可燃冰研究进展总结与分析

1、关于可燃冰研究进展的调研报告关于可燃冰研究进展的调研报告报告人：赵秋阳报告人：赵秋阳目录目录 可燃冰的概念和结构可燃冰的概念和结构 可燃冰的形成条件及存在状态可燃冰的形成条件及存在状态 可燃冰热力学及动力学性质可燃冰热力学及动力学性质 可燃冰的开采方法和隐患可燃冰的开采方法和隐患 中国可燃冰勘探和研究现状中国可燃冰勘探和研究现状可燃冰的概念和结构可燃冰的概念和结构OnHCH24可燃冰的全称为可燃冰的全称为甲烷气水合物甲烷气水合物(Methane clathrate )，也称，也称作甲烷水合物、甲烷冰、作甲烷水合物、甲烷冰、天然气水合物天然气水合物。可燃冰是一种无。可燃冰是一种无色透明冰状晶体，

2、是甲烷和水所形成的一种笼型气体水合色透明冰状晶体，是甲烷和水所形成的一种笼型气体水合物水分子通过氢键相互吸引构成笼甲烷分子就存在于物水分子通过氢键相互吸引构成笼甲烷分子就存在于这种笼中；这种笼中；可燃冰的主要成分是甲烷可燃冰的主要成分是甲烷(80一一99)。从。从微现上看，其分子结构就象是一个微现上看，其分子结构就象是一个“笼子笼子”，若干个水分组成的若干个水分组成的“笼子笼子”里关着一个气体里关着一个气体分子。有的成五角十二面体，有的成五角分子。有的成五角十二面体，有的成五角(六六角角)十六面体。其分子式为十六面体。其分子式为 式中式中n为水分于数。为水分于数。在常温常压下，在常温常压下，1

3、立方米的立方米的“可燃冰可燃冰”可释放出可释放出164立方米的立方米的甲烷和甲烷和0.8立方米的水。立方米的水。迄今为止，已发现的天然气水合物结构类型有迄今为止，已发现的天然气水合物结构类型有I型结构、型结构、型结构和型结构和H型结构型结构三种，如图所示。三种，如图所示。可燃冰的概念和结构可燃冰的概念和结构I型结构为型结构为立方晶体结构立方晶体结构，其在自然界分布最为广泛，仅能容，其在自然界分布最为广泛，仅能容纳甲烷纳甲烷(C1)、乙烷、乙烷(c2)这两种小分子的烃以及这两种小分子的烃以及N2、C02、H2S等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的形式是构成等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的

4、形式是构成 的是的是 几何构架。几何构架。型结构为型结构为菱形晶体结构菱形晶体结构，除包容，除包容Cl、Q等小分子外，较大等小分子外，较大的的“笼子笼子” (水合物分子中水分子间的空穴水合物分子中水分子间的空穴)还可容纳丙烷还可容纳丙烷(C3)及异丁烷及异丁烷(i-C4)等烃类。等烃类。H型结构为型结构为六方晶体结构六方晶体结构，其大的，其大的“笼子笼子”甚至可以容纳直甚至可以容纳直径超过异丁烷径超过异丁烷(i-C4)的分子，如其他直径在的分子，如其他直径在75A（埃）（埃）86A（埃）（埃）之间的分子。之间的分子。H型结构水合物早期仅见于实验室。型结构水合物早期仅见于实验室。1993年才在墨

5、西哥湾大年才在墨西哥湾大陆斜坡发现其天然形态。陆斜坡发现其天然形态。型和型和H型水合物比型水合物比I型水合物更稳定。型水合物更稳定。可燃冰的概念和结构可燃冰的概念和结构OHCH2475. 5可燃冰的形成条件和存在状态可燃冰的形成条件和存在状态在自然界发现的天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、在自然界发现的天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色的亚等轴状、层状、小针状结晶体或分散状。暗褐色的亚等轴状、层状、小针状结晶体或分散状。它可存在于零下，也可存在于零上温度环境。它可存在于零下，也可存在于零上温度环境。从所取得的岩心样品来看，天然气水合物可以多种方式存从所取得的岩心样品来看，天然气水

6、合物可以多种方式存在：在：占据大的岩石粒间孔隙；占据大的岩石粒间孔隙；以球粒状散布于细粒岩石中；以球粒状散布于细粒岩石中；以固体形式填充在裂缝中；以固体形式填充在裂缝中；大块固态水合物伴随少量沉积物大块固态水合物伴随少量沉积物。在自然界，天然气水合物的存在主要受气源、组分、温度、在自然界，天然气水合物的存在主要受气源、组分、温度、压力、盐度等介质条件的控制。压力、盐度等介质条件的控制。研究发现可燃冰的形成有研究发现可燃冰的形成有3个基本条件：个基本条件：(1)温度在温度在0左右，最高限是左右，最高限是20；再高就分解了；再高就分解了；(2)压力大于压力大于3 MPa；(3)有丰富的甲烷气源和水

7、源。有丰富的甲烷气源和水源。环境温度接近环境温度接近0时只需时只需3个大气压便可形成可燃冰；若是在个大气压便可形成可燃冰；若是在只有一个大气压的环境中，则必须达到一只有一个大气压的环境中，则必须达到一76的低温时可燃的低温时可燃冰才能够形成。此外，压力越大，形成的可燃冰越不容易分冰才能够形成。此外，压力越大，形成的可燃冰越不容易分解；在足够大的压力下，可燃冰在解；在足够大的压力下，可燃冰在18时仍能维持稳定。不时仍能维持稳定。不过这种依靠压力维持的稳定状态也是有极限的一旦温度超过这种依靠压力维持的稳定状态也是有极限的一旦温度超过过20度再太的压力也无能为力，甲烷气体便会逸出，导致可度再太的压力

8、也无能为力，甲烷气体便会逸出，导致可燃冰分解。燃冰分解。可燃冰的形成条件和存在状态可燃冰的形成条件和存在状态可燃冰的形成条件和存在状态可燃冰的形成条件和存在状态研究发现可燃冰的研究发现可燃冰的形成有形成有3个基本条个基本条件：件：(1)温度在温度在0左右，左右，最高限是最高限是20；再；再高就分解了；高就分解了；(2)压力大于压力大于3 MPa；(3)有丰富的甲烷有丰富的甲烷气源和水源。气源和水源。目前科学家已经认识到到自然条件下可燃冰的形成主要有两种目前科学家已经认识到到自然条件下可燃冰的形成主要有两种形式。一种是生物成因，另一种是热成因，也可能由两种成固形式。一种是生物成因，另一种是热成因

9、，也可能由两种成固混合前成。混合前成。生物成因生物成因是指在细菌等微生物的作用下，沉积物中含有的碳元是指在细菌等微生物的作用下，沉积物中含有的碳元索转化为甲烷；在适当的温度和压力条件下，甲烷与水发生作索转化为甲烷；在适当的温度和压力条件下，甲烷与水发生作用，转化为气水合物。即可燃冰。生物成幽的可燃冰通常具有用，转化为气水合物。即可燃冰。生物成幽的可燃冰通常具有甲烷浓度高、但空间分布较为分散的特点。甲烷浓度高、但空间分布较为分散的特点。热成因热成因的可燃冰通常与石油、天然气的形成和运移密切相关。的可燃冰通常与石油、天然气的形成和运移密切相关。由于板块运动或断层活动，在板块边缘或地层中会不断产生裂

10、由于板块运动或断层活动，在板块边缘或地层中会不断产生裂缝、空隙等可供气体移动的通道地层深部的生油母质干酪根缝、空隙等可供气体移动的通道地层深部的生油母质干酪根因热解而产生的天然气便有机会沿着这些通道上升到洋底表面因热解而产生的天然气便有机会沿着这些通道上升到洋底表面或陆地上的冻土层附近。在压力作用下这些天然气与温度很或陆地上的冻土层附近。在压力作用下这些天然气与温度很低的海水或冻土层中的水发生作用，便形成了可燃冰。低的海水或冻土层中的水发生作用，便形成了可燃冰。热成因热成因形成的可燃冰一般分布较为集中，饱和度也比较高，而且其底形成的可燃冰一般分布较为集中，饱和度也比较高，而且其底部往往蕴藏着具

11、有工业开采价值的天然气。部往往蕴藏着具有工业开采价值的天然气。可燃冰的形成条件和存在状态可燃冰的形成条件和存在状态地球深海底部的温度通常低而稳定，常年保持在地球深海底部的温度通常低而稳定，常年保持在24，水深，水深300米左右处便可达到米左右处便可达到30个大气压。因此，较深的海底环境个大气压。因此，较深的海底环境便成为形成和保存可燃冰的理想场所。据科学家推断，大约便成为形成和保存可燃冰的理想场所。据科学家推断，大约90的大洋水域空间可以形成可燃冰。也就是说，可燃冰在的大洋水域空间可以形成可燃冰。也就是说，可燃冰在海洋水生态圈中应是常见的成分。海洋水生态圈中应是常见的成分。除了海底，陆地上也有

12、能够形成可燃冰的适宜环境。据研究除了海底，陆地上也有能够形成可燃冰的适宜环境。据研究人员推断，大约人员推断，大约30的陆地具备可燃冰的形成条件，是发现的陆地具备可燃冰的形成条件，是发现可燃冰的潜在地区。可燃冰的潜在地区。目前人类已经发现的可燃冰主要存在于北极地区的永久冻士目前人类已经发现的可燃冰主要存在于北极地区的永久冻士带内，以及海底，陆坡、陆基和海沟等广阔海水之下的海底带内，以及海底，陆坡、陆基和海沟等广阔海水之下的海底沉积层中，其蕴藏量是相当可观的。沉积层中，其蕴藏量是相当可观的。可燃冰的形成条件和存在状态可燃冰的形成条件和存在状态目前科学家提出了多种天然气水合物成因机制，概括起来目前科

13、学家提出了多种天然气水合物成因机制，概括起来可分为两类：可分为两类：一是静态形成体系一是静态形成体系，即现存的，即现存的天然气田因温度或孔隙压力或天然气田因温度或孔隙压力或天然气浓度的变化而转变为天天然气浓度的变化而转变为天然气水合物，在此过程中无外然气水合物，在此过程中无外来物质的加入。天然气储层若来物质的加入。天然气储层若受到冷却作用引起地温降低、受到冷却作用引起地温降低、压缩作用导致天然气压力增加：压缩作用导致天然气压力增加：或者由于储层成岩作用使天然或者由于储层成岩作用使天然气浓度增加均可形成天然气水气浓度增加均可形成天然气水合物。合物。可燃冰的形成条件和存在状态可燃冰的形成条件和存在

14、状态二是动态形成体系二是动态形成体系，即天然，即天然气从下部运移至天然气水合气从下部运移至天然气水合物稳定带而形成天然气水合物稳定带而形成天然气水合物，在此过程中有外来物质物，在此过程中有外来物质进入天然气水合物稳定带中。进入天然气水合物稳定带中。储层中天然气和饱和水的渗储层中天然气和饱和水的渗滤作用、分子扩散作用或者滤作用、分子扩散作用或者含气重力流的迁移运动可形含气重力流的迁移运动可形成天然气水合物。成天然气水合物。目前科学家提出了多种天然气水合物成因机制，概括起来目前科学家提出了多种天然气水合物成因机制，概括起来可分为两类：可分为两类：可燃冰的形成条件和存在状态可燃冰的形成条件和存在状态

15、目前的研究表明，天然气水合物通常分布于两类地区：一目前的研究表明，天然气水合物通常分布于两类地区：一是海底，另一是高纬度的极地地区。是海底，另一是高纬度的极地地区。前者占据全球天然气水合物总量的前者占据全球天然气水合物总量的90以上，主要分布于以上，主要分布于水深水深300m-3000m的大陆架斜坡和深海盆地沉积物内，后的大陆架斜坡和深海盆地沉积物内，后者分布于永冻层内；者分布于永冻层内；就存在位置而言，海底天然气水合物常分布于剖面上近似就存在位置而言，海底天然气水合物常分布于剖面上近似平行海底的带状海底沉积物内，形成所谓的天然气水合物平行海底的带状海底沉积物内，形成所谓的天然气水合物稳定带稳

16、定带(GHSZ)。此稳定带常以微小角度与沉积层斜交产。此稳定带常以微小角度与沉积层斜交产出。此带以下还常圈闭着大量的游离甲烷气体，从而导致出。此带以下还常圈闭着大量的游离甲烷气体，从而导致在地层反射剖面上产生特征的标志在地层反射剖面上产生特征的标志BSR似海底反射层似海底反射层(以前也有人译为海底模拟反射层以前也有人译为海底模拟反射层)。可见，天然气水合物。可见，天然气水合物层常可与常规气藏相伴而生，对常规气藏起到较好的封盖层常可与常规气藏相伴而生，对常规气藏起到较好的封盖作用。作用。可燃冰的形成条件和存在状态可燃冰的形成条件和存在状态据一些学者的研究，天然气水合物层物理性质相当稳定，据一些学

17、者的研究，天然气水合物层物理性质相当稳定，其形成处在一个具有特定温度、压力和烃类分子浓度条件其形成处在一个具有特定温度、压力和烃类分子浓度条件的垂向范围内，在此范围内的断裂活动一旦切穿天然气水的垂向范围内，在此范围内的断裂活动一旦切穿天然气水合物层，在断点处会迅速形成新的天然气水合物。因此，合物层，在断点处会迅速形成新的天然气水合物。因此，天然气水合物层具有很好的分布稳定性，可以不受长期活天然气水合物层具有很好的分布稳定性，可以不受长期活动的断层影响而对油气起到持续的封盖作用。动的断层影响而对油气起到持续的封盖作用。分类方法分类方法：根据天然气水合物与气藏的相对关系，天然气：根据天然气水合物与

18、气藏的相对关系，天然气水合物对油气的封盖作用可分为垂向和侧向水合物对油气的封盖作用可分为垂向和侧向2种；据其接种；据其接触关系可分为披覆型和接触型；据其形成的相对时间先后触关系可分为披覆型和接触型；据其形成的相对时间先后可分为同生和后生可分为同生和后生2种；据其分布的地质构造特征可分为种；据其分布的地质构造特征可分为穹隆遮挡型、底劈构造型和地质内部型穹隆遮挡型、底劈构造型和地质内部型3种。种。可燃冰的形成条件和存在状态可燃冰的形成条件和存在状态图示出了天然气水合物对常规气藏的圈闭情况图示出了天然气水合物对常规气藏的圈闭情况：可燃冰的形成条件和存在状态可燃冰的形成条件和存在状态可燃冰的热力学和动

19、力学性质可燃冰的热力学和动力学性质目前，有关天然气水合物的热力学和动力学性质的研究虽目前，有关天然气水合物的热力学和动力学性质的研究虽然开展的较多，但是都不完善，学者们提出的计算模型也然开展的较多，但是都不完善，学者们提出的计算模型也是众说纷纭，不能准确描述天然气水合物的储层特性，尤是众说纷纭，不能准确描述天然气水合物的储层特性，尤其是天然气水合物动力学研究还很不完善。其是天然气水合物动力学研究还很不完善。天然气水合物在多孔介质中的热力学和动力学研究，主要天然气水合物在多孔介质中的热力学和动力学研究，主要集中在多孔介质的类型、润湿性和初始压力对水合物生成集中在多孔介质的类型、润湿性和初始压力对

20、水合物生成过程的影响。过程的影响。Makogon进行的多孔介质中气体水合物的相平衡研究结果进行的多孔介质中气体水合物的相平衡研究结果表明，为了克服多孔介质中的表面张力以及水在介质表面表明，为了克服多孔介质中的表面张力以及水在介质表面吸附作用的影响，与气液体系相比，气体水合物在多孔介吸附作用的影响，与气液体系相比，气体水合物在多孔介质中生成需要更低的温度或者更高的压力。质中生成需要更低的温度或者更高的压力。Yousif和和Bondarev在岩心及多种介质上对气体水合物生成在岩心及多种介质上对气体水合物生成及分解的研究中也得到了近似的结论。及分解的研究中也得到了近似的结论。含水和水合物物质的热物理

21、学性质含水和水合物物质的热物理学性质 表表上表表明，上表表明，水合物及其充填的分散介质的导热率和温度传水合物及其充填的分散介质的导热率和温度传导率大大低于冰的这两种值，但比水的要高一些。导率大大低于冰的这两种值，但比水的要高一些。据此可据此可以认为，热方法既可以用于陆上天然气水合物藏的普查和以认为，热方法既可以用于陆上天然气水合物藏的普查和勘探，又可用于海洋沉积中天然气水合物藏的普查和勘探勘探，又可用于海洋沉积中天然气水合物藏的普查和勘探。可燃冰的热力学和动力学性质可燃冰的热力学和动力学性质研究证明，天然气水合物的导热系数：研究证明，天然气水合物的导热系数：(WmK)主要与其主要与其密度有关。

22、在密度为密度有关。在密度为400kgm3600 kgm3范围时，范围时，其关系近似于下列经验方程式：其关系近似于下列经验方程式：斯托尔和布拉依安用探测法测量了丙烷和甲烷水合物的导斯托尔和布拉依安用探测法测量了丙烷和甲烷水合物的导热系数。斯托尔测得的丙烷和甲烷水合物导热系数值与切热系数。斯托尔测得的丙烷和甲烷水合物导热系数值与切尔斯基在密度为尔斯基在密度为680kgm3时的测得值一致。时的测得值一致。随着压力的随着压力的升高天然气水合物导热系数增加升高天然气水合物导热系数增加。在温度为。在温度为243K时，密度时，密度为为650kgm3的天然气水合物导热系数为的天然气水合物导热系数为：410*3

23、3. 821. 0p810*1 . 1237. 0可燃冰的热力学和动力学性质可燃冰的热力学和动力学性质Tc310*8216. 0在压力为在压力为9MPa时，天然气水合物的比热容时，天然气水合物的比热容c(kJkgK)与与温度的关系为：温度的关系为：在温度为在温度为243K时天然气水合物的比热容与压力的关系近时天然气水合物的比热容与压力的关系近似于方程为：似于方程为：在压力为在压力为10MPa时，密度为时，密度为440kgm3的天然气水合物的天然气水合物温度传导系数与温度的关系；温度为温度传导系数与温度的关系；温度为243K时，密度为时，密度为650kgm3的天然气水合物与压力的关系分别近似于下

24、列的天然气水合物与压力的关系分别近似于下列经验方程式：经验方程式：pc810*85. 291. 1T9610*6 . 310*14. 1p15710*17. 510*93. 1可燃冰的热力学和动力学性质可燃冰的热力学和动力学性质目前，国内外有关气体水合物在多孔介质中的动力学研究目前，国内外有关气体水合物在多孔介质中的动力学研究还很有限。还很有限。水合物动力学包括生成动力学与分解动力学，水合物生成水合物动力学包括生成动力学与分解动力学，水合物生成过程类似于结晶过程，生成过程可分为成核、生长两个过过程类似于结晶过程，生成过程可分为成核、生长两个过程。水合物成核是指形成临界尺寸、稳定水合物核的过程；

25、程。水合物成核是指形成临界尺寸、稳定水合物核的过程；水合物生长是指稳定核的成长过程。水合物生长是指稳定核的成长过程。郭天民等在综合研究国内外的动力学模型后，提出了以下郭天民等在综合研究国内外的动力学模型后，提出了以下水合物生成和分解动力学模型：水合物生成和分解动力学模型：1.双过程水合物成核动力学机理模型双过程水合物成核动力学机理模型2.甲烷水合物的分解动力学模型甲烷水合物的分解动力学模型可燃冰的热力学和动力学性质可燃冰的热力学和动力学性质1.双过程水合物成核动力学机理模型双过程水合物成核动力学机理模型该模型认为该模型认为水合物的成核过程中同时进行着以下两个动力水合物的成核过程中同时进行着以下

26、两个动力学过程学过程：(1)准化学反应动力学过程准化学反应动力学过程：气体分子和水络合生成化学计：气体分子和水络合生成化学计量型的基础水合物。量型的基础水合物。(2)吸附动力学过程吸附动力学过程：基础水合物存在：基础水合物存在空孔，一些气体小分子吸附于其中，导致整个水合物的非空孔，一些气体小分子吸附于其中，导致整个水合物的非化学计量性。化学计量性。在第一个过程中，类似于在第一个过程中，类似于Long和和Sloan的观点的观点，认为溶于，认为溶于水中的气体分子与包围它的水分子形成不稳定的分子束，水中的气体分子与包围它的水分子形成不稳定的分子束，分子束的大小取决于气体分子的大小，一种分子只能形成分

27、子束的大小取决于气体分子的大小，一种分子只能形成一种大小的分子束。而不同的是他们认为由于水合物中有一种大小的分子束。而不同的是他们认为由于水合物中有大、小两种不同的孔，因此这些分子束有一部分需转化为大、小两种不同的孔，因此这些分子束有一部分需转化为另一种大小的分子束以后才能开始缔合成核，这一转化需另一种大小的分子束以后才能开始缔合成核，这一转化需要较大的活化能，从而导致水合物成核诱导期较长。要较大的活化能，从而导致水合物成核诱导期较长。可燃冰的热力学和动力学性质可燃冰的热力学和动力学性质而该模型认为这种转化并不需要而该模型认为这种转化并不需要，因为分子束实际上是一，因为分子束实际上是一种多面体

28、，它们缔合过程中为保持水分子的种多面体，它们缔合过程中为保持水分子的4个氢键处于饱个氢键处于饱和状态，不可能做到紧密堆积，缔合过程中必然形成空的和状态，不可能做到紧密堆积，缔合过程中必然形成空的包腔，称其为连接孔，这也就是水合物中的另外一种与上包腔，称其为连接孔，这也就是水合物中的另外一种与上述分子束大小不同的孔。述分子束大小不同的孔。 这一过程可以由下面的化学反应这一过程可以由下面的化学反应来描述：来描述：OHGGOH2222其中，其中，G表示客体表示客体(气体分子气体分子)；k为基础水合物中每个水分子为基础水合物中每个水分子所包络的气体分子数，对于结构所包络的气体分子数，对于结构I，k=3

29、23；对于结构；对于结构，k=117。在吸附过程中，溶于水中的气体小分子会进入连。在吸附过程中，溶于水中的气体小分子会进入连接孔中。但这一过程并不是一定会发生。由于连接孔孔径较接孔中。但这一过程并不是一定会发生。由于连接孔孔径较小，对于较大的气体大分子不会进入其中。即使对于较小的小，对于较大的气体大分子不会进入其中。即使对于较小的气体分子，也不会占据百分之百的连接孔，因此用气体分子，也不会占据百分之百的连接孔，因此用Langmuir吸附理论来描述气体分子填充连接孔的过程较为合理。吸附理论来描述气体分子填充连接孔的过程较为合理。可燃冰的热力学和动力学性质可燃冰的热力学和动力学性质2.甲烷水合物的

30、分解动力学模型甲烷水合物的分解动力学模型水合物的分解涉及气体、水和固体水合物，温度、压力、水合物的分解涉及气体、水和固体水合物，温度、压力、水合物粒子表面积和分解推动力等对固体水合物分解速率水合物粒子表面积和分解推动力等对固体水合物分解速率都有很大影响。都有很大影响。水合物分解过程可分为两个步骤：水合物分解过程可分为两个步骤：(1)水合物粒子表面的笼形格子结构的解构水合物粒子表面的笼形格子结构的解构，这一过程可，这一过程可以由下面的化学反应来描述：以由下面的化学反应来描述：其中，其中，G表示气体；表示气体；k为水合物中每个水分子所包络的气为水合物中每个水分子所包络的气体分子数。体分子数。GOH

31、OHG2222可燃冰的热力学和动力学性质可燃冰的热力学和动力学性质2.甲烷水合物的分解动力学模型甲烷水合物的分解动力学模型(2)客体分子由表面的解吸过程客体分子由表面的解吸过程。水合物分解发生在固体表面，而不是固体内。分解过程水合物分解发生在固体表面，而不是固体内。分解过程为吸热过程，并假定分解过程中固体粒子保持恒温。随为吸热过程，并假定分解过程中固体粒子保持恒温。随着分解的进行，水合物粒子数减少，气体在固体表面产着分解的进行，水合物粒子数减少，气体在固体表面产生，产生的气体进入主体气相。假定反应容器中的气体生，产生的气体进入主体气相。假定反应容器中的气体的物质的量随着气体水合物的分解而增加，

32、气体由水合的物质的量随着气体水合物的分解而增加，气体由水合物的释放速率为：物的释放速率为：其中其中nH水合物中气体的物质的量，水合物中气体的物质的量，mol； t分解时间，分解时间，min。dtdnH可燃冰的热力学和动力学性质可燃冰的热力学和动力学性质可燃冰的开采方法和隐患可燃冰的开采方法和隐患目前，天然气水合物的勘探技术正日趋完善，但是，如何目前，天然气水合物的勘探技术正日趋完善，但是，如何把天然气水合物作为能源利用，特别是如何解决天然气水把天然气水合物作为能源利用，特别是如何解决天然气水合物的低成本开发技术问题，仍是一个最难克服的困难。合物的低成本开发技术问题，仍是一个最难克服的困难。现在

33、这方面的研究尚处于实验阶段，天然气水合物的开采现在这方面的研究尚处于实验阶段，天然气水合物的开采至今只是概念上的模式。至今只是概念上的模式。基于天然气水合物的特点，它与基于天然气水合物的特点，它与常规传统型能源的开发不同。常规传统型能源的开发不同。煤炭在矿井下是固体，开采后仍是固体；石油在地下是流煤炭在矿井下是固体，开采后仍是固体；石油在地下是流体，开采后仍是流体；而水合物在洋底埋藏是固体，在开体，开采后仍是流体；而水合物在洋底埋藏是固体，在开采过程中分子构造发生变化，从固体变为气体。采过程中分子构造发生变化，从固体变为气体。也就是说，也就是说，水合物在开采过程中发生相变，这种特点是我们研究开

34、发水合物在开采过程中发生相变，这种特点是我们研究开发方案的出发点。方案的出发点。目前大多数有关天然气水合物的开发思路基本上都是首先目前大多数有关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进行分解，然考虑如何使蕴藏在沉积物中的天然气水合物进行分解，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量的主要方法。天然气水合物中甲烷资源量的主要方法。综合各国科学家提出的天然气水合物开发技术，大体上

35、可综合各国科学家提出的天然气水合物开发技术，大体上可分为热解法、降压法、置换法三种方法。分为热解法、降压法、置换法三种方法。热解法：热解法： 利用利用“可燃冰可燃冰”在温度升高时会自动分解的特在温度升高时会自动分解的特性通过加温方式向可燃冰层注入热能使其由固态分解性通过加温方式向可燃冰层注入热能使其由固态分解出甲烷气体。这种开采方式基本上获得成功。但整个开采出甲烷气体。这种开采方式基本上获得成功。但整个开采过程要对甲烷进行两次分离，还要消耗大量能源来加热水过程要对甲烷进行两次分离，还要消耗大量能源来加热水温。温。可燃冰的开采方法和隐患可燃冰的开采方法和隐患置换法：置换法：利用某些化学试剂。注入

36、利用某些化学试剂。注入“可燃冰可燃冰”层中，这些层中，这些化学试剂化学试剂(如盐水、甲醇、乙二醇等如盐水、甲醇、乙二醇等)能与可燃冰发生反应，能与可燃冰发生反应，改变可燃冰的稳定平衡状态使其发生失稳作用而进行开改变可燃冰的稳定平衡状态使其发生失稳作用而进行开采。这种方法同采。这种方法同“热解法热解法”一样。对甲烷气体难以进行有一样。对甲烷气体难以进行有效的收集。布设收集管道是个难题。效的收集。布设收集管道是个难题。降压法：降压法：“可燃冰可燃冰”层下面往往存在游离的天然气这些层下面往往存在游离的天然气这些天然气被抽出后便能降低矿层的压力使矿层中的天然气被抽出后便能降低矿层的压力使矿层中的“可燃

37、可燃冰冰”由于压力减小而失稳分解。由于压力减小而失稳分解。无论采用那种方案由于无论采用那种方案由于“可燃冰可燃冰”结构的特殊性和海底结构的特殊性和海底环境的复杂性。对环境的复杂性。对“可燃冰可燃冰”矿藏的开采将极其困难。与矿藏的开采将极其困难。与陆地上的常规开采相比，很容易发生矿层断裂引起井喷和陆地上的常规开采相比，很容易发生矿层断裂引起井喷和海底滑坡事故并带来一系列的连锁反应。关键是如何实海底滑坡事故并带来一系列的连锁反应。关键是如何实现开采而不用付出沉痛代价。现开采而不用付出沉痛代价。可燃冰的开采方法和隐患可燃冰的开采方法和隐患针对两类天然气水合物储层的不同特性。通过建立不同的模针对两类天

38、然气水合物储层的不同特性。通过建立不同的模型对其开采过程进行模拟，探索天然气水合物储层的合理开型对其开采过程进行模拟，探索天然气水合物储层的合理开采方案。采方案。1.开采具有天然气水合物顶的天然气藏开采具有天然气水合物顶的天然气藏可燃冰的开采方法和隐患可燃冰的开采方法和隐患模型中的假设条件如下：模型中的假设条件如下：(1)单井生产，井位于储层中心位置，完井段穿过整个游离单井生产，井位于储层中心位置，完井段穿过整个游离气层。气层。(2)气体单方向流人生产井，造成压力下降。气体单方向流人生产井，造成压力下降。(3)在气体水合物界面，温度和压力瞬间达到平衡状态。在气体水合物界面，温度和压力瞬间达到平

39、衡状态。(4)热量仅通过热传导的方式流向气体水合物界面。热量仅通过热传导的方式流向气体水合物界面。(5)水的产出不影响气体的流动。水的产出不影响气体的流动。(6)水合物的分解仅发生在气体水合物界面处，在水合物水合物的分解仅发生在气体水合物界面处，在水合物层内部不发生分解。层内部不发生分解。(7)气体水合物界面向水合物顶面的移动速率是统一的。气体水合物界面向水合物顶面的移动速率是统一的。可燃冰的开采方法和隐患可燃冰的开采方法和隐患这类天然气水合物储层的生产结构如上图所示，水合物层下这类天然气水合物储层的生产结构如上图所示，水合物层下部为天然气藏，上下为非渗透层封闭。部为天然气藏，上下为非渗透层封

40、闭。这类天然气水合物储层的开采过程及原理为：这类天然气水合物储层的开采过程及原理为：首先开采水合首先开采水合物层下部的天然气藏。造成气体压力的降低，水合物和气体物层下部的天然气藏。造成气体压力的降低，水合物和气体之间的平衡被打破，使得水合物发生分解直到维持其平衡压之间的平衡被打破，使得水合物发生分解直到维持其平衡压力为止。同时，随着水合物的分解，由于冷却效应，气体力为止。同时，随着水合物的分解，由于冷却效应，气体水合物界面温度降低，这样就在水合物层和周围介质间产生水合物界面温度降低，这样就在水合物层和周围介质间产生温度梯度，热量从周围介质流入水合物层。在气体不断被采温度梯度，热量从周围介质流入

41、水合物层。在气体不断被采出过程中，压力不断降低，平衡不断被打破；气体水合物出过程中，压力不断降低，平衡不断被打破；气体水合物界面温度降低而造成温度梯度的存在，使得热量从周围介质界面温度降低而造成温度梯度的存在，使得热量从周围介质连续地导入水合物层。这两方面的因素都维持水合物层的不连续地导入水合物层。这两方面的因素都维持水合物层的不断分解。当然，这个过程是非常缓慢的，水合物的分解量也断分解。当然，这个过程是非常缓慢的，水合物的分解量也很有限。很有限。可燃冰的开采方法和隐患可燃冰的开采方法和隐患2.开采仅有天然气水合物的储层开采仅有天然气水合物的储层对这类天然气水合物储层，一般考虑通过注入热量来分

42、解固对这类天然气水合物储层，一般考虑通过注入热量来分解固态水合物。为了确定如何有效地开采此类储层，通过不同的态水合物。为了确定如何有效地开采此类储层，通过不同的模型模拟其开采过程和结果，然后对比各种模型的优势和特模型模拟其开采过程和结果，然后对比各种模型的优势和特点，以便寻求工艺上可行的开采方法。点，以便寻求工艺上可行的开采方法。这类天然气水合物储层有几个主要的问题需要考虑：这类天然气水合物储层有几个主要的问题需要考虑：一是该类储层具有较低的渗透率；一是该类储层具有较低的渗透率；二是要造成水合物的分解，由于热损失大，需要大量的热量；二是要造成水合物的分解，由于热损失大，需要大量的热量；三是水合

43、物的分解及开采过程中压力的降低，由于冷却效应三是水合物的分解及开采过程中压力的降低，由于冷却效应会存在温度下降，有可能导致储层温度降至会存在温度下降，有可能导致储层温度降至0及其以下，造及其以下，造成冰的形成甚至重新形成水合物堵塞孔隙或裂缝。成冰的形成甚至重新形成水合物堵塞孔隙或裂缝。可燃冰的开采方法和隐患可燃冰的开采方法和隐患（1）前缘驱扫模型）前缘驱扫模型下图为这个模型的生产结构和井位分布示意图。这个模型与下图为这个模型的生产结构和井位分布示意图。这个模型与重油油藏的蒸汽驱扫模型相似，热水从中心的注入井注入储重油油藏的蒸汽驱扫模型相似，热水从中心的注入井注入储层。气体从周围的生产井中采出。

44、前缘驱扫模型是一个热传层。气体从周围的生产井中采出。前缘驱扫模型是一个热传递模型，因此，注入的热量、热损失及水合物分解所吸收的递模型，因此，注入的热量、热损失及水合物分解所吸收的热量之间遵守能量平衡方程。热量之间遵守能量平衡方程。可燃冰的开采方法和隐患可燃冰的开采方法和隐患（2）裂缝流动模型）裂缝流动模型图图14为该系统的平面图。同样，大量的热量将沿着井筒和为该系统的平面图。同样，大量的热量将沿着井筒和裂缝面流动而损失。图裂缝面流动而损失。图15为该模型生产为该模型生产1年后的产气情况。年后的产气情况。注入速度为注入速度为4770m3d，注入温度为，注入温度为66。模拟表明，该。模拟表明，该模

45、型的热传递效率仅为模型的热传递效率仅为16，图，图16示出了裂缝流动的温度示出了裂缝流动的温度剖面。通过模拟发现，裂缝流动模型的热传递效率很低。而剖面。通过模拟发现，裂缝流动模型的热传递效率很低。而且，裂缝宽度越大，热效率越低，产出水的温度较高和产气且，裂缝宽度越大，热效率越低，产出水的温度较高和产气速度较低。速度较低。可燃冰的开采方法和隐患可燃冰的开采方法和隐患对于仅有固态天然气水合物的储层，总结上述两个热采模对于仅有固态天然气水合物的储层，总结上述两个热采模型，可以得出：型，可以得出：1.前缘驱扫模型比裂缝流动模型的效率高。如果把前缘驱扫前缘驱扫模型比裂缝流动模型的效率高。如果把前缘驱扫

46、模型作为较好的结果。把裂缝流动模型作为较差的结果，模型作为较好的结果。把裂缝流动模型作为较差的结果，我我 们就可以根据实际情况确定较为经济的开采方法。们就可以根据实际情况确定较为经济的开采方法。2.水合物层的渗透率在热流体注入过程中起重要作用，渗透水合物层的渗透率在热流体注入过程中起重要作用，渗透率越大，前缘驱扫模型的效率越高。如果渗透率太低，就率越大，前缘驱扫模型的效率越高。如果渗透率太低，就要考虑水力压裂，这时裂缝流动模型应该比较接近实际情要考虑水力压裂，这时裂缝流动模型应该比较接近实际情况。况。3.由于每个模型都忽略了许多因素，因此与实际开采时的情由于每个模型都忽略了许多因素，因此与实际

47、开采时的情形相差较远。不过，在考虑主要因素的情况下，还是能够形相差较远。不过，在考虑主要因素的情况下，还是能够为实际开采的决策提供一些较好的判断依据。为实际开采的决策提供一些较好的判断依据。可燃冰的开采方法和隐患可燃冰的开采方法和隐患深藏在海底和永久冻土层之下的深藏在海底和永久冻土层之下的“可燃冰可燃冰”在目前来看还未在目前来看还未知是祸是福。知是祸是福。从能源的角度来看，从能源的角度来看，“可燃冰可燃冰”就是一种在高压低温下高度就是一种在高压低温下高度浓缩的天然气，与它所存在的自然环境处于十分敏感的甚至浓缩的天然气，与它所存在的自然环境处于十分敏感的甚至可怕的平衡之中。可怕的平衡之中。“可燃

48、冰可燃冰”仅在仅在010摄氏度和摄氏度和300米以上米以上水深压力下表现为稳定的固态，当环境变化时水深压力下表现为稳定的固态，当环境变化时(例如温度升高例如温度升高或者压力降低或者压力降低)极易导致极易导致“可燃冰可燃冰”的失稳和分解迅速由固的失稳和分解迅速由固态分解成水和膨胀的气体。态分解成水和膨胀的气体。科学家认为，这种矿藏哪怕受到最小的人为破坏，甚至是自科学家认为，这种矿藏哪怕受到最小的人为破坏，甚至是自然的破坏。都足以导致然的破坏。都足以导致“可燃冰可燃冰”中所含的甲烷气的大量释中所含的甲烷气的大量释放。二氧化碳是种温室气体是导致全球气候变暖的元凶。放。二氧化碳是种温室气体是导致全球气

49、候变暖的元凶。而而“可燃冰可燃冰”中的重要成分甲烷气在引起温室效应方面所起中的重要成分甲烷气在引起温室效应方面所起的作用要远远大于二氧化碳。的作用要远远大于二氧化碳。可燃冰的开采方法和隐患可燃冰的开采方法和隐患据测算，一个单位重量的甲烷在据测算，一个单位重量的甲烷在20年的期间，它在全球变暖年的期间，它在全球变暖方面的增温效应是同样重量的二氧化碳的方面的增温效应是同样重量的二氧化碳的56倍。因此倍。因此一旦这一旦这种泄漏得不到控制，全球温室效应将迅速增大，导致海水温种泄漏得不到控制，全球温室效应将迅速增大，导致海水温度、地层温度上升，这又会造成海底的度、地层温度上升，这又会造成海底的“可燃冰可

50、燃冰”的自然分的自然分解引起恶性循环解引起恶性循环。科学研究表明。地球进化史在科学研究表明。地球进化史在25亿年和亿年和5500万年前出现万年前出现过两次全球气温峰值一种解释模型为海水的升温一度诱发过两次全球气温峰值一种解释模型为海水的升温一度诱发海底天然气水合物大量分解释出在短短的几千年间大约有海底天然气水合物大量分解释出在短短的几千年间大约有2万亿吨碳以甲烷形式放出，温室效应大爆发，使全球气温万亿吨碳以甲烷形式放出，温室效应大爆发，使全球气温骤然变热，大洋酸度突然增高，海水缺氧，导致大量海洋生骤然变热，大洋酸度突然增高，海水缺氧，导致大量海洋生物的灭绝和迁移。物的灭绝和迁移。“可燃冰可燃冰

51、”在海底以固态形式存在，经常在海底以固态形式存在，经常作为沉积物的胶结物对沉积物的强度和地质稳定起着关键作为沉积物的胶结物对沉积物的强度和地质稳定起着关键的作用。的作用。可燃冰的开采方法和隐患可燃冰的开采方法和隐患当当“可燃冰可燃冰”这种水合物稳定地起胶结物作用时，形成水这种水合物稳定地起胶结物作用时，形成水合物刚性层，其下面为饱和气、水的沉积物塑性层，游离合物刚性层，其下面为饱和气、水的沉积物塑性层，游离的天然气聚集于水合物刚性层的底界面。此处的压力往往的天然气聚集于水合物刚性层的底界面。此处的压力往往超过孔隙压，形成一个脆弱的剪切带。一旦某种因素超过孔隙压，形成一个脆弱的剪切带。一旦某种因

52、素(如海如海平面下降、海底构造活动、海底热流值增高、钻井或采气平面下降、海底构造活动、海底热流值增高、钻井或采气不当不当)引起海底压力减低或温度上升，水合物刚性层的底界引起海底压力减低或温度上升，水合物刚性层的底界面就会分解城天然气和水，产生液化现象，最终使上部的面就会分解城天然气和水，产生液化现象，最终使上部的沉积层失稳而产生滑坡，滑坡的最直接后果就是损坏海底沉积层失稳而产生滑坡，滑坡的最直接后果就是损坏海底电缆和输油管道，大规模的滑坡则会引发海啸。如果滑进电缆和输油管道，大规模的滑坡则会引发海啸。如果滑进深海里的沉积物含有水合物。这些水合物将因压力的释放深海里的沉积物含有水合物。这些水合物

53、将因压力的释放而分解，释出的气体将通过海水排放到空气中。而分解，释出的气体将通过海水排放到空气中。可燃冰的开采方法和隐患可燃冰的开采方法和隐患中国可燃冰勘探和研究现状中国可燃冰勘探和研究现状中国可燃冰开发历程中国可燃冰开发历程2002年，年， “天然气水合物探测技术天然气水合物探测技术”研究课题纳入国家研究课题纳入国家 “863”计划；计划；2008年，年，“南海天然气水合物富集规律与开采基础研究南海天然气水合物富集规律与开采基础研究”项目纳入国家项目纳入国家973计划。计划。已完成的重要研究工作：已完成的重要研究工作：1.广州能源研究所突破可燃冰采运关键技术广州能源研究所突破可燃冰采运关键技术2.中国石油大学可燃冰模拟实验成功中国石油大学可燃冰模拟实验成功 3.我国建立可燃冰自主勘察技术体系我国建立可燃冰自主勘察技术体系中国可燃冰勘探和研究现状中国可燃冰勘探和研究现状1.广州能源研究所突破可燃冰采运关键技术广州能源研究所突破可燃冰采运关键技术 可燃冰的利用是一项复杂的系统工程，技术难度大，并且可可燃冰的利用是一项复杂的系统工程，技术难度大，并且可燃冰易因温燃冰易因温 度、压力、光照等条件的变化而挥发。因此，度、压力、光照等条件的变化而挥发。因此，解决可燃冰开采与输运过程中面临的技术难题，是目前整个解决可燃冰开采与输运过程中面临的技术难题，是目前整个可燃冰研究工作的重点。据