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寻找水合物新能源、助力全球碳中和 ——解读《China Geology》2022年第2期南海水合物试采专辑

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能源革命是人类文明进步的动力。化石能源的发现和利用使人类由农耕文明进入了工业文明。200多年的工业文明,也产生了日益严重的全球气候变暖等环境问题。为此,各国政府纷纷提出碳达峰、碳中和的目标,以及利用CCUS等技术减少碳排放的措施。

魔盒一旦打开,收起难度极大。因此,从地质角度看,寻找并开发利用新的洁净能源——天然气水合物(可燃冰),无疑是一个最重要的发展方向。

早在上个世纪末,中国地质调查局就开始了海洋天然气水合物调查工作。并于1999年,在南海首次发现天然气水合物存在的地球物理标志——似海底反射(BSR);2004年;在南海北部发现了面积约430km2的自生碳酸盐岩;2007年;在南海神狐海域首次钻获水合物实物样品;20132016年在南海珠江口盆地东部海域、神狐海域相继发现了2个超千亿m3的水合物矿藏;2017年完成了首次试采,连续稳定试采60天,累计产气30.9m3 2020年完成了二次试采,持续产气30天,创造了产气总量86.14m3的世界纪录。

研究表明:实现水合物的商业化开采,要从储层特征-水合物状态-抽取技术-泄漏监测技术四个方面出发,经过理论模拟试验、探索性试采、试验性试采、生产性试采、商业开采5大步,才能使水合物完成从液体气体(甲烷)的华丽转身,实现工业化利用。

目前,我国南海水合物探采工程已完成前3步,正在迈向第4——生产性试采阶段。本期专辑组织的13篇论文,分别从储层、水合物性质、开采技术、环境监测四大方面介绍最新成果,并为第4步生产性试采奠定基础。本期文章特色如下:

一、秦绪文等、谢志远等、何玉林等、吴淑玉等、林霖等5篇文章论述了水合物储层特征、储层相变与渗流机理等,这是水合物存在与开采的关键问题。

1. Hydrate phase transition and seepage mechanism during natural gas hydrate production tests in the South China Sea: A review and prospect. 中国南海天然气水合物开采储层相变与渗流机理:综述与展望. Xu-wen Qin, Cheng Lu, Ping-kang Wang, Qian-yong Liang. 2022. 5(2), 201-217. doi: 10.31035/cg2022029.                        

2. A 3D basin modeling study of the factors controlling gas hydrate accumulation in the Shenhu Area of the South China Sea. 南海神狐地区天然气水合物成藏控制因素的三维盆地模拟研究. Zhi-yuan Xie, Jian-gong Wei, Jin-yun Zheng, Zhen Sun, Kun Zhang. 2022. 5(2), 218-233. doi: 10.31035/cg2022012.                 

3. Migration and accumulation characteristics of natural gas hydrates in the uplifts and their slope zones in the Qiongdongnan Basin, China. 琼东南盆地隆起及斜坡带天然气水合物运移聚集特征. Yu-lin He, Jin-qiang Liang, Zeng-gui Kuang, Wei Deng, Jin-feng Ren, Hong-fei Lai, Miao-miao Meng, Wei Zhang. 2022. 5(2), 234-250. doi: 10.31035/cg2022004.    

4. Application of frequency division inversion in the prediction of heterogeneous natural gas hydrate reservoirs in the Shenhu Area, South China Sea. 南海神狐地区非均质天然气水合物储层分频反演方法. Shu-yu Wu, Jun Liu, Hua-ning Xu, Chang-ling Liu, Fu-long Ning, Hong-xian Chu, Hao-ran Wu, Kai Wang. 2022. 5(2), 251-266. doi: 10.31035/cg2021074.   

5. Velocity-porosity relationships in hydrate-bearing sediments measured from pressure cores, Shenhu Area, South China Sea. 南海神狐地区压力岩心含水合物沉积物的速度-孔隙关系. Lin Lin, Jun Cao, Jin Qian, Jiu-jing Shang, Wei Zhang, Jin-gan Lu, Jin-qiang Liang. 2022. 5(2), 267-275. doi: 10.31035/cg2022006.

二、张永超等、张正财等、纪云开等、李晶等4篇文章探讨了水合物形成与分解的微观机理,是深入理解成藏和开采过程中气--沉积物相互作用和微观渗流的基础

6. Formation mechanism, experimental method, and property characterization of grain-displacing methane hydrate in marine sediment: A review. 海洋沉积物中颗粒置换甲烷水合物的形成机理、实验方法及性质表征: 综述.  Yong-chao Zhang, Le-le Liu, Gao-wei Hu, Qing-tao Bu, Cheng-feng Li, Zheng-cai Zhang, Jian-ye Sun, Chang-ling Liu. 2022. 5(2), 345-354. doi: 10.31035/cg2022014. 

7. Molecular simulation studies on natural gas hydrate nucleation and growth: A review. 天然气水合物成核与生长的分子模拟研究进展综述. Zheng-cai Zhang, Neng-you Wu, Chang-ling Liu, Xi-luo Hao, Yong-chao Zhang, Kai Gao, Bo Peng, Chao Zheng, Wei Tang, Guang-jun Guo. 2022. 5(2), 330-344. doi: 10.31035/cg2022017.                                                     

8. Experimental study on characteristics of pore water conversion during methane hydrate formation in unsaturated sand. 非饱和砂中甲烷水合物形成过程孔隙水转化特征的实验研究. Yun-kai Ji, Chang-ling Liu, Zhun Zhang, Qing-guo Meng, Le-le Liu, Yong-chao Zhang, Neng-you Wu. 2022. 5(2), 276-284. doi: 10.31035/cg2022013.                        

9. Identification of functionally active aerobic methanotrophs and their methane oxidation potential in sediments from the Shenhu Area, South China Sea. 南海神狐海域沉积物中活性好氧甲烷营养体及其甲烷氧化潜力的鉴定.  Jing Li, Chang-ling Liu, Neng-you Wu, Xiao-qing Xu, Gao-wei Hu, Yan-long Li, Qing-guo Meng. 2022. 5(2), 285-292. doi: 10.31035/cg2022011.   

三、工欲善其事,必先利其器。在20172020年南海水合物试采中,已经形成了6大类32项关键技术和12项核心装备。本期重点介绍了李博等井口吸力锚技术(封面),谢鹏飞和杨林等套管结构稳定性问题,黄丽等管道中天然气水合物二次形成及其影响因素问题。

10. Application of wellhead suction anchor technology in the second production test of natural gas hydrates in the South China Sea. 井口吸锚技术在南海天然气水合物二次试采中的应用. Bo Li, Bei-bei Kou, Bin Li, Jing Li, Jing Zeng, Qing-lei Niu, Yu-tao Shao, Ke-wei Zhang, Hao-yu Yu, Ying-sheng Wang. 2022. 5(2), 293-299. doi: 10.31035/cg2022027.                        

11. Stability analysis of seabed strata and casing structure during the natural gas hydrates exploitation by depressurization in horizontal wells in South China Sea. 南海水平井减压开采天然气水合物过程中海底地层及套管结构稳定性分析. Peng-fei Xie, Lin Yang, Qian-yong Liang, Xu-hui Zhang, Liang-hua Zhang, Bin Zhang, Xiao-bing Lu, Hui-ce He, Xue-min Wu, Yi-fei Dong. 2022. 5(2), 300-309. doi: 10.31035/cg2022018.     

12. Experimental investigation of hydrate formation in water-dominated pipeline and its influential factors. 水主导管道水合物形成及其影响因素的实验研究Li Huang, Jia-le Kang, Xiao-dong Shen, Jian-ye Sun, Qing-guo Meng, Qiang Chen, Gao-wei Hu, Chang-ling Liu, Neng-you Wu. 2022. 5(2), 310-321. doi: 10.31035/cg2022015.                                   

四、水合物开采最大的难题是发生--的三相转化,不发生甲烷泄漏是实现工业化开采的关键。何向阁的生产现场监测的分布式光纤声学传感器技术,在二次试采中得到应用,结果表明试采过程安全可控,无发生甲烷泄漏和地质灾害。

13. Distributed optical fiber acoustic sensor for in situ monitoring of marine natural gas hydrates production for the first time in the Shenhu Area, China. 首次在神狐地区实现了海洋天然气水合物生产现场监测的分布式光纤声波传感器. Xiang-ge He, Xue-min Wu, Lei Wang, Qian-yong Liang, Li-juan Gu, Fei Liu, Hai-long Lu, Yi Zhang, Min Zhang. 2022. 5(2), 322-329. doi: 10.31035/cg2022008.        

五、其次,序言中有对地调局水合物研究开发历史和对以上13篇文章有更详细的解读;同时,还对2021年中国油气勘探与开发的情况进行了介绍。

14. Exploring natural gas hydrates toward a carbon-neutral world. 寻找水合物新能源、助力全球碳中和. Zi-guo Hao (Editor-in-Chief). 2022. 5(2), 197-200. doi: 10.31035/cg2022022.

15. China achieved fruitful results in oil-shale gas-coalbed methane exploration and development in 2021. 2021年中国油页岩气-煤层气勘探开发取得丰硕成果. Xi-jie Chen, Li-qiong Jia, Ting Jia. 2022. 5(2), 355-356. doi: 10.31035/cg2022031.