天然气水合物研究论文

摘要：含硫天然气在集输过程中较不含硫天然气更易出现水合物，水合物的出现将严重影响天然气正常集输，因此水合物形成条件是集输系统方案设计及工艺参数确定的基础信息。今天小编为大家精心挑选了关于《天然气水合物研究论文 (精选3篇)》的相关内容，希望能给你带来帮助!

天然气水合物研究论文 篇1：

浅析天然气水合物研究现状

摘要:目前,天然气水合物已成为国内外研究的热点。本文阐述天然气水合物的概念与基本类型,通过追踪天然气水合物的发现历史,分析研究历程和研究现状,对世界上天然气水合物分布、开采以及相关环境问题作了简要、系统的阐述,并提出了天然气水合物目前研究面临的急需解决的问题与研究重点。

关键词:天然气水合物 环境问题 研究现状

1 天然气水合物

1.1 天然气水合物概述

天然气水合物(Gas Hydrate)指在特定的压力和温度条件下,甲烷气体分子天然地被封闭在水分子的扩大晶格中,呈固态的结晶化合物。又名冰冻甲烷,甲烷水合物。有时乙烷、丙烷、异丁烷、二氧化碳及硫化氢也可与甲烷一起形成固态混合天然气水合物。

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。其最基本的特点是空的水合物晶格的独特晶体结构和空间构架决定了它特有的高浓集气体的能力,即1m3的天然气水合物可在常温常压下释放164m3的天然气及0.8m3的淡水。

天然气水合物按其晶格结构可分为Ⅰ型、Ⅱ型和H型。Ⅰ型笼架晶格以各自的笼架体心堆砌排列,笼架晶格空间足以包容甲烷、乙烷以及与之相似的其他气体分子(如二氧化碳、硫化氢等),为立方晶体结构。Ⅱ型笼架晶格较大,不仅能包容甲烷和乙烷等气体分子,而且也能包容丙烷、异丁烷等尺寸较大的气体分子,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分布最广,而Ⅱ及H型水合物更为稳定。

1.2 天然气水合物的发现

天然气水合物是20世纪才发现并被重视的一种新型的清洁能源矿产资源,据估算其资源量是全球煤炭、石油、天然气资源总量的两倍,是目前地球上尚未开发的最大未知能源库。

天然气水合物的发现史如下。

1810年,首次在实验室发现天然气水合物。

1960年代初期,前苏联学者通过地震地球物理方法,在西伯利亚永冻层中发现了天然产出的天然气水合物,但并未引起人们重视。

1964年,在俄罗斯西伯利亚的梅索雅卡气田钻井过程中,首次发现自然界中存在天然气水合物,其作为重要的能源类型得到了全世界广泛关注和研究。

20世纪70年代,大洋钻探计划和深海钻探计划的实施,加快了天然气水合物发现的进程,天然气水合物研究和普查勘探工作开始全面发展。大规模的国际合作成果卓著,在多处海底发现了天然气水合物。

2 天然气水合物研究现状

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。同时,随着冻土带和海洋中天然气水合物发现量的不断增大,其潜在的战略意义和可观的经济效益引起许多国家政府的高度重视,纷纷投入巨资,并成立专门机构进行开发研究,使其成为21世纪潜在新能源研究的新热点。

至今在世界海域内已有60处直接或间接发现了天然气水合物,其中在18处钻探岩心中见到天然气水合物,42处见有天然气水合物的地震标志BSR。

目前,天然气水合物的研究主要集中在以下几个方面:天然气水合物资源量的测定与评估,天然气水合物的开发前景及其面临的环境问题,及天然气水合物储运与利用技术等。

2.1 国际天然气水合物研究

2.1.1 天然气水合物的分布

全球已在40多個海域发现有天然气水合物存在的证据。初步估测全球天然气水合物的蕴藏资源量:甲烷气1×1015～1×1017m3(平均21×1015m3),甲烷碳约为10000Gt。世界天然气水合物资源中若只有1%～2%是经济可采储量,也是一种巨大的能源来源。

天然气水合物资源分布情况如下:从北阿拉斯加、白令海、加利福尼亚近海、中美洲海沟、巴拿马盆地、哥伦比亚盆地、墨西哥湾、布莱克一巴哈马海岭、巴尔的摩峡谷,至东加拿大近海估算的天然气水合物远景资源量可逾(760～2915)×1012ft3。

2.1.2 天然气水合物的开采

目前国际上已投入开采的天然气水合物矿床分别是西伯利亚西部的Messoyakh气田和加拿大波弗特海Mackenzie三角洲边缘的冻土带。采用的开采方式有热力增产法、减压法、混合开采及注入抑制剂等。

2.1.3 相关环境问题

随着天然气水合物的开采,其引发的相关环境问题及地质灾害等也需要重视。

陆地及滨海地区天然气水合物所封存的甲烷量可能是大气中甲烷量的3000倍,上述地区释放出大量的甲烷对大气成分和大气的热辐射性能将产生重大影响,从而影响全球气候。在开采天然气水合物过程中,如果向大气中排放大量甲烷气体,这必然会进一步加剧全球的温室效应。

此外,天然气水合物的开采也极有可能引发崩塌。连续的沉积导致天然气水合物埋藏较深,最终天然气水合物埋藏深度足以使稳定带底部的温度达到使天然气水合物不再稳定的状态,因此,天然气水合物带的底部固结程度降低,并且由于气体释放形成超压,由于重力负载或地震扰动触发引起脆弱带(或低的剪切强度带)的崩塌以及海底滑坡。

2.2 我国天然气水合物研究现状

我国在20世纪80年代末即开始关注天然气水合物的研究。1999年,广州海洋地质调查局在西沙海槽区进行了天然气水合物资源的前期调查工作,拉开了我国海洋天然气水合物大调查工作的序幕。

近年来,我国领导和国土资源部、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。

在863计划、国家基金委支持的个别项目中开展了如采集技术、物理模拟和数值模拟技术、地震识别技术等研究,对我国一些海域天然气水合物的资源量进行了初步预测。中国科学院兰州地质研究所、广州地球化学研究所、寒区旱区环境与工程研究所等单位也开展了相关的地质、地球化学以及模拟实验研究。

石油大学、大庆石油开发研究院等单位在天然气水合物的实验室模拟技术和管道中天然气水合物的探测和清除技术研究方面,已取得重要成果。

中国地质调查局在2002年至2003年间委托中国有色金属甘肃地质勘查院承担了“青藏高原多年冻土区天然气水合物地球化学勘查预研究”项目。

2005年,勘探所承担了“青藏铁路沿线天然气水合物遥感识别标志研究”项目。国家自然科学基金委也设立“青藏高原多年冻土区天然气水合物的形成条件探讨”的项目,由中科院寒区旱区环境与工程研究所承担。

3 结语

天然气水合物是“后石油时代”的重要替代能源。随着对其研究的深入,目前面临的急需解决的问题主要有以下几点:寻找最具效益的生产方法;天然气水合物的开发对气候的影响;钻井问题;天然气水合物的能源地位。

此外,研究重点应放在如何获得有用的信息(如测井、岩心和钻井记录)、改进地质模型和地球物理勘探方法及提高生产技术上。

参考文献

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[4]宋岩,柳少波.天然气水合物的研究进展及分布[J].当代石油石化,2006,14(10):17-20.

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[9]许红,黄君权.最新国际天然气水合物研究现状与资源潜力评估(上)[J].天然气工业,2005,25(5).

作者：张丽

天然气水合物研究论文 篇2：

元坝集输系统酸性天然气水合物形成规律研究

摘 要：含硫天然气在集输过程中较不含硫天然气更易出现水合物，水合物的出现将严重影响天然气正常集输，因此水合物形成条件是集输系统方案设计及工艺参数确定的基础信息。本文针对元坝酸性气藏气样组份，通过室内模拟实验，开展了不同气质组分下的水合物形成条件实验，定量化的确定了元坝的水合物形成温度和压力，测定了不同甲醇加量下水合物形成条件变化情况，掌握了元坝酸性天然气水合物形成规律，将为元坝气田酸性集输管网的建设提供基础数据支撑。

关键词：含硫天然气 元坝气田 天然气水合物

根据“十二五”规划，元坝气田一期工程天然气建设产能规模将达17×108 m3/a，主要气源产于长兴组气藏，其天然气中甲烷含量75.54%～87.12%，H2S含量3.34%～7.18%，CO2含量6.22%～15.51%，还有少量N2等气体，为高含硫化氢、中-高含二氧化碳天然气。由于气田地层压力较高(60～80MPa)，按照开发规划，进净化厂压力只有6MPa左右。因此，在开发过程中必须进行多次的节流降压。在节流降压过程中，由于焦耳--汤姆逊效应的影响，天然气温度将有很大降低，若不有针对性的开展防治措施，天然气水合物的生成将不可避免。由于天然气水合物具有极强的聚集性，通常倾向于在管道中压力急剧变化的位置处生长，将可能造成管线压降增大、严重时甚至造成堵塞而影响气田的稳定生产，因此研究掌握元坝含硫天然气水合物形成规律将为防治措施的制定提供基础保障。

1 水合物形成条件

水合物的形成主要分为热力学形成条件和动力学形成条件。

1.1 热力学条件

从热力学观点来看，水合物的自发形成不是必须使气体(M)被饱和，只要系统中水的蒸汽压大于水合物晶格表面的水蒸气压力就够了。天然气水合物的生成主要需要以下三个条件。

(1)满足一定的压力条件，只有当系统中气体的压力大于它的水合物分解压力时，饱和水蒸汽的氣体才能自发生成水合物。

(2)满足一定的温度条件，天然气形成水合物有一个临界温度，只有当系统中的温度小于这个临界温度时才有可能形成水合物。

(3)天然气中含有足够的水分，以形成空穴结构。

水合物的生成除与天然气组分、组成和游离水含量有关外，还需要一定的热力学条件，即一定的温度和压力。前苏联学者罗泽鲍姆等人认为：只有当系统中气体组分的压力大于它的水合物分解压力时，含饱和水蒸汽的气体才可能自发生成水合物，可用逸度表示如下。

总之，水合物形成的主要生成条件有：有自由水的存在，天然气的温度必须等于或低于天然气中水的露点;低温高压。辅助条件有：高流速、压力波动、H2S和CO2等酸性气体的存在、微小水合物晶核的诱导等。

在给定压力下，对于任何组分的天然气都存在水合物形成温度，低于这个温度将形成水合物，若高于这个温度则不形成水合物或已形成的水合物将发生分解。反过来，若给定温度，天然气水合物存在极限压力，高于这个压力则形成水合物，低于这个压力则无法形成水合物。

1.2 动力学条件

(1)过冷度与诱导时间。

从动力学方面讲，天然气水合物的形成依次包括晶体(微晶)形成和生长聚集两个过程。在形成水合物过程中，当压力不变时温度必须经过过冷到理论平衡线以下若干摄氏度，并经过一定时间(诱导期)才能形成水合物晶核。

实验证明：过冷度超过7.49 ℃时，才有可能形成水合物;而过冷度超过11.1 ℃时，在25 min以内(甚至瞬间)就会形成水合物。

(2)节流效应。

天然气在管道中经过突然缩小的断面(如管道的变径管、针形阀、孔板、过滤器等)，产生强烈的涡流，使压力下降这种现象称为节流。节流时压力降低会使温度下降，则气体中的水蒸气会凝析出并使气体与水的混合物达到水合形成的必要条件。

(3)输送流速。

国外研究表明：对容易形成水合物的天然气在输送时应采用较高的流速，一般应高于3 m/s。因为高流速可以维持高的输气温度，也可加强气体扰动以抑制水合物的形成和聚集。

2 水合物形成模拟实验

2.1 实验方案

天然气水合物生成条件的测定，从本质上说是确定气水相平衡的平衡点。目前，测定水合物相平衡点的方法主要有两种：观察法和图解法。观察法主要用于气体水合物的相平衡实验中，图解法主要用于测量油气系统水合物相平衡点。因此在此选择观察法进行实验研究，观察法测相平衡的判断标准：首先在一定温度、压力条件下，使一定量的水合物在反应釜中形成，保持一个参数不变，然后通过降低压力或升高温度使水合物分解。当研究体系中仅有少量水合物晶体存在时，保持反应釜中的参数(压力、温度)不变，如果反应釜中水合物能存在3～4个小时，则保持反应釜中温度不变，使压力降低0.05 MPa;如果反应釜中水合物完全溶解，则这时反应釜中压力和温度可看作该体系的相平衡数据。

实验采用蓝宝石水合物生成装置，通过观察法进行水合物形成温度的测定。该仪器设备是由JEFRI变体积高压蓝宝石全透明釜、搅拌系统、恒温空气浴、增压系统、温度压力测量系统、CCD图像检测系统以及数据采集系统等组成，可通过目测观察到水合物的生成过程，装置流程图见图1。

由于目前元坝气田未正式投产，气样组分主要来至于测试过程中，由于测试周期较短，气样将无法完全代表后期生产气样，生产过程中硫化氢等组分将会出现一定的波动变化。因此配置了三种硫化氢浓度的模拟天然气用于水合物生成条件测定，分别为低硫中碳、中硫高碳、高硫低碳三种类型，以提高实验结果的适应性。模拟天然气组成如表1所示。

2.2 水合物生成条件实验结果

根據实验方案方案，测定3种组分下的水合物形成温度及压力关系曲线(如图2)。

从图中可以看出如下几点。

(1)天然气中硫化氢含量对水合物生成温度有很大影响。硫化氢含量越高，水合物生成温度越高。例如，在30 MPa压力下，天然气硫化氢含量分别为3.48%、6.86%和9.45%时，水合物生成温度分别为：23.5℃、24.6℃和26.8 ℃，硫化氢含量越高，生成水合物温度越高。也就是说，含硫化氢高的天然气更容易生成水合物。

(2)在相对低压情况下(<15 MPa)，随着压力的升高，水合物形成温度升高明显，在相对高压时(>15 MPa)，随着压力升高，水合物形成温度升高幅度较低，也就是说在<15 MPa情况下，水合物的形成受温度的影响更为明显。

考虑元坝气田集输系统设计采用甲醇进行水合物防治工艺，因此，实验还就不同甲醇浓度下的水合物形成条件进行了模拟。(如图3～图5)

实验证明，水合物生成温度的降低幅度几乎与水合物加注量成正比，往天然气中注入甲醇确实可以有效降低水合物生成温度，减少生成水合物的机会，例如在高硫低碳1 MPa时，20%、25%、35%的甲醇浓度下，其水合物形成温度分别为15.39 ℃、8.21 ℃、6.56 ℃。

同时也可以看出，在25%左右的甲醇情况下，水合物的温度抑制效果明显，随着甲醇加量的提高，温度也有所降低，但降低幅度较低。

3 元坝集输系统水合物形成规律

元坝地面集输系统设计采用湿气加热保温、气液混输工艺，井口节流阀至井口加热炉前二级节流阀之间的管道设计压力为40 MPa;第二级节流阀至三级节流阀之间的管道设计压力为20 MPa;三级节流阀之后的酸气管道系统设计压力为9.6 MPa;配套建设集气站设计压力等级为9.6 MPa，因此结合实验数据可知，在40MPa时，加热炉前水合物形成温度为25℃～27.5℃，三级节流时，水合物形成温度为17.66℃～24℃，集输过程中水合物形成温度为18℃～23℃。

4 结论及建议

(1)元坝气田高含硫化氢，集输系统易形成水合物，其形成温度为18 ℃～27.5 ℃，在加热炉及保温输送工艺参数的制定时，应根据实验结果进行相应的设计考虑，以确保集输系统不具备水合物形成条件。

(2)甲醇有很好的水合物抑制功效，根据实验结果，其浓度含量在25%左右时效率较高，在加注工艺设计过程中可结合效率、经济、加注工艺等各方面参数进行统一考虑。

参考文献

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作者：青鹏　杨辉华

天然气水合物研究论文 篇3：

天然气水合物相平衡模型研究

摘要：天然气水合物在全球范围内有着广泛的分布，由于其巨大的储量和清洁能源的特性，一致被认为是未来的石油重要接替能源，主要分布在海底矿床和永冻土层内，在一定的温度了压力条件下以固态形式保存。因此，在弄清天然气水合物的相平衡后，降压法和热采法能够直接改变天然气水合物的相平衡条件，促使水合物分解，达到開采水合物中甲烷气体的目的，水合物相平衡模型主要有水合物相模型、富水相模型和逸度模型，能够较好的描述水合物的相平衡。

关键词：天然气水合物;相平衡模型

作者：吴梦瑶 关富佳