天然气水合物的勘探与开发-终级版

天然气水合物的勘探与开发目录•1.天然气水合物的介绍•2.天然气水合物的成藏条件•3.截至2015年世界在天然气水合物方面的勘探方法综述•4.截至2015年世界在天然气水合物方面的开采方法综述•5.截至2015年国内各大研发机构的研发成果天然气水合物的介绍•天然气水合物(Naturalgashydrate，简称NGH)是由水和天然气在一定的温度和压力条件下组成的非化学计量的笼形晶体结构化合物.其外观像雪或松散的冰，遇火可燃烧，通常呈白色，俗称可燃冰.研究结果表明，天然气水合物广泛分布于陆地永久冻土区和大陆边缘的海底深层砂砾中.据估计，全球深度在2000m以内的岩石圈浅部的天然气水合物的碳储量为2×10^16m³，相当于现已探明的常规化石能源(煤、石油和天然气)总含碳量的2倍，被认为是最具开发前景和能源潜力的新能源之一.国外已在海底和永久冻土层发现了天然气水合物藏，我国也在神狐海域和祁连山冻土区钻获含天然气水合物的岩芯，中国天然气水合物总资源量约为83.66×10^12m3，其中南海海域、东海海域、青藏高原冻土区和东北冻土区分别约为64.97×10^12，3.38×10^12，12.5×101^2和2.8×10^12m3。天然气水合物结构图1.天然气水合物的成藏条件•天然气水合物的形成与稳定存在需要低温和高压的条件。•而天然气水合物形成区往往会有一个天然气水合物稳定带（简称GHSZ）•GHZS与水深、底层水温度、压力、地温梯度、孔隙水盐度、天然气成分有关。天然气水合物分布预测图地层温度与压力•在纯水——甲烷体系中•大陆极地地区（地表温度低于0℃）甲烷水合物深度上限是150m•大洋中（海底温度约为0~3℃）甲烷水合物一般产于水深300m以下的沉积层中。地温梯度•地温梯度是决定GHSZ厚度的一项重要参数•高地温梯度——GHSZ较薄•低地温梯度——GHSZ较厚•同时地温梯度是壳内热流（+）与岩石热导率（—）的函数天然气成分•天然气的主要成分是甲烷，但是当成分中含有少量其他气体（如co₂，乙烷等），水合物的稳定将增强，GHSZ将变厚。孔隙水盐度•孔隙水含盐度变化会影响GHSZ厚度，孔隙水盐度增加时,水合物一气体相边界将向左发生移动,GHSZ变薄，反之则变厚。天然气水合物稳定相图截至2015年世界在天然气水合物方面的勘探方法综述•在勘探方面,地震资料似海底反射(BSR)是用来证明海底存在水合物的最常见证据然而,BSR只是由于上下沉积层速度差异形成,有BSR不一定代表存在水合物。因此人们尝试了大量其它技术用于水合物的勘探测试，从而开发出了几大类勘探方法•分类如下：地球物理勘探法，地球化学勘探法，地貌勘测与水下成像勘测勘探法细分类地球物理勘探法地球化学勘探法地貌勘测与水下成像勘测1.地震勘探法2.海底热流勘探3.海底电磁、重力勘探4.测井技术1.气体异常检测法2.孔隙水Clˉ浓度异常3.稳定同位素法地球物理勘探法-地震勘探法•物探法是现在普遍使用的天然气水合物的勘探方法，准确度也比较高，尤其是地震勘探技术应用广泛。单道和多道地震是勘探天然气水合物中一直使用的传统方法。•细分为高辨率地震方法、深拖多道地震探测方法、海底地震仪方法、海底地震电缆等探测方法。高分辨地震勘探——设备比传统地震勘探设备简单，震源频率高，注重地层垂向分辨率，可清楚地显示ＢＳＲ层。深拖多道地震勘探——将震源和数据接收电缆置于近海底，可分辨出水合物层详细的地层结构，但是ＢＳＲ层反射要弱一些。海底地震仪——放置于海底，进行定点长期观测，与反射地震数据相配合，可以给出水合物区的沉积地层速度结构模型。海底地震电缆是将电缆铺设在海底来接收地震数据，它可以接收到海面拖缆无法记录到的Ｓ波信号，利于ＢＳＲ之下的气区成像地球物理勘探法—海底热流勘探•天然气水合物形成和分解时，都会伴随着吸热和放热的过程，因此海底热流勘测也是研究水合物的重要方法之一。•利用海底热流探针可以直接测量海底热流和海底温度，利用测得的数据可以估算天然气水合物稳定带的底界，也可以从宏观上确定大陆边缘水合物可能存在的分布范围，高热流点区或者高地热梯度带一般不利于天然气水合物的保存地球物理勘探法—海底电磁、重力勘探•海底电磁——天然气水合物在电性上是绝缘的，通过人工源海底电磁探测来辅助地震勘探手段，可了解天然气水合物厚度、孔隙度，从而利用电法资料辅助评价和计算天然气水合物的资源•重力勘探——通过重力仪记录海底随海洋波动的垂直起伏，进而计算近海底沉积地层的剪切模量，通过剪切模量异常估算沉积地层中天然气水合物的含量地球物理勘探法—测井技术•测井技术——是进行天然气水合物勘探的有效方法，测井方法能够在原位地层压力和温度条件下测量地层物理特性，这种方法对发现和研究天然气水合物来说是其他的勘探方法所不能替代的地球化学勘探方法—气体异常检测法•甲烷是构成天然气水合物的主要物质，另外还有少量烃类，如乙烷、丙烷等，和非烃类的化合物，如H𝟐𝑺，C𝑶𝟐等因此存在天然气水合物的地区，在海底沉积物、海水及海面大气中，这些气体元素含量必然会出现异常。固可通过检测海水中这些物质含量的异常来判断水合物的分布与含量。地球化学勘探方法—孔隙水Cl¯浓度异常•孔隙水中Cl¯浓度异常是水合物矿区的重要标志之一，通常在水合物分布地区孔隙水Cl¯浓度随深度急剧减小，目前收集到的各地许多含水合物钻孔中测得的孔隙水氯度（０.５１‰～８.２%）都远低于海水（约１９.８%）。因此，孔隙水浓度可以作为指示天然气水合物的一个重要指标.地球化学勘探方法—稳定同位素法•稳定同位素化学是研究天然气水合物成矿气体来源的最有效的手段，多用甲烷中的𝟏𝟑𝑪值等来判断,高𝟒𝑯𝒆含量成为判别水合物存在的一个重要标志定成矿原因。地貌勘测和水下成像勘测•现在海底探测手段多样，普遍是利用声呐设备，如多波束、侧扫声呐、合成孔径声呐、浅地层剖面仪等进行海底地形地貌和地层结构的探测。截至2015年世界在天然气水合物方面的开采方法综述•开采的基本原理是通过改变天然气水合物的稳定存在的温压条件,促使水合物分解,从而达到开采的目的。在目前国内外常见几种NGH开采技术主要包括:注热开采法、降压开采法、化学剂开采法、CO2置换开采法以及几种开采方式相结合的开采方法。注热开采法•注热开采法简称注热法,是将蒸汽、热水或其他热流体从地面强制注入到NGH地层,使温度上升,水合物分解而形成天然气的开采方法。•缺点：注热法的主要不足之处在于热损失大、效率低。•改进：Cranganu提出了一种新的开采方法,即条件性注热法:该方法无需从地表注入其他热流体,而是将气体燃料混合物由解吸气体排出的同一井筒中注入,燃料燃烧所放出的热量足以满足水合物分解所需的能量,达到节约能源的目的。（自产自销）降压开采法降压法:是指通过钻探等方法降低NGH层下面的游离气聚集层位的平衡压力或形成一个天然气/囊0(由注热法或化学剂法作用人为形成),与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水。优点：不需要昂贵的连续激发当水合物层下面存在自由气藏时,降压开采是最有效的方法缺点：降压过程本身就是有限的，水合物储层下部不存在游离气时，就不能使用化学剂开采法化学开采法：是以某些化学试剂(如甲醇、乙醇、乙二醇、盐水、氯化钙等)改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物的稳定温度，促进水合物分解。缺点：该方法最大的缺点是速度慢,费用高,且由于海洋中水合物的压力较高,回采气体较困难。𝑪𝑶𝟐置换开采法•CO₂置换法的原理是:甲烷水合物所需的稳定压力较CO₂高,在某一压力条件下,甲烷水合物不稳定,而CO₂水合物却是稳定的,这时CO₂进入到天然气中,与水形成水合物,同时所释放的热量可用于分解NGH。开采示意图目前天然气水合物开采主要以降压法为主，配合注热法、注化学试剂法联用天然气水合物降压热激法模拟开采方案优化研究——吉林大学（1）1.模型建立水合物储层的顶底板为饱水的透水岩层，透水岩层允许顶底板边界处发生流体运移和热量交换。模型解释（2）•降压是保持生产井的底孔压力(低于原始地层压力)恒定不变；热激法是通过井下电磁加热、微波加热等方式将热以某一功率均匀地分配到生产井过滤器，而不是注入热水，从而避免了次生水合物的生成。双层分支水平井注热海水开采海底天然气水合物经济性评价——西南石油大学（1）•模型解释：开采初期，热水在两水平井中独立循环，井眼周围天然气水合物被预热并且逐渐分解，随时间推移，两水平井中间夹层被沟通并形成高渗透率多孔介质通道，最终得到由两水平井及连通区域组成的“热水腔”；向下层水平井中注入热水不断扩大“热水腔”作用范围促使更多天然气水合物分解，在上层水平井中采出水和天然气的混合物，如此循环进而达到天然气水合物开采的目的。开采简图（2）模型优缺点（3）•模型优缺点：最为突出的是该开采方法能很好地保证天然气水合物的安全开采，而且方法简便，是天然气水合物开采方法的创新和进步，但缓慢的采气速率和年仅0.87%的采收率却极大地限制了该开采法的商业化运行。CO₂置换天然气水合物中CH₄的研究进展——兰州理工大学(1)反应原理：发生在CO₂与CH₄水合物之间的置换反应方程式为：该反应已经被证实存在热力学与动力学的可行性CO₂置换天然气水合物中CH₄的研究进展——兰州理工大学(2)•优缺点：研究表明，置换反应在动力学上是可行的，且置换效率较高，但置换速率较慢。温度和压力越高越有利于置换反应进行；温度在冰点以下，置换效率较低；压力的影响比温度小海水提升法试采南海天然气水合物的可行性分析——广州海洋地质调查局（1）•系统工作原理及流程:海水提升法的工作原理是在海底用采矿车把天然气水合物以固体的形式采出，再利用海底集矿系统对浅层的水合物进行初步分离，然后利用海水提升系统将先前收集的水合物提升至海面采矿船.水合物在提升过程中由于外界温压条件的变化，将会发生部分分解，但是整个系统是密闭的.因此，在这个过程中务必要采取气-液-固三相混合输送技术.矿藏经过充分研磨后进入分解器，并向其中加入适量海水，海水温度（约20℃）相对于水合物而言是高的，后者会被分解.待其充分分解后，气体、海水、砂石三者分离，气体沿顶部出口管道排出.•海水提升技术早先应用于煤炭开采，且技术已经成熟南海陆坡区水合物资源远景区分布图（2）系统结构图（3）四大功能模块组成：1.海底集矿模块、2.海水提升模块、3.监控模块4.海上气体收集模块深水浅层天然气水合物固态流化绿色开采技术--中海油研究总院(1)•绿色开采技术原理：利用水合物在海底下的温度和压力下的稳定性，采用固态开采的方法。即采用挖掘设备以固态形式开发天然气水合物的矿体，将含天然气水合物的沉积物粉碎成小颗粒后与海水混合，才用封闭的管道输送至海洋平台，再在海上平台进行后期处理与加工。开采原理图(2)技术核心问题(3)•1)水合物藏采掘和环保安全防护装备研制。•2)海水水合物混合颗粒气液固多相非平衡分解过程控制。•3)水合物藏固态采掘水下输送气液固多相非平衡管流举升系统建立。