天然气水合物现状开采技术现状论文

天然气水合物现状开采技术现状

一、天然气水合物（可燃冰）介绍

谈到能源，人们立即想到的是能燃烧的煤、石油或天然气，而很少想到晶莹剔透的“冰”。然而，自 20 世纪 60年代以来，人们陆续在冻土带和海洋深处发现了一种可以燃烧的“冰”。这种“可燃冰”在地质上称之为天然气水合物（Natural GasHydrate，简称GasHydrate），又称“笼形包合物”（Clathrate），分子结构式为：CH4·nH2O，现已证实其分子结构式为CH4·8H2O。 天然气水合物（可燃冰）是一种白色固体物质，外形像冰，有极强的燃烧力，可作为上等能源。它主要由水分子和烃类气体分子（主要是甲烷）组成，所以也称它为甲烷水合物。天然气水合物是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下，由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质。 二、

天然气水合物（可燃冰）成因

可燃冰是天然气分子（烷类）被包进水分子中，在海底低温与压力下结晶形成的。形成可燃冰有三个基本条件：温度、压力和原材料。首先，可燃冰可在0℃以上生成，但超过20℃便会分解。而海底温度一般保持在2~4℃左右；其次，可燃冰在0℃时，只需30个大气压即可生成，而以海洋的深度，30个大气压很容易保证，并且气压越大，水合物就越不容易分解。最后，海底的有机物沉淀，其中丰富的碳经过生物转化，可产生充足的气源。海底的地层是多孔介质，在温度、压力、气源三者都具备的条件下，可燃冰晶体就会在介质的空隙间中生成。所以在各个海洋中存在广泛的分布

三、

天然气水合物（可燃冰）优缺点

优点：1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。燃烧后只生成水和二氧化碳，对环境污染小。据专家估计，全世界石油总储量在2700亿吨到6500亿吨之间。按照目前的消耗速度，再有50－60年，全世界的石油资源将消耗殆尽。海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，据最保守的统计，全世界海底天然气水合物中贮存的甲烷总量约

为 1.8 亿亿立方米 (18000 × 10^12m3 ) ，约合 1.1 万亿吨 (11 × 10^12t) ，海底可燃冰的储量够人类使用1000年。

缺点：二氧化碳可能会带来温室效应。而最主要的困难在于，可燃冰的开发极其困难，而且难以储运。 四、国外

天然气水合物（可燃冰）的开发现状

大致统计，目前至少已有30多个国家和地区针对天然气水合物进行了调查和研究，有相当投入，已经取得了重大发现。

(1) 以美国为主的深海钻探计划/大洋钻探计划(DSDP/ODP)

深海钻探计划始于1968年。大洋钻探计划的前身是1975年开始的国际大洋钻探项目，1985年大洋钻探计划正式实施。1998年4月我国与美国国家科学基金会签署谅解备忘录正式以六分之一的成员国的身份加入大洋钻探计划。深海钻探计划的气水合物目标是DSDP66线(太平洋大陆边缘、南墨西哥滨海带、中美洲海槽)、DSDP67线(太平洋大陆边缘、危地马拉滨海带、中美洲海槽)、DSDP76线(大西洋大陆边缘、布莱克外海岭、美国东南滨海带)、DSDP89线和ODP96线(墨西哥湾等)。大洋钻探计划的气水合物目标是ODP112线(太平洋大陆边缘、秘鲁—智利海沟)、ODP146线和ODP164线(美国东南陆隆区布莱克海岭)等。 1968年，美国在布莱克海脊实施了针对天然气水合物的深海钻探并由

ODP164航次通过保压岩芯取样器(PCS)获得了气水合物实物样品，达到了对地球物理解释成果BSR及其稳定带现象进行验证的目的；由此计算了布莱克海脊26 000 km2的范围内气水合物与游离气资源量4×1016 g或35 GT碳；按1996年全美天然气消费量参照计算可满足美国今后105年的需要。目前，美国已将天然气水合物的勘探与开发纳入其国家发展计划。它在天然气水合物调查、研究和开发除开发前实验以外的几乎所有领域保持领先地位。美国现在年经费投入为2 000 万美元，计划到2015年实现商业性开采。 (2) 阿拉斯加天然气水合物研究项目

从1983年起，美国地质调查局和前苏联地质部在美国能源部资助下，联合进行了该地已知水合物气藏的资源潜能评价。该项目第一阶段完成于1988年，主要是对描述阿拉斯加北部水合物产状的一些已有数据进行评估，并分析了控制天然气水合物分布的地质条件。第二阶段是前段工作的继续，现场研究包括温度测量和钻孔重力测量、露头和井眼取水样分析，露头和井眼取地质、地球化学样品分析。初步建立了描述该地区天然气水合物的可能成因模式、埋藏深度、厚度和区域分布及资源量等参数，为今后的进一步勘探开发作了大量前期工作。目前，有关该地区水合物气藏的产状、开采技术和经济评价等研究仍在继续。 (3) 日本开发天然气水合物计划

为缓解依赖进口石油和天然气的矛盾，日本对开发本国近海的气水合物资源期望值很高，1994年，日本通产省地质调查局，加上10家石油公司共同组织参加了“天然气水合物研究及开发推进初步计划”，年投入3 000万美元计划安排：①1996年完成对气水合物的地球物理勘探；②1997年完成示范井(阿拉斯加)；③1999年打勘探井(南海道海沟和鄂霍茨克海)；④2000年开始开采气水合物。 至今已在日本周边完成了高分辨率的地震调查；在南海海槽的局部地区完成了三维地震与大地热流(利用2 m长热流探针)测量等，先后钻井6口，终于获得了天然气水合物样品，圈定了12块远景矿区，总面积达44 000 km2；其中在南海海槽静冈县御前崎近海计算了天然气水合物储量达7.4×1012 m3，相当于日本140年消耗的天然气总量。目前，以日本为主导在加拿大西北部永久冻土带的麦肯齐河三角洲Mallik2L-38井已经完成了钻探以工业性开发天然气水合物为目的的实验井。据悉，日本计划到2010年对其海域气水合物资源实施商业性开发。 (4) 四国联合国际合作项目(tectonic flux项目)

这是一项德国ESuess教授为首的德国、美国、加拿大和俄罗斯4国的合作项目。他们对东太平洋Cascadia聚合边缘的水合物海岭(Hydrate Ridge,44°40′N，125°06′W)用较小考察船(如德国太阳号)进行了利用多项高科技手段的综合考察和采样站位的选择。他们在1996年和1999年用巨大抓斗在约800 m水深下的海底浅表沉积物处(约50 cm深)取到了大量的层块状气水合物，以及一些小结核和小块状气水合物。1999年用多管重力取样器还取到几个有气水合物的重力岩心柱(50～150 cm长)。从深钻和浅层取样的成功，使人们有可能对自然的海洋气水合物从不同角度开展研究，对其组成和成分、产出状况、在沉积物中的分布等一系列相关问题进行研究和探讨。 (5) 其它国家天然气水合物勘探现状

俄罗斯也是最早发现和开展全方位天然气水合物调查研究和评价的国家之一。除了在其领海(鄂霍茨克海、白令海、里海、北冰洋等)关于重大天然气水合物发现和研究以外，俄罗斯很早就拥有从西西伯利亚永久冻土带麦索亚哈天然气水合物气田采掘天然气的经验，并且已在淡水湖泊——贝加尔湖沉积物中发现天然气水合物聚集和在里海海域1 950 m水深处发现冰状水合物晶体，俄罗斯科学家A.A.特罗费姆克、H.H.切尔斯基和Β.Π.查廖夫最早评价了海洋天然气水合物。

加拿大在胡安—德富卡洋中脊斜坡区的工作引人注目，水合物评价储量1800亿吨石油当量。在加拿大西北部永久冻土带钻探的麦肯齐河三角洲

Mallik2L-38井深1 150 m取得的37 m岩心保留了天然气水合物层序互层的特征。

印度是发展中国家，它对天然气水合物调查和研究十分重视，投入相当于9 000万元人民币/年(1996~2000)，目前已分别在其东、西部近海海域发现BSR标志性地震反射。

韩国视天然气水合物研究为其最为重要的研究学科之一。首先由地质矿产与资源研究所于1997～1999年度在其Ulleung(郁龙)盆地的局部地区完成了天然气水合物的地球物理调查，由此确定了气水合物矿床存在的可能性。之后其MOCIE(商业、工业和能源部)制定了天然气水合物的长期规划蓝图。目前(从2000年开始)已在执行该规划调查和研究三阶段任务的第一阶段五年计划。其中，主要工作将是完成其管辖海域内的区域地球物理调查和评价。目前，韩国已在郁龙(Ulleung)盆地东南部的陆架区和西南部的斜坡区发现了变形的BSR，并在BSR之下发现大规模浅层天然气。

五、中国的

作为世界上最大的发展中的海洋大国，我国能源短缺十分突出。目前我国的油气资源供需差距很大， 1993 年我国已从油气输出国转变为净进口国， 1999 年进口石油 4000 多万吨， 2000 年进口石油近 7000 万吨，预计 2010 石油缺口可达 2 亿吨。因此急需开发新能源以满足中国经济的高速发展。海底天然气水合物资源丰富，其上游的勘探开采技术可借鉴常规油气，下游的天然气运输、使用等技术都很成熟。因此，加强天然气水合物调查评价是贯彻实施党中央、国务院确定的可持续发展战略的重要措施，也是开发我国二十一世纪新能源、改善能源结构、增强综合国力及国际竞争力、保证经济安全的重要途径。

我国对海底天然气水合物的研究与勘查已取得一定进展，在南海西沙海槽等海区已相继发现存在天然气水合物的地球物理标志 BSR ，这表明中国海域也分布有天然气水合物资源，值得我们开展进一步的工作；同时青岛海洋地质研究所已建立有自主知识产权的天然气水合物实验室并成功点燃天然气水合物。

六、

天然气水合物（可燃冰）开发现状

天然气水合物（可燃冰）的勘探技术

目前采取的天然气水合物勘探方法主要有以下几种： (1) 地震勘探方法

地震方法是水合物行之有效的勘探方法。其实质就是发现BSR。自20世纪60年代后期以来，许多学者在研究海相地震反射剖面时，都注意到了大致与天然气水合物理论稳定带基底相对应的深处，存在地震波反射的声速异常。此类反射层大致与海底平行，一般称之为“海底模拟反射层(BSR)”。海底模拟反射层，可认为是充填天然气水合物的沉积层和可能含有游离气或水的沉积层之间的界面有关。天然气水合物层的稳定区域边界有其特定的压力温度面，该温度限定了

水合物气层的最大深度。虽然海沉积物的压力不会急剧变化，但由于海底地温梯度的限定，深海沉积物的温度变化很大。因此，不规则的海底可造成指示天然气水合物稳定区域基底的近似等热面的不规则。有人认为，BSR出现的海底深度就是天然气水合物稳定边界所需的压力温度条件。由于沉积层不一定平行于海底，所以BSR常常穿过层面反射，很容易识别。 (2) 测井识别方法

水合物气层在测井曲线上有下列显示：①泥浆含气录井有气体显示；②自然电位偏移；③声波速率增大；④电阻率偏高；⑤长电位与短电位分离；⑥井径过大，有孔洞；⑦中子孔隙度增大；⑧钻速降低。 (3) 钻井取芯及室内分析

钻井过程中通过观察钻井泥浆中充气和短时间的排气现象(特别是水合物气藏有氮帽时)来发现水合物层。但是最好还是采用取样器取岩芯并用专门的除气器对岩芯进行分析。因为天然气水合物在大自然中的分解过程要持续数小时。根据这一特点，可直接证明有无天然气水合物。由于在钻井和取芯过程中的压力温度变化，天然气水合物分解成水和气体，因此对取芯筒和泥浆都有特殊的要求，一般采用冷却泥浆钻井和保压岩芯筒取芯。岩芯取出后仍保留在保压岩芯筒内，然后在1℃温度下进行压力测试，随着气体从岩芯筒内抽出，压力下降，但是当系统关闭，压力随后又升至理论的气水合物平衡压力，说明岩芯含有水合物气。

七、天然气水合物（可燃冰）的开发方法

天然气水合物藏的开采原理是先将气水合物分解成气和水，然后再收集气。采掉游离气，层压下降，平衡被破坏，气水合物开始分解，层温迅速降低。继续采气或者补充热量提高层温，平衡继续破坏。加注药剂，也可使气水合物温度的稳定性大大降低。例如：麦索亚哈气水合物藏在试验性工业开采过程中，通过向气水合物层底部加压输入甲醇来促进天然气生产，这引起了气水合物的部分分解，并使游离天然气层的厚度增加，并在天然气生产过程中阻止了气水合物的重新生成。以加注甲醇的方法开采气水合物藏是增加了投入，于是又出现了热水法开采水合物藏的想法。假若气水合物藏底下有流量很大的热水层，那么用热水法开采气水合物藏的效果就会提高。让热水依靠压差从深层上升到下伏产层，热量就会由此扩散到整个含水合物层，由于热交换热水合物发生分解，就可用常规方法开采水合物分解气。

八、结论与认识

从上述资料可见，天然气水合物是一种有巨大价值的未来能源。我国多年冻土地区面积约占全国总面积的20%，海域辽阔，天然气水合物对我国来说也是一种很在希望的新型能源资源。国家应以攻关项目形式，借助国家资金及其各油气公司联合开展天然气水合物的研究工作和设立天然气水合物勘探开发试验区，例如我国煤层气勘探工作就是由国家攻关项目的试验区发展到现在的企业行为。

建议研究的主要问题包括：①研究天然气水合物的物理化学特性与天然气水合物矿藏的地球物理、地球化学勘探方法；②预测与揭示天然气水合物在我国水域和陆上的可能形成区域；③预测我国天然气水合物资源前景；④研究从天然气水合物矿藏中开采天然气的有效方法。

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