新能源终极版-未来新能源-可燃冰

1、新能源终极版 研究生课程考核试卷（适用于课程论文、提交报告）科 目：新能源与能源高效利用 教 师： 彭 岚姓 名： 学 号： 专 业： 工程热物理 类 别：上课时间： 2012 年 2 月 至 2012 年 4 月 考 生 成 绩： 阅卷评语： 阅卷教师 (签名重庆大学研究生院制 未来新能源可燃冰 重庆大学硕士学位论文 学生姓名：康帅指导教师：彭岚专 业：动力工程 学科门类：新能源学 重庆大学动力与工程学院二O一二年四 Solar Photovoltaic Power Generation A Thesis Submitted to Chongqing University in Partia

2、l Fulfillment of the Requirement for theDegree of Master of Engineeringbykangshuai Supervisor: Prof. PenglanMajor: EngineeringCollege of Power Engineering of Chongqing University ,Chongqing, China.April,2012 重庆大学新能源课程论文 中文摘要摘 要随着世界上石油、天然气资源的日渐耗尽，人类在 21 世纪后期面临着油气资源枯渴的局面，因此寻求洁净高效的新能源成为科学界追求的目标。各国的科学家正

3、在致力于寻找新的接替能源，并相继投入了大量的资金和人力开展新能源研究。“可燃冰”被称为 21 世纪具有商业开发前景的战略资源，正受到各国科学家和各国政府的重视。“可燃冰”具有埋藏浅、规模大、能量密度高、洁净等特点，因此它是一种优质高效的燃料。科学界普遍认为，“可燃冰”终将成为人类未来的极具潜势的洁净的能源资源。“可燃冰”研究不仅仅涉及到资源问题，而且更重要涉及到环境和全球气候变化、海底安全、天然气转输、固化以及国防安全等相关领域，因此，“可燃冰”研究已成为世界各国科学家们关注的热点和焦点。“可燃冰”矿藏的大量发现，将水合物的研究带入一个全新的阶段。世界各国的科学家对“可燃冰”的类型及物化性质、

4、自然赋存和成藏条件、资源评价、勘探开发手段以及气水合物与全球变化和海洋地质灾害的关系等进行了广泛而卓有成效的研究并取得了显著的成果。 关键词：天然气水合物；形成过程；水合物开采方法 重庆大学新能源课程论文 英文摘要AbstractWith resources of petroleum and natural gas in the world gradually exhausted, mankind will face a situation of dried-up oil-gas resources in the later 21st century, so it has become the

5、 aim of scientific community to seek clean and efficient new energy .Scientists of all countries are committed to find new replaceable energy and have continuously invested a great deal of capital and manpower into the research of new energy. Known as a strategic resource with commercial development

6、 potential in the 21stcentury, flammable ice is increasingly regarded by scientists and governments of all countries.Flammable ice has the characteristics of shallow burying, large scale, high energy density, cleanness, etc. and is a high-quality efficient fuel. It is generally thought in the scient

7、ific community that the flammable ice will eventually become the most potential future clean energy resource of mankind. The study of flammable ice involves not only the energy problem but also the related domains of environment, global climate change, subsea safety, natural gas transportation and s

8、olidification as well as national security, which are more important. Therefore, the study of flammable ice has become the hot spot and focus of scientists of all countries in the world. The finding of large-scale flammable ice reserves brings the study of hydrate into a new phase. The scientists of

9、 all countries in the world have conducted broad and efficient study on the type and physical properties of flammable ice, conditions for natural existence and mineralization ,resource evaluation, ways of exploration and development as well as the relationship between gas hydrate and global change a

10、nd marine geological disasters and have achieved remarkable results.Through collection of related information concerning the formation and decomposition of flammable ice, the article starts from the composition, structure and features of flammable ice, analyzes the structure, existence features, phy

11、sical andchemical properties, origin of hydrate and model of geological structure of flammable ice and summarizes and analyzes the technical problems and environmental influence of exploiting flammable ice. Key Words： natural gas hydrate, formation process , hydrate exploitation method . 重庆大学新能源课程论文

12、 目录目 录 中文摘要. 英文摘要. 1绪论 . 11.1可燃冰”的研究背景. 11.2研究“可燃冰”的目的和意义 . 11.3国 谢. 9 参考文献. 1 重庆大学新能源课程论文 1 绪论1 绪论人类的生存发展离不开能源。能源是人类社会赖以生存的物质基础。煤、石油、天然气是当今世界各国的主要矿物能源，已开采使用近百年，据专家们估计，再有40 年左右，人类就会面临能源枯竭的局面。国际能源机构曾指出，世界油气产量在2001-2020 年将达到顶峰，此后，就不可避免地持续下降，强烈的能源忧患意识产生了寻找能源的热潮。1.1“可燃冰”的研究背景能源是人类社会赖以生存和发展的最重要的物质基础。几千年来

13、，人类所使用的能源已经历了三代，第一代能源为生物质材，以柴薪为代表；第二代能源以煤为代表；第三代能源是石油、天然气和部分裂变能源。石油的利用日益广泛，消费量不断增加，使它成为世界上第一大能源。石油的广泛利用，促进了世界经济的高速发展，科技水平不断提高，人类的发展进入信息社会。但石油的储量远远满足不了人类日益提高的开采量需求。天然气作为一种优质能源，虽然有清洁、便利、储量丰富的优点，但是储藏难、运输难、投资回收周期长等缺点也制约了人类对它的普遍利用。在煤炭、石油、天然气等传统能源储量有限的情况下，世界各地的科学家正努力寻找清洁高效的新型能源，以取代日益枯竭的传统能源。二十世纪七十年代，美国地质工

14、作者在海洋中钻探时，发现了一种看上去像普通干冰的东西，当它从海底被捞上来后，那些“冰”很快就成为冒着气泡的泥水，而那些气泡却意外地被点着了，这些气泡就是甲烷。据研究测试，这些像干冰一样的灰白色物质，是由天然气与水在高压低温条件下结晶形成的固态混合物，它可以像固体酒精一样直接点燃，因此，人们通俗、形象地称其为“可燃冰”。 科学家们通过研究认为，“可燃冰”有望成为传统能源替代品，是未来理想的新型战略能源。“可燃冰”的正式名称为天然气水合物，它作为特定区域的新型烃类资源，是在一定温压条件下，由水与天然气（主要是甲烷气）结合形成的一种外观似冰的白色结晶固体。从能源的角度看，“可燃冰”可视为被高度压缩的

15、天然气，且燃烧几乎不会产生有害污染物，是一种清洁能源。1.2 研究“可燃冰”的目的和意义“可燃冰”作为一种拥有巨大潜力的新型洁净能源资源，对全球气候变化也有着重要的作用，意义深远，其研究日益受到重视。迄今世界上已有 4 个国家制订了全国性的研究开发计划，10 个国家制订了部门计划，还有一些国家正在策划之中。各国研究的目标和内容虽有差别，但是致力于占有水合物资源，和深水常规油气联合兼探。实际上，从能源消费总量来看，中国现在在全球已经是消费第二。我国现在面临在发展经济之中必须有一个充足的能源供应问题。以后随着经济增长能源供1 重庆大学新能源课程论文 1 绪论应还要增加，是不是有持续环保的能源供给是

16、决定我国能不能持续发展的一个重大问题。“可燃冰”具有埋藏浅、规模大、能量密度高、洁净等特点，因此它是一种优质高效的燃料，符合我国未来能源发展的需要。科学界普遍认为，“可燃冰”终将成为人类未来的极具潜势的洁净的能源资源。“可燃冰”的研究是当代地球科学和能源工业发展的一大热点。1.3 国内外研究现状“可燃冰”研究不仅仅涉及到资源问题，而且更重要涉及到环境和全球气候变化、海底安全、天然气传输、固化以及国防安全等相关领域，因此，“可燃冰”研究已成为世界各国科学家们关注的热点和焦点，许多国家已经制定了相应的天然气水合物研究战略和天然气水合物研究开发计划，并开展了大量的“可燃冰”基础理论研究、资源调查和研

17、究开发工作。早在 1778 年，英国化学家在实验室就发现了含二氧化硫的水合物；1810 年，英国化学家达威(Humphrey Dave)在伦敦皇家研究院实验室首次发现气体水合物(氯气水合物)现象，并于 1811 年著书提出“气体水合物”这一概念；1888 年 ViIlard首次人工合成天然气(甲烷)水合物，并确定了CH4、C2H6、C3H8等水合物的存在。1934年美国科学家 Hammer Schmidt 首次在输气管道中发现有水合物实体，根据其相关观测数据，提出了 Hammer Schmidt 方程。1946 年前苏联学者 N.H 斯特里诺夫从理论上做出结论，认为自然界有可能存在气体水合物矿

18、藏，至 1951 年 Claussen 等人确定了型天然气水合物的结构，次年又确定了型天然气水合物的结构。从此，自然界存在的气体水合物进入专家学者的科学视野。80 年代以来，美国、日本、印度、德国、韩国等国家都在“可燃冰”调查研究方面给予了高度重视，并从能源储备角度考虑，各国政府纷纷制定了长远发展规划和实施计划，标志着对“可燃冰”调查研究的热潮在全球兴起。我国在这一领域的研究和调查起步较晚，始于 20 世纪末，大约落后西方 30年。中国科学院兰州冰川冻土研究所在实验室成功地合成天然气水合物，拉开了我国水合物研究的帷幕。2000 年以来，中国科学院相关研究所分别对于天然气水合物的地球物理特征和勘

19、探方法、赋存条件、形成和分解的热动力学边界等方面进行了研究工作，积累了丰富的经验。2001 年，中国科学院广州能源研究所天然气水合物基础研究实验室成立，标志着我国天然气水合物的研究已然进入了学者们的科学视野。2008 年我国首次在南海北域取得了“可燃冰”岩芯，今年在青海青藏高原玉树地区取得了“可燃冰”岩芯，初步估计能源储量达到 350 亿吨石油当量，计划在 2020年进行工业开发。“可燃冰”矿藏的大量发现，将水合物的研究带入一个全新的阶段。世界各国的科学家对“可燃冰”的类型及物化性质、自然赋存和成藏条件、资源评价、勘探开发手段以及气水合物与全球变化和海洋地质灾害的关系等进行了广泛而卓有成效的研

20、究。 2 重庆大学新能源课程论文 2“可燃冰”的组成、结构、特性2“可燃冰”的组成、结构、特性2.1“可燃冰”的组成及结构“可燃冰”的科学名称叫天然气水合物(Natural Gas Hydrate)， 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）下由碳氢化合物气体（ 甲烷、乙烷等烃类气体）与水分子组成的类似冰的、非化学计量的笼形结晶化合物，又称笼形包合物(Clathrate)。（如图 2.1 示） “可燃冰”的分子构成可用 M.nH2O 为“可燃冰”的分子式，其中 M 代表水合物中的气体分子，n 为水分子数。其成分有 CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及C

21、O2、N2、H2S 等。客体分子（即气体分子）填充于由主体分子（即水分子）形成的空间点阵结构的空穴中。形成点阵结构的主体分子之间由较强的氢键结合起来，而客体分子与主体分子之间的作用力为范德华力。由于“可燃冰”中通常含有大量甲烷或其它碳氢气体，极易燃烧，因此被称为 “固体瓦斯”、“气冰”。据地质学家分析，当海洋板块下沉时，较老的海底地壳会下沉到地球内部，海底石油和天然气随板块边缘涌上表面。当接触到冰冷的海水和受深海高压下，天然气与海水发生化学作用形成水合物，即成“甲烷水合物”。因此说，“可燃冰”是由海洋板块的活动而形成的。“可燃冰”的吸附天然气能力很强，1m3可燃冰可以分解为 164m3的天然气

22、和0.8m3的水（如图 2.2），也就是说 1m3的可燃冰释放出来的能量，相当于 164m3的天然气。“可燃冰”的能量密度高，储量大，其全球总储量是煤、石油和天然气总和的 23 倍。其能量密度是其他非常规气源田（诸如煤层气、黑色页岩）的 10 倍，是常规天然气的 25 倍，所以说它是一种优质高效的上等能源。2.2“可燃冰”的物理化学性质的特性“可燃冰”的存在需要低温（010）和高压（10MPa）条件的保障，3 重庆大学新能源课程论文 2“可燃冰”的组成、结构、特性 因此它主要存在于水深大于 300500m 的海底沉积物之中和寒冷的高纬度区域（特别是永冻土地区）。由此可见，研究“可燃冰”稳定存在

23、的物理化学条件是了解“可燃冰”能够存在的特殊地质环境的前提。在自然界发现的“可燃冰”多呈淡黄色、白色、暗褐色、琥珀色等轴状、层状、小针状结晶体或分散状。与冰相比较，“可燃冰”的沸点低于+60，与水不发生反应。“可燃冰”晶格和冰一样由水分子组成，但晶格架的空腔比冰大，“可燃冰”与冰，含“可燃冰”层与冰层之间存在着相似性：含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层；相同的组合状态的变化流体转化为固体；含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层；冰与“可燃冰”的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小于同类的水层；水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或水合物；均属放热过程，并产生

24、很大的热效应0融冰时需用 0.335KJ 的热量；20分解“可燃冰”时每克水需要 0.5-0.6KJ 的热量；结冰或形成水合物时水体积均增大。综上所述，“可燃冰”就物理性质上像冰，但它也不同于冰。它可以存在于零上或零下的温度环境，具有比其他冷凝相气体（如液化气）低几十倍的平衡压力。当温度达到水合物生成的临界值时，气体不能液化，水合物可以生成。在低的平衡压力条件下，水合物有很高的浓缩气体的能力，一定体积的水合物含有最多可达 200 倍于这个体积的气体。只有小分子气体才能形成水合物，分子大于丁烷分子的气体通常不会形成水合物。当尺度较小的客体分子(直径 0.4nm)，如甲烷或二氧化碳等在适当的温度(

25、<300K)和适度的压力(>0.6MPa)下与水分子孔穴相接处，则客体分子被禁闭，从而形成“可燃冰”。 4 重庆大学新能源课程论文 3“可燃冰”的开采及对环境的影响3“可燃冰”的开采及对环境的影响3.1“可燃冰”的开采由于“可燃冰”非常不稳定，在常温和常压环境下极易分解。对此，科学家们表示出了担忧：对于可燃冰矿藏开采的破坏，可能导致甲烷气体的大量泄漏，释放到大气层中，其温室效应比二氧化碳高多了，约有 10 倍。另外，对“可燃冰”生存自然条件的破坏还可能引发地质灾害，因此，对“可燃冰”的开采技术相当紧缺，技术难度相当大。由于“可燃冰”的存在形式为固态，因此其是相对不可

26、移动和渗透的，要想使其释放出天然气气体资源就必须先将其分解。目前，通常是先把水合物分解为可流动的气体和水，然后再从常规气井中进行生产。“可燃冰”的分解过程可表示如下 图3.1“可燃冰”要在特定的高压和低温条件下才可稳定存在，其稳定存在的相平衡条件如图 3.1 所示，水合物在实线曲线上端区域稳定存在。只有破坏其稳定的相平衡条件，才能达到水合物分解的目的。从图 3.1 中可看出，首先在温度 T无显著改变的范围内，降低压力，可使水合物的储藏条件向下移动（降压），达到分解水合物的目的；其次，在压力 P 无显著变化的范围内，升高温度，使水合物储藏条件向右移动（热采），也可达到水合物分解的目的；再次，在储

27、藏条件不发生变化的情况下，改变“可燃冰”稳定存在的相平衡，将平衡曲线向左移动到储藏条件上，如图中曲线虚线所示（抑制剂），同样也可以达到水合物分解的目的。 图3.25 重庆大学新能源课程论文 3“可燃冰”的开采及对环境的影响由于“可燃冰”的分解过程是一个吸热的过程，因此要分解“可燃冰”就必须给它增加能量。从能量角度来说，上述开采方法均是通过对“可燃冰”储层增加能量来分解水合物。目前最常用的开采方法有：热激发法（注蒸汽、注热水、火烧储层等）、降压法和注入抑制剂法等。(1)热激发法 将热水、热盐水、水蒸气或其它热流体从地面泵入水合物底层，使温度上升达到“可燃冰”分解所需要的温度。热激发法的缺点是效率

28、低，且会造成大量的热损失，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集层的有效热量。(2)降压法 通过降低压力来达到使“可燃冰”分解的目的。通常是通过开采出在天然气水合物层之下的游离气，“降低”储层压力或由热激化或化学试剂作用人为形成一个天然气“囊”，使与天然气接触的天然气水合物变得不稳定，从而分解为天然气和水。由于减压法具有不需要昂贵的连续激发等特点，因而其可能成为今后大规模开采“可燃冰”的有效方法之一，但减压法也存在一定的缺点，如热作用缓慢，效果不明显等。(3) 注入剂法 注入盐水、甲醇、乙醇等化学试剂，用以改变“可燃冰”形成的相平衡条件，降低“可燃冰”的稳定温度，从而使

29、其分解。注入剂法具有降低能源消耗等优点，但其与热激发法相比，作用缓慢且费用昂贵，尤其是在压力较高的大洋中的水合物，更不宜采用此方法。Holder 等 (1982)从热效率角度证明了从水合物中回收气体是个吸热过程，McGuire(1981)和 Bayles 等(1984)表明，通过热激技术使气体水合物分解是最具吸引力的方式。由于对水合物储层提供热量时，大部分热量在提供过程中损失，只有少部分热量可用于水合物的分解，因此，要使用热激技术，则既要考虑热效率问题，又要考虑水合物储层的低渗透性。通常采用的方法为注入高压热水或高压蒸汽。这两种方法既能提供给水合物储层足够的能量，又能利用高压压裂水合物层，使裂

30、缝成为气液流通的通道。对“可燃冰”的开采，除了前面分析的如何把“可燃冰”分解为可流动的水和气体外，还需解决许多关键的技术问题。首先，必须清楚水合物的具体存在形式。水合物可以以自由气体伴生或和油伴生等多种形式和粒状、层状或分散状等不同的类型存在，而且多分布于淤泥的多孔介质之中。其次，对储层孔隙中水合物的饱和度和渗透率等参数进行测定。孔隙度和水合物饱和度的测定通常用测井技术解释，而渗透率的测定则可利用高压 PVT。再次，应妥善解决下列问题：在气体流经生产井的过程中，由于水合物的再次形成，造成孔隙的封堵或井筒的封锁。在管线的阀门处存在压力的集聚变化，可能在适当条件下形成新的水合物固接在阀门上，损坏阀

31、门。若对“可燃冰”开采制定合理可行的开采方案和措施，还必须了解适合于开采的“可燃冰”储藏特征：热力学条件，压力、温度和组分；水合物形成的介质类型；储藏的热力学性质；水合物藏的位置；储藏中水合物的纯度。3.2 可燃冰开采对环境的影响“可燃冰”多埋藏在海底的岩石中，与石油、天然气相比，它不易开采和运输，各国至今都还没有完善的开采方案。天然气是一种危险能源，对它的开发利用需要倍加小心。这是因为开采天然气水合物可能会造成全球气候变暖、生物灭绝和海底滑坡等一系列严重问题。6 重庆大学新能源课程论文 3“可燃冰”的开采及对环境的影响 作为人类新能源希望的“可燃冰”，虽然有很多优点，但对它的开发利用也可能对

32、全球气候和生态环境甚至人类的生存环境造成严重的威胁。甲烷既是大多数“可燃冰”的主要成分，同时也是一种影响明显、反应快速的温室气体。有专家认为，作为短期温室气体的甲烷在导致全球气候变暖方面比二氧化碳所产生的温室效应要大 1020 倍。“可燃冰”中甲烷的总量约是大气中甲烷总量的 3000 倍。据实验研究结果表明，从海洋底部或极地永冻层不断的向海水中或空中逸散着甲烷，这是大量的气体水合物发生失稳造成的结果。因此，对“可燃冰”的开采不当，会造成全球气候失衡的威胁。“可燃冰”矿藏受到自然或人为哪怕是一点点的破坏，都会导致大量的甲烷气散失。而甲烷气进入大气，必然会增加温室效应，进而使地球升温更快。在海洋堆

33、积物里，气体水合物在孔隙中形成时产生一种胶结作用，则可使大陆斜坡带处于明显较为稳定的状态。但是，如果压力和温度条件发生变化从而使气体水合物大量释放，就会导致大陆斜坡带产生失稳现象，从而会形成巨大的滑塌块体滑入深海，导致深海生态环境遭受灾难性破坏。气体水合物作为封闭矿床的盖层有利于向上运移的烃类化合物进行聚集，但是钻井时如若钻遇在气体水合物近傍形成的这种气体储集库，有可能出现爆炸式压力释放，也即所谓的“blow outs”。科学家认识到，气体水合物处于失稳状态当然也会对海底的管道、电缆等工程设施及施工造成威胁，甚至造成可怕后果。人类能否成功地开发利用海底水合物资源，关键在于能否克服开发过程中的两大环境障碍：一是保证易燃的甲烷气不泄漏，以免毒化海水，增强温室效应；二是保证海底的稳定，不因溶矿采气造成海底结构的滑塌、滑坡。日益增多的成果表明，由自然或人为因素所引起的温度或压力变化，均可使水合物分解造成海底滑坡、生物灭亡和气候变暖等环境灾害。因而研究“可燃冰”的钻采方法已迫在眉睫，尽快开展室内外“可燃冰”分解、合成方法和钻采方法的研究工作并且编制相应的合理的开采方案是刻不容缓的。 7 重庆大学新能源课程论文 4 结论4.结 论综上