673-2464(2007)02-0098-03STUDY ON THE STATUS AND PROSPECTS IN NATURAL GAS HYDRATEYANG Fan, LI Zhi-ping, LI Geng ZHOU Jin-ying ZHANG Shi-haoSedimentary Basin and Energy Geology Laboratory, China University of Sciences, Beijing 100083, ChinaAbstract: Natural gas hydrate, which is abundant and exceeds the whole combustible energy resoureearthbecomes a strategic energy in the 21 st century. This paper mainly introduces the discovery of natural gas hydrate and itsgeneration and formation and summarizes the current exploration and development methods of natural gas hydrateiving rise to a conclusion that China shall establish the short-term and long-term study plans and study the explorationand development methods of natural gas hydrate by means of its characteristic and identification markKey words natural gas hydrate present situation exploration development1天然氣水合物的研究現狀甲烷水合物的失穩作用引發(fā)的脫氣過(guò)程4。日本對于天然氣水合物,尤其是海底的天然氣水合物研究表現早在19世紀早期,化學(xué)家H.Dawy就在實(shí)驗室發(fā)岀了異乎尋常的熱情,在1995年專(zhuān)門(mén)成立了甲烷水現了氣體水合物,并于1811年著(zhù)書(shū)首次提出”天然合物開(kāi)發(fā)促進(jìn)委員會(huì ),并制定了5年的研究開(kāi)發(fā)計氣水合物”一詞l而后在1934年,美國科學(xué)家首劃,在5年間投入了150億日元,而且全世界天然氣次在高壓輸氣管道中發(fā)現天然氣水合物堵塞問(wèn)題,所水合物的3口探井中,就有兩口是以日本石油公司為意力主要集中在天然氣水合物結構和形成的物化條件地區已經(jīng)完成了天然氣水合物的實(shí)驗性開(kāi)采,了解了上,國外開(kāi)展天然氣水合物研究也是旨在預報天然氣天然氣水合物的形成,解決在凍土區鉆井技術(shù)和造成水合物在輸氣管道中的形成和消除堵塞管道的水合物的環(huán)境問(wèn)題,開(kāi)發(fā)和試驗最佳的天然氣水合物鉆井和的問(wèn)題上2。1965年,前蘇聯(lián)在西西伯利亞北部的麥采收工具與方法,確定天然氣水合物儲層的天然氣采索亞哈氣田中發(fā)現了面積和厚度都十分可觀(guān)的水合物收率和產(chǎn)量。俄羅斯是最早發(fā)現和全方位開(kāi)展天然氣藏,次年前蘇聯(lián)出版了第一本關(guān)于天然氣水合物的氣水合物資源調評價(jià)的國家之一,它擁有全球唯一正勘探、評價(jià)、開(kāi)采的著(zhù)作。隨后,美國、荷蘭、德國在從天然氣水合物中開(kāi)采天然氣的西西伯利亞等國家都開(kāi)展了大量有關(guān)天然氣水合物的研究工作。 Messovaha氣田,并對黑海的天然氣水合物進(jìn)行了前20世紀70年代后,美國在深海鉆探計劃中不斷發(fā)現景分析和資源評價(jià)6]。印度也在政府的五年計劃中海底天然氣水合物的實(shí)物,證明海底同樣存在天然氣投入5600萬(wàn)美元用于調查其東、西部近海天然氣水水合物3。自20世紀80年代實(shí)施深海鉆探計劃和后合物。剛果、巴基斯坦、韓國等國對天然氣水合物均迷的大洋鉆探計劃以來(lái),有關(guān)天然氣水合物的實(shí)驗研有不同程度的調查和研究究、普查勘探和開(kāi)采試驗以及發(fā)現天然氣水合物的報我國于1999年春在南海實(shí)施鉆探,發(fā)現天然氣道幾乎遍及世界各地。水合物的跡象。隨后國家海洋局、國土資源部所屬的美國在1998年5月通過(guò)了一個(gè)投資2億、為期研究單位對我國天然氣水合物進(jìn)行了初步研究,初步10年的天然氣水合物研究與資源開(kāi)發(fā)計劃,囯的是認為我國海域東海陸坡帶的沖繩海槽、臺灣東北和西為了研究布萊克海臺夭然氣水合物中甲烷資源的巨大沙海槽、南沙海槽等均有天然氣水合物產(chǎn)岀的條件潛力。德國一方面靠國際合作,一方面在國家項目支并由廣州海洋地質(zhì)調査局通過(guò)國際合作和國內項目研持上,主要針對大陸斜坡力學(xué)穩定性的問(wèn)題,研究因究,對有利地區進(jìn)行了深入細致的資源評價(jià)、地質(zhì)評第2期楊帆等:天然氣水合物的研究現狀與展望價(jià)、經(jīng)濟評價(jià)、風(fēng)險評價(jià)等鉆探目標評價(jià)和預測工般呈現高振幅、負極性、平行于海底和與海底沉積構作,在有利目標區提出建議井位。造相交的特征。許多專(zhuān)家認為,凡是有BSR存在的2天然氣水合物的結構地方,就一定有天然氣水合物存在。3.2鉆孔取樣技術(shù)天然氣水合物( Natural Gas Hydrate或Gas鉆井過(guò)程中通過(guò)觀(guān)察鉆井泥漿中充氣和層段時(shí)間Hydrate),又稱(chēng)籠形包合物〔 Clathrate),它是由甲烷的排氣現象來(lái)發(fā)現天然氣水合物層段。因為天然氣水等氣體和水分子組成的類(lèi)似冰狀的固體物質(zhì),其中甲合物自然分解要持續數小時(shí),因此根據這一特點(diǎn),將烷含量達99%的天然氣水合物又叫甲烷水合物。天然取心筒中的氣體抽出,壓力下降,但是當停止抽氣氣水合物的分子式為MH,O,其中M是以甲烷氣體時(shí),壓力又會(huì )慢慢回升至天然氣水合物的平衡壓力,為主的氣體分子數,n為水分子數。天然氣水合物分這就說(shuō)明巖心中含有天然氣水合物。子實(shí)質(zhì)上是一種水包氣的籠形物,其中水結晶成等軸目前世界上天然氣水合物鉆探取樣的設備有活晶系,而不像冰那樣的六方晶系。由水分子通過(guò)氫鍵式巖心取樣器、恒溫巖心取樣器、恒壓巖心取樣器和形成不同形式的剛性籠架晶格,每個(gè)籠架晶格中包含水溫探測儀等個(gè)主要為甲烷的天然氣分子,水分子與天然氣分子3.3測井技術(shù)之間通過(guò)范德華力相互吸引。測井技術(shù)是天然氣水合物勘探中,繼地震反射法到目前為止已經(jīng)發(fā)現的天然氣水合物的結構有3和鉆孔取心法之后又一有效手段。由于天然氣水合物種:結構I型、結構Ⅱ型和結構H型(圖1),其中的水為純水,因在y射線(xiàn)測井時(shí),水合物層段AP值型最常見(jiàn)。結構Ⅰ型屬于體心立方體結構,可由天要比相鄰層段明顯增高。含天然氣水合物層段還具有然氣小分子在深海形成,其籠架晶格以各自的籠架體自然電場(chǎng)異常不大的特點(diǎn)。在鉆井過(guò)程中,鉆遇天然心堆砌排列。結構Ⅱ型屬于金剛石立方結構,可由含氣水合物層段后另一明顯現象是天然氣水合物分解引分子大于乙烷小于戊烷的烴形成。結構H型屬于六面起井壁坍塌,反映在測井曲線(xiàn)上就是井徑比相鄰層位體結構,可由揮發(fā)油和汽油等大分子形成。結構Ⅱ型增大。該層段孔隙度相對偏低,其中子測井曲線(xiàn)值則和結構H型由復雜的熱成因的天然氣水合物構成,含相對較高"。有與地下深處烴類(lèi)系統中滲漏的油氣有直接關(guān)系的各3.4地球化學(xué)方法種熱成因烴和CO2。主要是有機的、流體的和同位素等地球化學(xué)方法。3天然氣水合物的勘探方法有機化學(xué)方法主要是分析天然氣水合物中氣體含量和物質(zhì)組成。流體地球化學(xué)方法主要是研究海底地層水天然氣水合物的勘探迄今仍處于調査和摸索階和沉積物孔隙水中的甲烷濃度和鹽度異常。穩定同位段。用于天然氣水合物勘探的鉆井很少,僅有加拿大素化學(xué)方法主要是研究天然氣水合物成礦氣體來(lái)源。西北部的麥肯其地區、日本南海海槽和阿拉斯加3口探井成功鉆探。因此還沒(méi)有成熟的勘探方法,目前所4天然氣水合物的開(kāi)采方式使用的勘探方法可以說(shuō)是傳統油氣勘探方法的借鑒和總結。天然氣水合物的勘探方法主要有以下幾種天然氣水合物的開(kāi)采具有一定的危險性,因為天3.1地震地球物理法然氣水合物是一種極不穩定的物質(zhì),在接近冰點(diǎn)和處于500m水深以下的高壓才會(huì )穩定。如果將天然氣水這是最為廣泛的天然氣水合物的調査方法。BSR合物在這種狀態(tài)下采出,就會(huì )迅速分解。如果開(kāi)采時(shí)〔 Bottom simulating reflector)是海底地震反射剖面中甲烷氣體大量泄漏于大氣中,造成的溫室效應將十分存在的一種異常地震反射層。在地震剖面中,BSR嚴重,會(huì )對整個(gè)人類(lèi)造成災難性的后果。晶胞分子式I型結構Ⅱ型結構164H型結構100資源與產(chǎn)業(yè)2007年開(kāi)采天然氣水合物的基本原理是先將水合物分解從加拿大麥肯其凍土區的天然氣水合物試采和其為氣和水,然后收集天然氣。這一過(guò)程可簡(jiǎn)單的表示他地區的天然氣水合物的試采來(lái)看,熱力開(kāi)采和降壓為(C.H2n,2CH2n2·dH2O)體+開(kāi)采相結合是天然氣水合物長(cháng)期生產(chǎn)的最佳方案d(H12O)減體,其中CH2+2是烴,d是水合數(圖2b4.4其他開(kāi)采方法除了以上常用的3種方法外, Lee holder il還提鹽度上升出了置換開(kāi)采和混合開(kāi)采方法。置換開(kāi)采的原理是天然氣水合物所需的穩定壓力較CO2高,在某一壓力條件下,天然氣水合物不穩水合物定,而CO2是穩定的,這時(shí)CO2進(jìn)入天然氣水合物氣和水中,置換出天然氣與水形成水合物。這種用CO2來(lái)置換天然氣的研究已經(jīng)開(kāi)展,但是復雜的相變過(guò)程可能熱力增產(chǎn)和降壓會(huì )給這一方法的實(shí)施帶來(lái)一定的困難混合開(kāi)采是先將洋底粉碎,開(kāi)采混有固體水合物的混合物。這種方法還沒(méi)有研究,但是將洋底粉碎后造成天然氣水合物系統溫壓的改變,很容易造成天然氣的泄漏,所以這種技術(shù)是否可行還有待商榷氣和冰5結論溫度增加天然氣水合物作為21世紀的戰略性能源的地位圖2天然氣水合物溶解相圖已經(jīng)日益凸現,全世界關(guān)于天然氣水合物的調查研究日新月異,新發(fā)現、新技術(shù)層出不窮,勘探開(kāi)發(fā)向著(zhù)圖2顯示的是天然氣水合物轉化機理相圖,它表低耗高能的方向發(fā)展。我國在這方面起步較晚,雖然明分解天然氣水合物。開(kāi)采天然氣可采用3種方法:國家有相關(guān)的重大項目展開(kāi)了一些前沿性的探索和研鉆井降壓開(kāi)采、化學(xué)劑注入開(kāi)采和熱力開(kāi)采。究,但總體上仍然處于起步階段。鑒于天然氣水合物4.1鉆井降壓開(kāi)采的重要性和國外如火如荼的研究工作的進(jìn)行,并結合我國的實(shí)際情況,建議我國發(fā)揮”后發(fā)優(yōu)勢”,從以通過(guò)鉆探方法或其他途徑降低天然氣水合物層下下幾個(gè)方面研究天然氣水合物面的游離氣聚集層位的平衡壓力,破壞水合物水藏的1)制定岀適合我國實(shí)情的天然氣水合物近期和穩定性·使水合物水解而析出甲烷氣體。降壓法只需遠期計劃,科學(xué)的規劃天然氣水合物研究進(jìn)程要較少的能量注入,所需要的能量來(lái)至地球內部地熱2)做好天然氣水合物的勘探技術(shù)研究,主要從能。這種開(kāi)采方式已經(jīng)在西西伯利亞的 Messoyhaka氣其形成機理、標志物的識別等方面入手。田得到了應用3)從天然氣水合物的性質(zhì)和特點(diǎn)入手,研究其降壓開(kāi)采的特點(diǎn)是經(jīng)濟、簡(jiǎn)便易行,通常降壓開(kāi)安全、合理和經(jīng)濟的開(kāi)采技術(shù)和模式,可以采用熱力但不用于儲層原始溫度接近或低于0℃的水合物氣藏,物,用壓降法提取游離氣體,相對而言經(jīng)濟可行。以免分解出的水堵塞氣層。4.2化學(xué)劑注入開(kāi)采此種方法的主要思路都是用注入的化學(xué)物質(zhì)改變參考文獻天然氣水合物形成的相平衡條件,促使水合物分解1]姜輝于興河徐文世.天然氣水合物研究進(jìn)罳J]海洋地質(zhì)動(dòng)常用的有甲醇、乙二醇和氯化鈣等。它們能造成水合態(tài)200521(12)20-25物穩定層的溫壓失去平衡,使天然氣水合物在原始的[2]陳作義楊曉西葉國興等新世紀的新能源—天然氣水合物溫壓條件下不再穩定而分解。[J]遼寧化工20013010):22-425但它最大的缺點(diǎn)是費用太昂貴,而且由于大洋中[3]宋巖夏新宇,天然氣水合物研究和勘探現狀J]天然氣地球科學(xué)20011x(1)3-10天然氣水合物所處的壓力較高,回采氣體較困難,不[4]龍學(xué)淵袁宗明倪杰,國外天然氣水合物研究進(jìn)展及我國的對宜采用此種方法。策建訌J]勘探地球物理進(jìn)展2006293)170-1824.3熱力開(kāi)采[5]何擁軍陳建文,曾繁彩,等,世界天然氣水合物調查研究進(jìn)展熱力開(kāi)采是研究最多、最深入的天然氣水合物開(kāi)【6許紅黃君權夏斌,最新國際天然氣水合物研究現狀與資源潛力評伎上IJ]天然氣工業(yè)200525(5)21-25熱鹽水注入和電磁加熱法等。對天然氣水合物穩定層[7]許紅黃君權夏斌等,最新國際天然氣水合物研究現狀與資源進(jìn)行加熱,提高設計區段范圍的溫度達到足以使水合潛力評伎(上IJ]天然氣工業(yè)200525(6)18-23物發(fā)生分解,再用導管收集析岀的甲烷氣于貯藏器內[8]許紅劉守全王建橋等.國際天然氣水合物調查研究現狀及其或采用采集常規天然氣的輸氣管道輸送到船載貯藏器主要技術(shù)構成J]中國地質(zhì)200熱力開(kāi)采的這些方法各有優(yōu)點(diǎn)和不足。例如,蒸[9]葉愛(ài)杰孫敬杰賈寧簿,天然氣水合物及其勘探開(kāi)發(fā)方法綜述汽注入和火驅技術(shù)在薄水合物氣層的熱損失很大,但[J]中國海上油氣2005172)13814在厚層熱效率較高:注入熱水的熱損失比蒸汽注入和[10]祝有海,加拿大馬更些凍土區天然氣水合物試生產(chǎn)進(jìn)展與展望J]地球科學(xué)進(jìn)展20062(5)513-519