1、8.天然气水合物,能源与机械工程学院 李传统,8.天然气水合物,8.1概述 8.2天然气水合物物化性质 8.3研究天然气水合物的历史 8.4从水合物提取天然气的方法 8.5天然气水合物现状和发展趋势,8.1概述,9.1.1天然气水合物的特点 天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate），俗称可燃冰，是低温、高压下由水和天然气组成类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。可用MnH2O来表示，M代表水合物中的气体分子，n为水分子数。气体成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。水合物的主要气体为甲
2、烷，对甲烷分子含量超过99的天然气水合物通常称为甲烷水合物（Methane Hydrate）。在标准状态下，1m3水合物分解最多可产生164m3的甲烷气体。,Burning Gas Hydrate Pellets,6,Gas hydrate,Energy Source Factor in ClimateChange,7,8.1.2天然气水合物的分布,天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、大陆边缘的隆起处、极地大陆架、海洋和一些内陆湖的深水环境。 陆地约30%面积可能赋存天然气水合物；海底90%面积可能赋存天然气水合物。,8.1.3形成天然气水合物的条件,天然气水合物的形成需具备四
3、个基本条件： 气体和水的富集； 足够低的温度； 较高的压力； 一定的孔隙空间。,A Global Inventory of Natural Gas Hydrate Occurrence,USGS, 2001. More information: http:/walrus.wr.usgs.gov/globalhydrate/,Tibetan Plateau,8.1.4天然气水合物的资源量,已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。陆地下的气水合物在2002000m深处，洋底之下沉积物中的气水合物埋深500800m。据估计，永久冻土区天然气水合物资源
4、量为1.410133.41016m3，包括海洋天然气水合物在内资源总量为7.61018m3。储存在气水合物中的碳至少有11013t，是当前已探明的所有化石燃料（包括煤、石油和天然气）中碳含量总和的2倍。,How Much May Exist?,Gas Hydrate,15,8.2天然气水合物物化性质,自然界存在的天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色等轴状、层状、小针状结晶体或分散状。它可存在于零度以下和零度以上的温度环境。从取得的岩心样品看，气水合物可以多种方式存在： （1）占据大的岩石孔隙； （2）散布于细粒岩石中； （3）填充在裂缝中； （4）大块固态水合物伴随少量沉积物。,8.2
5、天然气水合物物化性质,天然气水合物中，水分子形成一种空间点阵结构，气体分子则充填于点阵间的空穴中，气体和水之间没有化学计量关系。形成点阵的水分子之间靠较强的氢键结合，而气体分子和水分子之间的作用力为范德瓦尔力（引力）。,现已发现的天然气水合物结构有三种：结构 I 型、结构 II 型和结构H型。结构 I 型为立方晶体结构，其在自然界分布最为广泛，仅能容纳甲烷、乙烷这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的形式是构成CH45.75H2O的几何构架；结构 II 型气水合物为菱型晶体结构，除包容甲烷、乙烷等小分子外，较大的“笼子”（水合物晶体中水分子间的空穴）还可容
6、纳丙烷及异丁烷等烃类；结构H型气水合物为六方晶体结构，其大的“笼子”甚止可以容纳直径超过异丁烷。 II 型和H型水合物比 I 型水合物更稳定。三种结构可以单独存在或共存。,What are Gas Hydrates?,19,8.3研究天然气水合物的历史,1832年法拉第在实验室合成氯气水合物Cl210H2O 1884年Roozeboom提出了天然气水合物形成的相理论 1960年前苏联首先在地层中发现了天然气水合物 1990年，中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程实验室科研人员曾与莫斯科大学冻土专业学者.列别琴科博士成功地进行了天然气水合物人工合成实验 2000年我国南海海域发现富存有大量的天然
7、气水合物,Ocean Drilling Program,2002: Hydrate Ridge, Pacific Northwest U.S. 1995: Blake Ridge, U.S. Atlantic 1982: Deep Sea Drilling Program, Middle-America Trench: first hydrate cores,Natural Resources Canada,23,8.4从水合物提取天然气的方法,热激发法 将蒸气、热水、热盐水或其它热流体从地面泵入水合物地层，或采用开采重油时使用的火驱法或利用钻柱加热器，能促使温度上升达到水合物分解的方法都可称
8、为热激发法。,热开采技术会造成大量的热损失，效率低。在永久冻土区，即使利用绝热管道，永冻层也会带走传递给储集层的有效热量。为了提高热激发法的效率，采用井下装置加热技术，如井下电磁加热。这种方法就是在垂直（或水平）井中沿井的延伸方向在紧邻水合物带的上下（或水合物层内）放入不同的电极，利用交流电直接对储层进行加热。储层受热后压力降低，通过膨胀产生气体。,8.4从水合物提取天然气的方法,化学试剂法 采用诸如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化学试剂可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度。当将上述化学试剂从井孔泵入后，就会引起水合物的分解。化学试剂法较热激发法作用缓慢，但确有降低初始能源输
9、入的优点。缺点是费用太昂贵。由于大洋中水合物的压力较高，因而不宜采用此方法。俄罗斯的梅索雅哈气田使用过；美国阿拉斯加的永冻层水合物中做过实验。,8.4从水合物提取天然气的方法,减压法 通过降低压力而引起天然气水合物稳定的相平衡曲线的移动，从而达到促使水合物分解的目的。开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法。另外，通过调节天然气的提取速度可以达到控制储层压力的目的，进而达到控制水合物分解的效果。减压法最大的特点是不需要昂贵的连续激发，因而其可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。但单独使用减压法开采天然气的是很慢的。,8.4从水合物提取天然气的方法,从以上三种方法来看，单
10、独采用某一种方法来开采天然气水合物是不经济的，只有结合不同方法的优点才能达到对水合物的有效开采。若将降压法和热开采技术结合使用，将会展现出诱人的前景，即：用热激发法分解气水合物，而用降压法提取游离气体。,Production Technologies,Chemical Injection CO2 Hydrate Inhibitor (methanol),CO2,CH4,Power Plant,Hydrate Containing Sediment,Sea floor,32,Fusion method,For the gas production from hydrates and the se
11、abed stability after the production1) injection of hot sea water into the hydrate layer to dissociate the hydrates, 2) produce gas from the hydrate, 3) inject CO2 to form carbon dioxide hydrate with residual water to hold the sea bed stable,33,8.5天然气水合物现状 和发展趋势,世界上已有100多个地区发现天然气水合物，到目前为止，仅有前苏联在西伯利亚发
12、现了第一个“可燃冰”气藏，并于1969年投入开发，采气14年，总采气50.17亿立方米。 日本、美国等国家将在2015年进行商业化试开采。加拿大、印度、韩国和挪威都制定了自己的计划。 2012年3月16日CCTV13报道，中国海洋6号勘探船将对中国南海进行详细地质勘探，估计约有600亿吨石油当量的天然气水合物。,Various issues related to extraction of gas hydrates,36,Hydrate Laboratory (Located in Trondheim- Norway),Hydrate Pilot Plant (Located in Chiba(千叶), Japan),天然气水合物开发和利用的负面影响： CH4所起的温室气体效应为CO2的1020倍，可燃冰矿藏哪怕受到最小的破坏，都足以导致甲烷气体的大量泄漏。因此，可燃冰的开发利用是一柄双刃剑，要小心对待。,复习思考题,1、简述天然气水合物的特点和资源量。 2、从水合物提出天然气的方法有哪几种？ 3、天然气水合物的研究现状和发展趋势。,
