天然气水合物研究进展

第41卷第4期当代化工V1.41,No.42012年4月Contemporary Chemical IndustryApril, 2012天然气水合物研究进展潘杨双春(辽宁石油化工大学,辽宁抚顺1100)摘要:大然气水合物作为清洁、高效、储量巨大的新型能源,其巨大的能源潜力引起世界上很多国家的注意,纷纷投入匡额资金和人力对其进行研究。直到20世纪80年代末期我国才有学者关注和研兖天然气水合物,起步相对较晚,因此研究人员做了大量文献资料调研和资料处理等初步研究工作。从20世纪90年代初首次人工合成天然气水合物开始,随着我国政府支持力度的不断增大,在本世纪初我国在东海、南海等地发现天然气水合物矿截,同时对夭然气水合物的成因、动力学机理、形成的条件等方面进行了研究。但如何开采天然气水合物,以及如何防止天然气水合物所带来的温室效应仍是吸待解决的问题关键词:天然气水合物;温室效应;能源中图分类号:TE621文献标识码:A文章编号:1671-0460(2012)040401-04Research Progress in Natural Gas HydratesPAN Y, YANG Shuang-chun(Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)Abstract: The natural gas hydrate is a clean, efficient and abundant energy source. Accordingly some countries givetheir attention to the natural gas hydrate and actively research on it through investingsum ofmuch manpower. However our country is late in this field, our researchers commenced their study in the end of80's, sothey made vast pilot study such as investigation and data processing. With the support of our country, at the beginningof 90s natural gas hydrates was artificially synthesized for the first time, and in this century mineral resources of thenatural gas hydrate were detected in the East China Sea and the South China Sea. At the same time the researchersmade great research on the mechanism of formation, dynamic mechanism and formation conditions. However, how toexploit the natural gas hydrate and how to prevent greenhouse effect caused by the natural gas hydrate are urgentroblem to be settledey words: Natural gas hydrates: Greenhouse effect: Energy resource能源资源是人类生存、经济发展、社会进步不含量总和),注定将成为继石油之后的主要能源可缺少的重要物质资源。随着我国经济的迅速发展,我国的石油进口和消费量都已成为世界第二大1天然气水合物概况国。据预测到2050年,能源年耗将达到标煤38亿大然气水合物( Natural Gas Hydrates),由甲烷t(相当于2000年的3倍),成为世界第一能耗大国,和水(CH4HO)在不同的低温(0~10℃)、高能源问题已经变得越来越严峻了。如果现在不超前压(>3MPa)条件下构成",呈白色固态结晶物质,加快发煨新能源和可再生能源作为替代能源,那么外观像冰,或固体酒精,常温常压下可以燃烧,故届时很可能发生能源断档。所以寻找和开发利用新俗称可燃冰。主要埋藏在陆地永久冻土带沉积层能源,是解决我国未来能源问题的主要出路。而大陆外缘的海洋底部以及深海海底平原沉积层。天然气水合物由于其储量大,有机碳含量高(据潜天然气水合物为超分子结构,具有很强的吸附在气体联合会(PGC,1981)的最新资料显示表明:(浓缩)气体能力,单位体积的天然气水合物可含初步估算出永久冻土区天然气水合物的资源量约有高达164倍于该体积的气体即1m的“可燃冰”可为14×10”~34x10°m,如果包含海洋天然气水释放约为164m天然气释放的能量。人们研究认为合物的话,资源总量应该超过76×10°m3。其中碳水合物的结构是似冰状、立方笼型格子,有型、Ⅱ的含量大约在1×103t以上,2倍于当前已探明储型和H型三种结构。其中型结构只能填充小分子烃量的所有化石燃料(包括石油、天然气和煤)中碳类,比如:甲烷、乙烷等和非烃分子比如:CO日期:2012-02-23当代化工2012年4月HS等。Ⅱ型结构相比于型结构,就可以容纳丙烷、质性的调查和研究。在2000年时,广州海洋地质调异丁烷等较大分子烃类气体。而H型结构就更包罗查局在我国南海勘探出了天然气水合物矿藏的显万象了,不仅能容纳上述分子,还能容纳普通的原示标志BSR。在至少130km的地震剖面上,探明矿油分子IC。层厚达80~-300m。据估算该地区天然气水合物如果天然气水合物是天然气和水在比较低的温度和折算原油的话,可达643.5~772.2亿t,就相当于我足够高的压力下形成的固态结晶物质,所以其存国陆上和近海石油天然气总资源量的一半以上在环境大多是在水深超过300m的海底沉积物中和据国土资源部海洋地质研究所资料表明:中国永久冻土中。海底天然气水合物若要维持其固体状海域已发现多处天然气水合物可能赋存地区,包括态,就必须依赖于水层的巨大压力。其垂直深度上东沙群岛南部、西沙海槽北部、西沙群岛南部以及的分布范围一般是从海底至其下2000m,超过此深东海海域地区"。上海海洋石油局对东海陆坡一冲度其固体状态则难以存在。因为随着地层温度的升绳海槽区勘探研究表明,该区域具有天然气水合物高该固体状态很容易遭到破坏。的赋存条件!。中国地质科学院侯增谦等在冲绳海2国内天然气水合物研究现状槽中段的JADE热水沉积区海底发现了富含CO2的天然气水合物(通过潜入海底)2。早在1810年化学家达威HDay)首次在伦敦皇除了海洋勘探以外,中国科学院兰州冰川冻土家研究院实验室成功地合成∫氯气水合物,引起了研究所冻土工程国家重点实验室的徐学祖研究员化学家们的极大关注。但是直到 Hammerschmidt于等专家经研究认为,我国青藏高原高山多年冻土带1934年发现堵塞天然气输送管道的物质就是天然很有可能贮存大量大然气水合物31。还有一些学气水合物时,石油地质学家和化学家才把注意力集者指出南海北部陆缘琼东南和珠江口盆地地区具中到天然气水合物的研究上来。但当时研究的目的有天然气水合物形成的条件。只是为了解决管道堵塞问题。直到20世纪60年代苏目前,我国在天然气水合物勘探方面取得了联在开发麦索亚哈气田时,首次在地层中发现了夭定的成绩,由其是在海洋劫探方面做的工作比较然气水合物藏,人们才开始把气体水合物作为一种多。通过许多专家学者的努力,我国巳经大体确定燃料能源进行研究。了天然气水合物在我国沿海地区的分布,并对储量我国在天然气水合物研究方面起步较晚,直到进行了估算,为将来我国实际开采天然气水合物打20世纪80年代末才开始关注,前期工作也仅仅局限下了坚实的基础。据权威人士透露,明年我国将钻探于对国外资料的简单的收集和整理,由于受到政第一冂探井进行天然气水合物的储量勘测,预计在府的高度重视和大力支持,现已成为热点研究课2020年进行开采。题。1990年,对天然气水合物的研究来说是具有里22我国天然气水合物的基础研究程碑意义的一年。由于国家重点试验室屮科院兰州在学习国外资料,评价国外进展及了解高外的冰川研究所冻上工程的科研人员与其合作伙伴莫技术和实验后,我国也全面展开了对天然气水合物斯科大学冻土专业的学者联合研究,标志着我国对的基础研究。天然气水合物的研究全面展开。目前,天然气水合了解天然气水合物的成因有助于对其进行合物研究工作进入到实际调查评价和实验模拟阶段。成、勘探和开发利用,所以我国在这方面也做了大21我国天然气水合物的实际调查评价量的工作。如张景廉等从碳同位素地球化学方面作我国的天然气水合物勘探工作开始于“九五”期了关于天然气水合物的成因的研究"2;狄永军等经间,现在止处于实际调查研究评价阶段。迄今为止研究认为只要存在丰富的底物(C03),即使在低温已在南海北部陆坡、南沙海槽、西沙海槽北部、西条件下自养产甲烷菌的产甲烷作用完全可以进行沙群岛南部以及东沙群岛南部、东海海域地等多处1区域发现天然气水合物RSR(拟海底反射层, botton在天然气水合物合成方面,我国也做了深入研culating reflector,简称BSR)反射标志。究。首先是在1990年,国家重点实验室中科院兰州1998年,课题中国海域气体水合物勘测研究调冰川冻土研究所冻土工程的科研人员成功的合成研圆满完成,首次全面总结了我国海域天然气水了甲烷水合物并对其性质进行了分析,其后国土合物的成矿条件和找矿前景。资源部青岛海洋地质研究所也建立起了海洋天然从1999年起我国开始对大然气水合物开展实气水合物模拟实验室(该实验室完全拥有自主知识第41卷第4期潘一,等:天然气水合物研究进展产权),成功的点燃了其合成的天然气水合物。的甲烷气体,会造成海水汽化,发生海啸翻船等事此外在天然气水合物生成动力学机理、生成条故。研究表明世界各大陆边缘的海底滑塌、滑坡和件,天然气水合物的循环利用,天然气水合物对地浊流作用,大多与海底天然气水合物的分解有关热的影响以及天然气水合物对环境的影响等方面海底天然气水合物也是造成其他一些海洋灾害的也做了一定的研究。原因。由于水合物中含有超出自身体积164倍的气23国内天然气水合物研究的其它现状体若遇断裂等构造作用将引起水合物在瞬间爆炸为了能够更好的研究、开发、利用大然气水合般地分解,可形成密度为01kgm3的气、水混合物物,我国已经成立了多个国家重点实验室、研究中并在海面上形成强大的水动力流、涡流和气旋。轮心(所)等科研机构专门从事天然气水合物的研究船、飞机、海上钻井设施遭遇这种环境会迅速沉到工作。如中国科学院广州天然气水合物研究中心,海底2。据此,很多学者推测认为百慕大三角区中科院兰州冻十所、国家海洋局以及国土资源部青发生的很多匪夷所思事故的元凶就是天然气水合岛海洋地质所等都有从事天然气水合物研究的专物。业队伍。另外,一些大专院校也成立了自己研究天33天然气水合物对环境的影响然气水合物的实验室,积极参与对天然气水合物的天然气水合物是亚稳定的增温或减压会使其结研究。构不稳定,释放甲烷等气体。与CO2相比,甲烷是国家也大力支持天然气水合物的研究,在国家种活动性更强的温室气体。每摩尔甲烷是每摩尔自然科学基金、973、863攻关项目和创新项目中都二氧化碳的温室效应的37倍,如以质量计则更多,设有关于天然气水合物的研究项。为了给广大天为10倍。且甲烷被氧化后生成的二氧化碳后仍能产然气水合物的研究人员提供了良好的交流条件,有生温空效应,且其温室效应是等质量二氧化碳气体关天然气水合物的专业会议也频繁召开。的20倍。圈闭在大陆和大气中的甲烷含量约49X最近,由中国科学院资源环境科学信息中心,10°t(相当于37×10°kg甲烷碳,并以每年约1%的国家海洋局海底科学重点实验室,中国科学院兰州速度递增。据测,海底和两极永冻带的气体水合物地质研究所,石油大学(北京),中国科学院广州所封存的甲烷总量是大气中甲烷量的3000倍,如果能源所天然气水合物研究中心和冻土工程国家重这些甲烷被释放进人大气,将对大气圈的组分构成点实验室联合主办的天然气水合物信息网正式建巨大的影响,进而给全球气候、人类的生态环境造成并投入使用。此网站的开通除了可以大范围的普成重大影响13。及天然气水合物的知识外,更为天然气水合物的研究人员提供了广阔的超越时空的交流平台。结论(1)我国具有可形成天然气水合物天然条件的3面临的问题地区辽阔,其储量巨大。据中国科学院戴金星院士3.1实际开采面临的问题估计全国天然气水合物总资源量不少于100×102我国已探明的天然气水合物赋存地区都在海m3。底,对于海上钻探来说海水压力大,温度变化大,(2)依托国家,加强对天然气水合物的基础研所以海上施工困难大。而且又由于大然气水合物在究,以便尽早实现天然气水合物的实际开采利用。压力降低或温度升高时会发生1:164的气休膨胀,在(3)充分认识天然气水合物这把双刃剑,在对固井时会使天然气水合物分解,气体迅速膨其加以开发利用的同时保持清醒的头脑,预防其会胀使井径扩大,套管被压扁,使井口装置或防喷器带来的灾害。失去承载能力而发生倾斜,丧失井压控制手段,有总之,天然气水合物作为清洁、高效、储量巨可能导致井喷及井塌事故。大的新型能源,必将替代煤和石油成为21世纪能32天然气水合物的灾害效应源,或者说天然气水合物是未来能源。天然气水合物最主要的灾害效应莫过于海底参考文献:的分解。它可以诱发严重的海底滑坡从而使海底工[1」朱训实行全球能源战略建立全球供应体系中国矿程设施遭到损毁如海底输电、通讯电缆、海洋石油业,2003,12(5l-8.2]顾年华尤丽霞吴育华21世纪我国新能源开发展型中国能钻井平台等。由于气体水合物的稳定带是岩石的源,2002,1:37-38结合薄弱带很容易造成海底滑坡,同时释放出大量[31刘广志天然气水合物开发的现状和商业化的技术关探矿工404当代化工2012年4月程200828-10地球科学.2001,12(1-2)22-26.「4周胡奥林天然气水合物资源勘探开发现状U石油与天然气化工95.[15]狄水军郭正府李凯明天然气水合物成因探小地球学进,5]陈作义杨晓西叶国兴天然气水合物概况及最新研充进展海洋16戚学贵.陈剩部天然气水合物研究进展自然杂志,2002302通报,2002,21(3):78-85「61爾怀彦,王先彬房幺天然气水合物硏究现状与未来挑战门沉积学[17]李常茂耿瑞伦关于天然气水合物钻探的思考探矿工程报1999.173):493-4982003:5-87]徐明仿,晏刚杜维明天然气水合物的研究及利用能源技181甘华阳王家生天然气水合物潜在的灾害和环境效应地质灾害术2004.25(5:203-206与环境保护、2004,15(4):5-88宋召军,刘立天然气水合物研究现状与展望吉林地19]彭晓彤周怀阻陈光谦论天然气水合物与海底地质灾害,气象灾质2003.2(4:64-68害和生物灾害的关系自然灾害学报,2002.11418-22[9]方银霞金翔龙黎明碧天然气水合物的期探与开发技术中国海[20]徐国强周祖翼吕柄全海底气体水合物自然杂志,20洋平台,200217(2)11-15.2202:113-11610]宋岩,夏新宇天然气水合物研究和勘探现状门天然气地球科21杨水强翟裕生薛林幅天然气水合物的资源环境效应世界地质,学2001,12(1-2:3-10.0221(130-32.1杨文达陆文才东海陆坡—冲绳海槽大然气水合物初探海洋石221于晓果李家彪天然气水合物分解及其牛态环境效应研究进展油2000423-28.地球科学进展204,19(6947-954[12]张景廉,于均民,崔永强天然气水合物成因探讨及中国海域勘探前23张俊霞任建业天然气水合物研究中的几个重要问題刂地质科技景J海洋石、2003.230)51情报,2001201)44-48[13]徐学祖程国栋俞祁浩青藏高原多年冻土区天然气水合物的研究[24」苏君雅天然气水合物—既有麻烦,又是巨大潜在能源石油前景和建议地球科学进展,199142:201-204与天然气化工,1994.23(4):214217[14]张立新徐学祖马魏青高原多年冻土与天然气水合物天然气(上接第397页)(6)HDPE土工膜在铺设中,应避免产生人为(4)基面上的阴阳角处应圆滑过渡,柱根部应褶皱,温度较低时,应尽量拉紧,铺平。做成圆弧状。(7)HDPE土工膜铺设完成后,应尽量减少在(5)基底应密实均匀,表而干燥,含水率宜在膜而上行走、搬动工具等,凡能对HDPE膜造成危5%以下。袆的物件,均不应放在膜上或携带在膜上行走,以在土建、监理、设计单位、业主、总承包人验免对膜造成意外损伤。收笭字认可后便可进行土工膜施工。(8)HDPE土T膜为柔性材料,可根据基础的42气候要求不同形式,做任何造型。所有拐角、直角部分,均(1)气温一般应在5~40℃,天冷时,铺设应做成圆角或倒角,避免损坏HDPE土工膜应紧一些,天热时应松一些,考虑热胀冷缩。(9)铺设完,应紧接着焊接,管道节点、阴阳(2风力超过4级或雨天应停止施工;角、拐角等难处理的地方,可配合热风机进行焊接。(3)有风天气,风力影响十工膜施工时,待焊(10)压边锚固:根据设计要求,一般反边30的HDPE十工膜应用砂袋压牢。50cm于基础上,用膨胀螺栓、压条,进行压边错4.3HDPE土工膜的铺设固。压完边,再进行其他的密封和防腐措施(1)铺设HDE土T膜前应有土建工程相应的合格验收证明文件5结束语(2)HDPE膜裁切之前,应该准确丈量其相关对于地基基础的防渗设计,是整个工程项目的尺寸,然后按实际裁切,一般不宜按图示尺寸藏切,重要一环。应明确该防渗对湿陷性黄土地基处理的应逐片编号,详细记录在专用表格上重要性,注意相关的构造要求,力求做到经济合理、(3)铺设HDPE土工膜时应力求焊缝最少,技术先进、安全可靠。在保证质量的前提下,尽量节约原材料。(4)膜与膜之间接缝的搭接宽度一般不小于1c8032304(性黄主地区建筑规范)10cm,通常就使焊缝排列方向平行于最大坡度,即2103-20m(朱活垃圾卫生填理场防渗系统丁程技术规范)4沿坡度方向排列。3]JGJy-2002(建筑地基处理技术规范》小(5)通常在拐角及畸形地段,接缝长度尽量减4]cBs0453-200(6油化工建(构)筑物抗震设防分类标准》[5]GBs0007-2002《建筑地基基设计规范》l