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(xiàn)狀與展望楊帆,李治平,李庚,周金應(yīng),張世浩中國(guó)地質(zhì)大學(xué)沉積盆地與能源地質(zhì)實(shí)驗(yàn)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(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(guó)內(nèi)外的研究情況和進(jìn)展,通過(guò)調(diào)研總結(jié)了國(guó)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(rèn)為我國(guó)應(yīng)該制定出短期和長(zhǎng)期的研究計(jì)劃,從天然氣水合物的特性和識(shí)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(xiàn)狀;勘探;開(kāi)發(fā)中圖分類號(hào):P6I8.13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(xiàn)狀甲烷水合物的失穩(wěn)作用引發(fā)的脫氣過(guò)程4。日本對(duì)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(shí)驗(yàn)室發(fā)岀了異乎尋常的熱情,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(kāi)發(fā)促進(jìn)委員會(huì),并制定了5年的研究開(kāi)發(fā)計(jì)氣水合物”一詞l而后在1934年,美國(guó)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(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(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(shí)驗(yàn)性開(kāi)采,了解了上,國(guó)外開(kāi)展天然氣水合物研究也是旨在預(yù)報(bào)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(wèn)題,開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)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(chǔ)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。俄羅斯是最早發(fā)現(xiàn)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(diào)評(píng)價(jià)的國(guó)家之一,它擁有全球唯一正勘探、評(píng)價(jià)、開(kāi)采的著作。隨后,美國(guó)、荷蘭、德國(guó)在從天然氣水合物中開(kāi)采天然氣的西西伯利亞等國(guó)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(duì)黑海的天然氣水合物進(jìn)行了前20世紀(jì)70年代后,美國(guó)在深海鉆探計(jì)劃中不斷發(fā)現(xiàn)景分析和資源評(píng)價(jià)6]。印度也在政府的五年計(jì)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(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(shí)施深海鉆探計(jì)劃和后合物。剛果、巴基斯坦、韓國(guó)等國(guó)對(duì)天然氣水合物均迷的大洋鉆探計(jì)劃以來(lái),有關(guān)天然氣水合物的實(shí)驗(yàn)研有不同程度的調(diào)查和研究究、普查勘探和開(kāi)采試驗(yàn)以及發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的報(bào)我國(guó)于1999年春在南海實(shí)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(guó)家海洋局、國(guó)土資源部所屬的美國(guó)在1998年5月通過(guò)了一個(gè)投資2億、為期研究單位對(duì)我國(guó)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(jì)劃,囯的是認(rèn)為我國(guó)海域東海陸坡帶的沖繩海槽、臺(tái)灣東北和西為了研究布萊克海臺(tái)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(guó)一方面靠國(guó)際合作,一方面在國(guó)家項(xiàng)目支并由廣州海洋地質(zhì)調(diào)査局通過(guò)國(guó)際合作和國(guó)內(nèi)項(xiàng)目研持上,主要針對(duì)大陸斜坡力學(xué)穩(wěn)定性的問(wèn)題,研究因究,對(duì)有利地區(qū)進(jìn)行了深入細(xì)致的資源評(píng)價(jià)、地質(zhì)評(píng)第2期楊帆等:天然氣水合物的研究現(xiàn)狀與展望價(jià)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等鉆探目標(biāo)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)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2天然氣水合物的結(jié)構(gòu)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)觀察鉆井泥漿中充氣和層段時(shí)間Hydrate),又稱籠形包合物〔 Clathrate),它是由甲烷的排氣現(xiàn)象來(lái)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物層段。因?yàn)樘烊粴馑葰怏w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(shí),因此根據(jù)這一特點(diǎn),將烷含量達(dá)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(dāng)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(shù),n為水分子數(shù)。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(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(cè)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(cè)井技術(shù)之間通過(guò)范德華力相互吸引。測(cè)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(cè)井時(shí),水合物層段AP值型最常見(jiàn)。結(jié)構(gòu)Ⅰ型屬于體心立方體結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)Ⅱ型屬于金剛石立方結(jié)構(gòu),可由含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(cè)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)Ⅱ型增大。該層段孔隙度相對(duì)偏低,其中子測(cè)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(duì)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(jī)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(jī)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(lái)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(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(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(kāi)采具有一定的危險(xiǎn)性,因?yàn)樘?.1地震地球物理法然氣水合物是一種極不穩(wěn)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(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)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(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(huì)對(duì)整個(gè)人類造成災(zāi)難性的后果。晶胞分子式I型結(jié)構(gòu)Ⅱ型結(jié)構(gòu)164H型結(jié)構(gòu)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(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(guò)程可簡(jiǎn)單的表示他地區(qū)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(jié)合是天然氣水合物長(zhǎng)期生產(chǎn)的最佳方案d(H12O)減體,其中CH2+2是烴,d是水合數(shù)(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(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(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(fù)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(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(kāi)發(fā)向著圖2顯示的是天然氣水合物轉(zhuǎn)化機(jī)理相圖,它表低耗高能的方向發(fā)展。我國(guó)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(guó)家有相關(guān)的重大項(xiàng)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(guó)外如火如荼的研究工作的進(jìn)行,并結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況,建議我國(guó)發(fā)揮”后發(fā)優(yōu)勢(shì)”,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(guó)實(shí)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(jì)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(lái)至地球內(nèi)部地?zé)?)做好天然氣水合物的勘探技術(shù)研究,主要從能。這種開(kāi)采方式已經(jīng)在西西伯利亞的 Messoyhaka氣其形成機(jī)理、標(biāo)志物的識(shí)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(diǎn)入手,研究其降壓開(kāi)采的特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便易行,通常降壓開(kāi)安全、合理和經(jīng)濟(jì)的開(kāi)采技術(shù)和模式,可以采用熱力但不用于儲(chǔ)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(duì)而言經(jīng)濟(jì)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(xiàn)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(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(guó)興等新世紀(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20013010):22-425但它最大的缺點(diǎn)是費(fèi)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(guó)外天然氣水合物研究進(jìn)展及我國(guó)的對(duì)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(diào)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(quán)夏斌,最新國(guó)際天然氣水合物研究現(xiàn)狀與資源潛力評(píng)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(duì)天然氣水合物穩(wěn)定層[7]許紅黃君權(quán)夏斌等,最新國(guó)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(jì)區(qū)段范圍的溫度達(dá)到足以使水合潛力評(píng)伎(上IJ]天然氣工業(yè)200525(6)18-23物發(fā)生分解,再用導(dǎo)管收集析岀的甲烷氣于貯藏器內(nèi)[8]許紅劉守全王建橋等.國(guó)際天然氣水合物調(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主要技術(shù)構(gòu)成J]中國(guó)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(qū)技術(shù)在薄水合物氣層的熱損失很大,但[J]中國(guó)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(qū)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