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关于可燃冰,你想知道的在这里
发布日期:2017-05-19 浏览次数: 信息来源:中国海洋石油报 字号:[ ]

可以点燃的海底之“冰”

天然气水合物(NaturalGasHy-drate,简称NGH),因其外观像冰,遇火即可燃烧,俗称可燃冰,是由主体分子(水)和客体分子(甲烷、乙烷等烃类气体)在低温、高压条件下,通过范德华力相互作用,形成的结晶状非笼形化合物。其中水分子借助氢键形成结晶网格,网格中的孔穴内充满轻烃、重烃或非烃分子,根据水合数的不同,将水合物分为不同的类型,目前自然界发现的水合物有I型、II型、H型。

天然气水合物主要分布在陆地永久冻土带和沿海大陆架300~3000米水深的深水区,是继页岩气、致密气、煤层气、油砂等之后的储量最为巨大的接替能源之一。据估计,海洋水合物资源量约为冻土的100倍。鉴于天然气水合物广阔的资源前景,世界各国从上个世纪60年代就启动了水合物资源开发相关的研究,同时由于海洋水合物具有埋深浅、胶结性差等特点,近20年来深水浅层水合物的无序分解等潜在的工程地质灾害、温室效应等也已引起世界各国的高度重视。因此,目前天然气水合物资源安全高效开发和环境风险并重,成为当前世界科技创新的前沿。

目前世界范围内天然气水合物资源勘查与勘探及短期测试取得了初步成果,微观结构分析和开采模拟室内研究不断深入,环境安全监测和风险评价已经启动。

可燃冰如何形成,藏在哪里?

天然气水合物的形成有三个基本条件,缺一不可。第一是低温;第二是一定的压力,4个大气压、10摄氏度左右就可以生成,同时15个大气压、25摄氏度也可以生成;第三,一定要有天然气和水。

高纬度永久冻土区由于地温低、在合适压力条件下储存有可燃冰,分布在冻土层或冻土层下;海洋水合物不同于冻土水合物,合适温度压力,气体和水存在就可能生成水合物,理论在水深大于300米的海水到海底泥线下,只要温度压力、气水充足,就会生成水合物。目前海洋水合物主要分布在世界各大海域陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩中,也可以散布于洋底以颗粒状出现。

从大地构造角度来讲,天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元内。经过地球物理分析、钻探取样证实,天然气水合物广泛分布在世界冻土区和各大海域。目前已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。由于采用的标准不同,不同机构对全世界天然气水合物储量的估计值差别很大。但总的来说,天然气水合物储量巨大。

天然气水合物可以通过底质沉积物取样、钻探取样和深潜考察等方式直接识别,也可以通过拟海底反射层(BSR)、速度和震幅异常结构、地球化学异常、多波速测深与海底电视摄像等方式间接识别。2016年发布的《中国能源矿产地质调查报告》的最新数据,我国可燃冰预测远景资源量超1000亿吨油当量,开发前景广阔。

可燃冰在中国

我国天然气水合物资源调查工作始于上世纪90年代。1990年中国科学院冻土所首次在室内人工合成水合物样品,1998年中国海油在国内首次利用现场气样成功合成水合物。1999年,广州海洋地质调查局首次在西沙海槽海域发现天然气水合物存在的地球物理标志,由此揭开了我国海域水合物调查的序幕。

2001年,“我国海域天然气水合物资源调查与评价”国家专项启动,推动了我国水合物调查研究工作向纵深发展。“国家863”计划自2000年起设立相应的技术研发课题为水合物的调查提供技术支撑。“十五”期间,“国家863”计划设立“天然气水合物探测技术”研究课题、“十一五”设立“天然气水合物勘探开发关键技术”重大项目,初步圈定南海东沙、神狐、西沙、琼东南四个海区11个远景资源区,研发了一批天然气水合物勘探技术、开采模拟技术和取样装备。

2005年4月14日,在北京举行中国地质博物馆收藏首次发现的天然气水合物碳酸盐岩标本仪式,宣布中国首次发现世界上规模最大被作为“可燃冰”即天然气水合物存在重要证据的“冷泉”碳酸盐岩分布区,其面积约为430平方公里。

2006年,由中国海油牵头国家“863项目”“天然气水合物模拟开采技术”正式启动,提出了海洋水合物和油气联合开发的战略思路,标志着水合物由目标勘察向开采技术储备的过渡。2007年,在南海北部神狐海区钻探获取了含天然气水合物岩心样品,证实南海具有广阔的天然气水合物资源前景,实现了战略性突破。

2013年1月,由中国海油牵头的“国家863”主题项目“南海北部天然气水合物钻探取样关键技术”正式启动。项目围绕南海深水天然气水合物的钻探取样工程,研究天然气水合物资源评价、目标优选、钻探取样工具和海上工程技术等前沿课题,形成具有我国自主知识产权的深海水合物钻探目标评价和取样技术组合,成功实施水合物钻探取样,以期建立水合物评价及钻探取样技术体系,为推动南海天然气水合物资源的工业开发奠定基础。

国土资源部中国地质调查局2017年5月18日宣布,我国正在南海北部神狐海域进行的可燃冰试采获得成功。

2016年,我国首批国家重点研发计划启动了“海洋天然气水合物试采技术和工艺”,由中国海油联合国内优势力量承担,2017年国家重点研发计划第二批启动,包括海洋水合物成藏机制与开采机理研究、海洋水合物试采示范工程等重点研发计划相继启动。

按照中国战略规划的安排,2006~2020年是调查阶段,2020~2030年是开发试生产阶段,2030~2050年,中国可燃冰将进入商业生产阶段。


专家答疑

可燃冰开发,难度有多大?

大连理工大学教授杨明军

天然气水合物开采涉及的核心问题是开采效率与安全保障。

日本在海洋天然气水合物首次试采中便发现了井筒堵塞等问题,试采持续6天后终止,同时监测发现了井场地层出现沉降。也就是说海洋天然气水合物开采需要解决水合物开采障碍控制与储层稳定性预测问题。天然气水合物以固态形式存在于沉积层内,通常认为其是沉积物骨架。在开采过程中,天然气水合物分解产生液相水和气相天然气。也就是说天然气水合物开采导致了沉积物骨架结构的直接变化,控制着开采过程沉积层的基础稳定性,因此需要掌握天然气水合物沉积层骨架结构特征以及其开采过程的时变规律,进而提出有效监测和控制技术,实现安全开采。

天然气水合物常见于弱胶结的非成岩地层,需要研究水合物开采储层出砂关键影响因素,研究水合物开采储层挡砂机理、防砂方法与技术,解决制约水合物储层安全高效开采的出砂与防砂技术难题。同时,骨架结构特征是影响和控制沉积层渗透特性变化与气、水多相渗流的首要因素,需要阐明水合物相变过程中气、水产出特性及其控制因素,提出高效产气产水控制技术,实现高效开采。天然气水合物在低温和高压条件下存在,储层温度与压力是天然气水合物开采过程的关键控制参数,决定了开采的安全性、可行性和经济性,需要准确把握天然气水合物开采沉积层内的热量和质量传递特性,描述开采模式与开采储层温压变化规律,提出有效的开采储层温度与压力控制方法。有效避免开采过程天然气水合物二次生成,保障安全、高效天然气水合物开采。

此外,开采核心技术与装备国产化是实现未来我国天然气水合物商业化开采的必要条件,需要大力开发具有自主知识产权的天然气水合物开发相关技术与装备。

各国研究,进展如何?

中国科学院海洋研究所研究员王秀娟

人们认识天然气水合物,已有200年的历史。早在1810年就发现水合物,但天然气水合物的晶体结构直到20世纪50年代才得以确定。水合物研究大致可分为3个阶段:第一个阶段(1810~1934年)为实验室探索研究。在这一阶段,科学家完全受一种好奇心的驱使,在实验室确定哪些气体可以和水一起形成水合物,以及水合物的组成。

第二阶段为天然气水合物应用发展阶段(1934~1993年),这一阶段的研究重点是工业界对管道水合物的预测和抑制技术。20世纪30年代,人们发现输气管道内形成白色冰状固体填积物,并给天然气输送带来很大麻烦,石油地质学家和化学家便把主要的精力放在如何消除天然气水合物堵塞管道方面。

第三阶段(1993年至今)是天然气水合物全面研究时期。以第一届国际水合物会议为标志,为水合物研究全面发展和研究格局基本形成阶段。天然气水合物作为人类未来的潜在能源在世界范围内受到高度重视,水合物生成/分解动力学等基础研究取得重大进展,天然气固态储存等新技术的开发取得重大突破,动力学抑制剂取代传统热力学抑制剂的研究不断深入,天然气水合物和全球环境变迁之间的关系受到关注,形成了以基础研究、管道水合物抑制技术开发、天然气固态储存和水合法分离气体混合物等新型应用技术开发、天然气水合物资源勘探与开发、温室气体的水合物法捕集和封存等为基本方向的气体水合物研究格局。同时在西伯利亚、马更些三角洲、北斯洛普、墨西哥湾、日本海、日本南海海槽、孟加拉湾、印度大陆边缘、南中国海北坡等地相继发现了天然气水合物,并开始了广泛的钻探。

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,政府部门也意识到天然气水合物研究的重要性。目前,世界多个国家在不同海域进行了水合物勘探和钻探研究,其中美国、日本、中国、印度、韩国等国家进行了多个天然气水合物钻探。但是为了进行水合物试验开采和将来的商业试采,目前天然气水合物研究主要是寻找砂质储层的水合物类型,该类型的水合物是在当前开发技术条件下能够进行稳定产气的重要类型水合物。在此基础上,美国和日本还分别制订了试采与商业开采时间表。

开采有无完美方案?

中海油研究总院国家能源深水油气工程研发中心常务副主任李清平

可燃冰的开采方法主要有热激化法、注剂法,降压法和置换法等,由于水合物储层复杂,连续性差,特别是海洋水合物埋深浅、弱胶结,存在于泥质粉砂中,在实现商业开发的同时,如何保持地层稳定,实现连续排采,避免次生灾害是巨大挑战。

开采方案主要有如下几种。方案一是热激化法、注剂法,即利用可燃冰在加热、注剂时分解的特性,使其由固态分解为甲烷和水。但此方法难处在于热效率低,同时对于分散于浅层非均质水合物来说,如何有效实现集成开发面临问题很多。

方案二是降压法,即改变压力使其分解为水和气。

方案三是置换法。研究证实,将二氧化碳液化,注入1500米以下的洋面,就会生成二氧化碳水合物,它的比重比海水大,于是就会沉入海底。如果将二氧化碳注射入海底的甲烷水合物储层,因二氧化碳较之甲烷易于形成水合物,因而就可能将甲烷水合物中的甲烷分子“挤走”,从而将其置换出来。

也有科学家提出将核废料埋入地底,利用核辐射效应使其分解,同时利用固体矿开发。

值得注意的是,尽管美国、加拿大、日本在北极冻土区、日本近海进行了天然气水合物试采,但由于试采时间有限,长期试采的技术可用性和安全性正在评估,制约天然气水合物安全高效开发的三个技术瓶颈——装备安全、生产安全和环境安全,目前仍未根本突破。事实上,要实现海洋天然气水合物安全、可靠、高效商业开发,我们还有很长的路要走。




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发布日期:2017-05-19 信息来源:中国海洋石油报

可以点燃的海底之“冰”

天然气水合物(NaturalGasHy-drate,简称NGH),因其外观像冰,遇火即可燃烧,俗称可燃冰,是由主体分子(水)和客体分子(甲烷、乙烷等烃类气体)在低温、高压条件下,通过范德华力相互作用,形成的结晶状非笼形化合物。其中水分子借助氢键形成结晶网格,网格中的孔穴内充满轻烃、重烃或非烃分子,根据水合数的不同,将水合物分为不同的类型,目前自然界发现的水合物有I型、II型、H型。

天然气水合物主要分布在陆地永久冻土带和沿海大陆架300~3000米水深的深水区,是继页岩气、致密气、煤层气、油砂等之后的储量最为巨大的接替能源之一。据估计,海洋水合物资源量约为冻土的100倍。鉴于天然气水合物广阔的资源前景,世界各国从上个世纪60年代就启动了水合物资源开发相关的研究,同时由于海洋水合物具有埋深浅、胶结性差等特点,近20年来深水浅层水合物的无序分解等潜在的工程地质灾害、温室效应等也已引起世界各国的高度重视。因此,目前天然气水合物资源安全高效开发和环境风险并重,成为当前世界科技创新的前沿。

目前世界范围内天然气水合物资源勘查与勘探及短期测试取得了初步成果,微观结构分析和开采模拟室内研究不断深入,环境安全监测和风险评价已经启动。

可燃冰如何形成,藏在哪里?

天然气水合物的形成有三个基本条件,缺一不可。第一是低温;第二是一定的压力,4个大气压、10摄氏度左右就可以生成,同时15个大气压、25摄氏度也可以生成;第三,一定要有天然气和水。

高纬度永久冻土区由于地温低、在合适压力条件下储存有可燃冰,分布在冻土层或冻土层下;海洋水合物不同于冻土水合物,合适温度压力,气体和水存在就可能生成水合物,理论在水深大于300米的海水到海底泥线下,只要温度压力、气水充足,就会生成水合物。目前海洋水合物主要分布在世界各大海域陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩中,也可以散布于洋底以颗粒状出现。

从大地构造角度来讲,天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元内。经过地球物理分析、钻探取样证实,天然气水合物广泛分布在世界冻土区和各大海域。目前已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。由于采用的标准不同,不同机构对全世界天然气水合物储量的估计值差别很大。但总的来说,天然气水合物储量巨大。

天然气水合物可以通过底质沉积物取样、钻探取样和深潜考察等方式直接识别,也可以通过拟海底反射层(BSR)、速度和震幅异常结构、地球化学异常、多波速测深与海底电视摄像等方式间接识别。2016年发布的《中国能源矿产地质调查报告》的最新数据,我国可燃冰预测远景资源量超1000亿吨油当量,开发前景广阔。

可燃冰在中国

我国天然气水合物资源调查工作始于上世纪90年代。1990年中国科学院冻土所首次在室内人工合成水合物样品,1998年中国海油在国内首次利用现场气样成功合成水合物。1999年,广州海洋地质调查局首次在西沙海槽海域发现天然气水合物存在的地球物理标志,由此揭开了我国海域水合物调查的序幕。

2001年,“我国海域天然气水合物资源调查与评价”国家专项启动,推动了我国水合物调查研究工作向纵深发展。“国家863”计划自2000年起设立相应的技术研发课题为水合物的调查提供技术支撑。“十五”期间,“国家863”计划设立“天然气水合物探测技术”研究课题、“十一五”设立“天然气水合物勘探开发关键技术”重大项目,初步圈定南海东沙、神狐、西沙、琼东南四个海区11个远景资源区,研发了一批天然气水合物勘探技术、开采模拟技术和取样装备。

2005年4月14日,在北京举行中国地质博物馆收藏首次发现的天然气水合物碳酸盐岩标本仪式,宣布中国首次发现世界上规模最大被作为“可燃冰”即天然气水合物存在重要证据的“冷泉”碳酸盐岩分布区,其面积约为430平方公里。

2006年,由中国海油牵头国家“863项目”“天然气水合物模拟开采技术”正式启动,提出了海洋水合物和油气联合开发的战略思路,标志着水合物由目标勘察向开采技术储备的过渡。2007年,在南海北部神狐海区钻探获取了含天然气水合物岩心样品,证实南海具有广阔的天然气水合物资源前景,实现了战略性突破。

2013年1月,由中国海油牵头的“国家863”主题项目“南海北部天然气水合物钻探取样关键技术”正式启动。项目围绕南海深水天然气水合物的钻探取样工程,研究天然气水合物资源评价、目标优选、钻探取样工具和海上工程技术等前沿课题,形成具有我国自主知识产权的深海水合物钻探目标评价和取样技术组合,成功实施水合物钻探取样,以期建立水合物评价及钻探取样技术体系,为推动南海天然气水合物资源的工业开发奠定基础。

国土资源部中国地质调查局2017年5月18日宣布,我国正在南海北部神狐海域进行的可燃冰试采获得成功。

2016年,我国首批国家重点研发计划启动了“海洋天然气水合物试采技术和工艺”,由中国海油联合国内优势力量承担,2017年国家重点研发计划第二批启动,包括海洋水合物成藏机制与开采机理研究、海洋水合物试采示范工程等重点研发计划相继启动。

按照中国战略规划的安排,2006~2020年是调查阶段,2020~2030年是开发试生产阶段,2030~2050年,中国可燃冰将进入商业生产阶段。


专家答疑

可燃冰开发,难度有多大?

大连理工大学教授杨明军

天然气水合物开采涉及的核心问题是开采效率与安全保障。

日本在海洋天然气水合物首次试采中便发现了井筒堵塞等问题,试采持续6天后终止,同时监测发现了井场地层出现沉降。也就是说海洋天然气水合物开采需要解决水合物开采障碍控制与储层稳定性预测问题。天然气水合物以固态形式存在于沉积层内,通常认为其是沉积物骨架。在开采过程中,天然气水合物分解产生液相水和气相天然气。也就是说天然气水合物开采导致了沉积物骨架结构的直接变化,控制着开采过程沉积层的基础稳定性,因此需要掌握天然气水合物沉积层骨架结构特征以及其开采过程的时变规律,进而提出有效监测和控制技术,实现安全开采。

天然气水合物常见于弱胶结的非成岩地层,需要研究水合物开采储层出砂关键影响因素,研究水合物开采储层挡砂机理、防砂方法与技术,解决制约水合物储层安全高效开采的出砂与防砂技术难题。同时,骨架结构特征是影响和控制沉积层渗透特性变化与气、水多相渗流的首要因素,需要阐明水合物相变过程中气、水产出特性及其控制因素,提出高效产气产水控制技术,实现高效开采。天然气水合物在低温和高压条件下存在,储层温度与压力是天然气水合物开采过程的关键控制参数,决定了开采的安全性、可行性和经济性,需要准确把握天然气水合物开采沉积层内的热量和质量传递特性,描述开采模式与开采储层温压变化规律,提出有效的开采储层温度与压力控制方法。有效避免开采过程天然气水合物二次生成,保障安全、高效天然气水合物开采。

此外,开采核心技术与装备国产化是实现未来我国天然气水合物商业化开采的必要条件,需要大力开发具有自主知识产权的天然气水合物开发相关技术与装备。

各国研究,进展如何?

中国科学院海洋研究所研究员王秀娟

人们认识天然气水合物,已有200年的历史。早在1810年就发现水合物,但天然气水合物的晶体结构直到20世纪50年代才得以确定。水合物研究大致可分为3个阶段:第一个阶段(1810~1934年)为实验室探索研究。在这一阶段,科学家完全受一种好奇心的驱使,在实验室确定哪些气体可以和水一起形成水合物,以及水合物的组成。

第二阶段为天然气水合物应用发展阶段(1934~1993年),这一阶段的研究重点是工业界对管道水合物的预测和抑制技术。20世纪30年代,人们发现输气管道内形成白色冰状固体填积物,并给天然气输送带来很大麻烦,石油地质学家和化学家便把主要的精力放在如何消除天然气水合物堵塞管道方面。

第三阶段(1993年至今)是天然气水合物全面研究时期。以第一届国际水合物会议为标志,为水合物研究全面发展和研究格局基本形成阶段。天然气水合物作为人类未来的潜在能源在世界范围内受到高度重视,水合物生成/分解动力学等基础研究取得重大进展,天然气固态储存等新技术的开发取得重大突破,动力学抑制剂取代传统热力学抑制剂的研究不断深入,天然气水合物和全球环境变迁之间的关系受到关注,形成了以基础研究、管道水合物抑制技术开发、天然气固态储存和水合法分离气体混合物等新型应用技术开发、天然气水合物资源勘探与开发、温室气体的水合物法捕集和封存等为基本方向的气体水合物研究格局。同时在西伯利亚、马更些三角洲、北斯洛普、墨西哥湾、日本海、日本南海海槽、孟加拉湾、印度大陆边缘、南中国海北坡等地相继发现了天然气水合物,并开始了广泛的钻探。

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,政府部门也意识到天然气水合物研究的重要性。目前,世界多个国家在不同海域进行了水合物勘探和钻探研究,其中美国、日本、中国、印度、韩国等国家进行了多个天然气水合物钻探。但是为了进行水合物试验开采和将来的商业试采,目前天然气水合物研究主要是寻找砂质储层的水合物类型,该类型的水合物是在当前开发技术条件下能够进行稳定产气的重要类型水合物。在此基础上,美国和日本还分别制订了试采与商业开采时间表。

开采有无完美方案?

中海油研究总院国家能源深水油气工程研发中心常务副主任李清平

可燃冰的开采方法主要有热激化法、注剂法,降压法和置换法等,由于水合物储层复杂,连续性差,特别是海洋水合物埋深浅、弱胶结,存在于泥质粉砂中,在实现商业开发的同时,如何保持地层稳定,实现连续排采,避免次生灾害是巨大挑战。

开采方案主要有如下几种。方案一是热激化法、注剂法,即利用可燃冰在加热、注剂时分解的特性,使其由固态分解为甲烷和水。但此方法难处在于热效率低,同时对于分散于浅层非均质水合物来说,如何有效实现集成开发面临问题很多。

方案二是降压法,即改变压力使其分解为水和气。

方案三是置换法。研究证实,将二氧化碳液化,注入1500米以下的洋面,就会生成二氧化碳水合物,它的比重比海水大,于是就会沉入海底。如果将二氧化碳注射入海底的甲烷水合物储层,因二氧化碳较之甲烷易于形成水合物,因而就可能将甲烷水合物中的甲烷分子“挤走”,从而将其置换出来。

也有科学家提出将核废料埋入地底,利用核辐射效应使其分解,同时利用固体矿开发。

值得注意的是,尽管美国、加拿大、日本在北极冻土区、日本近海进行了天然气水合物试采,但由于试采时间有限,长期试采的技术可用性和安全性正在评估,制约天然气水合物安全高效开发的三个技术瓶颈——装备安全、生产安全和环境安全,目前仍未根本突破。事实上,要实现海洋天然气水合物安全、可靠、高效商业开发,我们还有很长的路要走。

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