天然气水合物

资源室2016年1月国土资源部油气资源战略研究中心天然气水合物概述及勘探开发进展二〇一六年三月提纲一、概述二、勘探开发进展三、开采方法四、发展思路定义天然气水合物（NaturalGasHydrate）是由气体分子（主要为甲烷）和水在低温和中高压和条件下混合时组成的固体笼形结晶化合物。因其外观象冰，且遇火即可燃烧，所以又称为“可燃冰”。笼形结构赋存条件天然气水合物形成的三个条件：低温（0-10℃）高压（>10MPa或水深300m及更深）充足的气源天然气水合物分布区域：海洋：大陆架外的陆坡、深海和深湖永久冰土带：极地冰川冰土带和冰雪高山冻结岩全球天然气水合物分布海洋和湖泊陆地（冻土区）获得样品地区推测地区我国天然气水合物分布羌塘盆地祁连山漠河盆地南海北部发现及研究历程 1810 英国学者HumpheryDavy在伦敦皇家研究院实验室首次合成氯气水合物。 1811 Davyy著书正式提出气水合物一词。 1888 Villard在实验室合成了CH4、C2H6、C2H4、C2H2等的水合物。 1946 前苏联学者N.H.斯特里若夫从理论上做出结论:自然界可能存在气水合物藏。 1960~1970 前苏联科学家A.A.特罗费姆克等发现天然气的这样一个特性，即它可以以固态形式存在于地壳中并形成气水合物藏。 1968 前苏联在西西伯利亚发现包含天然气水合物藏的麦索雅哈气田。以美国为首的深海钻探(DSDP，大洋钻探计划前身之一)开始实施。 1971 前苏联从麦索雅哈气田含气水合物层中开采天然气。 1972 美国在阿拉斯加北部利用加压桶首次从永冻层中取出包含气水合物的岩心。 1973~1975 特罗费姆克等预测了世界海洋气水合物的资源量并提出了评价方法。 1974 R.Stoll等许多科学家在分析海底地震反射剖面图时发现了似海底反射层(BSR)。 1975 国际大洋钻探项目(大洋钻探计划前身之一)开始实施。 1980 “戈洛马挑战者号”在布莱克外海岭发现了白色天然气水合物碎块。 1982~1986 DSDP66航次、84航次、96航次在太平洋大陆边缘、南墨西哥滨海带、中美洲海槽、危地马拉滨海带等地发现数处气水合物。 1983 美国地质调查局和美国能源部实施了阿拉斯加北部斜坡气水合物研究项目。荷兰科学家E.Berecz和M.Balla-Achs出版《GasHydrate》一书。 1985 大洋钻探计划(ODP)正式实施。 1988 前苏联出版《1983~1988年天然气水合物文献索引》一书。 1989 第28届国际地质大会会议集收录气水合物文献。勘探开发历程 1990.1 联合国召开的“石油地质与地球化学:发展中国家的问题与前景”国际讨论会，气水合物被列为一个讨论专题。中国科学院兰州冰川冻土研究所在实验室合成气水合物。 1991~1993 ODP在太平洋西岸活动陆缘、美国西海岸、日本滨海、南海海沟等地发现气水合物。 1993 第一届国际天然气水合物会议（ICGH-1）在美国新帕尔茨举行。 1993.3~4 加拿大地质调查局在马更些三角洲发现冰胶结永冻层的气水合物。 1993.6 美国使用海底取样器在墨西哥湾发现H型结构气水合物。 1995 日本成立甲烷水合物开发促进委员会，开始实施气水合物研究与开发的五年计划。 1995.11~12 ODP164航次在大西洋西部的布莱克海岭组织了专门的天然气水合物调查。 1996 第二届国际天然气水合物会议（ICGH-2）在法国图卢兹举行。 1997 印度实施气水合物勘探计划。 1998.4 我国正式以六分之一成员国加入大洋钻探计划。 1998.6 中国科学院科技政策局组织召开以“中国天然气水合物的研究开发前景”为主题的21世纪能源科学发展战略研讨会；中国科学院兰州冰川冻土研究所提出开展“青藏高原永久冻土层的天然气水合物”的研究工作。 1998．5 美国参议院能源委员会通过“天然气水合物研究与资源开发计划”议案。 1999 美国制定了勘探开发天然气水合物的法律条文。 1999.7 第三届国际天然气水合物会议（ICGH-3）在美国盐湖城举行。会议主题是：“天然气水合物与未来的挑战”。 2000 N.B.Kakvnov等评价提交了俄罗斯欧洲东北部乌拉尔山以西永久冻土带地区的天然气水合物含甲烷资源量100×109m3(3.5TCF)。 2001 加拿大对其全国天然气水合物进行了资源评价，保守估算加拿大天然气水合物含甲烷资源为(0.44~8.1)×1014m3。 2002.5 第四届国际天然气水合物会议（ICGH-4）在日本大阪举行。 2005.6 第五届国际水合物会议（ICGH-5）在挪威特隆赫姆（Trondheim）举行。 2008.7 第六届国际天然气水合物会议（ICGH-6）在加拿大温哥华召开。提纲一、概述二、勘探开发进展三、开采方法四、发展思路美国勘探开发现状20世纪60年代，美国在墨西哥湾首次发现了似海底反射(BSR－水合物层下部游离气引起的反射界面)。1970年，美国在布莱克海台实施了深海钻探(DSDP)，证实BSR之上存在天然气水合物。1979年和1981年，美国在墨西哥湾及布莱克海台再次实施深海钻探，并取得了水合物岩心。美国已经在其东南大陆边缘、俄勒冈外太平洋西北边缘、阿拉斯加北坡、墨西哥湾大陆边缘、密西西比峡谷等海域进行了天然气水合物调查，并绘制了全美海洋天然气水合物的矿藏分布图，评价了各矿区的资源量和开发潜力。美国是开展海洋天然气水合物研究最早的国家，在天然气水合物研究方面处于领先地位。俄罗斯勘探开发现状俄罗斯除其领海(鄂霍茨克海、白令海、里海、北冰洋等)有巨大天然气水合物资源潜力以外，俄罗斯还拥有全球唯一正在从天然气水合物中采掘天然气的永久冻土带气田——西西伯利亚Messoyaha(麦索亚哈)气田，已经半连续生产达18年。俄罗斯还在贝加尔湖淡水沉积物中发现天然气水合物，在黑海1950m水深处发现冰状天然气水合物晶体；确定在黑海海域海底天然气水合物矿层厚度达6m，在6－650m深处存在150多个天然气水合物矿藏，天然气水合物含甲烷资源量(20－25)×1013m3。俄罗斯是最早发现和全方位开展天然气水合物资源调查评价的国家之一。加拿大勘探开发现状加拿大政府非常重视对其海洋天然气水合物和北极加拿大地区的冻土区天然气水合物的研究。加拿大地质调查局等组织开展对西海岸胡安一德夫卡洋中脊陆坡区、麦肯齐三角洲、普拉德霍湾等地区的水合物的调查研究。加拿大西北部永久冻土带钻探的天然气水合物开发井—麦肯齐河(Mackenzie)三角洲Mal-lik2L-38井世界闻名。2001年，加拿大对其全国天然气水合物进行了资源评价，保守估算加拿大天然气水合物含甲烷资源（0.44－8.1)×1014m3，而常规天然气资源量为0.27×1014m3，即天然气水合物含甲烷资源是其常规天然气资源的1.6－30倍。日本勘探开发现状　1994年，日本成立了天然气水合物开发促进委员会，先后启动了“天然气水合物研究及开发推进初步计划”和“开发利用天然气水合物”国家计划。目前，以日本为主导，已经结束在加拿大西北部永久冻土带地区麦肯齐河三角洲Mallik2L-38井—4L-38井的钻探，进而推进了人类大规模工业性开发利用天然气水合物甲烷的进程；也表明日本力求争取在天然气水合物开发领域在研究与实验方面保持领先地位的意图。2013年3月，日本进行了第一次海洋生产先导试验，由日本石油勘探公司在渥美半岛和志摩半岛海域的第二渥美海丘实施，采用减压法，连续生产了6天，评价产量高达两万立方米/日，累计生产甲烷超过12万立方米，首次取得世界海洋天然气水合物开采成功。其他国家研究现状德国、韩国、印度、刚果、巴基斯坦、巴西、秘鲁等国家都对天然气水合物进行了不同程度投资研究。印度对天然气水合物的投入相当于9000万元人民币/年(1996－2000)。在东、西部近海的孟加拉湾与阿拉伯海开展了调查研究工作。　由于领海水浅，德国没有天然气水合物资源。但是德国投入9000万马克设立了国家天然气水合物调查研究专项，组织实施了德、美、加、俄4国合作项目。其中，德国“太阳号”科学调查船的活动和成果最为引人注目。韩国视天然气水合物研究为其最为重要的研究学科之一。在非洲，刚果针对岸外地震资料进行了天然气水合物中含甲烷资源量评估。我国勘探开发进展2007年5月，首次在南海北部神狐海域通过钻探成功获取了“可燃冰”实物样品。2008年11月，在青海祁连山冻土区成功钻获“可燃冰”样品，证实我国是既有海域“可燃冰”，又有陆域“可燃冰”的少数国家之一。2013年，在珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度“可燃冰”，其具有埋藏浅、厚度大、类型多、纯度高4个特点。通过实施23口钻探井，控制“可燃冰”分布面积55平方公里，控制储量相当于1000亿～1500亿立方米天然气。我国对天然气水合物的研究起步较晚，直到20世纪90年代中后期才开始天然气水合物的系统调查研究，近年来取得较快的发展，初步起来，中国冻土区天然气水合物的调查研究大致可划分为2002年以前的预研究阶段，2002～2007年的探索性调查、技术准备阶段和2008年以后的快速发展阶段。南海北部勘探进展1999～2001年，中国地质调查局科技人员首次在南海西沙海槽发现了显示天然气水合物存在的地震异常信息（似海底地震发射波“BSR”）。此项重大成果引起国家领导的高度重视，2002年国务院批准设立我国海域天然气水合物资源调查专项。从此，我国正式踏上大规模、多学科、多手段的天然气水合物资源调查历程。自2002年开始，中国地质调查局组织专家科学论证，全面部署我国海域天然气水合物资源调查工作。通过积极开展天然气水合物资源调查与评价关键技术的自主研发、引进、集成和创新，经过长期科技攻关，在天然气水合物资源勘查技术装备、实验测试装备、模拟测试技术、找矿预测技术、成矿理论等方面取得了重要进展，为天然气水合物找矿突破奠定了坚实的技术和理论基础。南海北部勘探进展2007年5月，由广州海洋地质调查局组织实施，委托辉固国际集团公司Bavenit号钻探船承担我国首个天然气水合物钻探航次，在南海北部神狐海域，完成先导孔钻探8个，取心孔钻探5个，在其中3个钻孔发现并获取了天然气水合物实物样品，实现了我国天然气水合物勘探的重大突破。在140平方公里的钻探目标区内圈定出11个可燃冰矿体，含矿区总面积约22平方公里，矿层平均有效厚度约20米，预测储量约194亿立方米。南海北部勘探进展2009年1月，启动“南海天然气水合物富集规律与开采基础研究”项目。2011年1月，在前期工作的基础上，我国批准设立了新的“天然气水合物勘查与试采工程”，开始着手开发“可燃冰”。2013年6-9月期间，国土资源部中国地质调查局、广州海洋地质调查局与辉固国际集团、英国GEOTEK合作使用Ｍ/V　REMEtive钻探船，在紧邻珠江口盆地东部的台西南盆地中部隆起附近地区水深664-1420ｍ范围内实施钻探，首次钻获高纯度天然气水合物样品，并通过钻探获得可观的控制储量。南海北部勘探进展此次发现的天然气水合物样品具有埋藏浅、厚度大、类型多、纯度高四个主要特点。自然产状呈层状、块状、结核状、脉状等多种类型，肉眼可辨。岩芯中天然气水合物含矿率平均为45-55％；其中天然气水合物样品中甲烷含量最高达到99％。通过实施23口钻探井，控制天然气水合物分布面积55平方公里，将天然气水合物折算成天然气，控制储量１000-1500亿立方米。2014年1月，在南海天然气水合物钻探工程验收会现场，院士专家们观看“可燃冰”样品。南海北部勘探进展2016年，中国地质调查局广州海洋地质调查局将以获取砂质储层天然气水合物为目标，精心实施南海北部陆坡琼东南海域天然气水合物钻探工程，实现新的重大突破。其中“海洋六号”船将于2016年7月-2017年4月间执行中国大洋执行大洋第41航次、地调局深海资源调查航次以及南极科考航次，预计出航时间将达280天。青藏高原冻土带勘探进展自2002年起，中国地质调查局先后设立了多个调查研究项目，对我国冻土区特别是青藏高原冻土区开展了地质、地球物理、地球化学和遥感调查，发现我国冻土区具备较好的天然气水合物成矿条件和找矿前景，其中羌塘盆地为Ⅰ级远景区，祁连山、漠河盆地和风火山—乌丽地区为Ⅱ级远景区。2004年，青海煤炭地质105勘探队在木里煤田聚乎更矿区一井田勘查，发现强烈涌气现象。泥浆中涌出的大量气体，在井口即可燃烧。指出涌出的气体有可能是可燃冰释放出来的，并要求项目组采集气样进行分析测试。2007年－2008年，青海煤炭地质105勘探队在聚乎更矿区三露天勘探时也有类似的情况发生；青海煤炭地质勘查院在聚乎更矿区四井田也见到了类似的现象，钻井资料和测井曲线可以识别疑似天然气水合物赋存的层位。青藏高原冻土带勘探进展2008年10月18日，中国地质调查局组织中国地科院矿产资源研究所、勘探技术研究所和青海煤炭地质105队，在祁连山南缘永久冻土区实施钻探（祁连山冻土区天然气水合物DK-1科学钻探试验孔）验证。青藏高原冻土带勘探进展2008年11月5日～10日，先后在133.5米～135.5米、142.9米～147.7米、165.3米～165.5米三个岩心段分别发现厚约2米、4.8米、0.2米的可燃冰岩心段。祁连山冻土区DK-3井发现的天然气水合物样品青藏高原冻土带勘探进展2008～2010年，中国地质调查局继续设立地质调查项目《青藏高原冻土带天然气水合物调查评价》，选择祁连山冻土区开展天然气水合物的地质、地球物理、地球化学和钻探调查工作，迄今共完成4个天然气水合物钻探试验孔，总进尺2059.13m，成功地钻获了天然气水合物实物样品，取得了找矿工作的重大突破。2009年，中国科学院也在重要的方向性项目中设立了相应的项目，支持青藏高原多年冻土区天然气水合物研究。2009年9月在昆仑山垭口盆地开展了钻探调查和地球物理方法研究，并发现了大量的气体异常，气体主要成分为甲烷，含量超过99%，显示这一地区可能存在天然气水合物。青藏高原冻土带勘探进展2013年8月，《祁连山及邻区天然气水合物资源勘查》项目组再次在青海省天峻县木里镇DK-9科学钻探试验井中，成功钻获天然气水合物实物样品，单层厚度超过20米。青藏高原冻土带勘探进展2014年，由中国地质调查局等单位承担的“青南藏北冻土区天然气水合物资源勘查项目”取得进展，通过数口钻探试验井岩心中的化石分析，在北羌塘半岛湖地区首次发现“海螂蛤页岩相”特有化石组合；在羌塘盆地鸭湖地区和青南开心岭地区部署的3口天然气水合物钻探试验井，均发现强烈的气体显示，初步证实了羌塘盆地上三叠统土门格拉组和青南上二叠统那益雄组具备较强的生排烃能力，能为天然气水合物成矿提供良好的气源。在羌塘盆地初步优选出3个天然气水合物成矿一级远景区和3个二级有利区，在青南乌丽地区初步圈定2个天然气水合物找矿一级异常区，为下一步的井位部署提供了依据。提纲一、概述二、勘探开发进展三、开采方法四、发展思路固态开采适用于浅埋藏，高饱和度的水合物藏开采将可燃冰以固体形态输送到海底，进行初步泥沙分离后采用固—液—气三相输送技术，将固态可燃冰及输送过程中分解出的气体输送到海面，然后利用海面的高温海水对可燃冰进行分解、收集并通过管道输送,或将分解得来的气体重新制成可燃冰固体转入船运。海洋可燃冰的传统开采法与固态开采法各有优缺点。从各国进行的试验性开采来看，这些方法技术复杂、成本高昂，推广价值不大，不适合大规模作业。地下分解开采热激法：利用传热、电磁、微波等手段提高局部地层水合物温度，使其分解，从而释放出天然气的方法。热激法大致包括井下电磁加热法、注热开采法和微波加热法。但目前看来，只有注热开采法的应用前景值得探讨。注热法主要是将热水、蒸气、热盐水或其他热的流体从地面利用高压泵打入天然气水合物地层，使水合物层的温度上升，从而达到天然气水合物分解的目的。与传统油气开采结合，通过降压、注热、注化学药剂以及CO2的方法，将可燃冰在海底分解为气体，然后输导至海平面。如何布设管道并高效收集甲烷（CH4）气体是亟需解决的问题地下分解开采减压开采法减压途径主要有两种：第一种是利用低密度泥浆钻井来实现减压的目的；第二种为在水合物层下方存在游离气体或者其他流体的情况下，通过泵出天然气水合物层下方的这些流体来达到降低天然气水合物层压力的目的。减压开采法成本不是很高，不需要连续激发，很适用于大面积开采，主要用于在天然气水合物之下存在下伏游离气层的开采。相较于天然气水合物开采的其他传统方法，此方法比较有开采前景。通过降低水合物层压力，促使其低于天然气水合物在该温度条件下的相平衡压力，从而实现水合物分解的开采方法。地下分解开采注入化学试剂法这种方法在虽然在开采初期可以降低能量摄入，但是缺陷却显而易见，开采过程中要消耗大量的天然气水合物形成抑制剂，需要巨大的经济投入，水合物分解产生水稀释抑制剂而降低其效果从而使其产生对天然气水合物层的作用缓慢，同时还会伴随一些环境方面的问题。通过向天然气水合物层中注入某些可以破坏天然气水合物相平衡条件的化学试剂，如甲醇、乙醇、盐水、丙三醇、乙二醇等，导致水合物分解。其他方法二氧化碳置换开采研究证实，将乙烷（CO2）液化，注入1500米以下的洋面，就会生成二氧化碳水合物，它的比重比海水大，就会沉入海底。如果将乙烷（CO2）注射入海底的甲烷水合物储层，因乙烷（CO2）较之甲烷易于形成水合物，因而就可能将甲烷水合物中的甲烷分子“挤走”，从而将其置换出来。由于甲烷水合物的吉布斯自由能大于二氧化碳水合物的吉布斯自由能，因此二氧化碳置换甲烷水合物是向吉布斯自由能减小的方向进行，置换反应将自发进行。把二氧化碳气体注入到水合物储层，置换开采出天然气，同时把二氧化碳温室气体永久储存在海底的技术。其他方法此外，宁伏龙等（2006）提出了地热开采法，窦斌等（2008）提出地面分解开次法，徐海良等（2011）提出了绞吸开采法，严杰等（2015）提出了海水提升开采法。现有的多种天然气水合物开采，如热激法、减压法、化学抑制剂法、置换法和混合开采法等，都不同程度地存在一些问题。天然气水合物开采研究需要多学科高端科学技术和巨大的资金投入作为后盾，需要多机构联合攻关。我国在天然气水合物研究方面起步较晚，对天然气水合物进行试采研究更应充分考虑多机构合作，利用多渠道资金，吸收国外天然气水合物开采的技术与经验，进行联合攻关。提纲一、概述二、勘探开发进展三、开采方法四、发展思路发展思路海陆并举，加速查明资源分布状况和潜力统一规划，开展能源矿产综合评价和开发加快利用，尽早开展天然气水合物试生产环境优先，提前开展环境效应和防治对策研究谢谢！