应用化工论文天然气水合物现状分析.docx
《应用化工论文天然气水合物现状分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《应用化工论文天然气水合物现状分析.docx（11页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
应用化工论文天然气水合物现状分析
摘要
人类的生存需要能源，随着薪柴、煤、石油等燃料日渐衰减，地球的能源逐年减退，各行各业需求量不断增加，面对日益严峻的经济危机，需要开发最新一代以核聚变能，氢能和天然气水合物为人类将来使用能源克服难题，本文简介了天然气水合物和全球对其水合物的资源调查，研究现状。
关键词：
天然气水合物能源利用环境污染
Abstract
Survivalneedsofhumanenergy,asfirewood,coal,oilandotherfuelserodingtheearth'senergygraduallysubside,growingdemandforallwalksoflife,thefaceofincreasinglysevereeconomiccrisis,mostneedtodevelopanewgenerationoffusionenergy,hydrogenenergyandnaturalgashydratesfortheuseofenergytoovercometheproblemsofmankindinthefuture,thepaperintroducestheglobalgashydrateandhydrateresourcesofitsinvestigationandresearch.
Keywords:
Gashydrates;energy;environmentalpollution
1天然气水合物现状分析
首先我们先来了解一下天然气。
天然气（NaturalGas）是埋藏在地下的古生物经过亿万年的高温和高压等作用而形成的可燃气，是一种无色无味无毒、热值高、燃烧稳定、洁净环保的优质能源。
天然气其主要成分为甲烷，热值为8500大卡/m3，是一种主要由甲烷组成的气态化石燃料。
它主要存在于油田和天然气田，也有少量出于煤层。
当非化石的有机物质经过厌氧腐烂时，会产生富含甲烷的气体，这种气体就被称作生物气（沼气）。
生物气的来源地包括森林和草地间的沼泽、垃圾填埋场、下水道中的淤泥、粪肥，由细菌的厌氧分解而产生。
生物气还包括胃肠涨气（例如：
屁），胃肠气最通常来自于牛羊等家畜[1]。
1.1天然气水合物的概念
天然气水合物（NaturalGasHydrate，简称GasHydrate）因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。
它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物（碳的电负性较大，在高压下能吸引与之相近的氢原子形成氢键，构成笼状结构）。
它可用mCH4·nH2O来表示，m代表水合物中的气体分子，n为水合指数（也就是水分子数）。
组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。
形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物。
从大地构造角度来讲，天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元中[2]。
在海底天然气水合物通常分布在水深200～800m以下，主要赋存于陆坡、岛坡和盆地的上表层沉积物或沉积岩中。
陆地上的天然气水合物主要分布于高纬度极地永久冻土带之下，或者大陆边缘的斜坡和隆起处，距地表约200～2000m深处，例如，在格陵兰和南极地带巨厚的冰川盖层之下、以及西西伯利亚和加拿大马更些三角地永久冻土带之下[3]。
1.2天然气水合物资源量和开发前景
地球上的天然气水合物资源量一直在论证。
1977～1988年间，科学家们仅根据形成天然气水合物的低温高压条件来推断地理分布和估算资源量，并指出世界上约有27%的陆地和90%的海域可能有天然气水合物分布（A.A.特罗菲姆克1986），得出天然气水合物资源量为全球化石燃料资源量2倍的结论，约1016～1018m3数量级，且绝大多数分布在海洋中。
这样的估算显然是偏高的。
因为低温高压条件只是天然气水合物形成的必要条件，满足于这些条件的区域还要具良好的成藏组合条件才能形成天然气水合物矿藏。
1988年之后随着大洋钻探计划在全球范围内的实施，科学家们对天然气水合物资源量做了重新估算，不同的研究机构和学者计算的资源量有很大的出入，估算的资源量中间值相互之间不具有收敛性，这说明精确估算天然气水合物的资源量还有相当大的难度。
研究表明，最新估算的资源量比早期估算的资源量减少了约100倍。
尽管如此，天然气水合物的资源量还是相当巨大的
目前全世界探明的油气总储量与估算的天然气水合物最低资源量基本持平，由此可见天然气水合物的资源量是相当可观的，哪怕只有1%～2%总资源量是经济可采储量，它也将成为一种巨大的能源来源。
仅我国的南海陆坡区59万km2海域的天然气水合物总资源量就达845亿吨油当量，其资源总量大约是全国石油与天然气总资源量的1/2（全国石油资源量1072.7亿t，天然气资源量45.58万亿m3）。
美国能源部估计，仅美国的天然气水合物资源量达2830～8490万亿m3[4]。
据统计，目前世界上已探明的原油占总原油量的近80%，还可使用40年。
随着人口增长和GDP的增加，能源消耗量会不断的扩大，同时要降低CO2排放对大气造成破坏性的影响，这样在一次性能源消费结构中就会降低煤炭的使用份额和提高天然气的使用率。
预计20年之后天然气将跃居一次性能源的首位，本世纪中叶天然气水合物将成为第一种最为普及的能源燃料。
世界上一些主要的石油消费大国的油气后备资源严重不足，有些国家从长远的能源战略考滤把清洁的、高能量密度的、资源量巨大的天然气水合物作为解决本国能源危机的后备资源。
所以，天然气水合物被公认为21世纪最具开发潜力的新能源，天然气水合物的研究已成为许多国家政府共同关注的新能源热点。
1.3天然气水合物资源分布
已发现的天然气水合物主要存在于世界范围内的沟盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘，尤其是与泥火山、热水活动、盐泥底辟及大型断裂构造有关的深海盆地中，可能还包括扩张盆地（图2）和北极地区的永久冻土区。
大西洋的85%、太平洋的95%、印度洋的96%的地区中含有天然气水合物，且主要分布于洋底之下200～600米的深度范围。
1.3.1海洋中的分布
目前，世界已调查发现并圈定有天然气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、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、南海海槽、苏拉威西海、新西兰北岛；东太平洋海域的中美海槽、北加利福尼亚-俄勒冈滨外、秘鲁海槽；大西洋海域的美国东海岸外布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海、南美东海岸外陆缘、非洲西西海岸海域；印度洋的阿曼海湾；北极的巴伦支海和波弗特海；南极的罗斯海和威德尔海，以及黑海与里海等。
中国在西沙海槽、东沙陆坡、台湾西南陆坡、冲绳海槽、南海北部等区域也发现了天然气水合物的大量地球物理与地球化学证据。
目前世界这些海域内有88处直接或间接发现了天然气水合物，其中26处岩芯见到天然气水合物，62处见到有天然气水合物地震标志的似海底反射（BSR），许多地方见有生物及碳酸盐结壳标志。
1.3.2大陆中的分布
全球天然气水合物在大陆主要分布于阿拉斯加北坡、加拿大马更些三角洲等地（。
有调查证据显示，中国青藏高原永久冻土带区域也可能蕴藏着大量的天然气水合物资源。
2天然气水合物开发进程
1960年，前苏联在西伯利亚发现了可燃冰，并于1969年投入开发；
美国于1969年开始实施可燃冰调查，1998年把可燃冰作为国家发展的战略能源列入国家级长远计划；
日本开始关注可燃冰是在1992年；
完成周边海域的可燃冰调查与评价。
但最先挖出可燃冰的是德国。
2000年开始，可燃冰的研究与勘探进入高峰期，世界上至少有30多个国家和地区参与其中。
其中以美国的计划最为完善——总统科学技术委员会建议研究开发可燃冰，参、众两院有许多人提出议案，支持可燃冰开发研究。
美国每年用于可燃冰研究的财政拨款达上千万美元。
为开发这种新能源，国际上成立了由19个国家参与的地层深处海洋地质取样研究联合机构，有50个科技人员驾驶着一艘装备有先进实验设施的轮船从美国东海岸出发进行海底可燃冰勘探。
这艘可燃冰勘探专用轮船的7层船舱都装备着先进的实验设备，是当今世界上唯一的一艘能从深海下岩石中取样的轮船，船上装备有能用于研究沉积层学、古人种学、岩石学、地球化学、地球物理学等的实验设备。
这艘专用轮船由得克萨斯州A·M大学主管，英、德、法、日、澳、美科学基金会及欧洲联合科学基金会为其提供经济援助。
3天然气水合物开发技术与方法
从20世纪60年代苏联发现麦索雅哈气田至今，天然气水合物的开发思路基本上都是首先考虑如何使蕴藏在沉积物中的天然气水合物分解，然后再将天然气采至地面。
一般来说，人为地打破天然气水合物稳定存在的温度压力条件，造成其分解，是目前开发天然气水合物中甲烷资源的主要方法。
现阶段提出的方法可以归为这么几类：
加热法、降压法、添加化学剂法、驱替法、综合法等
3.1加热法
将蒸汽、热水、热盐水或其它热流体从地面泵入水合物地层，也可采用开采重油时使用的火驱法，总之只要能促使温度上升达到水合物分解的方法都可称为热激发法。
热开采技术的主要不足是会造成大量的热损失，效率很低。
特别是在永久冻土区，即使利用绝热管道，永冻层也会降低传递给储层的有效热量。
在热刺激模型中，水合物产生的热传导控制技术有两种:
（1）用热水或蒸汽循环注入预热井。
通过数值实验表明:
水合物的储层最小应有15%的孔隙度，厚度应有7.5cm。
如果注射液的温度为340K～395K之间，则可满足其经济可行性的需要。
（2）利用电磁或微波等直接加热。
为了更有效利用热能，可在井下安装加热装置，设备较复杂，也可利用微波加热，通过波导将微波导入井底，直接加热水合物或水。
近年来，在用加热法开采稠油时，为了提高加热效率，采用井下装置加热技术，井下电磁加热方法就是其中之一，实践证明电磁加热法是一种比常规开采技术更为有效的方法。
这种方法就是在垂直（或水平）井中沿井的延伸方向在紧邻天然气水合物带的上下层内（或天然气水合物层内）放入不同的电极，再通以交变电流直接对储层进行加热。
电磁热还很好地降低了流体的粘度，促进了气体的流动。
模拟计算结果表明，利用该方法分解水合物是可行的。
3.2降压法
通过降低压力而使天然气水合物中的水的沸点降低的原理使水合物稳定的相平衡曲线移动，从而达到促使水合物分解的目的。
一般是在水合物层之下的游离气聚集层中“降低”天然气压力或形成一个天然气空腔（可由热激发或化学试剂作用人为形成），使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。
开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法，另外通过调节天然气的提取速度可以达到控制储层压力的目的，进而达到控制水合物分解的效果。
减压法最大的特点是不需要昂贵的连续激发，因而其可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。
但是，单使用减压法开采天然气是很慢的，是一种弱化被动式开采。
研究者认为，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。
前苏联麦索雅哈气田的开采实践即证明了这一点。
3.3添加化学剂法
某些化学剂，如盐水、乙醇、乙二醇、丙三醇等可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定的温度。
即温度较低时水随着有机溶剂一起蒸馏出来。
当将上述化学剂从井孔泵入后，就会引起天然气水合物的分解。
添加化学剂法较加热法作用缓慢，但确有降低初始能源输入的优点，其最大缺点是费用太高。
3.4其他方法
近期有学者提出用CO2置换开采，用压力将相平衡压力较低，更容易形成水合物的CO2通入天然气水合物储层，通过形成二氧化碳水合物放出的热量来分解天然气水合物，同时可以用来处理工业排放的CO2。
也有人提出直接在井底放一个高温催化炉，把甲烷催化成一氧化碳和氢气，利用放出的热量来分解水合物。
除了以上常见的开发方法，一种新的天然气水合物开发方法是在深海使天然气水合物颗粒化，或将天然气水合物装入一种可膨胀的软式气袋（其内部保持天然气水合物稳定所需要的温度压力条件）中，再用潜水艇把天然气水合物拖到大陆架附近的浅水地区，在那里，天然气水合物能够缓慢地分解，产生燃料和水。
最近，日本学者用试验证实了将空气中的CO2分离与天然气水合物开发相结合的可能性。
从方法的使用来看，单单采用某一种方法来开采天然气水合物是不经济的，只有结合不同方法的优点才能达到对水合物的有效开采。
例如将降压法和热开采技术结合使用，即先用热激发法分解天然气水合物，后用降压法提取游离气体，这样取得的效果可能会更好一些。
4开发天然气水合物所面临的环境问题
天然气水合物在资源方面显得非常重要，但是天然气水合物的开发与利用也会给人类带来了一系列的环境问题。
4.1温室效应
天然气水合物与温室效应有着密切联系。
甲烷是大气中重要的气体组分，目前大气中的甲烷容量约为6.9×1012m3，仅为大气中二氧化碳总量的5‰。
但是，甲烷的温室效应比C02要大21倍[5]，甲烷对温室效应的贡献占到15%。
因此甲烷的温室效应是全球气候变暖的重要原因之一。
在自然界，压力和温度的微小变化都会引起天然气水合物分解，并向大气中释放甲烷气体。
在开采天然气水合物过程中，如果向大气中排放大量甲烷气体，这必然会进一步加剧全球的温室效应，极地温度、海水温度和地层温度也将随之升高，这会引起极地永久冻土带之下或海底的天然气水合物自动分解，大气的温室效应会进一步加剧。
如加拿大福特斯洛普天然气水合物层正在融化就是一个例证。
4.2海底滑坡
海底滑坡通常认为是由地震、火山喷发、风暴波和沉积物快速堆积等事件或因坡体过度倾斜而引起的。
然而，近年来研究者不断发现，因海底天然气水合物分解而导致斜坡稳定性降低是海底滑坡产生的另一个重要原因[6]。
天然气水合物以固态胶结物形式赋存于岩石孔隙中，天然气水合物的分解会使海底岩石强度降低；另一方面因天然气水合物分解而释放岩石的孔隙空间，会使岩石中孔隙流体（主要是孔隙水）增加和岩石的内摩擦力降低，在地震波、风暴波或人为扰动下孔隙流体压力急剧增加，岩石强度降低，以至于在海底天然气水合物稳定带内的岩层中形成统一的破裂面而引起海底滑坡或泥石流。
4.3海洋生态环境的破坏
如果在开采过中向海洋排放大量甲烷气体将会破坏海洋中的生态平衡。
在海水中甲烷气体常常发生下列化学反应：
CH4+2O2=CO2+2H2O
CaCO3+CO2+H2O=Ca（HCO3）2
这些化学反应会使海水中O2含量降低，一些喜氧生物群落会萎缩，甚至出现物种灭绝；另一方面会使海水中的CO2含量增加，造成生物礁退化，海洋生态平衡遭到破坏。
天然气水合物主要状况
5最近国外的相关试验和研究项目进展
5.1阿拉斯加北坡生产试验
2007年美国能源部（DOE）与英国石油公司（BP）合作钻了一口垂直参数井，用于验证地震预测并采集岩心和地球物理测井资料供分析和模拟所用。
从此井中采出了130米含有天然气水合物的岩心。
含有水合物区域的水合物饱和度达到孔隙体积的75%。
天然气水合物饱和度随着砂粒质量的不同而不同，砂层越干净，水合物饱和度越高。
采集了一整套裸眼井地球物理测井曲线，并在两个含水合物地区进行了压降测试。
压降测试结果表明气体流动以及地层的迅速冷却与水合物分解的气体有关。
计划大概在2009年在此处进行长期的生产测试。
5.2墨西哥湾地震预测技术试验
2001年，为了了解天然生成的天然气水合物如何圈闭浅层油气，以及如何影响北墨西哥湾的海底稳定性，美国能源部与雪佛龙石油技术公司以及其他公司、学术机构联合启动了一项工业联合项目。
墨西哥湾是一个主要的油气生产区域，行业与政府管理者需要了解水合物对海底稳定性的影响以及对钻井、生产与油气管道的潜在影响。
此项研究所获得的大部分信息也适用于水合物中潜在甲烷的生产。
事实上，自从2005年，此项目己经将其研究重点转移到了墨西哥湾大型水合物矿藏的探测、量化以及其潜在的产量上。
含有天然气水合物区域的井筒稳定性可能会遭到破坏，因为钻井的热量和钻井液的循环可能会加剧水合物的分解。
尽管水合物稳定区暴露了许多天，但2005年墨西哥湾的井没有出现任何井筒问题。
钻井证实了井筒稳定模型的正确性，此模型用于预测钻井之前的情况。
2005年，为了获取地球物理测井曲线或岩心，在墨西哥湾的两个地方---keathley峡谷151区块与Atwater山谷13和14区块---约1300米水深处钻了七口井。
在常规三维地震基础上，这些井的资料证实了对甲烷水合物地点的预测。
由于目标地点为解决海底稳定问题的区域，所以选择了水合物饱和度较低的区域，一般低于孔隙体积的20%。
饱和度这样低可能没有产量，因此没有进行压降试井。
为了2008-2009年的钻井地球物理测井和取心，2007年此项目对墨西哥湾天然气水合物矿藏高度集中的地方进行了评估。
如果选定了适合的矿藏，在未来的几年中会进行生产测试。
5.3生产模拟与油藏模拟
所谓油藏模拟是指根据生产技术（如压力下降或热力增产措施）运用计算机对储层流体流动建模。
由于没有进行大型生产试验，在不需要精确技术的情况下，油藏模拟是当前评估未来天然气水合物矿藏产能、未来研究与发展直接经费支出的最佳技术。
天然气水合物油藏模拟软件可模拟含水合物地质系统，评价永冻层与海洋环境下水合物的开采策略，包括热力增产措施、降压法以及缓凝剂诱发增强分解。
美国劳伦斯伯克利国家实验室最近完成了天然气水合物储层的模拟，包括低浓度沉积物与高饱和度海相砂岩。
研究成果表明扩散型低浓度沉积物没有生产潜力，但高浓度沉积物可能有较高的生产能力。
一般通过评估油藏模拟软件的储层历史动态拟合能力来评价它们的准确性。
由于没有用作测试实例的天然气水合物历史产量，于是通过对比几个模拟软件对相同数据集的反应来评价和改进它们。
本次所使用的计算机模拟程序为:
TOUGH+/HYDRATE，由美国能源部/劳伦斯伯克利国家实验室开发:
MH-21水合物模拟软件，由国家先进工业科技协会、日本石油工程有限公司与东京大学开发:
STOMFHYD，由位于费尔班克斯的阿拉斯加大学石油工程系开发以及用于天然气水合物且经过改进的CMGSTARS，由英国石油公司、卡尔加里大学与阿拉斯加一费尔班克斯大学开发。
5.4美国加快天然气水合物的研究
目前，美国能源部下属的国家能源技术实验室（NETL）对天然气水合物的研究开始逐渐转移到了如何从北极地区水合物气藏中开发天然气和安全的钻井的方向上来。
由NETL牵头，联合BP阿拉斯加勘探公司和USGS，一同在阿拉斯加北部对天然气水合物分布情况进行了勘探，分析水合物的特性、储量和研究商业性开采的可行性。
2007年2月，在MilnePoint区域完成了一口试验井，获得的数据显示，在阿拉斯加北坡永冻层下的沉积物中，可以进行安全有效的作业，并获得了甲烷水合物沉积的综合资料，在技术上实现了三项重要的突破：
在北坡水合物气藏中首次通过降压采集到天然气水合物的样品；对水合物气藏首次进行压降反应裸眼测试；首次应用可回收绳索连续取心，取心率达到了85%。
研究人员将利用收集到的信息，对含水合物砂岩的潜在产能进行一系列长期的生产测试，在深海区域，NETL将继续引导和支持多个全球钻井和取心计划。
主要目的是为了分析天然气水合物的成因和分布区域；测试对预钻区域认识和分析的效果。
5.5Mallik地区的开采试验
Mallik地区的天然气水合物矿床富集度极高，由于赋存状态非常之好，其周围环境都未发生变化。
2003年12月，在日本千叶城举行的题为“FromMalliktotheFuture”的研讨会上，公布了人们期待已久的关于2002年Mallik研究计划的资料:
水合物变成真正资源的可能性增大；减压法比另外两种方法简单得多；把热水或热流注入地层的方法在其次；把诸如甲醇这样的化学物质注入地层的方法居末位。
6结论与认识
尽管对天然气水合物物理性质和开发的研究已经取得了很大的进展，但仍需进行天然气水合物的资源特征、生产开发、对环境的影响、安全性和海底稳定性等方面的研究，并需要进行大型生产测试，用以决定此资源是否能够供人们高效益的大规模开采。
进行国际项目合作是进行此类费用高昂且比较复杂研究的最有效方法。
参考文献
[1]胡国艺,李谨,李志生,王淑英.煤成气轻烃组分和碳同位素分布特征与天然气勘探[J].石油学报,2010,（01）:
42-48
[2]科文.2009十大地质科技和十大找矿成果揭晓[J].资源导刊,2010,（01）:
30.
[3]张先平,张树林,叶加仁.鄂尔多斯塔巴庙地区上古生界天然气成藏机理分析[J].石油天然气学报（江汉石油学院学报）,2006,（05）.
[4]张群双.苏里格气田试气地面流程改进历程及应用[J].油气井测试,2010,（01）:
50-51,77
致谢
感谢在大学三年学习期间给我传授诸多专业知识的化工教研室的各位老师！
回首这些年的求学生涯，父母的支持是我最大的动力。
父母不仅在经济上承受了巨大的负担，在心中更有思子之情的煎熬与望子成龙的期待。
每次回到家时父母的欣喜之情，每次离家时父母的依依不舍之眼神，电话中的殷殷期待和思念之语，都使我刻苦铭心，目前除了学习成绩，其他的无以为报，希望以后的学习、工作和生活能使父母宽心。
升级会员 