第9卷第2期資源與產(chǎn)業(yè)Vol 9 No. 207年4月RESOURCES Industries問題研究天然氣水合物的研究現(xiàn)狀與展望楊帆,李治平,李庚,周金應(yīng),張世浩中國地質(zhì)大學(xué)沉積盆地與能源地質(zhì)實驗室,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,其資源總量超過了全世界范圍內(nèi)所有可燃能源的總量,成為21世紀(jì)旳戰(zhàn)略性能源。文中追溯了天然氣水合物的發(fā)現(xiàn)情況,歸納了目前國內(nèi)外的研究情況和進(jìn)展,通過調(diào)研總結(jié)了國際上常用的天然氣水合物的勘探和開發(fā)的主要手段。最后認(rèn)為我國應(yīng)該制定出短期和長期的研究計劃,從天然氣水合物的特性和識別特征入手,研究其勘探和開發(fā)技術(shù)關(guān)鍵詞∵天然氣水合物;現(xiàn)狀;勘探;開發(fā)中圖分類號:P6l8.13文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號: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天然氣水合物的研究現(xiàn)狀甲烷水合物的失穩(wěn)作用引發(fā)的脫氣過程艸。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(xiàn)早在19世紀(jì)早期,化學(xué)家H.Dawy就在實驗室發(fā)出了異乎尋常的熱情,在1995年專門成立了甲烷水現(xiàn)了氣體水合物,并于1811年著書首次提出“天然合物開發(fā)促進(jìn)委員會,并制定了5年的研究開發(fā)計水合物”一詞而后在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(xiàn)天然氣水合物堵塞問題,所水合物的3口探井中,就有兩口是以日本石油公司為以天然氣水合物引起了石油專家的注意。專家們的注首的多國石油公司鉆探的。加拿大麥肯其三角洲凍土意力主要集中在天然氣水合物結(jié)構(gòu)和形成的物化條件地區(qū)已經(jīng)完成了天然氣水合物的實驗性開采,了解了上,國外開展天然氣水合物研究也是旨在預(yù)報天然氣天然氣水合物的形成,解決在凍土區(qū)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)境問題,開發(fā)和試驗最佳的天然氣水合物鉆井和的問題上3。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(xiàn)了面積和厚度都十分可觀的水合物收率和產(chǎn)量5。俄羅斯是最早發(fā)現(xiàn)和全方位開展天然氣藏,次年前蘇聯(lián)岀版了第一本關(guān)于天然氣水合物的氣水合物資源調(diào)評價的國家之一,它擁有全球唯一正勘探、評價、開采的著作。隨后,美國、荷蘭、德國在從天然氣水合物中開采天然氣的西西伯利亞等國家都開展了大量有關(guān)天然氣水合物的研究工作。 Messoyaha氣田,并對黑海的天然氣水合物進(jìn)行了前20世紀(jì)70年代后,美國在深海鉆探計劃中不斷發(fā)現(xiàn)景分析和資源評價6。印度也在政府的五年計劃中海底天然氣水合物的實物,證明海底同樣存在天然氣投入5600萬美元用于調(diào)查其東、西部近海天然氣水水合物3。自20世紀(jì)80年代實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繼的大洋鉆探計劃以來,有關(guān)天然氣水合物的實驗研有不同程度的調(diào)查和研究。究、普查勘探和開采試驗以及發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的報我國于1999年春在南海實施鉆探,發(fā)現(xiàn)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月通過了一個投資2億、為期研究單宀10年的天然氣水合物研究與資源開發(fā)計劃,目的是認(rèn)為我中國煤化工行了初步研究,初步海槽、臺灣東北和西為了研究布萊克海臺天然氣水合物中甲烷資源的巨大沙海槽CNMH氣氣水合物產(chǎn)出的條件潛力。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(diào)局通過國際合作和國內(nèi)項目研持上,主要針對大陸斜坡力學(xué)穩(wěn)定性的問題,研究因究,對有利地區(qū)進(jìn)行了深入細(xì)致的資源評價、地質(zhì)評收稿日期:2006-10-18;修訂日期:2007-03-06;責(zé)任編輯:劉英姿。第一作虧筲數(shù)振楊帆(1984—-),男,碩士生,主要從事油藏工程油氣田開發(fā)研究。E-mail:yangfanl03@sIna.com。第2期楊帆等:天然氣水合物的研究現(xiàn)狀與展望價、經(jīng)濟評價、風(fēng)險評價等鉆探目標(biāo)評價和預(yù)測工般呈現(xiàn)高振幅、負(fù)極性、平行于海底和與海底沉積構(gòu)作,在有利目標(biāo)區(qū)提出建議井位。造相交的特征。許多專家認(rèn)為,凡是有BSR存在的地方,就一定有天然氣水合物存在。2天然氣水合物的結(jié)構(gòu)3.2鉆孔取樣技術(shù)天然氣水合物( Natural Gas Hydrate或Gas鉆井過程中通過觀察鉆井泥漿中充氣和層段時間Hydrate),又稱籠形包合物( Clathrate),它是由甲烷的排氣現(xiàn)象來發(fā)現(xiàn)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似冰狀的固體物質(zhì),其中甲合物自然分解要持續(xù)數(shù)小時,因此根據(jù)這一特點,將烷含量達(dá)9%的天然氣水合物又叫甲烷水合物。天然取心簡中的氣體抽出,壓力下降,但是當(dāng)停止抽氣氣水合物的分子式為MH2O,其中M是以甲烷氣體時,壓力又會慢慢回升至天然氣水合物的平衡壓力,為主的氣體分子數(shù),n為水分子數(shù)。天然氣水合物分這就說明巖心中含有天然氣水合物子實質(zhì)上是一種水包氣的籠形物,其中水結(jié)晶成等軸目前世界上天然氣水合物鉆探取樣的設(shè)備有活塞晶系,而不像冰那樣的六方晶系。由水分子通過氫鍵式巖心取樣器、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,每個籠架晶格中包含水溫探測儀等。個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(xiàn)的天然氣水合物的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)I型、結(jié)構(gòu)Ⅱ型和結(jié)構(gòu)H型(圖1),其中的水為純水,因在y射線測井時,水合物層段API值I型最常見。結(jié)構(gòu)I型屬于體心立方體結(jié)構(gòu),可由夭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異常不大的特點。在鉆井過程中,鉆遇天然氣水合物層段后另一明顯現(xiàn)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(jié)構(gòu)H型屬于六面起井壁坍塌,反映在測井曲線上就是井徑比相鄰層位體結(jié)構(gòu),可由揮發(fā)油和汽油等大分子形成。結(jié)構(gòu)增大。該層段孔隙度相對偏低,其中子測井曲線值則和結(jié)構(gòu)H型由復(fù)雜的熱成因的天然氣水合物構(gòu)成,含相對較高”。有與地下深處烴類系統(tǒng)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(diào)査和摸索階和沉積物孔隙水中的甲烷濃度和鹽度異常。穩(wěn)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源西北部的麥肯其地區(qū)、日本南海海槽和阿拉斯加3口探井成功鉆探。因此還沒有成熟的勘探方法,目前所4天然氣水合物的開采方式使用的勘探方法可以說是傳統(tǒng)油氣勘探方法的借鑒和總結(jié)。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采具有一定的危險性,因為天然氣水合物是一種極不穩(wěn)定的物質(zhì),在接近冰點和處3.1地震地球物理法于500m水深以下的高壓才會穩(wěn)定。如果將天然氣水這是最為廣泛的天然氣水合物的調(diào)查方法。BSR合物在這種狀態(tài)下采出,就會迅速分解。如果開采時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(yīng)將十分存在的一種異常地震反射層。在地震剖面中,BSR嚴(yán)重,會對整個人類造成災(zāi)難性的后果。小籠大籠晶胞分子式S,L6. 45H,O型結(jié)構(gòu)6S16L·136H2O型結(jié)構(gòu)Fd3m51264中國煤化工CNMHGH型P6/mmm43563圖1籠型水合物多面體100資源與產(chǎn)業(yè)2007年開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(qū)的天然氣水合物試采和其為氣和水,然后收集天然氣。這一過程可簡單的表示他地區(qū)的天然氣水合物的試采來看,熱力開采和降壓為(C.H2n2·dH2O)體→(CHdH2O)氣體開采相結(jié)合是天然氣水合物長期生產(chǎn)的最佳方案。d(H2QO)液體,其中CH2是烴,d是水合數(shù)(圖24.4其他開采方法除了以上常用的3種方法外, Lee holder i還提鹽度上升出了置換開采和混合開采方法置換開采的原理是天然氣水合物所需的穩(wěn)定壓力較CO2高,在某一壓力條件下,天然氣水合物不穩(wěn)水合物定,而CO2是穩(wěn)定的,這時CO2進(jìn)入天然氣水合物熱力增產(chǎn)措施氣和水中,置換出天然氣與水形成水合物。這種用CO2來置換天然氣的研究已經(jīng)開展,但是復(fù)雜的相變過程可能會給這一方法的實施帶來一定的困難。熱力增產(chǎn)和降壓混合開采是先將洋底粉碎,開采混有固體水合物的混合物。這種方法還沒有研究,但是將洋底粉碎后造成天然氣水合物系統(tǒng)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(jié)論溫度增加一天然氣水合物作為21世紀(jì)的戰(zhàn)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(xiàn),全世界關(guān)于天然氣水合物的調(diào)查研究日新月異,新發(fā)現(xiàn)、新技術(shù)層出不窮,勘探開發(fā)向著圖2顯示的是天然氣水合物轉(zhuǎn)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。開采天然氣可采用3種方法:國家有相關(guān)的重大項目展開了一些前沿性的探索和研占井降壓開采、化學(xué)劑注入開采和熱力開采究,但總體上仍然處于起步階段。鑒于天然氣水合物4.1鉆井降壓開采的重要性和國外如火如荼的研究工作的進(jìn)行,并結(jié)合我國的實際情況,建議我國發(fā)揮”后發(fā)優(yōu)勢”,從以通過鉆探方法或其他途徑降低天然氣水合物層下下幾個方面研究天然氣水合物1)制定岀適合我國實情的天然氣水合物近期和穩(wěn)定性,使水合物水解而析出甲烷氣體。降壓法只需遠(yuǎn)期計劃,科學(xué)的規(guī)劃天然氣水合物研究進(jìn)程。要較少的能量注入,所需要的能量來至地球內(nèi)部地?zé)?)做好天然氣水合物的勘探技術(shù)研究,主要從這種開采方式已經(jīng)在西西伯利亞的 Messoyhaka氣其形成機理、標(biāo)志物的識別等方面入手。田得到了應(yīng)用3)從天然氣水合物的性質(zhì)和特點入手,研究其降壓開采的特點是經(jīng)濟、簡便易行,通常降壓開安全、合理和經(jīng)濟的開采技術(shù)和模式,可以采用熱力采適合于高滲透率和深度超過700m的水合物氣藏,法和降壓法相結(jié)合,即用熱力學(xué)法分解天然氣水合但不用于儲層原始溫度接近或低手o℃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)劑注入開采參考文獻(xiàn)此種方法的主要思路都是用注入的化學(xué)物質(zhì)改變天然氣水合物形成的相平衡條件,促使水合物分解1]姜輝于興河狳文世.天然氣水合物研究進(jìn)厭J]海洋地質(zhì)動常用的有甲醇、乙二醇和氯化鈣等。它們能造成水合態(tài)200521(12)20-25物穩(wěn)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簿.新世紀(jì)的新能源—天然氣水合物溫壓條件下不再穩(wěn)定而分解。[J]遼寧化工200130(10):22-425但它最大的缺點是費用太昂貴,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(xiàn)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。策建諷J]勘探地球物理進(jìn)展2006293)〗70-1824.3熱力開采[5]何擁軍陳建文,曾繁彩等.世界天然氣水合物調(diào)查研究進(jìn)展[J]海洋地質(zhì)動態(tài)2004206)熱力開采是研究最多、最深入的天然氣水合物開[6]許紅黃君權(quán)夏斌箐.最新國際天然氣水合物研究現(xiàn)狀與資源采技術(shù)?，F(xiàn)已提出的有蒸汽注入、熱水注入、火驅(qū)、熱鹽水注入和電磁加熱法等。對天然氣水合物穩(wěn)定層[7]許紅黃君權(quán)夏斌等,最新國際天然氣水合物研究現(xiàn)狀與資源進(jìn)行加熱,提高設(shè)計區(qū)段范圍的溫度達(dá)到足以使水合052(6)18-23物發(fā)生分解,再用導(dǎo)管收集析出的甲烷氣于貯藏器內(nèi)[8]許中國煤化工氣水合物調(diào)查研究現(xiàn)狀及其或采用采集常規(guī)天然氣的輸氣管道輸送到船載貯藏器CNMHGO3)1-4熱力開采的這些方法各有優(yōu)點和不足。例如,蒸[9]葉孓合物及其勘探開發(fā)方法綜述汽氣注入和火驅(qū)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):38-14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(qū)天然氣水合物試生產(chǎn)進(jìn)展與展望火驅(qū)小,但水合物氣層內(nèi)水的注入率限制了該方法的[J]地球科學(xué)進(jìn)展200621(5)513-519使用:相比雨足熱鹽水注入開采天然氣水合物技術(shù)[ J Holder I. Methane hydrates potential as a future energy source1l要成熟些Fuel Processing Technology 2001(71):181-186