第41卷第4期當代化工V1.41,No.42012年4月Contemporary Chemical IndustryApril, 2012天然氣水合物研究進展潘楊雙春(遼寧石油化工大學,遼寧撫順1100)摘要:大然氣水合物作為清潔、高效、儲量巨大的新型能源,其巨大的能源潛力引起世界上很多國家的注意,紛紛投入匡額資金和人力對其進行研究。直到20世紀80年代末期我國才有學者關注和研兗天然氣水合物,起步相對較晚,因此研究人員做了大量文獻資料調(diào)研和資料處理等初步研究工作。從20世紀90年代初首次人工合成天然氣水合物開始,隨著我國政府支持力度的不斷增大,在本世紀初我國在東海、南海等地發(fā)現(xiàn)天然氣水合物礦截,同時對夭然氣水合物的成因、動力學機理、形成的條件等方面進行了研究。但如何開采天然氣水合物,以及如何防止天然氣水合物所帶來的溫室效應仍是吸待解決的問題關鍵詞:天然氣水合物;溫室效應;能源中圖分類號:TE621文獻標識碼:A文章編號: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能源資源是人類生存、經(jīng)濟發(fā)展、社會進步不含量總和),注定將成為繼石油之后的主要能源可缺少的重要物質(zhì)資源。隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展,我國的石油進口和消費量都已成為世界第二大1天然氣水合物概況國。據(jù)預測到2050年,能源年耗將達到標煤38億大然氣水合物( Natural Gas Hydrates),由甲烷t(相當于2000年的3倍),成為世界第一能耗大國,和水(CH4HO)在不同的低溫(0~10℃)、高能源問題已經(jīng)變得越來越嚴峻了。如果現(xiàn)在不超前壓(>3MPa)條件下構成",呈白色固態(tài)結晶物質(zhì),加快發(fā)煨新能源和可再生能源作為替代能源,那么外觀像冰,或固體酒精,常溫常壓下可以燃燒,故屆時很可能發(fā)生能源斷檔。所以尋找和開發(fā)利用新俗稱可燃冰。主要埋藏在陸地永久凍土帶沉積層能源,是解決我國未來能源問題的主要出路。而大陸外緣的海洋底部以及深海海底平原沉積層。天然氣水合物由于其儲量大,有機碳含量高(據(jù)潛天然氣水合物為超分子結構,具有很強的吸附在氣體聯(lián)合會(PGC,1981)的最新資料顯示表明:(濃縮)氣體能力,單位體積的天然氣水合物可含初步估算出永久凍土區(qū)天然氣水合物的資源量約有高達164倍于該體積的氣體即1m的“可燃冰”可為14×10”~34x10°m,如果包含海洋天然氣水釋放約為164m天然氣釋放的能量。人們研究認為合物的話,資源總量應該超過76×10°m3。其中碳水合物的結構是似冰狀、立方籠型格子,有型、Ⅱ的含量大約在1×103t以上,2倍于當前已探明儲型和H型三種結構。其中型結構只能填充小分子烴量的所有化石燃料(包括石油、天然氣和煤)中碳類,比如:甲烷、乙烷等和非烴分子比如:CO日期:2012-02-23當代化工2012年4月HS等。Ⅱ型結構相比于型結構,就可以容納丙烷、質(zhì)性的調(diào)查和研究。在2000年時,廣州海洋地質(zhì)調(diào)異丁烷等較大分子烴類氣體。而H型結構就更包羅查局在我國南?？碧匠隽颂烊粴馑衔锏V藏的顯萬象了,不僅能容納上述分子,還能容納普通的原示標志BSR。在至少130km的地震剖面上,探明礦油分子IC。層厚達80~-300m。據(jù)估算該地區(qū)天然氣水合物如果天然氣水合物是天然氣和水在比較低的溫度和折算原油的話,可達643.5~772.2億t,就相當于我足夠高的壓力下形成的固態(tài)結晶物質(zhì),所以其存國陸上和近海石油天然氣總資源量的一半以上在環(huán)境大多是在水深超過300m的海底沉積物中和據(jù)國土資源部海洋地質(zhì)研究所資料表明:中國永久凍土中。海底天然氣水合物若要維持其固體狀海域已發(fā)現(xiàn)多處天然氣水合物可能賦存地區(qū),包括態(tài),就必須依賴于水層的巨大壓力。其垂直深度上東沙群島南部、西沙海槽北部、西沙群島南部以及的分布范圍一般是從海底至其下2000m,超過此深東海海域地區(qū)"。上海海洋石油局對東海陸坡一沖度其固體狀態(tài)則難以存在。因為隨著地層溫度的升繩海槽區(qū)勘探研究表明,該區(qū)域具有天然氣水合物高該固體狀態(tài)很容易遭到破壞。的賦存條件!。中國地質(zhì)科學院侯增謙等在沖繩海2國內(nèi)天然氣水合物研究現(xiàn)狀槽中段的JADE熱水沉積區(qū)海底發(fā)現(xiàn)了富含CO2的天然氣水合物(通過潛入海底)2。早在1810年化學家達威HDay)首次在倫敦皇除了海洋勘探以外,中國科學院蘭州冰川凍土家研究院實驗室成功地合成∫氯氣水合物,引起了研究所凍土工程國家重點實驗室的徐學祖研究員化學家們的極大關注。但是直到 Hammerschmidt于等專家經(jīng)研究認為,我國青藏高原高山多年凍土帶1934年發(fā)現(xiàn)堵塞天然氣輸送管道的物質(zhì)就是天然很有可能貯存大量大然氣水合物31。還有一些學氣水合物時,石油地質(zhì)學家和化學家才把注意力集者指出南海北部陸緣瓊東南和珠江口盆地地區(qū)具中到天然氣水合物的研究上來。但當時研究的目的有天然氣水合物形成的條件。只是為了解決管道堵塞問題。直到20世紀60年代蘇目前,我國在天然氣水合物勘探方面取得了聯(lián)在開發(fā)麥索亞哈氣田時,首次在地層中發(fā)現(xiàn)了夭定的成績,由其是在海洋劫探方面做的工作比較然氣水合物藏,人們才開始把氣體水合物作為一種多。通過許多專家學者的努力,我國巳經(jīng)大體確定燃料能源進行研究。了天然氣水合物在我國沿海地區(qū)的分布,并對儲量我國在天然氣水合物研究方面起步較晚,直到進行了估算,為將來我國實際開采天然氣水合物打20世紀80年代末才開始關注,前期工作也僅僅局限下了堅實的基礎。據(jù)權威人士透露,明年我國將鉆探于對國外資料的簡單的收集和整理,由于受到政第一冂探井進行天然氣水合物的儲量勘測,預計在府的高度重視和大力支持,現(xiàn)已成為熱點研究課2020年進行開采。題。1990年,對天然氣水合物的研究來說是具有里22我國天然氣水合物的基礎研究程碑意義的一年。由于國家重點試驗室屮科院蘭州在學習國外資料,評價國外進展及了解高外的冰川研究所凍上工程的科研人員與其合作伙伴莫技術和實驗后,我國也全面展開了對天然氣水合物斯科大學凍土專業(yè)的學者聯(lián)合研究,標志著我國對的基礎研究。天然氣水合物的研究全面展開。目前,天然氣水合了解天然氣水合物的成因有助于對其進行合物研究工作進入到實際調(diào)查評價和實驗模擬階段。成、勘探和開發(fā)利用,所以我國在這方面也做了大21我國天然氣水合物的實際調(diào)查評價量的工作。如張景廉等從碳同位素地球化學方面作我國的天然氣水合物勘探工作開始于“九五”期了關于天然氣水合物的成因的研究"2;狄永軍等經(jīng)間,現(xiàn)在止處于實際調(diào)查研究評價階段。迄今為止研究認為只要存在豐富的底物(C03),即使在低溫已在南海北部陸坡、南沙海槽、西沙海槽北部、西條件下自養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷作用完全可以進行沙群島南部以及東沙群島南部、東海海域地等多處1區(qū)域發(fā)現(xiàn)天然氣水合物RSR(擬海底反射層, botton在天然氣水合物合成方面,我國也做了深入研culating reflector,簡稱BSR)反射標志。究。首先是在1990年,國家重點實驗室中科院蘭州1998年,課題中國海域氣體水合物勘測研究調(diào)冰川凍土研究所凍土工程的科研人員成功的合成研圓滿完成,首次全面總結了我國海域天然氣水了甲烷水合物并對其性質(zhì)進行了分析,其后國土合物的成礦條件和找礦前景。資源部青島海洋地質(zhì)研究所也建立起了海洋天然從1999年起我國開始對大然氣水合物開展實氣水合物模擬實驗室(該實驗室完全擁有自主知識第41卷第4期潘一,等:天然氣水合物研究進展產(chǎn)權),成功的點燃了其合成的天然氣水合物。的甲烷氣體,會造成海水汽化,發(fā)生海嘯翻船等事此外在天然氣水合物生成動力學機理、生成條故。研究表明世界各大陸邊緣的海底滑塌、滑坡和件,天然氣水合物的循環(huán)利用,天然氣水合物對地濁流作用,大多與海底天然氣水合物的分解有關熱的影響以及天然氣水合物對環(huán)境的影響等方面海底天然氣水合物也是造成其他一些海洋災害的也做了一定的研究。原因。由于水合物中含有超出自身體積164倍的氣23國內(nèi)天然氣水合物研究的其它現(xiàn)狀體若遇斷裂等構造作用將引起水合物在瞬間爆炸為了能夠更好的研究、開發(fā)、利用大然氣水合般地分解,可形成密度為01kgm3的氣、水混合物物,我國已經(jīng)成立了多個國家重點實驗室、研究中并在海面上形成強大的水動力流、渦流和氣旋。輪心(所)等科研機構專門從事天然氣水合物的研究船、飛機、海上鉆井設施遭遇這種環(huán)境會迅速沉到工作。如中國科學院廣州天然氣水合物研究中心,海底2。據(jù)此,很多學者推測認為百慕大三角區(qū)中科院蘭州凍十所、國家海洋局以及國土資源部青發(fā)生的很多匪夷所思事故的元兇就是天然氣水合島海洋地質(zhì)所等都有從事天然氣水合物研究的專物。業(yè)隊伍。另外,一些大專院校也成立了自己研究天33天然氣水合物對環(huán)境的影響然氣水合物的實驗室,積極參與對天然氣水合物的天然氣水合物是亞穩(wěn)定的增溫或減壓會使其結研究。構不穩(wěn)定,釋放甲烷等氣體。與CO2相比,甲烷是國家也大力支持天然氣水合物的研究,在國家種活動性更強的溫室氣體。每摩爾甲烷是每摩爾自然科學基金、973、863攻關項目和創(chuàng)新項目中都二氧化碳的溫室效應的37倍,如以質(zhì)量計則更多,設有關于天然氣水合物的研究項。為了給廣大天為10倍。且甲烷被氧化后生成的二氧化碳后仍能產(chǎn)然氣水合物的研究人員提供了良好的交流條件,有生溫空效應,且其溫室效應是等質(zhì)量二氧化碳氣體關天然氣水合物的專業(yè)會議也頻繁召開。的20倍。圈閉在大陸和大氣中的甲烷含量約49X最近,由中國科學院資源環(huán)境科學信息中心,10°t(相當于37×10°kg甲烷碳,并以每年約1%的國家海洋局海底科學重點實驗室,中國科學院蘭州速度遞增。據(jù)測,海底和兩極永凍帶的氣體水合物地質(zhì)研究所,石油大學(北京),中國科學院廣州所封存的甲烷總量是大氣中甲烷量的3000倍,如果能源所天然氣水合物研究中心和凍土工程國家重這些甲烷被釋放進人大氣,將對大氣圈的組分構成點實驗室聯(lián)合主辦的天然氣水合物信息網(wǎng)正式建巨大的影響,進而給全球氣候、人類的生態(tài)環(huán)境造成并投入使用。此網(wǎng)站的開通除了可以大范圍的普成重大影響13。及天然氣水合物的知識外,更為天然氣水合物的研究人員提供了廣闊的超越時空的交流平臺。結論(1)我國具有可形成天然氣水合物天然條件的3面臨的問題地區(qū)遼闊,其儲量巨大。據(jù)中國科學院戴金星院士3.1實際開采面臨的問題估計全國天然氣水合物總資源量不少于100×102我國已探明的天然氣水合物賦存地區(qū)都在海m3。底,對于海上鉆探來說海水壓力大,溫度變化大,(2)依托國家,加強對天然氣水合物的基礎研所以海上施工困難大。而且又由于大然氣水合物在究,以便盡早實現(xiàn)天然氣水合物的實際開采利用。壓力降低或溫度升高時會發(fā)生1:164的氣休膨脹,在(3)充分認識天然氣水合物這把雙刃劍,在對固井時會使天然氣水合物分解,氣體迅速膨其加以開發(fā)利用的同時保持清醒的頭腦,預防其會脹使井徑擴大,套管被壓扁,使井口裝置或防噴器帶來的災害。失去承載能力而發(fā)生傾斜,喪失井壓控制手段,有總之,天然氣水合物作為清潔、高效、儲量巨可能導致井噴及井塌事故。大的新型能源,必將替代煤和石油成為21世紀能32天然氣水合物的災害效應源,或者說天然氣水合物是未來能源。天然氣水合物最主要的災害效應莫過于海底參考文獻:的分解。它可以誘發(fā)嚴重的海底滑坡從而使海底工[1」朱訓實行全球能源戰(zhàn)略建立全球供應體系中國礦程設施遭到損毀如海底輸電、通訊電纜、海洋石油業(yè),2003,12(5l-8.2]顧年華尤麗霞吳育華21世紀我國新能源開發(fā)展型中國能鉆井平臺等。由于氣體水合物的穩(wěn)定帶是巖石的源,2002,1:37-38結合薄弱帶很容易造成海底滑坡,同時釋放出大量[31劉廣志天然氣水合物開發(fā)的現(xiàn)狀和商業(yè)化的技術關探礦工404當代化工2012年4月程200828-10地球科學.2001,12(1-2)22-26.「4周胡奧林天然氣水合物資源勘探開發(fā)現(xiàn)狀U石油與天然氣化工95.[15]狄水軍郭正府李凱明天然氣水合物成因探小地球?qū)W進,5]陳作義楊曉西葉國興天然氣水合物概況及最新研充進展海洋16戚學貴.陳剩部天然氣水合物研究進展自然雜志,2002302通報,2002,21(3):78-85「61爾懷彥,王先彬房幺天然氣水合物硏究現(xiàn)狀與未來挑戰(zhàn)門沉積學[17]李常茂耿瑞倫關于天然氣水合物鉆探的思考探礦工程報1999.173):493-4982003:5-87]徐明仿,晏剛杜維明天然氣水合物的研究及利用能源技181甘華陽王家生天然氣水合物潛在的災害和環(huán)境效應地質(zhì)災害術2004.25(5:203-206與環(huán)境保護、2004,15(4):5-88宋召軍,劉立天然氣水合物研究現(xiàn)狀與展望吉林地19]彭曉彤周懷阻陳光謙論天然氣水合物與海底地質(zhì)災害,氣象災質(zhì)2003.2(4:64-68害和生物災害的關系自然災害學報,2002.11418-22[9]方銀霞金翔龍黎明碧天然氣水合物的期探與開發(fā)技術中國海[20]徐國強周祖翼呂柄全海底氣體水合物自然雜志,20洋平臺,200217(2)11-15.2202:113-11610]宋巖,夏新宇天然氣水合物研究和勘探現(xiàn)狀門天然氣地球科21楊水強翟裕生薛林幅天然氣水合物的資源環(huán)境效應世界地質(zhì),學2001,12(1-2:3-10.0221(130-32.1楊文達陸文才東海陸坡—沖繩海槽大然氣水合物初探海洋石221于曉果李家彪天然氣水合物分解及其牛態(tài)環(huán)境效應研究進展油2000423-28.地球科學進展204,19(6947-954[12]張景廉,于均民,崔永強天然氣水合物成因探討及中國海域勘探前23張俊霞任建業(yè)天然氣水合物研究中的幾個重要問題刂地質(zhì)科技景J海洋石、2003.230)51情報,2001201)44-48[13]徐學祖程國棟俞祁浩青藏高原多年凍土區(qū)天然氣水合物的研究[24」蘇君雅天然氣水合物—既有麻煩,又是巨大潛在能源石油前景和建議地球科學進展,199142:201-204與天然氣化工,1994.23(4):214217[14]張立新徐學祖馬魏青高原多年凍土與天然氣水合物天然氣(上接第397頁)(6)HDPE土工膜在鋪設中,應避免產(chǎn)生人為(4)基面上的陰陽角處應圓滑過渡,柱根部應褶皺,溫度較低時,應盡量拉緊,鋪平。做成圓弧狀。(7)HDPE土工膜鋪設完成后,應盡量減少在(5)基底應密實均勻,表而干燥,含水率宜在膜而上行走、搬動工具等,凡能對HDPE膜造成危5%以下。袆的物件,均不應放在膜上或攜帶在膜上行走,以在土建、監(jiān)理、設計單位、業(yè)主、總承包人驗免對膜造成意外損傷。收笭字認可后便可進行土工膜施工。(8)HDPE土T膜為柔性材料,可根據(jù)基礎的42氣候要求不同形式,做任何造型。所有拐角、直角部分,均(1)氣溫一般應在5~40℃,天冷時,鋪設應做成圓角或倒角,避免損壞HDPE土工膜應緊一些,天熱時應松一些,考慮熱脹冷縮。(9)鋪設完,應緊接著焊接,管道節(jié)點、陰陽(2風力超過4級或雨天應停止施工;角、拐角等難處理的地方,可配合熱風機進行焊接。(3)有風天氣,風力影響十工膜施工時,待焊(10)壓邊錨固:根據(jù)設計要求,一般反邊30的HDPE十工膜應用砂袋壓牢。50cm于基礎上,用膨脹螺栓、壓條,進行壓邊錯4.3HDPE土工膜的鋪設固。壓完邊,再進行其他的密封和防腐措施(1)鋪設HDE土T膜前應有土建工程相應的合格驗收證明文件5結束語(2)HDPE膜裁切之前,應該準確丈量其相關對于地基基礎的防滲設計,是整個工程項目的尺寸,然后按實際裁切,一般不宜按圖示尺寸藏切,重要一環(huán)。應明確該防滲對濕陷性黃土地基處理的應逐片編號,詳細記錄在專用表格上重要性,注意相關的構造要求,力求做到經(jīng)濟合理、(3)鋪設HDPE土工膜時應力求焊縫最少,技術先進、安全可靠。在保證質(zhì)量的前提下,盡量節(jié)約原材料。(4)膜與膜之間接縫的搭接寬度一般不小于1c8032304(性黃主地區(qū)建筑規(guī)范)10cm,通常就使焊縫排列方向平行于最大坡度,即2103-20m(朱活垃圾衛(wèi)生填理場防滲系統(tǒng)丁程技術規(guī)范)4沿坡度方向排列。3]JGJy-2002(建筑地基處理技術規(guī)范》小(5)通常在拐角及畸形地段,接縫長度盡量減4]cBs0453-200(6油化工建(構)筑物抗震設防分類標準》[5]GBs0007-2002《建筑地基基設計規(guī)范》l