【毕业学位论文】（Word原稿）天然气水合物资源经济评估-热能工程

分类 号 密 级 编 号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 天然气水合物资源经济评估 指导教师 研究员 中国科学院广州能源研究所 申请 学位级别 硕士 学科专业名称 热能工程 论文提交日期 2007 年 6 月 论文答辩日期 2007 年 6 月 培养单 位 中国科学院广州能源研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 摘要 I 摘 要 天然气水合物作为一种新型的、高效的洁净能源，储量巨大且分布广泛，目前各国已对其物性及勘 探开发技术开展了深入细致的研究工作。矿藏只有开采才能实现其经济价值。油气开采是投资大、周期长的工程，因此在投资开发一个天然气水合物矿藏前，需要对项目的经济可行性进行评估，确定其是否具有可采性，降低开采的风险。 本文针对目前的水合物研究状况，以国际上经济评估中最常用的净现值法为基础，把各种水合物开发中的影响因素量化处理，建立经济评估的数学模型。在经济评估模型中，尝试引入水合物资源开发的技术特点，使模型更接近于实际情况。 借鉴常规天然气勘探开采的投资额度，对各种经济、技术因素量化，本文对一个特定的天然气水合物矿 藏进行经济评估 ，计算项目的净现值。从计算结果可以看到：勘探投资和建设工程投资对项目净现值 (影响很小，净现值主要取决于税率此对一个水合物的开采项目，主要的工作是降低经营成本。在税率为 25%，即使把天然气水合物开采的经营成本提高到常规气体的 2 倍，地面工程投资提高至常规气开采的 3 倍，计算得到的净现值仍然为正值，仍然可以从水合物矿藏开采项目 中获得巨大的经济效益。 天然气水合物矿藏一般存在于海底和冻土层中，甲烷资源量一般在 1012 1014间。 在最低储量评估模型中，对变量进行合理的假设后，分析了水合物饱和度（ x ）和埋藏深度（ h ）两个关键因素对最低经济储量（影响。计算结果表明： x 极小值点，当 100， 131 1 3 1 0Q 标准 超过了常规甲烷水合物的储量。所以，对于开采饱和度小于 模型还对黑海海域、墨西哥湾西北区、 布莱克海台 、 南海海槽等已有广泛研究的区域进了评估 ，根据模型的评估结果，上述区域均有开采价值，能够带来经济效益。 本文所建立的天然气水合物矿藏经济评估模型和最低经济储量模型能为判断项目是否具有经济意义提供参考， 鉴于现有的关于水合物资源的数据还比较天然气水合物资源经济评估 ，工业开采水合物资源的实例不多，因此计算模型的科学 性还有待于在实际生产中加以验证。 关键词 ： 天然气水合物矿藏；净现值法；经济评估；经济可采性；最低经济储量 as a of in on As we of be of or So it is to of a in to of at on a on is of in or In to of so be to of in of is to a of of PV on xt) So of is to 5%, if of of of PV is or 然气水合物资源经济评估 II in it 012m3 014In x ) h ) of x h=100m, 131 1 3 1 0Q of So be x of is of ea to of in in to if is At to is a so it to be in is 录 I 目录 第一章 绪论 . 1 源种类 . 1 界能源现状 . 3 源消费状况 . 3 源储采状况 . 4 国能源状况 . 7 然气水合物及研究现状 . 9 然气水合物及分布 . 9 然水合物研究进展及取得的成果 . 9 然气水合物资源经济评估意义 . 11 论文的结构 . 12 第二章文献综述 . 13 然水合物勘探技术研究进展 . 13 术 . 13 孔取样技术 . 13 井技术 . 14 然水合物开采方法研究进展 . 14 气田开发经济评价的常用方法 . 15 态评价方法 . 16 态评价方法 . 20 资方案的比较和优选 . 24 气田开发经济评价方法的选择 . 27 然气水合物资源经济评估方法初探 . 30 第三章 天然气水合物项目评估的基本理论 . 31 然气水合物勘探开发建设项目总投资的估算 . 31 定资产投资估算 . 31 然气水合物项目流动资金计算 . 34 合物开采成本和管理费用的估算 . 35 合物开采成本 . 35 合物项目管理费用 . 37 合物产品销售费用 . 37 第四章 基于净现值法的天然气水合物资源经济评估及最低储量评估模型 . 38 于净现值法的水合物经济评估模型 . 38 现值法概述 . 38 藏开发过程中现金流量 . 39 合物经济评估数学模型的建立 . 41 合物最低经济储量评估模型 . 43 低经济储量的概念 . 43 然气水合物资源最低经济储量的数学模型 . 44 第五章 天然气水合物经济评估模型的应用 . 46 合物经济性评估方法的应用 . 46 件假设 . 46 果与讨论 . 46 天然气 水合物资源经济评估 低经济储量的评估方法模型的应用 . 48 型中各参数的假设 . 48 果与讨论 . 49 分水合物实际矿藏的评估结果 . 51 第六章 结论与建议 . 53 参考文献 . 54 附录 . 59 计算程序 . 60 第一章 绪论 1 第一章 绪论 凡是能够为人类提供某种形式能量的物质或物质的转换运动过程，都称为能源。它们满足了人类对热能、电能、机械能、化学能等各种形式能量的需要，是人类经济生活中不可缺少的物质基础。 按照目前开发与利用状况，可将能源分为常规能源和新能源两类。到目前为止，已被人们广泛应用，而且使用技术又比较成熟的能源，称为常规能源，如煤炭、石油、天然气、水能及生物能等。太阳能、地热能、风能等，虽早已被利用，但大规模开发的技术还不成熟，应 用还不广泛，直到现在才进一步受到人们的重视；其它还有核能和海洋能等等，也只是近些年来才被人们所认识和应用，而且在利用技术和方式上都有待改进和完善，这些都被称为新能源。 在世界能源消耗结构中，煤炭、石油、天然气三者占据能源消耗量 90%以上。是现代工业、国民经济发展的最基本的物质基础。 煤炭是最基本的常规能源，素有 “ 工业粮食 ” 之称。人类开发利用煤炭的历史悠久，早在 2000 多年前的我国春秋战国时期，就已用煤作燃料。 18 世纪60年从英国开始的产业革命，使能源结构发生第一次革命性变化：从生物质能转向了矿物能源，既由木 炭转向了煤炭。 煤既可以作为动力燃料，又可以是化工和制焦炼铁的原料，工业界和民间常用煤做燃料以获取热量或提供动力。从揭开工业文明篇章的瓦特蒸汽机到现代化的大型火力发电站，煤炭扮演了重要角色，是世界能源的主来源之一。在化工领域内，煤炭可作为炼焦、高温干馏制煤气、合成氨等化工业的重要原料。低灰、低硫和可磨性好的品种还可以制造多种碳素材料，至今煤炭仍是人类最重要的能源之一。 石油是由一种生油母质经过长期的地质作用和生物化学作用而转化形成的矿物能源，多分布于低地和盆地，如山间盆地、滨海及近海大陆架等地区。世界石油资 源主要集中在中东、非洲、原苏联、美国、南美、西欧和印度尼西亚沿海地区。 天然气水合物资源经济评估 2 石油是重要的战略物 资 ，具有优越的物理、化学性质。石油作为动力燃料的来源，有很高的发热量，在现代国防方面，新型武器、超音速飞机、导弹和火箭所用的燃料都是从石油中提炼出来的。石油还可以作为重要的化工原料，广泛用于国民经济和各个部门。现代有机化学工业就建立在石油、煤炭、天然气等资源的综合利用之上。从石油中可提取几百种有用物质，其经济价值远远超过作为燃料燃烧的经济意义。石油化工可生产出成百上千种化工产品，如塑料、合成橡胶、合成洗涤剂、染料、医药 、农药和化肥等等。石油及石油产品是促进国民经济和工业现代化的重要物质基础。 天然气系古生物遗骸长期沉积地下，经慢慢转化及变质裂解而产生之气态碳氢化合物，蕴藏在地下约 3000 4,000 m 之间多孔隙岩层中，主要成分为 甲烷 。天然气在 石油地质学 中，通常 指油田气和气田气。其组成以 烃 类为主，并含有非烃气体。按天然气在地下存在的相态可分为游离态、溶解态、吸附态和固态水合物。一般情况下，只有游离态的天然气经聚集形成天然气藏，才可开发利用。固态天然气水合物也是一种高度聚集的天然气藏，因为 1 立方天然气水合物可以释放 160 多立方天然气，但目前由于技术和经济方面的原因，一直没有得到开发。 天然气主要用途是作燃料，天然气发电，具有缓解能源紧缺 、降低燃煤发电比例，减少环境污染的有效途径，且从 经济效益 看，天然气发电的单位装机容量所需投资少，建设工期短，上网电价较低，具有较强的竞争力。天然气广泛应用在化工领域，可制造氮肥、炭黑、化学药品和液化石油气，天然气是制造 氮肥 的最佳原料，具有投资少 、成本低、污染少等特点。天然气占氮肥生产原料的比重，世界平均为 80%左右；由天然气生产的丙烷、丁烷是现代工业的重要原料。天然气作为民用燃料具有清洁方便的优点。目前人们的环保意识提高，世界需求干净能源的呼声高涨，天然气需求量自然会增加。 除上述三种常规化石能源外，现在大规模利用的还有一些一次能源和新能源，如水能（包括小水电）、核能、太阳能、风能、海洋能、地热能、生物质能等。新能源大部分是天然和可再生的，是能源开发利用的有益补充，对环境保护和改善能源结构具有重要意义。 第一章 绪论 3 源消费状况 现代文明开创以来，人类世界一直依赖化石（矿物）燃料燃烧产生的火力为主 要能源。今天以煤炭、石油和天然气三者为主体的化石燃料为人类提供生存、享受和发展所需的热力和动力，是现代社会维持正常运行和持续发展进步不可或缺的根本要素。 石油是现代世界一次能源消费构成中的主要能源 。 据 资料 来看 ，石油在世界一次能源消费构成中 保持着 40 左右的比例 ，居 各种能源消费的首 位 ；煤炭保持着 30%的比例，天然气保持着 20%的比例，如表 表 1. 1世界能源消费结构（ %） 份 煤炭 石油 天然气 电力 1990 30 38 23 9 2000 25 41 21 13 2004 料来源： 005摘录 我国 的能源消费结构与世界能源消费结构有很大不同 ,各年度的能源结构如表 表 1. 2 中国能源 消费总量及构成 单位：万吨标准煤 份 能源消费总量 占能源消费总量的比重 (%) 煤炭 原油 天然气 水电 1990 98703 000 130297 004 197000 料来源：中国统计年鉴 2005 天然气水合物资源经济评估 4 在我国，从 1993 年以来 ， 化石能源消费结构有一定变化，但从未发生根本性改变。煤炭消费比例变化在 64 79之间，石油 消费比例变化在 19 32之间，天然气消费所占比例变化在 间 ，这与我国“缺油富煤”的国情是有关系的。 能源是国家战略性物资，是一个国家经济增长和社会发展的重要物质基础。而随着经济的发展和能源消耗量的大幅度增长，特别是在即将进入 21 世纪的高科技技术时代，能源的储量、生产和使用之间的矛盾日益突出，成为世界各国面临的急待解决的重大问题之一 。 在我国，煤炭和石油的广泛应该给环境带来了负面影响。为改善我国的能源结构，保护环境，必须增加天然气在一次能源中的比重。而根据目前的勘探资料，天然气水合物储量丰富 ，是未来天然气的主要来源。因此，天然气水合物勘探开发的研究工作具有重要的意义，而经济评估方面的研究则是勘探开发的前提。 源储采状况 煤炭、 原油、天然气 三种不可再生的常规能源 依然是 21世纪世界各国的主要能源消费 品。 2003 年世界范围内油气资源探明储量仍较为丰富，尤其是天然气储量增长趋势更被人们所看好。 世界油气资源分布极不均匀，地区结构矛盾十分突出。世界油气资源主要分布在中东、南北美、前苏联三个地区，三地石油探明剩余储量 (按 2000 年 1月 )占世界 其中中东海湾地区占 南北美 前苏联占 天然气证实储量 (2000 年 1月 )三地占世界的 其中中东占 南北美占 前苏联 见表 油气资源的高度集中分布，加之生产和消费的分离，形成两个极为重要的地缘特征：一是少数地区对油气资源的高度垄断，二是多数消费国对国外石油的严重依赖，引起了这些国家对石油安全的极大关注，相互对石油资源的激烈争夺，潜伏着巨大的危机。占有世界 2 3石油资源， 1 3石油产量的小小的中东及其周边地区显然成为矛盾斗争的焦点。稍有风吹草动这里就能燃起冲天大火。而对石 油资源消费量最大、对外依赖程度最高的美国 (1999 年美进口原油 吨，占世界原油进口量的 27%)则必第一章 绪论 5 然将对中东及其周边石油资源的势在必得，作为其基本国策。二次大战以来特别是海湾战争以来的历史都证明，这一以石油资源为背景的地缘政治态势，正是这一地区政治军事长期不得安宁的深层原因。 表 1. 3 世界几大地区石油储量产量消费量（单位：百万桶） il in 区 储量 百 分比 产量 百分比 亚太地区 洲 苏 联 东 北美洲 洲 计 00 00 油气资源可采储量数据因技 术局限性以及政治、经济等复杂原因影响而存在不确定性，但过去三十年的地质知识有了很大进步，全球范围内已经物探和钻探排查 ，油气资源储量数据趋于稳定。表 2005 年 界能源统计摘录。 表 1. 4世界范围内石油天然气探明储量总计 in 984年底 1994年底 2003年底 2004年底 石油探明储量（ 10亿桶） 然气探明储量（万亿立方米） 炭探明储量（亿吨） 气资料来源： 005摘录 天然气水合物资源经济评估 6 自从工业革命以来，化石燃料生产消耗量剧增，人类世界一直依赖化石燃料燃烧产生的火力为主要能源。 19世纪时煤炭高踞能源王座。 20世纪以来，清洁、高效、方便的石油和天然气后来居上。 石油天然气年生产总量如表 表 1. 5世界范围内石油天然气生产量总计 of 001年 2002年 2003年 2004年 石油产量 （百万吨） 然气产量 （ 10亿立方米） 料来源： 005 摘录 截止 2004 年底，世界石油剩余可采储量为 吨 （原油按 =1吨折算） ， 2004年全世界原油产量为 吨，储 采 比为 就是 说按现有的开采能力，在不增加新的石油储量的情况下，剩余石油开采 至 2004年底，世界已探明天然气储量大约为 1， 795， 300 亿 立方米，在世界一次能源构成中占 ，次于煤炭和石油，居第三位。 按照 2004 年世界天然气开采量 26， 916 亿立方米的生产速度，在不增加新的天然气储量的情况下，世界天然气储采比为 炭储量丰富，按现有开采速度，还可以采 200年。 地球上还有地下六千多米或水下三千多米处极难开采的深层油源，以及像加拿大和委内瑞拉的油砂那样的非常规石油矿藏，油价高扬之际， 在新技术和巨额投资支持下，可能转化为新的可采储量，而常规油井的开采率今后也会进一步提高，所以四十年寿数未必是一 个绝对时限。然而，这些因素不可能扭转石油天然气正在迅速成为稀缺物资的趋势，可利用的化石燃料急剧减少的局面。 第一章 绪论 7 国能源状况 全国第二次资源评价结果显示，我国石油地质资源量为 1041亿吨，石油可采资源量为 150 亿吨，我国已探明的石油可采储量为 吨， 2003 年原油产量为 吨，石油储 采 比为 。 我国是全世界唯一以煤炭为主的能源消费大国，能源消费结构为煤占 67%，石油占 天然气占 3%。以煤为主的能源消费结构对我国环境和生态造成了严重危害，用石油和天然气等优质、低碳能源代替煤炭以改善能源结构成为必然，但受到石油和天然气资源严重短缺的限制。我国经济的快速发展对能源的高度依赖以及能源结构的不合理使得更需要开拓新能源的供应渠道，开发自然界中的天然气水合物资源将成为解决能源供给矛盾的重要途径。因此 尽早开发这种理想的生态能源对于维护我国的能源安全和国家经济发展无疑具有重大战略意义。 我国的石油供需情况如表 结合十六大提出的到 2020 年国内生产总值翻两番的目标 。 到 20152020年，我国的石油需求将达到 同期的石油产量预期为 吨 。 2015 2020 年我国石油供需缺口达 石油需求量的 50%左右。 表 1. 6 中国 石油 供需表 单位 : 万吨 he of 目 1995 2000 2002 2003 可供量 产量 口量 料来源： 中国统计年鉴 2005 根据 2000 年统计结果， 天然气 剩余 可采资源量为 14 万亿立方米 ， 在一次能源消费构成中次于煤炭、石油、水电，居第四位。全球天然气占总能源消费的 24%，而目前在我国仅占能源消费结构的 3%， 远低于 24%亚洲平均水平，甚至低于印度 8%的水平。在过去几年里，由于四大战略性天然气地区 (四川、塔里木、长庆和莺歌海 )的突出性贡献，中国 天然气储量天然气水合物资源经济评估 8 和产量稳步增长，天然气的储采比估计为 40 57年 。 根据国内三大石油公司发展规划，预计随着天然气探明储量的大幅增长，到 2010年三家石油公司产量有可能突破 900 亿立方米，到 2020年达到 1250亿立方米左右。对照天然气资源供需数据可发现，今后国内天然气资源将不能完全满足国内需求，供需将不同程度出现缺口。在全国已探明的油气资源中， 70%以上分布在高原、沙漠、黄土塬和海洋覆盖地带，地质条件复杂，勘探开发难度大。 我国煤炭资源丰富，储量居世界之首，主要分布在华北和东北地区。 1990年末全世界已经探明的煤 炭可采储量为 10， 787 亿吨。我国已探明的煤炭储量为 世界已探明储量的 1990年全世界总计产煤 国为 吨，居世界第一位。化工原料中的 3/5、民用商品能源中的 4/5都来自煤炭 。 根据 2000年资料表明，中国 探明原煤储量 10， 077 亿吨 ，剩余可采原煤 1， 145 亿吨，储采比 68 年。 随着环境意识的增强，由于煤由于在利用过程中产生大量污染物，近年来煤的利用受到很大的限制。 中国煤炭供需情况如表 表 1. 7 中国 煤炭 供需表 单位 : 万吨 he of 目 1995 2000 2002 2003 可供量 产量 口量 料来源： 中国统计年鉴 2005 随着 社会的发展 ， 能源消耗急剧增加是世界面临的一个重大问题 ， 而同时生存 环境 的日益恶化也 成了困扰人们的另一个重大问题。因此，寻找 清洁、高效、储量巨大或可再生的 新能源成了 当代 科学 领域的 重要 课题之一 。 世界范围内，各国投入了大量的人力物力对对新型能源进行研究， 一批新能源如太阳能、核聚变能、 氢能、海洋能、风能和生物质能等方面的研究已经取得重大突破，并展示出令人鼓舞的发展前景。 其中，天然气水合物自其被发第一章 绪论 9 现以来，以其巨大的储量、广泛的分布赢得世界的瞩目，成为科学研究领域内的重要课题。为人类解决能源短缺问题带来了希望。 因此， 发展天然气等清洁高效能源是我国能源发展的必选之路，天然气水合物的勘 探开发具有重要意义。 然气水合物及分布 天然气水合物是由天然气中小分子气体，如甲烷、乙烷等，在一定温度、压力条件下和水作用生成的一类笼形结构的冰状晶体。甲烷气体积超过 天然气形成的水合物通常称为甲烷水合物。 天然气水合物广泛分布于海底以下的沉积带或陆地上的永久冻土带中，是自然界中甲烷存在的一种重要方式。 算海洋及大陆冻土带中的天然气水合物总贮量（以甲烷水 合物为主）相当于全球非再生能源（煤、石油、天然气等）贮量的两倍左右 1,2。 目前全 球已发现天然气水合物近 60处。在自然界发育的天然气水合物中气体主要为有机气体和一些非有机气体 (如 ,其中以甲烷为主。天然气水合物也是大量的淡水来源 ,1立方米的天然气水合物含 3。因此 ,天然气水合物被认为是 21 世纪的洁净新能源。 我国的南海陆坡、西沙海槽、台湾东南部等海域均发现了与海洋甲烷水合物有关的地质 证据 4,5,6。 不仅天然气水合物在自然界是极其重要的碳储库 ,而且 ,天然气水合物在地球浅层极不稳定 ,温度的变化将导致天然气水合物的分解 ,从而引发环境灾害。 然 水合物研究进展及取得的成果 本世纪七十年代，世界范围内出现了一个前所未见的 “ 能源危机 ” 问题 。能源 ， 特别是石油，由于长期的开采，资源已近枯竭，无法满足日益增长的需求 。 储量巨大且洁净、高效的天然气水合物 ， 其开发利用 成为 当今世界科学研究的前沿之一。一些发达国家纷纷投入大量人力物力加强 天然气 水合物 方面的研究，美国和加拿大成立了国家级研究中心。 日本、俄罗斯等国均投入巨资进天然气水合物资源经济评估 10 行该方面的研究 7 。 人类开始发现水合物和对其进行研究已有 100 多年的历史，但真正在自然界中，首次发现天然气水合物是在 20 世纪 60 年代俄罗斯西西 伯利亚冻土带下面的沉积物中。 70 年代又在海洋沉积物中见到天然气水合物。随着近期大洋钻探与地震调查的开展，人们发现天然气水合物在地球大陆边缘广泛分布。目前，采用地质、地球物理和地球化学方法已在世界各大洋和大陆内海中先后确定出120多处赋存天然气水合物远景区 8。 20世纪 80年代以来，在各国政府的高度重视下，天然气水合物的研究得到快速发展，美国、日本、俄罗斯、加拿大、英国、德国等国均相继投入巨资进行海洋天然气水合物调查研究，对其物化性质、产出条件、分布规律、勘查技术、开采工艺、经济评价及开采可能造成的环 境影响等进行了广泛而深入的系统研究。大洋钻探计划 (实施对推动水合物研究也做出了重大贡献。国外天然气水合物的发现和调查研究经历了发现、