天然氣水合物資源開發(fā)現(xiàn)狀及最新進展

1、天然氣水合物資源開發(fā)現(xiàn)狀及最新進展中國新能源網(wǎng)I 2009-3-3 9:57:00 I新能源論壇I我要供稿特別推薦：中國新能源與可再生能源年鑒(2009)征訂摘要：天然氣水合物是20世紀發(fā)現(xiàn)的一種新型后備能源，被喻為21世紀石油天然氣的理想替代資源，是目前地球上尚未開發(fā)的最大未 知能源庫。本文介紹了天然氣水合物的開發(fā)歷程、資源狀況、現(xiàn)有的開發(fā)技術(shù)方法與發(fā)展趨勢，同時也總結(jié)了天然氣水合物開發(fā)領(lǐng)域取 得最新成果和認識。最后得出天然氣水合物的研究方向，并建議廣泛的參與國際合作。關(guān)鍵詞：開發(fā)天然氣水合物資源現(xiàn)狀開發(fā)技術(shù)最新進展一、天然氣水合物開發(fā)歷程天然氣水合物是以甲烷CH4為主的氣態(tài)烴類物質(zhì)(含少量

2、co2、H2S等非烴分子)充填或被束縛在籠狀水分子結(jié)構(gòu)中形成的冰晶狀化 合物，是在高壓、低溫條件下形成的。它是繼煤、石油和天然氣等能源之后的一種潛在的新型能源,廣泛存在于溝盆體系、陸坡體系、邊 緣海盆陸緣和北極地區(qū)的永久凍土區(qū)。20世紀60年代初，前蘇聯(lián)借助地球物理方法首次在西伯利亞永凍層中發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，隨后美、加在加拉斯加北坡、馬更些三角 洲凍土帶相繼發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模的水合物礦藏。70年代初英國地調(diào)所科學(xué)家在美國東海岸大陸邊緣所進行的地震探測中發(fā)現(xiàn)了 “似海底反射 層”(Bottom Similating Reflector,英文稱BSR)。緊接著于1974年又在深海鉆探巖芯中獲取天然氣水

3、合物樣品并釋放出大量甲烷，證實了“似 海底反射”與天然氣水含物有關(guān)。70年代和80年代，深海鉆探計劃(DSI)和大洋鉆探計劃(ODP)陸續(xù)實施，在全球多處海底發(fā)現(xiàn)了天然氣 水合物，大規(guī)模的國際合作相繼開展，天然氣水合物研究以及綜合普查勘探工作進人全面發(fā)展階段。1991年美國能源部組織召開“美國國 家天然氣水合物學(xué)術(shù)討論會”。1995年冬ODP64航次在大西洋西部布萊克海臺組織了專門的天然氣水合物調(diào)查，打了一系列深海鉆孔，首次 證明天然氣水會物廣泛分布，肯定其具有商業(yè)開發(fā)的價值。同時指出天然氣水會物礦層之下的游離氣也具有經(jīng)濟意義。如今，新技術(shù)、新 方法的大量應(yīng)用使天然氣水合物的研究朝著更全面、更

4、精深的方向發(fā)展。二、天然氣水合物資源現(xiàn)狀天然氣水合物儲量圖1世界有機碳分布(單位：1015噸)天然氣水合物資源總估算值的差別非常大，從標準溫度壓力下的1x1015立方米到5X1015立方米，再到21X1015立方米。這遠比常規(guī)天然 氣資源的總估算值(57x1013立方米)大得多。天然氣水合物估算值為天然氣地質(zhì)儲量值，實際產(chǎn)量僅僅是這一數(shù)量的百分之幾。但是，天然 氣的可能生產(chǎn)量仍然會高于常規(guī)天然氣資源的產(chǎn)量(如圖1)。目前各國科學(xué)家對全球天然氣水合物資源量較為一致的評價為2X1016，是 剩余天然氣儲量(156x1014m3)的136倍。天然氣水合物產(chǎn)量目前，除了小型現(xiàn)場試驗之外,唯一實現(xiàn)開采的

5、是俄羅斯的麥索亞哈天然氣水合物氣田，所以未來的產(chǎn)量尚不確定。但是由于水合物礦藏 自身的厚度非常的大(可達幾百米)，全世界甲烷水合物潛在產(chǎn)量將非常可觀。參與試驗性開采比較積極的國家有日本、加拿大、美國、德國和印度等。依據(jù)近年來試驗性開采的成果和今后的技術(shù)進步看，在20152020 年發(fā)達國家實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模開采水合物在技術(shù)上是可行的，但實現(xiàn)商業(yè)開采則值得探討。天然氣水合物資源分布已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物主要存在于世界范圍內(nèi)的溝盆體系、陸坡體系、邊緣海盆陸緣，尤其是與泥火山、熱水活動、鹽泥底辟及大型斷 裂構(gòu)造有關(guān)的深海盆地中,可能還包括擴張盆地(圖2)和北極地區(qū)的永久凍土區(qū)。大西洋的85%、太平洋的95%

6、、印度洋的96%的地區(qū) 中含有天然氣水合物，且主要分布于洋底之下200600米的深度范圍。圖2全球天然氣水合物分布(1)海洋中的分布目前，世界已調(diào)查發(fā)現(xiàn)并圈定有天然氣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、千島海溝、沖繩海槽、日本海、 四國海槽、南海海槽、蘇拉威西海、新西蘭北島；東太平洋海域的中美海槽、北加利福尼亞-俄勒岡濱外、秘魯海槽；大西洋海域的美國 東海岸外布萊克海臺、墨西哥灣、加勒比海、南美東海岸外陸緣、非洲西西海岸海域；印度洋的阿曼海灣；北極的巴倫支海和波弗特海； 南極的羅斯海和威德爾海，以及黑海與里海等。中國在西沙海槽、東沙陸坡、臺灣西南陸坡、沖繩海槽、南海北部等區(qū)

7、域也發(fā)現(xiàn)了天然氣 水合物的大量地球物理與地球化學(xué)證據(jù)。目前世界這些海域內(nèi)有88處直接或間接發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，其中26處巖芯見到天然氣水合物,62處見到有天然氣水合物地震標志的 似海底反射(BSR)，許多地方見有生物及碳酸鹽結(jié)殼標志。(2)大陸中的分布全球天然氣水合物在大陸主要分布于阿拉斯加北坡、加拿大馬更些三角洲等地(詳見表1)。有調(diào)查證據(jù)顯示,中國青藏高原永久凍土帶區(qū) 域也可能蘊藏著大量的天然氣水合物資源。表1全球天然氣水合物在大陸的主要分布地點地點證據(jù)阿拉斯加北坡 加掌大馬更些三角洲 加掌大西北部北極諸島 俄羅斯季曼-伯朝拉地區(qū) 西西伯利亞麥索雅哈 東西伯利亞貝略依氣田 勘察加測井、取樣

8、測井、取樣測井氣體分析取樣氣體分析、測井氣體分析三、天然氣水合物開發(fā)技術(shù)與方法從20世紀60年代蘇聯(lián)發(fā)現(xiàn)麥索雅哈氣田至今，天然氣水合物的開發(fā)思路基本上都是首先考慮如何使蘊藏在沉積物中的天然氣水合物分 解，然后再將天然氣采至地面。一般來說，人為地打破天然氣水合物穩(wěn)定存在的溫度壓力條件，造成其分解，是目前開發(fā)天然氣水合物中甲烷 資源的主要方法。現(xiàn)階段提出的方法可以歸為這么幾類：加熱法、降壓法、添加化學(xué)劑法、驅(qū)替法、綜合法等1.加熱法將蒸汽、熱水、熱鹽水或其它熱流體從地面泵入水合物地層,也可采用開采重油時使用的火驅(qū)法，總之只要能促使溫度上升達到水合物分 解的方法都可稱為熱激發(fā)法。熱開采技術(shù)的主要不足

9、是會造成大量的熱損失，效率很低。特別是在永久凍土區(qū)，即使利用絕熱管道，永凍層也 會降低傳遞給儲層的有效熱量。在熱刺激模型中，水合物產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)控制技術(shù)有兩種：用熱水或蒸汽循環(huán)注入預(yù)熱井。通過數(shù)值實驗表明:水合物的儲層最小應(yīng)有15%的孔隙度，厚度應(yīng)有7.5 cm。如果注射液的溫度為340 K395 K之間，則可滿足其經(jīng)濟可行性的需要。利用電磁或微波等直接加熱。為了更有效利用熱能，可在井下安裝加熱裝置,設(shè)備較復(fù)雜,也可利用微波加熱,通過波導(dǎo)將微波導(dǎo)入井底, 直接加熱水合物或水。圖3加熱法開采天然氣水合物近年來，在用加熱法開采稠油時，為了提高加熱效率，采用井下裝置加熱技術(shù),井下電磁加熱方法就是其中之

10、一,實踐證明電磁加熱法是一種 比常規(guī)開采技術(shù)更為有效的方法。這種方法就是在垂直(或水平)井中沿井的延伸方向在緊鄰天然氣水合物帶的上下層內(nèi)(或天然氣水合物 層內(nèi))放入不同的電極，再通以交變電流直接對儲層進行加熱。電磁熱還很好地降低了流體的粘度，促進了氣體的流動。Islam進行的模擬計 算結(jié)果表明,利用該方法分解水合物是可行的。2.降壓法通過降低壓力而使天然氣水合物穩(wěn)定的相平衡曲線移動，從而達到促使水合物分解的目的。一般是在水合物層之下的游離氣聚集層中“降 低”天然氣壓力或形成一個天然氣空腔（可由熱激發(fā)或化學(xué)試劑作用人為形成），使與天然氣接觸的水合物變得不穩(wěn)定并且分解為天然氣和 水。開采水合物層之

11、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到控制儲層壓力的目的，進而達到 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 是,單使用減壓法開采天然氣是很慢的，是一種弱化被動式開采。研究者認為，當水合物層下面存在自由氣藏時，降壓開采是最有效的方法。前蘇聯(lián)麥索雅哈氣田的開采實踐即證明了這一點。添加化學(xué)劑法某些化學(xué)劑,如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等可以改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物穩(wěn)定的溫度。當將上述化學(xué)劑從井 孔泵入后，就會引起天然氣水合物的分解。添加化學(xué)劑法較加熱法作用緩慢，但

12、確有降低初始能源輸入的優(yōu)點，其最大缺點是費用太高。其他方法近期有學(xué)者提出用CO2置換開采,用壓力將相平衡壓力較低,更容易形成水合物的CO2通入天然氣水合物儲層，通過形成二氧化碳水合物 放出的熱量來分解天然氣水合物，同時可以用來處理工業(yè)排放的co2。也有人提出直接在井底放一個高溫催化爐，把甲烷催化成一氧化碳和氫氣，利用放出的熱量來分解水合物。除了以上常見的開發(fā)方法，一種新的天然氣水合物開發(fā)方法是在深海使天然氣水合物顆?；?或?qū)⑻烊粴馑衔镅b入一種可膨脹的軟式 氣袋（其內(nèi)部保持天然氣水合物穩(wěn)定所需要的溫度壓力條件）中，再用潛水艇把天然氣水合物拖到大陸架附近的淺水地區(qū),在那里，天然氣水 合物能夠緩慢

13、地分解，產(chǎn)生燃料和水。最近，日本學(xué)者用試驗證實了將空氣中的CO2分離與天然氣水合物開發(fā)相結(jié)合的可能性。從方法的使用來看,單單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)點才能達到對水合物的有效開采。例如 將降壓法和熱開采技術(shù)結(jié)合使用,即先用熱激發(fā)法分解天然氣水合物，后用降壓法提取游離氣體（如圖4），這樣取得的效果可能會更好一 些。圖4綜合法開采天然氣水合物四、天然氣水合物開發(fā)技術(shù)新進展20世紀中后期特別是進人21世紀以來，世界天然氣水合物研發(fā)取得了一系列新進展和技術(shù)進步，主要有:一些國家開始執(zhí)行新一輪 國家計劃，以大洋鉆井計劃水合物調(diào)查為代表的國際合作項目完成，其他國際合作

14、項目亦成績斐然，水合物國際學(xué)術(shù)交流活動日益 頻繁，文獻量逐年增多；加拿大麥肯齊三角洲Mallik3IJ-38, Mallik4L-38和MallikSIJ-38井組完成了永久凍土帶水合物的試驗性開采（旨 在解決每口井的水合物氣采收率，每口井的產(chǎn)量，開采成本和水合物氣價等問題），日本和美國制定了明確的商業(yè)開采時間表，并著手進行海洋水合物試驗性開采；水合物地質(zhì)學(xué)和地球化學(xué)研究在氣源、運移和成藏模式上有新發(fā)現(xiàn)和新見地，高分辨率三維地震勘探和其 他新的地球物理調(diào)查技術(shù)確定井位的成功率提高，鉆井取樣技術(shù)趨于成熟；在室內(nèi)實驗?zāi)M和陸上永凍土區(qū)開采試驗(包括鉆井、試井、 測井和完井試驗)基礎(chǔ)上，海洋水合物工

15、業(yè)開采技術(shù)將接受海底條件的檢驗和進一步積累經(jīng)驗。在描述和討論了天然氣水合物開發(fā)領(lǐng)域的最新發(fā)展和成果，如果天然氣水合物受降壓或增溫的影響，在溫度不穩(wěn)定的情況下,水合物會分解 為氣和水。若天然氣水合物在粗粒沉積物孔隙內(nèi)，井筒周圍降壓會造成水合物分解，釋放出來的氣體會流經(jīng)多孔介質(zhì)，流到井筒，最后到達地 面設(shè)施。水合物生產(chǎn)甲烷的技術(shù)有可能是從常規(guī)油氣生產(chǎn)技術(shù)直接改進而得。沒有人通過水合物礦藏生產(chǎn)能力的長期測試來探明甲烷量， 大部分水合物礦藏的大小和地質(zhì)環(huán)境也尚未界定。但是，阿拉斯加和加拿大北極現(xiàn)場進行的小型流動測試以及對這些己確定礦藏的模擬說 明，運用改進的常規(guī)天然氣生產(chǎn)技術(shù)可從水合物中生產(chǎn)甲烷。在甲

16、烷從下伏沉積物上升至海底的區(qū)域,天然氣水合物可能也會在海底形成礦藏。這些礦藏不會被認為是潛在的商業(yè)來源,因為它們是化 合性生物群落的主體。開采海底礦藏的主要障礙是在收集這些漂浮塊體的過程中甲炕有被釋放到空氣中的危險。以下是最近國外的相關(guān)試驗和研究項目進展：阿拉斯加北坡生產(chǎn)試驗2007年美國能源部(DOE)與英國石油公司(BP)合作鉆了一口垂直參數(shù)井,用于驗證地震預(yù)測并采集巖心和地球物理測井資料供分析和模 擬所用。從此井中采出了 130米含有天然氣水合物的巖心。含有水合物區(qū)域的水合物飽和度達到孔隙體積的75%。天然氣水合物飽和度 隨著砂粒質(zhì)量的不同而不同，砂層越干凈，水合物飽和度越高。采集了一整

17、套裸眼井地球物理測井曲線，并在兩個含水合物地區(qū)進行了壓降測 試。壓降測試結(jié)果表明氣體流動以及地層的迅速冷卻與水合物分解的氣體有關(guān)。計劃大概在2009年在此處進行長期的生產(chǎn)測試。墨西哥灣地震預(yù)測技術(shù)試驗2001年，為了了解天然生成的天然氣水合物如何圈閉淺層油氣，以及如何影響北墨西哥灣的海底穩(wěn)定性，美國能源部與雪佛龍石油技術(shù)公 司以及其他公司、學(xué)術(shù)機構(gòu)聯(lián)合啟動了一項工業(yè)聯(lián)合項目。墨西哥灣是一個主要的油氣生產(chǎn)區(qū)域，行業(yè)與政府管理者需要了解水合物對海 底穩(wěn)定性的影響以及對鉆井、生產(chǎn)與油氣管道的潛在影響。此項研究所獲得的大部分信息也適用于水合物中潛在甲烷的生產(chǎn)。事實上，自 從2005年，此項目己經(jīng)將其研

18、究重點轉(zhuǎn)移到了墨西哥灣大型水合物礦藏的探測、量化以及其潛在的產(chǎn)量上。含有天然氣水合物區(qū)域的井筒穩(wěn)定性可能會遭到破壞，因為鉆井的熱量和鉆井液的循環(huán)可能會加劇水合物的分解。盡管水合物穩(wěn)定區(qū)暴 露了許多天，但2005年墨西哥灣的井沒有出現(xiàn)任何井筒問題。鉆井證實了井筒穩(wěn)定模型的正確性,此模型用于預(yù)測鉆井之前的情況。圖5 2005年能源部工業(yè)聯(lián)合項目在墨西哥灣 所鉆天然氣水合物井的位置(圖片來自美國地質(zhì)調(diào)查所)2005年,為了獲取地球物理測井曲線或巖心，在墨西哥灣的兩個地方-keathley峽谷151區(qū)塊與Atwater山谷13和14區(qū)塊-約1300米 水深處鉆了七口井。在常規(guī)三維地震基礎(chǔ)上，這些井的資

19、料證實了對甲烷水合物地點的預(yù)測。由于目標地點為解決海底穩(wěn)定問題的區(qū)域，所以選擇了水合物飽和度較低的區(qū)域,一般低于孔隙體積的20%。飽和度這樣低可能沒有產(chǎn)量，因此沒有進行壓降試井。為了 2008-2009年 的鉆井地球物理測井和取心,2007年此項目對墨西哥灣天然氣水合物礦藏高度集中的地方進行了評估。如果選定了適合的礦藏，在未來的幾 年中會進行生產(chǎn)測試。生產(chǎn)模擬與油藏模擬所謂油藏模擬是指根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)（如壓力下降或熱力增產(chǎn)措施）運用計算機對儲層流體流動建模。由于沒有進行大型生產(chǎn)試驗，在不需要 精確技術(shù)的情況下,油藏模擬是當前評估未來天然氣水合物礦藏產(chǎn)能、未來研究與發(fā)展直接經(jīng)費支出的最佳技術(shù)。天然氣

20、水合物油藏模擬 軟件可模擬含水合物地質(zhì)系統(tǒng)，評價永凍層與海洋環(huán)境下水合物的開采策略，包括熱力增產(chǎn)措施、降壓法以及緩凝劑誘發(fā)增強分解。美國勞倫斯伯克利國家實驗室最近完成了天然氣水合物儲層的模擬，包括低濃度沉積物與高飽和度海相砂巖。研究成果表明擴散型低濃 度沉積物沒有生產(chǎn)潛力,但高濃度沉積物可能有較高的生產(chǎn)能力。一般通過評估油藏模擬軟件的儲層歷史動態(tài)擬合能力來評價它們的準確性。由于沒有用作測試實例的天然氣水合物歷史產(chǎn)量，于是通過 對比幾個模擬軟件對相同數(shù)據(jù)集的反應(yīng)來評價和改進它們。本次所使用的計算機模擬程序為:TOUGH+/ HYDRATE,由美國能源部/勞倫斯 伯克利國家實驗室開發(fā):MH-21水合物模擬軟件,由國家先進工業(yè)科技協(xié)會、日本石油工程有限公司與東京大學(xué)開發(fā):STOMFHYD,由位于費 爾班克斯的阿拉斯加大學(xué)石油工程系開發(fā)以及用于天然氣水合物且經(jīng)過改進的CMG STARS，由英國石油公司、卡爾加里大學(xué)與阿拉斯加 一費爾班克斯大學(xué)開發(fā)。Mallik地區(qū)的開采試驗Mallik地區(qū)的天然氣水合物礦床富集度極高，由于賦存狀態(tài)非常之好,其周圍環(huán)境都未發(fā)生變化。2003年12月，在日本千葉城舉行的題為 “From Mallik to the Fu的研討會上,公布了人們期待已久的關(guān)