天然气水合物的勘探与开发-终级版

1、天然气水合物的勘探与开发目录 1.1.天然气水合物的介绍天然气水合物的介绍 2.2.天然气水合物的成藏条件天然气水合物的成藏条件 3.3.截至截至20152015年世界在天然气水合物方面的年世界在天然气水合物方面的勘探方法综述勘探方法综述 4.4.截至截至20152015年世界在天然气水合物方面的年世界在天然气水合物方面的开采方法综述开采方法综述 5.5.截至截至20152015年国内各大研发机构的研发成年国内各大研发机构的研发成果果天然气水合物的介绍天然气水合物的介绍天然气水合物天然气水合物(Natural gas hydrate(Natural gas hydrate，简称简称NGHNGH

2、) )是由水和天然是由水和天然气在气在一定的温度和压力一定的温度和压力条件下组成的非化学计量的条件下组成的非化学计量的笼形晶体结笼形晶体结构化合物构化合物. . 其外观像雪或松散的冰，遇火可燃烧，通常呈白色，其外观像雪或松散的冰，遇火可燃烧，通常呈白色，俗称可燃冰俗称可燃冰. . 研究结果表明，天然气水合物广泛研究结果表明，天然气水合物广泛分布于陆地永分布于陆地永久冻土区和大陆边缘的海底深层砂砾久冻土区和大陆边缘的海底深层砂砾中中. . 据估计，全球深度在据估计，全球深度在 2000 m 2000 m 以内的岩石圈浅部的天然气水合物的碳储量为以内的岩石圈浅部的天然气水合物的碳储量为 2 210

3、16m1016m，相当于现已探明的常规化石能源，相当于现已探明的常规化石能源( (煤、石油和天煤、石油和天然气然气) )总含碳量的总含碳量的2 2 倍，被认为是最具开发前景和能源潜力的倍，被认为是最具开发前景和能源潜力的新能源之一新能源之一. . 国外已在海底和永久冻土层发现了天然气水合物国外已在海底和永久冻土层发现了天然气水合物藏，我国也在藏，我国也在神狐海域神狐海域和祁连山冻土区钻获含天然气水合物的和祁连山冻土区钻获含天然气水合物的岩芯岩芯，中国天然气水合物总资源量约为中国天然气水合物总资源量约为83.6683.661012m31012m3，其中其中南海海域、东海海域、青藏高原冻土区和南海

4、海域、东海海域、青藏高原冻土区和东北东北冻土区分别约为冻土区分别约为64.9764.9710121012，3.383.3810121012，12.512.510121012和和2.82.81012m31012m3。天然气水合物结构图1.1.天然气水合物的成藏条件天然气水合物的成藏条件 天然气水合物的形成与稳定存在需要天然气水合物的形成与稳定存在需要低温和高压低温和高压的条件。的条件。 而天然气水合物形成区往往会有一个而天然气水合物形成区往往会有一个天然气水合物稳定带天然气水合物稳定带（简称（简称GHSZ） GHZS与水深、与水深、底层水温度、压力底层水温度、压力、地温梯度地温梯度、孔隙水孔隙水

5、盐盐度度、天然气成分天然气成分有关有关。天然气水合物分布预测图地层温度与压力 在纯水甲烷体系中 大陆极地地区（大陆极地地区（地表温度低于地表温度低于0）甲烷水）甲烷水合物合物深度上限是深度上限是150m 大洋中（大洋中（海底温度约为海底温度约为03 ）甲烷水合物）甲烷水合物一般产于一般产于水深水深300m以下以下的沉积层中。的沉积层中。地温梯度 地温梯度是地温梯度是决定决定GHSZ厚度厚度的一项重要参数的一项重要参数 高地温梯度高地温梯度 GHSZ较薄较薄 低地温梯度低地温梯度 GHSZ较厚较厚 同时地温梯度是同时地温梯度是壳内热流（壳内热流（+）与与岩石热导岩石热导率（率（）的函数的函数天然

6、气成分 天然气的主要成分是甲烷，但是当成分中含有少量其他气体（如co，乙烷等），水合物的稳定将增强，GHSZ将变厚。孔隙水盐度 孔隙水含盐度变化会影响GHSZ厚度，孔隙水盐度增加时,水合物一气体相边界将向左发生移动,GHSZ变薄，反之则变厚。天然气水合物稳定相图截至截至20152015年世界在天然气水合物方年世界在天然气水合物方面的勘探方法综述面的勘探方法综述 在勘探方面在勘探方面, ,地震资料地震资料似海底反射似海底反射(BSR)(BSR)是用来证是用来证明海底存在水合物的最常见证据然而明海底存在水合物的最常见证据然而,BSR,BSR只是由只是由于于上下沉积层速度差异上下沉积层速度差异形成形

7、成, ,有有BSRBSR不一定代表存不一定代表存在水合物。因此人们尝试了大量其它技术用于水在水合物。因此人们尝试了大量其它技术用于水合物的勘探测试，从而开发出了几大类勘探方法合物的勘探测试，从而开发出了几大类勘探方法 分类如下分类如下：地球物理勘探法，地球化学勘探法，地球物理勘探法，地球化学勘探法，地貌勘测与水下成像勘测地貌勘测与水下成像勘测勘探勘探法细分类法细分类地球物理勘探法地球物理勘探法地球化学勘探法地球化学勘探法地貌勘测与水下成像勘测地貌勘测与水下成像勘测1.地震勘探法地震勘探法2.海底热流勘探海底热流勘探3.海底电磁、重力勘探海底电磁、重力勘探4.测井技术测井技术1.气体异常检测法气

8、体异常检测法2.孔隙水孔隙水Cl 浓度异常浓度异常3.稳定同位素法稳定同位素法地球物理勘探法地球物理勘探法-地震勘探法地震勘探法 物探法是现在普遍使用的天然气水合物的物探法是现在普遍使用的天然气水合物的勘探方法，准确度也比较高，尤其是地震勘探方法，准确度也比较高，尤其是地震勘探技术应用广泛。单道和多道地震是勘勘探技术应用广泛。单道和多道地震是勘探天然气水合物中一直使用的传统方法。探天然气水合物中一直使用的传统方法。 细分为细分为高辨率地震方法、深拖多道地震探高辨率地震方法、深拖多道地震探测方法、海底地震仪方法、海底地震电缆测方法、海底地震仪方法、海底地震电缆等探测方法。等探测方法。高分辨地震勘

9、探高分辨地震勘探设备比传统地震勘探设备比传统地震勘探设备简单设备简单，震源频率高，震源频率高，注重地层垂向分辨率注重地层垂向分辨率，可清楚地显示，可清楚地显示层。层。深拖多道地震勘探深拖多道地震勘探将震源和数据接收电缆置于将震源和数据接收电缆置于近海底，可分辨出近海底，可分辨出水合物层详细的地层结构，但是水合物层详细的地层结构，但是层反射要弱一些。层反射要弱一些。海底地震仪海底地震仪放置于海底，进行定点长期观测，放置于海底，进行定点长期观测，与反射地震数据相配合，可以给出水合物区的与反射地震数据相配合，可以给出水合物区的沉积沉积地层速度结构模型。地层速度结构模型。海底地震电缆海底地震电缆是将电

10、缆铺设在海底来接收地震数据是将电缆铺设在海底来接收地震数据，它可以接收到海面拖缆无法记录到的波信号，利它可以接收到海面拖缆无法记录到的波信号，利于之下的气区成像于之下的气区成像地球物理勘探法海底热流勘探 天然气水合物形成和分解时，都会伴随着天然气水合物形成和分解时，都会伴随着吸热和放热的过程，因此海底热流勘测也吸热和放热的过程，因此海底热流勘测也是研究水合物的重要方法之一。是研究水合物的重要方法之一。 利用利用海底热流探针海底热流探针可以直接测量可以直接测量海底热流海底热流和和海底温度海底温度，利用测得的数据可以估算天，利用测得的数据可以估算天然气水合物稳定带的底界，也可以从宏观然气水合物稳定

11、带的底界，也可以从宏观上确定大陆边缘水合物可能存在的分布范上确定大陆边缘水合物可能存在的分布范围，围，高热流点区或者高地热梯度带一般不高热流点区或者高地热梯度带一般不利于天然气水合物的保存利于天然气水合物的保存地球物理勘探法地球物理勘探法海底电磁、重力勘探海底电磁、重力勘探 海底电磁海底电磁天然气水合物在天然气水合物在电性上电性上是是绝缘的绝缘的，通过人工源海底电磁探测来辅助地震勘探手段，通过人工源海底电磁探测来辅助地震勘探手段，可了解天然气水合物厚度、孔隙度，从而利用可了解天然气水合物厚度、孔隙度，从而利用电法资料辅助评价和计算电法资料辅助评价和计算天然气水合物的资源天然气水合物的资源 重力

12、勘探重力勘探通过通过重力重力仪仪记记录海底随海洋波动录海底随海洋波动的垂直起伏，进而计算近的垂直起伏，进而计算近海底海底沉积地层的剪切沉积地层的剪切模量，通过模量，通过剪切模量剪切模量异常估异常估算沉算沉积地层中积地层中天然天然气水合物的含气水合物的含量量地球物理勘探法地球物理勘探法测井技术测井技术 测测井技井技术术是是进行天然气水合物勘进行天然气水合物勘探的探的有效方法，测井方有效方法，测井方法能法能够在够在原位地层压力原位地层压力和温度条件和温度条件下下测量地层测量地层物理物理特性特性，这种方，这种方法对发现和研究天然气水合物法对发现和研究天然气水合物来说来说是其他是其他的勘探方法所不能替

13、代的的勘探方法所不能替代的地球化学勘探方法地球化学勘探方法气气体异常检测体异常检测法法地球化学勘探方法地球化学勘探方法孔隙水孔隙水Cl浓浓度异常度异常 孔隙水孔隙水中中ClCl浓浓度度异常是水合物矿区的重异常是水合物矿区的重要要标标志之一，通常在水合物分布地区孔隙志之一，通常在水合物分布地区孔隙水水ClCl浓度浓度随深度急剧减小随深度急剧减小，目前收集到的各，目前收集到的各地许多含水合地许多含水合物钻物钻孔中测得的孔隙水氯度孔中测得的孔隙水氯度（. . .% %）都都远低远低于海水（于海水（约约. .% %）。）。因此，因此，孔隙孔隙水浓水浓度度可以可以作为作为指示天然气水合物的一个重要指指示

14、天然气水合物的一个重要指标标. .地球化学勘探方法地球化学勘探方法稳定同位素法稳定同位素法地貌勘测和水下成像勘测地貌勘测和水下成像勘测 现在海底探测手段多样现在海底探测手段多样，普，普遍是利用声呐遍是利用声呐设备，如设备，如多波束、侧扫声呐、合成多波束、侧扫声呐、合成孔径孔径声声呐、浅地层剖面仪呐、浅地层剖面仪等进行海底地形地貌和等进行海底地形地貌和地地层结层结构的探构的探测。测。截至截至20152015年世界在天然气水合物方年世界在天然气水合物方面的开采方法综述面的开采方法综述 开采的开采的基本原理基本原理是通过是通过改变天然气水合物改变天然气水合物的稳的稳定存在的温压条件定存在的温压条件,

15、 ,促使水合物分解促使水合物分解, ,从而达到从而达到开采开采的目的。在目前国内外常见的目的。在目前国内外常见几种几种NGHNGH开采技开采技术主术主要包括要包括: :注热开采法、注热开采法、降压开采法、化学剂开采法降压开采法、化学剂开采法、CO2CO2置换开采置换开采法法以及几种开采方式相结合的开以及几种开采方式相结合的开采方采方法。法。注热开采法注热开采法 注热开采法简称注热法注热开采法简称注热法, ,是将是将蒸汽、热水或其蒸汽、热水或其他热他热流体流体从地面强制注入到从地面强制注入到NGHNGH地层地层, ,使温度上使温度上升升, ,水水合物分解合物分解而形成天然气的开采方法。而形成天然

16、气的开采方法。 缺点：缺点：注热法的主要不足之处在于注热法的主要不足之处在于热损失大、热损失大、效率低。效率低。 改进：改进：Cranganu提提出了出了一种一种新的开采方法新的开采方法,即即条件性注热条件性注热法法:该该方法无需从方法无需从地表地表注入其他热注入其他热流体流体,而是将而是将气体燃料混合物气体燃料混合物由由解解吸气吸气体排出体排出的同一井筒中注入的同一井筒中注入,燃料燃烧所放出的燃料燃烧所放出的热量热量足足以满足水合物分解所需的能量以满足水合物分解所需的能量,达到节约能达到节约能源源的的目的目的。（自产自销）。（自产自销）降压开采法降压开采法降压法降压法: :是是指通过指通过钻

17、探钻探等方法等方法降低降低NGHNGH层下层下面的面的游游离气聚集层位的离气聚集层位的平衡压力平衡压力或形成一个天然或形成一个天然气气/ /囊囊0(0(由注热法或化学剂法作用人为形成由注热法或化学剂法作用人为形成),),与与天天然气然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水和水。优点：优点：不需要昂贵的连续激发不需要昂贵的连续激发当水合物层下面存在当水合物层下面存在自由气藏自由气藏时时,降压开采降压开采是是最最有效有效的的方法方法缺点：缺点：降压过程本身就是有限的，降压过程本身就是有限的，水合物储层下水合物储层下部不存在游离气时，就不能使用部不存在游离

18、气时，就不能使用化学剂开采法化学剂开采法化学开采化学开采法法：是：是以某些以某些化学试剂化学试剂(如甲醇、乙如甲醇、乙醇醇、乙、乙二醇、盐水、氯化钙等二醇、盐水、氯化钙等)改变改变水合物形水合物形成的成的相平相平衡条件衡条件，降低降低水合物水合物的的稳定温度，稳定温度，促进水合促进水合物物分解。分解。缺点：缺点：该该方法最大的缺点是方法最大的缺点是速度速度慢慢,费用高费用高,且且由于海洋中水合物的压力较高由于海洋中水合物的压力较高,回采气体回采气体较困较困难。难。 COCO置换法置换法的原理是的原理是: :甲烷水合物所需的稳甲烷水合物所需的稳定定压压力较力较COCO 高高, ,在某一压力条件下

19、在某一压力条件下, ,甲烷水合甲烷水合物不物不稳定稳定, ,而而COCO水合物水合物却是稳定却是稳定的的, ,这时这时COCO进入进入到天到天然气然气中中, ,与水形成与水形成水合物水合物, ,同时所同时所释放的热量释放的热量可用于可用于分解分解NGHNGH。开采示意图目前天然目前天然气水合物气水合物开采主要开采主要以以降压法降压法为主，为主，配配合合注热法、注热法、注化学试注化学试剂法联用剂法联用天然气水合物降压热激法模拟开采天然气水合物降压热激法模拟开采方案优化研究方案优化研究吉林大学吉林大学（1）1.1.模型建立模型建立水合物储层水合物储层的顶底板为的顶底板为饱水的饱水的透水透水岩层，岩

20、层，透水透水岩层岩层允许允许顶顶底板边界处底板边界处发生发生流体运流体运移移和和热量交热量交换。换。模模型解型解释（释（2 2） 降降压压是是保持保持生产井的生产井的底孔压力底孔压力( (低于原始地低于原始地层压力层压力) )恒定不变恒定不变；热激法热激法是通过是通过井下电磁井下电磁加热加热、微波加热微波加热等方式等方式将热将热以某一功率均以某一功率均匀地匀地分配到分配到生产井生产井过滤器过滤器，而不是注入热，而不是注入热水，从而避免了水，从而避免了次生水合物次生水合物的生成。的生成。双层分支水平井注热海水开采海底双层分支水平井注热海水开采海底天然气水合物经济性评价天然气水合物经济性评价西南石

21、油大学西南石油大学（1） 模型解释模型解释：开采初期，：开采初期，热水热水在两水平井中在两水平井中独立循环独立循环，井眼，井眼周围天然气水合物周围天然气水合物被预热被预热并且并且逐渐分解逐渐分解，随时间推移，两水平井中，随时间推移，两水平井中间间夹层被沟通夹层被沟通并形成并形成高渗透率多孔介质通高渗透率多孔介质通道道，最终得到由两水平井及连通区域组成，最终得到由两水平井及连通区域组成的的“热水腔热水腔”；向；向下层水平井中注入热水下层水平井中注入热水不断扩大不断扩大“热水腔热水腔”作用范围促使更多天作用范围促使更多天然气水合物分解，在然气水合物分解，在上层水平井上层水平井中中采出水采出水和天然

22、气的混合物和天然气的混合物，如此循环进而达到天，如此循环进而达到天然气水合物开采的目的。然气水合物开采的目的。开采简图（2）模型优缺模型优缺点（点（3 3） 模型优缺点模型优缺点： 最为突出的是该开采方法能最为突出的是该开采方法能很好地很好地保证天然气水合物的安全开采，而保证天然气水合物的安全开采，而且方法简便且方法简便，是天然气水合物开采方法的，是天然气水合物开采方法的创新和进步，但创新和进步，但缓慢的采气速率和年仅缓慢的采气速率和年仅0.87% 0.87% 的采收率的采收率却极大地限制了该开采法却极大地限制了该开采法的商业化运行。的商业化运行。 CO CO 置换天然气水合物中置换天然气水合

23、物中 CHCH 的研究进展的研究进展兰州理工大学兰州理工大学(1)(1)反应原理：发生在反应原理：发生在 COCO 与与CHCH 水合物之间的水合物之间的置换反应方程式为：置换反应方程式为：该反应已经被证实存在热力学与动力学的可行性该反应已经被证实存在热力学与动力学的可行性COCO 置换天然气水合物中置换天然气水合物中 CHCH 的研究进展的研究进展兰州理工大学兰州理工大学(2)(2) 优缺点：优缺点：研究表明，置换反应在动力学上研究表明，置换反应在动力学上是可行的，且是可行的，且置换效率较高置换效率较高，但，但置换速率置换速率较慢较慢。温度和压力越高温度和压力越高越有利于置换反应越有利于置换

24、反应进行；温度在冰点以下，置换效率较低；进行；温度在冰点以下，置换效率较低；压力的影响比温度小压力的影响比温度小海水提升法试采南海天然气水合物的可海水提升法试采南海天然气水合物的可行性分析行性分析广州海洋地质调查局广州海洋地质调查局（1 1） 系统工作原理及流程系统工作原理及流程:海水提升法海水提升法的工作原理是在海底的工作原理是在海底用用采矿车采矿车把把天然气水合物天然气水合物以以固体固体的形式采出，再利用的形式采出，再利用海海底集矿系统底集矿系统对浅层的水合物进行对浅层的水合物进行初步分离初步分离，然后利用海，然后利用海水提升系统将先前收集的水合物提升至海面采矿船水提升系统将先前收集的水合物提升至海面采矿船. 水水合物在提升过程中由于合物在提升过程中由于外界温压条件的变化外界温压条件的变化，将会发生，将会发生部分分解，部分分解，但是整个系统是密闭的但是整个系统是密闭的. 因此，在这个过程因此，在这个过程中务必要中务必要采取气采取气-液液-固三相混合输送技术固三相混合输送技术. 矿藏经过充分矿