天然气水合物形成条件与含量影响因素的半定量分析
天然气水合物研究与开发
天然气水合物研究与开发天然气水合物是一种新型的燃料资源，其储量相当丰富，可成为未来能源转型的重要后备力量。
目前，天然气水合物研究与开发已经成为全球能源科技的热点。
一、什么是天然气水合物天然气水合物，是一种以天然气和水形式结合的化合物，也称为天然气冰或脆冰。
它的分子结构是由天然气分子和水分子构成的六边形晶格结构，其中天然气占70%左右，水分子占30%左右。
由于这种化合物在常温常压下呈脆性，有如冰块，因此被称为水合物。
天然气水合物分布广泛，主要分布在浅海和大陆架上，特别是北极地区、南海和日本海等开垦较少的区域。
据估算，全球天然气水合物储量超过14万亿立方米，其中中国的海域储量最高，达3400亿立方米以上，是世界最大的天然气水合物资源国家。
二、天然气水合物研究与开发现状天然气水合物研究和开发虽然起步较晚，但近年来取得了密集的进展。
目前，全球主要的天然气水合物开发国家包括日本、美国、加拿大、印度、中国等。
在日本，多家大型能源公司已经积极投资天然气水合物的开发研究。
日本已经建立了一系列天然气水合物研究机构，主要研究领域包括天然气水合物开采、运输、存储等方面。
美国和加拿大也在积极开展天然气水合物研究工作，主要集中在研究天然气水合物的资源量和开采技术等。
美国已经成立了多个天然气水合物研究中心和联合实验室，而加拿大则在开采海域天然气水合物方面颇具优势。
在印度，天然气水合物研究和开发也备受重视。
印度天然气公司和国家天然气水合物公司联合投资，开展天然气水合物研究和开采工作。
中国也将天然气水合物作为战略能源资源来进行研究开发。
自2013年以来，中国天然气水合物开发基地建设进展迅速，中国海油、中海油、中化集团等多家国内大型能源公司也进行了天然气水合物研究和开发工作。
三、天然气水合物的优缺点与传统燃料相比，天然气水合物具有许多优点。
首先，天然气水合物储量丰富，可作为未来的主要能源资源；其次，天然气水合物燃烧释放出的二氧化碳排放量较低，不会对环境造成较大污染；最后，天然气水合物与液化天然气相比，其产生的碳排放量更少，能源利用效率更高。
天然气水合物简析
浅谈天然气水合物天然气水合物是以CH4 为主，含少量CO2，H2S的气态烃类物质充填或被束缚在笼状水分子结构中形成的冰晶化合物，俗称“可燃冰”。
一．天然气水合物的存在类型及成因分析R D Malone 等对天然气水合物进行了多年的研究，指出天然气水合物存在有4 种类型第一种是良好分散水合物，均匀分布在岩石的孔隙或裂隙中；第二种是结核状水合物，其直径为5cm 水合物气体为从深处迁移的热成因气体；第三种是层状水合物，分散于沉积物的各薄层中，主要分布在近海区域和永久冰冻土中；第四种是块状水合物厚度为3-4CM，水合物的含量为95%沉积物含量为5%主要形成于断裂带等有较大的储存空间的环境中。
（图一）图一天然气水合物的存在类型根据形成环境的温度和压力条件，将天然气水合物的成因机制分为以低温条件为主控因素的低温成因型和以高压条件为主控因素的高压成因型。
（图二）低温成因型：形成天然气水合物时温度起主要控制作用，形成的条件是温度低而相对压力较小，如青藏高原冻土带浅部的天然气水合物和100-250m以下极地陆架海的天然气水合物。
高压成因型：随埋深增大，压力增高而温度也因地温梯度相应增高，高压力对形成天然气水合物的形成起主导因素如水深为300-4000m 的海洋天然气水合物基本上是在高压条件下形成的掌握了天然气水合物的形成条件，对开发利用时是采用热激发法还是降压法，化学剂法具有一定指导意义。
根据天然气的来源将天然气水合物成因机制分为原生气源型和再生气源型：原生气源型是指已存在的天然气田m 煤层气田深处迁移的热成因气体等因温度或裂隙压力或天然气浓度的变化而转变为天然气水合物, 在此过程中无外来物质的加入m 天然气水合物可与常规的天然气(油田) 煤层气(煤田) 相伴而生。
再生气源型是指特定的环境条件下, 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甲烷, 这些有机气体, 在压力的作用下便充填到海底结构疏松的沉积岩孔隙中, 在低温和压力的作用下形成天然气水合物。
天然气水合物形成条件
04
深海环境中天然气水合物形成特 点
深海环境特征描述
01
02
03
高压低温
深海环境具有极高的压力 和相对较低的温度，这是 天然气水合物形成的基本 条件。
沉积物丰富
深海底部沉积物丰富，为 天然气水合物的形成提供 了充足的物质来源。
地质稳定
深海环境地质相对稳定， 有利于天然气水合物的长 期保存和聚集。
未来发展趋势预测
技术进步
随着天然气水合物勘探开发技术的不断进步，未来有望实现商业 化开发，降低开采成本，提高产量和效率。
环保要求
在环保要求日益严格的背景下，天然气水合物开发将更加注重环境 保护和可持续发展。
能源转型
在全球能源转型的大背景下，天然气水合物作为一种清洁、高效的 能源，有望在未来能源结构中占据重要地位。
可燃冰名称由来
01
因其外观像冰，遇火即燃，因此 被 称 为 “ 可 燃 冰”（ Combustible ice ）。
02
同时，这种天然气水合物又被 称 为“固体瓦斯”或“气冰” ，以 突出其可燃性和固态特征。
02
天然气水合物形成条件概述
高压低温环境要求
压力
天然气水合物的形成需要较高的压力，通常存在于深海沉积 物或高纬度地区的永久冻土中。在这些环境中，压力可以使 气体分子被压缩并接近水分子，从而形成水合物。
06
天然气水合物资源潜力及开发前 景
全球资源潜力评估
资源丰富
全球天然气水合物资源量巨大，据估算，其总有机碳储量是全球 已知煤、石油和天然气总储量的两倍以上。
分布广泛
天然气水合物分布于世界各大洋和陆地永久冻土带，其中海底天 然气水合物资源占主导地位。
天然气水合物形成条件预测及防止技术_续_
ΔT
=
(1
KX - X)
M
( 22 )
Nielsen2Nucklin 法
1 —压降曲线 ;2 —降压后的压降曲线 ;3 —生成水合物温
Δ T = - 72 M (1 - X m )
( 23 )
度曲线 ;4 —温降曲线 ;5 —降压后的生成水合物曲线
冷点下降法
图 8 用降压的方法防止生成和排除已生成的水合物
按相平衡法得到形成水合物温度为 1918 ℃。
组成 CH4 C2 H6 C3 H8 nC4 H10 iC4 H10
表 6 某油田凝析气组成
摩尔分数 ( %) 731003 8104 4128 115 0173
组成 nC5 H12 iC5 H12
C6+ N2 CO2
摩尔分数 ( %) 016 0154 7153 0164 3111
如干线输气管道中天然气的最低温度接近于零 度 ,在此 温 度 下 , 生 成 水 合 物 的 平 衡 压 力 约 为 1 ～ 115MPa 。而一般的输气压力大于 5MPa, 因此 ,用降 压来防止干线输气管道中天然气生成水合物并不是一 种有效的方法 。 313 干燥
防止天然气在输气管道中生成水合物的根本办法 就是干燥天然气 ,脱去其中水份 ,降低其露点 。 314 添加抑制剂 31411 抑制剂浓度与水合物生成温度降的关系 人
1.22945 ×10 -4
-1 .28865 ×10 -2
1.62995 ×10 -4
0
0
乙 二 醇
C 5.0388 ×10 -3 11492 ×10 -2
D 6.043 ×10 -5
619 ×10 -5
E 0 1.76 ×10 -6 0
天然气水合物形成与生长影响因素综述
2016年第35卷第1期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·57·化工进展天然气水合物形成与生长影响因素综述丁麟，史博会，吕晓方，柳扬，宫敬（中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家重点实验室，北京 102249）摘要：天然气水合物（NGH）是水分子和天然气分子形成的一种复杂的笼型晶体，其在油气管道输送、天然气储存和制冷等行业中都具有重要的研究意义和利用价值，但天然气水合物的形成是一个多组分、多阶段的复杂过程，不同因素对于天然气水合物形成和生长的影响尚有待明确。
本文介绍了天然气水合物形成的物理过程以及水合物成核的3种机理假说；详细梳理了基质两亲性、添加剂、多孔介质环境和杂质、液体组成、温度压力以及流动条件等因素对于天然气水合物形成和生长的影响，并对其作了简要分析。
同时指出，原油组成对于水合物抑制效果的定量化、蜡晶结构对于水合物形成过程中传质和传热的影响以及微观化的动力学抑制剂抑制机理等都是水合物相关研究中需要进一步深入探究和明确的问题。
关键词：天然气水合物；物理过程；形成；生长；影响因素中图分类号：TE 65 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）01–0057–08DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.008Review of influence factors of natural gas hydrate formation and growth DING Lin，SHI Bohui，LÜ Xiaofang，LIU Yang，GONG Jing（State Key Laboratory of Pipeline Safety，China University of Petroleum(Beijing)，Beijing 102249，China）Abstract：Natural gas hydrate is a kind of complex clathrate crystal formed by water and natural gas molecules，which has an important significance for research and utilization in industries of oil/gas pipeline transportation，natural gas storage and refrigeration. While the formation and growth of natural gas hydrate is a complex process involving multi-components and multistages，and the influence of different factors on hydrate formation and growth still needs to be understood. This paper introduces the physical process of natural gas formation and three hypotheses of natural gas nucleation. Then，the influences of substrate amphipathy，additives，porous media environment and impurities，liquid composition，temperature，pressure and flow conditions on hydrate formation and growth are discussed.At last，this paper points out that quantification of inhibition of hydrate caused by different crude oil compositions，influence of wax on mass transfer and heat transfer during hydrate growth，and a microscopic mechanism of kinetic hydrate inhibition should be further studied in the future.Key words：natural gas hydrate; physical process; formation; growth; influence factor天然气水合物是天然气分子和水分子按一定比例形成的复杂的笼型晶体结构，水分子通过氢键连接形成水笼，而气体分子作为客体分子被包裹在笼型内部[1]。
天然气水合物的形成条件及成因分析
图1天然气水合物晶体结构模型Figure 1Crystal structure model of natural gas hydrate天然气水合物是以CH 4为主，含少量CO 2、H 2S 的气态烃类物质充填或被束缚在笼状水分子结构中形成的冰晶化合物。
在一个烃类气体分子的周围包围着多个水分子，水分子通过氢键紧密缔合成三维网状，将烃类气体分子纳入网状，体中形成水合甲烷，其晶体结构模型如图1。
这些水合甲烷象淡灰色的冰球，可以象酒精块或蜡烛一样燃烧，故称为“可燃冰”,其密度为0.905～0.91g/cm 3，化学式为CH 4·n H 2O ，只要把结构中的“水”去掉，就是一种理想的燃料。
从能源的角度看，天然气水合物可视为高度压缩的天然气。
理论上讲，1m 3的天然气水合物在标准大气压下（0.101MPa ）可以释放出164m 3的天然气和0.8m 3的水，其能量密度是煤和黑色页岩的10倍左右，且燃烧几乎不产生有害污染物，是一种新型的清洁环保能源，是公认的地球上尚未开发的、巨大的能源宝库。
世界天然气水合物储量约为2×1016m 3，相当于地球上所有开采石油、天然气和煤的总量的2倍，约为剩余天然气储量（156×1012m 3）的128倍。
海底作者简介：蒋向明（1964—），男，教授级高级工程师，1986年毕业于湘潭矿业学院，中国矿业大学工程硕士。
责任编辑：樊小舟天然气水合物的形成条件及成因分析蒋向明（中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸056004）摘要：从天然气水合物的晶体结构模型出发，说明了其组成成分及结构特征。
通过对温度—压力平衡条件的差异性分析，揭示了天然气水合物形成的基本条件，对其赋存类型及成因进行了分类，对我国及全球天然气水合物分布情况进行了说明，并以青海木里煤田为例，对天然气水合物的形成条件和成因进行了详细的论述，认为：变质作用及煤化作用使煤田内丰富的煤炭资源不断产生煤层气,当煤层气沿断层破碎带及裂隙运移至含水岩层或含水裂隙时,在温度和压力的作用下遇水形成天然气水合物。
天然气水合物成因探讨
第18卷第1期2003年2月地球科学进展ADVANCE IN EAR TH SCIENCESVol.18 No.1Feb.,2003文章编号:100128166(2003)0120138206天然气水合物成因探讨Ξ狄永军1,郭正府2,李凯明1,于开宁1(11中国地质大学,北京 100083;21中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029)摘 要:天然气水合物是未来的能源资源。
其分布于极地地区、深海地区及深水湖泊中。
在海洋里,天然气水合物主要分布于外大陆边缘和洋岛的周围,其分布与近代火山的分布范围具有一致性。
同位素组成表明天然气水合物甲烷主要是由自养产甲烷菌还原CO2形成的。
典型的大陆边缘沉积物有机碳含量低(<0.5%～1.0%),不足以产生天然气水合物带高含量的甲烷。
赋存天然气水合物的沉积物时代主要为晚中新世—晚上新世,具有一定的时限性,并且天然气水合物与火山灰或火山砂共存,表明其形成与火山—热液体系有一定联系。
火山与天然气水合物空间上的一致性表明,天然气水合物甲烷的底物可能主要是由洋底火山喷发带来的CO2。
由前人研究结果推断HCO-3在脱去两个O原子的同时,可能发生了亲核重排,羟基H原子迁移到C原子上,形成了甲酰基(HCO-),使甲烷的第一个H原子来源于水。
探讨了甲烷及其水合物的形成机制,提出了天然气水合物成因模型。
关 键 词:天然气水合物;火山—热液体系;自养产甲烷菌;CO2还原作用;甲酰基;碳同位素中图分类号:TE12211+1 文献标识码:A 天然气水合物,也称为气体笼形化合物,是天然产出的包裹天然气分子的刚性固体物质,笼形结构由氢键连接的水分子组成。
当其中的天然气以甲烷为主(99.9%)时,这种物质被称为甲烷水合物[1]。
天然气水合物存在的最初证据是1967年在勘查钻孔中提取的饱和天然气水合物的岩芯,这些岩芯是在Yakuliya的Ust2Vilivisk、Srednevilivisk气田和西伯利亚的Messoyakha气田获得的。
天然气水合物
天然气水合物natural gas hydrate;gas hydrate 其他名称：可燃冰定义1：天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。
所属学科：海洋科技（一级学科）；海洋科学（二级学科）；海洋地质学、海洋地球物理学、海洋地理学和河口海岸学（三级学科）定义2：分布于深海沉积物中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。
所属学科：资源科技（一级学科）；海洋资源学（二级学科）本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布百科名片天然气水合物结构图天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate）是分布于深海沉积物中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。
因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。
目录名词解释成因分析储量介绍海洋生成大陆生成开采设想分布地区开发进程商业用途未来规划主要状况中国状况日本状况主要危害重要性识别标志地震标志地球化学标志海底地形地貌标志名词解释成因分析储量介绍海洋生成大陆生成开采设想分布地区开发进程商业用途未来规划主要状况中国状况日本状况主要危害重要性识别标志地震标志地球化学标志海底地形地貌标志展开编辑本段名词解释天然气水合物天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate）因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。
它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、Hp值等）下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。
它可用M・nH2O来表示，M代表水合物中的气体分子，n为水合指数（也就是水分子数）。
组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。
形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过99％的天然气水合物通常称为甲烷水合物（Methane Hydrate）。
海底天然气水合物藏形成机理
海底天然气水合物藏形成机理[摘要] 天然气水合物是近年来在海洋和冻土带发现的新型洁净优质能源，分布广，资源量大，目前已经受到世界各国的关注，总结了海底水合物合成的条件和过程。
[关键字] 天然气水合物宏观模型成矿机理0引言随着油气资源的日益紧张，寻找并开发各种新型可接替能源的任务已迫在眉睫。
天然气水合物是近年来在海洋和冻土带发现的新型洁净优质能源，据估算全球天然气水合物中碳的含量等于石油、煤等化石能源中碳含量的两倍，因而成为21世纪人类最重要的能源。
地球上天然气水合物含量丰富，27%陆地和90%海域中都存在，陆地上水合物主要存在冻土中200-2000米深度处，而海洋中主要存在于海底以下500-800米深度处。
2007年，国土资源部地质调查局在中国南海北部神狐海域成功钻获天然气水合物实物样品。
使我国成为距美国、日本、印度之后第四个钻探到水合物的国家，且初步预测，中国南海北部陆坡天然气远景资源量可达上百亿吨油当量。
因此对天然气水合物的研究已经成为各国的热点，天然气水合物作为重要的替代能源，具有广阔的前景和发展空间。
而对天然气水合物成藏的研究是对水合物进行勘探开发的基础，所以本文从各个方面对天然气水合物的成藏进行总结分析。
1 水合物合成机理1.1 宏观模型迄今为止，天然气水合物的合成过程在微观层面仍然不是很清晰，但在宏观层面上可以用一些热力学的模型进行解释。
在Sloan提出的簇团理论体系中，气体分子首先溶解在水中，然后合成不稳定的簇，之后在水的表面聚集起来。
当簇团达到一定尺寸后就合成了宏观的核。
另外一种理论是Rodger提出的表面驱动层理论，他认为气体分子首先在水的表面吸附，之后被束缚在局部的晶体的空穴中，Kvamme运用动力学模型扩展了这个理论，预测了在水和二氧化碳表面首先成核，由于水表面的波动，水和气体分子才可以混合，从而形成水合物。
簇团理论和表面驱动层理论都认为在水的表面首先出现水合物初级结构，所以这两个理论是类似的。
天然气水合物成因与存在环境的分析
天然气水合物成因与存在环境的分析天然气水合物是一种在寒冷高压环境中形成的天然气和水分子结合而成的结晶物质。
它具有巨大的潜力，可用作替代传统天然气和石油资源的能源，因此引起了广泛的关注。
本文将讨论天然气水合物的成因和存在环境。
首先，让我们来看看天然气水合物的成因。
天然气水合物主要由甲烷（CH4）和水分子组成，结构类似于冰晶，但其中间的结构空隙被甲烷分子占据。
水合物形成需要特定的环境条件，包括低温、高压和适当的甲烷和水分子浓度。
在这样的环境下，水分子会形成类似于冰晶的结构，并将甲烷分子捕获在其中。
天然气水合物的形成与寒冷高压环境密切相关。
在近海地区，冷水流经含有丰富有机物质的沉积物层。
有机物质通过生物降解产生甲烷气体，并随水流运送到较低的温度和较高的压力区域。
在这些条件下，甲烷和水分子结合形成水合物。
在陆地地区，天然气水合物的形成主要与寒冷地下水和含有有机物质的岩层密切相关。
岩层中的有机物质通过地下水的循环和扩散分解，产生甲烷气体，并与冷却的地下水中的水分子结合形成水合物。
天然气水合物存在的环境主要是深海和寒冷地下。
在深海环境中，大量的天然气水合物储存在海洋沉积物层中。
深海的高压和低温条件促进了水合物的形成。
然而，这些水合物的稳定性很大程度上取决于所处的水深。
水合物在较浅的水深中往往不稳定，容易分解。
而在陆地环境中，天然气水合物主要分布在季节性冻土层下和高寒地区的冰川和冻土层中。
寒冷地下的高压和低温条件提供了水合物形成所需的环境。
在这些地区，水合物往往与温度和湿度密切相关，因为温度和湿度的变化会影响水合物的稳定性。
天然气水合物的存在对能源开发具有重要意义。
然而，由于天然气水合物在低温高压条件下的稳定性，以及其在天然气开采和运输中的技术挑战，要将其作为可用的能源资源仍然面临一些困难。
因此，更多的研究仍然需要进行，以便更好地了解天然气水合物的性质和开发潜力。
总之，天然气水合物的形成与寒冷高压环境密切相关，它在深海和寒冷地下的存在环境中被广泛分布。
第四章 天然气水合物
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第二节 水合物抑制剂处理工艺
表1-2 常用抑制剂物理化学性质
名 性 分子式 相对分子质量 沸点（760mmHg） ，℃ 蒸汽压（20℃） ，mmHg （25℃） ，mmHg 密度， （20℃） ，g/cm 冰点，℃ 粘度 （20℃） ，Pas （25℃） ，Pas 表面张力， （15℃） ，10-3N/m （25℃） ，10 N/m 折光指数， （20℃） （25℃） 比热容， （20℃） ，J/（g℃） （25℃） ，J/（g℃） 闪点（开杯法） ，℃ 汽化热，J/g 与水溶解（ （20℃） 性状
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第二节 水合物抑制剂处理工艺
三、抑制剂注入量计算： 抑制剂注入量计算：
注入天然气系统中的抑制剂， 注入天然气系统中的抑制剂，一部分与液态水混 合成为抑制剂水溶液称为富液。 合成为抑制剂水溶液称为富液。一部分蒸发与气体混 合形成蒸发损失。计算抑制剂注入量时， 合形成蒸发损失。计算抑制剂注入量时，对甲醇因沸 点低需要考虑气相和液相中的量。 点低需要考虑气相和液相中的量。对于甘醇因沸点高 一般不考虑气相中的量。 一般不考虑气相中的量。
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海洋油气集输
第一章 天然气水合物
本章主要内容： 本章主要内容：
第一节 水合物的形成及防止 第二节 水合物抑制剂处理工艺
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2φΒιβλιοθήκη 第一节 水合物的形成及防止
一、天然气的水汽含量
天然气在地层温度和压力条件下含有饱和 水汽。天然气的水汽含量取决于天然气的温度 、压力和气体的组成等条件。天然气含水汽量 ，通常用绝对湿度、相对湿度、水露点三种方 法表示。
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第二节 水合物抑制剂处理工艺
一、抑制剂简介 1．抑制剂的种类和特性 可以用于防止天然气水合物生成的抑制剂分为有机抑 制剂和无机抑制剂两类。有机抑制剂有甲醇和甘醇类 化合物，无机抑制剂有氯化钠、氯化钙及氯化镁等。 天然气集输矿场主要采用有机抑制剂，这类抑制剂中 又以甲醇、乙二醇和二甘醇最常使用。 抑制剂的加入会使气流中的水分溶于抑制剂中，改变 水分子之间的相互作用，从而降低表面上水蒸汽分压 ，达到抑制水合物形成的目的。广泛采用的醇类天然 气水合物抑制剂的物理化学性质如表1-2所列。
天然气水合物形成条件与成藏过程——理论、实验与模拟
1绪论
1．1 国内外研究现状
天然气水合物，也称气体水合物或笼形气体水合物，是由 CH4、C2H6、C3H8、 C4H10、CO2、H2S 等小分子气体和水在低温高压下生成的一种非化学计量型笼形 化合物（Sloan，1998），广泛分布于深海海底沉积物和大陆高寒地区永久冻土带 中（Makogon ，1997），其巨大的资源潜力（Kvenvolden，1988）、潜在的环境 威胁引起世界各国政府和学术界的广泛重视，而成为当今地球科学研究中的热 点，相关文章逐年呈指数形式增长（Sloan，2004）。
目前海洋水合物资源调查主要依赖于地球物理和地球化学手段，地震信息 （BSR、振幅空白带、速度异常等等）被广泛用来作为寻找和确定水合物矿床存 在的标志、估计沉积物中水合物的含量与资源潜力,沉积物中氯离子浓度变化、 δ18O 值的变化、取样器温度-压力变化、孔隙水成分等作为指标来指示和评价甲 烷水合物的含量多少。然而，BSR 与水合物矿床并非一一对应，没有 BSR 的海底 也发现了水合物矿床，由于取样的困难地球化学手段也只能揭示有限的信息，综 合考虑构造、沉积、稳定域（热力学）、地球化学等成矿条件与水合物的内在联 系，把室内实验成果与野外勘探实际资料相结合来探求水合物成藏机理、成藏过 程，把握水合物存在的充分与必要条件，掌握盆地演化对水合物形成、演化与分 布的控制规律显得格外重要。
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吕万军：天然气水合物形成条件与成藏过程——理论、实验与模拟
变化以及流体的驱动机制等地质背景也逐渐得以考虑（Davie and Buffett，2001，
2003）。把生物气产出、流体运移、水合物成核生长等过程纳入到的宏观地质演
化的范畴，是认识天然条件下水合物成藏机理的必由之路。盆地动力学演化对该
工艺设备培训-天然气水合物的成因与特性
7.0
0.05146 0.07376 0.10020 0.14740 0.20405
由表1可知，压力越高，温度越低，天然 气中的饱和含水量就越少；压力越低， 温度越高，天然气中的饱和含水量就越 多。管道输送的天然气是经过处理的干 气，在压力为4.5MPa、温度为－13 ℃时， 天然气标准饱和含水量在0.052g/m3以下， 仅在低于－ 20 ℃时，才达到实际饱和 含水量，因而在管道运行中天然气不易 析出游离水。
• 经检查，管道不正常压差与通讯及设备 误动作无关。通过观察，发现压差继续
增大，其中红泉村、云彩岭、巨羊驼的 压力分别为2.6，3.5，3.5Mpa。表明在红 泉村至云彩岭段已发生局部水合物冰堵。
五、水合物的预防和处理
• 预防输气管道水合物 形成的措施主要由 以下几项。
• 1、减少施工试压中遗留下来 的水。 • 2、对新投运的管道，应定期加入抑制剂，
• 经分析发现，输气管道内游离水的含量 与管道所处的地形、地貌及清管次数密 切相关，如陕京输气管道1999年1月发生 的冰堵，就是由于在试压期间，大量的 游离水遗留在低洼处未被清出所致。
三、管道内水合物形成区域的预测
• 1、以查图法确定形成水合物的最低压力 • 可确定生成水合物的最低压力。具体方
• 对于运行一段时间的输气管道，可通过 实测气体水露点的方法判断水合物可能 形成的区域，对形成水合物进行预测。 以1998年10月实测的陕京天然气管道在 常压下水露点为例，分析如下：
由表2中水露点的变化可以看出，神池至应 县段水露点发生突变，从－33 ℃上升到 －5 ℃，表明管道自400公里以后，积水 较多，天然气由于吸收管道内的游离水， 含水量增加较快，满足了生成水合物的 含水条件，由此判断水合物可能形成的 区域是神池以后。
天然气水合物的形成与识别
ISSN100922722 Marine Geology Letters 海洋地质动态 2006,22(10)∶14—19文章编号:100922722(2006)1020014206天然气水合物的形成与识别师生宝(中国石油大学(北京)资源与信息学院,北京102249)摘 要:探讨了天然气水合物矿藏的形成条件和机理、水合物矿藏的聚集方式。
天然气水合物的形成除了必要的气体和水,还需要一定的温压和地质条件;其形成机理可用高渗漏系统和弱渗漏系统来解释;天然气水合物在沉积物中主要以构造聚集和地层聚集的方式存在。
综述了天然气水合物矿藏的识别方法。
关键词:天然气水合物;研究现状;形成;聚集;识别中图分类号:P744.4 文献标识码:A 气体水合物是一种类似于冰状的结晶矿物,自然界水合物颜色主要为白色,少数因含不同成分而呈淡黄色、黄色等颜色。
它是由非极性的烃类小分子或非烃类小分子(<019nm)进入由水分子形成的笼状结构而形成的。
天然气水合物存在3种基本晶体结构[123]:立方体Ⅰ型、菱形立方结构Ⅱ型以及六方体结构H 型。
Ⅰ型在自然界中分布广,但Ⅱ型和H型更稳定一些。
3种结构的天然气水合物结构式都可表示为Gas・n H2O(n约为6),n随着结构的不同而略有变化。
通常所说的气体水合物主要指天然气水合物,其中甲烷水合物占据了最主要的部分[2]。
从物理性质来看[3],天然气水合物的密度接近或稍低于冰的密度,为0190～0191g/cm3,介电常数和热传导率均低于冰。
在常温常压下,1m3的天然气水合物可以分解出164m3的甲烷和018m3的水[2]。
天然气水合物广泛分布于世界各大洋的陆坡、水下高地、边缘海、内陆海和内陆深湖泊以及两极永久冻土带和其他陆上永久冻土带[2],其中海洋天然气水合物占了99%以上[4]。
研究表明,90%的大陆边缘海域具备水合物生成的温度和压力条收稿日期:2006208210作者简介:师生宝(1979—),男,在读硕士,资源地球化学专业.件,天然气水合物藏可达全部水面积的30%以上[5]。
天然气水合物的产生与开采
天然气水合物的产生与开采天然气水合物（Natural gas hydrate)，简称天然气水合物，也称冰沸石，是一种在高压、低温条件下形成的天然气沉积物，为天然气与水素键合成分的混合物，通常以颗粒状或其它形态存在于海洋沉积物或极地深层地质中。
天然气水合物的成因是天然气在海洋底层沉积物和极地深层地质中，由于水体在低温高压环境下，形成氢键结合，使天然气分子与水分子形成水合物，形成所谓的天然气水合物。
天然气水合物通常存在于深水海底或者低温高压地区，有些水合物矿床中包含的有机质很高，其中蕴藏的可燃气数量多达全球其他天然气资源总量的数倍，为人类提供了一种巨大的新能源类型。
天然气水合物对人类社会的意义巨大，提供了新的能源来源，天然气水合物在全球应用于较早的国家有日本、韩国等，但其在燃烧时会产生二氧化碳，于是有人提出了是选择安全性高，温室气体排放较少的天然气水合物为新的能源，甚至有人认为天然气水合物是可再生能源。
天然气水合物开采目前在全球尚处于探索阶段，不过这项新能源对世界各国的科学家、工程师以及实验室正在进行着许多尝试。
不同的国家采用了不同的天然气水合物开采方法，如日本研究开发的坑道式和隔断缝隙式；美国和加拿大探讨的地面注射的沸石层，俄罗斯尝试的地面气水合物矿；而中国正在开展利用沉积物层的“4+1”水合物开采技术。
这些开采方法的不同，还需进一步验证其可行性，通常存在着较大的风险和挑战。
天然气水合物的开采面临许多困难和问题：第一是地质勘察和探测，如何准确判断潜在的矿床的位置和含量。
第二是采矿工艺和技术，如何实现高效率、稳定的采矿和萃取。
第三是环境问题，如何在开采过程中保证海洋生态系统和渔民的生产生活。
第四是经济问题，如何在开采中保持盈利和市场竞争力等等。
在开采天然气水合物的过程中，对环境和周围社区的影响需要更多的研究和关注。
虽然天然气水合物是一种很有前途的可再生能源，但我们仍然需要遵循杏仁经营、可持续发展的原则，同时采用更加可持续的生产方式，减少对环境的影响和损害。
天然气水合物的形成条件及勘探现状
天然气水合物的形成条件及勘探现状姚永坚;黄永样;吴能友;张光学;何家雄【摘要】天然气水合物(又称可燃冰)作为特定区域的新型烃类资源,是在一定温压条件下,由水与天然气(主要是甲烷气)结合形成的一种外观似冰的白色结晶固体.它主要赋存于深海陆坡和陆隆的浅部沉积层内.作为未来能源,它具有清洁、能量密度高、分布广、规模大、埋深浅、成藏物化条件好等特点.我国的南海陆坡、陆隆区,具有被动大陆边缘构造特征,分布有许多含油气沉积盆地.晚中新世以来,这些盆地的区域沉降剧烈,构造活动平静,沉积速率大,海洋有机物沉积十分丰富,具有天然气水合物形成的物源、温度压力、构造等地质和成矿条件.1999年以来,广州海洋地质调查局在南海北部东沙、神狐、西沙和琼东南4个海域实施了9年的水合物专项调查,完成18个航次的综合调查与研究,相继发现多处天然气水合物的地震标志(拟海底反射层,即BSR)、地质标志和地球化学标志,于2007年5月成功钻获天然气水合物样品,成为继美国、日本、印度之后第4个采到水合物实物样品的国家.【期刊名称】《新疆石油地质》【年(卷),期】2007(028)006【总页数】5页(P668-672)【关键词】天然气水合物;地震反射标志"BSR";南海北部【作者】姚永坚;黄永样;吴能友;张光学;何家雄【作者单位】广州海洋地质调查局,广州,510075;中科院边缘海重点实验室,广州,510640;广州海洋地质调查局,广州,510075;广州海洋地质调查局,广州,510075;广州海洋地质调查局,广州,510075;中科院边缘海重点实验室,广州,510640【正文语种】中文【中图分类】TE112.111.1 天然气水合物组成天然气水合物，也称“气体水合物”，是由天然气与水分子在高压、低温条件下形成的一种固态结晶物质。
由于天然气中80%～99.9%的成分是甲烷，故也有人将天然气水合物称为甲烷水合物（图1）。
天然气水合物形成条件与含量影响因素的半定量分析
天然气水合物形成条件与含量影响因素的半定量分析卢振权;SULTAN Nabil;金春爽;王明君;祝有海;吴必豪【期刊名称】《地球物理学报》【年(卷),期】2008(051)001【摘要】天然气水合物形成条件及其含量的研究是天然气水合物调查研究中最为关心的两个问题.从天然气水合物形成过程的热动力学理论模型出发,半定量地探讨了不同因素(温度、压力、气体组成、孔隙水盐度、沉积物孔隙大小等)对天然气水合物形成作用及含量的影响程度.结果显示,气体组成特别是丙烷的加入对天然气水合物形成的温度和压力条件影响最大,孔隙水盐度也会对天然气水合物形成的温度和压力条件产生重要影响,沉积物孔隙在一定范围内(1×10-6m～4×10-8m)对天然气水合物形成的温度和压力条件影响有限.天然气水合物含量受孔隙大小和盐度影响较小,主要只与气体的供应大小有关.【总页数】8页(P125-132)【作者】卢振权;SULTAN Nabil;金春爽;王明君;祝有海;吴必豪【作者单位】中国地质科学院矿产资源研究所,北京,100037;Département deGéosciences Marines, IFREMER Centre de Brest29280,Plouzané,France;Département de Géosciences Marines, IFREMER Centre de Brest 29280,P louzané,France;国土资源部油气资源战略研究中心,北京,100034;中国地质科学院矿产资源研究所,北京,100037;中国地质科学院矿产资源研究所,北京,100037;中国地质科学院矿产资源研究所,北京,100037【正文语种】中文【中图分类】P738【相关文献】1.公式法预测天然气水合物形成条件及其评价 [J], 邵聪;诸林;何阳东;何京玲;李璐伶2.昆仑山垭口盆地天然气水合物形成条件研究 [J], 张金华;魏伟;魏兴华;肖红平;彭涌;张巧珍;王培3.昆仑山垭口盆地天然气水合物形成条件研究 [J], 张金华;魏伟;魏兴华;肖红平;彭涌;张巧珍;王培;4.根河盆地多年冻土区天然气水合物形成条件研究 [J], 程弘飞;文志刚5.陆域天然气水合物形成条件理论研究及其对青南多年冻土区水合物勘查的启示[J], 王进寿;郑有业;黄朝晖;陈静;胡道功;卢振权;何皎因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
天然气水合物发育的构造背景分析
图2 Fig. 2
水合物脊区构造图 ( 修改自文献 [ 14] ) St ruct u re map of t he hydrat e ridg e regions
D B. Daisy Bank ; DF. 变形前锋 ; FAR . 第 一增生 脊 ; H R B E. 水合物 脊 盆地东 ; H RB W. 水合物脊盆地西 ; N HR . 水合物脊北部 ; SH R. 水合 物 脊南部。
关键词: 天然气水合物; 构造背景; 大陆边缘; 流体运移 中图分类号 : T E122. 3; P54 文献标志码: A 天然气水合物是由天然气和水在低温高压环境 下形成的似冰状白色固体物质 , 俗称 可燃冰! , 通常 有 s ∀、 s # 和 sH 3 种结构 类型, 此 外, 在 20~ 10 GP a 超高压条件下还可形成 MH # 和 M H ∃ 结构 类型[ 1] 。自 1778 年 Pr iest ley 第一次合成水合物以 来, 人们对其进行研究已有 200 多年的历史。 1934 年, 原苏联在被堵塞的天然气输气管道里发现了自 然形成的天然气水合物。 20 世 纪 60 年代 , 美国在 墨西哥湾及东南海岸布莱克海台首次发现了似海底 反 射 ( BSR, Bot to m Similat ing Ref lecto r ) 。 1968 年, 前苏联首次在西西伯利亚永久冻土带发现了天 然气水合物矿藏。1970 年, 美国在布莱克海台实施 了深海钻探, 证 实 BSR 之上 确实存在 天然气水 合 物。此后多个 DSDP 和 ODP 航次在世界各地直接 或间接地发现了多处天然气水合物矿藏。 2002 年 , 美国、 日本、 加拿大、 德国、 印度等多国合作对加拿大 西北部 Mallik 冻土区的天然气水合物进行 了试验 性开发, 由此进入到开发试生产阶段[ 2 5] 。我国也在 20 世纪 80 年代开始对天然气水合物进行了研究和 调查, 开展了天然气水合物的合成实验、 调查方法、 成 矿条件、 成藏机理及成矿远景预测等多方面的前期预 [ 4] 研究 。2007 年 4~ 6 月, 我国科学家首次在南海北 部神狐海域 3 个站位成功获得天然气水合物实样[ 3] 。 根据相对保守的估计, 天然气水合物中甲烷气体 [ 6] 的含量是所有已知的燃料化石能源的 2 倍左右 , 是 21 世纪人类重要的潜在能源。目前, 世界各国都加
天然气水合物形成条件与成藏过程——理论、实验与模拟
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;ΔVw 为水在空水合
物相和液相中的摩尔体积差 ;Δ Hw 为水在空水合物 相和液相中的焓差 ; P 、 T 分别为平衡温度 ( K) 和压 力 ( Pa) ; R 为理想气体常数 ;γ w 为水的活度系数 ; Xw 为水在液相中的摩尔分数 ; vj 为水合物晶格中每一 水分子形成的 j 型孔穴数 ; f i 为 i 种客体分子的逸 度 ; Cij 为 Langmuir 常数 , 是温度的函数 ;σ 为水 - 水 合物接触表面能 , V h 为水在水合物相中的摩尔体 积 , rp 为孔隙半径 ,θ为水 - 水合物接触角 . 由于天然气水合物含量取决于气体供应大小、 气体在液相中的溶解度 、 水合物相中的气体与水分 子比例等 ,天然气水合物含量模型可表示为
基金项目 中央公益性科研院所基本科研业务费专项基金项目 “青藏高原多年冻土区天然气水合物形成条件模拟及预测” 、 中国地质调查局地 质大调查项目 “我国陆域永久冻土带天然气水合物资源远景调查” 、 中国地质科学院矿产资源研究所预调查项目 “青藏高原铁路沿 线多年冻土区天然气水合物先期调查研究” 联合资助 . 作者简介 卢振权 ,男 ,1972 生 ,2000 年博士毕业于中国地质科学院研究生部 ,研究员 ,从事天然气水合物及油气等地球化学勘查研究工作 .
- x i ) ni V e
η=
∑( G ∑( G
i
i
- x i ) ni V e + ( 1 -
∑l +
∑x V
i
,
i
其中 ,η为天然气水合物占孔隙空间的体积含量 ; Gi 为气体在液相中的含量 ; x i 为气体 i 在水合物平衡 压力下液相中的溶解度 , 其计算过程参考 Handa 计算方法 ; V e 为 1 摩尔水形成水合物相的体积 ; V l 为水在液相中的偏摩尔体积 ; V i 为气体 i 在气相中 的偏摩尔体积 ;1Πni 为水合物相中的气体与水分子 之间的比率 . 显然 ,要形成天然气水合物 , Gi 必须大 于 xi . 考虑到天然气水合物形成条件和含量的理论模 型在计算中较为复杂 , 本次工作是在上述理论模型 [26 ] 基础上首先建立起经验模型 , 然后开展应用分 析 . 通过对经验模型与实验数据相比较 ,它们之间的 [26 ] 误差大多数小于 5 % , 基本表明所建立经验模型
第 51 卷 第 1 期 2008 年 1 月
地 球 物 理 学 报
CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICS
Vol. 51 , No. 1 Jan. , 2008
天然气水合物形成条件与含量影响 因素的半定量分析
卢振权
1 ,2
, SULTAN Nabil ,金春爽 , 王明君 , 祝有海 , 吴必豪
- 7 10 m) 相当 .
311 温度和压力的影响
计算结果表明 , 天然气水合物形成条件主要受
1期
卢振权等 : 天然气水合物形成条件与含量影响因素的半定量分析
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温度和压力控制 , 但温度对天然气水合物形成影响 要比压力更明显 ( 图 1) . 图中显示 ,当甲烷和水处于 A 点形成天然气水合物时 , 其温度和压力分别为 )、 278188 K( 5173 ℃ 5000 kPa ( 约相当于 500 m 水深条 件) ; 当条件处于 B 点形成天然气水合物时 , 其温度 )、 和压力则分别为 286102 K ( 12187 ℃ 10000 kPa ( 约 相当于 1000 m 水深条件) . 可以看出 ,从 A 点变化到 B 点 ,温度每升高 1 ℃,形成天然气水合物所需的压 力将增大约 700 kPa ( 约相当于 7 个大气压或 70 m 水深增量) . 312 气体组成的影响 气体组成是影响天然气水合物能否形成的一个 重要因素 . 根据世界上已钻探到天然气水合物的气 体组成情况 ,计算中甲烷与乙烷 、 甲烷和丙烷 、 甲烷 与二氧化碳 、 甲烷与硫化氢不同体系的乙烷 、 丙烷 、 二氧化碳 、 硫化氢最大含量分别取 5 % 、 3 %、 10 % 、
Semi2quantitative analysis of factors affecting gas hydrate formation conditions and its fractions
LU Zhen2Quan1 ,2 , SULTAN Nabil2 ,J IN Chun2Shuang3 , WANG Ming2J un1 , ZHU Y ou2Hai 1 , WU Bi2Hao1
E2mail :luzhq @vip . sina. com
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地 球 物 理 学 报 ( Chinese J . Geophys. )
51 卷
1 引 言
当某一小分子气体的浓度大于其在溶液中的溶 解度时 ,且处于合适的低温高压环境中就可形成天 然气水合物 . 由于天然气水合物可作为一种潜在的 清洁能源 ,其形成分解过程可能会造成全球碳循环 失衡及沉积物稳定性失稳等重要效应 , 天然气水合 物在最近三十年来已逐渐成为一个热点调查研究领 域 . 确定某一区域能否形成天然气水合物 ,即是否能 满足天然气水合物形成条件 , 以及其含量怎样是天 然气水合物调查研究中最为关心的两个问题 . 影响 天然气水合物形成条件的因素主要涉及温度 、 压力 、 气体组成 、 盐度 、 孔隙大小等 . 决定天然气水合物在 孔隙空间中的含量是天然气水合物在形成过程中持 续的气体供应大小 . 过去已有大量文献从实验定量 角度 或理论定性角度 讨论过天然气水合物 形成条件的影响因素 . 天然气水合物含量的影响因 [18～22 ] 素过去主要集中在地球物理反演变量上 , 而温 度和压力条件 、 气体浓度 、 孔隙水盐度 、 孔隙大小等 因素对天然气水合物含量影响的讨论并不多见 . 本 文尝试从天然气水合物形成过程热动力学角度半定 量探讨不同因素如温度和压力条件 、 气体浓度 、 孔隙 水盐度 、 孔隙大小等对天然气水合物形成条件及含 量的影响程度 .
2
3
1
1
1
1 中国地质科学院矿产资源研究所 ,北京 100037 2 Dé partement de Gé osciences Marines , IFREMER , Centre de Brest , 29280 Plouzané , France 3 国土资源部油气资源战略研究中心 ,北京 100034
[1～9 ] [10～17 ]
2 模型简介
Sultan 天然气水合物理论模型 综合考虑了 孔隙大小毛细作用 、 液相中水的活度等对天然气水 合物形成条件的影响 : 0 P T ΔVw Δ Hw Δ μ + dp w Xw ) 2 d T - ln (γ
RT
[23 ,24 ]
∫ RT
P 0 j
摘 要 天然气水合物形成条件及其含量的研究是天然气水合物调查研究中最为关心的两个问题 . 从天然气水合 物形成过程的热动力学理论模型出发 ,半定量地探讨了不同因素 ( 温度 、 压力 、 气体组成 、 孔隙水盐度 、 沉积物孔隙 大小等) 对天然气水合物形成作用及含量的影响程度 . 结果显示 ,气体组成特别是丙烷的加入对天然气水合物形成 的温度和压力条件影响最大 ,孔隙水盐度也会对天然气水合物形成的温度和压力条件产生重要影响 ,沉积物孔隙
1 Institute of Mineral Resources , Chinese Academy of Geological Sciences , Beijing 100037 , China 2 Dé partement de Gé osciences Marines , IFREMER , Centre de Brest , 29280 Plouzané , France 3 Strategic Research Center for Oil and Gas Resources , Ministry of Land and Resources , Beijing 100034 , China
[8]
具有适用性 .
3 天然气水合物形成条件的影响因素
半定量分析
在对天然气水合物形成条件的半定量分析过程 中 ,主要考虑了温度 、 压力 、 气体组成 、 孔隙水盐度 、 孔隙大小等影响因素 . 其中 ,在讨论温度 、 压力 、 气体 组成 、 孔隙水盐度等影响因素时 ,不同体系的沉积物 孔隙大小假定与海底沉积物的平均孔隙大小 ( 1 ×
Abstract Gas hydrate formation conditions and its fraction out of pore space are two important issues. Based on theoretical gas hydrate thermo2dynamic model , semi2quantitative analyses on various intrinsic factors ( such as temperature , pressure , gas composition , pore2water salinity , sediment pore size ) affecting gas hydrate formation conditions and its fraction out of pore space are conducted. The analytical results indicate that gas composition ( e. g. , the mixture of methane and propane ) plays a significant role in affecting gas hydrate formation conditions of temperature and pressure ; pore2water salinity also greatly affects gas hydrate formation conditions ; sediment pore size within a small range ( 1 × 10 - 6 ～4 × 10 - 8 m) have a small effect on gas hydrate formation conditions. Gas hydrate fraction out of pore space is little affected by pore size and pore2water salinity , but is strongly dependent on gas supply. Keywords Gas hydrate , Formation conditions , Fraction out of pore space , Intrinsic factors , Semi2quantitative analysis