天然氣水合物2014

8.天然氣水合物能源與機械工程學(xué)院李傳統(tǒng)8.天然氣水合物8.1概述8.2天然氣水合物物化性質(zhì)8.3研究天然氣水合物的歷史8.4從水合物提取天然氣的方法8.5天然氣水合物現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

8.1概述9.1.1天然氣水合物的特點天然氣水合物（NaturalGasHydrate，簡稱GasHydrate），俗稱可燃冰，是低溫、高壓下由水和天然氣組成類冰的、非化學(xué)計量的、籠形結(jié)晶化合物?？捎肕·nH2O來表示，M代表水合物中的氣體分子，n為水分子數(shù)。氣體成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成單種或多種天然氣水合物。水合物的主要氣體為甲烷，對甲烷分子含量超過99％的天然氣水合物通常稱為甲烷水合物（MethaneHydrate）。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1m3水合物分解最多可產(chǎn)生164m3的甲烷氣體。BurningGasHydratePellets6GashydrateEnergySourceFactorinClimate

Change78.1.2天然氣水合物的分布天然氣水合物在自然界廣泛分布在大陸、島嶼的斜坡地帶、大陸邊緣的隆起處、極地大陸架、海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境。陸地約30%面積可能賦存天然氣水合物；海底90%面積可能賦存天然氣水合物。8.1.3形成天然氣水合物的條件天然氣水合物的形成需具備四個基本條件：氣體和水的富集；足夠低的溫度；較高的壓力；一定的孔隙空間。AGlobalInventoryofNaturalGasHydrateOccurrenceUSGS,2001.Moreinformation:/globalhydrate/TibetanPlateau8.1.4天然氣水合物的資源量已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物主要存在于北極地區(qū)的永久凍土區(qū)和世界范圍內(nèi)的海底、陸坡、陸基及海溝中。陸地下的氣水合物在200～2000m深處，洋底之下沉積物中的氣水合物埋深500～800m。據(jù)估計，永久凍土區(qū)天然氣水合物資源量為1.4×1013～3.4×1016m3，包括海洋天然氣水合物在內(nèi)資源總量為7.6×1018m3。儲存在氣水合物中的碳至少有1×1013t，是當(dāng)前已探明的所有化石燃料（包括煤、石油和天然氣）中碳含量總和的2倍。

HowMuchMayExist?GasHydrate158.2天然氣水合物物化性質(zhì)自然界存在的天然氣水合物多呈白色、淡黃色、琥珀色、暗褐色等軸狀、層狀、小針狀結(jié)晶體或分散狀。它可存在于零度以下和零度以上的溫度環(huán)境。從取得的巖心樣品看，氣水合物可以多種方式存在：（1）占據(jù)大的巖石孔隙；（2）散布于細(xì)粒巖石中；（3）填充在裂縫中；（4）大塊固態(tài)水合物伴隨少量沉積物。

8.2天然氣水合物物化性質(zhì)天然氣水合物中，水分子形成一種空間點陣結(jié)構(gòu)，氣體分子則充填于點陣間的空穴中，氣體和水之間沒有化學(xué)計量關(guān)系。形成點陣的水分子之間靠較強的氫鍵結(jié)合，而氣體分子和水分子之間的作用力為范德瓦爾力（引力）?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物結(jié)構(gòu)有三種：結(jié)構(gòu)I型、結(jié)構(gòu)II型和結(jié)構(gòu)H型。結(jié)構(gòu)I型為立方晶體結(jié)構(gòu)，其在自然界分布最為廣泛，僅能容納甲烷、乙烷這兩種小分子的烴以及N2、CO2、H2S等非烴分子，這種水合物中甲烷普遍存在的形式是構(gòu)成CH4·5.75H2O的幾何構(gòu)架；結(jié)構(gòu)II型氣水合物為菱型晶體結(jié)構(gòu)，除包容甲烷、乙烷等小分子外，較大的“籠子”（水合物晶體中水分子間的空穴）還可容納丙烷及異丁烷等烴類；結(jié)構(gòu)H型氣水合物為六方晶體結(jié)構(gòu)，其大的“籠子”甚止可以容納直徑超過異丁烷。II型和H型水合物比I型水合物更穩(wěn)定。三種結(jié)構(gòu)可以單獨存在或共存。WhatareGasHydrates?198.3研究天然氣水合物的歷史1832年法拉第在實驗室合成氯氣水合物Cl2·10H2O1884年Roozeboom提出了天然氣水合物形成的相理論1960年前蘇聯(lián)首先在地層中發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物1990年，中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所凍土工程實驗室科研人員曾與莫斯科大學(xué)凍土專業(yè)學(xué)者Ю.П.列別琴科博士成功地進(jìn)行了天然氣水合物人工合成實驗2000年我國南海海域發(fā)現(xiàn)富存有大量的天然氣水合物OceanDrillingProgram2002:

HydrateRidge,PacificNorthwestU.S.1995:

BlakeRidge,U.S.Atlantic1982:

DeepSeaDrillingProgram,Middle-AmericaTrench:

firsthydratecoresNaturalResourcesCanada238.4從水合物提取天然氣的方法熱激發(fā)法

將蒸氣、熱水、熱鹽水或其它熱流體從地面泵入水合物地層，或采用開采重油時使用的火驅(qū)法或利用鉆柱加熱器，能促使溫度上升達(dá)到水合物分解的方法都可稱為熱激發(fā)法。熱開采技術(shù)會造成大量的熱損失，效率低。在永久凍土區(qū)，即使利用絕熱管道，永凍層也會帶走傳遞給儲集層的有效熱量。為了提高熱激發(fā)法的效率，采用井下裝置加熱技術(shù)，如井下電磁加熱。這種方法就是在垂直（或水平）井中沿井的延伸方向在緊鄰水合物帶的上下（或水合物層內(nèi)）放入不同的電極，利用交流電直接對儲層進(jìn)行加熱。儲層受熱后壓力降低，通過膨脹產(chǎn)生氣體。8.4從水合物提取天然氣的方法化學(xué)試劑法

采用諸如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化學(xué)試劑可以改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物穩(wěn)定溫度。當(dāng)將上述化學(xué)試劑從井孔泵入后，就會引起水合物的分解。化學(xué)試劑法較熱激發(fā)法作用緩慢，但確有降低初始能源輸入的優(yōu)點。缺點是費用太昂貴。由于大洋中水合物的壓力較高，因而不宜采用此方法。俄羅斯的梅索雅哈氣田使用過；美國阿拉斯加的永凍層水合物中做過實驗。

8.4從水合物提取天然氣的方法減壓法

通過降低壓力而引起天然氣水合物穩(wěn)定的相平衡曲線的移動，從而達(dá)到促使水合物分解的目的。開采水合物層之下的游離氣是降低儲層壓力的一種有效方法。另外，通過調(diào)節(jié)天然氣的提取速度可以達(dá)到控制儲層壓力的目的，進(jìn)而達(dá)到控制水合物分解的效果。減壓法最大的特點是不需要昂貴的連續(xù)激發(fā)，因而其可能成為今后大規(guī)模開采天然氣水合物的有效方法之一。但單獨使用減壓法開采天然氣的是很慢的。

8.4從水合物提取天然氣的方法從以上三種方法來看，單獨采用某一種方法來開采天然氣水合物是不經(jīng)濟的，只有結(jié)合不同方法的優(yōu)點才能達(dá)到對水合物的有效開采。若將降壓法和熱開采技術(shù)結(jié)合使用，將會展現(xiàn)出誘人的前景，即：用熱激發(fā)法分解氣水合物，而用降壓法提取游離氣體。ProductionTechnologiesChemicalInjectionCO2HydrateInhibitor(methanol)CO2CH4PowerPlantHydrateContainingSedimentSeafloor32FusionmethodForthegasproductionfromhydratesandtheseabedstabilityaftertheproduction1)injectionofhotseawaterintothehydratelayertodissociatethehydrates,2)producegasfromthehydrate,3)injectCO2toformcarbondioxidehydratewithresidualwatertoholdtheseabedstable338.5天然氣水合物現(xiàn)狀

和發(fā)展趨勢世界上已有100多個地區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物，到目前為止，僅有前蘇聯(lián)在西伯利亞發(fā)現(xiàn)了第一個“可燃冰”氣藏，并于1969年投入開發(fā)，采氣14年，總采氣50.17億立方米。日本、美國等國家將在2015年進(jìn)行商業(yè)化試開采。加拿大、印度、韓國和挪威都制定了自己的計劃。2012年3月16日CCTV13報道，中國海洋6號勘探船將對中國南海進(jìn)行詳細(xì)地質(zhì)勘探，估計約有600億噸石油當(dāng)量的天然氣水合物。Variousissuesrelatedtoextractionofgashydrates36

HydrateLaboratory(LocatedinTrondheim-Norway)

HydratePilotPlant(Locat