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天然气水合物调查和研究现状


摘 要

天然气水合物(gas hydrate)是一种白色固体结晶物质,它是由天然气与水 所组成,呈固体状态,其外貌极象冰雪或固体酒精,点火即可燃烧,因此有人称 其为“可燃冰” 、 “气冰” 、 “固体瓦斯” 。随着世界上石油、天然气资源的日 渐耗尽,各国的科学家正在致力于寻找新的接替能源。天然气水合物被称为 21 世 纪具有商业开发前景的战略资源,正受到各国

科学家和各国政府的重视。本文简 介了天然气水合物和各国对其化合物物资源调查和研究现状。

关键词:天然气水合物;固态甲烷;资源调查;研究现状

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目 录

第一章 概 述 .......................................................................................................... 1 第二章 什么是天然气水合物 ................................................................................ 2 第三章 国际上天然气水合物资源调查、研究现状 ............................................ 2 第四章 我国有关天然气水合物的研究、调查现状 ............................................ 5 第五章 意见与建议 ................................................................................................ 7 参考文献 .................................................................................................................. 9 致 谢 ...................................................................................................................... 10

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第一章 概 述

人类的生存发展离不开能源。当人类学会使用第一个火种时便开始了能源应 用的漫长历史。几千年来,人类所使用的能源已经历了三代,正在向第四代能源 时代迈进。主体能源的更替充分反映出人类社会和经济的进步与发展。第一代能 源为生物质材,以薪柴为代表;第二代能源以煤为代表;第三代能源则是石油、 天然气和部分核裂变能源。实际上,第二代和第三代能源是以化石燃料为主体, 第四代能源的构成将可能是核聚变能、氢能和天然气水合物。 核聚变能主要寄希望于 3He,它的资源量虽然在地球上有限(10~15t) ,但在 月球的月壤中却极为丰富(100~500 万 t) 。氢能是清洁、高效的理想能源,燃烧 耐仅产生水(H2O) ,并可再生,氢能主要的载体是水,水体占据着地球表面的 2/3 以上,蕴藏量大。天然气水合物的主要成分是甲烷(C4H)和水,甲烷气燃烧十分 干净,为清洁的绿色能源,其资源量特别巨大,开发技术较为现实,有可能成为 21 世纪的主体能源,是人类第四代能源的最佳候选。 天然气水合物往往分布于深水的海底沉积物中或寒冷的永冻土中。埋藏在海 底沉积物中的天然气水合物要求该处海底的水深大于 300-500m, 依赖巨厚水层的 压力来维持其固体状态。但它只可存在于海底之下 500m或 1000m的范围以内, 再往深处则由于地热升温其固体状态易遭破坏。储藏在寒冷永冻土中的天然气水 合物大多分布在四季冰封的极圈范围以内。煤、石油以及与石油有关的天然气(高 烃天然气)等含碳能源是地质时代生物遗体演变而成的,因此被称为化石燃料。 从含碳量估算,全球天然气水合物中的含碳总量大约是地球上全部化石燃料的两 倍。因此,据最保守的统计,全世界海底天然气水合物中贮存的甲烷总量约为 1.8×108 亿m3,约合 11 万亿 t(11×1012t) 。数亿如此巨大的矿物能源是人类未 来动力的希望。
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第二章 什么是天然气水合物

天然气水合物(gas hydrate)是一种白色固体结晶物质,它是由天然气与水 所组成,呈固体状态,其外貌极象冰雪或固体酒精,点火即可燃烧,因此有人称 其为“可燃冰” 、 “气冰” 、 “固体瓦斯” 。天然气水合物由水分子和燃气分子 构戚,外层是水分子格架,核心是燃气分子。燃气分子可以是低烃分子、二氧化 碳或硫化氢,但绝大多数是低烃类的甲烷分子(C4H) ,所以天然气水合物往往称之 为甲烷水合物(methane hydrate) 。据理论计算,1m3 的天然气水合物可释放出
3 3 164m 的甲烷气和 0.8m 的水。这种固体水合物只能存在于一定的温度和压力条

件下,一般它要求温度低于 0~10℃,压力高于 10MPa,一旦温度升高或压力降低, 甲烷气则会逸出,固体水合物便趋于崩解。地球上主要存在于陆地上的永久冻土 带和海洋沉积物中。天然气水合物的结晶格架主要由水分子构成,在不同的低温 高压条件下,水分子结晶形成不同类型多面体的笼形结构。天然气水会物的结构 类型有:Ⅰ、Ⅱ和 H 型。Ⅰ型为立方晶体结构、Ⅱ型为菱型晶体结构、H 型为六方 晶体结构。Ⅰ型天然气水合物在自然界颁最广,而Ⅱ及 H 型水合物更为稳定。

第三章 国际上天然气水合物资源调查、研究现状

随着世界上石油、天然气资源的日渐耗尽,各国的科学家正在致力于寻找新 的接替能源。天然气水合物被称为 ZI 世纪具有商业开发前景的战略资源,正受到 各国科学家和各国政府的重视。 自 60 年代开始,俄、美、巴德、英、加等许多发达国家,甚至一些发展中国 家对其也极为重视,开展了大量的工作

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俄罗斯自 60 年代开始,先后在白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、黑海、里海 等开展了天然气水合物调查,并发现有工业意义的矿体。即使近期经济比较困难, 仍坚持在巴伦支海和鄂霍茨克海等海域进行调查或研究工作。位于西西伯利亚东 北部的 Messoyakha 天然气水合物矿田已成功生产了 17 年。 美国科学家早在 1934 年首次在输气管道中发现了天然气水合物,它堵塞了管 道,影响了气体的输送而开始了对水合物结构及形成条件的研究。随后美、加在 加拉斯加北坡、马更些三角洲冻土带相继发现了大规模的水合物矿藏。70 年代初 英国地调所科学家在美国东海岸大陆边缘所进行的地震探测中发现了"似海底反 射层"(Bottom Similating,Reflector,英文称 BSR) 。紧接着于 1974 年又在深 海钻探岩芯中获取天然气水合物样品,并释放出大量甲烷,证实了"似海底反射" 与天然气水含物有关。1979 年美国借助深海钻探计划(DSDP)和大洋钻探计划 (ODP) ,长期主持和组织了此项工作,最早指出天然气水合物为未来的新型能源, 并绘制了全美天然气水含物矿床位置图。积极参加这项工作的还有英国、加拿大、 挪威、日本和法国等。1991 年美国能源部组织召开"美国国家天然气水合物学术讨 论会"。最为重要的是 1995 年冬 ODP64 航次在大西洋西部布莱克海台组织了专门 的天然气水合物调查,打了一系列深海钻孔,首次证明天然气水会物广泛分布, 肯定其具有商业开发的价值。同时指出天然气水会物矿层之下的游离气也具有经 济意义。以甲烷碳量计算,初步估计该地区天然气水合物资源量多达 100 亿吨, 可满足美国 105 年的天然气消耗。在天然气水合物取得一系列研究成果的基础上, 美国地质学会主席莫尔斯于 1996 年把天然气水合物的发现作为当今六大成就之 一。因此,美国参议院于 1998 年通过决议,把天然气水合物作为国家发展的战略 能源列入国家级长远计划,要求能源部和美国地质调查局等有磁部门组织实施, 其内容包括资源详查、生产技术、全球气候变化、安全及海底稳定性等五方面的 问题,拟每年投人资金 2000 万美元,要求 2010 年达到计划目标,20 年将投入商 业性开发。

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亚洲东北亚海域是天然气水合物又一重要富集区。80 年代末 ODP127、131 航 次在日本周缘海域进行钻探,获得了天然气水会物及 BSR 异常广布的重要发现。 美国能源部的 Krason 在 1992 年日本东京召开的第 29 届国际地质大会上表明在日 本周缘海域共发现 9 处的 BSR 分布区。天然气水合物矿层位于海底以下 150-300M 处,矿层厚度分别为 3m、5m、7m,总厚为 15m。估计在日本南海海槽的 BSR 颁面 积约 35000Km2。由于美国能源部发表了上述评估数据,加之日本油气能源短缺, 它引起了日本通产省、科技界及企业界的高度重视。1995 年日本通产省资源能源 厅石油公司(JNOC)联合 10 家石油天然气私营企业制定了 1995-l999 年宏伟的" 甲烷天然气水合物研究及开发推进初步计划",投资 6400 万美元。通过对日本周 边海域,特别是南海海槽、日本海东北部的鄂霍茨克海的靶区调查,发现南海海 槽水合物位于水深 850—1150m 离岸较近,易于开发。水会物赋存一砂岩和火山沉 积物中,其也隙度为 35%,水合物充填率达 85%,初步评价,日本南海海槽的天 然气水合物甲烷资源量为 7.4×l012m ,可满足日本 100 年的能源消耗。 德国从 80 年代后期还曾利用“太阳号”调查船与其他国家合作,先后对东太 平洋俄勒冈海域的卡斯凯迪亚增生楔,以及西南太平洋和白令海域进行了水合物 的调整。在南沙海槽、苏拉威西海、白令海等地都发现了与水合物有关的地震标 志,并获取了水合物样品。 印度在 1995 年全国地质地球物理年会上统一了认识,认为天然气水含物已成 为现今地质工作的主题。在印度科学和工业委员会的领导下制定了"全国天然气水 合物研究计划",投资 5600 万美元。迄今为止,印度已在其东西地区发现了多处 地球物理异常,显示出良好的找矿前景。 韩国资源研究所和海洋开发研究所于 1997 年开始在其东南部近海郁龙盆地进 行水含物调查,相继发现了略受变形的 BSR、振幅空白带、浅气层、麻炕、海底滑 坡、菱锰结核等一系列与水会物相关的标志。
2 新西兰在北岛东岸近海水深 1-3Km,发现面积大于 4×104km 的 BSR 分布区。 3

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澳大利亚近年在其东部豪勋爵海底高原发现 BSR 分布面积达 8×104km 。 巴基斯坦在阿曼湾开展了水会物调查,也取得了进展。 加拿大西侧胡安一德赛卡洋中脊斜坡区发现约 1800 亿油当量的天然气水合物 资源量。 总之,目前已调查发现并圈定有天然气水合物的地区主要分布在西太平洋海 域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、南海海槽、 苏拉威西海、新西兰北岛;东太平洋海域的中美海槽、北加利福尼亚一俄勒冈滨 外、秘鲁海槽;大西洋海域的美国东海岸外布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海、 南美东海岸外陆缘、非洲西西海岸海域;印度洋的阿曼海湾;北极的巴伦支海和 波弗特海;南极的罗斯海和威德尔海,以及黑海与里海等。目前世界这些海域内 有 88 处直接或间接发现了天然气水合物,其中 26 处岩心见到天然气水会物,62 处见到有天然气水合物地震标志的似海底反射(BSR) ,许多地方见有生物及碳酸 盐结壳标志。据专家估算:在全世界的边缘海、深海槽区及大洋盆地中,目前已 发现的水深 3000m 以内沉积物中天然气水会物中甲烷资源量为 2.1×1016m3(2.l 万万亿 m3) 。水合物中甲烷的碳总量相当于全世界已知煤、石油和天然气总量的二 倍。可满足人类 1000 年的需求,其储量之大,分布面积之广,是人类未来不可多 得的能源。以上储量的估算尚不包括天然气水合物层之下的游离气体。

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第四章 我国有关天然气水合物的研究、调查现状

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合物存在的似海底地震反射层(BSR)标志。并在对海

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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。 自 1984 年始,我国地质界对国外有关水会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 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。完成三条高分辩率地震测线共 543.3km。2000 年 9-11 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含物的 调查。共完成高分辩率多道地震 1593.39km、多波束海底地形测量 703.5km、地球 化学采样 20 个、孔隙水样品 18 个、气态烃传感器现场快速测定样品 33 个。获得 突破性进展。资料表明:地震剖面上具明显似海底反射界面(BSR)和振幅空白带。 "BSR"界面一般位于海底以下 300-700m,最浅处约 180m。振幅空白带或弱振幅带 厚度约 80-600m, “BSR”分布面积约 2400km 。以地震为主的多学科综合调查表明: 海域天然气水合物主要赋存于活动大陆边缘和非活动大陆边缘的深水陆坡区,尤 以活动陆缘俯冲带增生楔区、非活动陆缘和陆隆台地断褶区水含物十分发育。根 据 ODP184 航次 1144 钻井资料揭示,在南海海域东沙群岛东南地区,l 百万年以来 沉积速率在每百万年 400-1200m 之间,莺歌海盆地中中新世以来沉积速度很大。 资料表明:南海北部和西部陆坡的沉积速率和已发现有丰富天然气水合物资源的 美国东海岸外布莱克海台地区类似。南海海域水含物可能赋存的有利部位是:北 部陆坡区、西部走滑剪切带、东部板块聚合边缘及南部台槽区。本区具有增生楔 型双 BSR、槽缘斜坡型 BSR、台地型 BSR 及盆缘斜坡型 BSR 等四种类型的水合物地 震标志 BSR 构型。从地球化学研究发现南海北部陆坡区和南沙海域,经常存在临 震前的卫星热红外增温异常,其温度较周围海域升高 5-6℃,特别是南海北部陆坡
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区,从琼东南开始,经东沙群岛,直到台湾西南一带,多次重复出现增温异常, 它可能与海底的天然气水会物及油气有关。 综合资料表明:南海陆坡和陆隆区应有丰富的天然气水合物矿藏,估算其总 资源量达 643.5-772.2 亿吨油当量,大约相当于我国陆上和近海石油天然气总资 源量的 1/2。 西沙海槽位于南海北部陆坡区的新生代被动大陆边缘型沉积盆地。新生代最 大沉积厚度超过 7000m,具断裂活跃。水深大于 400m。基于应用国家 863 研究项 目"深水多道高分辨率地震技术"而获得了可靠的天然气水合物存在地震标志:1) 在西沙海槽盆北部斜坡和南部台地深度 200-700m 发现强 BSR 显示,在部分测线可 见到明显的 BSR 与地层斜交现象。2)振幅异常,BSR 上方出现弱振幅或振幅空白 带,以层状和块状分布,厚度 80-450m。3)BSR 波形与海底反射波相比,出现明 显的反极性。4)BSR 之上的振幅空白带具有明显的速度增大的变化趋势。资料表 明:南海北部西沙海槽天然气水合物存在面积大,是一个有利的天然气水合物远 景区。 2001 年,中国地质调查局在财政部的支持下,广州海洋地质调查局继续在南 海北部海域进行天然气水合物资源的调查与研究,计划在东沙群岛附近海域开展 高分辨率多道地震调查 3500km,在西沙海槽区进行沉积物取样及配套的地球化学 异常探测 35 个站位及其他多波束海底地形探测、 海底电视摄像与浅层剖面测量等。 另据我国台大海洋所及台湾中油公司资料,在台西南增生楔,水深 500-2000m 处 广泛存在 BSR,其面积 2×104km2。并在台东南海底发现大面积分布的白色天然气 水合物赋存区。

第五章 意见与建议

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1、鉴于天然气水合物是 21 世纪潜在的新能源,它正受到各国科学家和各国 政府的重视,其调查研究成果日新月异,故及时了解、收集、交流这方面的情况、 勘探方法及成果尤为重要,为赶超国际天然气水合物调查、研究水平,促进我国 天然气水会物的调查、勘探与开发事业,为我国经济的持续发展做出新贡献,建 议每两年召开一次全国性的“天然气水合物调查动态、勘探方法和成果研讨会” 。 2、我国南海广阔的陆坡及东海部分陆坡具有形成天然气水含物的地质条件, 建议尽快开展这两个海区的天然气水含物的调查研究工作,为我国国民经济可持 续发展提供新能源。 3、天然气水合物的开采方法目前主要在热激化法、减压法和注人剂法三种。 开发的最大难点是保证井底稳定,使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。针对这一 问题,日本提出了"分子控制"开采方案。天然气水会物矿藏的最终确定必须通过 钻探,其难度比常规海上油气钻探要大得多,一方面是水太深,另一方面由于天 然气水合物遇减压会迅速分解,极易造成井喷。日益增多的成果表明,由自然或 人为因素所引起温压变化,均可使水合物分解,造成海底滑坡、生物灭亡和气候 变暖等环境灾害。因而研究天然气水合物的钻采方法已迫在眉捷,建议尽快开展 室内外天然气水合物钻采方法的研究工作。

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参考文献

[1] 雷怀彦,王先彬,房玄,郑艳红.天然气水合物研究现状与未来挑战.沉积学 报.1999 年 03 期 [2] 史斗, 郑军卫.世界天然气水合物研究开发现状和前景.地球科学进展.1999 年 04 期 [3] 栾锡武,初凤友,赵一阳,秦蕴珊,陈左林.我国东海及邻近海域气体水合物可 能的分布范围.沉积学报.2001 年 02 期 [4] 陈作义,杨晓西,叶国兴,丁静,李文国.天然气水合物概况及最新研究进展.海 洋通报.2002 年 03 期 [5] 杨帆,李治平,李庚,周金应,张世浩.天然气水合物的研究现状与展望.资源与 产业.2007 年 02 期 [6] 史斗,郑军卫.我国能源发展战略研究.地球科学进展.2000 年 04 期 [7] 孙萍.天然气水合物——二十一世纪的新能源.海洋地质动态.1998 年 12 期 [8] 金庆焕.天然气水合物——未来的新能源.中国工程科学.2000 年 11 期 [9] 姚宇澄,殷福珊.天然气水合物研究进展.化学进展.1997 年 03 期 [10] 李强,王焕新.天然气水合物—一种巨大的潜在能源.能源研究与利用.1996 年 03 期

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致 谢

在本次论文设计过程中,李天增老师对该论文从选题,构思到最后定稿的各 个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。在学习中,老师严 谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮 人不倦的师者风范是我终生学习的楷模,导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的 治学精神,将永远激励着我。这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此, 谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意! 最后,我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅,评议和参与本人论文答辩的 各位老师表示感谢。

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