天然气地质学作业

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1、 天然气地质学作业天然气地质学作业课程名称：可燃冰文献综述课程名称：可燃冰文献综述姓姓 名：名：郝磊郝磊班班 级：研级：研 113113学学 号：号：11082403081108240308授课教师：时保宏授课教师：时保宏完成日期：完成日期：20122012 年年 6 6 月月 5 5 日日可燃冰文献综述一、可燃冰发展概况可燃冰又称天然气水合物, 它是指天然气 ( 主要成分为甲烷) 在特定的低温高压下与 水结合生成的一种“气水合物”的固态物质。从 1810 年开始科学家就在实验室把各种气 体通过降温加压和水结合生成“冰块” 。自然界中也存在大量的可燃冰, 如果自然环境具备 了低温高压、有气有水

2、的条件, 就有天然的可燃冰存在, 这种条件在自然界不少。1968 年, 在西西伯利亚北部的麦索雅哈天然气田(现已关闭)就发现了这样一个天然气水合物气藏。 迄今为止, 世界上至少已有 30 多个国家和地区在进行可燃冰的研究。其中, 日本已基本 完成周边海域的可燃冰调查与评价, 钻探了 7 口探井, 成功取得可燃冰样品, 期望在 2010 年投入商业开采; 而美国也希望于 2015 年在海床或永久冻土带进行商业开采。我国 从 1997 年起就开始组织对可燃冰的前期研究。中国地质调查局 2007 年 5 月在我国南海 北部神狐海域成功钻探获得可燃冰实物样品, 并证实此地区可燃冰资源蕴藏丰富。由此中

3、国成为继日本、美国、印度之后的第 4 个通过国家级研发计划开采到天然气水合物实物样品的国家。二、可燃冰开采与利用研究1. 基础研究 燃冰的形成有 3 个基本条件: 温度不能太高, 在 0以上可以生成, 010为 宜, 最高 20左右。 压力要够, 但不能太大, 0与 30 个大气压以上可燃冰即可生成。 地底要有气源。根据上述理论, 地球上可燃冰矿藏的形成有两条途径: 一是气候寒冷致 使矿层温度下降, 加上地层的高压力, 使原来分散在地壳中的碳氢化合物气体和地壳中的 水形成气 水结合的矿层。二是由于海洋里大量的生物和微生物死亡后, 留下的遗体不 断沉积到海底, 很快分解成有机气体如甲烷(CH4)

4、、乙烷(C2H6)等, 这样, 它们便钻进海底 结构疏松的沉 积岩微孔, 和水形成“气水合物” 。最有可能形成可燃冰的区域一个是高纬度的冻土层, 如 美国的阿拉斯加、俄罗斯的西伯利亚都已发现了可燃冰, 而且俄罗斯 20 年前就已经钻取 到可燃冰样品。另一个是海底大陆架斜坡, 在美国和日本的近海海域, 如加勒比海沿岸及 我国南海和东海海底均有储藏, 估计我国黄海海域和青藏高原的冻土带也储藏有可燃冰。 二者之中, 海底的可燃冰储量较大。 2. 可燃冰的探索 (1)可燃冰的储量 可燃冰是一种冰状白色固态晶体,水分子一般通过氢键合成多面体笼,笼中包含有客体的 天然气分子。这种具有笼形构造的气体水合物通

5、常在一种特定的高压低温条件下形成并稳 定存在。一个单位体积的可燃冰分解后,可以产生 164 个单位体积的天然气和 08 个单位 体积的水。海底可燃冰分布的范围约 4107km2,占海洋总面积的 10%,海底可燃冰的储量够 人类使用 1000 年。目前世界各大洋中已发现的可然冰总资源碳热量为 20 亿亿 m3 以上, 国际科技界公认的全球可燃冰资源量,相当于全世界已知煤、石油、天然气含碳量总和的 2 倍以上。仅我国,已初步探明的海域至少有 71010t 可燃冰资源,相当于陆上石油、天然气 资源总量的一半。 (2)可燃冰的形成机制 经专家分析,可燃冰的形成与海底石油、天然气的形成过程相仿。在至少为

6、 600800m深的海床上,大量细菌吞食动植物等有机物残留遗体时会分泌释放出甲烷气,深海下往往水 温较低,且压力较高,这样就导致许多被释放出的甲烷气被包进水分子中,与周围沙土混杂物 等混掺“冻”在一起,形成一种“混凝土”似的甲烷冰冻水合物。因此,可燃冰的形成必须 具备以下三个条件:一是 0至 10的低温;二是压力要保持在 10MPa 高压或水深 300m 以上;三 是地底要有气源。 (3)可燃冰的勘察 截至 2002 年底,世界上已直接或间接发现天然气水合物共 116 处(其中海洋就有 85 处),直 接水合物样品 23 处。目前勘察可燃冰最好的两种方法是地震波法和速声波法。地震波法是 最简单

7、且常用的方法,首先将地震波在岩石层和天然气水合物层的差异记录在滤波器中,然 后对其进行检测、判断。用这种方法勘测速度最快,而且可以水、陆通行。在我国南海的西 沙海槽地区,这种方法勘探了 100km 以上的海洋波面,发现大约有 1/3 面积的地震反射波与 天然气水合物的地震反射波很相像,并由此推断那里存在着丰富的可燃冰。富含甲烷的天然 气水合物层中肯定会有一定数量的气体扩散出来,使得局部甲烷的含量高于周围地区。速声 波法是利用声波在天然气水合物、海水和岩石层之间的传播速度不同,而且前者明显最快, 接着再利用物理及化学法,并根据扩散原理,判定浓度最大的区域对应的一定是矿藏的中心 位置,通过测量多个

8、点,进而便可给出矿藏的图示。 3. 开采思路 思路一: 与传统油气开采结合, 通过降压、注热、注化学药剂以及 CO2 的方法, 将可 燃冰在海底分解为气体, 然后输导至海平面。其开采方法主要有热解法、降压法和置换法 3 种。 (1) 热解法 利用可燃冰在加温时分解的特性, 使其由固态分解出 CH4 气体。但应用此方法的难处 在于不好收集。海底的多孔介质不是集中为“一片”, 也不是一大块岩石, 而是较为均匀 地遍布着。如何布设管道并高效收集 CH4 气体是亟需解决的问题。 ( 2) 降压法 有科学家提出将核废料埋入地底, 利用核辐射效应使其分解。但它们都面临着和热解 法同样要布设管道并高效收集的

9、问题。 ( 3) 置换法 研究证实, 将 CO2 液化, 注入 1 500m 以下的洋面 ( 不一定非要到海底) , 就会生 成 CO2 水合物, 它的比重比海水大, 就会沉入海底。如果将 CO2 注射入海底的 CH4 水合 物储层, 因 CO2 较 CH4 更易形成水合物, 因而就可将 CH4 水合物中的 CH4 分子置换出来。 该法存在布设管道和高效收集 CH4 气的问题。 思路二: 固态开采, 即将可燃冰以固体形态输送到海底, 进行初步泥沙分离后采用固 液 气三相输送技术, 将固态可燃冰及输送过程中分解出的气体输送到海面, 然后利 用海面的高温海水对可燃冰进行分解、收集并通过管道输送,

10、或将分解得来的气体重新制 成可燃冰固体转入船运。海洋可燃冰的传统开采法与固态开采法各有优缺点,。从各国进行的试验性开采来看, 这些方法要么技术复杂、成本高昂, 要么推广价值不大, 不适合大规模作业。 4. 开采利用面临的困难 可燃冰和石油、天然气相比, 更不易开采和运输, 世界上至今还没有较完善的开采方 案。开采可燃冰主要面临着以下 3 个难题:( 1) 可燃冰开采可能导致大量温室气体排放而污染环境由于 CH4 是绝大多数可燃冰中的 主要成分, 同时也是一种对温室效应影响快速明显的气体。 可燃冰中 CH4 的总量大致是大气中 CH4 数量的 3 000 倍。作为短期温室效应气体, CH4 比

11、CO2 所产生的温室效应影响要大。可燃冰非常不稳定, 在常温和常压下极易分解, 一旦从海底升到海面就会分解释放出 CH4 气体。学者认为, 可燃冰矿藏极易受到破坏,甚至是自然的破坏, 从而导致 CH4 气的大 量散失。而这种气体进入大气, 无疑会增加温室效应, 进而使地球升温更快。 ( 2) 特殊的存在条件极有可能引发地质灾害。 由于可燃冰经常作为沉积物的胶结物存在, 它对沉积物的强度起着关键作用。可燃冰 的形成和分解能够影响沉积物的强度, 进而诱发海底滑坡等地质灾害的发生。日益增多的 研究成果表明, 由自然或人为因素所引起的温压变化, 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

12、境灾害。美国地质调查所的调查表明, 可燃冰能导致大陆斜坡发 生滑坡, 这对各种海底设施是一种极大的威胁。由此可见, 可燃冰既是未来的一种新能源, 同时也是一种有潜在危险的能源。 ( 3) 目前技术条件下的开采成本过于高昂 根据美国和日本披露的数据, 目前的可燃冰开采平均成本高达 200 美元/ m3, 根据 1 m3 可燃冰释放能量相当于 164 m3 的天然气计算, 其折合天然气的成本达到 1 美元/ m3 以上, 而上海目前民用天然气的售价也不过 2 元/ m3。 上述难题已经成为人类大规模开发利用可燃冰的巨大障碍。不过, 随着技术进步和科学发 展, 未来这些问题都将能得到很好的解决。三、

13、国外可燃冰研究开发现状迄今,世界上至少有 30 多个国家和地区进行可燃冰的研究与调查勘探。美国、日本、印度等国近年来纷纷制订天然气水合物研究开发战略和国家研究开发项目计划。美国于 1981 年投入 800 万美元制订了天然气水合物 10 年研究计划; 1998 年又把天然气水合物作 为国家发展的战略能源列入长远计划,每年投入 2000 万美元,准备在 2015 年试开采。日本 经济产业省已从 2000 年开始着手开发海底天然气水合物,开发计划分两段进行,前 5 年对开 采海域的蕴藏量和分布情况进行调查,从第 3 年开始就打井以备调查用,之后 5 年进行试验 性采掘工作,2010 年以后实现商业

14、生产。韩国产业资源部制订了可燃冰开发 10 年计划,计 划投入总计 2257 亿韩元,用以研究开发深海勘探和商业生产技术。印度在 1995 年制订了 5 年期全国气体水合物研究计划,由国家投资 5600 万美元对其周边海域的天然气水合物 进行前期调查研究。目前,美国、俄罗斯、荷兰、加拿大、日本等国探测可燃冰的目标和范 围已覆盖了世界上几乎所有大洋陆缘的重要潜在远景地区以及高纬度极地永冻土地带和南 极大陆陆缘区,同时,俄、美、加等国通过地震勘探工作,已查明在北极地区有大量正在形成 的天然气水合物。据日本经济产业省专家小组会议 2008 年 8 月 18 日在东京发表的一份文 件所说,日 本政府将

15、在一个叫作 Nankai 海槽的深海沟中进行冰冻甲烷的试验性生产。韩国已成功完成 可燃冰开发 10 年计划第一阶段任务,确认韩国周边海域海底可燃冰矿藏,并对储藏量进 行初步估计; 20082011 年,韩国将完成对周边海域进一步勘探工作;20122014 年,对周边 海域发现的可燃冰矿藏储量进行最终确认,研发可燃冰商业生产相关技术。四、我国有关可燃冰的研究及调查近年来，国家领导和国土资源部、科技部、财政部、国家计委等部委领导非常重视天 然气水合物的调查与研究。首先是对我国管辖海域历年来做过大量的地震勘查资料分析， 在冲绳海槽的边坡、南海的北部陆坡、西沙海槽和西沙群岛南坡等处发现了海底天然气水

16、合物存在的似海底地震反射层（BSR）标志。并在对海底天然气水合物的成因、地球化学、 地球物理特征、外北采集、资料处理解释、钻孔取样、测井分析、资源评价、海底地质灾 害等方面进行了系统的研究，并取得了丰富的资料和大量的数据。从 1984 年开始，我国地 质界对国外有关水合物调查状况及其巨大的资源潜力进行了系统的资料汇集。广州海洋地 质调查局的科技人员对 20 世纪 80 年代早、中期在南海北部陆坡区完成的 2 万多公里地震 资料进行复查，在南海北部陆坡区发现有似海底反射（BSR）显示。根据国土资源部中国地 质调查局的安排，广州海洋地质调查局于 1999 年 10 月首次在我国海域南海北部西沙海槽 区开展海洋天然气水合物前期试验性调查。完成三条高分辨率地震测线共 543.3km。2000 年 9 月至 11 月，广州海洋地质调查局“探宝号”和“海洋四号”调查船在西沙海槽继续开 展天然气水合物的调查。资料表明：地震剖面上具明显似海底反射界面（BSR