可燃冰

朱艷峰賀禹賴一銘蔣雪峰2017·11新能源技術(shù)及應(yīng)用第一組1.可燃冰簡(jiǎn)介2.可燃冰開采技術(shù)3.可燃冰開采案例4.可燃冰開發(fā)中存在的問(wèn)題5.人工合成可燃冰1目錄ResearchBackgrounds全球能源危機(jī)4,8008,200標(biāo)題數(shù)字等都可以通過(guò)點(diǎn)擊和重新輸入進(jìn)行更改，頂部“開始”面板中可以對(duì)字體、字號(hào)、顏色、行距等進(jìn)行修改。

研究背景能源危機(jī)環(huán)境污染全球變暖據(jù)2016年最新公布的數(shù)據(jù)顯示，目前全球石油儲(chǔ)量為3184億桶，還能供人類使用48.4年。圖片來(lái)源：百度圖片032什么是可燃冰？可燃冰本質(zhì)不是冰，而是天然氣水合物，英文名為naturalgashydrate因外形與干冰相似得名。主要成分為甲烷水合物。干冰，本質(zhì)為固態(tài)的二氧化碳。圖片來(lái)源：百度圖片1Introductiontocombustibleice

可燃冰簡(jiǎn)介033可燃冰成分可燃冰結(jié)構(gòu)主要成分：甲烷水合物，化學(xué)式為CH4·XH2O,因?yàn)榧淄榉肿雍繕O高，有極強(qiáng)的燃燒能力。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常為正十二面體，由若干個(gè)水分子包裹著一個(gè)甲烷分子，所以又被稱為籠形包合物。圖片來(lái)源：牛振磊.淺談未來(lái)能源可燃冰開采研究現(xiàn)狀天然氣水合物分子結(jié)構(gòu)圖1Introductiontocombustibleice

可燃冰簡(jiǎn)介034能量密度極高

據(jù)理論計(jì)算，1立方米的可燃冰可以釋放出164立方米的甲烷氣體和0.8立方米的水。儲(chǔ)量高全世界海底可燃冰的中儲(chǔ)存的甲烷總量為1.8億億立方米，約合1.1萬(wàn)億噸，如果能被利用，夠人類使用1000年。燃燒無(wú)污染甲烷的燃燒產(chǎn)物為水和二氧化碳，清潔無(wú)污染

可燃冰開采價(jià)值埋藏淺與常規(guī)石油和天然氣相比，可燃冰埋藏較淺，有利于商業(yè)開發(fā)?？扇急_采價(jià)值圖片來(lái)源：知網(wǎng)圖片1Introductiontocombustibleice

可燃冰簡(jiǎn)介035可燃冰的形成條件適宜的溫度范圍一般要求溫度低于0℃～10℃。高壓形成壓力一般要高于10MPa豐富的天然氣和適量的水可燃冰的三個(gè)條件決定了可燃冰分布的地理位置，也導(dǎo)致了開采的困難。如果不能滿足低溫高壓的條件，可燃冰就會(huì)分解。1Introductiontocombustibleice

可燃冰簡(jiǎn)介036可燃冰在全球分布可燃冰主要分布在全世界的邊緣海、深海槽區(qū)和大洋盆地中，約占海洋面積的10%，此外還有高原凍土帶?？扇急诸惛鶕?jù)可燃冰的分布位置，可以將可燃冰分為陸上可燃冰氣藏與海洋可燃冰氣藏兩大類。圖片來(lái)源：李代廣.神秘的可燃冰[M]1Introductiontocombustibleice

可燃冰簡(jiǎn)介037

在中國(guó)的分布圖片來(lái)源：百度圖片1Introductiontocombustibleice

可燃冰簡(jiǎn)介038我國(guó)的可燃冰資源主要分布在東海、南海海域、青藏高原以及東北凍土帶。據(jù)估算，我國(guó)可燃冰總資源量約為84萬(wàn)億m3，其中東海、南海海域分別約為3.4萬(wàn)億m3和65萬(wàn)億m3，陸地上青藏高原、東北凍土帶分別為12.5萬(wàn)億m3和2.8萬(wàn)億m3我國(guó)東海和臺(tái)灣省海域也存在大量可燃冰。經(jīng)專家證實(shí)中國(guó)臺(tái)灣省西南海域蘊(yùn)藏著極為豐富的可燃冰。據(jù)估算，我國(guó)陸域遠(yuǎn)景資源量至少有350億噸油當(dāng)量，南海的可燃冰儲(chǔ)量大約為680億噸油當(dāng)量。英國(guó)科學(xué)家戴維首次合成氯氣水合物，人類開始認(rèn)識(shí)到水合物這種物質(zhì)。羅斯提出了天然氣水合物形成的相理論。1810美國(guó)工程師首次在堵塞的天然氣管道中發(fā)現(xiàn)天然氣水合物。前蘇聯(lián)發(fā)現(xiàn)第一個(gè)可燃冰氣藏—麥索雅哈天然氣水合物田。中國(guó)在南海北部神狐海域試采可燃冰取得成功。圖片來(lái)源：百度圖片18841930196020172013日本嘗試進(jìn)行海域天然氣開采失敗。1Introductiontocombustibleice

可燃冰簡(jiǎn)介039

可燃冰的發(fā)展過(guò)程論文就是用來(lái)進(jìn)行科學(xué)研究和描述科研成果的文章方案設(shè)計(jì)中國(guó)可燃冰發(fā)展概況1999年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局科技人員首次在南海西沙海槽發(fā)現(xiàn)了顯示天然氣水合物存在的地震異常信息2005年中國(guó)首次發(fā)現(xiàn)世界上規(guī)模最大被作為“可燃冰”即天然氣水合物存在重要證據(jù)的“冷泉”碳酸鹽巖分布區(qū)，其面積約為430平方公里。2007年中國(guó)在南海北部的首次采樣成功，證實(shí)了中國(guó)南海北部蘊(yùn)藏豐富的天然氣水合物資源，標(biāo)志著中國(guó)天然氣水合物調(diào)查研究水平已步入世界先進(jìn)行列。2009年在青藏高原發(fā)現(xiàn)了“可燃冰”

，初略的估算，遠(yuǎn)景資源量至少有350億噸油當(dāng)量。2013年我國(guó)海洋地質(zhì)科技人員在廣東沿海珠江口盆地東部海域首次鉆獲高純度天然氣水合物（俗稱“可燃冰”）樣品，并通過(guò)鉆探獲得可觀的控制儲(chǔ)量。2017年中國(guó)首次海域天然氣水合物（可燃冰）試采成功。1Introductiontocombustibleice

可燃冰簡(jiǎn)介0310“可燃冰”相平衡條件2ExploitationofCombustibleIce

可燃冰開采技術(shù)0311實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的“可燃冰”穩(wěn)定存在區(qū)域“可燃冰”是在一定低溫和高壓的條件下存在的。通過(guò)改變溫度或者壓力數(shù)值，使表示可燃冰的點(diǎn)越過(guò)分界線。平衡打破后，“可燃冰”可分解為可自由流動(dòng)的氣體和水“可燃冰”相平衡條件2ExploitationofCombustibleIce

可燃冰開采技術(shù)0312改變壓力P平衡打破平衡點(diǎn)下移改變溫度T平衡點(diǎn)右移改變性質(zhì)平衡線左移天然氣水合物形成的相理論2ExploitationofCombustibleIce

可燃冰開采技術(shù)0313熱激發(fā)法降壓法化學(xué)試劑法組合法置換法熱激發(fā)法2ExploitationofCombustibleIce

可燃冰開采技術(shù)0314改變溫度使得儲(chǔ)層狀態(tài)向右移動(dòng)，當(dāng)移過(guò)平衡曲線時(shí)，水合物即刻開始了分解熱激發(fā)法相平衡移動(dòng)熱激發(fā)法2ExploitationofCombustibleIce

可燃冰開采技術(shù)15熱流體從地面泵入水合物地層，進(jìn)行電磁加熱和微波加熱，促使溫度上升。高于地層溫度的外界物質(zhì)的注入，使儲(chǔ)層溫度上升到水合物分解的溫度，并持續(xù)提供熱量來(lái)維持水合物的分解熱激發(fā)法2ExploitationofCombustibleIce

可燃冰開采技術(shù)0316a.熱水注入階段b.可燃冰分解階段c.開采階段補(bǔ)充由于地下水合物分解而引起的地層虧空，維持地層平衡可使熱量直接注入相應(yīng)的位置對(duì)其加熱，人為可控因素比較大除去固態(tài)水合物層上的水膜，并對(duì)天然氣水合物前緣進(jìn)行加壓制造裂縫，使裂縫成為熱水繼續(xù)推進(jìn)的通道可根據(jù)水合物氣層特點(diǎn)調(diào)整注入的熱水組分熱激發(fā)法2ExploitationofCombustibleIce

可燃冰開采技術(shù)0317適用于水合物層比較密集的水合物藏1.大部分熱量在提供過(guò)程中損失，效率很低。在永久凍土區(qū)，即使利用絕熱管道，永凍層也會(huì)降低傳遞給儲(chǔ)集層的有效熱量。2.甲烷蒸汽不好收集3.只能進(jìn)行局部加熱化學(xué)試劑法化學(xué)試劑法可燃冰相平衡移動(dòng)2ExploitationofCombustibleIce

可燃冰開采技術(shù)0318不改變儲(chǔ)層狀態(tài)，而是改變平衡曲線使得儲(chǔ)層狀態(tài)點(diǎn)越過(guò)平衡曲線使水合物開始分解常用抑制劑有甲醇、乙二醇、氯化鈣等化學(xué)試劑法2ExploitationofCombustibleIce

可燃冰開采技術(shù)0319化學(xué)試劑法開采原理圖抑制劑注入打破了井周圍的水合物的穩(wěn)定平衡條件，在與抑制劑接觸面上的水合物開始分解。此時(shí)在井筒水合物層和圍巖存在溫度場(chǎng)差，熱從圍巖流向水合物層。熱量的流動(dòng)促進(jìn)進(jìn)一步分解化學(xué)試劑法2ExploitationofCombustibleIce

可燃冰開采技術(shù)0320化學(xué)試劑法開采原理圖能源消耗低1.熱作用效果非常緩慢2.費(fèi)用高昂。因此一般只在出現(xiàn)堵塞時(shí)用于解堵降壓法降壓法可燃冰相平衡移動(dòng)2ExploitationofCombustibleIce

可燃冰開采技術(shù)0321改變壓力使得儲(chǔ)層狀態(tài)向下移動(dòng)，當(dāng)移過(guò)平衡曲線時(shí)，水合物即刻開始了分解降壓法降壓法開采原理圖2ExploitationofCombustibleIce

可燃冰開采技術(shù)03221.開采出在天然氣水合物層之下的游離氣2.熱激化或化學(xué)試劑作用人為形成一個(gè)天然氣“囊”，使與天然氣接觸的天然氣水合物變得不穩(wěn)定降低儲(chǔ)層壓力或從而分解為天然氣和水降壓法降壓法開采原理圖2ExploitationofCombustibleIce

可燃冰開采技術(shù)0323最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要連續(xù)激發(fā)，且生產(chǎn)成本低1.大面積開采時(shí)自身能量不能滿足壓降的需要2.對(duì)可燃冰礦藏性質(zhì)有要求，適合于水合物層下部有天然氣層時(shí)3.降壓引起儲(chǔ)層溫度降低，因而在水合物儲(chǔ)層接近0℃及在0℃以下時(shí)不能采用，否則會(huì)使水結(jié)冰或二次形成水合物堵塞儲(chǔ)層TECHNOLOGYOFCOMBUSTIBLEICEEXPLOITATION置換法有的科學(xué)家主張將CO2液化注入可燃冰層，二氧化碳比甲烷更容易形成水合物，因此可能置換出甲烷氣體優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)可燃冰開采和二氧化碳處理CO2置換法原理圖2ExploitationofCombustibleIce

可燃冰開采技術(shù)0324可燃冰開采案例3Caseofcombustibleicemining前蘇聯(lián)（俄羅斯）——最早成功開采可燃冰的國(guó)家早在上世界30年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家就開始研究可燃冰的結(jié)構(gòu)和形成條件。1934年，前蘇聯(lián)在被堵塞的天然氣輸氣管道里發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。由于水合物的形成，輸氣管道被堵塞。這一發(fā)現(xiàn)引起前蘇聯(lián)人對(duì)天然氣水合物的重視。1970年，前蘇聯(lián)開始對(duì)該天然氣水合物礦床進(jìn)行商業(yè)開采。此時(shí)的蘇聯(lián)。只是停留在礦床的開產(chǎn)和天然氣水合物發(fā)現(xiàn)，真正涉及到天然氣水合物提取生產(chǎn)天然氣并未開展。25可燃冰開采案例3Caseofcombustibleicemining日本——首個(gè)掌握海底可燃冰采掘技術(shù)的國(guó)家2013年3月12日，日本成功地在愛知縣渥美半島以南70公里、水深1000米處海底開采出可燃冰并提取出甲烷，成為世界上首個(gè)掌握海底可燃冰采掘技術(shù)的國(guó)家。2013年，日本嘗試過(guò)開采海底可燃冰并提取了甲烷，但由于海底砂流入開采井，試驗(yàn)僅6天就被迫中斷。本次試驗(yàn)持續(xù)12天后也因出砂問(wèn)題中斷，未能完成原計(jì)劃連續(xù)三四周穩(wěn)定生產(chǎn)的目標(biāo)，12天產(chǎn)氣量只有3.5萬(wàn)立方米。26可燃冰開采案例3Caseofcombustibleicemining美國(guó)美國(guó)管轄區(qū)域也存在著大量的可燃冰，據(jù)估計(jì)美國(guó)的天然氣水合物資源量在3172萬(wàn)億—19142萬(wàn)億立方米之間，可以滿足美國(guó)未來(lái)數(shù)百年的需要。早在1971年，美國(guó)學(xué)者Stoll等人在深海鉆探過(guò)程中首次發(fā)現(xiàn)海洋天然氣水合物，“天然氣合物”改變被正式提出。至今，美國(guó)也一直研究可燃冰開采方案，但是，依然沒(méi)有成熟的技術(shù)，試采成功過(guò)，但并不能連續(xù)產(chǎn)氣。美國(guó)將能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)向技術(shù)較為成熟的頁(yè)巖氣。27可燃冰開采案例3Caseofcombustibleicemining中國(guó)海域可燃冰開采歷程1999年探索船首次針對(duì)水合物的高分辨多道地震調(diào)查，由此掀開了我國(guó)海域水合物調(diào)查的序幕2002年國(guó)務(wù)院正式批準(zhǔn)設(shè)立天然氣水合物資源勘查專項(xiàng)2015年我國(guó)相繼在南海北部海域開展了天然氣水合物資源調(diào)查及研究工作2015年在神狐鄰近海域淺表層采獲滲漏型天然氣水合物實(shí)物樣品2017年中國(guó)首次海域天然氣水合物（可燃冰）試采成功。28可燃冰開采案例3Caseofcombustibleicemining南海海域是我國(guó)可燃冰主要的分布區(qū)，全國(guó)可燃冰資源儲(chǔ)蓄量相當(dāng)于1000億噸石油，其中有650億噸在南海。而在神狐海域有11個(gè)礦體、資源儲(chǔ)蓄量相當(dāng)于1.5億噸的石油儲(chǔ)量。2017年5月18日，國(guó)土資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局宣布，我國(guó)在南海北部神狐海域進(jìn)行的可燃冰試采獲得成功。神狐海域——“可燃冰時(shí)代”大門29可燃冰開采案例3Caseofcombustibleicemining神狐海域開采2017年6月2日，神狐海域可燃冰已連續(xù)產(chǎn)氣超過(guò)22天，平均日產(chǎn)8350立方米，氣壓氣流穩(wěn)定，井底狀態(tài)良好。這標(biāo)志著我國(guó)成為全球第一個(gè)實(shí)現(xiàn)在海域可燃冰試開采中獲得連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣的國(guó)家。此次試采成功，也實(shí)現(xiàn)了可燃冰開發(fā)理論、技術(shù)和工程的重大創(chuàng)新。本次開采試驗(yàn)為后續(xù)研究提出了很多課題。下一步重點(diǎn)是研究如何解決本次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題，并在之后3~5年內(nèi)開展第二次試采，進(jìn)一步為商業(yè)化開采做好技術(shù)鋪墊。30可燃冰開采案例3Caseofcombustibleicemining中國(guó)凍土區(qū)域可燃冰開采——海域成功，陸域還遠(yuǎn)嗎？在2009年9月25日，中國(guó)首次在陸域——青藏高原發(fā)現(xiàn)可燃冰，使中國(guó)成為繼加拿大、美國(guó)后，在陸域通過(guò)國(guó)家計(jì)劃鉆探發(fā)現(xiàn)可燃冰的第三個(gè)國(guó)家。最大瓶頸：陸域上的可燃冰極大部分在凍土帶，是對(duì)溫度和壓力異常敏感的固體，開采十分不易。可燃冰開采不僅僅在海域有突破，陸地可燃冰的勘查也在技術(shù)準(zhǔn)備之中，目前針對(duì)青藏高原和東北凍土區(qū)的可燃冰技術(shù)研究，都為資源勘查提供了有效技術(shù)支撐。中國(guó)可燃冰的商業(yè)化任重而道遠(yuǎn)！31可燃冰開采案例3Caseofcombustibleicemining無(wú)論是國(guó)內(nèi)，還是國(guó)外，可燃冰的開采技術(shù)，都處于初級(jí)研發(fā)階段，開采仍停留在基礎(chǔ)研究層面，還遠(yuǎn)未達(dá)到大規(guī)模開發(fā)的階段；加之可燃冰作為天然氣水合物受到擾動(dòng)時(shí)，反應(yīng)極其敏感。如果水分子形成的晶格結(jié)構(gòu)被破壞，其中包含的甲烷極易逸出。未來(lái)能源距離我們有多遠(yuǎn)？32存在的問(wèn)題4Problemsinthedevelopmentandutilizationofcombustibleice

可燃冰開發(fā)利用中存在的問(wèn)題0333地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境問(wèn)題技術(shù)成本三大問(wèn)題環(huán)境問(wèn)題4Problemsinthedevelopmentandutilizationofcombustibleice

可燃冰開發(fā)利用中存在的問(wèn)題03341單位可燃冰分解可產(chǎn)生168單位的甲烷氣體，甲烷的溫室效應(yīng)是CO2的24倍環(huán)境問(wèn)題4Problemsinthedevelopmentandutilizationofcombustibleice

可燃冰開發(fā)利用中存在的問(wèn)題0335可燃冰迅速釋放造成了“死亡地獄”百慕大的形成環(huán)境問(wèn)題4Problemsinthedevelopmentandutilizationofcombustibleice

可燃冰開發(fā)利用中存在的問(wèn)題0336泄露在海水中的甲烷會(huì)影響海洋生態(tài)，造成O2消耗，海水酸化，危急海洋生態(tài)平衡。地質(zhì)災(zāi)害4Problemsinthedevelopmentandutilizationofcombustibleice

可燃冰開發(fā)利用中存在的問(wèn)題0337可燃冰的開采，會(huì)導(dǎo)致海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，斜坡穩(wěn)定性降低，容易引發(fā)海底滑坡、海底坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，甚至引發(fā)海嘯。毀壞海底輸電或通信電纜和海洋石油鉆井平臺(tái)等設(shè)施。技術(shù)及成本問(wèn)題可燃冰的分布沒(méi)有規(guī)律，礦床地點(diǎn)過(guò)于分散，濃度太稀、分布太散會(huì)降低開采的價(jià)值。不像油氣田，厚度可達(dá)上百米，面積達(dá)幾十公里?？扇急h忽不定的特性使得開采難度很大，不利于經(jīng)濟(jì)開采。4Problemsinthedevelopmentandutilizationofcombustibleice

可燃冰開發(fā)利用中存在的問(wèn)題0338技術(shù)及成本問(wèn)題可燃冰主要分布在500～3000米水深的海底沉積物中，儲(chǔ)存條件復(fù)雜、地質(zhì)狀況不穩(wěn)定，容易發(fā)生滑坡，這就增加了搭設(shè)鉆探井架的難度和成本4Problemsinthedevelopmentandutilizationofcombustibleice

可燃冰開發(fā)利用中存在的問(wèn)題0339技術(shù)及成本問(wèn)題海底可燃冰開發(fā)需要鋪設(shè)很長(zhǎng)的管道，而管道在冰冷的深海中容易堵塞，由此將產(chǎn)生種種技術(shù)和成本問(wèn)題。4Problemsinthedevelopmentandutilizationofcombustibleice

可燃冰開發(fā)利用中存在的問(wèn)題0340技術(shù)及成本問(wèn)題在鉆采過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)一些風(fēng)險(xiǎn)，如：氣滲出、氣泄漏和套管坍塌鉆采風(fēng)險(xiǎn)示意圖4Problemsinthedevelopmentandutilizationofcombustibleice

可燃冰開發(fā)利用中存在的問(wèn)題0341技術(shù)及成本問(wèn)題開采中的問(wèn)題：加熱法需要向可燃冰