可燃冰未来的新能源

1、各位领导专家各位领导专家大家好大家好! !“可燃冰可燃冰”：未来的新能源：未来的新能源“Flaming iceFlaming ice”: the future new : the future new energyenergy 汇汇 告告 人：人：xxxxx油田采油院油田采油院2021年年10月月28日日汇报内容汇报内容一、一、未来的能源是什么？未来的能源是什么？二、气水合物发展史二、气水合物发展史三、天然气水合物简介三、天然气水合物简介四、水合物形成机理四、水合物形成机理五、天然气水合物的开采方法五、天然气水合物的开采方法六、水合物六、水合物可能可能的工业应用的工业应用一、未来的能源是什么？

2、一、未来的能源是什么？ 石油天然气是不可再生能源，随着开采的不石油天然气是不可再生能源，随着开采的不断进行，产量达到峰值后将不断下降，因此寻断进行，产量达到峰值后将不断下降，因此寻找新能源势在必行。找新能源势在必行。1.1 1.1 世界油气供给现状和预测世界油气供给现状和预测世界石油发现量和产量的变化世界石油发现量和产量的变化 石油发现在石油发现在2020世纪世纪6060年代中期就达年代中期就达到了高峰，随后逐年下降，最近几到了高峰，随后逐年下降，最近几年石油发现量已经低于石油产量。年石油发现量已经低于石油产量。因此预计在近因此预计在近1010年石油产量将达到年石油产量将达到峰值，随后逐年下降

3、。峰值，随后逐年下降。1.2 1.2 接替能源在哪里？接替能源在哪里？核能核能 ？！？！可再生能源可再生能源 可燃冰-天然气水合物有可能成为未来的新能源天然气水合物天然气水合物新能源新能源n初步认为，地球上初步认为，地球上27%27%的陆地和的陆地和90%90%的海域均具备天然气的海域均具备天然气水合物生成的条件水合物生成的条件n天然气水合物赋存于水深大于天然气水合物赋存于水深大于100-250100-250米（两极地区）米（两极地区）和大于和大于400-650400-650米（赤道地区）的深海海底以下数百米米（赤道地区）的深海海底以下数百米至至10001000多米的沉积层内，这里的压力和温度

4、条件能使天多米的沉积层内，这里的压力和温度条件能使天然气水合物处于稳定的固态。然气水合物处于稳定的固态。u永冻层水合物永冻层水合物u海洋水合物海洋水合物1.4 天然气水合物特点能量密度高，洁净能源能量密度高，洁净能源埋藏浅，分布广埋藏浅，分布广（ 100多多个国家和地区）个国家和地区）储量巨大储量巨大（世界范围内（世界范围内1.52.01016立方米）立方米）天然气水合物特点二、天然气水合物研究历史二、天然气水合物研究历史nDavyDavy于于18101810年首次在伦敦皇家研究院实验室成年首次在伦敦皇家研究院实验室成功地合成了氯气水合物；功地合成了氯气水合物；n上世纪上世纪3030年代，发现

5、输气管道内形成白色冰状年代，发现输气管道内形成白色冰状固体填积物；固体填积物；n上世纪上世纪6060年代苏联在麦索亚哈气田地层中发现年代苏联在麦索亚哈气田地层中发现了气水合物藏；了气水合物藏； 美国布莱克海台水合物样品美国布莱克海台水合物样品（MacDonaldMacDonald拍摄）拍摄）ODP 204航次美国水合物脊采集的地质样品航次美国水合物脊采集的地质样品 (Lee,2002)鄂霍次克海，鄂霍次克海，2006截止截止20022002年底，世界上已直接或间接发现水合物共年底，世界上已直接或间接发现水合物共116116处，其中海洋处，其中海洋107107处，陆地处，陆地9 9处。在这处。在

6、这116116处中，直接见到水合物处中，直接见到水合物2323处（海洋处（海洋2020处、陆处、陆地地3 3处），推断水合物处），推断水合物9393处（海洋处（海洋8787处、陆地处、陆地6 6处）。处）。 n资源情况：海洋沉积层内天然气水资源情况：海洋沉积层内天然气水合物中甲烷的资源量为合物中甲烷的资源量为310157.61018立方米之间。立方米之间。可满足人类需要可满足人类需要1000多年。多年。我国南海北部我国南海北部发现的天然气发现的天然气水合物样品。水合物样品。我国的水合物研究及资源我国的水合物研究及资源(1) 1990(1) 1990年中国科学院开展了合成甲烷水合物实验，取得成功

7、。年中国科学院开展了合成甲烷水合物实验，取得成功。(2) 1998(2) 1998年年, ,中国加入大洋钻探计划。中国加入大洋钻探计划。(3) 1999(3) 1999年年10 10 月月, ,广州海洋地质调查局首次在南海开展天然气水合广州海洋地质调查局首次在南海开展天然气水合物前期调查物前期调查, ,在在3 3 条共条共130 km 130 km 的地震剖面上识别出的地震剖面上识别出B S RB S R。之。之后后, ,又在南海西沙海槽识别出又在南海西沙海槽识别出5242 km2 5242 km2 的的B S R B S R 分布区。分布区。(4) 2007(4) 2007年年5 5月月,

8、,中国地质调查局在南海神狐海域中国地质调查局在南海神狐海域3 3 个站位钻获天然个站位钻获天然气水合物实物样品。气水合物实物样品。(5) 2021(5) 2021年在青藏高原祁连山南缘永久冻土层的下面，井深是年在青藏高原祁连山南缘永久冻土层的下面，井深是 130 130到到396396米发现天然气水合物资源。米发现天然气水合物资源。 青海省祁连山南缘永久冻青海省祁连山南缘永久冻土带土带 （估计（估计253亿吨油当亿吨油当量）量）南海北部南海北部（185亿吨油当量）亿吨油当量）我国的水合物资源我国的水合物资源南海北部南海北部立体地貌图立体地貌图西西槽槽沙沙海海海南岛东 沙 群 岛中 沙 群 岛西

9、 沙 群 岛海口广州香港澳门台湾吕宋岛马尼拉神神 狐狐 暗暗 沙沙琼琼东东南南神狐调查区神狐调查区东沙群岛调查区东沙群岛调查区西沙调查区西沙调查区已完成已完成4个航次调查个航次调查多道地震多道地震2053km 测网密度测网密度1632km浅层剖面浅层剖面1050km多波束多波束2100km地质取样地质取样132个站位个站位海底摄像海底摄像54个站位个站位已完成已完成5个航次调查个航次调查多道地震多道地震15975km 目标区三维地震目标区三维地震306km2测网密度测网密度1632km重点区重点区14km多波束多波束13606km地质站位地质站位449个个海底摄像海底摄像117个站位个站位热流

10、测量热流测量78个站位个站位钻探钻探5个站位个站位已完成已完成5个航次调查个航次调查多道地震多道地震8588km 测网密度测网密度1632km重点区重点区14km局部三维局部三维浅层剖面浅层剖面7100千米千米单道单道27千米千米多波束多波束14251km地质站位地质站位382个个海底摄像海底摄像170个站位个站位热流测量热流测量33个站位个站位琼东南调查区琼东南调查区已完成已完成3个航次调查个航次调查多道地震多道地震9800km 测网密度测网密度1632km多波束多波束1218km地质取样地质取样284个站位个站位海底摄像海底摄像58个站位个站位热流测量热流测量20个站位个站位 南海北部陆坡

11、区南海北部陆坡区水合物调查程度水合物调查程度神狐海域钻探位置神狐海域钻探位置5艘船参与调查，截止艘船参与调查，截止2007年底，已完成年底，已完成18个个航次航次 调查工区、调查项目及完成工作量调查工区、调查项目及完成工作量12341、2、3、4为调查区的先后次序为调查区的先后次序青海省天峻县木里镇祁连山南麓可燃冰钻探现场青海省天峻县木里镇祁连山南麓可燃冰钻探现场青藏高原多年冻土分布青藏高原多年冻土分布青藏高原多年冻土面积青藏高原多年冻土面积158.8158.8 10104 4kmkm2 2，约占本区总面，约占本区总面积的积的6666，在平面上的分布基本上与地形的变化和山，在平面上的分布基本上

12、与地形的变化和山脉的走向相一致。脉的走向相一致。羌塘高原大片连续多年冻土区是青藏高原多年冻土的羌塘高原大片连续多年冻土区是青藏高原多年冻土的主体，面积约主体，面积约60.760.7 10104 4kmkm2 2，海拔高度在，海拔高度在4500450070007000米之间。米之间。中国天然气水合物资源预测中国天然气水合物资源预测沉积层厚度、沉积层厚度、饱和度、矿饱和度、矿藏分布面积藏分布面积精确估计较精确估计较为困难为困难中国天然气水合物资源量预测表中国天然气水合物资源量预测表三、水合物简介三、水合物简介 在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水

13、的盐度、的盐度、p pH H值等）下由值等）下由水和天然气水和天然气组成的类似冰状的、组成的类似冰状的、非化学计量的、笼形结晶化合物，其遇火可燃烧，因而非化学计量的、笼形结晶化合物，其遇火可燃烧，因而俗称可燃冰。俗称可燃冰。 3.1 3.1 气体水合物的结构气体水合物的结构水-水：氢键 (hydrogen bond)水分子“笼子 (cavity)”气体分子：CH4, C2H4, C2H6, C3H8, Ne, Ar, Kr, Xe, N2, H2S, CO2, 外观为类冰晶体非化学计量的包合物 (clathrate)3.2 3.2 气体水合物的类型气体水合物的类型晶体类型晶体类型水分子数水分子

14、数 晶穴种类晶穴种类 晶穴数晶穴数 晶穴结构晶穴结构I型型46小小大大2651251262II型型136小小大大16851251264H型型34小小中中大大32151243566351268n人工合成人工合成3.3 3.3 水、冰和天然气水合物热力学性质比较水、冰和天然气水合物热力学性质比较介介 质质密度密度（kg/mkg/m3 3）导热导热系数系数(W/m(W/mK)K)比热比热C C(KJ/kg(KJ/kgK)K)热扩散热扩散系数系数(10(106 6m m2 2/s)/s)水水100010000.550.554.194.190.130.13冰冰9209202.32.32.042.041.

15、221.22天然气水合物天然气水合物6006000.620.622.042.040.510.513.4 3.4 水合物储气性质水合物储气性质储气能力：160 atm钢瓶 110 kg甲烷/m3水合物1 m3水合物0.8 m3水164 Nm3天然气3.5 3.5 水合物形成机理水合物形成机理n气体水合物形成的机理，可以看作是包括形成水合物气体水合物形成的机理，可以看作是包括形成水合物的气体分子与水单体和形成水合物晶格的母体簇团相的气体分子与水单体和形成水合物晶格的母体簇团相互作用的三体聚集过程互作用的三体聚集过程 气体分子在水中的溶解、成核和生长三个基本过程气体分子在水中的溶解、成核和生长三个基

16、本过程1222)()( xxOHMMOHOHcxOHMMOHMOH)()(222ncOHMMOHMOH)()(222气体分子在水中溶解气体分子在水中溶解形成稳定的水合物晶核形成稳定的水合物晶核 晶体增长过程晶体增长过程 气体分子在水中的溶解、成核和生长三个基本过程 3.5 3.5 水合物形成机理水合物形成机理3.5 3.5 水合物形成机理水合物形成机理3.6 3.6 水合物平衡生成条件水合物平衡生成条件3.7 3.7 水合物平衡生成条件水合物平衡生成条件n水合物生成预测水合物生成预测u图解法图解法u基于状态方程的严格计算基于状态方程的严格计算四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法

17、1 1、俄、美、加、日处于开发研究前沿、俄、美、加、日处于开发研究前沿19651965年，在俄罗斯西伯利亚多年冻土区麦索雅哈气田首次发年，在俄罗斯西伯利亚多年冻土区麦索雅哈气田首次发现天然气水合物。现天然气水合物。19691969年开始试开采，到年开始试开采，到19901990年最终停产，累计开采年最终停产，累计开采51.751.7亿立亿立方米天然气。方米天然气。美国和日本分别制定了美国和日本分别制定了20212021年和年和20212021年进行商业开采的时间年进行商业开采的时间表。表。2 2、中国的起步与差距、中国的起步与差距中国对天然气水合物的研究还处在调查评价前期阶段，开采中国对天然气

18、水合物的研究还处在调查评价前期阶段，开采研究刚刚起步，尚未开展试开采研究。青藏高原多年冻土区研究刚刚起步，尚未开展试开采研究。青藏高原多年冻土区水合物资源有可能成为我国最早进行天然气水合物开采地区。水合物资源有可能成为我国最早进行天然气水合物开采地区。 四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法临界线水合物+水水+气TcPc压力温度水合物相态变化示意图升温分解升温分解降降压压分分解解三种途径促水合物分解四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法4242()()()CHn H OCHnH O气水水合物4.1 4.1 降压法降压法 通过降低通过降低NGHNGH藏的压力使藏的压力

19、使NGHNGH低低于相平衡曲线的于相平衡曲线的压力，从而达到压力，从而达到促使促使NGHNGH分解。分解。低压区，水合物分解低压区，水合物分解区区水合物层水合物层盖层盖层井筒产井筒产出气体出气体四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法 4.2 4.2 热激法热激法四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法4.3 4.3 注化学剂法注化学剂法 某些化学剂，诸如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙某些化学剂，诸如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化学剂可以改变水合物形成的相平衡条件，降低三醇等化学剂可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度。当将上述化学剂从井孔泵入后，就会水

20、合物稳定温度。当将上述化学剂从井孔泵入后，就会引起引起NGHNGH的分解。的分解。 添加化学剂较加热法作用缓慢，但确有降低初始能添加化学剂较加热法作用缓慢，但确有降低初始能源输入的优点。添加化学剂最大的缺点是费用太昂贵。源输入的优点。添加化学剂最大的缺点是费用太昂贵。四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法4.3 4.3 注化学剂法注化学剂法四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法CH4水合物CO2水合物COCO2 2置换法开发天然气水合物的原理：置换法开发天然气水合物的原理：1 1、CHCH4 4和和COCO2 2水合物的稳定条件不同；水合物的稳定条件不同；2 2、C

21、OCO2 2水合物的反应焓高于水合物的反应焓高于CHCH4 4水合物的分解热。水合物的分解热。4.4 CO4.4 CO2 2置换法置换法四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法4. CO2置换过程强化方法研究置换过程强化方法研究3.CO2置换动力学实验及模型研究置换动力学实验及模型研究2.水合物存在条件下，水合物存在条件下，CO2和和CH4在溶液中溶解度在溶液中溶解度1. CO2+CH4+H2O体系体系V-H相平衡研究相平衡研究四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法

22、CH4+CO2体系V-H相平衡计算值与实验值比较（T=273.2K; ZCO2 =0.5112;w=0.746）CH4+CO2体系V-H相平衡计算值与实验值比较（T=275.2K; ZCO2 =0.7233;w=0.624）四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法CH4+CO2体系体系V-H相平衡计算值与相平衡计算值与实验值比较实验值比较（P=3.50MPa; ZCO2 =0.5112;w=0.746）CH4+CO2体系体系V-H相平衡计算值与相平衡计算值与实验值比较实验值比较（P P=3.50MPa;=3.50MPa;T T=275.2K=275.2K）COCO2 2置换置换CH

23、CH4 4水合物中水合物中CHCH4 4的实验装置图的实验装置图CH4水合物CH4气体CO2气体气体四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法024487296120 144 168 192 2160.000.020.040.060.080.100.12 时间，h气相CH4增加量，mol 271.2K,3.25MPa 273.2K,3.25MPa 276.0K,3.25MPa Calculation resultsCH4水合物分解量随时间变化024487296120 144 168 192 2160.000.040.080.120.

24、16时间，h气相CO2减少量，mol 271.2K,3.25MPa 273.2K,3.25MPa 276.0K,3.25MPa Calculation resultsCO2水合物生成量随时间变化CO2CH4COCO2 2置换置换CHCH4 4水合物中水合物中CHCH4 4的反应示意图的反应示意图置换动力学模型的建立置换动力学模型的建立 CO2水合物的生成动力学模型的建立水合物的生成动力学模型的建立 AktnFormH,COdd2推动力四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法CH4水合物分解动力学模型的建立水合物分解动力学模型的建立 在置换过程中，有一部分在置换过程中，有一部分CH4

25、分子由于氢键的记忆效应分子由于氢键的记忆效应和维持水合物稳定性的和维持水合物稳定性的需要，重新占据了水合物晶格孔穴的小孔中。本文建立需要，重新占据了水合物晶格孔穴的小孔中。本文建立CH4水合物分解动力学模型水合物分解动力学模型时考虑到这一现象，将模型分为时考虑到这一现象，将模型分为CH4水合物中大小孔的分解和部分水合物中大小孔的分解和部分CH4分子重新占据分子重新占据小孔两部分。小孔两部分。 )(ddG,CHH,CHDecH,CH444ffAktn24COL,CH,S62H,COG,COFormCOL,CH,SG,CHH,CHDecH,CH22244443)(ddffAKffAktn四、天然气

26、水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法CH4水合物分解动力学模型的建立水合物分解动力学模型的建立 tntnddddG,CHH,CH44H,COG,COFormCOL,CH,SG,CHH,CHDecG,CH22244443)(ddffAKffAktn模型中相关参数和变量的计算方法模型中相关参数和变量的计算方法 G,CH4fG,CO2f气相中各组分的分逸度气相中各组分的分逸度 和和PT状态方程状态方程67 水合物相中各组分的逸度水合物相中各组分的逸度H,CH4fH,CO2f和和Chen-Guo水合物模型水合物模型70 H,COG,COFormCOL,CH,SG,CHH,CHDecG,CH222

27、44443)(ddffAKffAktn)(ddH,COG,COFormH,CO222ffAktn四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法 模型中相关参数和变量的计算方法模型中相关参数和变量的计算方法 用用Langmuir等温吸附公式计算：等温吸附公式计算：4CH,S21iCHCHCH,SC1444iiffCPyfiViVijjiiHifxf10*CO2x2COL,= 反应速率常数和活化能求取方法反应速率常数和活化能求取方法 )(ddH,COG,COH,COForm222ffAtnk)(3ddG,CHH,CHH,COG,COFormCOL,CH,SG,CHDec4422244ffAf

28、fAKtnk0244872961201440.000.040.080.12 271.2K,3.25MPa 273.2K,3.25MPa 276.0K,3.25MPa 拟合曲线 nCO2,H ,mol时间 ,h四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法反应速率常数和活化能求取方法反应速率常数和活化能求取方法 根据根据Arrhenius公式，反应速率常数与反应温度存在如下关系：公式，反应速率常数与反应温度存在如下关系：RTEaekk0TREkka1lnln0四、天然气水合物的开采方法四、天然气水合物的开采方法五、天然气水合物可能的工业应用五、天然气水合物可能的工业应用n天然气储运天然气储

29、运n水合物分离技术水合物分离技术n海水淡化海水淡化n二氧化碳深海储藏二氧化碳深海储藏n蓄能蓄能5.1 5.1 水合物储运技术研究现状水合物储运技术研究现状n日本、美国、挪威等在日本、美国、挪威等在2121世纪来临之际加大了该技术的研究力度世纪来临之际加大了该技术的研究力度u工业上还没有被利用过的潜在的高效的储气技术工业上还没有被利用过的潜在的高效的储气技术u可以形成创新性专利成果可以形成创新性专利成果n美国国家天然气水合物研究中心（美国国家天然气水合物研究中心（SCGHSCGH）u启动以使用表面活性剂为主要技术的调峰储气的中试研究启动以使用表面活性剂为主要技术的调峰储气的中试研究u天然气水合物汽车探索项目天然气水合物汽车探索项目五、天然气水合物可能的工业应用五、天然气水合物可能的工业应用n储气量大，储气量大， 1m1m3 3的的 天然气水合物可储存天然气