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天然气水合物研究历程及发展趋势

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天然气 水合物 研究 历程 发展趋势
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天 然 气 水 合 物 研 究 历 程 及 发 展 趋 势张 文 亮 1, 2   贺 艳 梅 3   孙 豫 红 2(1. 西 南 石 油 学 院   21中 原 油 田 分 公 司 天 然 气 管 理 事 业 部   31中 原 油 田 分 公 司 勘 探 开 发 科 学 研 究 院 )摘   要   综 合 国 内 外 关 于 天 然 气 水 合 物 的 研 究 ,概 述 其 从 发 现 、 初 步 研 究 到 深 入 研 究 的 历程 ,总 结 了 各 阶 段 国 内 外 天 然 气 水 合 物 研 究 的 成 果 和 进 展 。 从 1810年 发 现 天 然 气 水 合 物 以来 ,世 界 各 地 的 科 学 家 对 气 水 化 合 物 的 类 型 和 物 化 性 质 、 自 然 赋 存 条 件 和 成 藏 条 件 、 资 源 评 价 、勘 探 开 发 手 段 等 进 行 了 广 泛 而 卓 有 成 效 的 研 究 。 总 结 世 界 各 国 天 然 气 水 合 物 的 研 究 现 状 并 指出 了 其 发 展 趋 势 。 研 究 表 明 我 国 的 许 多 海 区 具 有 天 然 气 水 合 物 形 成 的 条 件 ,希 望 2020年 能 够进 行 商 业 开 采 。关 键 词   天 然 气 水 合 物   历 程   赋 存 条 件   模 拟 研 究   发 展 趋 势地 球 上 的 天 然 气 水 合 物 蕴 藏 量 十 分 丰 富 ,大约 27%的 陆 地 (大 部 分 分 布 在 冻 结 岩 层 )和 90%的 海 域 都 含 有 天 然 气 水 合 物 ,陆 地 上 的 天 然 气 水合 物 存 在 于 200~ 2000 ,海 底 之 下 沉 积 物中 的 天 然 气 水 合 物 埋 深 500~ 800 m。 3目 前 各 国 科 学 家 对 全 球 天 然 气 水 合 物 的 资 源量 较 为 一 致 的 评 价 为 2 × 1016 是 剩 余 天 然 气储 量 的 136倍 ( 1156 × 1 014 ,如 果 将 此 储 量折 算 为 地 球 上 的 有 机 碳 资 源 ,它 将 占 总 资 源 的 一半 以 上 [ 1 ]。1  研 究 意 义目 前 解 决 能 源 需 求 的 问 题 显 得 越 来 越 紧 迫 。开 发 利 用 新 的 清 洁 能 源 ,降 低 能 源 使 用 与 技 术 发展 对 环 境 造 成 的 负 面 影 响 ,是 解 决 本 世 纪 能 源 问题 的 主 要 出 路 。 在 我 国 能 源 发 展 战 略 中 ,高 效 、 清洁 的 天 然 气 水 合 物 将 成 为 重 要 的 后 续 能 源 。首 先 ,天 然 气 水 合 物 的 资 源 量 特 别 巨 大 ,资 源开 发 技 术 较 为 现 实 、 可 行 。 我 国 具 有 良 好 的 天 然气 水 合 物 蕴 藏 潜 力 ,东 海 的 冲 绳 海 槽 边 坡 ,以 及 南海 的 北 部 陆 坡 、 西 沙 海 槽 和 西 沙 群 岛 南 坡 等 都 可能 是 有 希 望 的 储 存 区 ,我 国 西 藏 高 原 终 年 积 雪 的羌 塘 地 区 也 有 发 现 。其 次 ,天 然 气 水 合 物 的 勘 探 、 生 产 可 与 常 规 油气 的 勘 探 、 生 产 同 时 进 行 ,因 为 天 然 气 水 合 物 矿 藏常 伴 有 下 伏 的 游 离 气 ,勘 探 常 规 油 气 时 可 兼 探 天然 气 水 合 物 ,使 之 成 为 常 规 油 气 勘 探 、 生 产 的 一 种“ 副 产 品 ” ,降 低 生 产 成 本 ,实 现 经 济 合 理 的 商 业生 产 。再 者 ,随 着 石 油 、 天 然 气 的 开 发 和 利 用 ,天 然气 的 开 采 、 运 输 与 终 端 利 用 技 术 业 已 成 熟 ,可 充 分继 承 利 用 现 有 的 油 气 开 采 、 运 输 与 终 端 利 用 技 术和 装 备 等 ,在 现 有 工 业 布 局 的 基 础 上 ,可 实 现 能 源的 平 滑 过 渡 与 接 替 ,而 且 也 不 会 产 生 新 的 环 保 问题 。2  国 内 外 研 究 历 程 及 现 状211  国 外 研 究 历 程 [ 2 ]1810年 英 国 科 学 家 验 室 首 次 发 现天 然 气 水 合 物 , 1888年 V 合 成 了 天 然 气水 合 物 。在 20世 纪 60年 代 之 前 ,人 们 关 注 研 究 其 组成 、 结 构 、 相 平 衡 和 生 成 条 件 ,研 究 主 题 是 工 业 条件 下 水 合 物 的 预 报 和 清 除 、 水 合 物 生 成 阻 化 剂 的研 究 和 应 用 。进 入 60年 代 后 ,世 界 各 地 科 学 家 对 气 水 合 物的 类 型 和 物 化 性 质 、 自 然 赋 存 和 成 藏 条 件 、 资 源 评8断 块 油 气 田2005年 3月                                                               第 12卷 第 2期3 收 稿 日 期   2004 - 09 - 06第 一 作 者 简 介   张 文 亮 , 1975年 生 ,工 程 师 , 1996年 毕业 于 西 安 石 油 学 院 石 油 工 程 系 ,现 为 西 南 石 油 学 院 油 气 田开 发 专 业 博 士 研 究 生 ,地 址 ( 457001) :河 南 省 濮 阳 市 ,电话 : (0393) 4819009。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 的 研 究 。21111  20世 纪 70年 代 以 前 的 研 究20世 纪 60年 代 初 期 ,前 苏 联 专 家 提 出 了 一种 假 设 :在 地 壳 的 一 定 热 动 力 条 件 下 (温 度 为295° K,压 力 为 25 以 形 成 固 态 气 水 合 物 的天 然 气 藏 。 20世 纪 60年 代 中 期 ,前 苏 联 在 开 发北 极 圈 内 克 拉 斯 雅 尔 地 区 的 麦 索 雅 哈 气 田 时 ,在实 践 中 第 一 次 发 现 了 天 然 气 水 合 物 藏 ,并 于 1968年 开 始 了 试 采 。美 国 学 者 直 到 1971年 才 提 出 “ 天 然 气 水 合 物体 ( ” 的 概 念 ,当 时 美 国 科 学 家正 在 东 海 岸 深 入 研 究 大 陆 边 缘 ,从 地 震 声 纳 探 测记 录 中 发 现 了 沉 积 物 隆 起 中 反 映 局 部 海 底 地 形 的地 震 反 射 层 ,即 后 来 被 普 遍 称 为 “ 海 底 模 拟 反 射层 (” ,并 证 实 了 然 气 水 合 物 有 关 。目 前 为 推 测 天 然 气 水 合 物 存 在 的 一 个重 要 标 记 [ 1 ]。此 期 的 主 要 成 果 是 :认 识 到 天 然 气 水 合 物 比等 体 积 的 游 离 甲 烷 气 体 含 有 多 得 多 的 甲 烷 (相 当于 164倍 体 积 的 游 离 甲 烷 ) ;明 确 了 天 然 气 水 合物 带 之 底 的 地 震 反 射 以 及 反 射 极 性 反 转 和 大 的 垂向 反 射 系 数 为 特 征 ;提 出 天 然 气 水 合 物 边 界 与 海底 滑 塌 、 滑 坡 之 间 的 可 能 联 系 ,并 在 南 非 西 部 的 大陆 斜 坡 和 洋 隆 首 次 识 别 出 此 类 例 子 。21112  20世 纪 80年 代 的 研 究 进 展20世 纪 80 年 代 开 始 ,随 着 深 海 钻 探 计 划( 后 来 的 大 洋 钻 探 计 划 ( 相 继 实施 ,天 然 气 水 合 物 研 究 进 入 全 面 发 展 阶 段 。 开 始运 用 除 地 震 地 球 物 理 方 法 以 外 的 多 种 测 井 方 法 对天 然 气 水 合 物 进 行 研 究 ,开 创 了 该 领 域 研 究 的 新阶 段 。 随 着 大 洋 钻 探 计 划 和 海 底 沉 积 物 取 样 水 合物 和 含 水 合 物 沉 积 物 样 品 的 增 多 ,人 们 开 始 引 入流 体 地 球 化 学 和 同 位 素 地 球 化 学 的 方 法 开 展 天 然气 水 合 物 的 形 成 标 志 、 赋 存 特 征 及 成 矿 气 体 来 源等 方 面 等 研 究 ,这 使 得 天 然 气 水 合 物 研 究 开 始 进入 多 学 科 、 多 方 法 的 综 合 发 展 阶 段 [ 3 ]。这 一 阶 段 的 主 要 成 果 是 :通 过 同 位 素 地 球 化学 和 流 体 地 球 化 学 的 研 究 ,查 明 天 然 气 水 合 物 的成 矿 气 体 主 要 是 微 生 物 成 因 ,明 确 其 结 构 特 征 取决 于 气 体 组 成 ;指 出 了 天 然 气 水 合 物 的 稳 定 性 对大 气 甲 烷 含 量 影 响 的 问 题 ;开 发 出 了 3种 开 采 天然 气 水 合 物 的 方 法 (热 激 化 法 、 减 压 法 和 注 入 抑制 剂 法 ) ,并 确 证 热 激 化 法 和 减 压 法 二 者 的 结 合使 用 较 为 经 济 实 用 ;对 全 球 天 然 气 水 合 物 资 源 量有 了 基 本 统 一 的 估 算 ,相 当 于 ( 211~ 410) × 1016 烷 ;提 出 了 全 球 气 候 变 化 对 海 底 和 极 地 天然 气 水 合 物 的 不 同 影 响 [ 4 ]。21113  20世 纪 90年 代 的 新 进 展研 究 方 法 上 ,传 统 的 天 然 气 水 合 物 研 究 主 要借 助 于 地 质 反 射 剖 面 上 的 异 常 反 射 特 征 ,即 白 反 射 带 及 反 射 极 性 反 转 的 识 别 来 进 行 。 20世 纪 90年 代 以 后 ,在 理 论 研 究 和 找 矿 研 究 方 面 运用 了 一 些 新 方 法 和 新 技 术 。 包 括 固 态 水 合 物 相 的热 力 学 测 量 、 水 合 物 的 计 算 表 征 、 地 球 物 理 方 法 、地 球 化 学 方 法 和 自 生 沉 积 矿 物 学 法 。 研 究 内 容上 ,对 天 然 气 水 合 物 的 研 究 仍 然 集 中 在 资 源 、 环 境和 全 球 气 候 3个 方 面 ,但 研 究 深 度 大 大 增 加 [ 5 ]。212  天 然 气 水 合 物 研 究 现 状日 本 对 天 然 气 水 合 物 的 研 究 开 发 处 于 领 先 地位 。 1998年 ,日 本 国 家 石 油 公 司 与 加 拿 大 地 质 测量 局 和 美 国 地 质 测 量 局 合 作 ,在 加 拿 大 西 北 部 三角 洲 进 行 首 次 试 钻 ,取 得 地 下 1 150 冻 土层 天 然 气 水 合 物 砂 质 岩 心 。 国 家 石 油 公 司 在 北 海道 附 近 进 行 了 天 然 气 水 合 物 的 勘 探 和 资 源 储 量 评价 。 目 前 该 公 司 的 目 标 是 在 两 个 地 点 打 试 采 井 ,2010年 实 现 商 业 性 生 产 。 据 日 本 有 关 方 面 估 算 ,在 日 本 海 域 仅 开 采 水 合 物 可 采 储 量 的 1 /10,可 向日 本 提 供 100年 的 天 然 气 供 应 。1999年 ,美 国 政 府 制 定 了 《 国 家 甲 烷 水 合 物多 年 研 究 和 开 发 项 目 计 划 》 ,预 期 可 建 立 天 然 气水 合 物 矿 床 气 体 资 源 评 价 体 系 、 发 展 商 业 生 产 技术 ,了 解 和 定 量 评 价 甲 烷 水 合 物 在 全 球 碳 循 环 中的 作 用 及 其 与 全 球 气 候 变 化 的 相 关 性 ,解 决 水 合物 工 程 技 术 和 海 底 稳 定 性 问 题 。加 拿 大 地 质 测 量 局 在 胡 安 — 德 富 卡 洋 中 脊 斜坡 区 的 工 作 引 人 注 目 ,水 合 物 评 价 储 量 1 800 ×108 当 量 。 在 加 拿 大 西 北 部 永 久 冻 土 带 钻探 的 麦 肯 齐 河 三 角 洲 38井 深 1 150 的 37 保 留 了 天 然 气 水 合 物 层 序 互 层的 特 征 。印 度 是 继 日 本 之 后 提 出 天 然 气 水 合 物 研 究 计划 的 第 二 个 国 家 。 其 目 的 是 迅 速 摸 清 全 国 水 合 物资 源 的 资 源 量 ,为 经 济 开 采 做 准 备 。俄 罗 斯 自 20世 纪 70年 代 末 以 来 ,先 后 在 黑海 、 里 海 、 白 令 海 、 鄂 霍 茨 克 海 、 千 岛 海 沟 和 太 平 洋9第 12卷 第 2期                           张 文 亮 等 1天 然 气 水 合 物 研 究 历 程 及 发 展 趋 势                           2005年 3月西 南 部 等 海 域 进 行 海 底 天 然 气 水 合 物 研 究 ,发 现具 有 工 业 价 值 的 区 域 ,近 期 仍 在 对 巴 伦 支 海 和 鄂霍 茨 克 海 的 天 然 气 水 合 物 进 行 研 究 。德 国 于 20世 纪 80年 代 与 印 尼 等 国 对 西 南 太平 洋 的 边 缘 海 进 行 过 联 合 研 究 ,在 莽 拉 威 西 海 发现 海 底 天 然 气 水 合 物 的 识 别 标 志 。 目 前 ,德 国 正在 筹 划 大 规 模 的 国 家 研 究 计 划 ,可 能 计 划 与 俄 罗斯 合 作 研 究 鄂 霍 茨 克 海 的 海 底 水 合 物 。此 外 ,研 究 天 然 气 水 合 物 的 国 家 还 有 韩 国 、 挪威 和 欧 洲 一 些 国 家 ,欧 洲 联 盟 已 拨 出 专 款 ,研 制 天然 气 传 感 器 和 专 用 的 水 合 物 取 样 工 具 ,在 北 大 西洋 开 展 天 然 气 水 合 物 调 查 ,查 清 资 源 量 。213  我 国 天 然 气 水 合 物 研 究 现 状我 国 在 20世 纪 80年 代 末 开 始 关 注 天 然 气 水合 物 的 研 究 。 2004年 4月 水 合 物工 作 组 中 国 地 区 会 议 暨 研 讨 会 在 北 京 召 开 ,讨 论了 全 球 式 的 天 然 气 水 合 物 信 息 系 统 的 建 设 和 数 据共 享 。 中 科 院 也 建 立 了 重 要 方 向 性 项 目 “ 天 然 气水 合 物 勘 探 开 采 模 拟 研 究 ” 平 台 ,为 系 统 地 研 究天 然 气 水 合 物 奠 定 了 基 础 。研 究 表 明 ,我 国 的 许 多 海 区 具 有 天 然 气 水 合物 形 成 的 条 件 ,我 国 东 海 陆 坡 、 南 海 北 部 陆 坡 、 台湾 东 北 和 东 南 海 域 、 冲 绳 海 槽 、 东 沙 和 南 沙 海 槽 等地 域 均 有 天 然 气 水 合 物 产 出 的 良 好 地 质 条 件 ;此外 ,初 步 勘 查 表 明 ,我 国 是 世 界 冻 土 第 三 大 国 ,尤其 是 青 藏 高 原 是 多 年 生 冻 土 带 ,可 能 埋 藏 着 丰 富的 天 然 气 水 合 物 。经 过 我 国 科 学 家 对 我 国 海 域 天 然 气 水 合 物 进行 研 究 ,主 要 成 果 有 : ① 针 对 天 然 气 水 合 物 的 地 球物 理 属 性 研 究 认 为 ,水 合 物 成 矿 带 的 顶 、 底 面 是 一个 客 观 存 在 的 物 性 界 面 , 底 面 的 标 志 。对 位 置 的 温 压 场 研 究 表 明 :南 海 海 域 水合 物 发 育 的 温 压 场 条 件 与 全 球 范 围 内 相 关 海 域 水合 物 发 育 温 压 场 环 境 具 有 较 好 的 可 比 性 。 ② 对 天然 气 水 合 物 沉 积 学 的 研 究 表 明 ,天 然 气 水 合 物 主要 分 布 于 在 三 角 洲 前 缘 与 浅 海 接 壤 处 ,在 浅 海 与半 深 海 连 接 处 也 有 少 量 分 布 ,它 们 所 对 应 的 砂 泥岩 在 25% ~ 50% ,说 明 天 然 气 水 合 物 一 般 存 在 于地 形 转 折 处 的 下 端 、 岩 性 中 等 偏 细 的 沉 积 层 中 。③ 在 对 地 质 、 地 球 物 理 以 及 地 球 化 学 综 合 分 析 的基 础 上 ,根 据 地 震 剖 面 的 解 释 成 果 ,初 步 圈 定 了 南海 海 域 的 有 利 远 景 区 。 相 关 的 地 球 化 学 资 料 以 及高 分 辨 率 地 震 资 料 研 究 表 明 ,南 海 北 部 具 有 天 然气 水 合 物 较 为 有 利 的 成 矿 环 境 。3  天 然 气 水 合 物 研 究 发 展 趋 势天 然 气 水 合 物 的 开 发 利 用 必 将 对 世 界 及 我 国能 源 发 展 及 经 济 繁 荣 产 生 重 大 影 响 ,同 时 也 对 基础 研 究 提 出 了 更 高 的 要 求 ,并 为 之 提 供 了 更 广 阔的 天 地 。 近 年 来 ,天 然 气 水 合 物 的 物 理 化 学 性 质进 一 步 被 认 识 和 掌 握 ,研 究 方 法 不 断 发 展 和 更 新 ;水 合 物 生 成 、 分 解 动 力 学 逐 渐 被 认 识 、 重 视 和 发展 ;天 然 气 水 合 物 的 开 发 利 用 受 到 世 界 各 国 的 重视 。 但 要 使 大 规 模 开 采 水 合 物 成 为 可 能 ,还 要 做大 量 的 基 础 研 究 工 作 。4  结 论 与 认 识虽 然 目 前 对 天 然 气 水 合 物 的 研 究 已 达 到 一 定水 平 ,但 仍 有 以 下 一 些 科 学 问 题 需 要 进 一 步 研 究 :(1)水 合 物 的 结 构 、 稳 定 性 、 物 理 化 学 性 质 、形 成 与 分 解 的 热 动 力 学 规 律 的 进 一 步 认 识 和 掌握 ,丰 富 基 础 数 据 ,建 立 基 本 模 型 。(2)地 层 (多 孔 介 质 )中 水 合 物 的 形 成 与 分 解性 能 研 究 、 方 法 描 述 ,解 决 开 采 基 础 问 题 及 多 孔 介质 中 水 合 物 的 形 成 与 分 解 性 能 和 储 放 气 规 律 及 动力 学 问 题 研 究 。(3)天 然 气 水 合 物 的 成 藏 机 理 、 天 然 气 水 合物 的 开 采 利 用 技 术 研 究 及 水 合 物 对 海 底 地 质 灾 害和 全 球 气 候 变 化 的 影 响 。(4)天 然 气 工 业 处 理 系 统 中 水 合 物 的 预 报 与清 除 ,新 型 水 合 物 促 进 /抑 制 机 理 及 关 键 技 术 ;水合 物 地 质 学 、 矿 藏 分 布 与 资 源 量 计 算 ,水 合 物 地 球化 学 与 地 球 物 理 调 查 ,找 矿 标 志 。参 考 文 献1  史 斗 ,郑 军 卫 1世 界 天 然 气 水 合 物 研 究 开 发 现 状 和 前 景 1地球 科 学 进 展 , 1999, 14 (4) : 330~ 3382  雷 怀 彦 ,王 先 彬 ,房 玄 等 1天 然 气 水 合 物 研 究 现 状 与 未 来 挑战 1沉 积 学 报 , 1999, 17 (3) : 493~ 4973  姚 宇 澄 ,殷 福 珊 1天 然 气 水 合 物 研 究 进 展 1化 学 进 展 , 1997, 9(3) : 319~ 3264  王 达 ,庞 馨 萍 ,李 常 茂 1关 于 天 然 气 水 合 物 开 发 问 题 的 思 考 1探 矿 工 程 , 2000, (4) : 1~ 35  W . A. M. R . J. D 8213(编 辑   滕 春 鸣 )012005年 3月                               断 块 油 气 田                                 第 12卷 第 2期12  2 005 - 12  2  M   2005
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