天然气水合物的研究现状与展望

第9卷第2期资源与产业Vol 9 No. 207年4月RESOURCES Industries问题研究天然气水合物的研究现状与展望杨帆,李治平,李庚,周金应,张世浩中国地质大学沉积盆地与能源地质实验室,北京100083)摘要:天然气水合物是一种极为丰富的天然气后备资源,其资源总量超过了全世界范围内所有可燃能源的总量,成为21世纪旳战略性能源。文中追溯了天然气水合物的发现情况,归纳了目前国内外的研究情况和进展,通过调研总结了国际上常用的天然气水合物的勘探和开发的主要手段。最后认为我国应该制定出短期和长期的研究计划,从天然气水合物的特性和识别特征入手,研究其勘探和开发技术关键词∵天然气水合物;现状;勘探;开发中图分类号:P6l8.13文献标识码:A文章编号:1673-2464(2007)02-0098-0STUDY 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 resources on earthecomes a strategic energy in the 21 st century. This paper mainly introduces the discovery of natural gas hydrate and itgeneration and formation and summarizes the current exploration and development methods of natural gas hydrategiving rise to a conclusion that China shall establish the short-term and long-term study plans and study the explorationnd development methods of natural gas hydrate by means of its characteristic and identification markKey words: natural gas hydrate present situation exploration development1天然气水合物的研究现状甲烷水合物的失稳作用引发的脱气过程艹。日本对于天然气水合物,尤其是海底的天然气水合物研究表现早在19世纪早期,化学家H.Dawy就在实验室发出了异乎寻常的热情,在1995年专门成立了甲烷水现了气体水合物,并于1811年著书首次提出“天然合物开发促进委员会,并制定了5年的研究开发计水合物”一词而后在1934年,美国科学家首划,在5年间投入了150亿日元,而且全世界天然气次在高压输气管道中发现天然气水合物堵塞问题,所水合物的3口探井中,就有两口是以日本石油公司为以天然气水合物引起了石油专家的注意。专家们的注首的多国石油公司钻探的。加拿大麦肯其三角洲冻土意力主要集中在天然气水合物结构和形成的物化条件地区已经完成了天然气水合物的实验性开采,了解了上,国外开展天然气水合物研究也是旨在预报天然气天然气水合物的形成,解决在冻土区钻井技术和造成水合物在输气管道中的形成和消除堵塞管道的水合物的环境问题,开发和试验最佳的天然气水合物钻井和的问题上3。1965年,前苏联在西西伯利亚北部的麦采收工具与方法,确定天然气水合物储层的天然气采索亚哈气田中发现了面积和厚度都十分可观的水合物收率和产量5。俄罗斯是最早发现和全方位开展天然气藏,次年前苏联岀版了第一本关于天然气水合物的气水合物资源调评价的国家之一,它拥有全球唯一正勘探、评价、开采的著作。随后,美国、荷兰、德国在从天然气水合物中开采天然气的西西伯利亚等国家都开展了大量有关天然气水合物的研究工作。 Messoyaha气田,并对黑海的天然气水合物进行了前20世纪70年代后,美国在深海钻探计划中不断发现景分析和资源评价6。印度也在政府的五年计划中海底天然气水合物的实物,证明海底同样存在天然气投入5600万美元用于调查其东、西部近海天然气水水合物3。自20世纪80年代实施深海钻探计划和后合物。刚果、巴基斯坦、韩国等国对天然气水合物均继的大洋钻探计划以来,有关天然气水合物的实验研有不同程度的调查和研究。究、普查勘探和开采试验以及发现天然气水合物的报我国于1999年春在南海实施钻探,发现天然气道几乎遍及世界各地。水合物的迹象。随后国家海洋局、国土资源部所属的美国在1998年5月通过了一个投资2亿、为期研究单宀10年的天然气水合物研究与资源开发计划,目的是认为我中国煤化工行了初步研究,初步海槽、台湾东北和西为了研究布莱克海台天然气水合物中甲烷资源的巨大沙海槽CNMH气气水合物产出的条件潜力。德国一方面靠国际合作,一方面在国家项目支并由广州海洋地质调局通过国际合作和国内项目研持上,主要针对大陆斜坡力学稳定性的问题,研究因究,对有利地区进行了深入细致的资源评价、地质评收稿日期:2006-10-18;修订日期:2007-03-06;责任编辑:刘英姿。第一作虧筲数振杨帆(1984—-),男,硕士生,主要从事油藏工程油气田开发研究。E-mail:yangfanl03@sIna.com。第2期杨帆等:天然气水合物的研究现状与展望价、经济评价、风险评价等钻探目标评价和预测工般呈现高振幅、负极性、平行于海底和与海底沉积构作,在有利目标区提出建议井位。造相交的特征。许多专家认为,凡是有BSR存在的地方,就一定有天然气水合物存在。2天然气水合物的结构3.2钻孔取样技术天然气水合物( Natural Gas Hydrate或Gas钻井过程中通过观察钻井泥浆中充气和层段时间Hydrate),又称笼形包合物( Clathrate),它是由甲烷的排气现象来发现天然气水合物层段。因为天然气水等气体和水分子组成的类似冰状的固体物质,其中甲合物自然分解要持续数小时,因此根据这一特点,将烷含量达9%的天然气水合物又叫甲烷水合物。天然取心简中的气体抽出,压力下降,但是当停止抽气气水合物的分子式为MH2O,其中M是以甲烷气体时,压力又会慢慢回升至天然气水合物的平衡压力,为主的气体分子数,n为水分子数。天然气水合物分这就说明岩心中含有天然气水合物子实质上是一种水包气的笼形物,其中水结晶成等轴目前世界上天然气水合物钻探取样的设备有活塞晶系,而不像冰那样的六方晶系。由水分子通过氢键式岩心取样器、恒温岩心取样器、恒压岩心取样器和形成不同形式的刚性笼架晶格,每个笼架晶格中包含水温探测仪等。个主要为甲烷的天然气分子,水分子与天然气分子3.3测井技术之间通过范德华力相互吸引测井技术是天然气水合物勘探中,继地震反射法到目前为止已经发现的天然气水合物的结构有3和钻孔取心法之后又一有效手段。由于天然气水合物种:结构I型、结构Ⅱ型和结构H型(图1),其中的水为纯水,因在y射线测井时,水合物层段API值I型最常见。结构I型属于体心立方体结构,可由夭要比相邻层段明显增高。含天然气水合物层段还具有然气小分子在深海形成,其笼架晶格以各自的笼架体自然电场异常不大的特点。在钻井过程中,钻遇天然气水合物层段后另一明显现象是天然气水合物分解引分子大于乙烷小于戊烷的烃形成。结构H型属于六面起井壁坍塌,反映在测井曲线上就是井径比相邻层位体结构,可由挥发油和汽油等大分子形成。结构增大。该层段孔隙度相对偏低,其中子测井曲线值则和结构H型由复杂的热成因的天然气水合物构成,含相对较高”。有与地下深处烃类系统中渗漏的油气有直接关系的各3.4地球化学方法种热成因烃和CO2主要是有机的、流体的和同位素等地球化学方法。3天然气水合物的勘探方法有机化学方法主要是分析天然气水合物中气体含量和物质组成。流体地球化学方法主要是研究海底地层水天然气水合物的勘探迄今仍处于调査和摸索阶和沉积物孔隙水中的甲烷浓度和盐度异常。稳定同位段。用于天然气水合物勘探的钻井很少,仅有加拿大素化学方法主要是研究天然气水合物成矿气体来源西北部的麦肯其地区、日本南海海槽和阿拉斯加3口探井成功钻探。因此还没有成熟的勘探方法,目前所4天然气水合物的开采方式使用的勘探方法可以说是传统油气勘探方法的借鉴和总结。天然气水合物的勘探方法主要有以下几种天然气水合物的开采具有一定的危险性,因为天然气水合物是一种极不稳定的物质,在接近冰点和处3.1地震地球物理法于500m水深以下的高压才会稳定。如果将天然气水这是最为广泛的天然气水合物的调查方法。BSR合物在这种状态下采出,就会迅速分解。如果开采时Bottom simulating reflector)是海底地震反射剖面中甲烷气体大量泄漏于大气中,造成的温室效应将十分存在的一种异常地震反射层。在地震剖面中,BSR严重,会对整个人类造成灾难性的后果。小笼大笼晶胞分子式S,L6. 45H,O型结构6S16L·136H2O型结构Fd3m51264中国煤化工CNMHGH型P6/mmm43563图1笼型水合物多面体100资源与产业2007年开采天然气水合物的基本原理是先将水合物分解从加拿大麦肯其冻土区的天然气水合物试采和其为气和水,然后收集天然气。这一过程可简单的表示他地区的天然气水合物的试采来看,热力开采和降压为(C.H2n2·dH2O)体→(CHdH2O)气体开采相结合是天然气水合物长期生产的最佳方案。d(H2QO)液体,其中CH2是烃,d是水合数(图24.4其他开采方法除了以上常用的3种方法外, Lee holder i还提盐度上升出了置换开采和混合开采方法置换开采的原理是天然气水合物所需的稳定压力较CO2高,在某一压力条件下,天然气水合物不稳水合物定,而CO2是稳定的,这时CO2进入天然气水合物热力增产措施气和水中,置换出天然气与水形成水合物。这种用CO2来置换天然气的研究已经开展,但是复杂的相变过程可能会给这一方法的实施带来一定的困难。热力增产和降压混合开采是先将洋底粉碎,开采混有固体水合物的混合物。这种方法还没有研究,但是将洋底粉碎后造成天然气水合物系统温压的改变,很容易造成天然气的泄漏,所以这种技术是否可行还有待商榷气和冰5结论温度增加一天然气水合物作为21世纪的战略性能源的地位图2天然气水合物溶解相图已经日益凸现,全世界关于天然气水合物的调查研究日新月异,新发现、新技术层出不穷,勘探开发向着图2显示的是天然气水合物转化机理相图,它表低耗高能的方向发展。我国在这方面起步较晚,虽然明分解天然气水合物。开采天然气可采用3种方法:国家有相关的重大项目展开了一些前沿性的探索和研占井降压开采、化学剂注入开采和热力开采究,但总体上仍然处于起步阶段。鉴于天然气水合物4.1钻井降压开采的重要性和国外如火如荼的研究工作的进行,并结合我国的实际情况,建议我国发挥”后发优势”,从以通过钻探方法或其他途径降低天然气水合物层下下几个方面研究天然气水合物1)制定岀适合我国实情的天然气水合物近期和稳定性,使水合物水解而析出甲烷气体。降压法只需远期计划,科学的规划天然气水合物研究进程。要较少的能量注入,所需要的能量来至地球内部地热2)做好天然气水合物的勘探技术研究,主要从这种开采方式已经在西西伯利亚的 Messoyhaka气其形成机理、标志物的识别等方面入手。田得到了应用3)从天然气水合物的性质和特点入手,研究其降压开采的特点是经济、简便易行,通常降压开安全、合理和经济的开采技术和模式,可以采用热力采适合于高渗透率和深度超过700m的水合物气藏,法和降压法相结合,即用热力学法分解天然气水合但不用于储层原始温度接近或低手o℃的水合物气藏,物,用压降法提取游离气体,相对而言经济可行。以免分解出的水堵塞气层。4.2化学剂注入开采参考文献此种方法的主要思路都是用注入的化学物质改变天然气水合物形成的相平衡条件,促使水合物分解1]姜辉于兴河狳文世.天然气水合物研究进厭J]海洋地质动常用的有甲醇、乙二醇和氯化钙等。它们能造成水合态200521(12)20-25物稳定层的温压失去平衡,使天然气水合物在原始的[2]陈作义杨晓西叶国兴簿.新世纪的新能源—天然气水合物温压条件下不再稳定而分解。[J]辽宁化工200130(10):22-425但它最大的缺点是费用太昂贵,而且由于大洋中[3]宋岩夏新宇,天然气水合物研究和勘探现状J]天然气地球科学20011x(1)3-10天然气水合物所处的压力较高,回采气体较困难,不【4]龙学渊袁宗明倪杰,国外天然气水合物研究进展及我国的对宜采用此种方法。策建讽J]勘探地球物理进展2006293)〗70-1824.3热力开采[5]何拥军陈建文,曾繁彩等.世界天然气水合物调查研究进展[J]海洋地质动态2004206)热力开采是研究最多、最深入的天然气水合物开[6]许红黄君权夏斌箐.最新国际天然气水合物研究现状与资源采技术。现已提出的有蒸汽注入、热水注入、火驱、热盐水注入和电磁加热法等。对天然气水合物稳定层[7]许红黄君权夏斌等,最新国际天然气水合物研究现状与资源进行加热,提高设计区段范围的温度达到足以使水合052(6)18-23物发生分解,再用导管收集析出的甲烷气于贮藏器内[8]许中国煤化工气水合物调查研究现状及其或采用采集常规天然气的输气管道输送到船载贮藏器CNMHGO3)1-4热力开采的这些方法各有优点和不足。例如,蒸[9]叶孓合物及其勘探开发方法综述汽气注入和火驱技术在薄水合物气层的热损失很大,但[J]中国海上油气2005172):38-14在厚层热效率较高;注入热水的热损失比蒸汽注入和「10]祝有海.加拿大马更些冻土区天然气水合物试生产进展与展望火驱小,但水合物气层内水的注入率限制了该方法的[J]地球科学进展200621(5)513-519使用:相比雨足热盐水注入开采天然气水合物技术[ J Holder I. Methane hydrates potential as a future energy source1l要成熟些Fuel Processing Technology 2001(71):181-186