可燃冰未來的新能源課件

1、可燃冰未來的新能源可燃冰未來的新能源“可燃冰”：未來的新能源“Flaming ice”: the future new energy 匯 告 人：xxxxx油田采油院2011年10月28日“可燃冰”：未來的新能源“Flaming ice”: th匯報內容一、未來的能源是什么？二、氣水合物發(fā)展史三、天然氣水合物簡介四、水合物形成機理五、天然氣水合物的開采方法六、水合物可能的工業(yè)應用匯報內容一、未來的能源是什么？一、未來的能源是什么？ 石油天然氣是不可再生能源，隨著開采的不斷進行，產量達到峰值后將不斷下降，因此尋找新能源勢在必行。一、未來的能源是什么？ 石油天然氣是不可再生能源，隨著開1.1 世界

2、油氣供給現(xiàn)狀和預測世界石油發(fā)現(xiàn)量和產量的變化 石油發(fā)現(xiàn)在20世紀60年代中期就達到了高峰，隨后逐年下降，最近幾年石油發(fā)現(xiàn)量已經低于石油產量。因此預計在近10年石油產量將達到峰值，隨后逐年下降。1.1 世界油氣供給現(xiàn)狀和預測世界石油發(fā)現(xiàn)量和產量的變化 石1.2 接替能源在哪里？核能 ？！可再生能源 1.2 接替能源在哪里？可燃冰-天然氣水合物有可能成為未來的新能源可燃冰-天然氣水合物有可能成為未來的新能源天然氣水合物新能源初步認為，地球上27%的陸地和90%的海域均具備天然氣水合物生成的條件天然氣水合物賦存于水深大于100-250米（兩極地區(qū)）和大于400-650米（赤道地區(qū)）的深海海底以下數百

3、米至1000多米的沉積層內，這里的壓力和溫度條件能使天然氣水合物處于穩(wěn)定的固態(tài)。永凍層水合物海洋水合物天然氣水合物新能源初步認為，地球上27%的陸地和90%的海可燃冰未來的新能源1.4 天然氣水合物特點能量密度高，潔凈能源埋藏淺，分布廣（ 100多個國家和地區(qū)）儲量巨大（世界范圍內1.52.01016立方米）天然氣水合物特點1.4 天然氣水合物特點能量密度高，潔凈能源埋藏淺，分布廣（二、天然氣水合物研究歷史Davy于1810年首次在倫敦皇家研究院實驗室成功地合成了氯氣水合物；上世紀30年代，發(fā)現(xiàn)輸氣管道內形成白色冰狀固體填積物；上世紀60年代蘇聯(lián)在麥索亞哈氣田地層中發(fā)現(xiàn)了氣水合物藏；二、天然氣

4、水合物研究歷史Davy于1810年首次在倫敦皇家研可燃冰未來的新能源可燃冰未來的新能源可燃冰未來的新能源美國布萊克海臺水合物樣品（MacDonald拍攝）ODP 204航次美國水合物脊采集的地質樣品 (Lee,2002)鄂霍次克海，2006美國布萊克海臺水合物樣品（MacDonald拍攝）ODP 2截止2002年底，世界上已直接或間接發(fā)現(xiàn)水合物共116處，其中海洋107處，陸地9處。在這116處中，直接見到水合物23處（海洋20處、陸地3處），推斷水合物93處（海洋87處、陸地6處）。 截止2002年底，世界上已直接或間接發(fā)現(xiàn)水合物共116處，其可燃冰未來的新能源資源情況：海洋沉積層內天然氣水

5、合物中甲烷的資源量為310157.61018立方米之間?？蓾M足人類需要1000多年。我國南海北部發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物樣品。資源情況：海洋沉積層內天然氣水合物中甲烷的資源量為3101我國的水合物研究及資源(1) 1990年中國科學院開展了合成甲烷水合物實驗，取得成功。(2) 1998年,中國加入大洋鉆探計劃。(3) 1999年10 月,廣州海洋地質調查局首次在南海開展天然氣水合物前期調查,在3 條共130 km 的地震剖面上識別出B S R。之后,又在南海西沙海槽識別出5242 km2 的B S R 分布區(qū)。(4) 2007年5月,中國地質調查局在南海神狐海域3 個站位鉆獲天然氣水合物實物樣品。(

6、5) 2008年在青藏高原祁連山南緣永久凍土層的下面，井深是 130到396米發(fā)現(xiàn)天然氣水合物資源。 我國的水合物研究及資源(1) 1990年中國科學院開展了合成青海省祁連山南緣永久凍土帶 （估計253億噸油當量）南海北部（185億噸油當量）我國的水合物資源青海省祁連山南緣永久凍土帶 （估計253億噸油當量）南海北部南海北部立體地貌圖西槽沙海海南島東 沙 群 島中 沙 群 島西 沙 群 島海口廣州香港澳門臺灣呂宋島馬尼拉神 狐 暗 沙瓊東南南海北部西槽沙海海南島東 沙 群 島中 沙 群 島西 沙 群神狐調查區(qū)東沙群島調查區(qū)西沙調查區(qū)已完成4個航次調查多道地震2053km 測網密度1632km淺

7、層剖面1050km多波束2100km地質取樣132個站位海底攝像54個站位已完成5個航次調查多道地震15975km 目標區(qū)三維地震306km2測網密度1632km重點區(qū)14km多波束13606km地質站位449個海底攝像117個站位熱流測量78個站位鉆探5個站位已完成5個航次調查多道地震8588km 測網密度1632km重點區(qū)14km局部三維淺層剖面7100千米單道27千米多波束14251km地質站位382個海底攝像170個站位熱流測量33個站位瓊東南調查區(qū)已完成3個航次調查多道地震9800km 測網密度1632km多波束1218km地質取樣284個站位海底攝像58個站位熱流測量20個站位 南

8、海北部陸坡區(qū)水合物調查程度神狐海域鉆探位置5艘船參與調查，截止2007年底，已完成18個航次 調查工區(qū)、調查項目及完成工作量12341、2、3、4為調查區(qū)的先后次序神狐調查區(qū)東沙群島調查區(qū)西沙調查區(qū)已完成4個航次調查已完成5青海省天峻縣木里鎮(zhèn)祁連山南麓可燃冰鉆探現(xiàn)場青海省天峻縣木里鎮(zhèn)祁連山南麓可燃冰鉆探現(xiàn)場青藏高原多年凍土分布青藏高原多年凍土面積158.8104km2，約占本區(qū)總面積的66，在平面上的分布基本上與地形的變化和山脈的走向相一致。羌塘高原大片連續(xù)多年凍土區(qū)是青藏高原多年凍土的主體，面積約60.7104km2，海拔高度在45007000米之間。青藏高原多年凍土分布青藏高原多年凍土面積

9、158.8104k中國天然氣水合物資源預測沉積層厚度、飽和度、礦藏分布面積精確估計較為困難中國天然氣水合物資源量預測表中國天然氣水合物資源預測沉積層厚度、飽和度、礦藏分布面積精確三、水合物簡介天然氣水合物 在一定條件（合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、pH值等）下由水和天然氣組成的類似冰狀的、非化學計量的、籠形結晶化合物，其遇火可燃燒，因而俗稱可燃冰。 三、水合物簡介天然氣水合物3.1 氣體水合物的結構水-水：氫鍵 (hydrogen bond)水分子“籠子 (cavity)”氣體分子：CH4, C2H4, C2H6, C3H8, Ne, Ar, Kr, Xe, N2, H2S, CO2

10、, 外觀為類冰晶體非化學計量的包合物 (clathrate)3.1 氣體水合物的結構水-水：氫鍵 (hydrogen b3.2 氣體水合物的類型晶體類型水分子數晶穴種類晶穴數晶穴結構I型46小大2651251262II型136小大16851251264H型34小中大321512435663512683.2 氣體水合物的類型晶體類型水分子數晶穴種類晶穴數晶穴結可燃冰未來的新能源可燃冰未來的新能源人工合成人工合成3.3 水、冰和天然氣水合物熱力學性質比較介 質密度（kg/m3）導熱系數(W/mK)比熱C(KJ/kgK)熱擴散系數(106m2/s)水10000.554.190.13冰9202.32.

11、041.22天然氣水合物6000.622.040.513.3 水、冰和天然氣水合物熱力學性質比較介 質密度（k3.4 水合物儲氣性質儲氣能力：160 atm鋼瓶 110 kg甲烷/m3水合物1 m3水合物0.8 m3水164 Nm3天然氣3.4 水合物儲氣性質儲氣能力：160 atm鋼瓶1 m3.5 水合物形成機理氣體水合物形成的機理，可以看作是包括形成水合物的氣體分子與水單體和形成水合物晶格的母體簇團相互作用的三體聚集過程 氣體分子在水中的溶解、成核和生長三個基本過程氣體分子在水中溶解形成穩(wěn)定的水合物晶核 晶體增長過程 3.5 水合物形成機理氣體水合物形成的機理，可以看作是包括形氣體分子在水

12、中的溶解、成核和生長三個基本過程 3.5 水合物形成機理氣體分子在水中的溶解、成核和生長三個基本過程 3.5 水合物3.5 水合物形成機理3.5 水合物形成機理可燃冰未來的新能源3.6 水合物平衡生成條件3.6 水合物平衡生成條件3.7 水合物平衡生成條件水合物生成預測圖解法基于狀態(tài)方程的嚴格計算3.7 水合物平衡生成條件水合物生成預測四、天然氣水合物的開采方法1、俄、美、加、日處于開發(fā)研究前沿1965年，在俄羅斯西伯利亞多年凍土區(qū)麥索雅哈氣田首次發(fā)現(xiàn)天然氣水合物。1969年開始試開采，到1990年最終停產，累計開采51.7億立方米天然氣。美國和日本分別制定了2015年和2016年進行商業(yè)開采

13、的時間表。2、中國的起步與差距中國對天然氣水合物的研究還處在調查評價前期階段，開采研究剛剛起步，尚未開展試開采研究。青藏高原多年凍土區(qū)水合物資源有可能成為我國最早進行天然氣水合物開采地區(qū)。 四、天然氣水合物的開采方法1、俄、美、加、日處于開發(fā)研究前沿四、天然氣水合物的開采方法四、天然氣水合物的開采方法臨界線水合物+水水+氣TcPc壓力溫度水合物相態(tài)變化示意圖升溫分解降壓分解三種途徑促水合物分解（1）降低壓力（2）升高溫度（3）注化學劑改變相態(tài)圖四、天然氣水合物的開采方法臨界線水合物+水水+氣TcPc壓力溫度水合物相態(tài)變化示意圖升4.1 降壓法 通過降低NGH藏的壓力使NGH低于相平衡曲線的壓力

14、，從而達到促使NGH分解。低壓區(qū)，水合物分解區(qū)水合物層蓋層井筒產出氣體四、天然氣水合物的開采方法4.1 降壓法 通過降低NGH藏的壓力使NGH低于相平 4.2 熱激法四、天然氣水合物的開采方法 4.2 熱激法四、天然氣水合物的開采方法4.3 注化學劑法 某些化學劑，諸如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化學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。當將上述化學劑從井孔泵入后，就會引起NGH的分解。 添加化學劑較加熱法作用緩慢，但確有降低初始能源輸入的優(yōu)點。添加化學劑最大的缺點是費用太昂貴。四、天然氣水合物的開采方法4.3 注化學劑法 某些化學劑，諸如鹽水、甲醇、乙4.3 注化學劑法

15、四、天然氣水合物的開采方法4.3 注化學劑法四、天然氣水合物的開采方法CH4水合物CO2水合物CO2置換法開發(fā)天然氣水合物的原理：1、CH4和CO2水合物的穩(wěn)定條件不同；2、CO2水合物的反應焓高于CH4水合物的分解熱。4.4 CO2置換法四、天然氣水合物的開采方法CH4水合物CO2水合物CO2置換法開發(fā)天然氣水合物的原理：四、天然氣水合物的開采方法四、天然氣水合物的開采方法四、天然氣水合物的開采方法4. CO2置換過程強化方法研究3.CO2置換動力學實驗及模型研究2.水合物存在條件下，CO2和CH4在溶液中溶解度1. CO2+CH4+H2O體系V-H相平衡研究四、天然氣水合物的開采方法4.

16、CO2置換過程強化方法研究3四、天然氣水合物的開采方法CH4+CO2體系V-H相平衡計算值與實驗值比較（T=273.2K; ZCO2 =0.5112;w=0.746）CH4+CO2體系V-H相平衡計算值與實驗值比較（T=275.2K; ZCO2 =0.7233;w=0.624）四、天然氣水合物的開采方法CH4+CO2體系V-H相平衡計算四、天然氣水合物的開采方法CH4+CO2體系V-H相平衡計算值與實驗值比較（P=3.50MPa; ZCO2 =0.5112;w=0.746）CH4+CO2體系V-H相平衡計算值與實驗值比較（P=3.50MPa;T=275.2K）四、天然氣水合物的開采方法CH4+

17、CO2體系V-H相平衡計算CO2置換CH4水合物中CH4的實驗裝置圖CH4水合物CH4氣體CO2氣體四、天然氣水合物的開采方法CO2置換CH4水合物中CH4的實驗裝置圖CH4水CH4CO四、天然氣水合物的開采方法CH4水合物分解量隨時間變化CO2水合物生成量隨時間變化四、天然氣水合物的開采方法CH4水合物分解量隨時間變化CO2CO2CH4CO2置換CH4水合物中CH4的反應示意圖CO2CH4CO2置換CH4水合物中CH4的反應示意圖置換動力學模型的建立 CO2水合物的生成動力學模型的建立 推動力四、天然氣水合物的開采方法置換動力學模型的建立 推動力四、天然氣水合物的開采方法CH4水合物分解動力

18、學模型的建立 在置換過程中，有一部分CH4分子由于氫鍵的記憶效應和維持水合物穩(wěn)定性的需要，重新占據了水合物晶格孔穴的小孔中。本文建立CH4水合物分解動力學模型時考慮到這一現(xiàn)象，將模型分為CH4水合物中大小孔的分解和部分CH4分子重新占據小孔兩部分。 四、天然氣水合物的開采方法CH4水合物分解動力學模型的建立 在置換過程CH4水合物分解動力學模型的建立 模型中相關參數和變量的計算方法 氣相中各組分的分逸度 和PT狀態(tài)方程67 水合物相中各組分的逸度和Chen-Guo水合物模型70 四、天然氣水合物的開采方法CH4水合物分解動力學模型的建立 模型中相關參數和變量的計算 模型中相關參數和變量的計算方

19、法 用Langmuir等溫吸附公式計算：= 反應速率常數和活化能求取方法 四、天然氣水合物的開采方法 模型中相關參數和變量的計算方法 用Langmuir反應速率常數和活化能求取方法 根據Arrhenius公式，反應速率常數與反應溫度存在如下關系：四、天然氣水合物的開采方法反應速率常數和活化能求取方法 根據Arrhenius公式，反五、天然氣水合物可能的工業(yè)應用天然氣儲運水合物分離技術海水淡化二氧化碳深海儲藏蓄能五、天然氣水合物可能的工業(yè)應用天然氣儲運5.1 水合物儲運技術研究現(xiàn)狀日本、美國、挪威等在21世紀來臨之際加大了該技術的研究力度工業(yè)上還沒有被利用過的潛在的高效的儲氣技術可以形成創(chuàng)新性專利成果美國國家天然氣水合物研究中心（SCGH）啟動以使用表面活性劑為主要技術的調峰儲氣的中試研究天然氣水合物汽車探索項目五、天然氣水合物可能的工業(yè)應用5.1 水合物儲運技術研究現(xiàn)狀日本、美國、挪威等在21世紀來儲氣量大， 1m3的 天然氣水合物可儲存150-180m3的天然氣 水合物的形成條件不苛刻，在0-10 ,2-6MPa即可生成，工業(yè)上很容易實現(xiàn)天然氣水合物在常壓下大規(guī)模