范文一：【视野】全球可燃冰研究进展一览

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文/宗新轩 张抒意 冷岳阳 李永峰，东北林业大学

21世纪的能源与环境是人们越来越关注的两大问题，随着我国环境问题的日益严重以及能源问题的日渐枯竭，降低能源消费，减少污染物的排放是重中之重，要严格遵循可持续发展理念，实现“蓝天白云”的环保梦想。

可燃冰因其储备丰厚，分布广泛，高效清洁，研究人员将其作为战略后备能源的首选，商业开发前景广阔。地质勘测专家表示，中国可燃冰储量丰厚，高于常规的天然气资源，具备成为未来清洁能源的条件。因此对于可燃冰的研究尤其是开采对于未来能源具有重要的战略意义，也将是我们未来的重点科研方向。

1可燃冰的概念

可燃冰的本质是小分子气体（主要是CH4）“住”在由各种规则笼形结构（水分子组成）相套在一起组成的晶胞结构里，小分子是客体，晶胞结构是主体，主客之间通过范德华力联系在一起，就好比是屋子里面住了人一样。

目前，最典型的水合物构型有三种:SⅠ、SⅡ和SH；组成水合物的笼形结构有五种：512、51262、51264、435663、51268。从图1可以看出，SⅠ由2个512和6个51262单元组成；SⅡ由16个512和8个51264单元组成；SH由3个512、2个435663和一个51268组成可燃冰的形成条件受温度和压力的影响比较大，结构也比较独特，关于其形成的机理仍在摸索中。一旦温度升高或压力降低，可燃冰将会发生融化，基于可燃冰的特殊地理位置和结构特性，其有效的开采存在着巨大的难度，因此如何将可燃冰内的甲烷气体提取出来并加以利用成为了人们研究的主要课题和方向。

2可燃冰的研究原则

（1）选取原则，主要是选取易着手进行操作、研究方式较为简单的场地进行。陆上冻土区是一个较为理想的选择，目前也是主要研究国家普遍认可的实验地点。具体做法是以冻土层的开采模拟为起点，试行各种相关技术，开通试验渠道，最终进行优化，选择最佳方案对海底可然冰进行试开采和经济开发。

（2）生态学方面，环境与人们的生存质量息息相关，开采资源的同时，要站在可持续发展的角度，往往要考虑一下环境效益，这是一种相对科学的研究方式。为此，许多发达国家诸如美国、日本从科学发展观的角度出发，制订了时间周期比较长的可燃冰开采计划，统筹兼顾，维持动态平衡。

（3）同步进行，是指内与外相结合。先在室内建立一个平台，通过相关模拟，检验方案的可能性，然后在转移到实地，进行现场操，目的是提高试验的安全系数。

（4）相互配合。独木难支，个人的力量是有限的，国家也一样。我们要同世界上具有相关先进技术的国家密切合作，扬长避短，扬长克短，扬长补短，既能缩短研究进程，又能为水合物开采方面的重大突破提供助力。

3 国内外可燃冰研究现状

3.1 国外研究现状

由于可燃冰独特的优点与储量丰富、分布广泛等特点，关于可燃冰的开采工作已掀起一股热浪，调查显示，至少有30个国家和地区对可燃冰进行了研究。

总得来说，国外可燃冰开采处于实验模拟试开采阶段，侦探和识别技术相对来说比较成熟，安全方面仍是亟须解决的问题。近年来，日本、美国、德国、印度等国相继着手制定了可燃冰的详细发展路线图，并将其纳入国家能源中长期发展规划。日本和美国在可燃冰领域，尤其是日本，已取得了重要进展。

2013年3月，日本石油天然气和金属公司（JOG-MEC）的科学技术人员通过特殊钻探装备从爱知县深海附近的可燃冰冰层中提取出了可燃冰，这是一次比较成功提取天然气的例子，国际上认定日本是世界上第一个实现离岸开采可燃冰的国家，这为其他想要利用开采可燃冰的国家提供了一个很好的带头作用。

目前在日本的南海可燃冰研发项目中已经制定了完整的计划，将在2016~2018年之间在爱知县附近海域实现商业级别的开采。作为可燃冰资源及其丰富的大国，美国也及其重视可燃冰的开发和研究，已经布局了在墨西哥湾，太平洋和大西洋海岸的钻井开采评估。于2012年美国能源部与JOG-MEC合作，采用CO2置换法在阿拉斯加北部的普拉德霍湾地区的实验井中开采了可燃冰，研究发现，CO2含量为23%的混合气体注入5950m3后，可以回收释放CH4量高达28000m3。财政分配显示，自2009年以来，美国能源部在可燃冰开发项目上投资高达1.6亿美元，该资金主要用于支持工业和学术界合作的可燃冰基础研究工作。

在勘探开采方面比较有前沿性的工作包括伯克利-劳伦斯国家实验室减压法的开采，西北太平洋国家实验室从事的CO2置换法的理论基础研究工作。另外，在2013年美国能源部与阿拉斯加州政府签署关于可燃冰科学研究的详解备忘录之后，美国国家能源技术实验室和日本JOG-MEC也于2014年签署了在阿拉斯加进行长期可燃冰开采方面合作的详解备忘录。

3.2 国内研究现状

同国外相比，国内可燃冰的开展工作相对滞后，由于技术和科技的限制，当前主要处于调查阶段。1999年，我国首次在南海发现一种规则晶体，事后验证该物质为可燃冰。2002年，我国探明南海资源储量约700亿吨油当量,划定了可燃冰矿区在西沙海槽。

2004年，天然气水合物研究中心在中科院广州能源所建立。与此同时，中德科研工作者探测出约430万km2的“九龙甲烷礁”。2005年，可燃冰模拟系统成功研制。2006年，研制可燃冰保真采样器并做了相关模拟实验，考察天然气水合物发育区的地质特点在南海北部东沙西南部海域。2007年，首次成功钻获可燃冰在南海北部神狐海域。2008年，利用自主研发的“海洋六号”在南海北部成功提取可燃冰实物。同时我国在青海祁连山冻土区的“可燃冰”钻探工作也取得进展，证实我国拥有陆域“可燃冰”。2009年，我国在青藏高原五道沟永久冻土区结合青海省祁连山南缘永久冻土带确认有350亿吨油当量以上的“可燃冰”远景资源。

近年来我国在863计划、国家基金委支持的项目中开展了如采集技术、遥感技术、物理模拟和数值模拟技术、地震识别技术等一系列研究,对我国一些海域天然气水合物的资源量作了进一步预测，重要的进展之一是2012年“海洋六号”对南海区域的可燃冰的调查，项目包括储量、分布、深度、开采、纯度、对环境影响等10多个方面。2013年于珠江口盆地东部海域，科研人员首次勘探出具有储量大、种类多、杂质少、深度浅4个特点的高精度“可燃冰”。通过构筑23口钻探井，圈定了“可燃冰”分布面积55km2，划定储量相当于1000~1500亿m3天然气。探测表明，同中国陆上石油总量相比，可燃冰在南海北部储量就已超过其一半。

按地表与地质结构划分，我国土层主要为冻土层，且面积宽广，得天独厚的地理条件有利于可燃冰的形成与储存，资源前景一片大好。2015年在青岛海域实验室首次成功模拟可燃冰。2017年首次是试开采。根据中国战略规划对可燃冰勘探开发的安排，2006~2020年是调查阶段，2020~2030年是开发试生产阶段，2030~2050年，中国的可燃冰将进入商业生产阶段。

虽然关于天然气水合物的研究已取得阶段性进展，但是也仅停留在表面，至于其勘察手段、形成机理、开采方式依然处于探索阶段。没有先进的技术与充足的理论知识，对可燃冰的研究进程会无限期延长；不了解可燃冰的形成机理以及其地质构造，就难以理解可燃冰的晶型结构，动力学方面（置换法）的研究就会出现阻碍；缺乏一定的科学理论指导及技术设备，则可燃冰的开采只能是“蓝田日暖，良玉生烟”，可望而不可置于眉睫之前。另外，储藏于海底的可燃冰需要考虑技术设备和成本问题，高压下长距离地铺设运输管道仍是考验人类的一个难题。因此，对可燃冰的深入科学探索是亟待突破并关乎世界能源能源战略的重大研究课题。

4 可燃冰的国内外相关理论工作

随着量子化学和分子动力学计算方法的出现以及计算机技术的成熟和进步，理论计算已经成为一种精确有效预测可燃冰结构及各种气体物质微观性质的方法，用于分析可燃冰和各种气体的微观结构和化学性质，这一研究对可燃冰的置换开采具有一定的借鉴作用。例如，Iitaka和Ebisuzaki用密度泛函理论研究了不同的客体分子怎样影响水合笼状物的稳定性。Mao等通过密度泛函理论计算表明小型笼子水合物可以接受两个氢分子。2004年，Anderson等构建了甲烷-氩-水笼状水合物的模型，在aug-cc-pVQZ基组的基础上，利用二阶微扰理论计算了其结合能，反应活化能等一系列重要的物理化学参数。2011年，Kumar等在MP2/CBS理论的指导下，评估了天然气水合物主客体之间的相互作用能。2012年，Pisani等定期使用MP2计算MH-III型笼状水合物物的包含能，并验证了MP2法在研究包含能方面的合理性和优越性。

2014年，Jendi等用建立在从头算的密度泛函理论研究了甲烷水合物的机械性能和结构性质。Ojamae等在6-311++G（2d,2p）的水平上，用修正的B97X-D密度泛函理论研究了笼状水合物的稳定性以及主客体分子间的相互作用。Kumar等用密度泛函理论研究了水合笼状物中主客体分子的相互作用，在aug-cc-PVTZ的限制下，比较了B3LYP,M06-L,M06-HF,M06-2X,BLYP-D3等五种方法在预测笼型水合物构型方面的优劣。Vidal-Vidal等利用密度泛函理论研究了CH4和CO2笼状水合物的能量拓扑图谱。Izquierdo-Ruiz等利用第一性原理的计算方法研究了笼型水合物主客体分子之间的相互作用。Darvas等利用计算机模拟跨液液界面的甲烷，对甲烷水合物内在溶解自由能分布作了定量的研究。动力学方面，分子动力（MD）模拟可以从微观机理方面对水合物形成分解机理进行很好的说明。分子动力学是一个考察笼型水合物凝聚态的静态和动态性质的强大研究工具，人们利用该方法，研究了笼型水合物的热稳定性，界面结构变化，分解和生成过程，笼内分子的扩散等大量的相关问题。

颜克凤等利用MD法探究了不同CO2水合物、CO2/N2混合物气水合物、CH4水合物的形成分解过程。Yezdimer等和Geng等则利用分子动力（MD）模拟的方式分别从化学反应吉布斯自由能和稳定性角度证明了CO2置换CH4的可行性，并且说明了在CH4水合物、CO2水合物以及CH4-CO2混合水合物中，混合水合物最稳定，此结果进一步从理论上说明了置换反应的可行性。Uchida等首次利用Ra-man 图谱分析证明了置换反应是在CO2气相与CH4水合物相界发生，并且认为置换反应速率非常低，诱导时间甚至需要几天。在此基础上，他们还进一步分析了置换反应过程中气相中CO2与CH4的组分浓度比与时间的关系，结果发现随着时间的推移，气相中CH4的组分浓度是不断上升的，但上升的速度越来越慢。Hirohama等认为不同相中的组分逸度差是置换反应的驱动力，Qi等则在此基础上发展了置换过程的动力学模型，并认为置换过程中，CH4的分解以及CO2的传质是两个控制环节。Nohra等人则分别将二氧化硫、甲烷、氮气和硫化氢当作辅助剂，掺入二氧化碳水合物中，利用MD- TII（分子动力学 -热力学集成法）研究了各成分形成笼型水合物的机理。

日本的Yagasaki等则通过分子动力学模拟，发现了NaCl的浓度对天然气水合物的解离过程有很大的影响。他们利用约50ns的理论计算，在292K的 NaCl水溶液中，发现了天然气水合物解离和甲烷形成气泡的全部过程。

非常直观的展现了不同浓度的NaCl对于天然气水合物分解的影响。他们发现了一个非常有趣的现象，即低浓度的NaCl会对天然气的分解起到减速的作用，但当浓度继续增加时，变为加速天然气气泡的生成。Nguyen 等利用分子动力学模拟，研究了多态笼型水合物不同构型之间交错成核的机理和晶体生长动力学问题。

5 可燃冰开采的主要方式和困难

开采可燃冰的本质就是一个打破与收集的问题，但是如何在高压低温的环境下寻找一种有效的技术开采可燃冰并更有效地收集释放出来的甲烷，这将是一个难题。“孟母三迁”，环境的改变也会改变物质状态，由于可燃冰的形成条件苛刻及其地理位置比较特殊，所处环境比较敏感，气候反常及地质变动（如升温和减压）均会使其分解为甲烷和水。现已有研究发现相同质量的CH4所造成的温室增温效应是CO2的56倍，这还只是 20年内的研究结果。倘若甲烷的泄露恣意蔓延，那么全球都会受到影响。

如果发生全球性的温室效应，那么两级冰川融化、海平面上升会淹没附近的岛国自不必说，远离海洋的陆地国家也不能幸免———地层这种固体的比热容比液体低，势必会导致环境温度进一步上升；并且水温上升势必会导致水生生物圈的破坏，进一步会影响陆地生物圈，最让人头疼的是，水温上升会导致海底的“可燃冰”进一步分解，如此恶性循环，只会得不偿失，自食其果。此外，人类在勘探石油的过程中发现管壁容易形成可燃冰水合物，当然处在石油矿层下的可燃冰也不排除人活动导致其泄露的可能性，所以，对可燃冰的研究也将对开采石油矿业提供实质性的指导。

比如 2010年的墨西哥湾的漏油事件，事故的原因就是 BP石油公司在钻井过程中忽略了水合物的储层，引起水合物的分解，进而制造了钻井平台的引燃爆炸，酿成了巨大的人员和财产损失以及环境的灾难。BP公司在墨西哥湾的惨痛教训说明人们对笼型水合物（可燃冰）物理性质的了解还远远不足，还需要大量的基础科学技术研究，需要建立完善的笼型水合物的科学技术理论去指导实际的生产实践活动。因此，至今还没有一种有效的方案应用于可燃冰的开采。

目前天然气水合物的只限于理论，具体的开采方案或多或少都有些不尽善。现在所能试行的方案无外乎有这几种模式：改变压力的“减压法”、改变平衡温度的“热激法”、同时改变温度和压力的“化学试剂注入法”、直接打破，三相共存，分单元收集的“固体开采法”、打破相平衡条件的“二氧化碳置换法”以及这几种方法的组合模式。每一种方法都有其缺点和优点，需具体问题具体分析。从大局来说，由于可燃冰的地质环境以及其自身构造，这些方法存在经济投入高、技术要求严格、成本造价大、效率比较低等问题，并有潜在的环境风险，大多数只是处于模拟实验阶段。通过温室气体置换方法开采，在制备提取可燃冰中的天然气的同时，还可以达到净化环境的效果，因此在理论上是一个极具发展前景的方法。与此同时，人们还做了温室气体海洋封存的理论与研究。

6 建议

随着我国能源的紧缺，开发新能源势在必行。为了响应开发新能源的号召工作，必须时刻关注国际上可燃冰的最新动态，努力丰富与可燃冰相关的知识体系。坚持“紧随时代、力争上游”的理念，提高工作效率，密锣紧鼓布置计划，相关企业和部门应积极主动投入在工作岗位，整体掌握然可燃冰资源开发自主权。针对此计划提出以下4 点建议：

（1）要从全局开展可燃冰研发组织工作。国家层面，狠抓工作落实，突出重点组织和部门，强化组织领导，高度重视可燃冰技术人才，制订相关政策和法规，高度强调可燃冰的能源战略地位，是最重要的后备能源之一；相关企业也要自觉执行国家推行的计划。

（2）逐层突破理论基础和技术难题。在现有可燃冰知识体系的基础上，投入大量科研人员，以小组为单位，以组制订课题，开展长期工作，各个击破。投入大量人员是为了保证科研的效率。国家可利用现行教育发行可燃冰等相关资料的书籍、正确评估可燃冰资源价值、指出可燃冰技术开展的难题，选址方面要有可操作性。高等科研院校和相关企业要以技术攻关为主，利用国家成立的实验室开展现场模拟以及实验，重点开展专项技术攻关和现场试验，日积月累，克难攻坚，创建具有自主开发权的技术体系，打下坚实的技术阵地，为大规模的开采做好准备。在现有条件下，可借鉴发达国家比较成熟的技术，取长补短，形成具有中国特色的开采技术完成对可燃冰的开采。

（3）开展可燃冰的自愿互利、联合工作模式。通过国家的协调，正确处理组织内部关系，和谐统一广州能源所、中科院宁波材料所、中国矿业大学等科研院校与可燃冰相关企业的分工机制，联合制定可燃冰战略方案协议书，形成以科研院校指导，企业实践的工作模式，是理论指导实践，实践完善理论的最典型应用。另外，也可向国际延伸，同国际上先进的相关的科研机构、公司、国家进行探讨交流，进一步拓展可燃冰的知识体系、经验和技术，从而提高其在国际上开采可燃冰方面的知名度。

（4）实施相关优惠和奖励政策。综合可燃冰开采的困难以及开采的必需性，国家可制定鼓励，引导的政策，给向相关科研机构和企业拨入大量科研资金或给予优惠，调动科研机构人员的热情以参与人员的积极性。

7 展望

总之，虽然可燃冰开采的研究已引起了许多国家的关注，前期也做了大量的实验研究和理论研究，但这些研究远远不够，我们还需要大量的实验模型以及大量的理论数据。由于从工业废气置换可行性考虑是一个两全其美的方式，因此也是目前广泛受到关注的一个崭新的课题，对于更全面指导工程的实际应用具有重要的意义。

基于上述原因，针对我国可燃冰的资源特点和可持续发展的重大战略需求，利用分子动力学方法和量子力学方法，开展对可燃冰结构和相关气体的理论研究，深入揭示可燃冰置换所需的条件，对工业废气置换法开采可燃冰将具有非凡的意义。因此本次研究项目，既满足国家对可燃冰开发的重大能源战略需求，也将促进我国在笼型水合物基础研究方面稳步前进。

范文二：可燃冰发电论文

发电厂动力部分结课论文

可燃冰发电与锅炉改造技术研究及在我国火力发电

应用发展

学生姓名：学 号：班 级：指导教师：

2012年 10月25日

摘要：可燃冰（天然气水合物）是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。天然气水合物使用方便，燃烧值高，清洁无污染。随着世界能源紧缺，利用可燃冰发电将来可能成为未来发电的趋势，本文通过对可燃冰简绍、燃气锅炉与燃煤锅炉对比、可燃冰技术发电技术论述、小型燃煤锅炉改造为燃气锅炉几个方面对可燃冰发电进行了论述。可将现有的燃煤锅炉转化为燃冰锅炉节省成本，可实现环境保护与能源的合理利用。

关键词：无污染 效率高 储量丰富 多种需求

Abstract ：Combustible ice (natural gas hydrate ) in twentieth Century is the scientific research in the discovery of a new mineral resources. Natural gas hydrate is convenient to use, high combustion value, clean without pollution. Along with the world the sources of energy in short supply, utiliz ation of combust ible ice generating fut ure may become the next generat ion of the trend, this article through to the combust ible ice Jane Shao, gas fired boiler and coal fired boiler cont rast, combust ible ice t echnology power generat ion t echnology is discussed, and small transformat ion of coal-fired boiler to gas-fired boiler on several aspects of combustible ice generating are discussed. The exist ing coal-fired boiler into burning ice boiler t o save cost, can realiz e t he environment al prot ect ion and rat ional use of energy.

Keywords ：Polluti on-free Effi cient Abundant reserve s A variety of demand

前言

天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固体瓦斯”之称，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源，天然气水合物是一种新型高效能源，其成分与人们平时所使用的天然气成分相近，但更为纯净，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。据了解，全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，具有广阔的开发前据测算，中国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当中国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。

我国可燃冰发前景可观，可以说是天时地利人和，因此用可燃冰发电将成为我国21发电重要支柱。

第一章 可燃冰简绍及在我国的发展前景

1 可燃冰定义

可燃冰是天然气和水结合在一起的固体化合物，外形晶莹剔透，与冰相似。天然气水合物是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。 2 可燃冰当代发展及我国的发展情况

天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。

天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固体瓦斯”之称，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源，天然气水合物是一种新型高效能源，其成分与人们平时所使用的天然气成分相近，但更为纯净，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。

2007年5月1日凌晨，中国在南海北部的首次采样成功，证实了中国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源，标志着中国天然气水合物调查研究水平已步入世界先进行列。

可燃冰的学名为“天然气水合物”，是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。“冰块”里甲烷占80%～99.9%，可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。目前，全世界拥有的常规石油天然气资源，将在40年或50年后逐渐枯竭。而科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，海底可燃冰的储量够人类使用1000年，因而被科学家誉为“未来能源”、“21世纪能源”。

据悉，迄今为止，全球至少有30多个国家和地区在进行可燃冰的研究与调查勘探。

可燃冰主要储存于海底或寒冷地区的永久冻土带，比较难以寻找和勘探。新研制的这套灵敏度极高的仪器，可以实地即时测出海底土壤、岩石中各种超微量甲烷、乙烷、丙烷及氢气的精确含量，由此判断出可燃冰资源存在与否和资源量等各种指标。 作为世界上最大的发展中的海洋大国，中国能源短缺十分突出。中国的油气资源供需差距很大， 1993 年中国已从油气输出国转变为净进口国， 1999 年进口石油 4000 多万吨， 2000 年进口石油近 7000 万吨，预计 2010 石油缺口可达 2 亿吨。因此急需开发新能源以满足中国经济的高速发展。海底天然气水合物资源丰富，其上游的勘探开采技术可借鉴常规油气，下游的天然气运输、使用等技术都很成熟。因此，加强天然气水合物调查评价是贯彻实施党中央、

国务院确定的可持续发展战略的重要措施，也是开发中国二十一世纪新能源、改善能源结构、增强综合国力及国际竞争力、保证经济安全的重要途径。

2005年4月14日，中国在北京举行中国地质博物馆收藏中国首次发现的天然气水合物碳酸盐岩标本仪式。

宣布中国首次发现世界上规模最大被作为“可燃冰”即天然气水合物存在重要证据的“冷泉”碳酸盐岩分布区，其面积约为430平方公里。

青藏高原发现新能源可燃冰 至少350亿吨油当量

中国国土资源部总工程师张洪涛先生09年9月25日在北京介绍，中国地质部门在青藏高原发现了一种名为可燃冰(又称天然气水合物) 的环保新能源，预计十年左右能投入使用。

在当天的新闻发布会上，张洪涛说，这是中国首次在陆域上发现可燃冰，使中国成为加拿大、美国之后，在陆域上通过国家计划钻探发现可燃冰的第三个国家。

3 可燃冰发电可满足用户多种需求的能源梯级利用

第二章可燃冰燃气锅炉与燃煤锅炉相比优越性

1 燃气锅炉与燃煤锅炉相比具有非常明显的优越性

1.1由于燃气中的灰分、含硫量和含氮量均比煤中的含量低，燃烧后产生的烟气中粉尘量极少，排放出的烟气比较容易达到国家对燃烧设备所要求的标准。使用燃气锅炉可以大大减轻对环境的污染。

1.2燃气锅炉的炉膛容积热强度较高；由于烟气污染小，对流管束不受腐蚀和结渣，传热效果好，燃气燃烧产生大量三原子气体(二氧化碳、水蒸气等) 的辐射能力较强，而且排烟温度低，使其热效率明显提高。

1.3在节约锅炉设备投资方面；

1）燃气锅炉可选用较高的炉膛热负荷，从而缩小炉膛体积。因不存在受热面污染、结渣、磨损等问题，可选用较高的烟速，减小对流受热面的尺寸。通过合理布置对流管束，使燃气锅炉较同容量燃煤锅炉结构紧凑、尺寸小、重量轻，设备投资明显减少；

2）燃气锅炉不需要配置吹灰器、除尘器、出渣设备和燃料烘干器等附属设备；

3）燃气锅炉使用管道输送的燃气为燃料，无需燃料储存设备。在供给燃烧前也无需燃料加工制备设备，使系统大为简化；

4）由于无需燃料储存，节省运输费用、场地及劳动力。

1.4在运行、调节及降低供热成本方面；

1) 燃气锅炉的供热负荷适应性强，在系统内调节灵活。

2) 系统启动快，减少预备工作带来的各种消耗。

3) 由于附属设备少，又无燃料制备系统，因而用电量较燃煤锅炉要低。

4) 不需要加热燃料及燃料烘干所用的蒸汽，蒸汽消耗较少。

5) 燃气内杂质较少，锅炉不会发生高、低温受热面的腐蚀，也不存在结渣的问题，锅炉的连续运行周期长。

6) 燃气计量简单准确，便于燃气供应量的调节。

1.5在减少设备维修、保养方面；

1) 燃气锅炉燃烧系统设备简单，因而需要维修保养的项目少。

2) 由于不存在结渣及高低温受热面腐蚀，因而不需要由此而更换受热面的管件及空气预热器的元件。

根据以上叙述不难看出：燃气锅炉必将以绝对优势把燃煤锅炉赶下历史的舞台。但丛国内外燃气锅炉的具体使用情况来看，还存在一定的问题，必须引起我们高度重视。其中最重要的就是燃气锅炉的防爆问题。

燃气是一种易燃、易爆、有毒性气体，它没有颜色，虽有一定的气味却难以凭嗅觉及时发现。如果燃气漏入停运的炉膛或空气中会引起爆炸。所以燃气管路必须严格捡漏，炉膛内要有必要的联锁保护控制系统，锅炉房要有燃气泄漏监测报警装置和通风设备，采用防爆电器。锅炉应有严格的启动顺序控制系统，燃气锅炉在点火之前必须仔细吹扫炉膛和烟道，排除炉内可能积存的可燃气体。锅炉燃烧器必须安装熄火安全保护装置，一但出现熄火现象，二次点火前也必须进行吹扫并按正常点火程序进行。另外，燃气采用管道输送，无备用燃料，一旦发生燃气管道破裂等问题或燃气压力过低，便会造成停炉事故。随着燃气锅炉的广泛应用和技术设备的日益完善，事故隐患正在逐渐降低，各种安全保护手段已能保证燃气锅炉的运行非常可靠。

燃气锅炉在我国作为一种新生事物正在蓬勃发展，并已显示出极其广阔的发展前景，它将使我们的环境更优美、空气更新鲜、生活更美好。

第三章 可燃冰发电技术论证

1 可燃冰发电分为集中式和分布式

1.1可燃冰发电分为集中式和分布式，前者是传统的发电方式，后者采用完全 不同于集中式供电的方式，被称为“第二代能源系统”。集中式供电是以大容量、高参数机组发电，超高压、远距离输电，机 组互联、形成大电网供电的模式，是目前中国主流的天然气发电模 式。

1.2分布式能源是将规模不一的天然气发电和供热制冷等设备加以集成, 分 散式的方式布置在用户附近的能源系统。天然气集中式发电效率高，适用于以发电为主要目的调峰/基荷电厂；分布 式发电效率低，但热电综合效率高，适用于小区域内的工商业和居民能源 供应。集中式发电启停速度快，大型机组度电成本约为 0.7 元（3 元/立方米 气价），用于调峰用途经济性好。分布式发电度电成本约为 1 元，远远高于上网电价，以自用为主；由 于靠近用户便于提供热气，通过热电联供提高机组的经济性。 2 分布式能源系统的应用

分布式能源系统的应用范围很广，包括工业园区、学校、机场、居民区、 商场、办公楼，都主要使用天然气作为燃料，根据不同的场合使用不同配 置。

2.1工业园区生产型企业居多，一般都具有稳定的电、蒸汽、热和冷负 荷，各项负荷都比较大，可使用热电联产联合循环机组，建设分布式 能源站将有较好的经济性。

图表：工业园区分布式能源示意图

办公大楼各种负荷相对较小，而且随时间变化较大，一般采用微型燃 气轮机或燃气内燃机。一般

图表：公楼燃气内燃机三联供系统流程图

2.2居民社区通常选择燃气内燃机作为动力设备。作为分布式能源站应用 的一种建筑类型，其最大特点就是负荷需求的不定时性。所以，居民社区的分布式能源站需要增加设计蓄能装置。

第四章 小型燃煤锅炉改燃气锅炉分析

1 锅炉热力计算

燃气锅炉热力计算的主要目的是确定足够的受热面, 以保证锅炉合理的出力和热效率。燃气锅炉的热力计算主要包括锅炉的热平衡计算、炉膛受热面计算以及对流受热面计算。

1.1锅炉热平衡计算

锅炉系统的热平衡计算是为了保证送入锅炉机组的热量与有效利用热及各项热损失的总相 衡, 并在此基础上计算出锅炉机组的热效率和燃料消耗量。对燃气锅炉, 一般以1Nm3气体燃料为基础计算。

锅炉机组热平衡方程：

Qr =Q1 +Q2 +Q3 +Q4 +Q5 +Q

式中 Qr ———送入锅炉系统的热量;

Q1 ———锅炉系统的有效热量;

Q2 、Q3 、Q4 、Q5 、Q6 ———锅炉各项损失。

则锅炉效率

ηgl =Q1/Qr×100%

锅炉的燃料消耗量

B=Q1 /(ηglQr) ×100%

1.2炉膛的传热计算

炉膛传热过程主要是高温火焰和水冷壁之间的辐射换热, 由于烟气流速较小, 因而对流换热可忽略。炉膛传热计算的任务是要确定炉膛辐射受热面(水冷壁) 的吸热量和炉膛出口烟气温度。炉膛布置位置变化较多, 考虑到水循环的可靠性, 可采用偏置炉膛。但偏置炉膛会产生不均匀的烟气流动, 造成对流受热面的浪费, 因此小型燃气锅炉多采用轴对称布置结构。目前推荐的炉膛换热计算公式多系建立在相似理论基础上的半经验公式或建立在实验基础上的经验公式。

对于单室炉, 炉膛出口烟温

式中 Ta ———理论燃烧温度, ℃;

M ———经验系数值, 取决于火焰最高温度点的相对位置;

σ0 ———波尔滋曼常数, σ0 =5.67 ×10- 11kWP(m2·K4) ;

Fl ———炉膛面积,m2;

φ———保热系数;

ψ———热有效系数;

Bj ———计算燃料消耗量,Nm3/s

VCpj ———平均比热容,kJ(Nm3·K) 。

具体计算结果见表 1

1.3对流受热面的换热计算

锅炉中的对流受热面是指锅炉管束、过热器、空气预热器等。在这些受热面中, 高温烟气主要是以对流的方式进行放热。由于烟气中含有三原子气体及飞灰, 它们具有一定的辐射能力, 因此除对流放热外, 还要考虑烟气的辐射放热。此外对布置在炉膛出口处的对流受热面, 还需考虑来自炉膛的辐射热量。对流受热面的传热计算采用校核计算方法, 即预先假设受热面的结构特性, 根据工质的入口温度、计算燃料消耗量、烟气入口温度、漏风系数和漏风焓等参数确定各受热面的传热量和烟气、工质的出口温度, 由计算结果校核受热面初始结构是否合理。可按式(5)计算烟气放热量和传热量的误差百分数, 检验某受热面的烟气出口温度的原假定值是否合理以及判断受热面结构是否满足换热要求。

式中 Qrp ———烟气放热量,Qrp =φ(I′- I″) ;

Qcr ———对流传热量,

k ———在某一对流受热量中, 由管外烟气至管内工质的传热系数

Δt ———平均温差;

I ′、I ″———烟气进口焓与出口焓

表2为锅炉两回程传热计算后受热面结构参数。

2 烟风阻力计算

锅炉的通风阻力计算在锅炉热力计算后进行, 是在已知锅炉各部位的烟风温度、烟风量以及结构特性情况下进行的校核计算, 其计算的目的是:计算烟风侧的流动阻力, 校核锅炉结构设计、受热面布置、流速选择的合理性, 保证锅炉经济稳定运行。锅炉烟风系统的流动阻力可分为:沿程摩擦阻力和局部阻力2类, 流动阻力具体计算过程在本文不做介绍, 仅给出计算结果。

见表

3

3 锅炉强度计算

锅炉是一种受热的特殊压力容器, 如果元件的壁厚不足会产生破坏; 另一方面, 不适当地增大受压元件的壁厚, 又会浪费钢材。因此国家劳动部门统一对锅炉受压元件的强度计算进行管理, 制订了锅炉受压元件强度计算标准来规范锅炉的强度设计, 以保证锅炉的安全。校核的部件主要包括:锅壳筒体、前后管板、回燃室、炉胆、安全阀和人孔。

3.1强度计算基本参数的确定

强度计算的目的是确定受压元件的壁厚, 归纳起来元件壁厚是下列参数的函数

S=f ([σ] ,p, T,几何特征尺寸)

在这些参数中, 几何特征尺寸是锅炉设计时确定的,[σ]是构成受压件材料的许用压力, 决定于材料的机械性能和安全系数, 同时也受元件的工作温度T 的影响, p是受压元件强度计算时计算压力，这是强度计算首先确定的基本参数。

3.2强度计算

(1) 承受内压圆筒形元件的强度校核通常规定, 在任何情况下, 锅筒或锅壳的壁厚应

不小于6mm 。对于管子与锅筒或锅壳采用胀接联接的锅炉, 为了保证具有足够的

胀接长度, 锅筒和锅壳的壁厚应不小于12mm 。对于不绝热的圆筒形受压元件, 当

热流自外向内传递时, 筒体内壁的热应力为拉应力, 它将与由内压力在内壁上产

生的工作应力相叠加, 使筒体内壁的工作条件恶化。另外, 由于热应力与内外壁厚

温差成正比, 它随着温差的波动而变化, 这就可能造成低周疲劳破坏。所以从防止

低周疲劳破坏来考虑, 对筒体的壁厚应有所限制。经推导, 不绝热筒体的最大允许壁厚值

式中Dw ———锅筒外直径,mm;

A ———系数, 与锅炉热负荷有关

(2) , 承受外压圆筒形元件的强度校核锅炉中承受外压的圆筒形元件有:卧式锅壳式锅

炉的平炉胆或波形炉胆及立式锅壳式锅炉的直炉胆和冲天管。对于这些承受外

压的圆筒形元件, 如果壁厚较厚而筒径又不很大, 则圆筒具有足够的刚度, 此时在

外压力的作用下, 壁内的应力状态与承受内压力作用时相比, 只是拉应力变为压

应力。当外压力增加时, 壁内应力的绝对值随之增大, 直至相当应力达到材料的屈

服极限值, 圆筒发生全面屈服。经校核计算, 最终确定各承压元件的壁厚, 具体数据

见表4。

第五章 可燃冰发电故障安全保护

1 高水位、低水位报警装置

高低水位报警和低水位连锁保护：在汽包水位过高或过低时发出蜂鸣声，提醒司炉工注意，锅炉程序控制器上显示“极高水位或极低水位”字样。当高水位时锅炉可以自动进行排污，同时切断锅炉补水泵电源，将水位控制在安全区域内；低水位时自动启动锅炉补水泵进行补水，直到正常高水位为止。这种精确的自动控制要求该保护装置必须灵敏可靠。燃气锅炉上常用的水位传感器有浮球式、磁铁式和电极式三种。我单位水位安全装置中的传感器采用电极式，其传感元件电极由于长期与高温炉水或蒸汽接触，电化学腐蚀、结垢等原因使电极端部的导电性能容易被破坏；或电极与水表柱壳之间的绝缘老化使得信号回路短路；或者电气线路由于高温导致断线或接触不良等。这些因素导致水位传感器失灵或误动作。 2 锅炉的超压保护装置

我单位蒸汽锅炉上装配了2个压力控制器：其中1#压力控制器是超压控制器，2#压力控制器是正常工作压力控制器。超压控制器是防护锅炉超压运行。它是利用波纹管弹性元件随着压力的升降而伸长或缩短的变化特性，通过杠杆与拨臂拨动开关，使触点开关断开或闭合，从而达到对压力进行控制的目的。其波纹管弹性元件、电触点、弹簧等元件容易损坏，如果发现不及时则起不到超压保护作用。

3 炉膛安全保护装置

燃烧器采用英国进口的Nu-Way （力威）燃烧器，其特点是能在低压供气状态下（10～300mmbar ）达到工作要求。它的程序控制器十分精细，具备高气压保护、低气压保护、压力测漏装置，测漏程序控制器等安全装置，并且可以全自动检测燃气阀组（燃气紧急切断阀、火种电磁阀等）电磁阀的严密性并提示燃气阀门的密封性。但点火程序控制和熄火保护程序依赖的电眼CDS （火焰监视器）由紫外线光电管和火焰监视集成电路板组成，其电子元件经常使用容易老化失灵从而失去监视火焰的作用，而它们一旦失去作用就有炉膛爆炸的危险。

4 燃气锅炉的安全装置

管理不仅包括以上自动化装置的管理，对于传统的锅炉三大安全装置的管理也不可忽视。对于锅炉传统的安全附件以下几点必须注意：

1. 锅炉的三大安全附件：安全阀、压力表必须定期校验，保证灵敏可靠。特别是安全阀必须经过特种设备监督检验所定期校 验才可以使用，并且使用期间还要定期进行排放操作，以免安全阀阀芯锈死。水位计要班班冲洗。

2. 注意安全阀的选用。在低压锅炉上使用的安全阀一般是弹簧式安全阀，以前曾经有这样的认识：只要安全阀的口径和法兰尺寸一样就可以随便选用。这是不对的。蒸汽锅炉上必须使用全启式安全阀，它具有排放量大、开启迅速、关闭迅速的特点，适合蒸汽锅炉一旦超压能达到迅速泄压的目的。在蒸汽锅炉上不能使用微启式安全阀，以前发现这两种安全阀经常混用。

第六章 结语

1 随着燃气蒸汽锅炉的广泛应用, 各种设计方法将日益完善, 锅炉的结构和技术设备也不断改进, 各种安全保护措施也会日益加强。可燃冰燃气蒸汽锅炉在我国作为一种新生事物正蓬勃发展, 并已显示出极其广阔的应用前景。

2 部分地区燃气分销商投入建设天然气电厂积极性很高，4-5 年可收回成本； 经济发达地区环保要求高，电力集团出于圈地考虑也积极投入天然气发电 项目；关键设备如燃气轮机多为国外厂商垄断，未来边际增量不高，关注能从事天然气分布式能源的设备商。

2.1 40万KW 燃气电厂建设费20亿元（大型电厂 5000 元/千瓦），20% 为自有资金投入为4亿元，建成后电厂可以自负盈亏不用再投入；每立方米管输费 0.3 元，则燃气分销商每年可赚 0.84 亿元，5年左右收回电 厂投入资金。

2.2中国燃气轮机制造水平远落后于世界水平，目前重型燃气轮机和汽轮机 被 GE 、西门子和三菱及其合营厂商垄断，且集中式发电设备市场增长 潜力不大；分布式能源所需要的轻型/微型燃气轮机主要依赖进口，国内 厂商项目经验少，期待“十二五”期间能够国产化。 参考文献

[1] 赵钦新. 燃油燃气锅炉结构设计及图册[M]. 西安:西安交通大学出版社，2001.

[2] 赵钦新, 惠世恩. 燃油燃气锅炉[M]. 西安:西安交通大学出版社，1999.

[3] 杨世铭, 陶文铨. 传热学[M]. 北京:高等教育出版社，2003.

[4] 关金峰 发电厂动力部分 中国电力出版社，2007

[5] 袁隆基, 丁 艳 小型燃气蒸汽锅炉的设计研究，煤矿机械第29卷第2期2008

范文三：可燃冰发电论文

可燃冰发电与锅炉改造技术研究及在我国火力发电

应用发展

学生姓名: 李志鹏

学 号: 1019030527

班 级: 机械105

指导教师: 邓建祥

2012年 10月25日

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摘要:可燃冰(天然气水合物)是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。天然气水合物使用方便，

燃烧值高，清洁无污染。随着世界能源紧缺，利用可燃冰发电将来可能成为未来发电的趋势，本文通过对可

燃冰简绍、燃气锅炉与燃煤锅炉对比、可燃冰技术发电技术论述、小型燃煤锅炉改造为燃气锅炉几个方面对

可燃冰发电进行了论述。可将现有的燃煤锅炉转化为燃冰锅炉节省成本，可实现环境保护与能源的合理利用。

关键词:无污染 效率高 储量丰富 多种需求

Abstract:Combustible ice (natural gas hydrate ) in twentieth Century is the scientific research in the discovery of a new mineral resources. Natural gas hydrate is convenient to use, high combustion value, clean without pollution. Along with the world the sources of energy in short supply, utilization of combustible ice generating future may become the next generation of the trend, this article through to the combustible ice Jane Shao, gas fired boiler and coal fired boiler contrast, combustible ice technology power generation technology is discussed, and small transformation of coal-fired boiler to gas-fired boiler on several aspects of combustible ice generating are discussed. The existing coal-fired boiler into burning ice boiler to save cost, can realize the environmental protection and rational use of energy.

Keywords:Pollution-free Efficient Abundant reserves A variety of demand

前言

天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件

下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固

体瓦斯”之称，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源，天然气水合物是一种新型高效能源，其

成分与人们平时所使用的天然气成分相近，但更为纯净，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减

压就可释放出大量的甲烷气体。据了解，全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两

倍，具有广阔的开发前据测算，中国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当中

国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。

我国可燃冰发前景可观，可以说是天时地利人和，因此用可燃冰发电将成为我国21发电重

要支柱。

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第一章 可燃冰简绍及在我国的发展前景 1 可燃冰定义

可燃冰是天然气和水结合在一起的固体化合物，外形晶莹剔透，与冰相似。天然气水合物是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。 2 可燃冰当代发展及我国的发展情况

天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。

天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件

物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固下混合时产生的一种固态

体瓦斯”之称，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源，天然气水合物是一种新型高效能源，其成分与人们平时所使用的天然气成分相近，但更为纯净，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。

2007年5月1日凌晨，中国在南海北部的首次采样成功，证实了中国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源，标志着中国天然气水合物调查研究水平已步入世界先进行列。

可燃冰的学名为“天然气水合物”，是天然气在0?和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。“冰块”里甲烷占80%,99.9%，可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。目前，全世界拥有的常规石油天然气资源，将在40年或50年后逐渐枯竭。而科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，海底可燃冰的储量够人类使用1000年，因而被科学家誉为“未来能源”、“21世纪能源”。

据悉，迄今为止，全球至少有30多个国家和地区在进行可燃冰的研究与调查勘探。

可燃冰主要储存于海底或寒冷地区的永久冻土带，比较难以寻找和勘探。新研制的这套灵敏度极高的仪器，可以实地即时测出海底土壤、岩石中各种超微量甲烷、乙烷、丙烷及氢气的精确含量，由此判断出可燃冰资源存在与否和资源量等各种指标。

作为世界上最大的发展中的海洋大国，中国能源短缺十分突出。中国的油气资源供需差距很大， 1993 年中国已从油气输出国转变为净进口国， 1999 年进口石油 4000 多万吨， 2000 年进口石油近 7000 万吨，预计 2010 石油缺口可达 2 亿吨。因此急需开发新能源以满足中国经济的高速发展。海底天然气水合物资源丰富，其上游的勘探开采技术可借鉴常规油气，下游的天然气运输、使用等技术都很成熟。因此，加强天然气水合物调查评价是贯彻实施党中央、

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国务院确定的可持续发展战略的重要措施，也是开发中国二十一世纪新能源、改善能源结构、增强综合国力及国际竞争力、保证经济安全的重要途径。

2005年4月14日，中国在北京举行中国地质博物馆收藏中国首次发现的天然气水合物碳酸盐岩标本仪式。

宣布中国首次发现世界上规模最大被作为“可燃冰”即天然气水合物存在重要证据的“冷泉”碳酸盐岩分布区，其面积约为430平方公里。

青藏高原发现新能源可燃冰 至少350亿吨油当量

中国国土资源部总工程师张洪涛先生09年9月25日在北京介绍，中国地质部门在青藏高原发现了一种名为可燃冰(又称天然气水合物)的环保新能源，预计十年左右能投入使用。

在当天的新闻发布会上，张洪涛说，这是中国首次在陆域上发现可燃冰，使中国成为加拿大、美国之后，在陆域上通过国家计划钻探发现可燃冰的第三个国家。 3 可燃冰发电可满足用户多种需求的能源梯级利用

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第二章可燃冰燃气锅炉与燃煤锅炉相比优越性 1 燃气锅炉与燃煤锅炉相比具有非常明显的优越性

1.1由于燃气中的灰分、含硫量和含氮量均比煤中的含量低，燃烧后产生的烟气中粉尘量极少，排放出的烟气比较容易达到国家对燃烧设备所要求的标准。使用燃气锅炉可以大大减轻对环境的污染。 1.2燃气锅炉的炉膛容积热强度较高;由于烟气污染小，对流管束不受腐蚀和结渣，传热效果好，燃气燃烧产生大量三原子气体(二氧化碳、水蒸气等)的辐射能力较强，而且排烟温度低，使其热效率明显提高。

1.3在节约锅炉设备投资方面;

1)燃气锅炉可选用较高的炉膛热负荷，从而缩小炉膛体积。因不存在受热面污染、结渣、磨损等问题，可选用较高的烟速，减小对流受热面的尺寸。通过合理布置对流管束，使燃气锅炉较同容量燃煤锅炉结构紧凑、尺寸小、重量轻，设备投资明显减少;

2)燃气锅炉不需要配置吹灰器、除尘器、出渣设备和燃料烘干器等附属设备; 3)燃气锅炉使用管道输送的燃气为燃料，无需燃料储存设备。在供给燃烧前也无需燃料加工制备设备，使系统大为简化;

4)由于无需燃料储存，节省运输费用、场地及劳动力。

1.4在运行、调节及降低供热成本方面;

1) 燃气锅炉的供热负荷适应性强，在系统内调节灵活。

2) 系统启动快，减少预备工作带来的各种消耗。

3) 由于附属设备少，又无燃料制备系统，因而用电量较燃煤锅炉要低。

4) 不需要加热燃料及燃料烘干所用的蒸汽，蒸汽消耗较少。

5) 燃气内杂质较少，锅炉不会发生高、低温受热面的腐蚀，也不存在结渣的问题，锅炉的连续运行周期长。

6) 燃气计量简单准确，便于燃气供应量的调节。

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1.5在减少设备维修、保养方面;

1) 燃气锅炉燃烧系统设备简单，因而需要维修保养的项目少。

2) 由于不存在结渣及高低温受热面腐蚀，因而不需要由此而更换受热面的管件及空气预热器的元件。

根据以上叙述不难看出:燃气锅炉必将以绝对优势把燃煤锅炉赶下历史的舞台。但丛国内外燃气锅炉的具体使用情况来看，还存在一定的问题，必须引起我们高度重视。其中最重要的就是燃气锅炉的防爆问题。

燃气是一种易燃、易爆、有毒性气体，它没有颜色，虽有一定的气味却难以凭嗅觉及时发现。如果燃气漏入停运的炉膛或空气中会引起爆炸。所以燃气管路必须严格捡漏，炉膛内要有必要的联锁保护控制系统，锅炉房要有燃气泄漏监测报警装置和通风设备，采用防爆电器。锅炉应有严格的启动顺序控制系统，燃气锅炉在点火之前必须仔细吹扫炉膛和烟道，排除炉内可能积存的可燃气体。锅炉燃烧器必须安装熄火安全保护装置，一但出现熄火现象，二次点火前也必须进行吹扫并按正常点火程序进行。另外，燃气采用管道输送，无备用燃料，一旦发生燃气管道破裂等问题或燃气压力过低，便会造成停炉事故。随着燃气锅炉的广泛应用和技术设备的日益完善，事故隐患正在逐渐降低，各种安全保护手段已能保证燃气锅炉的运行非常可靠。

燃气锅炉在我国作为一种新生事物正在蓬勃发展，并已显示出极其广阔的发展前景，它将使我们的环境更优美、空气更新鲜、生活更美好。

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第三章 可燃冰发电技术论证

1 可燃冰发电分为集中式和分布式

1.1可燃冰发电分为集中式和分布式，前者是传统的发电方式，后者采用完全 不同于集中式供电的方式，被称为“第二代能源系统”。集中式供电是以大容量、高参数机组发电，超高压、远距离输电，机 组互联、形成大电网供电的模式，是目前中国主流的天然气发电模 式。

1.2分布式能源是将规模不一的天然气发电和供热制冷等设备加以集成,分 散式的方式布置在用户附近的能源系统。天然气集中式发电效率高，适用于以发电为主要目的调峰/基荷电厂;分布 式发电效率低，但热电综合效率高，适用于小区域内的工商业和居民能源 供应。集中式发电启停速度快，大型机组度电成本约为 0.7 元(3 元/立方米 气价)，用于调峰用途经济性好。分布式发电度电成本约为 1 元，远远高于上网电价，以自用为主;由 于靠近用户便于提供热气，通过热电联供提高机组的经济性。 2 分布式能源系统的应用

分布式能源系统的应用范围很广，包括工业园区、学校、机场、居民区、 商场、办公楼，都主要使用天然气作为燃料，根据不同的场合使用不同配 置。

2.1工业园区生产型企业居多，一般都具有稳定的电、蒸汽、热和冷负 荷，各项负荷都比较大，可使用热电联产联合循环机组，建设分布式 能源站将有较好的经济性。

图表:工业园区分布式能源示意图

办公大楼各种负荷相对较小，而且随时间变化较大，一般采用微型燃 气轮机或燃气内燃机。一般根据“优先满足冷、热负荷”或“满足一 级电负荷”原则配置设备。

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图表:公楼燃气内燃机三联供系统流程图

2.2居民社区通常选择燃气内燃机作为动力设备。作为分布式能源站应用 的一种建筑类型，其最大特点就是负荷需求的不定时性。所以，居民社区的分布式能源站需要增加设计蓄能装置。

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第四章 小型燃煤锅炉改燃气锅炉分析 1 锅炉热力计算

燃气锅炉热力计算的主要目的是确定足够的受热面,以保证锅炉合理的出力和热效率。燃气锅炉的热力计算主要包括锅炉的热平衡计算、炉膛受热面计算以及对流受热面计算。 1.1锅炉热平衡计算

锅炉系统的热平衡计算是为了保证送入锅炉机组的热量与有效利用热及各项热损失的总相 衡,并在此基础上计算出锅炉机组的热效率和燃料消耗量。对燃气锅炉,一般以1Nm3气体燃料为基础计算。

锅炉机组热平衡方程:

Qr =Q1 +Q2 +Q3 +Q4 +Q5 +Q

式中 Qr ———送入锅炉系统的热量;

Q1 ———锅炉系统的有效热量;

Q2 、Q3 、Q4 、Q5 、Q6 ———锅炉各项损失。

则锅炉效率

ηgl =Q1/Qr×100%

锅炉的燃料消耗量

B=Q1 /(ηglQr)×100%

1.2炉膛的传热计算

炉膛传热过程主要是高温火焰和水冷壁之间的辐射换热,由于烟气流速较小,因而对流换热可忽略。炉膛传热计算的任务是要确定炉膛辐射受热面(水冷壁)的吸热量和炉膛出口烟气温度。炉膛布置位置变化较多,考虑到水循环的可靠性,可采用偏置炉膛。但偏置炉膛会产生不均匀的烟气流动,造成对流受热面的浪费,因此小型燃气锅炉多采用轴对称布置结构。目前推荐的炉膛换热计算公式多系建立在相似理论基础上的半经验公式或建立在实验基础上的经验公式。

对于单室炉,炉膛出口烟温

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式中 Ta ———理论燃烧温度, ?;

M———经验系数值,取决于火焰最高温度点的相对位置;

σ0 ———波尔滋曼常数,σ0 =5.67 ×10- 11kWP(m2?K4) ;

Fl ———炉膛面积,m2;

φ———保热系数;

ψ———热有效系数;

Bj ———计算燃料消耗量,Nm3/s

VCpj ———平均比热容,kJ(Nm3?K) 。

具体计算结果见表

1 1.3对流受热面的换热计算

锅炉中的对流受热面是指锅炉管束、过热器、空气预热器等。在这些受热面中,高温烟气主要是以对流的方式进行放热。由于烟气中含有三原子气体及飞灰,它们具有一定的辐射能力,因此除对流放热外,还要考虑烟气的辐射放热。此外对布置在炉膛出口处的对流受热面,还需考虑来自炉膛的辐射热量。对流受热面的传热计算采用校核计算方法,即预先假设受热面的结构特性,根据工质的入口温度、计算燃料消耗量、烟气入口温度、漏风系数和漏风焓等参数确定各受热面的传热量和烟气、工质的出口温度,由计算结果校核受热面初始结构是否合理。可按式(5)计算烟气放热量和传热量的误差百分数, 检验某受热面的烟气出口温度的原假定值是否合理以及判断受热面结构是否满足换热要求。

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式中 Qrp ———烟气放热量,Qrp =φ(I′- I″) ;

Qcr ———对流传热量,

k———在某一对流受热量中,由管外烟气至管内工质的传热系数

平均温差; Δt ———

I′、I″———烟气进口焓与出口焓

表2为锅炉两回程传热计算后受热面结构参数。

2 烟风阻力计算

锅炉的通风阻力计算在锅炉热力计算后进行,是在已知锅炉各部位的烟风温度、烟风量以及结构特性情况下进行的校核计算,其计算的目的是:计算烟风侧的流动阻力,校核锅炉结构设计、受热面布置、流速选择的合理性,保证锅炉经济稳定运行。锅炉烟风系统的流动阻力可分为:沿程摩擦阻力和局部阻力2类,流动阻力具体计算过程在本文不做介绍,仅给出计算结果。

见表3

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3 锅炉强度计算

锅炉是一种受热的特殊压力容器,如果元件的壁厚不足会产生破坏;另一方面,不适当地增大受压元件的壁厚,又会浪费钢材。因此国家劳动部门统一对锅炉受压元件的强度计算进行管理,制订了锅炉受压元件强度计算标准来规范锅炉的强度设计,以保证锅炉的安全。校核的部件主要包括:锅壳筒体、前后管板、回燃室、炉胆、安全阀和人孔。 3.1强度计算基本参数的确定

强度计算的目的是确定受压元件的壁厚,归纳起来元件壁厚是下列参数的函数 S=f ([σ] ,p, T,几何特征尺寸)

在这些参数中,几何特征尺寸是锅炉设计时确定的,[σ]是构成受压件材料的许用压力,决定于材料的机械性能和安全系数,同时也受元件的工作温度T的影响, p是受压元件强度计算时计算压力，这是强度计算首先确定的基本参数。

3.2强度计算

(1) 承受内压圆筒形元件的强度校核通常规定,在任何情况下,锅筒或锅壳的壁厚应

不小于6mm。对于管子与锅筒或锅壳采用胀接联接的锅炉,为了保证具有足够的

胀接长度,锅筒和锅壳的壁厚应不小于12mm。对于不绝热的圆筒形受压元件,当

热流自外向内传递时,筒体内壁的热应力为拉应力,它将与由内压力在内壁上产

生的工作应力相叠加,使筒体内壁的工作条件恶化。另外,由于热应力与内外壁厚

温差成正比,它随着温差的波动而变化,这就可能造成低周疲劳破坏。所以从防止

低周疲劳破坏来考虑,对筒体的壁厚应有所限制。经推导,不绝热筒体的最大允许

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壁厚值 ,

式中Dw———锅筒外直径,mm;

A———系数,与锅炉热负荷有关

(2) 承受外压圆筒形元件的强度校核锅炉中承受外压的圆筒形元件有:卧式锅壳式锅

炉的平炉胆或波形炉胆及立式锅壳式锅炉的直炉胆和冲天管。对于这些承受外

压的圆筒形元件,如果壁厚较厚而筒径又不很大,则圆筒具有足够的刚度,此时在

外压力的作用下,壁内的应力状态与承受内压力作用时相比,只是拉应力变为压

应力。当外压力增加时,壁内应力的绝对值随之增大,直至相当应力达到材料的屈

服极限值,圆筒发生全面屈服。经校核计算,最终确定各承压元件的壁厚,具体数据

见表4。

第五章 可燃冰发电故障安全保护

1 高水位、低水位报警装置

高低水位报警和低水位连锁保护:在汽包水位过高或过低时发出蜂鸣声，提醒司炉工注意，锅炉程序控制器上显示“极高水位或极低水位”字样。当高水位时锅炉可以自动进行排污，同时切断锅炉补水泵电源，将水位控制在安全区域内;低水位时自动启动锅炉补水泵进行补水，直到正常高水位为止。这种精确的自动控制要求该保护装置必须灵敏可靠。燃气锅炉上常用的水位传感器有浮球式、磁铁式和电极式三种。我单位水位安全装置中的传感器采用电极式，其传感元件电极由于长期与高温炉水或蒸汽接触，电化学腐蚀、结垢等原因使电极端部的导电性能容易被破坏;或电极与水表柱壳之间的绝缘老化使得信号回路短路;或者

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电气线路由于高温导致断线或接触不良等。这些因素导致水位传感器失灵或误动作。 2 锅炉的超压保护装置

我单位蒸汽锅炉上装配了2个压力控制器:其中1#压力控制器是超压控制器，2#压力控制器是正常工作压力控制器。超压控制器是防护锅炉超压运行。它是利用波纹管弹性元件随着压力的升降而伸长或缩短的变化特性，通过杠杆与拨臂拨动开关，使触点开关断开或闭合，从而达到对压力进行控制的目的。其波纹管弹性元件、电触点、弹簧等元件容易损坏，如果发现不及时则起不到超压保护作用。

3 炉膛安全保护装置

燃烧器采用英国进口的Nu-Way(力威)燃烧器，其特点是能在低压供气状态下(10,300mmbar)达到工作要求。它的程序控制器十分精细，具备高气压保护、低气压保护、压力测漏装置，测漏程序控制器等安全装置，并且可以全自动检测燃气阀组(燃气紧急切断阀、火种电磁阀等)电磁阀的严密性并提示燃气阀门的密封性。但点火程序控制和熄火保护程序依赖的电眼CDS(火焰监视器)由紫外线光电管和火焰监视集成电路板组成，其电子元件经常使用容易老化失灵从而失去监视火焰的作用，而它们一旦失去作用就有炉膛爆炸的危险。

4 燃气锅炉的安全装置

管理不仅包括以上自动化装置的管理，对于传统的锅炉三大安全装置的管理也不可忽视。对于锅炉传统的安全附件以下几点必须注意:

1.锅炉的三大安全附件:安全阀、压力表必须定期校验，保证灵敏可靠。特别是安全阀必须经过特种设备监督检验所定期校 验才可以使用，并且使用期间还要定期进行排放操作，以免安全阀阀芯锈死。水位计要班班冲洗。

2.注意安全阀的选用。在低压锅炉上使用的安全阀一般是弹簧式安全阀，以前曾经有这样的认识:只要安全阀的口径和法兰尺寸一样就可以随便选用。这是不对的。蒸汽锅炉上必须使用全启式安全阀，它具有排放量大、开启迅速、关闭迅速的特点，适合蒸汽锅炉一旦超压能达到迅速泄压的目的。在蒸汽锅炉上不能使用微启式安全阀，以前发现这两种安全阀经常混用。

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第六章 结语

1 随着燃气蒸汽锅炉的广泛应用,各种设计方法将日益完善,锅炉的结构和技术设备也不断改进,各种安全保护措施也会日益加强。可燃冰燃气蒸汽锅炉在我国作为一种新生事物正蓬勃发展,并已显示出极其广阔的应用前景。 2 部分地区燃气分销商投入建设天然气电厂积极性很高，4-5 年可收回成本; 经济发达地区环保要求高，电力集团出于圈地考虑也积极投入天然气发电 项目;关键设备如燃气轮机多为国外厂商垄断，未来边际增量不高，关注能从事天然气分布式能源的设备商。

2.1 40万KW燃气电厂建设费20亿元(大型电厂 5000 元/千瓦)，20% 为自有资金投入为4亿元，建成后电厂可以自负盈亏不用再投入;每立方米管输费 0.3 元，则燃气分销商每年可赚 0.84 亿元，5年左右收回电 厂投入资金。

2.2中国燃气轮机制造水平远落后于世界水平，目前重型燃气轮机和汽轮机 被 GE、西门子和三菱及其合营厂商垄断，且集中式发电设备市场增长 潜力不大;分布式能源所需要的轻型/微型燃气轮机主要依赖进口，国内 厂商项目经验少，期待“十二五”期间能够国产化。

参考文献

[1] 赵钦新. 燃油燃气锅炉结构设计及图册[M]. 西安:西安交通大学出版社，2001.

[2] 赵钦新,惠世恩. 燃油燃气锅炉[M]. 西安:西安交通大学出版社，1999.

[3] 杨世铭,陶文铨. 传热学[M]. 北京:高等教育出版社，2003.

[4] 关金峰 发电厂动力部分 中国电力出版社，2007

[5] 袁隆基, 丁 艳 小型燃气蒸汽锅炉的设计研究，煤矿机械第29卷第2期2008

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范文四：可燃冰毕业论文

扬州工业职业技术学院

2009—2010学年

第 二 学期

毕业设计（论文）

（课程设计）

课题名称： 天然气水合物的开发

设计时间： 2009.11.10--2010.4.30

系 部： 化学工程系

班 级： 0701石油化工生产技术

姓 名： 司军

指导教师： 徐红

目 录

一、天然气水合物概述 ...................................................................................................................... 2

二、天然气水合物的开发历程 .......................................................................................................... 2

2.1 世界天然气水合物勘探发现历程 ....................................................................................... 2

2.2世界天然气水合物资源查明分布状况 ................................................................................ 3

三．天然气水合物勘探方法和开采技术 .......................................................................................... 4

3.1勘探方法 ................................................................................................................................ 4

3.1.1地球物理勘探法 ......................................................................................................... 4

3.1.2 地球化学勘探法 ........................................................................................................ 4

3.1.3 标型矿物法 ................................................................................................................ 5

3.1.4 自生沉积矿物学法 .................................................................................................... 5

3.1.5 新一代地球观测系统 ................................................................................................ 5

3.2开采技术 ................................................................................................................................ 5

3.2.1加热法 ......................................................................................................................... 6

3.2.2 降压法 ........................................................................................................................ 6

3.2.3 添加化学剂法 ............................................................................................................ 7

3.2.4 CO2驱替法 . ................................................................................................................ 8

3.2.5利用高能气体压裂技术 ............................................................................................. 8

四．开采天然气可燃冰对环境的影响 .............................................................................................. 9

五．天然气水合物勘探开发动向 .................................................................................................... 10

六．我国对天然气水合物研究进展 ................................................................................................ 12

七、 结论 .......................................................................................................................................... 18

【参考文献】 .................................................................................................................................... 19

致 谢 ........................................................................................................................................ 21

天然气水合物的开发

司军

0701石油化工

[摘要]：天然气水合物是一种新型洁净能源，其蕴藏量约为现有地球化石燃料含碳量总和的两倍，天然气水合物资源开发已经引起了全世界的关注。提出了先利用高能气体压裂技术对储层进行压裂后再结合电磁加热或降压法开采，或者利用加热法和降压法结合开采的思路，以期达到经济有效开采的目的。此外，我们还要密切关注开采天然气水合物对环境的重要影响，同时我们国家开发天然气水合物的步伐也越来越快了。

[关键词]：天然气水合物，开采，高能气体压裂，环境

Development of Natural Gas Hydrate

SIJUN

0701 Petrochemical

Abstract: Gas hydrate is a new type of clean energy, its reserves of fossil fuels on Earth is about the current twice the sum of the carbon content of natural gas hydrate resources

Development has attracted worldwide attention. Made the first use of high-energy gas fracturing technology to reservoir fracturing and then combined step-down method of electromagnetic heating or extraction,or use the heating method and step-down method combined with the exploitation of ideas, in order to achieve cost-effective exploitation purposes. In addition, we also pay close attention to the exploitation of gas hydrate a significant impact on the environment, while our country's pace of development of natural gas hydrate faster and faster.

Key words: gas hydrates，mining ，High Energy Gas Fracturing，Environment

一、天然气水合物概述

天然气水合物（Natural Gas Hydrate ，简称Gas Hydrate ）因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH 值等）下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。它可用M · n H 2O 来表示，M 代表水合物中的气体分子，n 为水合指数（也就是水分子数）。组成天然气的成分如CH 4、C 2H 6、C 3H 8、C 4H 10等同系物以及CO 2、N 2、 H 2S 等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，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。

天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。

天然气水合物使用方便，燃烧值高，清洁无污染。据了解，全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，具有广阔的开发前景，美国、日本等国均已经在各自海域发现并开采出天然气水合物，据测算，我国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当我国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。

我国在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”，从而成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。

二、天然气水合物的开发历程

2.1 世界天然气水合物勘探发现历程

20世纪60年代初，前苏联借助地球物理方法首次在西伯利亚永冻层中发现了天然气水合物．随后美、加在阿拉斯加北坡三角洲冻土带相继发现了大规模的水合物矿藏。7O 年代初，英国地质调查所科学家在美国东海岸大陆边缘进行的地震探测中发现了“似海底反射层”．并于1974年在深海钻探岩心中获取天然气水合物样品并释放出大量甲烷，证实了BSR 与天然气水合物有关。

70年代末至80年代初，深海钻探计划和大洋钻探计划陆续实施，在全球多处海

底发现了天然气水合物。随着大规模的国际合作相继开展，天然气水合物研究以及综合普查勘探工作进入全面发展阶段

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”。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，首次证明天然气水合物分布广泛。并肯定了其商业开发价值。同时指出天然气水合物矿层下的游离气也具有经济意义。

2.2世界天然气水合物资源查明分布状况

天然气水合物资源主要存在于世界范围内的沟盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘，尤其是与泥火山、热水活动、盐泥底辟及大型断裂构造有关的深海盆地中．另外还包括扩张盆地和北极地区的永久冻土区(见图1) 。大西洋的85％、太平洋的95％、印度洋的96％（一20℃， —1O ℃， O℃ ，1O ℃ ，2O ℃ ，30℃温度之间）的地区中含有天然气水合物，并且主要分布于海平面下200～600m 的深度内。

图1北极地区与海洋环境下天然气水合物存在条件

三．天然气水合物勘探方法和开采技术

3.1勘探方法

3.1.1地球物理勘探法

地球物理勘探法主要包括地震勘探技术和测井技术、钻孔取样技术、热流测量技术、海洋电磁法探测技术等。地震勘探技术是应用最为广泛的天然气水合物勘探调查研究方法，通过该方法可确定大面积分布的天然气水合物。利用测井技术，可确定天然气水合物、含天然气水合物沉积物在深度上的分布：估算孔隙度与甲烷饱和度；地震与其他地球物理资料作校正。同时，测井资料也是研究井点附近天然气水合物主地层沉积环境及演化的有效手段。由于天然气水合物储层的特殊性。因此测井方法具有明显的试验性。

3.1.2 地球化学勘探法

地球化学方法是20世纪80年代中期开发的一种新勘探方法，主要包括有机化学法、流体地球化学法、稳定同位素化学法、酸解烃法、海洋沉积物热释光法等。

由于天然气水合物极易随温度、压力的变化而分解．海底浅部沉积物中常常形成天然气地球化学异常。这些异常不仅可指示天然气水合物可能存在的位置．而且可利用其硅类组分比值及碳同位素成分判断其天然气的成因。

3.1.3 标型矿物法

指示天然气水合物存在的标型矿物通常是某些具有特定组成和形态的碳酸盐、硫酸盐和硫化物，它们是成矿流体在沉积、成岩以及后生作用过程中与海水、孔隙水、沉积物相互作用所形成的一系列标型矿物。天然气水合物分解以后，碳酸盐会发生沉淀，这种碳酸盐就具有一种特殊的同位素地球化学特征，据此可判断天然气水合物的存在。

3.1.4 自生沉积矿物学法

20世纪90年代以来， 自生碳酸盐矿物在北美西部印度西部大陆边缘和地中海的海底高原等区域海底沉积物中相继发现。从而使人们将天然气水合物的分布与自生碳酸盐矿物形成联系起来并将该自生矿物产出作为天然气水合物的形成标志。这些自生矿物呈碳酸盐的岩隆、结核和烟囱等形式产出，与之相伴的海洋贝类、蚌类、管状蠕虫类、菌席和甲烷气泡等，这些都是由富甲烷流体垂直向排出所致，它们在泥底辟和泥火山发育区更为典型。

3.1.5 新一代地球观测系统

利用新一代卫星遥感数据．可以将固态天然气水合物的特殊标志信息，如固态天然气水合物渗漏反映在遥感图像上。从而识别天然气水合物矿藏。

3.2开采技术

天然气水合物的开发思路，首先考虑如何使蕴藏在沉积物中的天然气水合物分解成天然气(目前主要是通过改变温度、压力促使其分解) ，然后再将天然气采至

地面。

3.2.1加热法

加热法（或称为热激发法) 是将蒸汽、热水、热盐水或其他热流体从地面泵入水合物地层(也可用开采重油时使用的火驱法) ，促使温度上升、水合物分解(见图

2) 。该方法主要缺点是热损失大、效率低，特别是在永久冻土区。

3.2.2 降压法

降压法的做法一般是在水合物层之下的游离气聚集层中“降低”天然气压力或形成一个天然气空腔(可由热激发或化学试剂作用人为创造) ，使与天然气接触的水合物变得不稳定，分解为天然气和水（见图3) 。

3.2.3 添加化学剂法

将某些化学剂．如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等从井孔注入后，可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定的温度，从而其分解（见图4）。该方法较加热法作用缓慢，且成本高，但确有降低初始能源输入的优点。

3.2.4 CO2驱替法

近期有学者提出了C02驱替法，即用C02 置换开采，通过形成C02 水合物放出的热量来分解天然气水合物(见图5) 。此法可使用工业排放的C02。

3.2.5利用高能气体压裂技术

高能气体压裂的基本原理就是利用火药或推进剂的燃烧．产生脉冲加载并控制压力上升速度，使释放的大量高温高压气体作用于井壁岩石上，压开径向裂缝体系，沟通地层喉道和天然微裂缝．解除近井地带的有机物堵塞。提高井简附近地层的导流能力，从而达到增产增注的目的。

该天然气水合物气田适合采用高能气体压裂的依据有

(1)天然气水合物层在地下约750m 左右，小于2000m ；

(2)地处冻土带，在这些地区．道路、井场、水源等施工条件受限制，不适合其他工艺复杂的增产措施；

(3)该储层物性较好，压裂后增产效果显著：

(4)产生热效应，爆压时火药燃烧释放出大量热量，一般能达600～800℃，在绝热条件下使气体温度达1000℃以上，而且相对集中，这些热量可以分解近井地带的天然气水合物，直接改善近井地带的渗流环境；

(5)推进剂燃烧产生的CO 2气体也可以和天然气水合物发生反应从而置换出天然气：

(6)高能气体压裂可以克服对气井进行水力压裂时因压裂液大量进入地层而产

生两相流动，进而引起气锁等不利因素由此看出，广泛分布的天然气水合物的储层物性变化范围也比较大．我们可以先陆上再海上逐步探索，筛选出适合高能气体压裂的储层，压裂后再结合其他开采方法，从而达到经济有效的开采。

a. 天然气井。对气井进行水力压裂将会因压裂液大量进入地层而产生两相流动。进而引起气锁等不利因素，不但不能增产，相反会严重影响气井的产量；而高能气体压裂因其独特的压裂增产机理，完全可以克服以上不利因素，达到改造气藏、提高气井产量的目的。

b. 高能气体压裂的工作介质是处于高温、高压下的N 2、NO 、NO 2 、CO 、CO 2和水蒸汽，这些热气体可以清除近井地带的沥青质、蜡质和其他机械杂质的堵塞。 c. 戈壁、沙漠、滩海等区域浊气的增产处理。在这些地区，道路、井场、水源等施工条件受限制，不适合其他工艺复杂的增产措施，而高能气体压裂工艺以其简便、施工设备少以及对施工条件要求低的优点而能在这些区域较大程度地发挥作用。

d. 高能气体压裂适用于中、高渗透污染油藏和中低渗透裂缝较发育的灰岩、砂岩油藏，而对于岩性致密的油藏或泥质过多的油藏不太适用。

四．开采天然气可燃冰对环境的影响

天然气水合物在开发过程中肯定会对海底环境产生一些影响，最常见的是温室效应、海底滑坡以及对海底环境的影响。天然气水合物蕴藏量极大，其甲烷的吞吐量也极大，是全球碳循环中的重要环节。在岩石圈与水圈、气圈的碳交换中起重要作用。甲烷气体是大气中一种重要的组分，虽然其含量仅为CO 2的0．5％ ，但甲烷的温室效应要远比CO 2，强得多，约为CO 2 的21倍。天然气水合物在开采过程中随着压力、温度的变化必然会造成部分水合物的分解并释放到大气中去，加重温室效应。更为严重的是，伴随全球变暖，海水水温、地层温度上升以及海平面上升的变化，极地永久冻土带之下或海底的天然气水合物会自动分解，大气的温室效应进一步加剧。加拿大福特斯洛普天然气水合物层正在融化就是一个例证。近年来有研究者发现天然气水合物分解同地震、火山喷发等自然现象一样会造成海底滑坡 。海洋天然气水合物赋存区主要在近海的大陆架和大陆坡地区，该区域是人类海洋工程实施的主要区域。天然气水合物在自然界中极不稳定，温差

条件的微小变化都会引起它的分解或生成。由于其一旦分解，会产生大量气体，释放在岩石孔隙，从而使地层结构和固结程度发生变化．容易在地震波、风暴波或人为因素作用下引起海底滑坡或泥石流。这是威胁海底电缆的铺设和保养、海洋石油天然气钻探工程、海洋渔业等安全的潜在地质灾害因素。20世纪90年代在巴西北东部大陆边缘的亚马逊及日本海岛附近等海域发现了海底滑塌、滑坡和浊流作用等现象。目前对此较为一致的认识是，这些海底地质灾害可能是由海平面升降、海啸和地震导致水合物分解而引起的。天然气水合物开采过程中释放的大量CH 4常和海水中的O 2反应生成CO 2，而CO 2 又会与礁石中的CaCO 3反应生成Ca(HCO)2。海底O 2的大量消耗造成了一些好氧生物群的萎缩．甚至出现物种灭绝。同时也会造成生物礁退化，破坏海洋生态平衡。

五．天然气水合物勘探开发动向

自20世纪60年代以来，世界上有79个国家和地区都发现了天然气水合物。目前，各国对于天然气水合物的开发利用都寄予很大期望。2002年，日本、加拿大、美国、德国、印度共同展开研究活动，在加拿大首先实现了从地下的天然气水合物层向地表输送甲烷气体。研究天然气水合物资源量及勘探开发技术的国家主要有美国、英国、德国、加拿大、俄罗斯、日本、印度、韩国、中国等，各个国家在过去的20年里都相继投入了大量的资金进行天然气水合物的资源特征、生产开发、对环境的影响、安全性和海底稳定性等方面的研究。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，将“甲烷水合物研究与资源开发利用”列入国家发展长远计划，每年投人2000万美元， 由能源部和美国地质调查局组织有关部门实施，要求2010年达到计划目标，2015年进行商业性试采。到目前为止，美国已在天然气水合物的研究上耗资近3亿美元。据相关统计数据表明，日本目前是世界上天然气水合物探明储量较多的国家之一，大约为7．4×106 m 3．以1999年日本国内天然气消费量计算的话，预计可以维持100年。日本的天然气水合物埋藏范围广泛．几乎遍及从北海道到冲绳的海域。2006年．日本东京大学和海洋研究开发机构的研究小组，在日本新漓县附近海域发现东亚第一个露出海底的天然气水合物区。近年来，在国土资源部统一组织下，中国海洋地质调查部门通过连续9年的调查研究，发现南海北部具有良好的天然气水合物资源前景，并于2007年5～6月经钻探在南海北部海域获取了天然气水合物的岩心样品。与世

界上已发现的天然气水合物相比，我国发现的纯度很高，燃烧后几乎没有污染。lm 3天然气水合物(不含杂质) 可转化为164m 3天然气和0.8m 3水。探测表明：仅南海北部的天然气水合物储量，就已达到我国陆上石油总量的1／2左右；此外，在西沙群岛已初步圈出天然气水合物分布面积5242km 。在南海北部获取实物样品之后尽快发现具有开采价值的天然气水合物矿藏．已成为当前中国天然气水合物勘探研究的首要目标。研究发现，中国南海北部陆坡具有与世界其他地区类似的形成天然气水合物的地质环境和温度压力条件，但同时该区又具有新生代构造强、岩浆活动频繁、热流高、气源类型复杂等不同于世界其他天然气水合物发育区的地质背景。据悉，“南海天然气水合物富集规律与开采基础研究”项目。已通过国家重大基础研究发展计划“973计划”组织的审查，这标志着中国对天然气水合物的重大基础研究全面展开，也是“973计划”首次确认对天然气水合物研究给予专项支持。该研究专项将以中国南海北部天然气水合物发育区为研究对象．围绕其成矿机制和富集规律及开采理论基础．建立南海北部陆坡天然气水合物成矿理论及更深层次的综合识别方法，研究其富集规律，探索开发相关的技术机理，为中国天然气水合物资源勘查、评价提供深入有效的基础理论指导。该项目的依托单位为国土资源部，承担单位为中国地质调查局。项目组织了国内天然气水合物、海洋油气、海洋地质调查研究和产业领域的主要优势单位。包括中国科学院、中国地质大学、中国石油大学、中海石油研究中心等。整个项目将于2009年1月正式启动。中国已成为继美国、日本、印度之后第四个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家，中国对天然气水合物已进行了9年海上勘查，累计投入5亿元人民币。预计在2010之前将再投入近5亿元人民币进行天然气水合物研究。韩国产业资源部2008年1月宣布，韩国在日本海(韩国称“东海”) 海底发现大型天然气水合物矿藏。这是韩国继在日本海成功采集到天然气水合物后的再次发现，天然气水合物开发项目团在1800m 以下的海底发现了3个天然气水合物矿层。韩国成为继美国、日本、印度和中国后，世界第五个确认深海天然气水合物矿藏的国家。

六．我国对天然气水合物研究进展

我国在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”，从而成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。

2007年5月1日凌晨，我国在南海北部的首次采样成功，证实了我国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源，标志着我国天然气水合物调查研究水平已步入世界先进行列。据悉，迄今为止，全球至少有30多个国家和地区在进行可燃冰的研究与调查勘探。

可燃冰主要储存于海底或寒冷地区的永久冻土带，比较难以寻找和勘探。新研制的这套灵敏度极高的仪器，可以实地即时测出海底土壤、岩石中各种超微量甲烷、乙烷、丙烷及氢气的精确含量，由此判断出可燃冰资源存在与否和资源量等各种指标。

我国对天然气水合物的研究开展得比较晚，20世纪80年代中期才陆续有翻译和报道国外天然气水合物的调查和研究成果。1995年起，在中国大洋协会和原地质矿产部的支持下，我国先后实施了“西太平洋天然气水合物找矿前景与方法的调研” 和“中国海域天然气水合物勘测研究调研”2项研究课题。1998年，国家高技术研究发展计划(“863”计划) 海洋领域还启动了“海底天然气水合物资源探查的关键技术”课题，并经在南海北部示范区的试验，初步探索了BSR （水合物沉积层的底界反射）处理技术和在我国当前技术条件下的地球化学、地热学研究方法。1999年10月起，广州海洋地质调查局率先在南海北部陆坡区开展了天然气水合物的实际调查，由此我国天然气水合物的研究进入了快速发展时期。目前我国已在天然气水合物的实验室模拟、物化性质、资源评价等方面开展了多项研究， 并对我国南海海域天然气水合物资源前景进行了调查。我国天然气水合物的调查和研究区域主要集中在南海北部（见图6）， 并兼顾了东海海域以及南海的其它海域，调查的同时也开展了一些基础性的研究工作， 并取得了大量的研究资料。中国地质调查局在数年综合调查的基础上，于2007年5月在南海北部的神狐海域正式采集到了天然气水合物的实物样品，成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采集到天然气水合物实物样品的国家。在南海发现天然气水合物的神狐海域成为世界上第24个采集到天然气水合物实物样品的地区， 也是第22个在海底采

集到天然气水合物实物样品的地区和第12个通过钻探工程采集到天然气水合物实物样品的地区。在这次天然气水合物的钻探航次中， 在神狐海域约1200m 的水深中的3个站位采集到了天然气水合物的实物样品，这些天然气水合物在泥质沉积层中呈浸染状产出。此次成功获取了天然气水合物实物样品， 展示了我国南海北部海域巨大的天然气水合物资源远景，证实了我国有关基础性地质工作的可靠性，也标志着我国天然气水合物调查研究水平跨入了世界领先的行列。本文在对南海北部以往几年里进行的天然气水合物调查研究的基础上，对研究所取得的进展从地球物理、地质和地球化学3个方面进行了归纳和总结，并提出了今后研究的方向和重点，为未来了解、认识和研究天然气水合物提供科学参考。

图6 南海北部天然气水合物钻探位置和BSR 的分布

南海北部的天然气水合物的研究也是从BSR 的研究开始的。REED 最早报道了在南海存在BSR ，并在台湾南部海域鉴别出BSR 。1998年，我国学者姚伯初在研究了10万余公里的多道地震后发现，在东沙群岛和西沙海槽有BSR ，并推测这些地区存在天然气水合物，同时，台湾学者在处理1990年台湾近海的地震资料时也发现了面积达2万km 的BSR ，并推测该区域存在天然气水合物。在完成大洋钻探184航次后，宋海斌等、吴时国等收集了德国“太阳号”用于确定站位的地震剖面，识别出BSR 和其它地球物理标志。广州海洋地质调查局经过数年的调查后，在南海北

部陆坡的东沙群岛南部、西沙海槽的南北斜坡、南盆地东缘等地发现了多处BSR ，在完成“973”项目过程中，该项目组还在台湾西南海域识别出BSR 、振幅空白和极性反转等地震标志，结合区域地质资料，认为该地区有良好的天然气水合物成矿前景。在天然气水合物的调查中，BSR 是第一也是最重要的地球物理指标，但空白带、速度振幅异常和波形反转等其它地球物理指标也是调查中不可忽略的指标。在南海北部天然气水合物的地球物理调查中也进行了空白带、速度振幅异常和波形反转等指标的调查，这些地球物理标志与BSR 相伴随，说明了南海北部具有良好的天然气水合物成矿前景。此外，梁劲等对南海北部陆坡可能存在天然气水合物的地区进行了速度特征的综合研究，认为高精度速度分析有利于确定天然气水合物的富集层位；文鹏飞等从天然气水合物或游离气的地震特性出发，从反演的角度取得了天然气水合物的物性参数，证明了剖面上BSR 的强弱与天然气水合物含量之间的关系。刘学伟等以南海北部HD152测线为例，就如何提高当BSR 和空白带特征不明显时天然气水合物识别的可信度进行了讨论，认为利用剖面中纵波和横波的速度、泊松比以及部分A VO 属性可识别天然气水合物和游离气。总之，南海北部的地球物理研究进展表明，南海北部陆坡是存在天然气水合物的。2007年5月在南海北部神狐海域BSR 区域采集到天然气水合物的实物样品，证实了以往地球物理研究成果的可靠性。作为我国勘探和开发的首选地区，南海北部的天然气水合物地质方面调查和研究已经取得了巨大的进展。在当前能源短缺的形势下，祝有海、卢振权 、赵生才、张光学 、何家雄 和姚伯初等建议尽快实施我国南海北部天然气水合物的钻探和研究工作。广州海洋地质调查局早在2002年就在南海北部东沙群岛取得了冷泉碳酸盐岩，2004年中国地质调查局和德国基尔大学海洋科学研究所合作开展的科学考察也进一步证实了其存在，并认为其面积可达430 km2 ，这是在南海北部发现天然气水合物存在的BSR 证据以来的又一重要证据。在2005年的南海北部科学考察中，中国科学院南海海洋研究所又在南海北部发现了两个冷泉碳酸盐岩站位 ，陆红锋等也报道了2004年广州海洋地质调查局在南海北部神狐海区获得了大量的碳酸盐岩烟囱的调查结果。对这些碳酸盐岩，我国研究者进行了岩石学、矿物学、地球化学以及生物学等方面的研究，结果表明：这些碳酸盐岩主要是由碳酸盐矿物、陆源碎屑和粘土矿物组成，含有少量的黄铁矿和针铁矿，将其与世界上获得天然气水合物地区的碳酸盐岩进行对比表明，南海北部存在天然气水合物的可能性很大。除了发现碳酸盐岩烟囱外，在南海北部还发现了与天然

气水合物有关的地貌特征。SHYU 报道了在台湾西南部地区发现了泥底辟，并估算了其热流；CHOW etal也认为台湾西南部地区不仅存在泥底辟，还存在麻坑；陈多福等报道了琼东南盆地存在泥底辟的研究结果；王宏斌 、沙志彬等在讨论底辟构造与天然气水合物的关系时发现，南海北部陆坡发育有大量的泥底辟。研究中发现，大部分的泥底辟与BSR 伴生，且从具有天然气水合物的地区来看，泥底辟有利于天然气水合物的运移和保存；同时，由于南海北部属于被动大陆边缘，受新生代的构造影响较大，海槽、海谷、海山、海丘、陡坡、陡坎、海底高原、陆坡台地、海底滑塌及海底扇等各种构造地貌发育，这些构造地貌为天然气水合物的形成提供了有利条件。一些研究者也讨论了南海北部的沉积条件与天然气水合物形成的关系。吴时国在讨论东沙海区的天然气水合物形成及分布的地质因素时认为，在东沙群岛地区存在与天然气水合物有关的3种沉积类型；张志杰讨论了南海北部的台湾西南部地区附近的构造沉降与沉积作用对天然气水合物的控制；于兴河根据整个南海的沉积条件并结合其它地质条件，探讨了南海存在天然气水合物的有利区块；苏新根据南海北部陆坡中新世以来的沉积物特性，讨论了南海北部的天然气水合物形成的有利分布区域；MCDONNELL etal 从台湾西南部构造和沉积方面讨论了台湾西南部天然气水合物可能存在的区域。对于南海北部天然气水合物存在的地热条件，金春爽、JIN etal 讨论了地热场特征以及有利于天然气水合物分布的地热场，同时讨论了地热对天然气水合物的影响。陈多福、陈忠等和CHEN etal 还发现了在冷泉碳酸盐岩中存在石化的微生物细菌。卢振权等利用卫星热红外遥感探测了南海的天然气水合物，并预测了其分布区域，在这种条件下，也有研究者估算了南海天然气水合物的资源量。总之，南海北部的地质条件使其拥有了存在天然气水合物的可能性，而其所起的作用在2007年5～6月的天然气水合物钻探航次中得到了证实。地球化学研究进展在寻找天然气水合物时，除了寻找地质和地球物理方面的标志外，地球化学标志也是天然气水合物存在的有利证据。我国的研究者首先是从对空气的甲烷含量以及碳同位素的研究开始进行天然气水合物地球化学标志研究的。从全球天然气水合物的产地来看，甲烷来源大部分是生物成因的，仅有2个典型的地区发现有热解成因的甲烷存在，即墨西哥湾和挪威格陵兰海(Norwegian—Greenland Sea) ，但是热解气也可能破坏深部烃类气体源。从已有的研究成果看，南海北部区具有甲烷气体的异常分布区，但它的烃类气体主要来源于深部热解成因的气体，可能也混合有浅部生物成因的气体。祝有海等在绘

制和分类酸解气分布图时发现，在西沙海槽西缘、台西南盆地与笔架南盆地等区域存在明显的高甲烷含量异常，尤其是台西南盆地和笔架南盆地，甲烷含量较高，常常大于200 L ／kg ，且这类高甲烷含量异常区往往与BSR 分布区一致。王宏语等测定了西沙海槽的烃类气和碳同位素值，认为该地区的气体主要是海底表层沉积物所含的甲烷气，是以热解成因为主的，少量为生物成因的。对碳酸盐岩进行的碳、氧同位素分析得到了两种不同的结论。上述研究表明，对于天然气水合物区气体的成因有两种结论，一个与全球大部分天然气水合物的碳酸盐岩同位素的结果相似，另一个则与甲烷同位素的结论一致。由于上述两种结论所采集样品的位置不同，因此产生两种不同结论的具体原因还有待于今后的进一步研究。Cl-浓度异常和SO 2-浓度梯度已经成为目前天然气水合物最为重要的地球化学指标，这是在总结了DSDP 和ODP 的钻孔资料后得来的。但是由于钻孔的取样深度一般是在百米以上，而南海北部沉积物的最大取样深度较小， 所以很难通过Cl-浓度异常和SO 2-浓度梯度两项地球化学指标对南海北部地区是否存在天然气水合物进行判断，不过若南海北部区与存在天然气水合物地区在上述两项地球化学指标上相类似，那么天然气水合物存在的可能性是很大的。蒋少涌等从南海北部海底沉积物孔隙水中的Cl-和SO 2-离子浓度特征发现，有些站位沉积物的地球化学指标与含天然气水合物沉积物的典型地区的地球化学指标相类似，同时，在讨论SMI 界面时还发现，南海北部的SMI 界面深度为20 in以内，与ODP204和ODP164钻孔得到的SMI 界面的深度相一致，这些站位都正好位于BSR 的分布区内，可见在这些站位下面存在天然气水合物的可能性很大。杨涛等从南海北部海底沉积物孔隙水中的氢、氧同位素特征的角度讨论了其对天然气水合物的指示意义，发现A14站位的8个样品中与天然气水合物有关的重同位素值(8 D和8 O)随深度呈增大的趋势，指示出该区存在天然气水合物的可能性极大。研究者还根据单一站位地球化学的异常特征讨论了其存在天然气水合物的可能性。ZHU et al 和王建桥等根据大洋钻探184航次1146站位的孔隙水和顶空气的地球化学和同位素特征讨论了天然气水合物存在的可能性；祝有海等研究了S14站位的地球化学异常，认为在该站位之下可能存在天然气水合物；邓希光等研究了HD196站位的地球化学特征，并结合其它的资料认为，该站位之下可能存在天然气水合物；杨涛等分析了南海北部陆坡西沙海槽XS 一01站位沉积物孔隙水的地球化学特征，认为该站位是西沙海槽区最有利的天然气水合物赋存区，值得做进一步的勘查工作。此外，刘坚等根据东沙群岛浅层沉

积物硫化物分布特征讨论了该地区存在天然气水合物的可能性，认为沉积物中高含量的硫化物与天然气水合物分解形成的甲烷流有直接的关系。总之，南海北部的地球化学证据表明，在南海北部陆坡存在天然气水合物的可能性是很大的，该区的地质和地球物理条件以及在2007年的钻探调查都证实了其存在的可能性。

七、 结论

(1)天然气水合物资源勘探备受世界瞩目。天然气水合物为水晶状物质，由包围着固体甲烷的水分子架构组成，是以甲烷为主的气态烃类物质(含少量CO 2、H 2S 等非烃分子) 充填或被束缚在笼状水分子结构中形成的冰晶状物质。

(2)天然气水合物是20世纪发现的一种新型后备能源，为21世纪石油天然气的理想替代资源，是目前地球上尚未开发的最大能源库。

(3)天然气水合物主要存在于全球范围内的沟盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘，尤其是与泥火山、热水活动、盐泥底辟及大型断裂构造有关的深海盆地中，包括扩张盆地和北极地区的永久冻土区。

(4)天然气水合物在大陆上主要分布于阿拉斯加北坡、加拿大马更些三角洲等地。中国青藏高原永久冻土带区域也蕴藏着大量的天然气水合物资源。

(5)天然气水合物勘探方法有地球物理法、地球化学勘探法、标型矿物法、自生沉积矿物学法等，采用多学科综合勘探是天然气水合物勘探发展方向。天然气水合物开发技术有加热法、降压法、添加化学剂法、驱替法、高能气体压裂技术等。

(6)依据近年试验性开采的成果和技术进步看，2015— 2020年发达国家实现工业规模开采水合物气在技术上是可行的，但实现商业开采则有待时日。研究天然气水合物资源的勘探开发方法，提高勘探开发效果，实现天然气水合物资源优化利用，将是21世纪解决替代能源的一条重要出路和比较现实的选择。

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[23]赖枫鹏，李治平．天然气水合物勘探开发技术研究进展Ⅲ．中外能源，2007，10(5)：29-31．

致 谢

经过两个多月的毕业设计，无论是基础理论知识，还是专业知识均取得了切实的巩固，而且能够有机会将理论与实际相结合，提高了自己分析问题和理论与实践相结合的能力。

在理论知识方面，把3年所学的知识有机地系统地联系在一起，尤其是原理和方法，得到了进一步的巩固和强化，另外通过大量的查阅数据及资料，拓宽了知识面，并增强了自己的动手能力。

在实践方面，通过社会调研和参观使我们认识到科技对生产力的促进作用，新的科技技术和理论应尽早地应用到生产实践中去，当然这要求设计者具备各项综合能力，出来各项技术的能力，所以社会的发展就要求综合性人才，我们走向社会要不断地学习各方面知识，开阔自己的视野。

由于指导老师的兢兢业业，同组同学的齐心协力，这次毕业设计进行得非常顺利，在此，我感谢徐红老师的悉心指导，

由于本人的知识有限，加之时间仓促，设计中难免有不妥和错误之处，敬请各位阅读老师批评指正，本人不胜感激。

范文五：可燃冰毕业论文.doc

扬州工业职业技术学院

2009—2010学年

第 二 学期

,课程设计,

课题名称: 天然气水合物的开发 设计时间: 2009.11.10--2010.4.30 系 部: 化学工程系 班 级: 0701石油化工生产技术 姓 名: 司军 指导教师: 徐红

答

辩

情

况 答辩教师:

年 月 日 评

语

成

绩

评

定 指导教师:

年 月 日

目 录

一、天然气水合物概述 ...................................................................................................................... 2 二、天然气水合物的开发历程 .......................................................................................................... 2

2.1 世界天然气水合物勘探发现历程 ....................................................................................... 2

2.2世界天然气水合物资源查明分布状况 ................................................................................ 3 三(天然气水合物勘探方法和开采技术 .......................................................................................... 4

3.1勘探方法 ................................................................................................................................ 4

3.1.1地球物理勘探法 ......................................................................................................... 4

3.1.2 地球化学勘探法 ........................................................................................................ 4

3.1.3 标型矿物法 ................................................................................................................ 5

3.1.4 自生沉积矿物学法 .................................................................................................... 5

3.1.5 新一代地球观测系统 ................................................................................................ 5

3.2开采技术 ................................................................................................................................ 5

3.2.1加热法 ......................................................................................................................... 6

3.2.2 降压法 ........................................................................................................................ 6

3.2.3 添加化学剂法 ............................................................................................................ 7

3.2.4 CO2驱替法 ................................................................................................................. 8

3.2.5利用高能气体压裂技术 ............................................................................................. 8 四(开采天然气可燃冰对环境的影响 .............................................................................................. 9 五(天然气水合物勘探开发动向 .................................................................................................... 10 六(我国对天然气水合物研究进展 ................................................................................................ 12 七、 结论 .......................................................................................................................................... 18

【参考文献】 .................................................................................................................................... 19

致 谢 ........................................................................................................................................ 21

扬州工业职业技术学院毕业论文

天然气水合物的开发

司军

0701石油化工

[摘要]:天然气水合物是一种新型洁净能源，其蕴藏量约为现有地球化石燃料含碳量总和的两

倍，天然气水合物资源开发已经引起了全世界的关注。提出了先利用高能气体压裂技术对储

层进行压裂后再结合电磁加热或降压法开采，或者利用加热法和降压法结合开采的思路，以

期达到经济有效开采的目的。此外，我们还要密切关注开采天然气水合物对环境的重要影响，

同时我们国家开发天然气水合物的步伐也越来越快了。

[关键词]:天然气水合物，开采，高能气体压裂，环境

Development of Natural Gas Hydrate

SIJUN

0701 Petrochemical

Abstract: Gas hydrate is a new type of clean energy, its reserves of fossil fuels on Earth is about the current twice the sum of the carbon content of natural gas hydrate resources Development has attracted worldwide attention. Made the first use of high-energy gas fracturing technology to reservoir fracturing and then combined step-down method of electromagnetic heating or extraction,or use the heating method and step-down method combined with the exploitation of ideas, in order to achieve cost-effective exploitation purposes. In addition, we also pay close attention to the exploitation of gas hydrate a significant impact on the environment, while our country's pace of development of natural gas hydrate faster and faster.

Key words: gas hydrates，mining，High Energy Gas Fracturing，Environment

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一、天然气水合物概述

天然气水合物(Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate)因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。它是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等)下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。它可用M ? n HO 来表示，M代表水合物中的气体分子，n为水合指数(也就是水2

分子数)。组成天然气的成分如CH、CH、CH、CH等同系物以及CO、N、4263841022

HS等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，2

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。

天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。

天然气水合物使用方便，燃烧值高，清洁无污染。据了解，全球天然气水合

物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，具有广阔的开发前景，美国、日本等国均已经在各自海域发现并开采出天然气水合物，据测算，我国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当我国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。

我国在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”，从而成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。

二、天然气水合物的开发历程

2.1 世界天然气水合物勘探发现历程

20世纪60年代初，前苏联借助地球物理方法首次在西伯利亚永冻层中发现了天然气水合物(随后美、加在阿拉斯加北坡三角洲冻土带相继发现了大规模的水合物矿藏。7O年代初，英国地质调查所科学家在美国东海岸大陆边缘进行的地震探测中发现了“似海底反射层”(并于1974年在深海钻探岩心中获取天然气水合物样品并释放出大量甲烷，证实了BSR与天然气水合物有关。

70年代末至80年代初，深海钻探计划和大洋钻探计划陆续实施，在全球多处海

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底发现了天然气水合物。随着大规模的国际合作相继开展，天然气水合物研究以及综合普查勘探工作进入全面发展阶段

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”。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，首次证明天然气水合物分布广泛。并肯定了其商业开发价值。同时指出天然气水合物矿层下的游离气也具有经济意义。

2.2世界天然气水合物资源查明分布状况

天然气水合物资源主要存在于世界范围内的沟盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘，尤其是与泥火山、热水活动、盐泥底辟及大型断裂构造有关的深海盆地中(另外还包括扩张盆地和北极地区的永久冻土区(见图1)。大西洋的85,、太平洋的95,、印度洋的96,(一20?， —1O?， O? ，1O? ，2O? ，30?温度之间)的地区中含有天然气水合物，并且主要分布于海平面下200,600m的深度内。

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图1北极地区与海洋环境下天然气水合物存在条件

三(天然气水合物勘探方法和开采技术

3.1勘探方法

3.1.1地球物理勘探法

地球物理勘探法主要包括地震勘探技术和测井技术、钻孔取样技术、热流测量技术、海洋电磁法探测技术等。地震勘探技术是应用最为广泛的天然气水合物勘探调查研究方法，通过该方法可确定大面积分布的天然气水合物。利用测井技术，可确定天然气水合物、含天然气水合物沉积物在深度上的分布:估算孔隙度与甲烷饱和度;地震与其他地球物理资料作校正。同时，测井资料也是研究井点附近天然气水合物主地层沉积环境及演化的有效手段。由于天然气水合物储层的特殊性。因此测井方法具有明显的试验性。

3.1.2 地球化学勘探法

地球化学方法是20世纪80年代中期开发的一种新勘探方法，主要包括有机化学法、流体地球化学法、稳定同位素化学法、酸解烃法、海洋沉积物热释光法等。

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由于天然气水合物极易随温度、压力的变化而分解(海底浅部沉积物中常常形成天然气地球化学异常。这些异常不仅可指示天然气水合物可能存在的位置(而且可利用其硅类组分比值及碳同位素成分判断其天然气的成因。

3.1.3 标型矿物法

指示天然气水合物存在的标型矿物通常是某些具有特定组成和形态的碳酸盐、硫酸盐和硫化物，它们是成矿流体在沉积、成岩以及后生作用过程中与海水、孔隙水、沉积物相互作用所形成的一系列标型矿物。天然气水合物分解以后，碳酸盐会发生沉淀，这种碳酸盐就具有一种特殊的同位素地球化学特征，据此可判断天然气水合物的存在。

3.1.4 自生沉积矿物学法

20世纪90年代以来， 自生碳酸盐矿物在北美西部印度西部大陆边缘和地中海的海底高原等区域海底沉积物中相继发现。从而使人们将天然气水合物的分布与自生碳酸盐矿物形成联系起来并将该自生矿物产出作为天然气水合物的形成标志。这些自生矿物呈碳酸盐的岩隆、结核和烟囱等形式产出，与之相伴的海洋贝类、蚌类、管状蠕虫类、菌席和甲烷气泡等，这些都是由富甲烷流体垂直向排出所致，它们在泥底辟和泥火山发育区更为典型。

3.1.5 新一代地球观测系统

利用新一代卫星遥感数据(可以将固态天然气水合物的特殊标志信息，如固态天然气水合物渗漏反映在遥感图像上。从而识别天然气水合物矿藏。

3.2开采技术

天然气水合物的开发思路，首先考虑如何使蕴藏在沉积物中的天然气水合物分解成天然气(目前主要是通过改变温度、压力促使其分解)，然后再将天然气采至

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地面。

3.2.1加热法

加热法(或称为热激发法)是将蒸汽、热水、热盐水或其他热流体从地面泵入水合物地层(也可用开采重油时使用的火驱法)，促使温度上升、水合物分解(见图2)。该方法主要缺点是热损失大、效率低，特别是在永久冻土区。

3.2.2 降压法

降压法的做法一般是在水合物层之下的游离气聚集层中“降低”天然气压力或形成一个天然气空腔(可由热激发或化学试剂作用人为创造)，使与天然气接触的水合物变得不稳定，分解为天然气和水(见图3)。

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3.2.3 添加化学剂法

将某些化学剂(如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等从井孔注入后，可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定的温度，从而其分解(见图4)。该方法较加热法作用缓慢，且成本高，但确有降低初始能源输入的优点。

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3.2.4 CO2驱替法

近期有学者提出了C0驱替法，即用C0置换开采，通过形成C0水合物放出22 2 的热量来分解天然气水合物(见图5)。此法可使用工业排放的C02。

3.2.5利用高能气体压裂技术

高能气体压裂的基本原理就是利用火药或推进剂的燃烧(产生脉冲加载并控制压力上升速度，使释放的大量高温高压气体作用于井壁岩石上，压开径向裂缝体系，沟通地层喉道和天然微裂缝(解除近井地带的有机物堵塞。提高井简附近地层的导流能力，从而达到增产增注的目的。

该天然气水合物气田适合采用高能气体压裂的依据有

(1)天然气水合物层在地下约750m左右，小于2000m;

(2)地处冻土带，在这些地区(道路、井场、水源等施工条件受限制，不适合其他工艺复杂的增产措施;

(3)该储层物性较好，压裂后增产效果显著:

(4)产生热效应，爆压时火药燃烧释放出大量热量，一般能达600,800?，在绝热条件下使气体温度达1000?以上，而且相对集中，这些热量可以分解近井地带的天然气水合物，直接改善近井地带的渗流环境;

(5)推进剂燃烧产生的CO气体也可以和天然气水合物发生反应从而置换出天2

然气:

(6)高能气体压裂可以克服对气井进行水力压裂时因压裂液大量进入地层而产

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生两相流动，进而引起气锁等不利因素由此看出，广泛分布的天然气水合物的储层物性变化范围也比较大(我们可以先陆上再海上逐步探索，筛选出适合高能气体压裂的储层，压裂后再结合其他开采方法，从而达到经济有效的开采。

a.天然气井。对气井进行水力压裂将会因压裂液大量进入地层而产生两相流动。进而引起气锁等不利因素，不但不能增产，相反会严重影响气井的产量;而高能气体压裂因其独特的压裂增产机理，完全可以克服以上不利因素，达到改造气藏、提高气井产量的目的。

b.高能气体压裂的工作介质是处于高温、高压下的N、NO、NO 、CO、CO222和水蒸汽，这些热气体可以清除近井地带的沥青质、蜡质和其他机械杂质的堵塞。

c.戈壁、沙漠、滩海等区域浊气的增产处理。在这些地区，道路、井场、水源等施工条件受限制，不适合其他工艺复杂的增产措施，而高能气体压裂工艺以其简便、施工设备少以及对施工条件要求低的优点而能在这些区域较大程度地发挥作用。

d.高能气体压裂适用于中、高渗透污染油藏和中低渗透裂缝较发育的灰岩、砂岩油藏，而对于岩性致密的油藏或泥质过多的油藏不太适用。

四(开采天然气可燃冰对环境的影响

天然气水合物在开发过程中肯定会对海底环境产生一些影响，最常见的是温室效应、海底滑坡以及对海底环境的影响。天然气水合物蕴藏量极大，其甲烷的吞吐量也极大，是全球碳循环中的重要环节。在岩石圈与水圈、气圈的碳交换中起重要作用。甲烷气体是大气中一种重要的组分，虽然其含量仅为CO的0(5, ，2但甲烷的温室效应要远比CO，强得多，约为CO 的21倍。天然气水合物在开采22

过程中随着压力、温度的变化必然会造成部分水合物的分解并释放到大气中去，加重温室效应。更为严重的是，伴随全球变暖，海水水温、地层温度上升以及海平面上升的变化，极地永久冻土带之下或海底的天然气水合物会自动分解，大气的温室效应进一步加剧。加拿大福特斯洛普天然气水合物层正在融化就是一个例证。近年来有研究者发现天然气水合物分解同地震、火山喷发等自然现象一样会造成海底滑坡 。海洋天然气水合物赋存区主要在近海的大陆架和大陆坡地区，该区域是人类海洋工程实施的主要区域。天然气水合物在自然界中极不稳定，温差

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条件的微小变化都会引起它的分解或生成。由于其一旦分解，会产生大量气体，释放在岩石孔隙，从而使地层结构和固结程度发生变化(容易在地震波、风暴波或人为因素作用下引起海底滑坡或泥石流。这是威胁海底电缆的铺设和保养、海洋石油天然气钻探工程、海洋渔业等安全的潜在地质灾害因素。20世纪90年代在巴西北东部大陆边缘的亚马逊及日本海岛附近等海域发现了海底滑塌、滑坡和浊流作用等现象。目前对此较为一致的认识是，这些海底地质灾害可能是由海平面升降、海啸和地震导致水合物分解而引起的。天然气水合物开采过程中释放的大量CH常和海水中的O反应生成CO，而CO 又会与礁石中的CaCO反应生成42223Ca(HCO)。海底O的大量消耗造成了一些好氧生物群的萎缩(甚至出现物种灭绝。22

同时也会造成生物礁退化，破坏海洋生态平衡。

五(天然气水合物勘探开发动向

自20世纪60年代以来，世界上有79个国家和地区都发现了天然气水合物。目

年，日本、加拿大、前，各国对于天然气水合物的开发利用都寄予很大期望。2002美国、德国、印度共同展开研究活动，在加拿大首先实现了从地下的天然气水合物层向地表输送甲烷气体。研究天然气水合物资源量及勘探开发技术的国家主要有美国、英国、德国、加拿大、俄罗斯、日本、印度、韩国、中国等，各个国家在过去的20年里都相继投入了大量的资金进行天然气水合物的资源特征、生产开发、对环境的影响、安全性和海底稳定性等方面的研究。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，将“甲烷水合物研究与资源开发利用”列入国家发展长远计划，每年投人2000万美元， 由能源部和美国地质调查局组织有关部门实施，要求2010年达到计划目标，2015年进行商业性试采。到目前为止，美国已在天然气水合物的研究上耗资近3亿美元。据相关统计数据表明，日本目前是世界上天然气水合物探明储量较多的国家之一，大约为7(4×106 m(以1999年日本国内天然气消费量计算的话，预计可以维持100年。日本的天然3

气水合物埋藏范围广泛(几乎遍及从北海道到冲绳的海域。2006年(日本东京大学和海洋研究开发机构的研究小组，在日本新漓县附近海域发现东亚第一个露出海底的天然气水合物区。近年来，在国土资源部统一组织下，中国海洋地质调查部门通过连续9年的调查研究，发现南海北部具有良好的天然气水合物资源前景，并于2007年5,6月经钻探在南海北部海域获取了天然气水合物的岩心样品。与世

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3界上已发现的天然气水合物相比，我国发现的纯度很高，燃烧后几乎没有污染。lm

33天然气水合物(不含杂质)可转化为164m天然气和0.8m水。探测表明:仅南海北部的天然气水合物储量，就已达到我国陆上石油总量的1,2左右;此外，在西沙群岛已初步圈出天然气水合物分布面积5242km。在南海北部获取实物样品之后尽快发现具有开采价值的天然气水合物矿藏(已成为当前中国天然气水合物勘探研究的首要目标。研究发现，中国南海北部陆坡具有与世界其他地区类似的形成天然气水合物的地质环境和温度压力条件，但同时该区又具有新生代构造强、岩浆活动频繁、热流高、气源类型复杂等不同于世界其他天然气水合物发育区的地质背景。据悉，“南海天然气水合物富集规律与开采基础研究”项目。已通过国家重大基础研究发展计划“973计划”组织的审查，这标志着中国对天然气水合物的重大基础研究全面展开，也是“973计划”首次确认对天然气水合物研究给予专项支持。该研究专项将以中国南海北部天然气水合物发育区为研究对象(围绕其成矿机制和富集规律及开采理论基础(建立南海北部陆坡天然气水合物成矿理论及更深层次的综合识别方法，研究其富集规律，探索开发相关的技术机理，为中国天然气水合物资源勘查、评价提供深入有效的基础理论指导。该项目的依托单位为国土资源部，承担单位为中国地质调查局。项目组织了国内天然气水合物、海洋油气、海洋地质调查研究和产业领域的主要优势单位。包括中国科学院、中国地质大学、中国石油大学、中海石油研究中心等。整个项目将于2009年1月正式启动。中国已成为继美国、日本、印度之后第四个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家，中国对天然气水合物已进行了9年海上勘查，累计投入5亿元人民币。预计在2010之前将再投入近5亿元人民币进行天然气水合物研究。韩国产业资源部2008年1月宣布，韩国在日本海(韩国称“东海”)海底发现大型天然气水合物矿藏。这是韩国继在日本海成功采集到天然气水合物后的再次发现，天然气水合物开发项目团在1800m 以下的海底发现了3个天然气水合物矿层。韩国成为继美国、日本、印度和中国后，世界第五个确认深海天然气水合物矿藏的国家。

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六(我国对天然气水合物研究进展

我国在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”，从而成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。

2007年5月1日凌晨，我国在南海北部的首次采样成功，证实了我国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源，标志着我国天然气水合物调查研究水平已步入世界先进行列。据悉，迄今为止，全球至少有30多个国家和地区在进行可燃冰的研究与调查勘探。

可燃冰主要储存于海底或寒冷地区的永久冻土带，比较难以寻找和勘探。新研制的这套灵敏度极高的仪器，可以实地即时测出海底土壤、岩石中各种超微量甲烷、乙烷、丙烷及氢气的精确含量，由此判断出可燃冰资源存在与否和资源量等各种指标。

我国对天然气水合物的研究开展得比较晚，20世纪80年代中期才陆续有翻译和报道国外天然气水合物的调查和研究成果。1995年起，在中国大洋协会和原地质矿产部的支持下，我国先后实施了“西太平洋天然气水合物找矿前景与方法的调研” 和“中国海域天然气水合物勘测研究调研”2项研究课题。1998年，国家高技术研究发展计划(“863”计划)海洋领域还启动了“海底天然气水合物资源探查的关键技术”课题，并经在南海北部示范区的试验，初步探索了BSR(水合物沉积层的底界反射)处理技术和在我国当前技术条件下的地球化学、地热学研究方法。1999年10月起，广州海洋地质调查局率先在南海北部陆坡区开展了天然气水合物的实际调查，由此我国天然气水合物的研究进入了快速发展时期。目前我国已在天然气水合物的实验室模拟、物化性质、资源评价等方面开展了多项研究， 并对我国南海海域天然气水合物资源前景进行了调查。我国天然气水合物的调查和研究区域主要集中在南海北部(见图6)， 并兼顾了东海海域以及南海的其它海域，调查的同时也开展了一些基础性的研究工作， 并取得了大量的研究资料。中国地质调查局在数年综合调查的基础上，于2007年5月在南海北部的神狐海域正式采集到了天然气水合物的实物样品，成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采集到天然气水合物实物样品的国家。在南海发现天然气水合物的神狐海域成为世界上第24个采集到天然气水合物实物样品的地区， 也是第22个在海底采

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集到天然气水合物实物样品的地区和第12个通过钻探工程采集到天然气水合物实物样品的地区。在这次天然气水合物的钻探航次中， 在神狐海域约1200m 的水深中的3个站位采集到了天然气水合物的实物样品，这些天然气水合物在泥质沉积层

此次成功获取了天然气水合物实物样品， 展示了我国南海北部中呈浸染状产出。

海域巨大的天然气水合物资源远景，证实了我国有关基础性地质工作的可靠性，也标志着我国天然气水合物调查研究水平跨入了世界领先的行列。本文在对南海北部以往几年里进行的天然气水合物调查研究的基础上，对研究所取得的进展从地球物理、地质和地球化学3个方面进行了归纳和总结，并提出了今后研究的方向和重点，为未来了解、认识和研究天然气水合物提供科学参考。

图6 南海北部天然气水合物钻探位置和BSR的分布

南海北部的天然气水合物的研究也是从BSR的研究开始的。REED最早报道了在南海存在BSR，并在台湾南部海域鉴别出BSR。1998年，我国学者姚伯初在研究了10万余公里的多道地震后发现，在东沙群岛和西沙海槽有BSR，并推测这些地区存在天然气水合物，同时，台湾学者在处理1990年台湾近海的地震资料时也发现了面积达2万km的BSR，并推测该区域存在天然气水合物。在完成大洋钻探184航次后，宋海斌等、吴时国等收集了德国“太阳号”用于确定站位的地震剖面，识别出BSR和其它地球物理标志。广州海洋地质调查局经过数年的调查后，在南海北

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部陆坡的东沙群岛南部、西沙海槽的南北斜坡、南盆地东缘等地发现了多处BSR，在完成“973”项目过程中，该项目组还在台湾西南海域识别出BSR、振幅空白和极性反转等地震标志，结合区域地质资料，认为该地区有良好的天然气水合物成矿前景。在天然气水合物的调查中，BSR是第一也是最重要的地球物理指标，但空白带、速度振幅异常和波形反转等其它地球物理指标也是调查中不可忽略的指标。在南海北部天然气水合物的地球物理调查中也进行了空白带、速度振幅异常和波形反转等指标的调查，这些地球物理标志与BSR相伴随，说明了南海北部具有良好的天然气水合物成矿前景。此外，梁劲等对南海北部陆坡可能存在天然气水合物的地区进行了速度特征的综合研究，认为高精度速度分析有利于确定天然气水合物的富集层位;文鹏飞等从天然气水合物或游离气的地震特性出发，从反演的角度取得了天然气水合物的物性参数，证明了剖面上BSR的强弱与天然气水合物含量之间的关系。刘学伟等以南海北部HD152测线为例，就如何提高当BSR和空白带特征不明显时天然气水合物识别的可信度进行了讨论，认为利用剖面中纵波和横波的速度、泊松比以及部分AVO属性可识别天然气水合物和游离气。总之，南海北

年5月在部的地球物理研究进展表明，南海北部陆坡是存在天然气水合物的。2007南海北部神狐海域BSR区域采集到天然气水合物的实物样品，证实了以往地球物理研究成果的可靠性。作为我国勘探和开发的首选地区，南海北部的天然气水合物地质方面调查和研究已经取得了巨大的进展。在当前能源短缺的形势下，祝有海、卢振权 、赵生才、张光学 、何家雄 和姚伯初等建议尽快实施我国南海北部天然气水合物的钻探和研究工作。广州海洋地质调查局早在2002年就在南海北部东沙群岛取得了冷泉碳酸盐岩，2004年中国地质调查局和德国基尔大学海洋科学研究

2所合作开展的科学考察也进一步证实了其存在，并认为其面积可达430 km ，这是在南海北部发现天然气水合物存在的BSR证据以来的又一重要证据。在2005年的南海北部科学考察中，中国科学院南海海洋研究所又在南海北部发现了两个冷泉碳酸盐岩站位 ，陆红锋等也报道了2004年广州海洋地质调查局在南海北部神狐海区获得了大量的碳酸盐岩烟囱的调查结果。对这些碳酸盐岩，我国研究者进行了岩石学、矿物学、地球化学以及生物学等方面的研究，结果表明:这些碳酸盐岩主要是由碳酸盐矿物、陆源碎屑和粘土矿物组成，含有少量的黄铁矿和针铁矿，将其与世界上获得天然气水合物地区的碳酸盐岩进行对比表明，南海北部存在天然气水合物的可能性很大。除了发现碳酸盐岩烟囱外，在南海北部还发现了与天然

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气水合物有关的地貌特征。SHYU报道了在台湾西南部地区发现了泥底辟，并估算了其热流;CHOW etal也认为台湾西南部地区不仅存在泥底辟，还存在麻坑;陈多福等报道了琼东南盆地存在泥底辟的研究结果;王宏斌 、沙志彬等在讨论底辟构造与天然气水合物的关系时发现，南海北部陆坡发育有大量的泥底辟。研究中发现，大部分的泥底辟与BSR伴生，且从具有天然气水合物的地区来看，泥底辟有利于天然气水合物的运移和保存;同时，由于南海北部属于被动大陆边缘，受新生代的构造影响较大，海槽、海谷、海山、海丘、陡坡、陡坎、海底高原、陆坡台地、海底滑塌及海底扇等各种构造地貌发育，这些构造地貌为天然气水合物的形成提供了有利条件。一些研究者也讨论了南海北部的沉积条件与天然气水合物形成的关系。吴时国在讨论东沙海区的天然气水合物形成及分布的地质因素时认为，在东沙群岛地区存在与天然气水合物有关的3种沉积类型;张志杰讨论了南海北部的台湾西南部地区附近的构造沉降与沉积作用对天然气水合物的控制;于兴河根据整个南海的沉积条件并结合其它地质条件，探讨了南海存在天然气水合物的有利区块;苏新根据南海北部陆坡中新世以来的沉积物特性，讨论了南海北部的天然气水合物形成的有利分布区域;MCDONNELL etal从台湾西南部构造和沉积方面讨论了台湾西南部天然气水合物可能存在的区域。对于南海北部天然气水合物存在的地热条件，金春爽、JIN etal讨论了地热场特征以及有利于天然气水合物分布的地热场，同时讨论了地热对天然气水合物的影响。陈多福、陈忠等和CHEN etal 还发现了在冷泉碳酸盐岩中存在石化的微生物细菌。卢振权等利用卫星热红外遥感探测了南海的天然气水合物，并预测了其分布区域，在这种条件下，也有研究者估算了南海天然气水合物的资源量。总之，南海北部的地质条件使其拥有了存在天然气水合物的可能性，而其所起的作用在2007年5,6月的天然气水合物钻探航次中得到了证实。地球化学研究进展在寻找天然气水合物时，除了寻找地质和地球物理方面的标志外，地球化学标志也是天然气水合物存在的有利证据。我国的研究者首先是从对空气的甲烷含量以及碳同位素的研究开始进行天然气水合物地球化学标志研究的。从全球天然气水合物的产地来看，甲烷来源大部分是生物成因的，仅有2个典型的地区发现有热解成因的甲烷存在，即墨西哥湾和挪威格陵兰海(Norwegian—Greenland Sea)，但是热解气也可能破坏深部烃类气体源。从已有的研究成果看，南海北部区具有甲烷气体的异常分布区，但它的烃类气体主要来源于深部热解成因的气体，可能也混合有浅部生物成因的气体。祝有海等在绘

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制和分类酸解气分布图时发现，在西沙海槽西缘、台西南盆地与笔架南盆地等区域存在明显的高甲烷含量异常，尤其是台西南盆地和笔架南盆地，甲烷含量较高，常常大于200 L,kg，且这类高甲烷含量异常区往往与BSR分布区一致。王宏语等测定了西沙海槽的烃类气和碳同位素值，认为该地区的气体主要是海底表层沉积物所含的甲烷气，是以热解成因为主的，少量为生物成因的。对碳酸盐岩进行的碳、氧同位素分析得到了两种不同的结论。上述研究表明，对于天然气水合物区气体的成因有两种结论，一个与全球大部分天然气水合物的碳酸盐岩同位素的结果相似，另一个则与甲烷同位素的结论一致。由于上述两种结论所采集样品的位置不同，因此产生两种不同结论的具体原因还有待于今后的进一步研究。Cl-浓度异常和SO-浓度梯度已经成为目前天然气水合物最为重要的地球化学指标，这是2

在总结了DSDP和ODP的钻孔资料后得来的。但是由于钻孔的取样深度一般是在百米以上，而南海北部沉积物的最大取样深度较小， 所以很难通过Cl-浓度异常和SO-浓度梯度两项地球化学指标对南海北部地区是否存在天然气水合物进行判2

断，不过若南海北部区与存在天然气水合物地区在上述两项地球化学指标上相类似，那么天然气水合物存在的可能性是很大的。蒋少涌等从南海北部海底沉积物孔隙水中的Cl-和SO-离子浓度特征发现，有些站位沉积物的地球化学指标与含天2

然气水合物沉积物的典型地区的地球化学指标相类似，同时，在讨论SMI界面时还发现，南海北部的SMI界面深度为20 in以内，与ODP204和ODP164钻孔得到的SMI界面的深度相一致，这些站位都正好位于BSR的分布区内，可见在这些站位下面存在天然气水合物的可能性很大。杨涛等从南海北部海底沉积物孔隙水中的氢、氧同位素特征的角度讨论了其对天然气水合物的指示意义，发现A14站位的8个样品中与天然气水合物有关的重同位素值(8 D和8 O)随深度呈增大的趋势，指示出该区存在天然气水合物的可能性极大。研究者还根据单一站位地球化学的异常特征讨论了其存在天然气水合物的可能性。ZHU et al和王建桥等根据大洋钻探184航次1146站位的孔隙水和顶空气的地球化学和同位素特征讨论了天然气水合物存在的可能性;祝有海等研究了S14站位的地球化学异常，认为在该站位之下可能存在天然气水合物;邓希光等研究了HD196站位的地球化学特征，并结合其它的资料认为，该站位之下可能存在天然气水合物;杨涛等分析了南海北部陆坡西沙海槽XS一01站位沉积物孔隙水的地球化学特征，认为该站位是西沙海槽区最有利的天然气水合物赋存区，值得做进一步的勘查工作。此外，刘坚等根据东沙群岛浅层沉

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积物硫化物分布特征讨论了该地区存在天然气水合物的可能性，认为沉积物中高含量的硫化物与天然气水合物分解形成的甲烷流有直接的关系。总之，南海北部的地球化学证据表明，在南海北部陆坡存在天然气水合物的可能性是很大的，该区的地质和地球物理条件以及在2007年的钻探调查都证实了其存在的可能性。

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七、 结论

(1)天然气水合物资源勘探备受世界瞩目。天然气水合物为水晶状物质，由包围着固体甲烷的水分子架构组成，是以甲烷为主的气态烃类物质(含少量CO、HS22等非烃分子)充填或被束缚在笼状水分子结构中形成的冰晶状物质。

(2)天然气水合物是20世纪发现的一种新型后备能源，为21世纪石油天然气的理想替代资源，是目前地球上尚未开发的最大能源库。

(3)天然气水合物主要存在于全球范围内的沟盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘，尤其是与泥火山、热水活动、盐泥底辟及大型断裂构造有关的深海盆地中，包括扩张盆地和北极地区的永久冻土区。

(4)天然气水合物在大陆上主要分布于阿拉斯加北坡、加拿大马更些三角洲等地。中国青藏高原永久冻土带区域也蕴藏着大量的天然气水合物资源。

(5)天然气水合物勘探方法有地球物理法、地球化学勘探法、标型矿物法、自生沉积矿物学法等，采用多学科综合勘探是天然气水合物勘探发展方向。天然气水合物开发技术有加热法、降压法、添加化学剂法、驱替法、高能气体压裂技术等。

(6)依据近年试验性开采的成果和技术进步看，2015— 2020年发达国家实现工业规模开采水合物气在技术上是可行的，但实现商业开采则有待时日。研究天然气水合物资源的勘探开发方法，提高勘探开发效果，实现天然气水合物资源优化利用，将是21世纪解决替代能源的一条重要出路和比较现实的选择。

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致 谢

经过两个多月的毕业设计～无论是基础理论知识～还是专业知识均取得了切实的巩固～而且能够有机会将理论与实际相结合～提高了自己分析问题和理论与实践相结合的能力。

在理论知识方面～把3年所学的知识有机地系统地联系在一起～尤其是原理和方法～得到了进一步的巩固和强化～另外通过大量的查阅数据及资料～拓宽了知识面～并增强了自己的动手能力。

在实践方面～通过社会调研和参观使我们认识到科技对生产力的促进作用～新的科技技术和理论应尽早地应用到生产实践中去～当然这要求设计者具备各项综合能力～出来各项技术的能力～所以社会的发展就要求综合性人才～我们走向社会要不断地学习各方面知识～开阔自己的视野。

由于指导老师的兢兢业业～同组同学的齐心协力～这次毕业设计进行得非常顺利～在此～我感谢徐红老师的悉心指导～

由于本人的知识有限～加之时间仓促～设计中难免有不妥和错误之处～敬请各位阅读老师批评指正～本人不胜感激。

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