天然气地质学作业.doc

天然气地质学作业课程名称：可燃冰文献综述姓 名：郝磊班 级：研113 学 号：1108240308授课教师：时保宏 完成日期：2012年6月5日可燃冰文献综述一、可燃冰发展概况可燃冰又称天然气水合物, 它是指天然气 ( 主要成分为甲烷) 在特定的低温高压下与水结合生成的一种“气水合物”的固态物质。从 1810 年开始科学家就在实验室把各种气体通过降温加压和水结合生成“冰块”。自然界中也存在大量的可燃冰, 如果自然环境具备了低温高压、有气有水的条件, 就有天然的可燃冰存在, 这种条件在自然界不少。1968年, 在西西伯利亚北部的麦索雅哈天然气田(现已关闭)就发现了这样一个天然气水合物气藏。迄今为止, 世界上至少已有 30 多个国家和地区在进行可燃冰的研究。其中, 日本已基本完成周边海域的可燃冰调查与评价, 钻探了 7 口探井, 成功取得可燃冰样品, 期望在 2010 年投入商业开采; 而美国也希望于 2015 年在海床或永久冻土带进行商业开采。我国从 1997 年起就开始组织对可燃冰的前期研究。中国地质调查局 2007 年 5 月在我国南海北部神狐海域成功钻探获得可燃冰实物样品, 并证实此地区可燃冰资源蕴藏丰富。由此中国成为继日本、美国、印度之后的第 4 个通过国家级研发计划开采到天然气水合物实物样品的国家。二、可燃冰开采与利用研究1. 基础研究燃冰的形成有 3 个基本条件: 温度不能太高, 在 0以上可以生成, 010为宜, 最高20左右。 压力要够, 但不能太大, 0与 30 个大气压以上可燃冰即可生成。 地底要有气源。根据上述理论, 地球上可燃冰矿藏的形成有两条途径: 一是气候寒冷致使矿层温度下降, 加上地层的高压力, 使原来分散在地壳中的碳氢化合物气体和地壳中的水形成气 水结合的矿层。二是由于海洋里大量的生物和微生物死亡后, 留下的遗体不断沉积到海底, 很快分解成有机气体如甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)等, 这样, 它们便钻进海底结构疏松的沉积岩微孔, 和水形成“气水合物”。最有可能形成可燃冰的区域一个是高纬度的冻土层, 如美国的阿拉斯加、俄罗斯的西伯利亚都已发现了可燃冰, 而且俄罗斯 20 年前就已经钻取到可燃冰样品。另一个是海底大陆架斜坡, 在美国和日本的近海海域, 如加勒比海沿岸及我国南海和东海海底均有储藏, 估计我国黄海海域和青藏高原的冻土带也储藏有可燃冰。二者之中, 海底的可燃冰储量较大。2. 可燃冰的探索(1)可燃冰的储量可燃冰是一种冰状白色固态晶体,水分子一般通过氢键合成多面体笼,笼中包含有客体的天然气分子。这种具有笼形构造的气体水合物通常在一种特定的高压低温条件下形成并稳定存在。一个单位体积的可燃冰分解后,可以产生164个单位体积的天然气和08个单位体积的水。海底可燃冰分布的范围约4107km2,占海洋总面积的10%,海底可燃冰的储量够人类使用1000年。目前世界各大洋中已发现的可然冰总资源碳热量为20亿亿m3以上,国际科技界公认的全球可燃冰资源量,相当于全世界已知煤、石油、天然气含碳量总和的2倍以上。仅我国,已初步探明的海域至少有71010t可燃冰资源,相当于陆上石油、天然气资源总量的一半。(2)可燃冰的形成机制经专家分析,可燃冰的形成与海底石油、天然气的形成过程相仿。在至少为600800m深的海床上,大量细菌吞食动植物等有机物残留遗体时会分泌释放出甲烷气,深海下往往水温较低,且压力较高,这样就导致许多被释放出的甲烷气被包进水分子中,与周围沙土混杂物等混掺“冻”在一起,形成一种“混凝土”似的甲烷冰冻水合物。因此,可燃冰的形成必须具备以下三个条件:一是0至10的低温;二是压力要保持在10MPa高压或水深300m以上;三是地底要有气源。(3)可燃冰的勘察截至2002年底,世界上已直接或间接发现天然气水合物共116处(其中海洋就有85处),直接水合物样品23处。目前勘察可燃冰最好的两种方法是地震波法和速声波法。地震波法是最简单且常用的方法,首先将地震波在岩石层和天然气水合物层的差异记录在滤波器中,然后对其进行检测、判断。用这种方法勘测速度最快,而且可以水、陆通行。在我国南海的西沙海槽地区,这种方法勘探了100km以上的海洋波面,发现大约有1/3面积的地震反射波与天然气水合物的地震反射波很相像,并由此推断那里存在着丰富的可燃冰。富含甲烷的天然气水合物层中肯定会有一定数量的气体扩散出来,使得局部甲烷的含量高于周围地区。速声波法是利用声波在天然气水合物、海水和岩石层之间的传播速度不同,而且前者明显最快,接着再利用物理及化学法,并根据扩散原理,判定浓度最大的区域对应的一定是矿藏的中心位置,通过测量多个点,进而便可给出矿藏的图示。3. 开采思路思路一: 与传统油气开采结合, 通过降压、注热、注化学药剂以及 CO2的方法, 将可燃冰在海底分解为气体, 然后输导至海平面。其开采方法主要有热解法、降压法和置换法 3 种。(1) 热解法利用可燃冰在加温时分解的特性, 使其由固态分解出 CH4气体。但应用此方法的难处在于不好收集。海底的多孔介质不是集中为“一片”, 也不是一大块岩石, 而是较为均匀地遍布着。如何布设管道并高效收集 CH4气体是亟需解决的问题。( 2) 降压法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。但它们都面临着和热解法同样要布设管道并高效收集的问题。( 3) 置换法研究证实, 将 CO2液化, 注入 1 500m 以下的洋面 ( 不一定非要到海底) , 就会生成 CO2水合物, 它的比重比海水大, 就会沉入海底。如果将 CO2注射入海底的 CH4水合物储层, 因 CO2较 CH4更易形成水合物, 因而就可将 CH4水合物中的 CH4分子置换出来。该法存在布设管道和高效收集 CH4气的问题。思路二: 固态开采, 即将可燃冰以固体形态输送到海底, 进行初步泥沙分离后采用固 液 气三相输送技术, 将固态可燃冰及输送过程中分解出的气体输送到海面, 然后利用海面的高温海水对可燃冰进行分解、收集并通过管道输送, 或将分解得来的气体重新制成可燃冰固体转入船运。海洋可燃冰的传统开采法与固态开采法各有优缺点,。从各国进行的试验性开采来看, 这些方法要么技术复杂、成本高昂, 要么推广价值不大, 不适合大规模作业。4. 开采利用面临的困难可燃冰和石油、天然气相比, 更不易开采和运输, 世界上至今还没有较完善的开采方案。开采可燃冰主要面临着以下 3 个难题: ( 1) 可燃冰开采可能导致大量温室气体排放而污染环境由于 CH4是绝大多数可燃冰中的主要成分, 同时也是一种对温室效应影响快速明显的气体。可燃冰中 CH4的总量大致是大气中 CH4数量的 3 000 倍。作为短期温室效应气体, CH4比 CO2所产生的温室效应影响要大。可燃冰非常不稳定, 在常温和常压下极易分解, 一旦从海底升到海面就会分解释放出CH4气体。学者认为, 可燃冰矿藏极易受到破坏,甚至是自然的破坏, 从而导致 CH4气的大量散失。而这种气体进入大气, 无疑会增加温室效应, 进而使地球升温更快。( 2) 特殊的存在条件极有可能引发地质灾害。由于可燃冰经常作为沉积物的胶结物存在, 它对沉积物的强度起着关键作用。可燃冰的形成和分解能够影响沉积物的强度, 进而诱发海底滑坡等地质灾害的发生。日益增多的研究成果表明, 由自然或人为因素所引起的温压变化, 均可使水合物分解,造成海底滑坡、生物灭亡和气候变暖等环境灾害。美国地质调查所的调查表明, 可燃冰能导致大陆斜坡发生滑坡, 这对各种海底设施是一种极大的威胁。由此可见, 可燃冰既是未来的一种新能源, 同时也是一种有潜在危险的能源。( 3) 目前技术条件下的开采成本过于高昂根据美国和日本披露的数据, 目前的可燃冰开采平均成本高达 200 美元/ m3, 根据 1 m3可燃冰释放能量相当于 164 m3的天然气计算, 其折合天然气的成本达到 1 美元/ m3以上, 而上海目前民用天然气的售价也不过 2 元/ m3。上述难题已经成为人类大规模开发利用可燃冰的巨大障碍。不过, 随着技术进步和科学发展, 未来这些问题都将能得到很好的解决。三、国外可燃冰研究开发现状迄今,世界上至少有30多个国家和地区进行可燃冰的研究与调查勘探。美国、日本、印度等国近年来纷纷制订天然气水合物研究开发战略和国家研究开发项目计划。美国于1981年投入800万美元制订了天然气水合物10年研究计划; 1998年又把天然气水合物作为国家发展的战略能源列入长远计划,每年投入2000万美元,准备在2015年试开采。日本经济产业省已从2000年开始着手开发海底天然气水合物,开发计划分两段进行,前5年对开采海域的蕴藏量和分布情况进行调查,从第3年开始就打井以备调查用,之后5年进行试验性采掘工作,2010年以后实现商业生产。韩国产业资源部制订了可燃冰开发10年计划,计划投入总计2257亿韩元,用以研究开发深海勘探和商业生产技术。印度在1995年制订了5年期全国气体水合物研究计划,由国家投资5600万美元对其周边海域的天然气水合物进行前期调查研究。目前,美国、俄罗斯、荷兰、加拿大、日本等国探测可燃冰的目标和范围已覆盖了世界上几乎所有大洋陆缘的重要潜在远景地区以及高纬度极地永冻土地带和南极大陆陆缘区,同时,俄、美、加等国通过地震勘探工作,已查明在北极地区有大量正在形成的天然气水合物。据日本经济产业省专家小组会议2008年8月18日在东京发表的一份文件所说,日本政府将在一个叫作Nankai海槽的深海沟中进行冰冻甲烷的试验性生产。韩国已成功完成可燃冰开发10年计划第一阶段任务,确认韩国周边海域海底可燃冰矿藏,并对储藏量进行初步估计; 20082011年,韩国将完成对周边海域进一步勘探工作;20122014年,对周边海域发现的可燃冰矿藏储量进行最终确认,研发可燃冰商业生产相关技术。四、我国有关可燃冰的研究及调查近年来，国家领导和国土资源部、科技部、财政部、国家计委等部委领导非常重视天然气水合物的调查与研究。首先是对我国管辖海域历年来做过大量的地震勘查资料分析，在冲绳海槽的边坡、南海的北部陆坡、西沙海槽和西沙群岛南坡等处发现了海底天然气水合物存在的似海底地震反射层（BSR）标志。并在对海底天然气水合物的成因、地球化学、地球物理特征、外北采集、资料处理解释、钻孔取样、测井分析、资源评价、海底地质灾害等方面进行了系统的研究，并取得了丰富的资料和大量的数据。从1984年开始，我国地质界对国外有关水合物调查状况及其巨大的资源潜力进行了系统的资料汇集。广州海洋地质调查局的科技人员对20世纪80年代早、中期在南海北部陆坡区完成的2万多公里地震资料进行复查，在南海北部陆坡区发现有似海底反射（BSR）显示。根据国土资源部中国地质调查局的安排，广州海洋地质调查局于1999年10月首次在我国海域南海北部西沙海槽区开展海洋天然气水合物前期试验性调查。完成三条高分辨率地震测线共543.3km。2000年9月至11月，广州海洋地质调查局“探宝号”和“海洋四号”调查船在西沙海槽继续开展天然气水合物的调查。资料表明：地震剖面上具明显似海底反射界面（BSR）和振幅空白带。“BSR”界面一般位于海底以下300-700m，最浅处约180m。振幅空白带或弱振幅带厚度约80600m，“BSR”分布面积约2400km2。以地震为主的多学科综合调查表明：海域天然气水合物主要赋存于活动大陆边缘和非活动大陆边缘的深水陆坡区，尤以活动陆缘俯冲带增生楔区、非活动陆缘和陆隆台地断褶区水合物十分发育。根据ODP184航次1144钻井资料揭示，在南海海域东沙群岛东南地区，一百万年以来沉积速率在每百万年4001200m之间，莺歌海盆地中中新世以来沉积速度很大。资料表明：南海北部和西部陆坡的沉积速率和已发现有丰富天然气水合物资源的美国东海岸外布莱克海台地区类似。南海海域水合物可能赋存的有利部位是：北部陆坡区、西部走滑剪切带、东部板块聚合边缘及南部台槽区。本区具有增生楔型双BSR、槽缘斜坡型BSR、台地型BSR及盆缘斜坡型BSR等四种类型的水合物地震标志BSR构型。从地球化学研究发现南海北部陆坡区和南沙海域，经常存在临震前的卫星热红外增温异常，其温度较周围海域升高56，特别是南海北部陆坡区，从琼东南开始，经东沙群岛，直到台湾地区西南一带，多次重复出现增温异常，它可能与海底的天然气水合物及油气有关。综合资料表明：南海陆坡和陆隆区应有丰富的天然气水合物矿藏，估算其总资源量达643.5772.2亿吨油当量，大约相当于我国陆上和近海石油天然气总资源量的1/2。西沙海槽位于南海北部陆坡区的新生代被动大陆边缘型沉积盆地。新生代最大沉积厚度超过7000m，其断裂活跃。水深大于400m。基于应用国家863研究项目“深水多道高分辨率地震技术”而获得了可靠的天然气水合物存在地震标志：在西沙海槽盆北部斜坡和南部台地深度200700m发现强BSR显示，在部分测线可见到明显的BSR与地层斜交现象；振幅异常，BSR上方出现弱振幅或振幅空白带，以层状和块状分布，厚度80450m；BSR波形与海底反射波相比，出现明显的反极性；BSR之上的振幅空白带具有明显的速度增大的变化趋势。资料表明：南海北部西沙海槽天然气水合物存在面积大，是一个有利的天然气水合物远景区。2001年，中国地质调查局在财政部的支持下，广州海洋地质调查局继续在南海北部海域进行天然气水合物资源的调查与研究，计划在东沙群岛附近海域开展高分辨率多道地震调查3500km，在西沙海槽区进行沉积物取样及配套的地球化学异常探测35个站位及其他多波束海底地形探测、海底电视摄像与浅层剖面测量等。另据我国台大海洋所及台湾中油公司资料，在台西南增生楔，水深5002000m处广泛存在BSR，其面积2104km2。并在台东南海底发现大面积分布的白色天然气水合物赋存区。19981999年863项目开展了“海底气体水合物资源探查的关键技术”研究，1999年广州海洋地质调查局在南海西沙海槽区至少在130km地震剖面上发现了BSR；2000年广州海洋地质调查局在西沙海槽继续进行以可燃冰为目标的地震测量。经过两年多工作已大致圈出8000km2BSR可燃冰范围。此外，在台湾省东南和西南海底也发现了可燃冰。五、我国可燃冰研究开发现状1990年中国科学院与莫斯科大学冻土专业学者合作开展室内可燃冰合成试验。1992年,史斗等人将当时国外有关天然气水合物研究的资料进行整理精选,翻译出版了中国第一部关于天然气水合物研究的中文资料国外天然气水合物研究进展。1998年,中国完成了“中国海域气体水合物勘测研究调研”课题,首次对中国海域的天然气水合物成矿条件及找矿远景做了总结。据专家分析,青藏高原的羌塘盆地和东海、南海、黄海的大陆坡及其深海,都可能存在体积巨大的可燃冰。2002年,国家批准设立了水合物专项“我国海域天然气水合物资源勘测与评价”。“十一五”期间,“863”计划海洋技术领域设立了“天然气水合物勘探开发关键技术”重大项目。国家科学技术部制订的国家重点基础研究发展计划(“973”计划)“十一五”发展纲要中,大规模新能源天然气水合物的探索研究被列为能源领域重点研究方向。2007年6月,我国南海北部可燃冰钻探顺利结束,科学家共在3个工作站位成功获得高纯度的可燃冰样品。2008年10月,我国首艘自主研制的可燃冰综合调查船“海洋6”号在武昌造船厂下水。六、可燃冰开发前景天然气水合物是一种溢散气体,因此开采时最易泄漏,如果控制不住,极易造成“井喷”。大量可燃冰排出后会造成强烈的温室效应,破坏海洋的稳定平衡,加剧气候变暖,并对海洋本身也有极大的危害,甚至造成大陆架边缘的动荡,导致灾难性海啸,同时也会危及海底油气管线、水下电缆等设施。因此,对这种新能源的开发利用重要的是要突破一系列的技术难题。目前可燃冰的开采成本高达200美元/m3,折合成天然气要1美元/m3,这也是勘测、开采可燃冰不得不面对的问题。七、结束语我国从 1993 年起成为石油净进口国以来, 石油进口量不断增加, 目前石油进口量已占石油消耗总量的 40% 以上, 而且这一比例还在增大。因此, 开发可燃冰资源, 对我国的后续能源供应和经济的可持续发展, 具有重大的战略意义。由于我国对可燃冰的研究较日本、美国等国家晚, 尽管已成功取得了可燃冰实物样品, 但依然不能太乐观。调查仅仅认识了天然气水合物存在的现象, 钻探也仅仅在一个点上取得突破, 要科学地认识南海北部整个海域天然气水合物的形成机理和分布规律, 尚有许多科学问题需要解决。另外, 在开采技术方面, 钻探获取可燃冰的中国地质调查局研究人员承认: 中国目前还不具备独立钻探和取芯的技术, 所以应和国外钻探公司加强合作, 加快可燃冰的开发利用速度。但有关可燃冰开采方面的技术各国都高度保密。有媒体报道称, 在中美第二次战略经济对话签署的能源合作协议中, 尽管双方同意在清洁能源技术方面展开广泛合作, 但是可燃冰开采方面的技术合作却被排除在外。因此, 我国独立自主地研究属于自己的可燃冰开发利用技术, 做到开采技术的自主创新, 具有十分重要的意义。参考文献1 戴金星.可燃冰:未来能源J.中国石油,2002(2).2 胡春, 裘俊红.天然气水合物的结构性质及应用 J . 天然气化工, 2000, 19(6): 23- 26.3 樊栓狮.可燃冰开采, 躲过“陷阱”得到“馅饼” N . 科学时报, 2007- 10- 16.4冯丹,李选民.新型能源可燃冰的研发现状J.能源技术与管理,2009(6):1131185龙学渊,袁宗明,倪杰.国外天然气水合物研究进展及对我国的对策建议J.勘探地球物理进展,2006,29(3):170177.6吴立宗,潘小多,盖春梅,等.中国区域沙漠化土地利用数据集介绍EB/OL.兰州:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,2008.7杜小武.陕西石油天然气资源开发与产业发展研究综述J.西安石油大学学报:(社会科学版),2009,18(4):58.8孟昭莉.可燃冰前景可期N/OL.北京青年报.2009-09-25(10).9张蕾.“可燃冰”开采:一场将 灾 祸 变 成 福 音 的 考 验 N /OL.光明网.2009-10-29(10)2010-4-26./content/2009-10/29/content_1001122.htm.10蒲公英.我国可燃冰开采广阔前景与瓶颈N/OL.中国生物能源网.2009-10-29.2010-4-26./cyclopedia/2008/0926/cyclopedia_156833.html.11梁钢华.高原冻土区可燃冰勘探开发方案通过专家组验收N/OL.中国日报.2010-03-26(6)2010-4-26./dfpd/guangdong/2010-03-26/80249.html.12Makogon Y F. Hydrates of Hydrocarbons M. Tulsa, Oklahoma: Pennwell Publishing Company, 1997: 1-8.13Davy H. The Bakerian Lecture：On some of the combination ofoxymuriatic gas and oxygen, and on the chemical relations of theseprinciples to inflammable bodiesJ. Philos. Trans. R . Soc. London.,1811, 101(Part): 1-35.14Ripmeester J A. Hydrate geust-host interactions, structions, structure,and processes: a molecular viewC/Proceedings of the 7th InternationalConference on Gas Hydrates (ICGH 2011). Edinburgh, Scotland, U-nited Kingdom, 2011.15Suess E. Marine gas hydrate research: changing views over the past 25yearsC/Proceedings of