中国海域天然气水合物勘探研究新进展

天然气水合物是中国未来最具潜力的新型替代能源。中国的天然气水合物资源量巨大，自中国开展天然气水合物勘探研究工作的17年来，中国在海域天然气水合物勘探研究方面取得了7个方面的进展，特别是2007年5月，中国地质调查局在南海神狐海域钻获近海底天然气水合物沉积样品，这是中国天然气水合物勘探上的一个重大突破。但是，中国海域天然气水合物的勘探研究还存在5个方面的主要问题：海域天然气水合物资源量预测过大；对天然气水合物成藏动力学、成藏体系研究不够，尤其是对烃源研究不够；中国在天然气水合物沉积层岩石物理方面的研究几乎还是空白；对地震剖面上的BSR、振幅空白带与天然气水合物沉积层的关系仍然不是十分清楚；中国目前的天然气水合物勘探技术研究还不够深入、不够系统。指出了中国天然气水合物勘探的光明前景。     

天然气水合物稳定性试验

作为中国未来重要的替代能源，天然气水合物受到科学界的密切关注，研究不同温度、压力等条件下天然气水合物的稳定性，从而确定其合适的储存、运输条件具有重要意义。为此，用300 mg/L的十二烷基硫酸钠溶液生成天然气水合物，试验研究天然气水合物在不同温度（-5~-25 ℃）下的常压分解；设计制造了带压实功能的水合物反应釜，试验研究用10 MPa压力对水合物进行压实后在不同温度（-10 ℃、-15 ℃和-20 ℃）下的常压分解。研究发现：压实提高了水合物的自保性，使水合物的分解速率降低；天然气水合物在大气压力下，无论压实和不压实，在-20 ℃时分解速率最低，不压实时日分解率为2.69%，完全分解需要约23 d；压实后日分解率为2.23%，完全分解需要约26 d；一定的压力下水合物的分解速度减小。     

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在天然气储运技术的发展进程中，继液化天然气、压缩天然气方式之后，天然气的水合物储运方式已受到国内外的普遍关注。利用水合物方式进行天然气储运需要解决制备、储存和再气化等问题。在其实用化的进程中，如何提高水合物制备效率，实现高密度的储存最为关键。在国家能源结构调整和实施“西气东输”的背景下，天然气水合物储存可以为能源储存和战略储备，以及解决用气负荷均衡性方面提供一种选择。为此在分析确立天然气水合物蓄能特点的基础上，对已有的天然气水合物制备强化工艺进行了分类和比较，指出在满足必要的热力学条件下，采用紊流扰动下的水合物制备工艺过程可以大大提高气—水的接触面积。在紊流扰动下的水合物制备工艺技术发展中，探索和研究此强化措施下的水合物制备过程热动力学、直接接触传热传质、诱导时间、晶核形成等问题对天然气水合物储运技术的发展具有重要作用。     

天然气水合物可生物降解抑制剂的研究进展

综述了可生物降解的淀粉、壳聚糖和果胶等绿色抑制剂对天然气水合物的抑制性能，并从诱导时间、微观角度和水合物生成量等方面与传统商业抑制剂聚乙烯基吡咯烷酮和聚乙烯基己内酰胺（PVCap）进行了抑制效果对比。淀粉对天然气水合物具有抑制性能，但抑制效果不明显；可通过合成各种壳聚糖衍生物来研究壳聚糖对天然气水合物的抑制性能；果胶对天然气水合物的抑制性能优于商业抑制剂PVCap，且用量更少。     

关于天然气水合物钻采工艺技术进展的研究

目前全球正面临着前所未有的能源危机，天然气水合物由于储量大、能量密度高而将成为一种诱人的新型能源。天然气水合物主要存在于冻土带和海洋，在地下处于低温和高压状态，以现有的技术，钻井和开采都存在很大的困难。简要介绍了天然气水合物的性质及储量，阐述了天然气水合物钻井的六个挑战及目前国外天然气水合物的两种钻探方法；同时阐述了以热力法、降压法和化学试剂注入法为主的天然气水合物开采方法，并针对天然气水合物钻采技术现状指出了下一步的研究方向。     

国外天然气水合物研究方兴未艾

随着世界石油供给的短缺，目前各国致力于天然气水合物的研究正在加强，最引人注目得是美国、印度和日本，三国均发起了雄心勃勃的研究计划。其他国家如英国、法国、澳大利亚、挪威等也制定了天然气水合物详细的研究和开发计划。天然气水合物这种非常规能源的影响将是巨大的，一些能源进口国，如印度和日本，国内水合物形成的甲烷有可能降低对昂贵能源进口的依赖性。     

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利用气体水合物储运天然气是目前世界上正在研究和开发的一项新技术,可以降低天然气储运的费用，提高天然气储运的经济性和安全性。气体水合物是一种包络状晶体化合物，在标准状况下1m^3的水合物可包含150－180m^3的天然气，其巨大的储气能力和相对温和的储气条件备受重视。水合物储运天然气除了储气量大外，在安全性方面还有其无比的优越性：水合物不易燃烧，可防止燃烧和爆炸事故发生；储存压力相对较低（4MPa左右）；发生储罐破裂等方面事故时天然气泄露速度慢。研究了气体水合物形成过程中的影响因素，讨论了水合物储运天然气的研究方向和推广应用水合物储气技术需解决的问题。     

中科院广州能源所可燃冰开采研究取得新进展

由中国科学院广州能源研究所天然气水合物中心承担的“天然气水合物(可燃冰)开采中若干关键问题的研究”，在天然气水合物于多孔介质中的形成分解条件、外场控制天然气水合物分解速度、化学药剂对天然气水合物分解的影响、天然气水合物热物理性质等相关基础研究方面取得了重要进展。     

南海北部陆坡天然气水合物地震识别研究

天然气水合物的存在改变沉积地层的声学特征，使得多道地震勘探成为发现天然气水合物的主要手段。地震识别首先通过地震剖面上独特的地震反射特征初步判断，然后经过地震反演获得地层的速度场分布，从而确定天然气水合物的存在及分布。南海北部陆坡是天然气水合物形成并稳定存在的有利区域，其多道地震反射剖面上具有明显的天然气水合物存在标志，包括强振幅的似海底反射（BSR）、振幅空白带、BSR与地层斜交等典型地震反射特征。文章以南海北部陆坡区的多道高分辨率地震数据为基础，探讨了天然气水合物地震识别的地震成像和波阻抗反演这二个方面的关键技术；研究结果不但突出了含天然气水合物地层的地震反射特征，并得到与天然气水合物最相关的地层岩性参数--声波速度；地震反射特征与速度场异常分别为天然气水合物的识别提供了定性和定量的地球物理证据；根据声波速度场的分布，可以推断存在于研究区地层的天然气水合物主要分布在靠近BSR的上覆沉积地层中。     

双碳背景下天然气水合物开发的研究思路

大规模开发天然气水合物是中国能源发展的重要战略之一,也是实现碳达峰、碳中和目标的重要举措之一,梳理天然气水合物的开发研究思路对实现双碳目标有着重要意义。本文系统阐述了天然气水合物的开采方法和国内外试采工程的研究现状,在此基础上提出了我国天然气水合物大规模开发面临挑战,包括环境地质灾害的防治、高效经济型的大规模开采和配套的关键技术设备。最后提出了在CCUS、除砂设备及储层改造三个方面的研究思路。为我国的天然气水合物开采的进一步研究提供了一定的指导方向。     

我国21世纪非常规能源的战略研究

天然气水合物作为一种新的烃类资源在人类未来能源中具有极大的潜力,天然气水合物由于储气量大、成本低,与天然气液化、管道输送相比,有一定的优势。由于天然气水合物大多储藏在水深300m以下的海底沉积物及冻土地带中,我国多年冻土面积占国土面积的22.4%~27.0%,主要分布在青藏高原和东北内蒙、黑龙江省的北部。我国即将修建的青藏铁路沿线(羌塘盆地)正好处于4000~5000m以上的高寒地区,广泛分布着永冻层,据估计永冻层长达510多公里,是形成天然气水合物的良好环境,这一带又严重缺乏燃料。建议将天然气水合物“可燃冰”列入中国国土资源勘探计划。开采天然气水合物对于解决21世纪中国能源问题显得特别重要,根据日本开采南海海槽的甲烷天然气水合物和前苏联开采位于西西伯利亚东北的叶尼塞—哈坦加坳陷的麦索亚哈天然气气田的经济指标,开采1m3天然气,成本约0.25~0.35元人民币,而天然气销售价为0.4~0.55元人民币,一般每1m3天然气的利润为0.15~0.25元人民币,可见经济效益是相当可观的。     

钻井过程中甲烷水合物的分解特性研究

很多国家都加大了对海底天然气水合物的勘探和研究的力度。对于海底天然气水合物的勘探除了进行BSR物理探测以外，最直接的证据就是进行海底钻探取样。但是在海洋钻探过程中，海底水合物的分解容易引起钻探事故，其勘探和开采难度大，成为科学研究的难点。为此，人工合成了甲烷水合物，并应用微型钻井系统模拟海底天然气水合物钻井过程，研究了在钻井过程中水合物的分解特性。在微型钻井过程中，对几种不同性质的钻井液对水合物分解特性的影响进行了对比分析，研究结果对海底天然气水合物钻探取样具有重要的参考价值。     

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天然气水合物的资源潜力和开发前景十分广阔，是目前世界各国新能源研究的重点。对天然气水合物研究起步较早的美国、俄罗斯等国家已经进入天然气水合物气田的初步开发阶段，我国也已取得一定的研究成果。天然气水合物稳定带的形成需要一定的温度压力条件，人为地打破这种稳定的方法主要有热激发、降压、化学抑制剂等，文章对这几种开发方法的优缺点、应用现状进行了比较全面的比较，并根据目前仅有的开发实例对开采方式进行了探讨。如何解决天然气水合物的低成本开发技术问题，仍是最难克服的障碍。     

天然气水合物开发数值模拟器研究进展及发展趋势

天然气水合物是极具前景的可接替能源,是当前能源领域研究的热点之一。2017年中国已将天然气水合物列为第173号矿种,并制定了长远规划研发开发技术。天然气水合物的开发是一个涉及温度场、渗流场、应力场及化学场等的多场耦合问题,数值模拟是研究该类问题的重要手段。在简要概述天然气水合物藏的分类、开发方法及全球已开展的天然气水合物试采情况的基础上,系统总结了当前使用的主要天然气水合物数值模拟器及其发展脉络,并对各模拟器的特点进行了讨论对比;尤其重点介绍了使用最广泛的研究型模拟器TOUGH+HYDRATE系列程序。最后讨论了水合物模拟中存在的问题及发展方向,认为水合物藏精细描述、基础模型及参数获取、储层应力特征以及模拟结果可视化等是未来发展的重要方向。     

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高吸水性树指—丙烷—水三元共混体系稳定性研究的目的是寻求一种在较低压力和较高温度下保持气体水合物的途径。通过研究网络高分子包裹下气体水合物的稳定性，探索网络高分子对于作为气体水合物储运稳定剂的可行性和方式。在－22 ℃、0.2  MPa条件下由高吸水性树脂、丙烷、水三元共混体系生成了气体水合物，研究该体系在常压下0 ℃和5 ℃的稳定情况，发现高吸水树脂提供了三维网络体系，且其具有包裹气体水合物的作用，使得已生成的气体水合物在同样条件下更稳定，但却不利于气体水合物的生成，即对水合物的生成有抑制作用。     

OBS技术在南海天然气水合物勘探中的应用

海底地震仪(OBS)能够全方位同时记录纵波和转换横波,记录的资料具有信噪比高等特点,近年来在我国得到快速发展,并广泛应用于南海天然气水合物的勘探和识别,取得了良好的应用效果。以国内OBS技术发展史为基础,介绍了中国南海天然气水合物勘探历程,论述了OBS技术在水合物识别方面的必要性,列举了OBS技术勘探水合物的实例,并对OBS资料的处理、解释及反演技术进行了梳理,现有文献表明OBS技术在地层弹性参数反演、判定储层储集类型、水合物饱和度估计等方面发挥了重要作用,最后对OBS技术未来的发展及应用方向进行了展望。认为将OBS资料用于渗漏型水合物地震各向异性研究是未来的一个重要研究方向。     

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随着地层中可作为未来能源的甲烷水合物巨大储量的发现,海洋油气开采中出现的井喷和油气混输上岸问题,以及气体水合物技术在化工,生物工程和环境保护等方面的应用,对水合物的研究日益受到重视。在模型和实验测试方面不断发展,而对气体水合物相平衡数据进行直接测量,则是水合物相平衡研究的一个重要方面和基础工作。文章介绍使用新建立的一套气体水合物实验测定装置,在5－12度,4－12MPa分别可视法和画圈法对甲烷气体水合物相平衡点进行了测试,所得两组数据与文献相比较,讨论两种测量的方案准确度孰高孰低,并评价该装置在气体水合物相平衡实验中比较宽的温度,压力范围内的适用性。