天然气水合物开发利用面临的问题及应对策略.pdf
第 4期 中 外能 源 S I N 0一 GL 0B AL EN ERGY 9 天然气水合物开发利用面临的问题及应对策略 樊栓狮 华 南理 工大学 化工 与能源 学院 , 广东广州5 1 0 6 4 0 摘 要 为了使天然气水合物成为我国的后续替代能源, 提出了需要认真对待和考虑解决的四个问题 充分认识天然气水合 物的 本质 ; 科学评 价 我 国天然 气水 合物 资源量 ; 积极 开发 自主 知识 产权 的开 采技 术 ; 兼顾 天 然气 水合 物相关 技术 的 开 发 。同时还 阐述 了解决 这些 问题 的策略 。 关键词天然气水合物 资源量 开采 应用 问题 策略 1 前 言 煤 、 石 油 、 天然 气 是 当今 世 界各 国 的主 要矿 物 能源 。然 而据估 计 , 再 有 4 0余 年 , 人类 就要 面 临这 些 矿物 能 源枯 竭 的局 面 。于 是 , 一 种被 称 为 “ 可 燃 冰” 的可 持续 发展 绿色 能源 天然气 水合 物 的开 发和利 用 。 开始 进入众 多 国家 的视 线【 ” 。近年来 。 我 国能源供 需矛盾 日益 突出 . 传统化 石燃 料 已不 能满 足我 国经济发 展 、 环境 保护 的要求 。 仅 2 0 0 2年 进 口 原 油 和 成 品油 就 近 亿 吨 . 2 0 1 0年 石 油 缺 口预 计 为 1 . 2 1 0 s t 。我 国今 后对 能源 的需 求将 随着 经 济 的快 速 发展 而 急剧 增加 , 对 国外 石 油 、 天然 气 资 源 的依 赖 程度不 断加大 。 如何 保证 我 国能源 安全 和后续 能 源供应 。 直接关 系到我 国经 济 、 社 会 的可持续 发展 , 战略意 义重大 。 日前 . 媒体 竞 相 报道 了“ 我 国在 南 海北 部 成 功 钻 获 天然 气水 合物 实 物样 品 ” 的消 息 , 引 起 了大 众 对于这一 未来能 源 的广 泛兴趣 。 在地 球上 矿物 能源 日益短 缺的今天 , 天然气 水合 物将 为人 类提 供替 代 能源带来新的希望 。 那么 。 如何开发天然气水合物 , 使 之成为真 正的后续 能源 我 国从 2 0世 纪9 0年代 初 才 开始 天 然气 水合 物 研究 和 开发 。 比美 、 日等 发 达 国家晚 了近 2 0年 。 研 究 力量 比较分 散 。 而且 缺乏 学 科 交叉 。如何 尽快 缩 短我 国与 国 际先进 国家 的差 距 笔 者认 为必须认 真对待 和考 虑解决 以 下问题 。 2 充分 认识 天然气水 合物 的本质 和意义 天 然气 水 合 物俗 称 “ 可燃 冰 ” . 是 近 2 0年 来 在 海 洋和冻 土带发 现 的新 型洁净 资 源 。 是 天然 气和 水 在一 定 的温度 、 压力条件 下相 互作 用而 形成 的貌 似 冰状 的可燃 固体 见 图 1 。 天然 气水 合物是 一种 主一 客体 化合 物【 。 水分 子形 成一种 点阵 结构 。 天然 气分 子则 填充 于点 阵 间 的空 穴 。 形成 点阵 的水 分子 之 间 以较 强 的氢键 结 合 。 天然气 分 子与水 分子 之 间则 以 较弱 的范 德华力 相互 吸引 。 图 1 我国合成 的“ 可燃 冰” 在燃烧 从能 源 的角度 看 . “ 可燃 冰 ” 可 视 为被高 度 压缩 的天 然气 资源 。每立方 米 能分解 释放 出 1 6 0 ~ 1 8 0 m 标 准 的天然气 。 据估 算 , 全 球天然 气水 合物 中蕴藏 的天然 气 总量 约为 1 . 8 1 0 ~ 2 . 1 1 0 6 m 。相 当 于全 球 已探 明传 统化 石燃料 总碳 量的 2倍 。为有效 开发 天然 气水 合物 资 源并使 其转 变为 可利 用 的能源 。 所 需 的研 究 工作 可分 为上游 、 中游 、 下游 3个过 程 。 其 研究 开发链 见 图 2 。 作 者 简介 樊 栓狮 . 教授 . 1 9 9 6年毕 业 于大连理 工 大 学化工 学院 化 学工程专 业 , 获博 士 学位 , 从 事天 然气 水合物研 究 工作 l 2年 , 发表 论 文 1 5 0多篇 . 出版专 著 2部 。 E m a i l s s f a n s c u t . e d u 、 c n 维普资讯 1 0 中 外 能 源 S I N 0 一 G L 0 B A L E N E R G Y 2 0 0 7 年第 1 2卷 / I 勘 测 技 术 地 物 、 地 化 卜I 资 源 量 估 算 } _ 一 实 验 区 选 l / I f 国 家 需 求 一 基 本 物 性 卜 I 沉 积 物 物 性 、 平 衡 I I 模 拟l翥⋯ ⋯ l 条 件 、 分 解 动 力 学 l \ If Jf t \ I 环 境 影 响 推 测 卜_ H 完 善 检 测 技 术 手 段 } _.J 灾 害 控 制 .一I I ⋯⋯⋯⋯⋯一一 ⋯ ⋯⋯一 一 ⋯一 .I I. ⋯⋯⋯⋯⋯ 一 ⋯ 一 一 一 一I 图 2 天然 气水合 物 的研 究开发链 基 于天 然气水 合 物 的资源 前景 和环 境效 应 , 国 际上许 多 国家 , 如美 国、 E t 本 、 印度 、 韩 国、 俄 罗斯 、 加拿 大 、 德 国 、 墨西哥 等 , 从 国家能 源安全 角度 将天 然气水 合物 列入 国家 重点 发展 战略 , 先后 制订 了天 然气 水 合物 的研究 和 发展 计 划 以及建 立 相 应 的研 究机 构。 例如美 国由国家 能源部 制订统 一 的研 究规 划 , 组 织 国 内科 研 单位 进 行 联合 研究 E t 本 由通 产 省制 订研究 计划 , 由石 油工 团 J N O C 1 和工业 技术 研 究 院 A I S T 联 合成立 研究 中心 负责实 施 。 借鉴 国外 经验 , 我 国 应该 走 联合 攻 关 、 协 同作 战之 路进行 天然气 水合 物 的勘 探 与开发 。 急需 采取 像对 石油 和常规 天然气 “ 会 战” 、 “ 科研 攻关 ” 一 样 的 形式 , 进行 统一 规划 和有 效组织 。针 对南 海天 然气 水合 物勘探 和开 采 , 国土 资源部 对我 国海 域 的天然 气水 合物 资源进 行 了大量 的调 查工 作 . 中 国科学 院 也成 立 了广 州天 然气 水合 物研 究 中心 . 中 国海洋石 油公 司也对 天然 气水 合 物给予 了较 大 的关注 , 目前 三方 正在 积极探讨 合作 开发 事宜 。 相 信在 党和政府 的领 导下 , 我们一 定会 减少重 复 , 少走 弯 路 , 早 日合 理开 发利 用天然气 水合 物能源 。 3 科 学评价我 国天 然气水 合物 资源量 天 然气 水 合 物 的形 成 至 少 要满 足 三 方 面 的条 件 第 一是 温度 不 能太 高 , 海 底 的温度 是 2 4 ℃ , 适 合 “ 可燃 冰” 的形成 , 高 于 2 0 ℃就分解 。第 二 是压力 要 足 够大 . 在 0 ℃时 , 只需 要 3 0个 大气 压 就 可形成 “ 可燃 冰” 。海深 每增加 1 0 m, 压 力就 增 大 1 个 大气 压 , 因此 海深 3 0 0 m 就 可达 到 3 0个 大气 压 , 越 深 压 力 越大 , “ 可燃 冰 ” 就越 稳定 。 第 三是要 有 甲烷气源 , 海 底 古 生物 尸体 的沉 积物 ,被 细菌 分 解会 产 生 甲 烷 ,或者 天然 气在地 球 深处 产生并 不断 进入 地壳 。 为 了充分 了解 水 合 物 的形 成 过程 及 对 其 资源 量进 行 比较精确 的评 估 , 国内外 目前 利用计 算机 模拟技 术 和合成 实验 开展 了相平衡 热力 学机制 的研究 。 影 响天 然 气水 合 物 稳 定 带 厚 度 和底 界 深 度 的 主要 因素包 括 海平 面变 化 、 构 造 抬升 、 地温梯 度变 化 、 大 气或海 水 温度变 化 和沉积 物加 积等 。一般认 为 , 漏失 油气 盆地 、 板块 汇 聚边缘 流体 释放 区 、 陆 坡 区和 底劈 发育 区等 是 有利 于 天 然气 水 合 物 富集 的 地 区 。经 过世 界各 国政 府 和科学 家 的努力 , 一个世 界 范 围 内的勘 查 海 底 天然 气 水 合物 的战 役 已经 打 响 , 发 现 矿 区与 日俱 增 , 1 9 8 0年 仅 9处 , 到 2 0 0 3年 已猛 增 到 1 3 0处 , 其 中取 心 4 0处f 见 图 3 1 。 图 3 已发 现 的天然气 水合物沉 积物分 布图[ 3 1 中国工 程 院院 士金 庆焕 在 中 国科 协 2 0 0 4年 学 术 年 会 上透 露 , 我 国 已在 南 海北 部 陆坡 、 南 沙海 槽 和东海 陆坡 3处发现 天然气 水合 物存在 的证据 。 金 庆焕 说 , 与 发达 国家 相 比 , 我 国对 天然 气 水合 物 的 调 查研 究 晚了 3 0年 . 尚有许 多新 的领 域没有 突破 。 中 国科学 院知识 创 新 项 目对 天 然 气水 合 物 的成 藏 模 式提 出 了新 认识 , 探 讨 了海洋 沉 积物 中水合 物 的 两种 生成 模 式 渗 漏 系统 与扩 散 系统 ; 提 出 了预测 含水合 物层 的导 热 系数 的模型 , 通 过含水 合物 多孔 介 质 的导热 系数 数据 , 可 以为 资源评 价提 供科 学依 据 。2 0 0 7年 6月 , 我 国钻探第 一 口天然气 水合 物探 井 取得 成功 , 得 到 3个水 合物实 物样 品。 但 是 , 我 国到底有 多少 天然气 水 合物 资源 专 家们 至今还 很难 回答 。因为 , 我们 的基础 地质研 究 维普资讯 第 4 期 樊 栓 狮 . 天 然 气 水合 物开 发 利 用 面 临 的 问题及 应对 策 略 .1 1. 程度较 低 . 特 别是 对我 国特 定海 域水 合物形 成 机理 和成 藏条件 认识 不清 ,找矿 方法 和技 术不 成熟 , 缺 乏有 效 的资 源量 评价方 法 和可靠 的具 体参 数 . 因此 可信度 不高 。 加 之对 南海北 部天然气 水 合物有 利 区 缺乏 详 查 。还需 要 采集 到天 然 气水 合 物样 品来 说 明。 我 国 目前天 然气 水合物 的科研 与调查 工作 需要 结合起 来进 行 , 以加快 进展 。针 对 目前 国内研 究力 量分 散 的情 况 , 部 门之 间应相 互开 放 , 共享 数据 、 样 品 、 研究 成果 , 石 油等 产业部 门也应 积极参 与 。 4 积极开 发 自主 知识产权 的 开采技 术 天然气 水合 物埋 藏于海 底 岩石 中 ,和石 油 、 天 然 气相 比 , 它 不易 开 采 和运输 。 世 界上 至 今 还没 有 完美 的开采 方案 。 目前 , 天 然气 水合 物 的开采 方法 主要 有热 激化法 、 减 压法 和注入 化学 剂 法 3种 。开 采 的最大难 点是 必须保 证 井底稳 定 , 使 甲烷气 不泄 漏 、 不引发 温室效 应 。天然 气水 合物 钻探 的难 度 比 海 上常 规 油气要 大 得 多 , 一 方面 是 水太 深 , 另一 方 面 因天然气 水合 物遇减压 就有 可能造 成井 喷 。 正 如 法 国 科 学 家 L a h e r r e r e在 2 0 0 0年 的 O c e a n i c Hy d r a t e s Mo r e Q u e s t i o n s t h a n An s w e r 海 洋 水 合物 问题 多于答 案 I4 J 一文 中指 出 , 要 开发 利用 天然 气水合 物 , 一 定要 通过 不 断努力 克服 和解 决一 个 又一个 问题 。例如 , 针对 热分 解 和减压 法开 采会 造 成全球气 温升 高和海 底 生物灭 绝 问题 , 我们 就不 能 采取漫加 热和 漫分解 , 减 压法 也不 能 让天然 气逸 出。实际 上 , 俄 罗斯 和加 拿大 冻土 水合 物 的开采并 没出现逸 散和造 成温室 效应 。 至于认 为水合 物 的胶 接 效应 被 破坏 后 可能 造 成海 底 滑 坡 和地 质 灾 害 的 问题 , 也 只是推测 , 科 学家 正在解 决其 力学 问 题 , 当 然不可能 开采有 滑坡危 险 的可燃冰 。 因此 , 借 鉴俄 罗斯在 麦索 亚 哈冻 土开 发水 合 物 的经验 , 日、 加 、 美 、 德等 国 2 0 0 2年在 加拿 大 的西北 部马更些 三角洲 区 的马里 克也 进行 了开 采试 验 , 使 该地 区成 为 全球水 合 物研究 的示 范区f 见 图 3 。试 验 中 , 工 作 人员 打 了一 口深 1 2 0 0 m 的钻井 , 一 直通 到天 然气 水 合物 层 , 通 过井 注入 温 水后 , 可 燃 冰 的 甲烷便溶 在温 水 中 , 然后 把溶 有 甲烷 的温水再 抽 回 地面 , 分离得 到 甲烷 。 美 国 科 学 杂 志 2 0 0 4年发 表 的 G a s H y d r a t e R e s o u r c e S m a l l e r b u t S o o n e r 气 体 水合 物 资源 虽 然较 少 , 但 为期 不 远 了 一 文[ 5 1 , 证 明 了 “ 可 以从 可燃 冰获 得 天 然 气 ”, “ 可 以 高 速 产 气 ” , “ 向漫长进程迈 出 了一步 ” 。 日本是惟 一进行海 域 水合物开采研 究 的国家 ,目前正在 日本南海 进行 试验 。 我 国 开发 海 域 油 气钻 探 已有 3 0余 年 的历 史 , 也 积累 了许 多施 工 经验 。 但天 然气 水合物 的开 发不 同于 油气 。 前 者是 “ 深 海浅 钻 ” 或 者 是 “ 浅 海深 钻 ” 。 适 合我 国 国情 的水 合物勘 探 开发钻 探 计划 的思路 。 应该 是循 序渐 进 的方式 从 室 内模拟一 钻 采陆 地永 冻 层 中的水 合 物一 海 边从 陆 缘 钻 大位 移 水 平 井一 下 海钻采 水合物 。 我 国在 水合 物钻探 、 开采 、 安 全等 方 面的研 究项 目少 、 投资少 、 科技力 量 不足等 , 制约 了水合物 的深入 勘探 与开 发 。 因而研 究天 然气 水合 物 的钻采 方法 已迫 在 眉睫 。尽 快 开展 室 内外 分解 、 合 成方法 和钻 采方 法的研 究工作 刻不容 缓 。 国家 8 6 3项 目对 天 然气 水 合物 开 采 也 在 进 行 积 极探 索 , 启 动 了“ 天 然气 水 合 物勘 探 开采 模 拟 实 验 研 究平 台 ” 项 目, 正 在 进行 天 然气 水 合 物开 采 实 验 模拟 。 通 过对海 底 天然气水 合物 的生 成及分 解过 程 的有效 模拟 . 以及对 现有 开采 技术 的 系统模 拟评 价 , 将 为我 国天然 气 水合物 开采 技术 的研 究提 供先 进 手段 。 目前 正在 进 行 的实验 有 ① C O 置 换 开采 实验; ②降压开采实验 ; ③热力开采实验 ; ④化学剂 开采实验 等研 究『 6 】 。通 过这些 实验 为我 国未来 天然 气 水合 物 的实 际开 采提供 有力 的技 术指导 。 笔 者 建 议设 立 国家级 的天 然 气 水 合物 勘 探 开 采模拟 实 验研究 平 台 ,力 争 在 2 0 1 5年 之前 完 成天 然气 水 合物 勘 探 、 开采 、 环 境评 价 等 的基 础研 究 和 应 用基础 研究 工作 , 从 而 为以后 的商 业开 采奠 定坚 实 的基础 。同时培 养一 支 国家级 的 、 具有 国际竞争 力 的天 然气 水合物 研究 队伍 。 5 兼顾天 然气水 合物 相关技 术的 开发 与天 然 气 水合 物 资 源 开发 相 关 的新 技 术 还有 管道 水 合物 的防止 和 抑 制 、 环境 效 应 、 天 然 气 储 运 技 术 、 分离技 术等 。 天 然 气 水 合物 还 和 常 规油 气 的生 产 和运 输 密 切相关 。如在 油 气勘探 开发 、 天然气 管道 输送 中所 遇到 的水合 物堵塞 。 早 在 1 9 3 4年 。 美 国科学 家在冬 季低 温情况 下 . 首次 发现 长距 离输气 管 道被 天然气 水合 物所堵 塞 , 不仅影 响输 气 , 还很难 处 理 , 从 而 引 发 了对 堵塞 管道 的天然 气水 合物 的研 究 。 为 了抑 制 水合 物 的形 成 . 通 常 采 用注 入 甲醇 、 乙二 醇 等 醇类 维普资讯 l 2 中外能源 S I N 0 一 G L 0 B A L E N E R G Y 2 0 0 7 年第 l 2卷 或 加入 电解质改 变水合 物平 衡条件 。 但采 用此法 抑 制 剂 加入 量大 、 费用 高 , 同时 对 环境 也 有危 害 。从 9 0年代 起 国内外 开始 研究 用 低计 量 的新 型抑 制 剂 来 代替 甲醇等 热力 学抑 制剂 , 这 种新 抑制 剂加入 量 少 , 效 果好 , 成本也 不高 , 并且 不会污 染环境 【7 1 。 气 体水 合 物仅 在 一种 低 温 和, 或较 高 压力 状 态 下才是稳 定 的 , 与 自然 环境 条件 处于 十分 敏感 的平 衡之 中 。当赋存 条件 因种种 原 因 如气候 变化 、 构造 活 动 、 地 震 、 火 山 , 甚 至 人 为开 采 等 发 生 变化 时 往 往能导 致气 体水合 物 的失稳 和释 放 , 有可 能造成 海 洋地 质灾 害或 影 响全球 气候 变 化, 引发 强烈 的环 境 效 应 。研究 表 明 , 目前 大气 中甲烷浓 度约 为 1 . 8 1x L / L , 并 且 以 每年 0 . 9 %的速 度增 加 , 每年 地 球所 产 生 的总 甲烷量估 计为 4 . 8 0 x l O g 。如果天然 气水 合物 因失稳作 用 发生分 解 , 将可 能加 剧全球 气候 变 暖效 应 , 并使 海平 面上升 。 因此 , 我们应 正确认 识天然 气 水 合物 与环境 的关 系 , 建立 海底 灾害 预警 与防治 技 术体 系 。 天然气 水合 物 的储存技 术是 一项 新 兴技 术 . 它 包括 天然 气水 合 物 的生 产 、 储存 运输 和分 解气 化 过程【 2 , 。 1 。虽然 目前还处 于研 究发展 阶段 , 但 由于它 比液 化 天然 气 L N G 经济 2 5 %, 必将 带 动相 关 工 业 链 的发 展 , 产 生 巨大 的经 济和社 会效 益 。天然气 水 合 物 新 型储 运技 术 可 望对 经 济 地解 决 天 然气 输 送 技 术提供 支撑 , 对西 气东输 也将 具有重 要意义 。 另 外 , 水 合 物 还 是许 多新 技 术 的 源头 , 如 以水 合 物 方式永 久地 将 C O 等有 害气 体储存 于海底 、 水 合物 蓄冷 、 海水淡 化等 。水合 物分离 新技术 气体分 离 、 中药浓缩 、 果 汁提 纯等 也是重要 的研 究方 向 1 。 参考 文献 [ 1 】F a n S h u a n s h i . Wang J i y ang . P r o g r e s s o f G a s H y d r a t e S t u d i e s i n C h i n a . J P r o c e s s E n g i n e e r i n g , 2 0 0 6 6 9 9 7 - 1 0 0 3 [ 2 】樊 栓狮 . 天 然气 水 合物 储 存与 运 输技 术 . 北 京 化 学 工业 出 版 社 . 2 0 0 5 [ 3 】Ma k o g o n Y F, H o l d i t c h S A, Ma k o g o T Y. N a t u r a l G ash y d r a t e s A P o t e n t i al E n e r g y S o u r c e f o r t h e 21 Ce n t u r y .J o u rnal o f Pe t r o l e u m S c i e n c e a n d E n gin e e ri n g , 2 0 0 3 , 5 6 1 - 3 1 4 - 3 1 [ 4 】J e an L a h e r r e r e . O c e ani c Hy d r a t e s Mo r e Q u e s t i o n s t h a n A n s we r s . E n e r gy E x p l o r a t i o n and E x p l o i t a t i o n, 2 0 0 0, 1 8 4 3 4 9 - 3 8 3 [ 5 】K e r r R A . G a s Hy d r a t e R e s o u rce S m all e r b u t S o o n e r . S c i e n c e , 2 0 0 4, 3 0 3 5 6 6 0 9 4 6 - 9 4 7 [ 6 】F a n S S , Z h a n g Y Z , T i a n G L, e t a1 . N a t u r al G as H y d r a t e D i s s o c i a t i o n b y P r e s e n c e o f E t h y l e n e G l y c o 1 . 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At t h e s a l n e t i me, t h e p a p e r a l s o e x p o u n ds t h e s t r a t e g Y t o s o l v e t h e i s s u e s . 【 Ke y wo r d s 】n a t u r a l g a s h y d r a t e; r e s o u r c e a mo u n t ; e x p l o i t a t i o n; a p p l i c a t i o n; i s s u e s ; s t r a t e gy 维普资讯