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。     

SAGD技术应用于陆域冻土天然气水合物开采中的理论研究

天然气水合物被誉为最有研究价值和开采价值的清洁能源,已经成为当今世界能源研究的热点。但到目前为止还未形成成熟稳定的天然气水合物开采技术体系,仍处于研究和试采阶段。陆域冻土天然气水合物开采与海域天然气水合物开采相比相对比较容易,在钻进过程中能够形成较稳定的孔壁。天然气水合物开采的主要方法有热激法、降压法、置换法和化学抑制剂法。SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）技术也叫蒸汽辅助重力驱油技术,在重油、油砂开采中得到了迅速发展,取得了非常有效的成果,被认为是目前重油开采最有效的方法。对SAGD技术应用到陆域冻土天然气水合物开采中进行理论分析研究,经过分析发现将SAGD技术应用到天然气水合物开采中是可行的,但确定两口水平井之间的距离是关键,且在应用时要将上部井变为生产井,下部井变为注汽井。     

南海天然气水合物资源勘查战略接替区初步分析与预测

二十多年来,南海天然气水合物勘查评价均主要集中在南海北部大陆边缘陆坡深水区,且先后在珠江口盆地神狐、珠江口盆地东部海域调查区和琼东南盆地陵水-松南调查区取得了天然气水合物勘查试采的重大突破及进展,陆续发现了两个大规模的天然气水合物藏,初步评价预测南海天然气水合物资源规模达800亿吨油当量左右,取得了南海天然气水合物勘探的阶段性重大成果.然而,南海天然气水合物资源进一步深化和拓展勘探的有利领域在哪里？尤其是可持续滚动勘探的战略接替区及选区在何处？其与目前陆坡深水油气及水合物勘探紧密相邻的外陆坡-洋陆过渡带（OCT）乃至洋盆区是否具有天然气水合物形成的地质条件？根据海洋地质调查及初步的地质综合分析研究,认为外陆坡-洋陆过渡带乃至洋盆区具备天然气水合物成藏的基本地质条件,可作为南海未来天然气水合物勘查的战略接替区和可持续滚动勘探的战略选区及资源远景区.针对这些影响和决定将来天然气水合物勘探决策部署及走向等关键问题进行初步分析与探讨,抛砖引玉希望能够对未来南海天然气水合物资源勘查评价及战略接替区之选择有所裨益！      

全球主要国家水合物探采计划与研究进展

随着世界上石油和常规天然气资源的消耗和减少,各国的研究人员正在致力于寻找新的替代能源,天然气水合物的发现、勘探、开发和利用为未来能源带来新的希望。由于天然气水合物具有重要的战略意义和巨大的经济价值,世界上许多发达国家和发展中国家都将其列入国家重点研发计划,美国、日本、印度、韩国、德国、挪威以及中国等均相继投入巨资进行海域天然气水合物调查甚至于开采试验。文章介绍了国际上主要国家天然气水合物勘探开发计划的历史和现状,重点阐述了国家层面的天然气水合物勘探开采计划、实施情况、资金投入以及战略研究,同时从整体角度,对天然气水合物现阶段关注的重点问题进行了阐述。按照各个国家的发展趋势和研究目标总结为3种类别:(1)美国,早期在研究机构和ODP航次支持下,积累了大量的地质实物资料,但由于受到页岩气工业革命等商业模式冲击,近期天然气水合物开采领域投资放缓,但仍然关注于理论和技术实践,并保持综合科学研究工作为主,待时机成熟后将再次注入国家预算资金;(2)中国、日本、印度、韩国,由于受到国内能源结构和储备的限制,对天然气水合物勘探开采持有非常积极的态度,国家资金投入丰厚,全部开展了多期次的近海的天然气水合物钻探工作,并且中国和日本近年在海域试开采领域突飞猛进,分别取得了重要性的阶段成果,极可能是未来世界上首批商业性开采的国家;(3)德国、挪威,作为传统的欧洲工业国家,利用雄厚的工业技术基础,在天然气水合物能源开采技术研究以及环境评估等方面另辟蹊径,着重关注于全球环境保护和二氧化碳置换甲烷技术,是天然气水合物研究领域的绿色保护者代表,可为后能源时代提供天然气水合物新的机遇。     

Influence of Gas Hydrate on the Acoustic Properties of Sediment: A Comprehensive Review with a Focus on Experimental Measurements

In recent years, natural gas hydrate has attracted increasing attention worldwide as a potential alternative energy source due to its attributes of wide distribution, large reserves, and low carbon. Since the acoustic characteristics of hydrate-bearing reservoirs clearly differ from those of adjacent formations, an acoustic approach, using seismic and acoustic logging, is one of the most direct, effective and widely used methods among the identification and characterization techniques for hydrate reservoir exploration. This review of research on the influence of hydrate (content and distribution) on the acoustic properties (velocity and attenuation) of sediments in the past two decades includes experimental studies based on different hydrate formation methods and measurements, as well as rock physics models. The main problems in current research are also pointed out and future prospects discussed.     

木里地区多能源潜在经济价值分析及勘查开发建议

"煤型气源"天然气水合物实物取心的成功,标志着木里地区成为煤炭、煤层气、天然气水合物三位一体的多能源矿床富集区。根据以往地质勘查资料与近期中国煤炭地质总局对木里地区多能源资源综合研究成果,预测木里煤田煤炭资源量105.8亿t,煤层气资源量91.44亿m3,天然气水合物潜在天然气资源量2 710.92～2 991.36亿m3,初步估算其多能源经济价值约为6万多亿元。根据木里煤田"煤型气源"的赋存特点,借鉴前苏联西西伯利亚的麦索亚哈气田的开采经验,认为木里煤田天然气水合物开采采用减压法较为合理,多能源开发顺序为煤层气—天然气水合物—煤炭。鉴于木里煤田天然气水合物的埋藏深度较浅(120～300m),冻土层又薄(80～120m),其开采难度将会相对较小,中国天然气水合物的开发与利用将会在木里煤田首先取得突破。针对当前陆域天然气水合物开采技术难点,指出在木里地区多能源勘查开发与利用中应更多的关注环境保护问题,并提出了天然气水合物勘查开发、保护与利用的建议。     

加拿大马更些冻土区天然气水合物试生产进展与展望

马更些（Mackenzie）冻土区位于加拿大西北地区,是世界上最著名的天然气水合物产地之一,也是加拿大最重要的含油气盆地之一。在Mallik地区已相继钻探了L 38、2L 38、3L 38、4L 38和5L 38共5个钻孔,并进行了地质、地球物理、地球化学、微生物学和试生产等方面的多学科多方法研究,是目前全球天然气水合物研究程度最高、资料最丰富的地区。“Mallik 2002”项目开展了天然气水合物的短期试生产,共对6个水合物层位进行了降压法试生产并在其中的4个层位取得了成功,同时利用注入约80℃的热流体进行了5天多的加热法试生产,共生产出468 m3的天然气。“Mallik 2002”项目的成功实施是天然气水合物开发利用史上的里程碑,为将来的长期试生产和最终开发利用奠定了基础。随着开发利用研究的不断深入,天然气水合物这一规模巨大的潜在能源有可能在不久的将来为人类社会所用。     

木里地区永久冻土层的形成及对天然气水合物的成藏影响

以青海木里天然气水合物成藏地区为研究对象,总结分析了现有木里地区永久冻土和天然气水合物的特点;基于青藏高原第四纪的气候调查相关证据和现有地质勘探资料,利用FLAC3D模拟计算永久冻土的形成过程,计算结果表明,现有的永久冻土可能形成于晚全新世新冰期(4000～3000至1000 a BP),约经历170 a的降温后形成稳...     

一种冻土区天然气水合物地球化学勘查新技术——惰性气体氦氖分析

开发不受沼泽微生物影响的地球化学勘查技术是提高中纬度冻土区天然气水合物探井预测成功率的重要课题之一。本文选择在祁连山聚乎更天然气水合物已知区进行惰性气体勘查技术实验,研究了氦氖的测试方法,实验区为高寒沼泽景观,面积150km~2,采样密度2点/km~2,采样深度60cm,采集土壤顶空气样品300件和DK-3井岩芯样品400件,应用色谱反吹技术对顶空气样品进行了惰性气体氦氖的分析。结合地质和地球化学勘查成果进行了综合解释,认为惰性气体异常与天然气水合物矿藏关系密切,与烃类异常浓度范围一致,为顶部异常模式。实验区天然气水合物矿藏11个水合物发现井有10个位于He、Ne异常内,1个井位于异常外。分析了天然气水合物岩芯顶空气轻烃和氦氖指标的垂向分布特征,提出了天然气水合物矿藏上方土壤惰性气体的地气迁移机理。研究区近地表氦氖异常源于深部水合物矿藏和断裂构造,不受沼泽微生物的影响,是冻土区天然气水合物勘查的一种有效技术。     

Progress in Global Gas Hydrate Development and Production as a New Energy Resource

Natural gas hydrates have been hailed as a new and promising unconventional alternative energy, especially as fossil fuels approach depletion, energy consumption soars, and fossil fuel prices rise, owing to their extensive distribution, abundance, and high fuel efficiency. Gas hydrate reservoirs are similar to a storage cupboard in the global carbon cycle, containing most of the world’s methane and accounting for a third of Earth’s mobile organic carbon. We investigated gas hydrate stability zone burial depths from the viewpoint of conditions associated with stable existence of gas hydrates, such as temperature, pressure, and heat flow, based on related data collected by the global drilling programs. Hydrate-related areas are estimated using various biological, geochemical and geophysical tools. Based on a series of previous investigations, we cover the history and status of gas hydrate exploration in the USA, Japan, South Korea, India, Germany, the polar areas, and China. Then, we review the current techniques for hydrate exploration in a global scale. Additionally, we briefly review existing techniques for recovering methane from gas hydrates, including thermal stimulation, depressurization, chemical injection, and CH4–CO2 exchange, as well as corresponding global field trials in Russia, Japan, United States, Canada and China. In particular, unlike diagenetic gas hydrates in coarse sandy sediments in Japan and gravel sediments in the United States and Canada, most gas hydrates in the northern South China Sea are non-diagenetic and exist in fine-grained sediments with a vein-like morphology. Therefore, especially in terms of the offshore production test in gas hydrate reservoirs in the Shenhu area in the north slope of the South China Sea, Chinese scientists have proposed two unprecedented techniques that have been verified during the field trials: solid fluidization and formation fluid extraction. Herein, we introduce the two production techniques, as well as the so-called “four-in-one” environmental monitoring system employed during the Shenhu production test. Methane is not currently commercially produced from gas hydrates anywhere in the world; therefore, the objective of field trials is to prove whether existing techniques could be applied as feasible and economic production methods for gas hydrates in deep-water sediments and permafrost zones. Before achieving commercial methane recovery from gas hydrates, it should be necessary to measure the geologic properties of gas hydrate reservoirs to optimize and improve existing production techniques. Herein, we propose horizontal wells, multilateral wells, and cluster wells improved by the vertical and individual wells applied during existing field trials. It is noteworthy that relatively pure gas hydrates occur in seafloor mounds, within near-surface sediments, and in gas migration conduits. Their extensive distribution, high saturation, and easy access mean that these types of gas hydrate may attract considerable attention from academia and industry in the future. Herein, we also review the occurrence and development of concentrated shallow hydrate accumulations and briefly introduce exploration and production techniques. In the closing section, we discuss future research needs, key issues, and major challenges related to gas hydrate exploration and production. We believe this review article provides insight on past, present, and future gas hydrate exploration and production to provide guidelines and stimulate new work into the field of gas hydrates.     

钻井利器故事之“保真取样钻具”

天然气水合物作为一种高效清洁能源,广泛分布于海洋和冻土带中。经过近几年的勘探,在我国南海发现了储量非常丰富的天然气水合物资源,并成功进行了试开采,取得了可喜的成绩,也使我国在该领域处于国际领先地位。随着水合物勘探开发程度的进一步加快,作为水合物调查钻探取样的重要利器——保真取样钻具的保真效果已经被越来越多的研究者所关注。本文从科普的角度介绍了天然气水合物保真取样的必要性、国外发展历程及国内近年来的研究成果,以此达到相互交流、相互促进的目的,最终推动保真取样技术的国产化应用。     

天然气水合物的环境效应

天然气水合物是近些年来发现的一种新型超级洁：争能源，因其在能源勘探、海底灾害环境和全球气候变化研究中的重要性而日益引起世界各国的高度重视。本文综述了天然气水合物在形成、分解过程中的加剧全球气候变暖、海底灾害和影响海洋生物等环境效应；指出将地质历吏时期的重大事件与天然气水合物产生的这些环境效应结合将成为今后的主要研究方向。     

陆域冻土区天然气水合物多波地震数值模拟研究

多波地震勘探技术能够同时获得纵波和转换波资料,与常规的纵波勘探相比,能够提供更多的地下介质信息。且转换波对于埋深较浅的小断层、小幅度构造有更高的分辨率,充分利用多分量地震资料可以有效的提高地震勘探的精度。本文将多波地震技术引入到陆域冻土区天然气水合物勘探中,对陆域冻土区水合物进行多波地震数值模拟研究。采用弹性波有限差分方法进行多分量正演模拟,利用仿射坐标转换法将原始的多分量地震数据进行纵横波叠前分离,并通过多波高斯束偏移方法分别对波场分离后的PP波和转换PS波进行叠前深度偏移成像。根据我国祁连山冻土区水合物实际地震地质资料,建立逼近真实地质情况的天然气水合物数值模型。对上述水合物模型进行多波地震数值试算表明,多波地震勘探技术是一种有效的陆域冻土区水合物探测方法,充分利用多波地震资料有利于查明陆域冻土区水合物精细的地质构造,取得更好的勘探效果。     

黑海天然气水合物地质调查现状分析

黑海天然气水合物资源丰富,是我国未来开展国际合作的重要区域.论文系统地总结、分析了黑海地区天然气水合物近50年的地质调查结果,包括天然气水合物的分布、资源潜力和地质调查特点等.分析归纳要点包括:黑海地区天然气水合物类型以Ⅰ型为主,主要赋存在细粒沉积储层中,甲烷资源量最高可达850万亿m3;除俄罗斯外,黑海周边其他各国的...     

天然气水合物加热开采机理及数学模型

在目前已有的主要水合物开采方法研究的基础上,进一步研究了天然气水合物加热开采法的机理。研究认为,水合物是加热分解、热传导和含化学分解的液、气两相渗流流动,它们之间既相互独立,又相互联系。并将水合物区划分为分解区和未分解区,将分解区前缘作为可移动的分界面,分区建立了加热分解热传导数学模型及含分解化学反应的液、气两相渗流流...     

天然气水合物勘探-开发-储运-环境响应研究新进展--第五届天然气水合物国际会议简介

主要根据第五届天然气水合物国际会议(ICGH5)的资料,介绍了天然气水合物勘探、开发、储运和环境响应研究的新进展.在勘探、开发方面,主要使用多维地震和核磁共振等方法来研究天然气水合物的分布情况,并根据天然气水合物声阻抗与沉积物孔隙度之间的关系来估算天然气水合物的资源量;在储运方面,与传统的液化天然气方法相比,以天然气水合物丸粒形式储运天然气所需的费用和所消耗的总能量以及所释放出的CO2相对较少;在环境响应方面,对深海储存CO2以及CH4流体对海洋和大气影响的研究,为解决天然气水合物可能引起的环境问题提供了新的思路.最后,介绍了各国天然气水合物的研究情况,并对天然气水合物研究中尚需解决的问题进行了展望.     

青海木里三露天井田天然气水合物调查研究新进展

自2008年首次发现天然气水合物以来,青海木里三露天井田的天然气水合物调查研究成为一个热点。近两年来,神华青海能源有限责任公司投资项目在三露天井田内开展天然气水合物调查评价工作,是该区最新的天然气水合物调查研究工作部署安排,目前取得了系列重要新进展。新进展主要表现为：(1)天然气水合物赋存特征研究取得了新认识;(2)对天然气水合物形成与分布的主要地质控制因素取得了新认识;(3)总结了天然气水合物成藏模式;(4)探索了地质、地球物理、地球化学、钻探等冻土区天然气水合物勘查方法,建立了钻探气测录井预判、地质标志识别、测井判识、室内鉴定等冻土区天然气水合物判定技术手段;(5)对天然气水合物资源量进行了估算并对其经济可采性进行了初步评价。综合认为,三露天天然气水合物资源目前不具备经济开采价值。     

羌塘盆地沉积物热释光特征及潜在意义

热释光测量在探测陆地或海洋油气方面已显示出良好的应用效果,天然气水合物与常规油气在物源及运移机制上非常相似,可将热释光方法借鉴到天然气水合物的调查研究中。羌塘盆地147件沉积物样品的热释光测定结果表明,该区沉积物热释光具有近似对数正态分布的特征。结合前人研究结果及调查分析认为,该区热释光异常与深部油气或天然气水合物的对应模型为:矿藏上方出现热释光高值异常。研究区热释光高值异常出现2处集中分布区域,大致指示深部油气或天然气水合物藏的位置。研究结果对羌塘盆地油气或水合物的进一步调查研究有重要的参考价值。     

基于叠前深度偏移的AVO反演在神狐海域试采区的应用

为了更好地研究神狐海域试采区天然气水合物的展布形态和赋存状况,基于高精度层析速度反演后的叠前深度偏移地震资料进行AVO反演技术研究。为在天然气水合物富集区有效地进行AVO研究,AVO处理前运用叠前深度偏移技术,通过高精度层析反演不断迭代速度模型;然后通过偏移来改善资料的质量,结合实测钻井资料进行AVO正演分析、反演可行性分析、属性交会分析;最后将具有高横向分辨能力的地震资料和高垂向分辨能力的测井资料与地质相结合进行叠前同时反演。该方法可反演出纵、横波阻抗等属性,直接进行岩性和流体识别,结果表明,在AVO反演中引入叠前深度偏移技术,为反演提供了较高质量的叠前共反射点道集和精细的层速度模型,改善了AVO技术在试采区的应用效果,提高了反演的可靠性。反演出的各种属性为AVO分析提供了丰富的信息,能够比较准确地反映地下水合物矿体的展布情况,可用于后续水合物储层的分析及综合研究,对未来的水合物勘探开采具有重要的现实意义。     

Experimental simulations and methods for natural gas hydrate analysis in China

This paper provides an overview of the developments in analytical and testing methods and experimental simulations on gas hydrate in China. In the laboratory, the analyses and experiments of gas hydrate can provide useful parameters for hydrate exploration and exploitation. In recent years, modern analytical instruments and techniques, including Laser Raman spectroscopy (Raman), X-ray diffraction (XRD), X-ray computed tomography (X-CT), scanning electron microscope (SEM), nuclear magnetic resonance (NMR) and high pressure differential scanning calorimetry (DSC), were applied in the study of structure, formation mechanisms, phase equilibrium, thermal physical properties and so forth of gas hydrates. The detection technology and time-domain reflectometry (TDR) technique are integrated to the experimental devices to study the physical parameters of gas hydrates, such as the acoustics, resistivity, thermal and mechanical properties. It is believed that the various analytical techniques together with the experimental simulations from large-scale to micro-scale on gas hydrate will play a significant role and provide a powerful support for future gas hydrate researches.