1、天然氣水合物的勘探與開發目錄 1.1.天然氣水合物的介紹天然氣水合物的介紹 2.2.天然氣水合物的成藏條件天然氣水合物的成藏條件 3.3.截至截至20152015年世界在天然氣水合物方面的年世界在天然氣水合物方面的勘探方法綜述勘探方法綜述 4.4.截至截至20152015年世界在天然氣水合物方面的年世界在天然氣水合物方面的開采方法綜述開采方法綜述 5.5.截至截至20152015年國內各大研發機構的研發成年國內各大研發機構的研發成果果天然氣水合物的介紹天然氣水合物的介紹天然氣水合物天然氣水合物(Natural gas hydrate(Natural gas hydrate，簡稱簡稱NGHNGH

2、) )是由水和天然是由水和天然氣在氣在一定的溫度和壓力一定的溫度和壓力條件下組成的非化學計量的條件下組成的非化學計量的籠形晶體結籠形晶體結構化合物構化合物. . 其外觀像雪或松散的冰，遇火可燃燒，通常呈白色，其外觀像雪或松散的冰，遇火可燃燒，通常呈白色，俗稱可燃冰俗稱可燃冰. . 研究結果表明，天然氣水合物廣泛研究結果表明，天然氣水合物廣泛分布于陸地永分布于陸地永久凍土區和大陸邊緣的海底深層砂礫久凍土區和大陸邊緣的海底深層砂礫中中. . 據估計，全球深度在據估計，全球深度在 2000 m 2000 m 以內的巖石圈淺部的天然氣水合物的碳儲量為以內的巖石圈淺部的天然氣水合物的碳儲量為 2 210

3、16m1016m，相當于現已探明的常規化石能源，相當于現已探明的常規化石能源( (煤、石油和天煤、石油和天然氣然氣) )總含碳量的總含碳量的2 2 倍，被認為是最具開發前景和能源潛力的倍，被認為是最具開發前景和能源潛力的新能源之一新能源之一. . 國外已在海底和永久凍土層發現了天然氣水合物國外已在海底和永久凍土層發現了天然氣水合物藏，我國也在藏，我國也在神狐海域神狐海域和祁連山凍土區鉆獲含天然氣水合物的和祁連山凍土區鉆獲含天然氣水合物的巖芯巖芯，中國天然氣水合物總資源量約為中國天然氣水合物總資源量約為83.6683.661012m31012m3，其中其中南海海域、東海海域、青藏高原凍土區和南海

4、海域、東海海域、青藏高原凍土區和東北東北凍土區分別約為凍土區分別約為64.9764.9710121012，3.383.3810121012，12.512.510121012和和2.82.81012m31012m3。天然氣水合物結構圖1.1.天然氣水合物的成藏條件天然氣水合物的成藏條件 天然氣水合物的形成與穩定存在需要天然氣水合物的形成與穩定存在需要低溫和高壓低溫和高壓的條件。的條件。 而天然氣水合物形成區往往會有一個而天然氣水合物形成區往往會有一個天然氣水合物穩定帶天然氣水合物穩定帶（簡稱（簡稱GHSZ） GHZS與水深、與水深、底層水溫度、壓力底層水溫度、壓力、地溫梯度地溫梯度、孔隙水孔隙水

5、鹽鹽度度、天然氣成分天然氣成分有關有關。天然氣水合物分布預測圖地層溫度與壓力 在純水甲烷體系中 大陸極地地區（大陸極地地區（地表溫度低于地表溫度低于0）甲烷水）甲烷水合物合物深度上限是深度上限是150m 大洋中（大洋中（海底溫度約為海底溫度約為03 ）甲烷水合物）甲烷水合物一般產于一般產于水深水深300m以下以下的沉積層中。的沉積層中。地溫梯度 地溫梯度是地溫梯度是決定決定GHSZ厚度厚度的一項重要參數的一項重要參數 高地溫梯度高地溫梯度 GHSZ較薄較薄 低地溫梯度低地溫梯度 GHSZ較厚較厚 同時地溫梯度是同時地溫梯度是殼內熱流（殼內熱流（+）與與巖石熱導巖石熱導率（率（）的函數的函數天然

6、氣成分 天然氣的主要成分是甲烷，但是當成分中含有少量其他氣體（如co，乙烷等），水合物的穩定將增強，GHSZ將變厚?？紫端}度 孔隙水含鹽度變化會影響GHSZ厚度，孔隙水鹽度增加時,水合物一氣體相邊界將向左發生移動,GHSZ變薄，反之則變厚。天然氣水合物穩定相圖截至截至20152015年世界在天然氣水合物方年世界在天然氣水合物方面的勘探方法綜述面的勘探方法綜述 在勘探方面在勘探方面, ,地震資料地震資料似海底反射似海底反射(BSR)(BSR)是用來證是用來證明海底存在水合物的最常見證據然而明海底存在水合物的最常見證據然而,BSR,BSR只是由只是由于于上下沉積層速度差異上下沉積層速度差異形成形

7、成, ,有有BSRBSR不一定代表存不一定代表存在水合物。因此人們嘗試了大量其它技術用于水在水合物。因此人們嘗試了大量其它技術用于水合物的勘探測試，從而開發出了幾大類勘探方法合物的勘探測試，從而開發出了幾大類勘探方法 分類如下分類如下：地球物理勘探法，地球化學勘探法，地球物理勘探法，地球化學勘探法，地貌勘測與水下成像勘測地貌勘測與水下成像勘測勘探勘探法細分類法細分類地球物理勘探法地球物理勘探法地球化學勘探法地球化學勘探法地貌勘測與水下成像勘測地貌勘測與水下成像勘測1.地震勘探法地震勘探法2.海底熱流勘探海底熱流勘探3.海底電磁、重力勘探海底電磁、重力勘探4.測井技術測井技術1.氣體異常檢測法氣

8、體異常檢測法2.孔隙水孔隙水Cl 濃度異常濃度異常3.穩定同位素法穩定同位素法地球物理勘探法地球物理勘探法-地震勘探法地震勘探法 物探法是現在普遍使用的天然氣水合物的物探法是現在普遍使用的天然氣水合物的勘探方法，準確度也比較高，尤其是地震勘探方法，準確度也比較高，尤其是地震勘探技術應用廣泛。單道和多道地震是勘勘探技術應用廣泛。單道和多道地震是勘探天然氣水合物中一直使用的傳統方法。探天然氣水合物中一直使用的傳統方法。 細分為細分為高辨率地震方法、深拖多道地震探高辨率地震方法、深拖多道地震探測方法、海底地震儀方法、海底地震電纜測方法、海底地震儀方法、海底地震電纜等探測方法。等探測方法。高分辨地震勘

9、探高分辨地震勘探設備比傳統地震勘探設備比傳統地震勘探設備簡單設備簡單，震源頻率高，震源頻率高，注重地層垂向分辨率注重地層垂向分辨率，可清楚地顯示，可清楚地顯示層。層。深拖多道地震勘探深拖多道地震勘探將震源和數據接收電纜置于將震源和數據接收電纜置于近海底，可分辨出近海底，可分辨出水合物層詳細的地層結構，但是水合物層詳細的地層結構，但是層反射要弱一些。層反射要弱一些。海底地震儀海底地震儀放置于海底，進行定點長期觀測，放置于海底，進行定點長期觀測，與反射地震數據相配合，可以給出水合物區的與反射地震數據相配合，可以給出水合物區的沉積沉積地層速度結構模型。地層速度結構模型。海底地震電纜海底地震電纜是將電

10、纜鋪設在海底來接收地震數據是將電纜鋪設在海底來接收地震數據，它可以接收到海面拖纜無法記錄到的波信號，利它可以接收到海面拖纜無法記錄到的波信號，利于之下的氣區成像于之下的氣區成像地球物理勘探法海底熱流勘探 天然氣水合物形成和分解時，都會伴隨著天然氣水合物形成和分解時，都會伴隨著吸熱和放熱的過程，因此海底熱流勘測也吸熱和放熱的過程，因此海底熱流勘測也是研究水合物的重要方法之一。是研究水合物的重要方法之一。 利用利用海底熱流探針海底熱流探針可以直接測量可以直接測量海底熱流海底熱流和和海底溫度海底溫度，利用測得的數據可以估算天，利用測得的數據可以估算天然氣水合物穩定帶的底界，也可以從宏觀然氣水合物穩定

11、帶的底界，也可以從宏觀上確定大陸邊緣水合物可能存在的分布范上確定大陸邊緣水合物可能存在的分布范圍，圍，高熱流點區或者高地熱梯度帶一般不高熱流點區或者高地熱梯度帶一般不利于天然氣水合物的保存利于天然氣水合物的保存地球物理勘探法地球物理勘探法海底電磁、重力勘探海底電磁、重力勘探 海底電磁海底電磁天然氣水合物在天然氣水合物在電性上電性上是是絕緣的絕緣的，通過人工源海底電磁探測來輔助地震勘探手段，通過人工源海底電磁探測來輔助地震勘探手段，可了解天然氣水合物厚度、孔隙度，從而利用可了解天然氣水合物厚度、孔隙度，從而利用電法資料輔助評價和計算電法資料輔助評價和計算天然氣水合物的資源天然氣水合物的資源 重力

12、勘探重力勘探通過通過重力重力儀儀記記錄海底隨海洋波動錄海底隨海洋波動的垂直起伏，進而計算近的垂直起伏，進而計算近海底海底沉積地層的剪切沉積地層的剪切模量，通過模量，通過剪切模量剪切模量異常估異常估算沉算沉積地層中積地層中天然天然氣水合物的含氣水合物的含量量地球物理勘探法地球物理勘探法測井技術測井技術 測測井技井技術術是是進行天然氣水合物勘進行天然氣水合物勘探的探的有效方法，測井方有效方法，測井方法能法能夠在夠在原位地層壓力原位地層壓力和溫度條件和溫度條件下下測量地層測量地層物理物理特性特性，這種方，這種方法對發現和研究天然氣水合物法對發現和研究天然氣水合物來說來說是其他是其他的勘探方法所不能替

13、代的的勘探方法所不能替代的地球化學勘探方法地球化學勘探方法氣氣體異常檢測體異常檢測法法地球化學勘探方法地球化學勘探方法孔隙水孔隙水Cl濃濃度異常度異常 孔隙水孔隙水中中ClCl濃濃度度異常是水合物礦區的重異常是水合物礦區的重要要標標志之一，通常在水合物分布地區孔隙志之一，通常在水合物分布地區孔隙水水ClCl濃度濃度隨深度急劇減小隨深度急劇減小，目前收集到的各，目前收集到的各地許多含水合地許多含水合物鉆物鉆孔中測得的孔隙水氯度孔中測得的孔隙水氯度（. . .% %）都都遠低遠低于海水（于海水（約約. .% %）。）。因此，因此，孔隙孔隙水濃水濃度度可以可以作為作為指示天然氣水合物的一個重要指指示

14、天然氣水合物的一個重要指標標. .地球化學勘探方法地球化學勘探方法穩定同位素法穩定同位素法地貌勘測和水下成像勘測地貌勘測和水下成像勘測 現在海底探測手段多樣現在海底探測手段多樣，普，普遍是利用聲吶遍是利用聲吶設備，如設備，如多波束、側掃聲吶、合成多波束、側掃聲吶、合成孔徑孔徑聲聲吶、淺地層剖面儀吶、淺地層剖面儀等進行海底地形地貌和等進行海底地形地貌和地地層結層結構的探構的探測。測。截至截至20152015年世界在天然氣水合物方年世界在天然氣水合物方面的開采方法綜述面的開采方法綜述 開采的開采的基本原理基本原理是通過是通過改變天然氣水合物改變天然氣水合物的穩的穩定存在的溫壓條件定存在的溫壓條件,

15、 ,促使水合物分解促使水合物分解, ,從而達到從而達到開采開采的目的。在目前國內外常見的目的。在目前國內外常見幾種幾種NGHNGH開采技開采技術主術主要包括要包括: :注熱開采法、注熱開采法、降壓開采法、化學劑開采法降壓開采法、化學劑開采法、CO2CO2置換開采置換開采法法以及幾種開采方式相結合的開以及幾種開采方式相結合的開采方采方法。法。注熱開采法注熱開采法 注熱開采法簡稱注熱法注熱開采法簡稱注熱法, ,是將是將蒸汽、熱水或其蒸汽、熱水或其他熱他熱流體流體從地面強制注入到從地面強制注入到NGHNGH地層地層, ,使溫度上使溫度上升升, ,水水合物分解合物分解而形成天然氣的開采方法。而形成天然

16、氣的開采方法。 缺點：缺點：注熱法的主要不足之處在于注熱法的主要不足之處在于熱損失大、熱損失大、效率低。效率低。 改進：改進：Cranganu提提出了出了一種一種新的開采方法新的開采方法,即即條件性注熱條件性注熱法法:該該方法無需從方法無需從地表地表注入其他熱注入其他熱流體流體,而是將而是將氣體燃料混合物氣體燃料混合物由由解解吸氣吸氣體排出體排出的同一井筒中注入的同一井筒中注入,燃料燃燒所放出的燃料燃燒所放出的熱量熱量足足以滿足水合物分解所需的能量以滿足水合物分解所需的能量,達到節約能達到節約能源源的的目的目的。（自產自銷）。（自產自銷）降壓開采法降壓開采法降壓法降壓法: :是是指通過指通過鉆

17、探鉆探等方法等方法降低降低NGHNGH層下層下面的面的游游離氣聚集層位的離氣聚集層位的平衡壓力平衡壓力或形成一個天然或形成一個天然氣氣/ /囊囊0(0(由注熱法或化學劑法作用人為形成由注熱法或化學劑法作用人為形成),),與與天天然氣然氣接觸的水合物變得不穩定并且分解為天然氣接觸的水合物變得不穩定并且分解為天然氣和水和水。優點：優點：不需要昂貴的連續激發不需要昂貴的連續激發當水合物層下面存在當水合物層下面存在自由氣藏自由氣藏時時,降壓開采降壓開采是是最最有效有效的的方法方法缺點：缺點：降壓過程本身就是有限的，降壓過程本身就是有限的，水合物儲層下水合物儲層下部不存在游離氣時，就不能使用部不存在游離

18、氣時，就不能使用化學劑開采法化學劑開采法化學開采化學開采法法：是：是以某些以某些化學試劑化學試劑(如甲醇、乙如甲醇、乙醇醇、乙、乙二醇、鹽水、氯化鈣等二醇、鹽水、氯化鈣等)改變改變水合物形水合物形成的成的相平相平衡條件衡條件，降低降低水合物水合物的的穩定溫度，穩定溫度，促進水合促進水合物物分解。分解。缺點：缺點：該該方法最大的缺點是方法最大的缺點是速度速度慢慢,費用高費用高,且且由于海洋中水合物的壓力較高由于海洋中水合物的壓力較高,回采氣體回采氣體較困較困難。難。 COCO置換法置換法的原理是的原理是: :甲烷水合物所需的穩甲烷水合物所需的穩定定壓壓力較力較COCO 高高, ,在某一壓力條件下

19、在某一壓力條件下, ,甲烷水合甲烷水合物不物不穩定穩定, ,而而COCO水合物水合物卻是穩定卻是穩定的的, ,這時這時COCO進入進入到天到天然氣然氣中中, ,與水形成與水形成水合物水合物, ,同時所同時所釋放的熱量釋放的熱量可用于可用于分解分解NGHNGH。開采示意圖目前天然目前天然氣水合物氣水合物開采主要開采主要以以降壓法降壓法為主，為主，配配合合注熱法、注熱法、注化學試注化學試劑法聯用劑法聯用天然氣水合物降壓熱激法模擬開采天然氣水合物降壓熱激法模擬開采方案優化研究方案優化研究吉林大學吉林大學（1）1.1.模型建立模型建立水合物儲層水合物儲層的頂底板為的頂底板為飽水的飽水的透水透水巖層，巖

20、層，透水透水巖層巖層允許允許頂頂底板邊界處底板邊界處發生發生流體運流體運移移和和熱量交熱量交換。換。模模型解型解釋（釋（2 2） 降降壓壓是是保持保持生產井的生產井的底孔壓力底孔壓力( (低于原始地低于原始地層壓力層壓力) )恒定不變恒定不變；熱激法熱激法是通過是通過井下電磁井下電磁加熱加熱、微波加熱微波加熱等方式等方式將熱將熱以某一功率均以某一功率均勻地勻地分配到分配到生產井生產井過濾器過濾器，而不是注入熱，而不是注入熱水，從而避免了水，從而避免了次生水合物次生水合物的生成。的生成。雙層分支水平井注熱海水開采海底雙層分支水平井注熱海水開采海底天然氣水合物經濟性評價天然氣水合物經濟性評價西南石

21、油大學西南石油大學（1） 模型解釋模型解釋：開采初期，：開采初期，熱水熱水在兩水平井中在兩水平井中獨立循環獨立循環，井眼，井眼周圍天然氣水合物周圍天然氣水合物被預熱被預熱并且并且逐漸分解逐漸分解，隨時間推移，兩水平井中，隨時間推移，兩水平井中間間夾層被溝通夾層被溝通并形成并形成高滲透率多孔介質通高滲透率多孔介質通道道，最終得到由兩水平井及連通區域組成，最終得到由兩水平井及連通區域組成的的“熱水腔熱水腔”；向；向下層水平井中注入熱水下層水平井中注入熱水不斷擴大不斷擴大“熱水腔熱水腔”作用范圍促使更多天作用范圍促使更多天然氣水合物分解，在然氣水合物分解，在上層水平井上層水平井中中采出水采出水和天然

22、氣的混合物和天然氣的混合物，如此循環進而達到天，如此循環進而達到天然氣水合物開采的目的。然氣水合物開采的目的。開采簡圖（2）模型優缺模型優缺點（點（3 3） 模型優缺點模型優缺點： 最為突出的是該開采方法能最為突出的是該開采方法能很好地很好地保證天然氣水合物的安全開采，而保證天然氣水合物的安全開采，而且方法簡便且方法簡便，是天然氣水合物開采方法的，是天然氣水合物開采方法的創新和進步，但創新和進步，但緩慢的采氣速率和年僅緩慢的采氣速率和年僅0.87% 0.87% 的采收率的采收率卻極大地限制了該開采法卻極大地限制了該開采法的商業化運行。的商業化運行。 CO CO 置換天然氣水合物中置換天然氣水合

23、物中 CHCH 的研究進展的研究進展蘭州理工大學蘭州理工大學(1)(1)反應原理：發生在反應原理：發生在 COCO 與與CHCH 水合物之間的水合物之間的置換反應方程式為：置換反應方程式為：該反應已經被證實存在熱力學與動力學的可行性該反應已經被證實存在熱力學與動力學的可行性COCO 置換天然氣水合物中置換天然氣水合物中 CHCH 的研究進展的研究進展蘭州理工大學蘭州理工大學(2)(2) 優缺點：優缺點：研究表明，置換反應在動力學上研究表明，置換反應在動力學上是可行的，且是可行的，且置換效率較高置換效率較高，但，但置換速率置換速率較慢較慢。溫度和壓力越高溫度和壓力越高越有利于置換反應越有利于置換

24、反應進行；溫度在冰點以下，置換效率較低；進行；溫度在冰點以下，置換效率較低；壓力的影響比溫度小壓力的影響比溫度小海水提升法試采南海天然氣水合物的可海水提升法試采南海天然氣水合物的可行性分析行性分析廣州海洋地質調查局廣州海洋地質調查局（1 1） 系統工作原理及流程系統工作原理及流程:海水提升法海水提升法的工作原理是在海底的工作原理是在海底用用采礦車采礦車把把天然氣水合物天然氣水合物以以固體固體的形式采出，再利用的形式采出，再利用海海底集礦系統底集礦系統對淺層的水合物進行對淺層的水合物進行初步分離初步分離，然后利用海，然后利用海水提升系統將先前收集的水合物提升至海面采礦船水提升系統將先前收集的水合物提升至海面采礦船. 水水合物在提升過程中由于合物在提升過程中由于外界溫壓條件的變化外界溫壓條件的變化，將會發生，將會發生部分分解，部分分解，但是整個系統是密閉的但是整個系統是密閉的. 因此，在這個過程因此，在這個過程中務必要中務必要采取氣采取氣-液液-固三相混合輸送技術固三相混合輸送技術. 礦藏經過充分礦