天然气水合物开采研究现状

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.     

采空区对CO2置换开采海域天然气水合物置换效果影响的实验研究

为揭示固体开采形成的采空区对CO₂置换开采天然气水合物置换效果的影响,开展了含采空区储层与完整储层的CO₂/N₂置换开采不同天然气水合物饱和度对比实验研究。结果表明：对于水合物饱和度分别为30%和45%的试样,含采空区储层较完整储层的CH₄置换率分别提高了5.5%和9%,单位体积CO₂封存量分别提高了26.5%和39.8%。采空区的存在提高了置换介质与天然气水合物的摩尔比率,从而提供了更高的置换驱动力;且在较高水合物饱和度试样中采空区还会提高置换介质的扩散作用,导致含采空区储层的置换效果好于完整储层。因此,在固体开采后进一步进行CO₂置换开采,可以提高置换开采效率,同时有助于碳封存与地层稳定,是一种潜在的海域天然气水合物安全、绿色开采模式。     

美国阿拉斯加北坡永冻带天然气水合物研究和成功试采

阿拉斯加北坡（ANS）永冻带蕴藏着丰富的天然气水合物资源,该地区是美国天然气水合物研究开发的特定目标之一。自1970’年代起,美国先后研发的PCB和PCS天然气水合物保压取心器应用于DSDP、ODP、IODP和ANS。第一口旨在研究阿拉斯加天然气水合物的热冰1井于2004年初完成。该井虽然没有钻遇到水合物层位,但是许多新开发的技术,如北极钻井平台、移动式岩心实验室、智慧钻井等成功地获得了应用。艾尔伯特山1号研究井于2007年2月顺利地钻至914 m,全井取心率85%,并进行了测井和运用组合地层动态测量仪对井下压力测试,完成了全部预期研究目标。对“自然产生的”和由“油气钻采工业诱发的”与水合物相关的地质灾害进行了研究,后者主要分为3类,即穿越天然气水合物钻探、穿越天然气水合物深部油气开采及开采天然气水合物的生产。对天然气水合物,特别是运用CO2-CH4置换法开采水合物的理论和实验室的研究,在美国许多学术机构和大学有成效地进行了许多年。2012年5月,康菲公司与日本国家油气与金属公司（JOGMEC)以及美国能源部（DOE)合作,运用CO2-CH4置换法,圆满地完成了Ignik Sikumi #1井的天然气水合物试采。在38天返排期间气体生产的30天内,累积生产甲烷气体约28317 m3 (100万scf)。该项试采工程结果表明,CO2-CH4置换法是天然气水合物开采重要而有效的方法之一,它可在较大程度上减少对环境的污染和破坏。     

关于开展中国天然气水合物研究的建议

跨入 2 1世纪 ,随着世界经济的快速发展 ,能源供需矛盾日趋紧张 ,寻找新的后续能源成为各国政府和科学界关注的重要议题。天然气水合物的发现给人类解决未来能源问题带来了新的希望。天然气水合物 (ｇａｓｈｙｄｔｒａｔｅｓ)是由天然气和水在低温高压下形成的似冰状的白色固体物质 ,广泛分布于海洋陆棚及斜坡的沉积物中和陆地永久冻土地带。因其天然气组分多以甲烷为主 ,故又称甲烷水合物。据科学家初步预测 ,全球天然气水合物所含天然气中的有机碳为石油、天然气和煤等化石燃料所含有机碳总量的 2倍 ,被认为是 2 1世纪的重要后续能源。同…     

水合物生成过程中碳同位素组成变化的实验研究

天然气水合物是一种新型的洁净能源。甲烷天然气水合物是储量最丰富的一种类型,常出现在深海中或极地大陆上,其生成的过程中会发生同位素的分馏效应。通过实验室模拟水合物生成的过程,利用天然海水与甲烷或二氧化碳气体反应,以及更接近实际生成环境的甲烷-海水-沉积物动态聚散实验,对甲烷水合物和二氧化碳水合物生成前后δ13C值进行测定,研究水合物生成过程中δ13C的变化情况。实验证明,水合物反应中碳同位素分馏是存在的,其变化程度明显小于氧同位素和氢同位素。甲烷水合物碳同位素的分馏系数αC的值为1000 3~1000 9。二氧化碳水合物生成反应后气相的碳、氧同位素变轻,重同位素趋向于进入水合物中,二氧化碳水合物碳同位素的分馏系数αC的值为1000 7~1001 2。海水中溶解的CO2气体在甲烷水合物形成过程中会被水合物捕获,从而使得δ13CDIC值变小,重的碳同位素趋于进入水合物中,而较轻的碳同位素留在海水中。但由于海水中含有的溶解CO2气体有限,经过多轮水合物动态聚散后δ13CDIC值的变化幅度会越来越小。     

海底天然气水合物分解与甲烷归宿研究进展

综述了近年来天然气水合物分解与甲烷归宿等方面的研究成果。天然气水合物的汇聚与地质构造或地层圈闭有关,其溶解受物质转换控制,分解则受热转换控制。水合物释放甲烷的运移方式包括分散式、中心式和大规模排放式。缺氧氧化和耗氧氧化是甲烷在海洋环境中的2种主要转化方式。天然气水合物释放甲烷的最终归宿主要为：①重新形成天然气水合物;②形成化能自养生物群落和沉淀出碳酸盐沉积;③与氧发生氧化后转变为CO2;④直接排放进入到大气中。沉积物中的微构造、化能自养生物群落、自生碳酸盐矿物及其碳氧同位素组成是水合物释放事件的指纹记录。     

水力输送法开采海底浅层天然气水合物技术研究

海洋天然气水合物占全球水合物总储量的99%,海洋天然气水合物大部分沉积在海底浅层没有良好的覆盖层,无法采用开采传统油气资源的方法进行开采.为了开采海底浅层天然气水合物,分析了海洋天然气水合物的存在类型及地质特征,探讨了目前开采海洋天然气水合物的理论方法及局限性.根据海底天然气水合物成矿的地质特点及水合物的物理特性,提出了以水力输送技术为主要理论的海洋浅层天然气水合物开采方法.该方法克服了其他方法开采海底天然气水合物面临的技术困难,为海洋天然气水合物的开采提供了技术基础及理论支撑.     

天然气水合物研究现状及我国对策160次学术讨论会观点摘要

天然气水合物(gas hydrates)是一种由气体和水形成的冰状白色固态晶体,常在一种特定的高压低温条件下形成并稳定存在,广泛发育在浅海底层沉积物和深海大陆斜坡沉积地层以及极地地区的永久冻土层中.现有研究表明,天然气水合物是一种未来的优质、洁净能源,其蕴藏量约是现有地球化石燃料(石油、天然气和煤)总碳量的2倍;它作为温室气体甲烷的最大载体,又可能是影响全球气候变化和引发海底地质灾害的重要因素.     

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。     

水射流破碎联合CO2置换开采天然气水合物新工艺及实验研究

本文对目前开采天然气水合物的5种方法进行了归纳总结,重点分析了CO₂置换开采以及固体开采法,并通过分析这2种开采方法的优劣势,提出了水射流冲蚀、破碎海洋天然气水合物储层联合CO₂置换开采天然气水合物的新思路。水射流冲蚀、破坏水合物储层后形成的采空区能为CO₂提供更好的储藏空间并提高其与储层的作用面积,提高置换效率;封存的CO₂水合物也可以提高水合物储层的稳定性,具有良好的互补效应。实验结果表明,在整个置换过程中,含采空区储层CH₄置换率为24.3%,CO₂封存率为22.1%;完整储层CH₄置换率为15.3%,CO₂封存率为20.9%,置换率提升约59%,封存率提升约5.7%。采空区的作用主要体现在提升水合物置换介质的注入量上。     

Preliminary results of environmental monitoring of the natural gas hydrate production test in the South China Sea

Natural gas hydrate (NGH) is considered as one of the new clean energy sources of the 21st century with the highest potential. The environmental issues of NGH production have attracted the close attention of scientists in various countries. From May 10 to July 9, 2017, the first offshore NGH production test in the South China Sea (SCS) was conducted by the China Geological Survey. In addition, environmental security has also been effectively guaranteed via a comprehensive environmental monitoring system built during the NGH production test. The monitoring system considered sea-surface atmosphere methane and carbon dioxide concentrations, dissolved methane in the sea water column, and the seafloor physical oceanography and marine chemistry environment. The whole process was monitored via multiple means, in multiple layers, in all domains, and in real time. After the production test, an environmental investigation was promptly conducted to evaluate the environmental impact of the NGH production test. The monitoring results showed that the dissolved methane concentration in seawater and the near-seabed environment characteristics after the test were consistent with the background values, indicating that the NGH production test did not cause environmental problems such as methane leakage.     

天然气水合物勘探开发研究新进展及发展趋势

天然气水合物是继煤、石油和天然气等能源之后的一种潜在新型能源,本文简要介绍了天然气水合物的由来、性质和特征,根据目前国内外研究现状,概述了天然气水合物勘探开发方面的国际研究新进展,以及我国在这方面取得的研究成果,归纳了目前存在的问题并展望了发展的方向和趋势。     

天然气水合物原位补热降压充填开采方法

天然气水合物资源量丰富,被公认为最有潜力的新型高效清洁替代能源,是未来能源革命的战略突破口。由于天然气水合物分解是伴随相变的复杂物理化学过程,安全经济地开采天然气水合物仍有许多瓶颈难题亟待解决。当前降压法是相对经济有效的开采方法,但天然气平均日产量远远达不到产业化开发的需求。在分析降压法规模化开采面临的瓶颈问题的基础上,提出了一种全新的天然气水合物开采方法原位补热降压充填开采法,重点剖析了该方法的3个基本原理,提出了该方法的开采技术方案、关键技术与工艺步骤。得出了如下结论:(1)天然气水合物降压法规模化开发需要突破“天然气水合物分解热补给”(补热)、“储层结构稳定性”(保稳)和“提高储层渗透率”(增渗)等3个方面的瓶颈难题;(2)基于“降压分解原理”、“原位补热原理”和“充填增渗原理”,提出了天然气水合物原位补热降压充填开采法,该方法将氧化钙(CaO)粉末注入天然气水合物储层,反应产生的大量热量补充天然气水合物的分解热,同时,反应生成的氢氧化钙(Ca(OH)2)既填充了天然气水合物分解后留下的空隙,多孔结构又提高了储层的渗透性;(3)提出了天然气水合物原位补热降压充填开采所涉及的具体技术方案、关键技术与工艺步骤。当前天然气水合物开采技术手段距离产业化开发的需求还有一定距离,未来需要加强国际科研合作,深度学科交叉,研发变革性技术,早日实现天然气水合物规模化开发。     

Economic Critical Resources for the Industrial Exploitation of Natural Gas Hydrate

Since the implementation of several pilot production tests were in natural gas hydrate (NGH) reservoirs in terrestrial and marine settings, the study of NGH has entered a new stage of technological development for industrial exploitation. Prior to the industrial exploitation of any given NGH reservoir, the economic feasibility should be examined. The first step of economic evaluation of a NGH reservoir is to know whether its resource amount meets the requirement for industrial exploitation. Unfortunately, few relevant studies have been conducted in this regard. In this study, the net present value (NPV) method is employed to estimate the economic critical resources required for the industrial exploitation of NGHs under different production scenarios. Sensitivity analysis is also performed in order to specify the effects of key factors, such as the number of production wells, gas price, technological improvement and tax incentive, on the economic critical resources. The results indicate that China requires the lowest economic critical resource for a NGH reservoir to be industrially exploited, ranging from 3.62 to 24.02 billion m3 methane. Changes in gas price and tax incentives also play significant roles in affecting the threshold and timeline for the industrial exploitation of NGH.     

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...     

天然气水合物的特征及环境意义

天然气水合物是由甲烷等气体和水分子组成的类冰状的固态物质,主要分布在极地永冻层和外大陆架边缘的海洋沉积物中,赋存在天然气水合物中的碳约为１０＾１３吨,相当于全球其他化石燃料中碳含量的两倍,由于天然气水合物处于亚稳定状态。因此天然气水合物既可作为２１世纪潜在能源资源,又可以非稳定状态导致海底滑塌和滑坡等地质灾害,并可通过释放甲烷影响全球气候。     

天然气水合物分解和开采的机理及数学模型研究综述

回顾了25年来国内外水合物开采数值模拟研究的进展,分析了影响水合物开采过程的主要机理,即传热、气液流动和水合物分解。将已有的模型分为热力开采、降压开采和综合3种模型,并对各种模型所具有的特点进行了讨论。综合分析认为,TOUGH Fx/HYDRATE模型充分考虑了多相多组分并借鉴上述3类开采方式,可模拟开采过程中气液流动和相态变化,具有较高的应用价值。最后探讨了目前模型的主要问题以及发展方向,认为水合物矿藏岩石的绝对渗透率、相对渗透率、热传导系数等关键参数的测量及确定是精确模拟水合物开采过程的重要因素。     

天然气水合物研究中的几个重要问题

综述了当前关于天然气水合物研究中的几个重要问题，提出了今后的主要研究方向，全球大约有10^19g碳以天然气水合物的形式储存在沉积物中，大约是其它所有化石燃料沉积物形式储存量的2倍多，因此，天然气水合物被认为是21世纪具有商业开发无景的潜在的战略资源，天然气水合物是一种亚稳态物质，极易受到温度和压力条件的影响，海底天然气水合物的分解将会影响沉积物的物理化学性质（如剪切强度和流变性等），地球物理性质（如地震波速和电导性），以及地球化学性质（如孔隙流体成分）的明显变化，导致诸如海底滑塌等地质灾害的发生，天然气水合物的分解会产生导致“温室效应”的甲烷气体，该气体进入大气圈中会引起全球气候和环境的变化。     

祁连山冻土区天然气水合物地球化学迁移机理探讨

陆域冻土区天然气水合物成矿机制较为复杂,水合物横向难以对比,形成机理不清楚,急需对天然气水合物迁移机理进行研究。文章根据祁连山冻土区天然气水合物发现区钻井揭示的地质和地球化学资料以及岩芯样品分析测试结果进行了综合分析。结果显示,研究区中侏罗统和上三叠统均为较好烃源岩,天然水合物气源以热解气为主,主要由上三叠烃源岩迁移和中侏罗统木里组烃源岩扩散提供,显示了多源多期次的特点。根据地质和地球化学分析,祁连山天然气水合物的形成经历了晚侏罗世—早白垩世的气体运移与聚集、中新世中晚期—上新世整体抬升、第四纪游离气体转化成天然气水合物矿藏3个阶段,经历了"先聚集-再抬升-后成藏"等过程,是构造-气候耦合作用的结果,初步建立了祁连山冻土区天然气水合物迁移机理。