天然气水合物的研究进展

天然气水合物是当今世界油气地质勘探家研究的热点,其能源价值、勘探技术和潜在的环境问题越来越受到科技、能源以及环保部门的关注。该文对天然气水合物的结构、特点、成因、分布以及可能引发的环境问题进行了综述,较详细地介绍了国内外的研究概况。     

天然气水合物分解对海床中管道稳定性的影响

利用ABAQUS有限元程序,含天然气水合物的沉积层采用Mohr-Columb本构模型,并根据天然气水合物分解前后的物性和强度参数,对海床中输气管道及附近沉积层在天然气水合物不同分解条件下的应力和应变场进行了计算,对天然气水合物分解对海床中管道及地基稳定性的影响进行了分析和评价。     

孔隙介质中天然气水合物相变过程的影响因素研究进展

天然气水合物储量巨大且富含甲烷,被视为21世纪最重要的潜在新型清洁能源之一.天然气水合物大多赋存在海底沉积物的孔隙介质中(少部分赋存于永久冻土层中),对其相变过程受孔隙介质影响规律的系统梳理和总结对未来的勘探开发具有重要意义.本文综合分析前人研究成果,将孔隙介质中天然气水合物的相变过程概化为水合物形成分解时的温压平衡条...     

天然气水合物稳定带顶界面确定研究进展

天然气水合物稳定带的顶、底界面在空间上限制了天然气水合物在自然界中的实际分布,同时也是进行天然气水合物资源评价的基础,对了解其成矿规律、指导勘探开发具有重要意义.确定天然气水合物稳定带顶界面的方法主要有3种:①利用理论模型模拟的方法;②利用地球化学异常的方法;③利用地球物理资料的方法,其中第一种方法比较粗略,后两种方法比较精确,但在数据处理上的难度较大.     

天然气水合物资源量研究进展

综述了三十多年来各国学者对全球天然气水合物资源量的研究进展,总体上可分为三个阶段:(1)20世纪70年代—80年代早期(1017～1018m3量级);(2)80年代晚期—90年代早期(1016m3量级)和(3)90年代晚期至今(1014～1015m3量级)。分析发现,最早的估算结果比现今的偏大2～3个数量级。随着人们对水合物认识的加深,在资源量评估方面会显得更加理性。     

天然气水合物的地热研究进展

天然气水合物的地热研究在以下几个方面都取得了重要进展，热流与似海底反射层的关系，水合物稳定带的研究；水合物热物理参数的确定；水合物形成过程中的热状态；热导率的应用，指出了今后水合物的地热学研究方向。     

俄罗斯天然气水合物研究现状

2003年1月27～29日在俄罗斯新西伯利亚市召开了“俄罗斯2003地球生态体系中的天然气水合物”会议.会议的组织者为俄罗斯科学院西伯利亚分院、A·B·尼古拉耶夫无机化学研究所、A·A·特罗菲姆克地质与地球物理矿物学综合研究所和俄罗斯基础研究基金会.到会代表100余人,分别来自莫斯科、圣彼得堡、新西伯利亚、海参崴等15个城市的40多家单位. 目前,世界上许多国家对天然气水合物的研究兴趣不断提高.与煤层气、无机成因气、深盆气等非常规油气资源一样,天然气(以甲烷为主)水合物亦为重要的潜在新能源,值得今后进行深入勘查、利用开发…     

冰点下多孔介质中甲烷水合物的生成特性

冰点下水合物在多孔介质的生成是一个复杂的多相转化过程,为了研究冰点下多孔介质中水合物生成过程的水相转化率、气体消耗量与稳定压力等生成特性,在定容条件下,进行不同孔径与粒径的多孔介质中甲烷水合物在冰点下的生成实验。所使用的多孔介质平均孔径为1295 nm、1796 nm和3320 nm。研究结果表明：水合物生成结束时水的转化率随着初始生成压力的增大而增大,随着温度的升高而降低,随着孔径的增大而增大;在相同的孔径下,多孔介质粒径的增大降低了水合物的生成速率但对最终气体消耗量没有影响;在相同的温度下,随着初始生成压力的增大,实验最终压力、气体消耗量与最终水的转化率均随之升高;温度越高,不同的生成初始生成压力下体系的最终稳定压力与水的转化率相差越大;在多孔介质的毛细管作用力与结合水的共同作用下,冰点下水合物生成的水的转化率会大大地降低。在本实验条件下,水相转化为水合物的比例最高为32.39%。     

沉积物中天然气水合物减压分解实验

基于自行研发的天然气水合物开采实验装置,进行了沉积物中甲烷水合物减压分解实验研究,并用时域反射技术(TDR)实时监测水合物分解过程中其饱和度的变化。实验采用粒径为0.18~0.35 mm的干砂,003%的十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液和高纯甲烷气体。实验结果表明：水合物减压分解过程中不同层位的温度与水合物饱和度存在差异,体现了一定沉积环境下水合物的分解规律,位于沉积物上层与外侧的水合物先分解;TDR技术测量水合物饱和度时,压力迅速降低不会对TDR波形产生影响,TDR曲线变化仅由水合物分解引起;水合物分解时TDR技术测得其饱和度变化规律与根据分解气体总量计算的结果一致,说明该技术可以准确实时监测水合物饱和度变化。     

南海天然气水合物研究进展

自1999年起,我国陆续开展南海天然气水合物调查及勘探研究工作。2007年5月在南海神狐海域成功钻获天然气水合物实物样品,标志着天然气水合物找矿工作的重大突破,显示出南海丰富的天然气水合物资源前景。本文综述了南海天然气水合物发育的有利地质条件,赋存的地质、地球物理和地球化学证据,水合物分布和发育特征及成藏模式,指出目前研究工作中还存在的一些问题:勘探实践获得的天然气水合物地球物理和地球化学响应与实际存在水合物并非一一对应;大多数研究只针对水合物形成的某一方面的条件开展(如气源、流体运移体系等);同时,水合物稳定带和水合物资源量估算均较为粗略。因此,明确天然气水合物地质、地球物理和地球化学响应机理、开展水合物成藏系统和成藏动力学研究以及更加精确且符合实际的估算水合物资源量将会是今后南海天然气水合物研究的重点。     

多孔介质中甲烷水合物相变过程模拟实验研究

天然气水合物相变过程不仅对沉积层温度场产生影响,也会改变沉积层介电常数等物理性质,深入研究水合物相变过程对周围环境的影响对今后水合物资源开发利用以及水合物地质灾害控制评估等方面都有重要的意义。通过使用专门设计的水合物模拟实验装置,综合采用二维温度梯度和时域反射等方法对甲烷水合物生成及分解过程进行监测。结果显示：水合物合成过程中甲烷水合物合成受气源和过冷度等因素影响,当气源充足时,水合物优先在过冷度大的区域合成,否则水合物优先在气源充足的区域合成;水合物相变过程引起周围多孔介质介电常数发生改变,并可据此计算沉积层中水合物饱和度;水合物稳定性受热刺激影响明显,含水合物多孔介质传热效率与热源距离成二次函数的衰减规律。     

封闭系统中多孔介质甲烷水合物的CT实验研究

阐述了在封闭系统中的查理模型,建立了利用查理定律计算分析甲烷水合物生成和分解的方法。通过实验,对封闭系统中不同含水量多孔介质甲烷水合物生成、发育和分解的实验方法、相平衡条件、生成量关系等进行了探讨。在一定温度差的介质里,水分克服重力向冷端迁移并生成水合物。实验中利用查理数的改变计算水合物的生成量变化,连通性好的含水多孔介质有很好的水—气结合条件,达到平衡条件后迅速生成水合物,在240分钟内完成,含水量线性地影响甲烷水合物的生成量。同时,利用CT扫描方法直接观测含水粗砂在低温—高压环境下的甲烷水合物生成和分解过程,并可以利用CT图像数据计算出多孔介质中水分迁移、区域密度改变和砂体的移动、及分解后介质密度分布变化特征。     

南海天然气水合物稳定带厚度及资源量估算

中国的南海一直被人们认为蕴藏着丰富的天然气水合物资源,综合中国南海的水深、地热梯度及底部水温等地质资料,运用VisualBasic.Net编程分析在该海域范围内天然气水合物稳定带厚度,讨论其分布特征,并以此来评估该区域的水合物资源量.结果表明当地热梯度为0.06℃/m,在区域1中可能存在天然气水合物,其稳定带的最大厚度可达400 m,天然气水合物分布较为规则,从外向内逐渐增厚.但在区域2中由于受到水深和地热等因素的影响不存在天然气水合物,此时天然气水合物的资源量约为0.55×104 km3;当地热梯度随机取值时,该区的天然气水合物资源量约为0.57×104 km3.通过对地热梯度取不同的值,估算得到在该研究区天然气水合物的资源量约为0.6×104 km3.      

甲烷水合物在人工毛细管沉积物柱中的形成和分解

天然气水合物在海底的形成与沉积物性质密切相关,沉积物的粒度、孔隙度、矿物组成等都可以影响到水合物的成核生长。通过拉曼测试和显微镜下观察人工毛细管模拟沉积物中CH4水合物的形成和分解过程,实验发现无论是在气液界面还是在溶有过饱和CH4的流体内,水合物都能够成核形成,但水合物更容易在气液和固液界面成核,并迅速生长;水合物在较大粒径石英砂(39~53μm)形成的孔隙内的成核机会比在粘土粒级的砂粒孔隙中的机会更大;水合物晶体主要呈发丝状附着于沉积物颗粒表面。     

祁连山冻土区DK-9孔温度监测及天然气水合物稳定带厚度

祁连山冻土区木里盆地三露天井田自2008年首次钻采到天然气水合物实物样品以来,实现了中低纬度高山冻土区天然气水合物勘探的重大突破。天然气水合物钻孔DK-9于2013年发现水合物,通过对该孔长期地温实时监测,获得了稳态的地温数据。结果表明,祁连山多年冻土区聚乎更矿区三露天井田冻土层底界为约163 m,冻土层的厚度达约160 m,冻土层内的地温梯度为138 ℃ /100 m,冻土层以下的地温梯度达485 ℃/100 m。根据天然气水合物形成的温-压条件分析,聚乎更矿区具备较好的天然气水合物形成条件,天然气水合物稳定带底界深度处于510~617 m之间。     

盐类对甲烷水合物稳定性影响研究进展

甲烷水合物稳定性主要控制着甲烷水合物稳定带的厚度,温度、压力、孔隙水盐度和气体组分等因素影响着水合物稳定带的厚度。甲烷水合物的形成与地层水关系密切,而地层水中的各种盐离子(Cl~-、Na~+、Mg~(2+)、SO_4(~2-)、Ca~(2+))以及过渡金属(Fe、Mn、Cu、Co、Ni等)会影响天然气水合物的形成和分解条件。因此,研究盐类对甲烷水合物的稳定性认识有助于更加深入了解天然气水合物的成藏条件。本文分析了氯化物、硫酸盐、碳酸盐三大盐类对甲烷水合物稳定性的影响:同一盐类不同盐度条件下,随着盐度的增加,甲烷水合物相平衡曲线向低温高压偏移。总结了不同盐类和阴阳离子对甲烷水合物的抑制作用大小:在相同浓度、不同盐类条件下,盐类浓度在1.0~1.5 mol/L时盐类对甲烷水合物的抑制作用大小为MgCl_2CaCl_2Na ClKCl,盐类浓度大于1.5 mol/L时CaCl_2的抑制作用较强;阴离子对甲烷水合物的抑制作用大小争议较大,阳离子中Mg~(2+)对甲烷水合物的抑制作用最强。从目前的研究成果来看,已有数据与实际地质条件还存在一定差距,需要在真实实验条件下加强氯化物-硫酸盐-碳酸盐-甲烷-水体系的详细研究。本文提出,将高压可视反应腔与显微激光拉曼技术相结合,有望准确获取天然气水合物稳定形成时的温压条件,明确盐类和阴阳离子的抑制作用大小,以及盐类和离子特性如何影响水合物的形成和稳定,以便为未来的水合物勘探开发提供参考。     

冲绳海槽天然气水合物稳定带厚度的计算

水合物稳定带（HSZ）的研究对天然气水合物的成矿与分布规律以及资源评价研究都具有重要的指导意义，文章根据天然气水合物的相平衡条件和相应的压力-温度方程，参照有关的身体算法，讨论了海底天然气水合物稳定带厚度的理论计算方法，并根据稳定带厚度的理论计算方法，在Windows中文平台上编制了简单实用的程序，利用该程序对冲绳海槽水合物稳定带的厚度进行了计算，并讨论了冲绳海槽水合物稳定带厚度的分布特征。     

Thermo-Hydro-Mechanical-Chemical Simulation of Methane Hydrate Dissociation in Porous Media

The vast amount of methane deposits in permafrost and oceanic sediments has significant energy and environmental implications. There are increasing interests in the development of numerical simulation techniques to predict the reservoir responses due to natural gas recovery from methane hydrate dissociation. There has been extensive amount of work on modeling the chemo- thermo- hydro-responses associated with hydrate dissociation. The mechanical responses of hydrate bearing ground, however, have largely been overlooked and are just starting to receive more and more attention. From energy recovery perspective, a comprehensive model that includes the mechanical responses of hydrate disassociation is crucial for predicting the mechanical stability of gas hydrate reservoir and potential geohazards. This paper proposes a thermo-hydro-mechanical-chemical model for simulating the dissociation of methane hydrate. The governing equations for the conservation of energy (thermal), mass (hydraulic) and momentum (mechanical) were derived from the local balance equations. The proposed governing equation system for methane hydrate as a four-phase four-component composite was simplified based on reasonable assumptions to facilitate numerical implementations. The dissociation reaction was considered using chemical kinetics. Auxiliary relationships such as the soil water characteristic curve, constitutive correlations, stress formulation based on the mixture theory were employed to mathematically close the formulation. The mathematical model was implemented using the finite element method. The simulation results were evaluated and compared with those obtained by conventional simulators based on thermo-hydro-chemical models. The mechanical module of this new model was applied to predict the geotechnical responses induced by gas recovery in a typical oceanic reservoir.     

多孔介质中水合物的热物理参数测量

利用时域反射技术和非稳态热线法测量热物理特性技术,设计制作了一套用于高压状态下测量含水合物沉积层热物理参数的系统。选择粒级(?)0.18～0.25 mm的细砂作为多孔介质,加入0.3g/L十二烷基硫酸钠(SDS)溶液作为多孔介质中的孔隙水和甲烷气体(纯度为99.9%),模拟沉积物中水合物的生成过程。采用交叉热线法和平行热线法两种方法测量了含水合物沉积层中的导热率,交叉热线法导热率的测量结果为(1.112±0.080)W/(m·K),平行热线法导热率的测量结果为(1.078±0.057)W/(m·K)。