天然气水合物开采技术对比与展望

Open Journal of Nature Science 自然科学, 2019, 7(5), 398-405

Published Online September 2019 in Hans. https://www.360docs.net/doc/0b180177.html,/journal/ojns

https://https://www.360docs.net/doc/0b180177.html,/10.12677/ojns.2019.75049

Comparison and Prospect of Natural Gas

Hydrate Exploitation Technology

Tong Jia, Xinyan Wang, Yijie Shang

Department of Roommate Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei

Received: Aug. 26th, 2019; accepted: Sep. 10th, 2019; published: Sep. 17th, 2019

Abstract

Natural gas hydrate is a new type of clean energy, and has huge reserves in the seabed permafrost.

It is of great significance to alleviate the energy crisis facing mankind and comply with the trend of world green development. Therefore, the formation and exploitation mechanism of natural gas hydrate have attracted worldwide attention. Up to now, only Mesoyaha gas field in Russia has been commercially exploited for gas hydrate, which indicates that the exploitation technology of gas hydrate still needs further development. In this paper, the advantages and disadvantages of several successful small-scale trial production methods are introduced and compared.

Keywords

Natural Gas Hydrate, Mining Technology, Comparison of Mining Methods

天然气水合物开采技术对比与展望

贾童，王鑫炎，商一杰

燕山大学石油工程系，河北秦皇岛

收稿日期：2019年8月26日；录用日期：2019年9月10日；发布日期：2019年9月17日

摘要

天然气水合物是一种新型清洁能源，且在海底冻土层储量巨大，对于缓解人类面临的能源危机以及顺应世界绿色发展潮流有重要意义，因此其形成和开采机理受世界广泛关注。截止到现在天然气水合物实现商采仅有俄罗斯麦索亚哈气田，这说明天然气水合物的开采技术仍需进一步发展。本文介绍了目前小规模试采成功的几种方法的优缺点及对比，以及对未来技术的发展做出展望。

贾童等

关键词

天然气水合物，开采技术，开采方法对比

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1. 引言

天然气水合物(Natural Gas Hydrate/Gas Hydrate)，有机化合物，化学式CH4·xH2O。即可燃冰，是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”(Combustible ice)或者“固体瓦斯”和“气冰”其实是一个固态块状物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。其资源密度高，全球分布广泛，具有极高的资源价值，因而成为油气工业界长期研究热点。

天然气水合物的显著特点是分布广、储量大、高密度、高热值。1 m3天然气水合物可以分解产生164 m3甲烷气体，因此天然气水合物被认为是一种很有前景的清洁能源[1][2]。据估计，大约27%的陆地(大部分分布在永冻层)和90%的海域都含有天然气水合物[3]。据潜在气体联合会(PGC，1981)估计，永久冻土区天然气水合物资源量为1.4 × 1013~3.4 × 1016 m3，包括海洋天然气水合物在内的资源总量为7.6 × 1018 m3。但是，大多数人认为储存在汽水合物中的碳至少有1 × 1013 t，约是当前已探明的所有化石燃料(包括煤、石油和天然气)中碳含量总和的2倍，天然气水合物中有机碳含量占全球有机碳的53.3% [4]。2018年10月18日，在天津举行的2018 (第二十届)中国国际矿业大会上，《中国矿产资源报告2018》正式发布。据报告显示，初步预测，中国海域天然气水合物资源量约800亿吨油当量。

本文详细介绍了目前正在发展的几种天然气水合物开采方法以及它们之间的对比。

2. 开采技术与方法

2.1. 水合物的热激法开采

热力开采法又称热激法，是研究最多、最深入的天然气水合物开采技术。其利用钻探技术在天然气水合物稳定层中安装管道。对含天然气水合物的地层进行加热。提高局部储层温度，从而促成天然气水合物分解，再用管道收集析出的天然气。热激发开采法按照发热形式可以分为两种：①热量从表层进入水合物储层，例如注蒸汽/热水/热盐水等；②热量在井下水合物储层内直接产生提供，例如井下燃烧、电磁制热、微波导热[5]。

2.2. 第一类热激方式

第一类热激方式传达能量的形式为通过媒介输送，热能以液体或气体为载体传到天然气水合物层。天然气水合物形成的条件是低温高压，热量的输送增加了井周围部分天然气水合物的温度，天然气水合物失去维持稳定的条件，因而分解。但是液体或气体输送的过程总会有热量的散失，所以此方法存在较大能量损失，导致能量利用率变低。但是在已有的输送热量的媒介中，通过实验大家发现循环注入热盐水的开采效果能量效率相对较高；而且多井注入生产比单井生产有利[6]。影响第一类热激方式开采的主

贾童等

要因素是热能的传递效率和可加热范围。第一类热激发法作业基本过程就是在打井固井完成后向井内注入热水或蒸汽，使井口天然气水合物分解，再用导管将析出的天然气收集于贮藏器内或采取常规天然气输气管道的方式将其输送到船载贮藏器。示意图如图1。

Figure 1. Schematic diagram of thermal excitation mining

图1. 热激发开采法示意图

2.3. 第二类热激方式

第二类热激方式中井下燃烧方法多用于冻土层水合物燃烧，本质上是其分解气的燃烧，燃烧热量一部分传递至水合物内部加热分解水合物，另一部分加热汽化水份和向周围空间散热，分解水层及石英砂层限制了分解气释放和热量向水合物内部传递，下层水合物分解缓慢，导致水合物不能燃尽而自行熄灭。井下原位直接燃烧加热开采冻土区，不会造成整个水合物藏燃烧失控[7]。

井下电磁加热技术就是在垂直(或水平)井中沿井的延伸方向在紧邻水合物带的上下(或水合物层内)放入不同的电极，再通以交变电流使其生热直接对储层加热[8]。

微波是一种特殊形式的能量。微波对物质的介电热效应是通过离子迁移和极性分子的旋转使分子运动来实现的。天然气水合物是一种极性分子，对微波有一定的吸收作用。微波加热效率一般在微波段102~104 MHz 之间最大。微波加热法对水合物有加热、造缝、非热效应三大作用因此微波加热是体型加热，而且加热均匀，造缝作用使得水合物内部出现小裂纹有助于水合物的分解[9]。影响微波开采的主要因素是微波源功率和微波频率以及微波穿透深度。第二种热激方式开采模型中为了有效利用热能，一般都将加热装置安装在井底，而微波可以通过波导将微波导入井底。

2.4. 降压法开采

降压法是通过泵吸作用降低气体水合物储层的压力，使其低于水合物在该区域温度条件下相平衡压力，从而使水合物从固体分解相变产生甲烷气体的过程。降压法一般是通过降低水合物层之下的游离气聚集层的压力。从而使与游离气接触的水合物变得不稳定而分解。也可以通过采取矿层中流体的方法来降低水合物矿层的层压。如果天然气水合物气藏与常规天然气藏相邻，开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法。随着游离气体的不断减少，天然气水合物与气之间的平衡不断受到破坏，使得气水合物层开始融化并产出气体不断补充到游离气气库中，直到天然气水合物开采完为止。降压法可以开采两种类型的天然气水合物矿藏：一种是水合物底层和盖层都是非渗透层[10]；另一种是水合物盖层是非渗透层，二水合物层下面蕴藏着大量的游离天然气，由于其对水合物开采层地质结构有特殊的要求，使得降压法成功开采变得困难[11]

。影响降压法开采天然气水合物的因素主要是外部的温压条件是否适宜。降压法有两

贾童等

种作业方式，第一种是采用低密度泥浆钻井达到减压目的，而当天然气水合物层下方存在游离气或其他流体时通过泵出天然气水合物下方的游离气或其他流体来降低天然气水合物层的压力。示意图如图2。

Figure 2. Schematic diagram of pressure relief mining method

图2. 减压开采法示意图

2.5. 化学抑制剂法

添加化学抑制剂(包括盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等)，导致部分天然气水合物的分解。因为化学反应是双向进行的，天然气和水反应生成天然气水合物的同时，天然气水合物也在分解成天然气和水，而反应最终会到达平衡，即两个方向反应速率相同，看起来就像是稳定不再发生反映的状态，实质上是天然气水合物的生成速率和分解速率相等。不同的条件下(压力温度浓度和有无催化剂)化学反应会达到不同的平衡状态。而天然气水合物在未开采时的状态就是在深海条件下的平衡状态，这个时候添加化学抑制剂，会使天然气水合物稳定存在的条件被改变，当前环境条件无法保持天然气水合物合成和分解的速率相同，需要反应向分解的方向进行来达到新的平衡状态，也就促使了天然气水合物的分解。影响化学抑制剂开采的主要因素是反应速率以及化学抑制剂昂贵的价格对应用的约束。示意图如图3。

Figure 3. Schematic diagram of chemical reagent injection mining method

图3. 化学试剂注入开采法示意图

贾童等

2.6. 二氧化碳置换法

这种方法首先由日本研究者提出，方法依据的仍然是天然气水合物稳定带的压力条件。在一定的温度条件下，天然气水合物保持稳定需要的压力比CO2水合物更高。因此在某一特定的压力范围内，天然气水合物会分解，而CO2水合物则易于形成并保持稳定。如果此时向天然气水合物藏内注入CO2气体，CO2气体就可能与天然气水合物分解出的水生成CO2水合物，CO2水分子通过空间结构上的改变达到一种能量最低状态的平衡，比天然气水合物存在的状态能量要低，因此会有多余的能量以热的形式释放出来，促成周围的CH4水合物笼状体又进一步的分解，就完成了置换反应过程[12]。影响二氧化碳开采天然气水合物的主要因素是反应速率和水合物所储存的稳压环境和多孔介质特性。示意图如图4。

Figure 4. Schematic diagram of carbon dioxide displacement mining method

图4. 二氧化碳置换开采法示意图

2.7. 固体开采法

固体开采法是在海底把天然气水合物利用采矿机以固体形式采出，然后应用海底集矿总系统对浅层水合物进行初步分离，再利用水利提升系统将水合物提升到海平面。水合物在提升过程中，温度和压力均发生变化，水合物会不断分解，所以开采过程中用到了固液气三相混输技术。采出的天然气水合物固体经粉碎机磨碎后送往分离器，然后使用水泵将海水引入分离器，利用海水温度(一般为二十度左右)对天然气水合物加热使其充分分解[13]。影响固体开采法的主要因素就是对三相流动过程的精准把握与控制。

示意图如图5。

Figure 5. Sketch of solid mining method

图5. 固体开采法示意图

贾童等

3. 各种开采方式优缺点对比

3.1. 热激发法优缺点

这种开采方式比降压法和化学试剂法具有热量直接、作用效果迅速、水合物分解效果明显等优点；另外可以控制加热位置，使储层在技术所能达到的情况下就满足给热需求，而且具有环境影响小、适用于多种不同储藏特性等优点。可实现循环注热，且作用方式较快。

热开采技术的主要缺陷是会造成大量热损失，热效率低，而且只能进行局部加热。只有在厚度大于15 m的水合物气层热效率较高。采用水力压裂工艺可改善水的注入率，但由于连通效应，又要产生较低的传质效率。

电磁加热法加热迅速、易于控制但需要大量的能量来源且设备复杂，且有研究表明，井下电磁加热开采水合物的采收率可达70% [14]。

微波加热技术作用具有速度快、设备简单灵活性高、不对储层造成任何污染等优点，是电磁加热技术中最有效的方法。但是微波加热技术开采水合物仍处于起步阶段，大功率微波装置的研制，提高微波穿透深度等技术还需要进一步研究。

热激发法适用范围广泛，成本对其的约束主要体现在热能传递效率上，而这依赖于技术的进步而非水合物储藏的环境。

3.2. 降压法优缺点

降压法与热激发法相比最大的特点是不需要像热激发那样昂贵的连续激发，它只要通过调节天然气的提取速度就可以控制储层压力，进而控制水合物分解的效果，且降压开采水合物无热量消耗和损失，可行性较高。但是这种方法的开采过程中需要间歇性地为地层提供能量，而且需要配备人工举升设备及产出水收集与处理设备。降压法经济而且简便易行，但是单一使用减压法开采天然气水合物的速度很慢且由于实际天然气水合物藏中水合物分解将导致其周围砂岩温度大幅降低。如果上下盖层向储集层的热流量无法及时补充储集层的热损失，即会出现解出的水结冰堵塞气层，降压开采也会中断。该法一般不适用于储层原始温度接近或低于0℃的水合物气藏。只有当天然气水合物处于稳压平衡边界时，此法才具有经济可行性，也就是降压法更适宜开采处在温压环境平衡边界的水合物，因为持续反应后反应速率会越来越低，因此更适合初期阶段开采。

3.3. 气体置换法优缺点

首先二氧化碳置换反应进行缓慢，而且置换率不高。其次，一定的压力条件下CH4水合物的分解温度比液态CO2形成的水合物温度高，如果CO2不能转化为水合物，而是以液态形式储存起来，那么海底水合物就会失去稳定性。因此，对于CO2置换法开采水合物的储层温度和压力条件，多孔介质的特性必须经过严格的选择。

3.4. 固体开采法优缺点

克服了海底分解水合物效率低、无法持续进行的缺点，并充分利用了海平面海水温度的能量。固体水合物的采出和提升需要消耗大量能量，且提升水合物的过程涉及复杂的三相流动。

4. 技术展望

从各项技术对比来看，本文认为二氧化碳置换法，微波法加热法，降压法更有发展前景。这类方法技术设备覆盖开采地区范围广，支持大面积开采。在经过技术发展，例如提高二氧化碳置换法的置

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换效率和置换速率，大功率微博装置的研制。而降压法和热激法或化学抑制剂法的综合应用是目前比较可行的方法。未来天然气水合物开采方式的发展趋势应该是综合应用多种原理和可行的开采方法联合开采。

5. 结论

1) 天然气水合物资源储量规模巨大。据估计，全球深度小于2000 m的岩石圈浅部所含的天然气水

合物量中的甲烷，是全球已知所有常规矿物燃料(煤、石油、天然气)总和的两倍。

2) 作为一种极具潜力的未来清洁能源，天然气水合物研究尤其是开采研究对于未来能源具有重要的

战略意义，因此，天然气水合物开采研究获得了空前重视。麦索亚哈气田天然气水合物藏是截至目前进行天然气水合物商业性开采的唯一特例，是因为该天然气水合物藏只需要较小压降就可打破压力平衡，具有经济可行性，这是它的特殊性质。而其他试采成功的地区远没有它的经济可行性。经济成本是制约商采的一大因素[15]。

3) 当前开采技术中热采法注热水热效率低，且只能实现局部加热，但反应快。电磁法微波法加热范

围广，有望大规模开采，但产生能量的设备复杂，目前的设备不够先进。降压法作业量巨大，且花费高，反应较注热开采慢，但可实现大规模开采。二氧化碳置换法对环境影响小，但是置换效率和速率目前都不高。固体提升法采出耗能大。

4) 虽然目前还没有实现大规模商采，但是在全球能源短缺的压力以及天然气水合物能源诱人的前景

吸引下，世界各国都在加紧试验和研究，天然气水合物资源有望成为21世纪的主要能源。

致谢

向编辑部及审稿专家致谢。

基金项目

燕山大学大学生创新项目，编号CXXL2018446。

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天然气水合物开采技术对比与展望

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天然气水合物典型特征综述

作者：樊浩单位：中国石油辽河油田海南油气勘探分公司124010 作者简介：樊浩（1979-），男，湖北潜江市人，硕士，中级工程师，现从事海洋油气勘探。标题：天然气水合物典型特征综述摘要：概述国内外天然气水合调查研究的勘探进展情况，详细地介绍判识天然气水合物的地球物理和地球化学特征。关键词：天然气水合物；现状；特征 0 引言天然气水合物, 也称“气体水合物”, 是由天然气与水分子在高压、低温条件下形成的一种固态结晶物质。由于天然气中80%～99.9%的成分是甲烷, 故也有人将天然气水合物称为甲烷水合物。天然气水合物多呈白色或浅灰色晶体, 外貌似冰状, 易点燃, 故也称其为“可燃冰”。在天然气水合物晶体化学结构中, 水分子构成笼型多面体格架, 以甲烷为主的气体分子包裹于其中。这是一种新型的潜在能源, 全球资源量达2.1×1015m3, 是煤炭、石油和天然气资源总量的两倍,具有巨大的能源潜力。因此, 世界各国尤其是各发达国家和能源短缺国家均高度重视天然气水合物的调查研究、开发和利用研究。 1 国内外天然气水合物勘探现状 1.1国外天然气水合物勘探历史及现状天然产出的水合物矿藏首次在1965年发现于俄罗斯西西伯利亚永久冻土带麦索亚哈油气田。1972—1974年,美国、加拿大也在阿拉斯加、马更些三角洲冻土带的油气田区发现了大规模的水合物矿藏。同期,美国科学家在布莱克海岭所进行的地震探测中发现了“拟海底反射层(BSR)”。1979年,国际深海钻探计划(DSDP)第66、67航次在中美洲海槽危地马拉的钻孔岩芯中首次发现了海底水合物。此后,水合物的研究便成为DSDP和后续的大洋钻探计划(ODP)的一项重要任务,并相继在布莱克海岭、墨西哥湾、秘鲁—智利海沟、日本海东北部奥尻脊、南海海槽、北美洲西部近海—喀斯喀迪亚陆缘等地发现了BSR或水合物。德国在20世纪80年代中后期以联邦地学与资源研究中心、海洋地学研究中心为首的一些单位,结合大陆边缘等研究项目，开展了水合物的地震地球物理、气体地球化学调查。在各国科学家的努力下,海底水合物物化探异常或矿点的发现与日俱增,迄今已达80处。从1995年开始,日本、印度、美国、德国先后投巨资,实施了大规模的研究发展计划,韩国、俄国、加拿大、法国、英国、挪威、比利时、澳大利亚等国也正在制订计划或积极调查中。 1.2国内天然气水合物勘探历史及现状与国外的发展历程相似, 中国天然气水合物也起始于实验室研究, 然后再扩展到资源调查领域。中国在1999年正式实施试验性调查前还经历了一段短暂的预研究阶段, 中国大洋矿产资源研究开发协会于1995年设立了“西太平洋气体水合物找矿前景与方法的调研”课题, 这是中国天然气水合物资源领域的第一个调研课题, 中国地质科学院矿产资源研究所等单位就天然气水合物在世界各大洋的分布特征及找矿方法进行了分析和总结, 并对西太平洋的找矿远景进行了初步评价。随后原地质矿产部于1997年设立了“中国海域天然气水合物勘测研究调研”课题, 国家863计划820主题也于1998年设立了“海底气体水合物资源勘查的关键技术”课题, 中国地质科学院矿产资源研究所、广州海洋地质调查局、中国科学院地质与地球物理研究所等单位对中国近海天然气水合物的成矿条件、调查方法、远景预测等方面进行了前期预研究, 为中国开展天然气水合物调查做好了资料和技术准备。 2 识别天然气水合物的标志特征 2.1地球物理标志 2.1.1 海底模拟反射层( BSR )来自水合物稳定带底面的反射也大致与海底平行，通常称为

天然气水合物的开采方法

天然气水合物的开采方法天然气水合物的开采是很大的难题。通用的方法是先用各种方法将水合物分解再回收游离的气体。前苏联的麦索亚哈水合物气藏最早进入了试验性工业开采。2001年10月～2002年3月，在加拿大的Mallik气藏钻了一口生产试验井和两口观察井，成功地进行了为期79d的降压开采和加热开采试验。目前提出的天然气水合物的开采方法基本上还是概念性的，这方面的研究尚处于试验阶段。 1 热力开采法热力开采法又称热激法。是研究最多、最深入的天然气水合物开采技术。其利用钻探技术在天然气水合物稳定层中安装管道，对含天然气水合物的地层进行加热，提高局部储层温度，破坏水合物中的氢链，从而促成天然气水合物分解，再用管道收集析出的天然气f见图1。对含天然气水合物的地层加热有两种途径：一是将蒸汽、热水、热盐水或其他热流体通过地面泵注入水合物地层：二是采用开采重油时使用的火驱法或利用钻柱加热器。

热开采技术的主要缺陷是会造成大量热损失，效率很低，特别是在永久冻土区，即使利用绝热管道．永冻层也会降低传递给储集层的有效热量。蒸汽注入和火驱技术在薄水合物气层的热损失很大，只有在厚段(大于15m)水合物气层热效率较高。注入热水的热损失较蒸汽注人和火驱小，但水合物气层内水的注入率限制了该方法的使用。采用水力压裂工艺可改善水的注入率，但由于连通效应，又要产生较低的传质效率。研究表明，电磁加热法是一种比常规加热方法更为有效的方法 1，其有效性已在开采重油方面得到了显示。此法是在垂直(或水平)井中沿井的延伸方向，在紧邻水合物带的上下(或水合物层内)放入不同的电极，再通以交变电流使其生热并直接对储层进行加热。储层受热后压力低．通过膨胀产生气体。此外，电磁热还很好地降低了流体的黏度．促进了气体的流动。其中，最有效的电磁加热法当属微波加热。因为天然气水合物对微波有一定的吸收作用。在微波的辐射下会产生热效应而加快天然气水合物的分解。使用微波加热法时可直接将微波发生器置于井下，利用仪器自身重力使发生器紧贴水合物层。同时发生器可附加驱动装置，使其在井下自由移动。此方法适于各类天然气水合物的开采。 2 降压法降压法是通过降低压力破坏天然气水合物稳定状态，促使其分解。其最大的特点是不需要昂贵的连续激发，仅通过调节天然气的提取速度就可控制储层压力，进而控制水合物分解的效果。降压法一般是通过降低水合物层之下的游离得不稳定而分解见图2。也可以通过采取矿层中流体的方法来降低水合物矿层的层压。实际上，如果天然气水合物气藏与常规天然气藏相邻，开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一

天然气水合物的利用

天然气水合物的利用摘要：本文对天然气水合物进行了简要介绍，并对当前天然气水合物的开采利用现状以及研究进展作了简要分析，虽然到目前为止，天然气水合物的开采利用还有诸多瓶颈，我们相信在不久的将来这些难题会被一一克服的。关键词：天然气天然气水合物利用开采 Abstract: This paper gives a brief introduction of natural gas hydrates and analyzes the current exploitation status and research progress of natural gas hydrates. So far, although there are many bottlenecks about the exploitation of the natural gas hydrates, we believe that in the near future these problems will be overcome one by one. Keywords: natural gas, natural gas hydrates, utilize, exploitation 1 天然气水合物概述 1.1 天然气水合物概念天然气水合物(Natural Gas Hydrates，简称NGH)是在低温、高压条件下由天然气与水相互作用形成的类冰状可燃固态物质，又称可燃冰（图1-1），在自然界中存在的水合物，其天然气主要成分是甲烷(>90％)，因此又称为甲烷水合

物(Methane Hydrates)[1]。图1-1 实验室天然气水合物在燃烧水合物是一种笼型结晶化合物，水分子（主体分子）在氢键作用下形成“笼”，气体分子(客体分子)充填在水分子结晶构架的空穴中，两者在低温和一定压力下通过范德华力稳定结合，分子式可表示为M·nH2O，M为“客”气体分子，一般为CH4（甲烷）、C2H6（乙烷）、C3H8（丙烷）及C4H10（丁烷）等同系物与N2（氮气）、CO2（二氧化碳）、H2S（硫化氢）等一种或几种组成[2,3]，n为水合指数（水分子数）。按照水分子构成的不同多面体，目前已发现水合物主要有三种不同的结构类型：Ⅰ型、Ⅱ型和H型（图1-2）。对3种结构水合物进行相比较得出，Ⅱ型和H型水合物更稳定一些，但是在自然界发现的天然气水合物以Ⅰ型水合物（甲烷水合物）为主[4]。

天然气水合物勘探开发技术研究

天然气水合物勘探开发技术研究摘要：天然气水合物广泛分布于陆域的永久冻土与深海沉积物内，是人类十分理想的替代能源。本文重点探讨了我国天然水合物资源在勘探开发技术方面的进展，并以此为基础，对我国天然气水合物的开发技术提出几点建议。关键词：天然水合物;开发技术;勘探技术;进展天然气水合物又被称作可燃冰，具体指低温高压环境下，水与天然气所形成的笼形、冰态化合物，其实质是天然气在自然界中特殊的存在形式，广泛分布于水深300米以下的海洋与陆地中的永久冻土中，其显著特点为储量大、分布广。本文将对我国天然水合物资源的勘探开发技术展开探讨。 1 天然水合物资源的勘探开发技术进展 1.1 成藏机理的研究我国于2008年9月，正式开始研究南海天然气水合物资源的开采基础和富集规律，将此项研究命名为“973”项目，分别从地质条件、热力学条件以及气源条件等不同的角度，对我国天然气水合物的成藏机理进行了分析与探讨，以便对其成藏规律展开更详尽的

研究。最后通过汇集研究成果，形成了一本详明的专集，并获得国内外一致好评与认可。 1.2 勘探技术的研究我国于1999年在南海的北部陆坡区域对天然气水合物进行了深度调查与研究，其工作量相当庞大，主要包括对4470千米的近海区域进行高分辨率多道地震的采集与处理，在海底浅表层设置138个站位进行地质取样，设置59个站位进行海底摄影，其中，浅层剖面的厚度达到2100千米。此项调查与研究取得了一定的成果，终于发现天然气水合物资源所存在的一些地球化学、物理以及地质方面的异常标志，并初步证实：在我国海域中有天然气水合物资源的存在。我国于2002年正式启动了被命名为“118专项”的天然气水合物的调查与研究项目，专门对其关键技术展开深入研究。2006年，我国启动“”计划，再次对如何勘探与开发天然气水合物资源的一些关键技术展开研究，此计划被定义为重大专项，并设置了7个相关课题，主要包括如何勘探、取心、成藏以及开采天然气水合物等方面的内容。此项研究最大的收获就是分别从陆上与海上获得了天然气水合物的真实样品，为我国勘探技术的进展奠定了扎实的基础。国土资源部于2007年5月在南海神狐进行钻探取

2019年国家科学技术奖提名项目公示内容(自然科学奖)

附件： 2019年国家科学技术奖提名项目公示内容（自然科学奖）项目名称: 海洋天然气水合物分解演化理论与调控方法提名者:谈和平，哈尔滨工业大学，教授，工程热物理一、提名意见

二、项目简介（限1页）天然气水合物是最具开采价值的新型清洁能源，我国南海储量达800亿吨油当量，是我国石油与天然气已探明储量的总和，实现天然气水合物资源开发是我国重大战略需求。天然气水合物开发过程存在水合物分解相变复杂、热质传递困难、储层胶结强度弱化显著等问题，导致水合物分解产气效率低、持续性差，甚至引起储层失稳等重大安全风险，因此实现其安全高效开采是世界性难题。该项目在国家自然基金重点项目、973计划、国家科技重大专项等项目支持下，针对水合物分解多孔介质内复杂相态转化理论、含相变过程多相多组分运移机制、储层胶结强度弱化及其与海底结构物（井筒、桩基础等）相互作用机理等关键科学问题，开展了十余年的研究，取得了以下主要突破和科学发现： 1. 发现了海洋天然气水合物分解相态转化-多相渗流-胶结弱化规律，建立了水合物分解运移与储层变形演化理论。建立了海洋多组分体系水合物相平衡方程，突破了传统热力学模型的理论局限；首次发现了水合物分解亚稳态纳米气泡富集现象，认识了分解过程水合物再生成逆反应的内在本质；发现了微孔隙内水合物赋存形态转化特性，提出了水合物相变多相渗流模型，构建了水合物分解气、水运移理论框架；发现了水合物储层粘聚力随水合物分解的衰减规律，揭示了水合物储层变形过程中胶结结构的演化机制。 2. 揭示了海洋天然气水合物分解驱动与失稳机理，提出了水合物分解强化与储层安全调控方法。发现了天然气水合物分解存在压差驱动-显热主导-传热控制表观动力学演化三历程，提出了压-热联调强化水合物分解方法；首次发现了二氧化碳水合物具有更高的抗变形能力，创造性地提出注二氧化碳强化储层结构强度方法；建立了水合物储层与结构物相互作用模型，确定了水合物分解对海底结构物的影响边界。 3. 构建并验证了海洋天然气水合物模拟开采系统，成功应用于我国南海天然气水合物试采。发现了水合物分解过程压力传递、流体输运及储层失稳的主控因素，建立了具有自主知识产权的海洋天然气水合物“开采模拟系统”与“安全评价系统”，为试采工程提供了理论方法；首次自主完成了南海水合物储层保温保压岩芯现场在线分析、评价，提出了适用于南海储层特征的试采方案，成功应用于南海天然气水合物试采。 8篇代表性论文SCI他引429次，3篇入选ESI高被引，出版专著3部，受邀在国际学术会议作特邀报告与大会报告21次，成果获多国院士及学会Fellow在Nature子刊等期刊引用。项目水合物相态研究引起加拿大Englezos和Ripmeester 两位院士高度关注，在论文中10处对比引证，开展后续拓展研究；美国Castaldi 教授评价项目压-热联调方法“效率最高”；英国Soga院士认为该项目成果对储层稳定性评价“具有重要价值”。我国11位院士组成的专家组认定项目成功应用于“全球首次”“天然气水合物固态流化试采工程”。获海洋工程科学技术奖特等奖、一等奖各1项，教育部自然科学奖一等奖1项。

天然气水合物的研究与开发的论文

天然气水合物的研究与开发的论文【摘要】人类的生存发展离不开能源。当人类学会使用第一个火种时便开始了能源应用的漫长历史。几千年来，人类所使用的能源已经历了三代，正在向第四代能源时代迈进。主体能源的更替充分反映出人类社会和经济的进步与发展。第一代能源为生物质材，以薪柴为代表；第二代能源以煤为代表；第三代能源则是石油、天然气和部分核裂变能源。实际上，第二代和第三代能源是以化石燃料为主体，第四代能源的构成将可能是核聚变能、氢能和天然气水合物。一、天然气水合物是人类未来能源的希望人类的生存发展离不开能源。当人类学会使用第一个火种时便开始了能源应用的漫长历史。几千年来，人类所使用的能源已经历了三代，正在向第四代能源时代迈进。主体能源的更替充分反映出人类社会和经济的进步与发展。第一代能源为生物质材，以薪柴为代表；第二代能源以煤为代表；第三代能源则是石油、天然气和部分核裂变能源。实际上，第二代和第三代能源是以化石燃料为主体，第四代能源的构成将可能是核聚变能、氢能和天然气水合物。核聚变能主要寄希望于3he，它的资源量虽然在地球上有限（10~15t），但在月球的月壤中却极为丰富（100-500万t）。氢能是清洁、高效的理想能源，燃烧耐仅产生水（h2o），并可再生，氢能主要的载体是水，水体占据着地球表面的2/3以上，蕴藏量大。天然气水合物的主要成分是甲烷（c4h）和水，甲烷气燃烧十分干净，为清洁的绿色能源，其资源量特别巨大，开发技术较为现实，有可能成为21世纪的主体能源，是人类第四代能撅的最佳候选。天然气水合物（gas hydrate）是一种白色固体结晶物质，外形像冰，有极强的燃烧力，可作为上等能源，俗称为”可燃冰”。天然气水合物由水分子和燃气分子构戚，外层是水分子格架，核心是燃气分子（图1）。燃气分子可以是低烃分子、二氧化碳或硫化氢，但绝大多数是低烃类的甲烷分子（c4h），所以天然气水合物往往称之为甲烷水合物（methane hydrate）。据理论计算，1ｍ3的天然气水合物可释放出164ｍ3的甲烷气和ｍ3的水。这种固体水合物只能存在于一定的温度和压力条件下，一般它要求温度低于0~10℃，压力高于10mpa，一旦温度升高或压力降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。天然气水合物往往分布于深水的海底沉积物中或寒冷的永冻±中。埋藏在海底沉积物中的天然气水合物要求该处海底的水深大于300-500ｍ，依赖巨厚水层的压力来维持其固体状态。但它只可存在于海底之下500ｍ或1000ｍ的范围以内，再往深处则由于地热升温其固体状态易遭破坏。储藏在寒冷永冻土中的天然气水合物大多分布在四季冰封的极圈范围以内。煤、石油以及与石油有关的天然气（高烃天然气）等含碳能源是地质时代生物遗体演变而成的，因此被称为化石燃料。从含碳量估算，全球天然气水合物中的含碳总量大约是地球上全部化石燃料的两倍。因此，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×108亿ｍ3，约合11万亿t（11×1012t）。数冀如此巨大的矿物能源是人类未来动力的希望。二、天然气冰合物的研究现状 1.分布与环境效应世界上绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，储存在深水的海底沉积物中，只有极其少数的天然气水合物是分布在常年冰冻的陆地上。世界海洋里天然气水合物的资源量是陆地上的100倍以上。到目前为止，世界上已发现的海底天然气水合物主要分布区有大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东岸外的布莱克海台等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、日本海、四国海槽、日本南海海槽、冲绳海槽、南

南海天然气水合物技术理论创新与找矿重大突破-自然资源部

附件4 一、项目名称南海天然气水合物技术理论创新与找矿重大突破二、提名意见该项目自1999年以来开展了南海北部陆坡天然气水合物勘查评价及相应的成藏富集规律、勘查技术方法研究，建立了天然气水合物从微观成核-宏观成藏-区域成矿分布的我国海域天然气水合物成藏系统理论，初步形成了从水体—海底表层—浅层—目标层段的综合立体探测和评价技术体系；首次在我国海域调查圈定了水合物存在的地质地球物理证据，首次在海域钻探获取到含水合物实物样品，使我国成为世界上第4个通过国家计划获取到水合物样品的国家；在南海北部陆坡圈定了6个水合物成矿远景区、19个成矿区带、25个有利区块及24个钻探目标；预测远景区总面积14.84×104km2，资源量为744亿吨油当量。部分理论成果属世界首次提出，实现海域天然气水合物资源勘查评价与技术理论研究的跨越式发展。项目研究成果已经成功应用于2017年南海天然气水合物试验性开采，支撑了国务院2017年11月批准将天然气水合物作为我国第173种矿种，成果不仅填补了我国在该领域的空白，也将助推相关领域及相关产业经济发展，对推动我国海域天然气水合物的产业化进程具有里程碑式意义。同时，项目在南海获得的海量实测数据为维护国家海洋权益、服务国家外交大局和海军战场环境建设等方面提供支撑。本项目已获专利19项、软件著作权登记证书10项、形成行业规范（规程）3部、发表论文400余篇、出版专著10部、获得省部级科学技术奖一等奖3项、二等奖4项。培养了一大批优秀人才，形成了以国土资源部科技创新团队?天然气水合物研究团队?为核心的产学研用科技创新团队。提名该项目为国家科技进步奖一等奖。三、项目简介天然气水合物是天然气在低温、高压条件下与水结合形成的似冰状固体，世界各大洋中已发现的水合物总资源碳总量约相当于全世界已知煤、石油和天然气总储量的两倍，其总量之大足以取代日益枯竭的传统油气能源，是世界各国瞩目的21世纪具有商业开发前景的战略资源。我国于1999年开始南海天然气水合物资源勘查与评价，2000年863计划启动勘查技术研发、2009年973计划支持开展南海天然气水合物富集规律与开采基础研究，同时国家基金委、各科研及产业部门支持开展了相应的探索性研究。16年

天然气水合物资源开发现状及最新进展

天然气水合物资源开发现状及最新进展中国新能源网| 2009-3-3 9:57:00 | 新能源论坛| 我要供稿特别推荐：《中国新能源与可再生能源年鉴》(2009)征订摘要：天然气水合物是20世纪发现的一种新型后备能源，被喻为21世纪石油天然气的理想替代资源，是目前地球上尚未开发的最大未知能源库。本文介绍了天然气水合物的开发历程、资源状况、现有的开发技术方法与发展趋势，同时也总结了天然气水合物开发领域取得最新成果和认识。最后得出天然气水合物的研究方向，并建议广泛的参与国际合作。关键词：开发天然气水合物资源现状开发技术最新进展一、天然气水合物开发历程天然气水合物是以甲烷CH4为主的气态烃类物质（含少量CO2、H2S等非烃分子）充填或被束缚在笼状水分子结构中形成的冰晶状化合物，是在高压、低温条件下形成的。它是继煤、石油和天然气等能源之后的一种潜在的新型能源,广泛存在于沟盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘和北极地区的永久冻土区。 20世纪60年代初，前苏联借助地球物理方法首次在西伯利亚永冻层中发现了天然气水合物，随后美、加在加拉斯加北坡、马更些三角洲冻土带相继发现了大规模的水合物矿藏。70年代初英国地调所科学家在美国东海岸大陆边缘所进行的地震探测中发现了“似海底反射层”(Bottom Similating Reflector,英文称BSR)。紧接着于1974年又在深海钻探岩芯中获取天然气水合物样品并释放出大量甲烷,证实了“似海底反射”与天然气水含物有关。70年代和80年代，深海钻探计划(DSI)和大洋钻探计划(ODP)陆续实施，在全球多处海底发现了天然气水合物，大规模的国际合作相继开展，天然气水合物研究以及综合普查勘探工作进人全面发展阶段。1991年美国能源部组织召开“美国国家天然气水合物学术讨论会”。1995年冬ODP64航次在大西洋西部布莱克海台组织了专门的天然气水合物调查,打了一系列深海钻孔,首次证明天然气水会物广泛分布,肯定其具有商业开发的价值。同时指出天然气水会物矿层之下的游离气也具有经济意义。如今，新技术、新方法的大量应用使天然气水合物的研究朝着更全面、更精深的方向发展。二、天然气水合物资源现状 1.天然气水合物储量图1 世界有机碳分布（单位：1015吨）天然气水合物资源总估算值的差别非常大,从标准温度压力下的1×1015立方米到5×1015立方米,再到21×1015立方米。这远比常规天然气资源的总估算值(57×1013立方米)大得多。天然气水合物估算值为天然气地质储量值，实际产量仅仅是这一数量的百分之几。但是,天然气的可能生产量仍然会高于常规天然气资源的产量（如图1）。目前各国科学家对全球天然气水合物资源量较为一致的评价为2×1016,是剩余天然气储量(156×1014m3)的136倍。 2.天然气水合物产量

天然气水合物研究历程及现状样本

天然气水合物研究历程及现状 1.世界天然气水合物研究历程回顾从1810 年英国Davy在实验室首次发现气水合物和1888 年Villard人工合成天然气水合物后, 人类就再没有停止过对气水合物的研究和探索。在这将近2 的时间内, 全世界对天然气水合物的研究大致经历了 3 个阶段, 如表1-1[2]所示。第一阶段是从1810 年到20 世纪30 年代初。( 18 , Davy 合成氯气水合物并于次年发表文章正式提出水合物一词。) 在这120 年中, 对气水合物的研究仅停留在实验室, 且争议颇多。第二阶段是大致可看作是自1934年起始的。当年美国Hammerschmidt发表文章, 提出天然气输气管道堵塞与水合物有关, 从负面加深了对气水合物及其性质的研究。在这个阶段, 研究主题是工业条件下水合物的预报和清除、水合物生成阻化剂的研究和应用。第三阶段是从上世纪60年代至今, 全球天然气水合物进入大范围勘探普查开发的格局。上世纪60 年代特罗费姆克等发现了天然气能够以固态形式存在于地壳中。特罗费姆克等的研究工作为世界上第一座天然气水合物矿田——麦索雅哈气田的发现、勘探与开发前期的准备工作提供了重要的理论依据, 从而大大拓宽了天然气地质学的研究领域。美国学者在上世纪70年代也开始重视气水合物研究, 并于1972年在阿拉斯加获得世界上首次确认的冰胶结永冻层中的气水合物实物。天然气水合物成藏理论预测的成功、测得成藏理论区气水合物地球物理, 地球化学异常, 以及经过钻探取得水合物实样, 这一系列的成果被认为是上世纪能源问题的重大发现。能够说, 从上世纪60 年代至今, 全球气水合物研究跨入了一个崭新的阶段——第三个阶段(把气水合物作为一种能源进行全面研究和实践开发的阶段) , 世界各地科学家对气水合物的类型及物化性质、自然赋存和成藏条件、资源评价、勘探开发手段以及气水合物与全球变化和海洋

南海天然气水合物富集规律与开采基础研究973

项目名称：南海天然气水合物富集规律与开采基础研究首席科学家：杨胜雄广州海洋地质调查局起止年限：2011.1至2013.8 依托部门：国土资源部

一、研究目标的调整 1．总体目标调整为建立南海北部陆坡扩散型和渗漏型天然气水合物成藏理论及更深层次的综合识别方法，研究其富集规律，探索开发相关的技术机理，为我国天然气水合物资源勘查、评价提供深入有效的基础理论指导，为水合物资源的最终开发利用做出重要贡献，促进国家能源战略目标的实现。培养和建立一支具有国际地位的天然气水合物研究团队。 2．五年预期目标 ●科学目标： 1.扩散-渗漏型天然气水合物成藏控制条件和机制； 2.扩散-渗漏型天然气水合物的识别方法； 3.扩散-渗漏型天然气水合物在南海北部的富集规律； 4.天然气水合物开采的理论基础。 ●形成一支进入国际前沿领域的优秀青年科学家群体，培养10名左右中青年学术带头人，培养40名左右的博士、40名左右的硕士研究生； ●发表学术论文150篇以上（其中，SCI收录学术论文70篇以上）；出版学术专著2部以上；争取主办高规格的国际学术会议（如国际天然气水合物大会）。

二、研究内容和课题设置的调整 1．拟解决的关键科学问题调整为： 1) 南海北部扩散、渗漏型天然气水合物成藏的气源、地质和温压条件及其地球物理、地球化学异常机理； 2) 南海北部沉积物孔隙中游离天然气气泡形成水合物过程的热力学控制因素和生成动力学规律； 3) 南海北部扩散、渗漏型天然气水合物大规模成藏的机制及其发育特征和富集规律； 4) 天然气水合物开采过程的多相流动机理和渗流控制模式。 2．主要研究内容调整为： 1）南海北部天然气水合物成藏的基础条件 a. 烃类热解气、浅层生物气对水合物成藏的贡献天然气水合物的成藏气体主要包括微生物气、热解气及其混合气，不同类型的成藏气体具有不同的成气作用、运移途径和富集过程，并影响到天然气水合物的形成机理。南海北部含油气盆地发育，气源丰富，类型众多，深部烃类热解气、浅层生物气均可能作为天然气水合物的气源。并且，不同类型的气源具有不同的成气作用、运移途径和富集过程，并影响到天然气水合物的形成机理。因此有必要深入研究不同成因的气源类型和运移特征及其对南海北部天然气水合物成藏的贡献。 b. 非烃气体对水合物成藏的影响南海北部含油气盆地的非烃气体CO 2、N 2 十分丰富，许多天然气气藏中的CO 2 和N 2含量非常高，甚至形成90%以上的CO 2 气藏。如果这些非烃气体或随烃类气向海底渗漏，进入水合物稳定带将对天然气水合物的成藏产生影响。因此，必须深入研究南海北部这些非烃气体来源和组成特征、水合物形成的温度和压力条

天然气水合物

化学选修3《物质结构与性质》P85选题2 天然气水合物（一种潜在的能源）天然气水合物——可燃冰一、可燃冰相关概念可燃冰：天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。（又称笼形化合物）甲烷水合物（Methane Hydrate）：用M·nH2O来表示，M代表水合物中的气体分子，n为水合指数（也就是水分子数）。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过99％的天然气水合物通常称为甲烷水合物。又因外形像冰，而且在常温下会迅速分解放出可燃的甲烷，因而又称“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”）。因为可燃冰的主要成分为甲烷，为甲烷水合物，而甲烷在常温中为气体，熔、沸点低，所以甲烷为分子晶体，因而可燃冰也为分子晶体。可燃冰存在之处：天然气水合物在自然界广泛分布在大可燃冰陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。天然气水合物在全球的分布图在标准状况下，一单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因

而其是一种重要的潜在未来资源。笼状化合物（Clathrate）：在天然气水合物晶体中，有甲烷、乙烷、氮气、氧气二氧化碳、硫化氢、稀有气体等，它们在水合物晶体里是装在以氢键相连的几个水分子构成的笼内，因而又称为笼状化合物。天然气分子藏在水分子中水分子笼是多种多样的二、可燃冰的性质可燃冰的物理性质：（1）在自然界发现的天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色亚等轴状、层状、小针状结晶体或分散状。（2）它可存在于零下，又可存在于零上温度环境。（3）从所取得的岩心样品来看，气水合物可以以多种方式存在： ①占据大的岩石粒间孔隙； ②以球粒状散布于细粒岩石中； ③以固体形式填充在裂缝中；或者为大块固态水合物伴随少量沉积物。可燃冰的化学性质： 1、在冰的空隙（“笼”）中可以笼合天然气中的分子的原因： (1)气水合物与冰、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性： ①相同的组合状态的变化——流体转化为固体； ②均属放热过程，并产生很大的热效应——0℃融冰时需用的热量，0～20℃分解天然气水合物时每克水需要～的热量； ③结冰或形成水合物时水体积均增大——前者增大9％，后者增大26％～32％； ④水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或水合物； ⑤冰与气水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小于同类的水层； ⑥含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层； ⑦含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。 (2)天然气水合物中，水分子（主体分子）形成一种空间点阵结构，气体分子（客体分子）则充填于点阵间的空穴中，气体和水之间没有化学计量关系。形成点阵的水分子之间靠较强的氢健结合，而气体分子和水分子之间的作用力为范德华力。 2、经发现的天然气水合物结构有三种：即结构 I 型、结构 II 型和结构H型。结构 I 型气水合物为立方晶体结构，其在自然界分布最为广泛，仅能容纳甲烷（C1）、乙烷这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S 等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的形式是构成CH4·的几何格架；结构 II 型气水合物为菱型晶体结构，除包容C1、C2等小分子外，较大的“笼子”（水合物晶体中水分子间的空穴）还可容纳丙烷（C3）及异丁烷（i-C4）等烃类；结构H型气水合物为

天然气水合物开采研究现状

天然气水合物开采研究现状* 吴传芝1,赵克斌1,孙长青1,孙冬胜2,徐旭辉2,陈昕华3,宣玲1 (1.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所,江苏无锡214151; 2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京100083; 3.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院西部分院,乌鲁木齐830011) 摘要:随着天然气水合物基础研究的不断深入,天然气水合物开采研究空前活跃。在技术方法方面,传统的热激发开采法、减压开采法与化学抑制剂注入开采法获得了不断的发展与改进;新型开采技术如CO2置换法与固体开采法引起了学者们的极大关注;最近我国还研制出适合于海洋天然气水合物开采的水力提升法。在开采研究实践方面,全世界已在3处冻土区进行了天然气水合物试采研究。介绍了天然气水合物开采技术的研究进展与冻土区天然气水合物试采研究结果,分析了天然气水合物开采研究中可能涉及的环境问题,展现了现阶段天然气水合物开采研究领域的最新成果,总结了这一领域取得的经验与认识,强调了国际天然气水合物开采研究对我国天然气水合物研究的启示。关键词:天然气水合物;开采技术;开采试验;麦索亚哈气田;M allik地区中图分类号:T E31文献标识码:A文章编号:1000-7849(2008)01-0047-06 天然气水合物具有巨大的资源潜能,但只有解决了其开采问题,天然气水合物才能成为一种真正的能源。近10年来,对天然气水合物研究起步较早的一些国家,明显加速了天然气水合物开采研究的步伐,在开采技术、开采工艺、开采面临的环境问题等方面做了大量工作,并在冻土区进行了天然气水合物开采试验。我国近年来也已介入天然气水合物开采研究领域,但总体上,国内天然气水合物开采研究才刚刚开始,尚没有进行试采研究。笔者拟介绍天然气水合物开采技术的发展、试采研究结果与开采涉及的环境问题等内容,展现现阶段世界天然气水合物开采研究领域的最新成果,总结这一研究领域已取得的经验与认识,强调国际天然气水合物开采研究对我国天然气水合物开采研究的启示。 1开采方法的改进与发展天然气水合物是一种由天然气和水组成的亚稳定态矿物,存在于特定的温压条件下。一旦赋存条件发生变化,天然气水合物藏的相平衡就会被破坏,引起天然气水合物分解。传统的天然气水合物开采技术就是根据天然气水合物的这种性质而设计的,主要包括热激发开采法、减压开采法与化学试剂注入开采法[1-15]。随着天然气水合物基础研究的不断深入,近些年又涌现出一些新的开采技术,如CO2置换法与固体开采法等[8,12-13,16-20]。 1.1传统开采方法的改进与技术缺陷 (1)热激发开采法热激发开采法是直接对天然气水合物层进行加热,使天然气水合物层的温度超过其平衡温度,从而促使天然气水合物分解为水与天然气的开采方法。这种方法经历了直接向天然气水合物层中注入热流体加热、火驱法加热、井下电磁加热以及微波加热等发展历程[4-6,8-15]。热激发开采法可实现循环注热,且作用方式较快。加热方式的不断改进,促进了热激发开采法的发展。但这种方法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题,而且只能进行局部加热,因此该方法尚有待进一步完善。 (2)减压开采法减压开采法是一种通过降低压力促使天然气水合物分解的开采方法。减压途径主要有两种:1采用低密度泥浆钻井达到减压目的;o当天然气水合物层下方存在游离气或其他流体时,通过泵出天然气水合物层下方的游离气或其他流体来降低天然气水合物层的压力[4,6,8-10,12-13,15]。减压开采法不需要连续激发,成本较低,适合大面积开采,尤其适用于存在下伏游离气层的天然气水合物藏的开采,是天然气水合物传统开采方法中最有前景的一种技术。但它对天然气水合物藏的性质有第27卷第1期2008年1月地质科技情报 Geolog ical Science and Technolog y Information Vol.27No.1 Jan.2008 *收稿日期:2007-04-28编辑:禹华珍基金项目:中国石油化工股份有限公司项目/天然气水合物勘探与开发现状调研0(P05072)作者简介:吴传芝(1966)),女,工程师,主要从事油气地球化学勘探领域的科技情报工作。

天然气水合物的识别标志

1.天然气水合物识别标志天然气水合物可以通过海底沉积物取样、钻探取样和深潜考察等方式直接识别，也可以通过似海底反射层（BSR）、速度－振幅异常结构、地球化学异常、多波速测深以及海底电视摄像等方式间接识别。下面介绍一些间接识别标志。 1、地震标志海洋天然气水合物存在的主要地震标志有：似海底反射层（BSR）、振幅变形（空白反射）、速度倒置、速度－振幅异常结构(VAMP)。大规模的天然气水合物聚集可以通过高电阻率（大于100欧·米）声波速度、低体积密度等参数进行直接判读。似海底反射层BSR是地震反射剖面上的一个平行或基本平行于海底、可切过一切层面或断层面的声波反射界面。天然气水合物矿层之下，还常常圈闭有大量的游离甲烷气体（游离天然气），从而导致在地震反射剖面上产生BSR。现已证实，BSR代表的是天然气水合物矿层的底界面或基底，其上为固态的天然气水合物矿层，声波速率高，其下为游离甲烷气体或仅仅为孔隙水充填的沉积物，声波速率低，因而在地震反射剖面上形成强的负阻抗反射界面。因此，BSR是由于低渗透率的天然气水合物矿层与其下大量游离天然气及饱和水沉积物之间、在声阻抗（或声波传播速度）上存在较大差异而形成的。由于天然气水合物矿层的底界面主要受所在海域的地温梯度控制，往往位于海底以下一定的深度，因而BSR基本平行于海底，所以被称为“似海底反射层”。BSR除了被用来识别天然气水合物的存在和编制天然气水合物分布图以外，还被用来判明天然气水合物矿层的顶底界面及其产状，计算天然气水合物矿层的深度、厚度和体积。然而，并不是所有的天然气水合物都存在BSR。在平缓的海底，即使有天然气水合物存在，也不易识别出BSR。BSR常常出现在斜坡或地形起伏的海域。另外，也并不是所有的BSR都对应有天然气水合物的存在。在极少数情况下，其它因素也可能导致BSR的形成。还应注意的是，尽管绝大部分天然气水合物矿层都位于BSR之上，但是并不是所有的天然气水合物矿层都位于BSR之上。这已经被深海钻探所证明。因此，BSR不能被作为天然气水合物存在的唯一标志，应结合其它勘查方法综合判断。近几年来，分析和研究地震的速度结构，已成为该学科领域的前沿。天然气水合物层是高速层，其下的饱气层或饱水层是低速层。在速度曲线上，BSR界面处的速度会出现突然降低，表现出明显的速度异常结构。此外，分析地震的振幅结构也可识别天然气水合物。相对而言，天然气水合物层是刚性层，其下的饱气层或饱水层是塑性层。因此，在振幅曲线上，BSR界面处的振幅会出现突然减小，表现出明显的振幅异常结构。这种识别标志对海底平缓的海域来说，尤其显得重要。 2、地球化学标志浅层沉积物和底层海水的甲烷浓度异常高，浅层沉积物孔隙水的氯Cl含量（或矿化度）和氧同位素δ18O 异常高，出现富含重氧的菱铁矿等，均可作为识别天然气水合物存在的地球化学标志。 3、海底地形地貌标志在海洋环境中，天然气水合物富集区烃类气体的渗逸，可以在海底形成特殊的环境和特殊的微地形地貌。天然气水合物存在的地貌标志主要有：泄气窗、甲烷气苗、泥火山、麻点状地形、碳酸盐壳、化学合成生物群等。最近几年，德国基尔大学Geomar研究所，通过海底观测，在美国俄勒冈州西部大陆边缘Cascadia 天然气水合物海台，就发现了许多不连续分布、大小在5cm2左右的天然气水合物泄气窗。在这种泄气窗中，甲烷气苗一股一股地渗逸出来，渗气速度为每分钟达5公升。在这种渗逸气流的周围有微生物、蛤和碳酸盐壳出现。 4、海底“冷泉”生物群标志深海“黑暗食物链”并不以热液为限。在大陆坡、深海区分布着天然气水合物。一旦海底升温或减压，它就会释放出大量甲烷，可以在海水中形成甲烷柱，被科学家称为“冷泉”。在冷泉附近可以形成特殊的生物群落。冷泉是海底天然气水合物的产物之一。在冷泉附近往往发育着依赖这些流体生存的冷泉生物群，又称为“碳氢化合物生物群落”。它是一种独特的黑暗生物群，最常见的有管状蠕虫、双壳类、腹足类和微生物菌等。海底冷泉及其伴生的黑暗生物群，是确认天然气水合物存在的有力证据。天然气水合物释放区的生物群，也是类似于热液生物群的独立生态系统。其食物链低层生物也是一种管状

863计划海洋技术领域天然气水合物勘探开发关键技术

附件1： 863计划海洋技术领域 “天然气水合物勘探开发关键技术”重大项目 2006年度课题申请指南一、指南说明 “天然气水合物勘探开发关键技术”是“十一五”863计划海洋技术领域重大项目之一。项目总体目标是：重点开发天然气水合物成矿区带的高精度地球物理和地球化学勘探技术，自主研发水合物钻探取样技术与装备，开展水合物钻探、开发及环境影响评价等关键技术研究，集成海域天然气水合物目标快速探测系统平台，初步形成天然气水合物资源勘探技术系列和装备，有效评价1～2个天然气水合物有利矿区，为天然气水合物开发作技术储备。重点任务是： ●开发海域天然气水合物矿体目标的三维地震与海底高频地震（HF-OBS）联合探测技术、水合物成矿区带的流体地球化学探测技术，以及水合物成矿区带的高精度海洋人工源电磁探测技术及海底热流原位探测技术，实现水合物成矿区带的高效综合勘探技术系列，为我国海域天然气水合物成矿区带勘探提供高技术支撑。 ●研制水合物的保真取样（芯）器，开发样品处理分析技术，集成天然气水合物保真取样及样品后处理系统，为实现水合物样品采集提供支撑。 ●研制天然气水合物保压保温钻探取芯装备，形成天然气水合物钻探取样系统；开展水合物开发前的实验合成条件模拟、水合物形成的相平衡实验模拟、三维水合物藏生成模拟与开采实验研究平台，以及水合物开发的环境影响评价技术，为水合物开发提供技术储备。 ●通过上述技术的研发，预期获得专利及软件著作版权登记20～30项，培养一支天然气水合物科技研发队伍。

根据上述任务,项目分解为以下10个课题： 1.天然气水合物矿体的三维与海底高频地震联合探测技术 2.天然气水合物的海底电磁探测技术 3.天然气水合物的热流原位探测技术 4.天然气水合物流体地球化学现场快速探测技术 5.天然气水合物原位地球化学探测系统 6.天然气水合物重力活塞式保真取样器研制及样品后处理技术 7.天然气水合物钻探取芯关键技术 8.天然气水合物成藏条件实验模拟技术 9.天然气水合物开采技术平台与开采技术预研究 10.天然气水合物探测技术系统集成本项目2006年启动除“天然气水合物探测技术系统集成”课题外的9个课题，均为公开发布课题申请指南，采用择优委托方式确定承担单位。本指南面向全国发布，自由申报、专家评审、公平竞争、滚动发展；申请单位应围绕指南设置的研究目标、研究内容和技术指标等要求，提出课题申请。鼓励产学研单位联合共同申请课题。依据“阶段目标、滚动支持”的原则，本次指南发布的课题的研究周期不超过四年。二、指南内容课题1. 天然气水合物矿体的三维与海底高频地震联合探测技术（1）研究目标：开发海域天然气水合物成矿区带三维地震与海底高频地震（HF-OBS）联合探测关键技术；研究天然气水合物矿