文章題目：Natural gas hydrates – Insights into a paradigm-shifting energy resource

關(guān)鍵詞：Unconventional resources,?Natural gas hydrates,?Methane,?Dissociation methods，

CO2?replacement

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S277297022200013X

近日，澳大利亞莫納什大學(xué)Ranjith P. Gamage院士團隊聯(lián)合劍橋大學(xué)Herbert Huppert院士團隊在Energy Reviews發(fā)表文章"Natural gas hydrates – Insights into a paradigm-shifting energy resource"， 該文章詳細探討了天然氣水合物儲集層甲烷開采方法的最新研究進展，并提出降壓與熱刺激相結(jié)合是一種可行的甲烷抽提方法，但從經(jīng)濟和環(huán)境兩個角度綜合考慮，目前還沒有一種可持續(xù)的甲烷抽提方法。一些油田的生產(chǎn)運行已經(jīng)取得了積極的成果，但需要進行全面的調(diào)查和科學(xué)合作，以確定天然水合物儲藏的可開采性。

01內(nèi)容簡介

1.?Introduction?（前言）

2.?Gas hydrates as a greener and sustainable energy source?（天然氣水合物是一種更綠色和可持續(xù)的能源）

? 2.1.?Methane storage in gas hydrate accumulations （天然氣水合物聚集中的甲烷儲存）

3.?Natural gas hydrates （天然氣水合物）

? 3.1.?Structure of natural gas hydrates （天然氣水合物結(jié)構(gòu)）

? 3.2.?Conceptual picture of gas hydrate formation?（天然氣水合物概念圖）

? 3.3.?Natural gas hydrates and environment?（天然氣水合物與環(huán)境）

4.?Extraction of methane gas from gas hydrates （天然氣水合物中的甲烷抽提）

? 4.1.?Depressurization methods （減壓法）

? 4.2.?Thermal stimulation methods （熱刺激法）

? 4.3.?Inhibitor injection methods?（緩蝕劑注射法）

? 4.4.?Combined techniques （組合技術(shù)法）

? ? 4.4.1.?Depressurization and thermal stimulation?（減壓和熱刺激法）

? ? 4.4.2.?Thermal stimulation and inhibitor injection （熱刺激和緩蝕劑注射法）

? 4.5.?Gas exchange methods （氣體交換法）

? ? 4.5.1.?Gas exchange using pure CO2?（利用純二氧化碳進行氣體交換）

? ? 4.5.2.?Gas exchange using CO2?with a gas mixture?（利用二氧化碳與混合氣體進行氣體交換）

? ? 4.5.3.?CO2?replacement and reservoir conditions （二氧化碳置換與油氣成藏條件）

5.?Mechanical behaviour of hydrate-bearing sedimentsduring dissociation?（含水合物沉積物解離過程中的力學(xué)行為）

? 5.1.?The effect of hydrate saturation on the mechanical behaviour of hydrate-bearing sediments?（水合物飽和度對含水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)的影響）

??5.2.?The effect of hydrate dissociation on the mechanical behaviour of hydrate-bearing sediments?（水合物分解對含水合物沉積物力學(xué)行為的影響）

6.?Field expeditions and productions （實地考察和生產(chǎn)）

? 6.1.?Field production runs?（現(xiàn)場生產(chǎn)運行）

7.?Conclusion （結(jié)論）

02內(nèi)容亮點


1、天然氣水合物是一種比其他石油燃料資源更環(huán)保的能源(主要是甲烷)，天然氣水合物發(fā)現(xiàn)于淺海海床和永久凍土區(qū)之下，在世界范圍內(nèi)分布豐富，具有成為能源行業(yè)下一個支柱的巨大潛力；2、廣泛的實驗室實驗已經(jīng)引入了幾種甲烷提取策略：減壓、熱刺激和緩蝕劑注入等方法可能會擾亂海底的完整性，這可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。然而，二氧化碳置換方法被認(rèn)為保持了海床的穩(wěn)定性，降低了人為二氧化碳排放的機會；3、降壓結(jié)合熱刺激可以作為一種可行的甲烷開采方法，但從經(jīng)濟和環(huán)境的角度考慮，目前還沒有一種可持續(xù)的現(xiàn)場規(guī)模的開采方法；4、一些油田的生產(chǎn)運行已經(jīng)取得了積極成果，以確定天然水合物儲藏的可開采性，但需要進行調(diào)查和科學(xué)合作，才能將水合物堆積開發(fā)作為一種商業(yè)上可行的能源。
03內(nèi)容導(dǎo)讀

在降壓過程中，水合物儲集層的壓力降到天然氣水合物的平衡壓力以下，而在熱吞吐過程中，水合物儲集層的溫度升高到相平衡溫度以上，這兩種方法都改變了儲集層條件，以便解離天然氣水合物。對于緩蝕劑注入方法，注入改變平衡條件的化學(xué)物質(zhì)，因此水合物解離而儲層條件保持不變。我們用相平衡圖來說明這些方法：在氣體交換方法中，將類似的水合物形成氣引入水合物儲集層，然后發(fā)生氣體交換，將碳氫分子從晶格結(jié)構(gòu)中置換出來。

二氧化碳是另一種形成水合物的氣體結(jié)構(gòu)，其分子略大于甲烷氣體分子。更有趣的是，甲烷氣體水合物和二氧化碳水合物的平衡條件是同一量級的，如圖所示。在兩條平衡曲線之間有一個狹窄的區(qū)域，二氧化碳水合物保持穩(wěn)定，而甲烷水合物解離。因此，在適當(dāng)?shù)奈锢項l件下，在甲烷氣體水合物儲集層中，可以用二氧化碳交換甲烷氣體。

盡管二氧化碳替代方法的可行性已經(jīng)得到了實驗驗證，但這些方法只是故事的一半，我們還需要對影響二氧化碳交換過程的儲層條件有一個透徹的了解。為了發(fā)現(xiàn)水合物飽和如何影響二氧化碳置換，研究了向不同水合物飽和程度的樣品中注入了氣態(tài)二氧化碳。研究結(jié)果表明，由于沒有游離氣/水帶，置換法不適用于3類水合物的聚集。低含水飽和度的1類水合物沉積最適合天然氣生產(chǎn)，而高含水飽和度的1類水合物沉積由于二氧化碳在水中的初始溶解而產(chǎn)生的效率相當(dāng)?shù)?。相反，這些高含水飽和度的沉積物可能是二氧化碳封存的理想選擇。研究發(fā)現(xiàn)，過量天然氣水合物油藏由于滲透率高，沒有早期的二氧化碳堵塞，因而提高了開采能力。水過多的水合物儲層更容易受到氣體驅(qū)動的裂縫和隨后的強度損失的影響，這些裂縫是在置換過程中體積變化造成的。

04重要結(jié)論1、考慮到天然氣水合物的巨大容量、豐度和相對較低的二氧化碳排放，在尋求緩解氣候變化的同時，它們具有巨大的潛力來補充世界對能源的需求。然而，開采天然氣水合物所固有的工程挑戰(zhàn)意味著，可行的開采戰(zhàn)略尚未成熟；2、學(xué)術(shù)界作出了巨大努力，以了解從水合物中提取碳氫化合物氣體所涉及的物理現(xiàn)象，并克服其隨機性的挑戰(zhàn)。本文分析了天然氣水合物的形成動力學(xué)、解離方法以及識別天然氣水合物對解離響應(yīng)的相關(guān)研究，我們期望這篇論文將為學(xué)術(shù)研究界和其他對天然氣水合物研究感興趣的人提供廣泛的一般性見解；3、與其他能源相比，水合物聚集表現(xiàn)出不同尋常的特征，因為天然氣生產(chǎn)的可行性依賴于高度不同的儲集層參數(shù)：如水合物飽和度和結(jié)構(gòu)配置。在現(xiàn)場工作的人應(yīng)該根據(jù)對這些參數(shù)的全面了解來決定開采技術(shù)和油井配置；4、此外，在實地實施開采方法時，我們還需要考慮環(huán)境影響和經(jīng)濟前景。開發(fā)一種從天然氣水合物中提取碳氫化合物氣體的可行技術(shù)可能會導(dǎo)致能源行業(yè)的范式轉(zhuǎn)變，使我們能夠開發(fā)隱藏在海洋和永久凍土沉積物下的巨大能源潛力。

通訊作者簡介：

Ranjith P. Gamage教授是莫納什大學(xué)土木工程系教授，研究領(lǐng)域涵蓋二氧化碳地質(zhì)封存、非常規(guī)油氣開采、石油地質(zhì)、深部地?zé)豳Y源開采、礦山地質(zhì)、巖土力學(xué)等?？蒲谐晒S富，已發(fā)表250多項學(xué)術(shù)成果，包括一本專著以及將近200篇期刊論文。由于其在應(yīng)對氣候變化做出的杰出工作，2009年獲得ARC Future Fellow，2013年獲澳大利亞領(lǐng)導(dǎo)獎, 并于2019年當(dāng)選澳大利亞科技與工程院院士。

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引用信息：

Shashika M. Gajanayake, Ranjith P. Gamage, Xiao-Sen Li, Herbert Huppert, "Natural gas hydrates – Insights into a paradigm-shifting energy resource",?Energy Reviews, 2,?2023, 100013.?

????《Energy Reviews》是由深圳大學(xué)主辦，聯(lián)合 Elsevier出版集團創(chuàng)辦的一本國際性、跨學(xué)科、高質(zhì)量開放獲取?(Open Access)?學(xué)術(shù)期刊，由謝和平院士擔(dān)任創(chuàng)刊主編，美國工程院Derek Elsworth院士、中國科學(xué)院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大學(xué)倪萌教授擔(dān)任聯(lián)合主編。發(fā)表能源領(lǐng)域前沿方向、最新進展、發(fā)展趨勢、權(quán)威觀點等高質(zhì)量學(xué)術(shù)文章，構(gòu)建全球能源一流成果和一流學(xué)者的合作交流平臺，向公眾傳播有影響力的能源領(lǐng)域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理論、新方法和新技術(shù);?能源研究的多學(xué)科（材料、物理、化學(xué)、生物等）交叉融合探索技術(shù);?化石能源低碳利用與CCUS;?氫能、可再生能源與儲能先進技術(shù);?新型能源轉(zhuǎn)換方式探索與應(yīng)用;??能源領(lǐng)域現(xiàn)代信息技術(shù)（人工智能，大數(shù)據(jù)）等相關(guān)方向的優(yōu)質(zhì)稿件。

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