天然气水合物资源开发现状及最新进展

天然气水合物资源开发现状及最新进展

中国新能源网| 2009-3-3 9:57:00 | 新能源论坛| 我要供稿

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摘要：天然气水合物是20世纪发现的一种新型后备能源，被喻为21世纪石油天然气的理想替代资源，是目前地球上尚未开发的最大未知能源库。本文介绍了天然气水合物的开发历程、资源状况、现有的开发技术方法与发展趋势，同时也总结了天然气水合物开发领域取得最新成果和认识。最后得出天然气水合物的研究方向，并建议广泛的参与国际合作。

关键词：开发天然气水合物资源现状开发技术最新进展

一、天然气水合物开发历程

天然气水合物是以甲烷CH4为主的气态烃类物质（含少量CO2、H2S等非烃分子）充填或被束缚在笼状水分子结构中形成的冰晶状化合物，是在高压、低温条件下形成的。它是继煤、石油和天然气等能源之后的一种潜在的新型能源,广泛存在于沟盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘和北极地区的永久冻土区。

20世纪60年代初，前苏联借助地球物理方法首次在西伯利亚永冻层中发现了天然气水合物，随后美、加在加拉斯加北坡、马更些三角洲冻土带相继发现了大规模的水合物矿藏。70年代初英国地调所科学家在美国东海岸大陆边缘所进行的地震探测中发现了“似海底反射层”(Bottom Similating Reflector,英文称BSR)。紧接着于1974年又在深海钻探岩芯中获取天然气水合物样品并释放出大量甲烷,证实了“似海底反射”与天然气水含物有关。70年代和80年代，深海钻探计划(DSI)和大洋钻探计划(ODP)陆续实施，在全球多处海底发现了天然气水合物，大规模的国际合作相继开展，天然气水合物研究以及综合普查勘探工作进人全面发展阶段。1991年美国能源部组织召开“美国国家天然气水合物学术讨论会”。1995年冬ODP64航次在大西洋西部布莱克海台组织了专门的天然气水合物调查,打了一系列深海钻孔,首次证明天然气水会物广泛分布,肯定其具有商业开发的价值。同时指出天然气水会物矿层之下的游离气也具有经济意义。如今，新技术、新方法的大量应用使天然气水合物的研究朝着更全面、更精深的方向发展。

二、天然气水合物资源现状

1.天然气水合物储量

图1 世界有机碳分布（单位：1015吨）

天然气水合物资源总估算值的差别非常大,从标准温度压力下的1×1015立方米到5×1015立方米,再到21×1015立方米。这远比常规天然气资源的总估算值(57×1013立方米)大得多。天然气水合物估算值为天然气地质储量值，实际产量仅仅是这一数量的百分之几。但是,天然气的可能生产量仍然会高于常规天然气资源的产量（如图1）。目前各国科学家对全球天然气水合物资源量较为一致的评价为2×1016,是剩余天然气储量(156×1014m3)的136倍。

2.天然气水合物产量

目前，除了小型现场试验之外,唯一实现开采的是俄罗斯的麦索亚哈天然气水合物气田,所以未来的产量尚不确定。但是由于水合物矿藏自身的厚度非常的大（可达几百米），全世界甲烷水合物潜在产量将非常可观。

参与试验性开采比较积极的国家有日本、加拿大、美国、德国和印度等。依据近年来试验性开采的成果和今后的技术进步看，在2015~2020年发达国家实现工业规模开采水合物在技术上是可行的，但实现商业开采则值得探讨。

3.天然气水合物资源分布

已发现的天然气水合物主要存在于世界范围内的沟盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘,尤其是与泥火山、热水活动、盐泥底辟及大型断裂构造有关的深海盆地中,可能还包括扩张盆地（图2）和北极地区的永久冻土区。大西洋的85%、太平洋的95%、印度洋的96%的地区中含有天然气水合物,且主要分布于洋底之下200～600米的深度范围。

图2全球天然气水合物分布

（1）海洋中的分布

目前,世界已调查发现并圈定有天然气水合物的海域主要分布在西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、南海海槽、苏拉威西海、新西兰北岛；东太平洋海域的中美海槽、北加利福尼亚-俄勒冈滨外、秘鲁海槽；大西洋海域的美国东海岸外布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海、南美东海岸外陆缘、非洲西西海岸海域；印度洋的阿曼海湾；北极的巴伦支海和波弗特海；南极的罗斯海和威德尔海,以及黑海与里海等。中国在西沙海槽、东沙陆坡、台湾西南陆坡、冲绳海槽、南海北部等区域也发现了天然气水合物的大量地球物理与地球化学证据。

目前世界这些海域内有88处直接或间接发现了天然气水合物,其中26处岩芯见到天然气水合物, 62处见到有天然气水合物地震标志的似海底反射(BSR),许多地方见有生物及碳酸盐结壳标志。

（2）大陆中的分布

全球天然气水合物在大陆主要分布于阿拉斯加北坡、加拿大马更些三角洲等地(详见表1)。有调查证据显示,中国青藏高原永久冻土带区域也可能蕴藏着大量的天然气水合物资源。

表1全球天然气水合物在大陆的主要分布地点

三、天然气水合物开发技术与方法

从20世纪60年代苏联发现麦索雅哈气田至今,天然气水合物的开发思路基本上都是首先考虑如何使蕴藏在沉积物中的天然气水合物分解,然后再将天然气采至地面。一般来说,人为地打破天然气水合物稳定存在的温度压力条件,造成其分解,是目前开发天然气水合物中甲烷资源的主要方法。现阶段提出的方法可以归为这么几类：加热法、降压法、添加化学剂法、驱替法、综合法等

1.加热法

将蒸汽、热水、热盐水或其它热流体从地面泵入水合物地层,也可采用开采重油时使用的火驱法,总之只要能促使温度上升达到水合物分解的方法都可称为热激发法。热开采技术的主要不足是会造成大量的热损失,效率很低。特别是在永久冻土区,即使利用绝热管道,永冻层也会降低传递给储层的有效热量。在热刺激模型中,水合物产生的热传导控制技术有两种:

(1)用热水或蒸汽循环注入预热井。通过数值实验表明:水合物的储层最小应有15%的孔隙度,厚度应有7.5 cm。如果注射液的温度为340 K～395 K之间,则可满足其经济可行性的需要。

(2)利用电磁或微波等直接加热。为了更有效利用热能,可在井下安装加热装置,设备较复杂,也可利用微波加热,通过波导将微波导入井底,直接加热水合物或水。

图3 加热法开采天然气水合物

近年来,在用加热法开采稠油时,为了提高加热效率,采用井下装置加热技术,井下电磁加热方法就是其中之一,实践证明电磁加热法是一种比常规开采技术更为有效的方法。这种方法就是在垂直(或水平)井中沿井的延伸方向在紧邻天然气水合物带的上下层内(或天然气水合物层内)放入不同的电极,再通以交变电流直接对储层进行加热。电磁热还很好地降低了流体的粘度,促进了气体的流动。Islam进行的模拟计算结果表明,利用该方法分解水合物是可行的。

2.降压法