Energy Reviews | 天然气水合物： 深入洞察颠覆性能源资源
文章题目：Natural gas hydrates – Insights into a paradigm-shifting energy resource
关键词：Unconventional resources, Natural gas hydrates, Methane, Dissociation methods，
CO2 replacement
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S277297022200013X
近日，澳大利亚莫纳什大学Ranjith P. Gamage院士团队联合剑桥大学Herbert Huppert院士团队在Energy Reviews发表文章"Natural gas hydrates – Insights into a paradigm-shifting energy resource"， 该文章详细探讨了天然气水合物储集层甲烷开采方法的最新研究进展，并提出降压与热刺激相结合是一种可行的甲烷抽提方法，但从经济和环境两个角度综合考虑，目前还没有一种可持续的甲烷抽提方法。一些油田的生产运行已经取得了积极的成果，但需要进行全面的调查和科学合作，以确定天然水合物储藏的可开采性。
01内容简介
1. Introduction （前言）
2. Gas hydrates as a greener and sustainable energy source （天然气水合物是一种更绿色和可持续的能源）
2.1. Methane storage in gas hydrate accumulations （天然气水合物聚集中的甲烷储存）
3. Natural gas hydrates （天然气水合物）
3.1. Structure of natural gas hydrates （天然气水合物结构）
3.2. Conceptual picture of gas hydrate formation （天然气水合物概念图）
3.3. Natural gas hydrates and environment （天然气水合物与环境）
4. Extraction of methane gas from gas hydrates （天然气水合物中的甲烷抽提）
4.1. Depressurization methods （减压法）
4.2. Thermal stimulation methods （热刺激法）
4.3. Inhibitor injection methods （缓蚀剂注射法）
4.4. Combined techniques （组合技术法）
4.4.1. Depressurization and thermal stimulation （减压和热刺激法）
4.4.2. Thermal stimulation and inhibitor injection （热刺激和缓蚀剂注射法）
4.5. Gas exchange methods （气体交换法）
4.5.1. Gas exchange using pure CO2 （利用纯二氧化碳进行气体交换）
4.5.2. Gas exchange using CO2 with a gas mixture （利用二氧化碳与混合气体进行气体交换）
4.5.3. CO2 replacement and reservoir conditions （二氧化碳置换与油气成藏条件）
5. Mechanical behaviour of hydrate-bearing sedimentsduring dissociation （含水合物沉积物解离过程中的力学行为）
5.1. The effect of hydrate saturation on the mechanical behaviour of hydrate-bearing sediments （水合物饱和度对含水合物沉积物力学性质的影响）
5.2. The effect of hydrate dissociation on the mechanical behaviour of hydrate-bearing sediments （水合物分解对含水合物沉积物力学行为的影响）
6. Field expeditions and productions （实地考察和生产）
6.1. Field production runs （现场生产运行）
7. Conclusion （结论）
02内容亮点
1、天然气水合物是一种比其他石油燃料资源更环保的能源(主要是甲烷)，天然气水合物发现于浅海海床和永久冻土区之下，在世界范围内分布丰富，具有成为能源行业下一个支柱的巨大潜力；2、广泛的实验室实验已经引入了几种甲烷提取策略：减压、热刺激和缓蚀剂注入等方法可能会扰乱海底的完整性，这可能会导致灾难性的后果。然而，二氧化碳置换方法被认为保持了海床的稳定性，降低了人为二氧化碳排放的机会；3、降压结合热刺激可以作为一种可行的甲烷开采方法，但从经济和环境的角度考虑，目前还没有一种可持续的现场规模的开采方法；4、一些油田的生产运行已经取得了积极成果，以确定天然水合物储藏的可开采性，但需要进行调查和科学合作，才能将水合物堆积开发作为一种商业上可行的能源。
03内容导读
在降压过程中，水合物储集层的压力降到天然气水合物的平衡压力以下，而在热吞吐过程中，水合物储集层的温度升高到相平衡温度以上，这两种方法都改变了储集层条件，以便解离天然气水合物。对于缓蚀剂注入方法，注入改变平衡条件的化学物质，因此水合物解离而储层条件保持不变。我们用相平衡图来说明这些方法：在气体交换方法中，将类似的水合物形成气引入水合物储集层，然后发生气体交换，将碳氢分子从晶格结构中置换出来。
二氧化碳是另一种形成水合物的气体结构，其分子略大于甲烷气体分子。更有趣的是，甲烷气体水合物和二氧化碳水合物的平衡条件是同一量级的，如图所示。在两条平衡曲线之间有一个狭窄的区域，二氧化碳水合物保持稳定，而甲烷水合物解离。因此，在适当的物理条件下，在甲烷气体水合物储集层中，可以用二氧化碳交换甲烷气体。
尽管二氧化碳替代方法的可行性已经得到了实验验证，但这些方法只是故事的一半，我们还需要对影响二氧化碳交换过程的储层条件有一个透彻的了解。为了发现水合物饱和如何影响二氧化碳置换，研究了向不同水合物饱和程度的样品中注入了气态二氧化碳。研究结果表明，由于没有游离气/水带，置换法不适用于3类水合物的聚集。低含水饱和度的1类水合物沉积最适合天然气生产，而高含水饱和度的1类水合物沉积由于二氧化碳在水中的初始溶解而产生的效率相当低。相反，这些高含水饱和度的沉积物可能是二氧化碳封存的理想选择。研究发现，过量天然气水合物油藏由于渗透率高，没有早期的二氧化碳堵塞，因而提高了开采能力。水过多的水合物储层更容易受到气体驱动的裂缝和随后的强度损失的影响，这些裂缝是在置换过程中体积变化造成的。
04重要结论1、考虑到天然气水合物的巨大容量、丰度和相对较低的二氧化碳排放，在寻求缓解气候变化的同时，它们具有巨大的潜力来补充世界对能源的需求。然而，开采天然气水合物所固有的工程挑战意味着，可行的开采战略尚未成熟；2、学术界作出了巨大努力，以了解从水合物中提取碳氢化合物气体所涉及的物理现象，并克服其随机性的挑战。本文分析了天然气水合物的形成动力学、解离方法以及识别天然气水合物对解离响应的相关研究，我们期望这篇论文将为学术研究界和其他对天然气水合物研究感兴趣的人提供广泛的一般性见解；3、与其他能源相比，水合物聚集表现出不同寻常的特征，因为天然气生产的可行性依赖于高度不同的储集层参数：如水合物饱和度和结构配置。在现场工作的人应该根据对这些参数的全面了解来决定开采技术和油井配置；4、此外，在实地实施开采方法时，我们还需要考虑环境影响和经济前景。开发一种从天然气水合物中提取碳氢化合物气体的可行技术可能会导致能源行业的范式转变，使我们能够开发隐藏在海洋和永久冻土沉积物下的巨大能源潜力。
通讯作者简介：
Ranjith P. Gamage教授是莫纳什大学土木工程系教授，研究领域涵盖二氧化碳地质封存、非常规油气开采、石油地质、深部地热资源开采、矿山地质、岩土力学等。科研成果丰富，已发表250多项学术成果，包括一本专著以及将近200篇期刊论文。由于其在应对气候变化做出的杰出工作，2009年获得ARC Future Fellow，2013年获澳大利亚领导奖, 并于2019年当选澳大利亚科技与工程院院士。
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》是由深圳大学主办，联合 Elsevier出版集团创办的一本国际性、跨学科、高质量开放获取 (Open Access) 学术期刊，由谢和平院士担任创刊主编，美国工程院Derek Elsworth院士、中国科学院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大学倪萌教授担任联合主编。发表能源领域前沿方向、最新进展、发展趋势、权威观点等高质量学术文章，构建全球能源一流成果和一流学者的合作交流平台，向公众传播有影响力的能源领域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理论、新方法和新技术; 能源研究的多学科（材料、物理、化学、生物等）交叉融合探索技术; 化石能源低碳利用与CCUS; 氢能、可再生能源与储能先进技术; 新型能源转换方式探索与应用; 能源领域现代信息技术（人工智能，大数据）等相关方向的优质稿件。
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