可再生能源利用率如何计算

可再生发电量/总发电量。

摘抄部分：今天会上很多人问我，分布式可再生发电的渗透率要到什么程度才算是高，我说由于太阳能的接

入，意大利负荷的日峰已经被削减20%，希腊负荷的日峰也已经被削减，但是晚峰无法削除，他们那应该算是高渗透率了，他们面临的问题是如何协调处理传统发

电、储能和需求侧集成，以应对付负荷晚高峰的问题。（近3年过去，德、意等国的分布式可再生发电渗透率（可再生发电量/总发电量）已经超过70%，可叹国内居然将分布式可再生高渗透率（或高占比）发电列为基础研究课题，如果可再生能源高占比发电都不明白，如何研究能源互联网？）

分布式发电的渗透率为分布式电源容量与配电网额定容量的比例。

特点

分布式能源系统并不是简单地采用传统的发电技术，而是建立在自动控制系统、先进的材料技术、灵活的制造工艺等新技术的基础上，具有低污染排放，灵活方便，高可靠性和高效率的新型能源生产系统。

组成分布式能源系统的发电系统具有如下特点：

1、高效地利用发电产生的废能生成热和电；

2、现场端的可再生能源系统；

3、包括利用现场废气、废热及多余压差来发电的能源循环利用系统

扩展资料：

1、经济性

由于分布式能源可用发电的余热来制热、制冷，因此能源得以合理的梯 级利用，从而可提高能源的利用效率(达70%-90%)。由于分布式电源的并网，减少或缓建了大型发电厂和高压输电网，缓建了电网而节约投资。同时，使得输配电网的潮流减少，相应的降低了网损。

2、环保性

因其采用天然气做燃料或以氢气、太阳能、风能为能源，故可减 少有害物的排放总量，减轻环保的压力：大量的就近供电减少了大容量远距离高电压输电线的建设，由此不但减少了高压输电线的电磁污染，也减少了高压输电线的征地面积和线路走廊，减少了对线路下树本的砍伐，有利于环保。

3、能源利用的多样性

分布式发电可利用多种能源，如清洁能源(天然气)、 新能源(氢)和可再生能源(风能和太阳能等)，并同时为用户提供冷、热、电等多种能源应用方式，因此是解决能源危机、提高能源利用效率和能源安全问题的一种很好的途径。

4、调峰作用

夏季和冬季往往是负荷的高峰时期，此时如采用以天然气为燃 料的燃气轮机等冷、热、电三联供系统，不但可解决冬夏季的供冷与冬季的供热需要，同时也提供了一部分电力，由此可对电网起到削峰填谷作用。此外，也部 分解决了天然气供应时的峰谷差过大问题，发挥了天然气与电力的互补作用。

5、安全性和可靠性

当大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计的分布式发电系统仍能保持正常运行，由此可提高供电的安全性和可靠性。

6、电力市场问题

分布式发电可以适应电力市场发展的需要、由多家集资办电，发挥电力建设市场、电力供应市场的竞争机制。

参考资料来源：百度百科-分布式电源

参考资料来源：百度百科-分布式电源并网技术

当淡水流向海水

北欧主要的电力公司之一挪威国家电力公司决定在挪威建立“世界上第一座渗透压发电站”，预计2008年底竣工。对于可再生能源，太阳能、风能、潮汐能、地热、水电等人们都耳熟能详，这个“渗透压发电”又是个什么东西呢?没有落差的水，如何发出电来呢? 让我们先来了解一下“渗透压”：假设有两杯水，一杯淡水，一杯盐水，底部用一根管子连通起来。淡水一边没有盐，对于盐水里的盐离子来说，淡水那边是无人居住的旷野，所以纷纷跑到那边去“抢滩”。而对于水分子来说，虽然两边数量相当，但是盐水那边的密度要小一些，所以更倾向于从淡水一侧向盐水一侧游弋。于是，不需要任何外部压力，水分子和盐离子就产生了大规模迁徙，一直到两杯水达到平衡为止。 而如果有“半透膜”这种物质介入，将会出现十分有趣的结果。半透膜类似于门卫或者关卡，能够选择性地拦截住一些物质而让另一些通过，如果我们把一层能够拦住盐离子的半透膜装在盐水和淡水之间，那么盐离子就将无法进入淡水那边，但是水分子依然可以从淡水那边溜到盐水里。宏观上看，就仿佛有一个压力推动淡水往盐水那边跑一样。这样的一个压力，就被称为“渗透压”。由于盐水这边只进不出，淡水那边只出不进，盐水一边的水位逐渐升高而淡水那边逐渐降低，结果产生了水位差来抵抗渗透压的作用。到最后这个水位差足够大，完全抵消了渗透压的时候，通过半透膜两边的水分子达到平衡。这时候的水压差也就可以用来计算盐水的渗透压。如果在盐水的一侧外加一个高于其渗透压的压力，不难想象，盐水一侧的水分子就纷纷游离到纯水一侧，而盐离子却只能留下，这种现象被称为“反渗透”，已经大量应用于海水淡化和废水处理了。 荷兰的范德霍夫推导出了一个公式来计算任何溶液的渗透压，他的公式计算结果与实验测量高度一致。海水通常含有3％左右的盐，这个浓度的渗透压大致相当于300米的水位差。也就是说，如果在淡水和海水之间放置半透膜，那么其间的水压则相当于二百几十米的大坝。 曾经有人设想，在地球上有无数的海滨，多数江河里的淡水最终也流向大海。如果我们在二昔交汇的地方装上半透膜，那么海水的渗透压蕴含的能量就可能田来发电。这样的能源不仅清洁无污染，而且可再生。 这就是“渗透压发电”的原理。这样的原理早在1973年就被堤出来了，但是其后的二十多年中一直没有大的进展。主要原因就是成本实在太高，而且实际建造中也面临一些工程技术上的困难。1997年，挪威国家电力公司开始进军这一领域。经过十余年的研究，伴随着膜技术的发展，他们认为实际建造渗透压发电站的时机已经来临，于是在2007年宣布将建造一座容量为2～4千瓦的渗透压模型电站，预计在2008年底完成，算是开始了“渗透压发电”的商业化进程。 挪威国家电力公司开发的渗透压发电站采取的是被称为“压力延迟渗透”的方式。简单来说，就是经过预处理的淡水进入半透膜区域，半透膜另一侧是海水，绝大部分的淡水在渗透压的作用下渗过半透膜，另一部分相当于废液被排掉。透过半透膜后水压大增，目前能够获得的压力可以达到理论值的一半，相当于一百多米的水位差，这些水一部分去冲动涡轮发电，另一部分作为循环水，把海水“压”进半透膜区域。正常运行条件下，半透膜装置能够使用7～10年。还有另一种设计是把膜装置和发电装置修建到海面下一百多米处，这样可以利用海水的自然压力来压入海水，从而大大提高整个体系的运行效率。当然，这种方式需要的修建成本也大大增加了。

氢能更重要的是作为一种清洁能源和良好的能源载体，具有清洁高效、可储能、可运输、应用场景丰富等特点。

氢是二次能源，通过多种方式制取，资源制约小，利用燃料电池，氢能通过电化学反应直接转化成电能和水，不排放污染物，相比汽柴油、天然气等化石燃料，其转化效率不受卡诺循环限制，发电效率超过 50%，是零污染的高效能源。

氢能是实现电力、热力、液体燃料等各种能源品种之间转化的媒介，是在可预见的未来实现跨能源网络协同优化的唯一途径。当前能源体系主要由电网、热网、油气管网共同构成，凭借燃料电池技术，氢能可以在不同能源网络之间进行转化，可以同时将可再生能源与化石燃料转化成电力和热力，也可通过逆反应产生氢燃料替代化石燃料或进行能源存储，从而实现不同能源网络之间的协同优化。

随着可再生能源渗透率不断提高，季节性乃至年度调峰需求也将与日俱增，储能在未来能源系统中的作用不断显现，但是电化学储能及储热难以满足长周期、大容量储能需求。氢能可以更经济地实现电能或热能的长周期、大规模存储，可成为解决弃风、弃光、弃水问题的重要途径，保障未来高比例可再生能源体系的安全稳定运行。

氢能应用模式丰富，能够帮助工业、建筑、交通等主要终端应用领域实现低碳化，包括作为燃料电池 汽车 应用于交通运输领域，作为储能介质支持大规模可再生能源的整合和发电，应用于分布式发电或热电联产为建筑提供电和热，为工业领域直接提供清洁的能源或原料等。

日本、韩国、美国、德国和法国等国都从国家层面制定了氢能产业发展战略规划与线路，如日本的《氢能基本战略》、美国的《氢能经济路线图》、欧盟的《欧洲绿色协议》中的“绿氢战略”、韩国的《氢经济发展线路图》等，持续支持氢燃料电池的研发、推进氢燃料电池试点示范以及多领域应用，已在产业链构建、氢燃料电池 汽车 研发方面取得优势。根据国际氢能联合会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》预测，至2050年，氢燃料电池 汽车 将占全球机动车的20 25%，创造2.5万亿美元的市值，承担全球约18%的能源需求。

《中国制造2025》、《能源技术革命创新行动计划（2016-2030）》、《国家创新驱动发展战略纲要》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》、《“十三五”国家 科技 创新规划》等都将氢能与燃料电池列为重要任务，作为引领产业变革的颠覆性技术和战略性新兴产业，提出系统推进氢能 汽车 的研发、产业化和商业化。

今年以来，国家政策倾斜力度加大。6月22日，国家能源局发布了《2020年能源工作指导意见》，从改革创新和推动新技术产业化的角度推动氢能产业发展。文件指出，制定实施氢能产业发展规划，组织开展关键技术装备攻关，积极推动应用示范。

中国首部《能源法》再次征求意见。其中，氢能被列为能源范畴，是中国第一次从法律上确认了氢能属于能源。

目前，全国有20多个省份发布了氢能产业发展规划，在长三角、珠三角、京津冀等地区，氢能已形成一些小规模的示范应用。在一些地方形成了制备、储运、加注燃料电池和下游应用的完整产业链。

其中，山东省国内首个省级氢能中长期规划，山东3677战略打造氢经济带。省政府办公厅印发的《山东省氢能产业中长期发展规划（2020-2030年）》，以2019年为基准年，规划期限为2020-2030年，内容主要包括发展环境、总体要求、发展路径与空间布局、重点发展任务、保障措施和环境影响评价等6个部分。3月26日印发《济青烟国际招商产业园建设行动方案（2020-2025年）》，新能源 汽车 、氢能等字眼出现频率很高，也和山东省省级氢能规划相呼应。济南“中国氢谷”、青岛“东方氢岛”两大高地随着《方案》要拔地而起。潍坊市人民政府办公室印发了《潍坊市促进加氢站建设及运营扶持办法》。本办法适用于对在本市进行加氢站建设、加氢站加氢的企业给予补贴，即按日加氢能力和建成年限分别给予50~600万元补贴。

2019年，中国石油对外依存度首次突破70%的关口，而天然气对外依存度也高达45%。自2018年中美贸易战爆发以来，高度依赖海外油气进口所带来的能源安全隐患越来越让决策层与 社会 各界侧目。新冠疫情又进一步暴露了在紧急状态下产业链全球化的隐患和风险，致使原本已有抬头之势的逆全球化趋势进一步加深，将能源安全的地位上升到新的政治高度。

全球气候变化是21世纪人类面临的最复杂的挑战之一，减缓气候变化的措施之一是减少温室气体的人为排放。中国是仅次于美国的第二大碳排放国家，已承诺力争2030年前二氧化碳排放达到峰值2060年前实现碳中和。在碳中和的道路上，氢能是一个不可或缺的二次能源形式

尽管氢能发展前景广阔，但当前也面临着产业基础薄弱、装备和燃料成本偏高以及存在安全性争议等方面的问题。目前我国制氢技术相对成熟且具备一定产业化基础，全国化石能源制氢和工业副产氢已具相当规模，碱性电解水制氢技术成熟。但在氢气储运技术、燃料电池终端应用技术方面与国际先进水平相比仍有较大的差距。

譬如在储运方面，实现氢能规模化、低成本的储运仍然是我国乃至全球共同面临的难题。高压气氢作为目前国内外主流的氢能储运模式，还存在储氢密度仍然不够高、储运成本太高等问题。

氢气是二次能源，需要通过一定的方法利用其它能源制取，目前主要包括以下方法：

天然气中的烷烃在适当的压力和温度下，在转化炉中发生一系列化学反应生成包含一氧化碳和氢气的转化气，转化气再经过换热、冷凝等过程，使气体在自动化的控制下通过装有多种吸附剂的PSA装置后，一氧化碳、二氧化碳等杂质被吸附塔吸附，从而得到氢气。

以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种：一是煤的焦化，二是煤的气化。焦化是指煤在隔绝空气条件下，在90-1000 制取焦碳，副产品为焦炉煤气。焦炉煤气组成中含氢气55-60%左右。煤的气化是指煤在高温常压或加压下，与气化剂反应转化成气体产物，组成主要是氢及一氧化碳，经转化后可制得纯氢。

通常不直接用石油制氢，而用石油初步裂解后的产品，如石脑油、重油、石油焦以及炼厂干气制氢。石脑油制氢主要工艺过程有石脑油脱硫转化、CO变换、PSA，其工艺流程与天然气制氢极为相似；重油制氢是在一定压力下与水蒸气及氧气反应制得含氢气体产物；石油焦制氢与煤制氢非常相似，是在煤制氢的基础上发展起来的；炼厂干气制氢主要是轻烃水蒸气重整加上变压吸附分离法，与天然气制氢非常相似。

氯碱工业采用电解盐水的方式生产氯气和烧碱，在电解槽阳极生成氯气，阴极生成氢气，阴极附近生成烧碱，氢气进入脱氧塔脱除其中氧气，然后经过变压吸附脱除其中N2、H2、CO2、H2O等杂质，可获得高纯度氢气。

甲醇蒸汽重整制氢由于氢收率高，能量利用合理，过程控制简单，便于工业操作而更多地被采用。甲醇与水蒸气在一定的温度、压力条件下在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢和二氧化碳，重整反应生成的H2和CO2，再经过变压吸附法（PSA）将H2和CO2分离，得到高纯氢气。

电解水制氢是一种较为方便的制取氢气的方法。在充满电解液的碱性电解槽（ALK）中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。也可使用PEM电解槽直接电解纯水产生氢气。此方式可利用光电、风电以及水电等清洁能源进行电解水制取氢气。

（1）风力发电机组的原理及特点：风力发电机组通过控制风轮转速，达成在低风速下最优能量捕捉；在高风速时，保持风轮转速和功率稳定。因此，在额定风速前（大部分工作状态），风力发电机组发岀的有功功率一直在随着风的改变而波动，表现在秒级上的发电功率波动性。另外，风力发电机组是一个电流源，也就是说风电机组每时每刻在跟随电网的50Hz交流电频率，把能量通过电流的方式输岀给电网。如果没有电网的电压维持，目前的风电机组很难独立发电。

（2）光伏发电：光伏电池将太阳能转化为电能，光伏逆变器一方面通过控制，追踪光伏电池的最佳功率点，一方面作为电流源，跟踪电网50Hz交流电频率，把能量通过电流方式输岀到电网。由于阳光在分钟级上变化不大，相对于风电，波动性较小。但是光伏发电表现出昼夜的间歇性。

光伏发电制氢主要利用光伏发电系统所发直流电直接供应制氢站制氢用电。主要有3种技术路线。

碱性电解槽制氢。 该种电解槽的结构简单，适合大规模制氢，价格较便宜，效率偏低约70%~80%，主要设备包括电源、阴阳极、横膈膜、电解液和电解槽箱体组成，电解液通常为氢氧化钠溶液，电解槽主要包括单极式和双极式。

质子交换膜电解槽（PEM Electrolyzer）制氢。 效率较碱性电解槽效率更高，主要使用了离子交换技术。电解槽主要由聚合物薄膜、阴阳两电极组成，由于较高的质子传导性，电解槽工作电流可大大提高，从而提升电解效率。

固体氧化物电解槽（Solid Oxide Electrolyzer）制氢。 可在高温下工作，部分电能可由热能替代，效率高、成本低，固体氧化物电解槽是三种电解槽中效率最高的设备，反应后的废热可与汽轮机、制冷系统进行联合循环利用，提升效率，可达到90%。

电解水制氢技术路线成熟，目前未大规模推广关键因素为电价问题，以目前工业用电用来制氢成本过高，市场竞争力较差。

甲醇制氢投资较低，适合2500Nm3以下制氢规模，按照1Nm3氢气消耗0.72千克甲醇，甲醇价格按2319元 / 吨计算，制氢成本如下表：甲醇制氢成本表

天然气制氢单位投资成本低，在1000Nm3以上经济性较好，按照1Nm3氢气消耗0.6Nm3天然气，天然气价格按1.82元/Nm3计算，制氢成本下表：

天然气制氢成本表

以1000Nm3/h 水电解制氢为例，总投资约1400万元，按照1Nm3氢气消耗5kWh 电能计算，不同电价测算制氢成本分析如下表：

光伏发电制氢成本表

由此分析，光伏发电制氢电价控制在0.3元 / 千瓦时以下时，制氢成本才具有竞争力。按照目前市场价格进行测算，以100MW光伏发电直流系统造价如下表：

光伏发电直流系统造价

以一类资源区域为例，首年光伏利用小时数为1700小 时 计 算，其他参数为 ：装机容量100MW，建设期1年，资本金投资比例20%，流动资金10元 /kW，借款期限10年，还本付息方式为等额本息，长期贷款利率4.90%，折旧年限20年，残值率5%，维修费率0.5%，人员数量5，人工年平均工资7万元，福利费及其他70%，保险费率0.23%，材料费3元 /kW，其他费用10元 /kW。按照全部投资内部收益率满足8% 反算电价，并分别分析计算造价为2.3亿、2亿、1.8亿、1.6亿元时的电价。通过计算，在满足全部投资内部收益率为 8% 时，不同造价下的电价如下表：

不同造价反算电价

光伏发电制氢在资源一类区域已具备经济可行性，较天然气制氢、甲醇制氢成本较低，随着光伏发电成本的持续下降，光伏发电制氢竞争力将进一步增强。本文未考虑氢气运输成本，光伏发电直供电制氢应与需求方靠近，资源一类区域主要集中在西北区域，该区域氢气用户主要为炼化、化工企业，用气量较大，对制氢站规模要求较大。

光伏组件价格下降较快，随着价格进一步降低，部分二类资源区光伏发电制氢也将具有竞争力，该类区域相对靠近负荷中心，经济发达，氢气需求量较大。光伏发电制氢工艺简单、运维难度低，制氢规模可根据场地和需求进行模块化组合，随着燃料电池技术的进步，分布式可再生能源制氢供应燃料电池也将是未来重要发展趋势。

氢气的运输方式可根据氢气状态不同分为气态氢气(GH2)输送、液态氢气(LH2)输送和固态氢气(SH2)输送。选择何种运输方式，需基于以下四点综合考虑：运输过程的能量效率、氢的运输量、运输过程氢的损耗和运输里程。

在用量小、用户分散的情况下，气氢通常通过储氢容器装在车、船等运输工具上进行输送，用量大时一般采用管道输送。液氢运输多用车船等运输工具。

虽然氢气运输方式众多，但从发展趋势来看，我国主要以气氢拖车运输(tube trailer)、气氢管道运输(pipeline)和液氢罐车运输(liquid truck)三种运氢方式为主。

长管拖车是国内最普遍的运氢方式。这种方法在技术上已经相当成熟。但由于氢气密度很小，而储氢容器自重大，所运输氢气的重量只占总运输重量的1~2%。因此长管拖车运氢只适用于运输距离较近(运输半径200公里)和输送量较低的场景。

其工作流程如下：将净化后的产品氢气经过压缩机压缩至20MPa，通过装气柱装入长管拖车，运输至目的地后，装有氢气的管束与车头分离，经由卸气柱和调压站，将管束内的氢气卸入加氢站的高压、中压、低压储氢罐中分级储存。

该方法的运输效率较低。国内标准规定长管拖车气瓶公称工作压力为10-30MPa，运输氢气的气瓶多为20MPa。

以上海南亮公司生产的TT11-2140-H2-20-I型集装管束箱为例，其工作压力为20MPa，每次可充装体积为4164Nm3、质量为347kg的氢气，装载后总质量33168kg，运输效率1.05%。国内生产长管拖车的主要厂商有中集安瑞科、鲁西化工、上海南亮、浦江气体、山东滨华氢能源等。

长管拖车运氢成本测算

为测算长管拖车运氢的成本，我们的基本假设如下：

（1）加氢站规模为500kg/天，距离氢源点100km；

（2）长管拖车满载氢气质量350kg，管束中氢气残余率20%，每日工作时间15h；

（3）拖车平均时速50km/h，百公里耗油量25升，柴油价格7元/升；

（4）动力车头价格40万元/台，以10年进行折旧；管束价格120万元/台，以20年进行折旧，折旧方式均为直线法；

（5）拖车充卸氢气时长5h；

（6）氢气压缩过程耗电1kwh/kg，电价0.6元/kwh；

（7）每台拖车配备两名司机，灌装、卸气各配备一名操作人员，工资10万元/人·年；

（8）车辆保险费用1万元/年，保养费用0.3元/km，过路费0.6元/km；根据以上假设，可测算出规模为500kg/d、距离氢源点100km的加氢站，运氢成本为8.66元/kg。

测算过程如下表：

运输成本随距离增加大幅上升。当运输距离为50km时，氢气的运输成本5.43元/kg，随着运输距离的增加，长管拖车运输成本逐渐上升。

距离500km时运输成本达到20.18元/kg。

考虑到经济性问题，长管拖车运氢一般适用于200km内的短距离运输。

提高管束工作压力可降低运氢成本

由于国内标准约束，长管拖车的最高工作压力限制在20MPa，而国际上已经推出50MPa的氢气长管拖车。

若国内放宽对储运压力的标准，相同容积的管束可以容纳更多氢气，从而降低运输成本。

当运输距离为100km时，工作压力分别为20MPa、50MPa的长管拖车运输成本为8.66元/kg、5.60元/kg，后者约为前者的64.67%。

具有发展潜力的低成本运氢方式，但我国氢气管网发展不足，建设需提速。

低压管道运氢适合大规模、长距离的运氢方式。由于氢气需在低压状态（工作压力1~4MPa）下运输，因此相比高压运氢能耗更低，但管道建设的初始投资较大。

我国布局氢气管网布局有较大提升空间。美国和欧洲是世界上最早发展氢气管网的地区，已有70年 历史 。

根据PNNL在2016年的统计数据，全球共有4542公里的氢气管道，其中美国有2608公里的输氢管道，欧洲有1598公里的输氢管道，而中国仅有100公里。

随着氢能产业的快速发展，日益增加的氢气需求量将推动我国氢气管网建设。

氢气管道造价高、投资大，天然气管道运氢可降低成本

天然气管道是世界上规模最大的管道，占世界管道总长度的一半以上，相比之下氢气管道数量很少。据IEA报告，目前世界上有300万公里的天然气管道，氢气管道仅有5000公里，现有的氢气管道均由制氢企业运营，用于向化工和炼油设备运送成品氢气。

由于管材易发生氢脆现象（即金属与氢气反应而引起韧性下降），从而造成氢气逃逸，因此需选用含炭量低的材料作为运氢管道。美国氢气管道的造价为31~94万美元/km，而天然气管道的造价仅为12.5~50万美元/km，氢气管道的造价是天然气管道造价的两倍以上。

虽然氢气在管道中的流速是天然气的2.8倍，但由于氢气的体积能量密度小，同体积氢气的能量密度仅为天然气的三分之一，因此用同一管道输送相同能量的氢气和天然气，用于押送氢气的泵站压缩机功率高于压送天然气的压缩机功率，导致氢气的输送成本偏高。

氢气输运网络基础设施建设需要巨大的资本投入和较长的建设周期，管道的建设还涉及占地拆建问题，这些因素都阻碍了氢气管道的建设。

研究表明，含20%体积比氢气的天然气-氢气混合燃料可以直接使用目前的天然气输运管道，无需任何改造。

在天然气管网中掺混不超过20%的氢气，运输结束后对混合气体进行氢气提纯，这样既可以充分利用现有管道设施，出于经济性考虑，也能降低氢气的运送成本。

目前国外已有部分国家采用了这种方法。

为测算管道运氢的成本，我们参考济源-洛阳氢气管道的基本参数，做出如下假设：

（1）管道长度25km，总投资额1.46亿元，则单位长度投资额584万元/km；（10）年输氢能力为10.04万吨，运输过程中氢气损耗率8%；

（2）管线配气站的直接与间接维护费用以投资额的15%计算；

（3）氢气压缩过程耗电1kwh/kg，电价0.6元/kwh；

（4）管道寿命20年，以直线法进行折旧。

根据以上假设，可测算出长度25m、年输送能力10.04万吨的氢气管道，运氢价格为0.86元/kg。

当输送距离为100km时，运氢成本为1.20元/kg，仅为同等距离下气氢拖车成本的1/5，通过管道运输氢气是一种降低成本的可靠方法。

适合长距离运输，国内外应用差距明显，但液氢运输相比气氢效率更高，国内应用程度有限。

液氢罐车运输系统由动力车头、整车拖盘和液氢储罐3部分组成。

由于液氢的运输温度需保持在-253 以下，与外部环境温差较大，为保证液氢储存的密封和隔热性能，对液氢储罐的材料和工艺有很高的要求，使其初始投资成本较高。

液氢罐车运输是将将氢气深度冷冻至21K液化，再将液氢装在压力通常为0.6兆帕的圆筒形专用低温绝热槽罐内进行运输的方法。

由于液氢的体积能量密度达到8.5MJ/L，液氢槽罐车的容量大约为65m3,每次可净运输约4000kg氢气，是气氢拖车单车运量的10倍多，大大提高了运输效率，适合大批量、远距离运输。

但缺点是制取液氢的能耗较大（液化相同热值的氢气耗电量是压缩氢气的11倍以上），并且液氢储存、输送过程均有一定的蒸发损耗。

在国外尤其是欧、美、日等国家，液氢技术发展已经相对较为成熟，液氢在储运等环节已进入规模化应用阶段，某些地区液氢槽车运输超过了气氢运输规模。

而国内目前仅用于航天及军事领域，这是由于液氢生产、运输、储存装置等标准均为军用标准，无民用标准，极大地限制了液氢罐车在民用领域的应用。

国内相关企业已着手研发相应的液氢储罐、液氢槽车，如中集圣达因、富瑞氢能等公司已开发出国产液氢储运产品。

2019年6月26日，全国氢能标准化技术委员会发布关于对《氢能 汽车 用燃料液氢》、《液氢生产系统技术规范》和《液氢贮存和运输安全技术要求》三项国家标准征求意见的函。

液氢相关标准和政策规范形成后，储氢密度和传输效率都更高的低温液态储氢将是未来重要的发展方向。

为测算液氢槽车运输的成本，我们的基本假设如下：

（1）加氢站规模为500kg/天，距离氢源点100km；

（2）槽车装载量为15000加仑（约68m3，即4000kg），每日工作时间15h；

（3）槽车平均时速50km/h，百公里耗油量25升，柴油价格7元/升；

（4）液氢槽车价格约为50万美元/辆，以10年进行折旧，折旧方式为直线法；

（5）槽车充卸液氢时长6.5h；

（6）氢气压缩过程耗电11kwh/kg，电价0.6元/kwh；

（7）每台拖车配备两名司机，灌装、卸载各配备一名操作人员，工资10万元/人·年；

（8）车辆保险费用1万元/年，保养费用0.3元/km，过路费0.6元/km。根据以上假设，可测算出规模为500kg/d、距离氢源点100km的加氢站，运氢成本为13.57元/kg。

测算过程如下表：

液氢罐车成本变动对距离不敏感。当加氢站距离氢源点50~500km时，液氢槽车的运输价格在13.51~14.01元/kg范围内小幅提升。虽然运输成本随着距离增加而提高，但提高的幅度并不大。这是因为成本中占比最大的一项——液化过程中消耗的电费（约占60%左右）仅与载氢量有关，与距离无关。而与距离呈正相关的油费、路费等占比并不大，液氢罐车在长距离运输下更具成本优势。

第四章 加氢站建设

1.投资估算

加氢站投资主要包含设备投资、土建工程投资以及设计、监理、审批等费用。

项目投资估算表如下：

序号 名 称 费用（万元） 备注

1 工艺设备 222.00

1.1 增压系统 160.00

1.2 加注系统 56.00

1.3 卸车系统 6.00

2 现场管道、仪表电缆等 12.00

3 PLC柜、火焰探头、氢气泄漏探头、视频监控等 28.00

4 设备安装及调试 40.00 含辅材

5 土建工程 80.00

6 设计、监理、审批等费用 45.00

7 合计 424.00

2.运营成本估算

加氢站建成后，运营成本包括土地租金、设备折旧、运营维护成本、人员工资等。

项目总投资为424万元，固定资产采用直线法综合折旧，不计残值，按照10年折旧摊销，每年42.4万元。

每年运维成本包括设备维护费、管理费及人工成本费、电费和水费等，其中设备维护费用约55万元，管理费及人工（4名工人）成本费15万元，电费及水费30万元，每年运维成本费用为100万元。

本项目单站占地面积约2亩，参照目前服务区征地费用，土地租金暂按每年每亩10万元计取，单站每年土地租金为20万元。

3.效益测算

加氢站对外销售价格为35元/kg，进销价差一般为20元/kg。

本次加氢站项目设计日加氢能力：500kg/d，加注压力：35MPa；按照其70%加注负荷计算，日加注350kg，年可实现加注量120000kg。

按照价差收入，年毛利润额估算为252万元。

经济效益情况分析：

序号 名称 单位 金额（万元） 备注

1 价差收入（毛利润） 万元 240.00

2 土地租金 万元 20.00

3 年运行成本 万元 100.00

4 折旧及摊销 万元 42.4 按10年折旧

5 年税前利润 万元 97.6

5 税金及附加 万元 24.4

6 年利润 万元 73.2

静态投资回收期为：424万元/73.2万元 5.79年。

但是当前投运氢燃料车辆较少，但氢能源在政策利好下不断发展中，当前预测存在较大的困难和不可预见性，测算中取设计负荷的70%进行的估算。

山东省下发国内首个省级氢能中长期规划，山东3677战略打造鲁氢经济带，济南“中国氢谷”、青岛“东方氢岛”两大高地随着《方案》要拔地而起，具有广阔的发展前景和潜力，在当前国家碳达峰、碳中和战略背景下，氢能必将迎来大发展阶段。

关进安1，梁德青1，吴能友1，樊栓狮2

关进安（1980—），男，副研究员，主要从事水合物动力学研究，E-mail:guanja@ms.giec.ac.cn。

1.中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室/中国科学院广州能源研究所，广州　510640

2.华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室，广州　510640

摘要：渗漏型水合物的形成是多相流共同作用的结果，为了准确评估海洋水合物的资源潜力，必须研究该类型水合物的形成过程。渗漏体系里往上运移的甲烷气（游离）、原位孔隙水（包括溶解气及溶解盐）与固体骨架共同作用，生成水合物并在孔隙里沉淀胶结成藏；在这一过程中游离气迁移改变沉积层的地质属性，是渗漏型水合物成藏的控制性因素之一。根据流动－传输－反应机理建立了多相流模型，以反应开始和结束2个时刻演绎了水合物形成过程中，孔隙毛细压力、渗透率、各相饱和度和盐度的联动变化关系，并结合南海北部神狐海域地质勘探资料评估水合物赋存情况，推断该区域水合物饱和度最大能达到75％。

关键词：游离气；甲烷水合物；通量

The Methane Hydrate Formation and the Resource Estimate Resulting from Free Gas Migration in Seeping Seafl0or Hydrate Stability Zone

Guan Jinan1,Liang Deqing1*,Wu Nengyou1,Fan Shuanshi2

1.Guangzhou Institute of Energy Conversion/Key Laboratory of Renewable Energy and Gas Hydrate,CAS,Guangzhou 510640,China

2.South China university of Technology,Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation,MOE,Guangzhou 510640,China

Abstract:It is a typical multiphase flow process for hydrateformation in seeping seafloor sediments.In order to accurately assess the potential of marine hydrate resources,the formation of hydrates in seafloor sediments must be researched.The rising free methane,in-situ pore water(including dissolved gas and salt) and solid grains react with each others in sediments,and then methane hydrates form and precipitate in pore.Free gas migration alters the geological properties of the sediment layer.It is one of the key factors to control hydrate formation in seepage system.According to this kind of flow-transfer-reaction process,a multi-phase flow model including water-gas (free gas)-salt-hydrate has been eatablished.In the order of two different scene (the beginning and the end) ,the relationship alteration of capillary pressure,permeability,phase saturations and salinity with the formation of hydrate have been deducted.Based on the rules drawnfrom the simulation,and combined information gottenfrom drills in field,the methane hydrate(MH)formation in Shenhu area of South China Sea has beenforecasted.It has been speculated that there may breed a moderate methane flux below this seafloor HSZ.If the flux is about 0.5 kg·m-2·a-1,then it will go on to evolve about 2 700 ka until the hydrate saturation in pore will arrive its peak (about 75%).

Key words:free gasmethane hydratemethane flux

0 引言

甲烷水合物（MH）在全球海域和冻土层广泛存在[1-2]，据估算约有1.2×1017m3甲烷以水合物形式存在海洋里（STP），另有大约1015mol的甲烷以游离或溶解的形式存在于沉积层孔隙中[3-4]。渗漏型水合物储层由于具有分布集中、储藏密度大、成藏与物化条件优越等特点[5]，其资源意义十分重要。

在海底多相流体流动区域沉积层孔隙里水合物的形成是一种典型的多相流输运传递过程[6]，除了气（游离气和溶解气）、孔隙水和盐外，已生成的水合物也影响着水合物的进一步继续形成。对于这种多相流过程，Clennell,et al.[7]解释了甲烷气体迁移和聚集对水合物形成的影响；Milkov,et al.[8]分析了ODP1249站位的水合物岩心后，指出在这种体系里水合物、气和盐三相可以共存；数值模拟结果也显示了温度、压力、甲烷体积分数以及盐度等相互间的演变关系[11]。然而，水合物的形成将吸收孔隙内的水和气，直接导致多相流组分的变化；同时，水合物胶结沉积层骨架使得含水合物沉积地层的结构和属性发生改变，这些都必须研究确定。

渗漏区域里游离气不仅在水合物稳定区域（hydrate stable zone,HSZ）的底界下大量聚集，而且在HSZ内也快速迁移，提高沉积层孔隙内盐度，进而改变该体系下的地质分层，产生诸如水合物－离气－盐三相共存[12]、海底气体“火焰”[13]等现象；一方面说明游离气参与了水合物形成，另一方面也成为探测水合物成藏的间接证据。我国南海神狐海域地质勘探、实地钻井取样及岩心分析表明，该区域很可能是渗漏类型的水合物储藏[14-18]，本文将结合渗漏类型水合物形成规律分析神狐海域的甲烷水合物储藏状况。

1 游离气迁移与相图

当富含饱和溶解甲烷的孔隙水夹裹着游离气从游离气区域（free gas zone,FGZ）上移，刺穿HSZ底部并进入HSZ内，溶解甲烷首先在孔隙内生成MH并沉淀，使孔隙水中的甲烷浓度变低，游离甲烷气部分溶解在孔隙水中，部分也同时生成MH，直到当地的孔隙空间内MH浓度达到饱和，底部新进入的流体和游离甲烷则继续上移，重复生成MH。由于盐离子被水合物晶体排斥，在孔隙内MH周围盐离子浓度变大，改变MH生成的热力学相平衡条件，抑制MH的生成，并使得HSZ厚度变少，源源不断供应的游离甲烷气增强了盐离子的这种抑制效应。当原位沉积物孔隙里的MH达到最大饱和度后，系统变稳定，不会再有MH的形成，游离气顺利穿越HSZ抵达海底，渗漏进入并溶解在上部海水里（图1）。一般而言，沉积孔隙中的MH生成是一个两相和三相之间的转化过程：气－水相变为气－水－水合物，最后仍变为气－水相。

图1 南海北部的甲烷水合物赋存区域，（A）温度－深度相图，（B）浓度－压力相图

当游离气进入HSZ区域内后形成水合物，改变孔隙内的盐度，进而影响水合物的形成和形态， （A）图中当盐度由3.4％升高到13.6％(4倍）时，水合物区域由EBC减少为EAD，底部深度由403 m减少至384 m，减少区域约为原区域的9.85％，相应在图B中底部由点H至点I；当游离气从底部上升穿越BH线后（3.4％盐度w(Na Cl），或线AI 13.6％盐度），在线GH (FI）右边水合物形成，同时，水合物－游离气－盐共存。

2 多相流分析

2.1 模型建立

对于由气－液－固三相和甲烷－水－盐－水合物4组分组成的多相流系统，做以下假设：

1）不考虑组分分子扩散，沉积物孔隙始终被组分完全填充，且为各向同性。

2）渗漏气体为单组分甲烷，以游离甲烷和溶解甲烷形式存在，初始溶解甲烷饱和。

3）盐仅溶解且始终在孔隙水里，不考虑盐饱和度变化导致的盐结晶析出。

根据以上假设，分别建立气、水两相的传输方程：

对水，其存在于水合物和液态水里：

南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集

对甲烷，其存在气相、液相和水合物中：

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式（1）、 （2）中：φ为地层孔隙度；Sκ为组分体积饱和度；ρK为组分密度（kg/m3）；甲烷在水中的质量分数为其溶解度 ；ηK表示水合物中组分的质量分数；k、krβ分别为地层固有渗透率（m2）和组分相对渗透率；μK为组分黏度（Pa·s）PK为相压力（MPa）g为重力加速度（kg/m3）Cg为甲烷气的压缩系数，由式（3）定义，Bg为甲烷体积系数：

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另外，再加上饱和度的限制条件和毛细压力公式即可构成方程组：

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游离气饱和度可以通过线性回归确定：

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采用的相关参数见表1。

2.2 结果讨论

当甲烷气（游离态）和水（含溶解气）进入HSZ内，水合物在合适的温度、压力和盐度条件下形成；同时，沉积地层的各个属性和流体性质也随着水合物的形成而改变。

2.2.1 HSZ内MH形成过程

按气相甲烷饱和度始终为2％，甲烷渗漏通量为0.5 kg/m2·a这一临界状态演绎水合物的形成过程（图2）。

图2 在开始36d和结束3100ka不同时刻里随着游离甲烷的不断进入HSZ内，（A）孔隙里气液间的毛细压力，（B）含水合物沉积层的渗透率，（C）气、水、水合物饱和度，和（D）孔隙盐度的变化过程；在图中HSZ底界处于403m（bsf）处，边界条件见图1

当t=36 d时，海底深处的甲烷进入HSZ底部，水合物形成，底部通入的甲烷对HSZ内水合物形成的影响已经达到海底处（图2a C）；由于水合物的形成，气液界面接触面积和张力均发生改变，导致毛细压力也在此段距离上随之变大（图2a A）；同时，沉积层渗透率由于水合物的胶结开始变小（图2a B）；盐离子被排挤使得当地孔隙水盐度变大（图2a D）。

当t=3 100 ka时，反应结束，HSZ内MH不会继续生成。从图2b C可以看到，由于限制海底处的Sh为0，此处的水合物饱和度梯度很大，这也说明若模型考虑到海水里的HSZ，则Sh将在这个区域继续生成；此时，海底处最大的Pc可以达到约30 k Pa（图2b A）；而水合物胶结砂土沉积物后渗透率达到约10-20m2，已到达相当致密程度（图2b B）；盐度在HSZ底部边界处达到最大可达约16％（图2b D）。

表1 模拟南海神狐海域MH形成采用的相关参数数据

2.2.2 甲烷渗漏通量

另一个影响水合物形成的重要参数是甲烷渗流通量qm(kg/m2），不同的渗流通量使得水合物的形成速度、成藏资源量甚至含水合物沉积层的成藏形态和产状上都有很大不同。Roberts et al[19]描述了墨西哥湾海底慢速、中速、快速3种渗漏区域海底的地质形态，陈多福[20]；建立了1种渗流模型并提出了1种划分这3类不同渗漏类型的标准；据此，在相同游离气饱和度情况下（进入HSZ底部的Sg均为0.1）分别计算了6种不同渗流通量，以探讨渗流通量对渗漏系统MH形成过程和成藏的影响关系。表2为在慢速、中速、快速3种渗漏通量区间内，分别计算2个不同qm值，最小从0.05 kg/(m2·a）一直到100 kg/(m2·a），这样的取值范围基本上能包括目前在全球海域发现的水合物渗漏区域的通量大小范围。

表2 不同甲烷渗漏通量范围决定的渗漏体系演化阶段

计算表明在每种渗漏通量下，水合物的产量均在刚开始一个很短时间内急剧增大，然后在更长时间缓慢增长。在慢速及慢速与中速接近处（0.05 kg/(m2·a）、0.5 kg/(m2·a）、1 kg/(m2·a)），水合物生成达到最大所用时间相差不大，基本一样，而往上，qm值越大，所用时间越短；qm从0.05 kg/(m2·a）到100 kg/(m2·a），水合物达到最大的时间从2 400 ka减少到227 ka，最大qm值所用时间是最小qm值的9.5％；然而，水合物单位面积产量也从38.35 kg/m2变为36.15 kg/m2，减少了约5.7％，判断这也是因为水合物生成速度变快后沉积层孔隙度和渗透率急剧降低，阻碍了水合物进一步的充分形成。

3 神狐海域水合物成藏反演

按照海底深度1 250 m、海底温度3.4℃、地温梯度为45℃/km、沉积层压力梯度10 MPa/km、孔隙平均盐度为3.5％等5个基本参数进行计算神狐海域的温压环境。目前并没有该区域HSZ内或BSR区的游离气饱和度估计，但由于整个南海北路陆坡区地质构造与墨西哥湾类似，可大致按底部进入HSZ内的游离气饱和度5％计算[20]；同时，也并不知道神狐地区深处进入HSZ底部的甲烷渗漏通量，然而，在SH2钻位约80 m厚度范围内水合物最大饱和度达48％，相比较典型的渗漏地点， Cascadia水合物脊1249、1250站位，约130 m厚度内最大饱和度可达约70％，其渗漏甲烷约为0.98 kg/(m2·a），推测神狐海域的甲烷通量可能属于中等渗漏范围内（表2）。据此，有了这些基本物性参数，结合已探测的水合物饱和度、孔隙盐度等资料，即可进行合理推测。

在上述给定物性参数下，首先模拟计算了出现探测的水合物饱和度分布时的大致情况，以qm为0.5 kg/(m2·a）计算的甲烷饱和度分布图形和孔隙盐度见图3，与钻探结果相比能较好吻合，

图3 神狐SH2站位水合物饱和度分布

黑色点为实地测试水合物饱和度分布，红色点线为根据水合物在深度上的分布模拟获得的曲线，最大饱和度约为48％。

在模型里限制海底表面处水合物饱和度为0，计算继续演化直至达最大饱和度（75%）的反应时间约5 500 ka（图4），这说明该区域在气液流进入水合物稳定区域内刚开始一段时间内大量形成并聚集。按该区域约16 km2范围内存在着甲烷水合物藏，以面积概率为10％，深度概率为20％，同时孔隙甲烷转化率假定为10％，计算得约5 500 ka后，该区域资源量达最大可达约1 250亿m3甲烷气，是当前估计的约7～8倍。

图4 神狐地区SH2充分发育后的水合物分布云图

4 结束语

富含游离气并快速迁移的海底渗漏区域被认为是最具有开采潜力的水合物储藏。根据流动－输运－反应机理建立了模拟渗漏型水合物形成并成藏的多相流动模型，通过开始和结束2个不同时刻演绎了游离气迁移时，随着水合物的形成，沉积层孔隙内毛细压力、渗透率、各相饱和度和盐度的联动变化关系分析了水合物的形成过程中，并探讨了渗漏通量对水合物成藏的影响。最后，结合神狐海域的地质资料，推断了该区域水合物的成藏类型，以及其资源潜力。

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[20]陈多福.海底天然气渗漏系统水合物形成分解动力学及微生物研究[D].广州：中国科学院广州地球化学所，2004.

苏正1,2，曹运诚1，吴能友1,22，Lawrence M.Cathles3，陈多福1,2

苏正，（1980—），博士，助理研究员，主要从事天然气水合物及盆地流体活动的数值模拟研究，E-mail:suzheng@ms.giec.ac.cn。

注：本文曾发表于《地球物理学报》，2009,12:3124-3131，本次出版有修改。

1.中国科学院边缘海地质重点实验室/广州地球化学研究所，广州　510640

2.中国科学院广州天然气水合物研究中心/可再生能源与天然气水合物重点实验室/广州能源研究所，广州　510640

3.Department of Earth&Atmospheric Sciences,Cornell University,Ithaca,New York 14853-1504,USA

摘要：海洋环境中天然气水合物层是理想的毛细管封闭层，游离气被抑制在水合物层下，游离气层的气体压力随气体聚集和气层厚度的增加而升高，当气压超过封闭层的毛细管力时，游离气会克服毛细管进入压力、刺入上覆封闭层孔隙空间，毛细管封闭作用随之消失，从而形成水合物下伏游离气向海底的渗漏。通过对该过程进行的数值模拟计算表明：渗漏气体是以活塞式驱动上覆沉积层中的孔隙水向海底排出，水合物稳定带内流体渗漏速度随水流柱高度的减小而增加，当水流阻抗大于相应沉积层段的静岩压力时，沉积层将转变为流沙，流沙沉积被海流移除后便在海底留下凹陷麻坑。麻坑形成后流体运移通道演化为气体通道，气体快速排放。麻坑深度主要取决于游离气层的厚度和水合物封闭层（底界）的深度，而与沉积层的渗透率无关。麻坑深度一定程度上指示了渗漏前水合物层下伏游离气层的资源量。对布莱克海台海底麻坑的深度数值模拟计算表明，形成4 m深的海底麻坑需要至少22 m厚的游离气层。

关键词：天然气水合物；毛细管封闭；游离气渗漏；麻坑；布莱克海台

Numerical Computation and Case Analysis of the Venting Process of Free Gas Beneath Hydrate Layer

Su Zheng1,2,Cao Yuncheng1,2,Wu Nengyou1,2,Lawrence M.Cathles3,Chen Duofu1,2

1.CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology/Guangzhou Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China

2.CAS Guangzhou Centerfor Gas Hydrate Research/CAS Key Laboratory of Renewable Energy and Gas Hydrate/Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China

3.Department of Earth&Atmospheric Sciences,Cornell University,Ithaca,New York 14853-1504,USA

Abstract:A hydrate layer is an ideal capillary seal,beneath which free gas is trapped.Gas overpressure increases as gas accumulates and gas column grows.Capillary seals have the property that they fail completely when gas pressure reaches the point that they are invaded by gas,and thereafter they offer little resistance to gas venting.After the seepage is triggered,the venting gas will push the overlying water upward at increasingly higher velocities as the gas “piston”approaches the seafloor.Numerical model shows that as the water velocity increases,the near surface sediments will become quick at a depth that the resistance of water flow exceeds the hydrostatic pressure of the sediment hosting the water flow.These quick sediments can then be removed by bottom ocean currents,leaving a hollow pockmark on the seafloor.Thereafter,afree gas pathway isformed below the pockmarks and the reservoir gas drains quickly.The pockmark depth is afunction of thickness of free gas column beneath the hydrate and depth of the hydrate seal (bottom of hydrate layer).Interestingly,pockmark depth does not depend on sediment permeability.Pockmark depth implies the resource amount offree gas beneath hydrate layer.The model shows that a 22-m-thick free gas layer at least is needed toform a 4-m-deep pockmark on the rise of Blake ridge.

Key words:gas hydratecapillary sealgas seepagepockrnarksBlake ridge

0 引言

在海洋环境水合物稳定带内孔隙水溶解甲烷浓度超过甲烷水合物形成的溶解度时，溶解甲烷会结晶形成水合物，随着水合物含量的增加，形成水合物层圈闭，并在其之下发育游离气层[1-4]。在特定的条件水合物层之下的游离气沿通道向上渗漏进入海底，并在海底形成麻坑、自生碳酸盐岩、生物群落、气泡羽状体，如俄勒冈外海水合物脊[5]、布莱克海台等[6]、北刚果陆坡[7-8]、挪威外海[9]以及中国南海[10]。虽然水合物层下伏游离气向上渗漏活动在水合物发育区比较普遍，但是水合物层下伏游离气向上渗漏的机制和泄漏过程中的流体动力学特征，及流体渗漏对海底沉积地层的破坏（形成麻坑）过程并不清楚。

水合物层下伏游离气受到水合物层毛细管作用的封闭，随气体聚集和气层厚度增长，水合物下伏游离气的压力持续增加，当气体超压克服毛细管封闭作用后气体渗漏被激发，超压气体推动孔隙水向上排出，在海底形成麻坑，麻坑深度反映了流体的破坏强度和游离气层的超压幅度。因此，本文将应用水合物层毛细管封闭机理和沉积孔隙流体渗漏动力学，研究水合物稳定带之下游离气如何向上突破的动力学过程，建立游离气层压力状态与麻坑深度之间的数值模型，通过海底麻坑特征揭示水合物系统游离气层的演化规律。

1 毛细管封闭及游离气渗漏机理

海底沉积层中存在2种毛细管力封闭作用。第一类毛细管力封闭作用是存在于小型的气藏顶部的毛细管封闭作用，属于低渗透率的气体捕集封闭。封闭层的孔隙度和渗透率较低，而水更倾向存在于较小的孔隙空间，因此封闭层的孔隙空间完全被水占有，而封闭层之下含气层的孔隙度和渗透率相对较高[11]。碎屑沉积物孔隙介质一般为水润湿相，气液界面处的毛细管力阻止天然气进一步向上运移，使气体处于孔隙较大的沉积层段，但当气体压力超过相应孔隙的气体的毛细管进入压力时，超压气体将刺入封闭层的小孔隙，气藏开始排气，并在上覆沉积层中产生气体的渗漏通道。侵入毛细管压力由拉普拉斯方程给出[12]：

南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集

其中：γ为界面张力，取值0.027 N/m[13],rf和rc分别代表小孔隙和大孔隙的有效孔隙半径。

第二类毛细管封闭作用存在于气－液二相共存的沉积孔隙中，气液二相均可流动[14-15]。由于整个沉积体是由沉积颗粒构成的孔隙介质，孔隙水优先占据并被吸附在孔隙的喉道位置，具有小孔径的孔喉部位产生的毛细管力抑制了孔隙腔中气体的流动。此类毛细管封闭条件是孔隙内2种流体共存，且二者均可流动。在渗漏活动初期这种情况出现在气流柱顶部和气柱周围的气－水混合的部位，沉积层中毛细管封闭线的位置随气柱的发育而变迁，这种毛细管封闭作用约束了气流柱的形状和发育，并使气流柱有一个相对平坦的顶部；同时也会形成一个相对稳定的通道直径，这意味着渗漏气柱顶部的气－水界面相对平坦，在理想均质介质中渗漏气体以“活塞”式向上推进。但是当渗漏气柱遇到渗透率在横向上不均匀或不连续（如断层）的沉积介质时会出现分支或扭曲的气体通道。

海洋环境扩散型水合物稳定带与下伏游离气之间属于第一类毛细管力的封闭，在水合物稳定带底部水合物含量最高[3,16]，水合物的形成降低了孔隙介质的有效孔隙度和渗透率，使水合物层的孔隙度低于下伏游离气层的孔隙度，水合物层的有效孔隙半径小于游离气层的有效孔隙半径。亲水性的水合物沉积层内除水合物外的其余孔隙空间被水占据，而下伏沉积体的孔隙空间完全被气体充填，水合物层与游离气层之间就存在一个上覆孔隙水与下伏游离气的界面。因此在水合物层与游离气层界面（大孔隙与小孔隙之间）上产生毛细管力，其方向指向孔隙半径较大的含气层，阻止下伏气体进入上覆含水层（水合物层），抑制气体向上运移。但是当下伏游离气层中的气体压力超过上覆水合物封闭层的毛细管力时，超压气体将刺入水合物封闭层，使水合物层的毛细管封闭作用完全失效或仅剩很小的封闭作用，气体泄漏开始。超压的气体渗漏进入水合物稳定带后，随着气柱的增长气体逐渐侵占原有孔隙水所占的孔隙空间，驱使孔隙水向上排出，并最终泄漏进入海底。水合物稳定带内气柱的增长过程受第二类毛细管封闭作用的控制，使气流柱以“活塞”式增长，而没有出现气流弯曲和分支，这与地球物理资料显示的近于垂直的流体渗漏通道（气囱）特征一致[8-9,17-19]。

图1给出了海洋水合物层下伏游离气渗漏过程。游离气在水合物层底界之下聚集，气层厚度和气体超压逐渐增加（A），当气体压力超过水合物封闭层的毛细管力时，高压气体会在封闭薄弱点或气层最顶端刺穿封闭，使水合物毛细管封闭失效（B）。气流柱在高压作用下向上推进，并驱使上覆沉积孔隙水向外排出。气流柱高度（hg）逐渐增长，而水流柱高度（hw）相应缩短（B到C过程）。如果气压驱动力保持相对恒定，由于岩层对水的黏滞力（或水流阻抗）远大于其对气的黏滞力（或气流阻抗），随水流柱高度hw减小，流体渗漏速度将越来越快，在单位长度水流柱上的压降（等于岩层对水流的黏滞力）随流体速度的增长而增加。在气流接近海底时流体速度明显增强，浅层水流阻抗（即水流对地层的作用力）超过相应沉积体的静岩压力，浅层含水沉积将被流沙化，当流沙化的沉积物被海底底流搬运后，便在海底形成“新鲜的”麻坑，此时麻坑下形成单一的气体运移通道（D）。由于气体黏度远小于水的黏度（约为1/60），气体排放异常迅速，游离气藏中气体会很快排干，流体渗漏通道中的气流逐渐退化（E），孔隙流体压力回归静水压力，孔隙水重新占据水合物封闭层和流体渗漏通道的孔隙空间，在气量通量减小体系温度降低的过程中伴随者水合物的生成（此文中不做详细论述），并因此减小了流体流动速度，少量气体仍可滞留在流体渗漏通道内，在地震记录上显示为气烟囱，水合物层底部的毛细管封闭作用恢复，水合物层之下游离气的聚集过程再次启动（F）。

图1 水合物下伏游离气渗漏概念模型示意图[11]

Z为海底以下深度，h为水合物稳定带厚度（或水合物封闭层深度）。黑色带表示毛细管封闭层，浅灰色表示气体所占据孔隙沉积层。A.气体被封闭在水合物层之下；B.气体刺穿封闭层开始泄漏C.气柱高度增加，推动水流向外排出，水流柱高度相应缩短，流体运移速度不断增加；D.含水流沉积中孔隙压力超过静岩压力，在海底出现麻坑，形成单一的气流通道；E.游离气藏中的天然气被逐渐排空，孔隙超压消失，流体通道中的气流柱逐渐退化；F.气流柱完全消失，在海底留下气烟囱，并有水合物生成，水合物封闭作用恢复，并开始新的气体聚集

2 游离气渗漏过程的数学模型

气体渗漏过程中（图1）气柱和水柱都是在游离气超压的驱动下流动，流体运移的总驱动力等于气体超压（ρw－ρg)gd。气流柱不断增大，并且以同一速度推动渗漏通道内的上覆孔隙水向上流动。假定水合物稳定带为一种均质孔隙介质，渗漏通道内流体（水和气）的渗漏速率相同，孔隙介质内流体渗漏模型可用达西定律描述为

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其中：Δp为流体运移总推动力，是施加在气流柱和水流柱上的压降之和（Δpg＋Δpw），或者是气流阻抗与水流阻抗之和，等于气层底部的超压（ρw－ρg)gd；ρ为流体密度；d为游离气层的厚度；μ为流体黏度；V为流体速度；k为沉积体的渗透率；krg和krw分别为沉积体孔隙气和水的相对渗透率；hg和hw分别为气流柱和水流柱的高度。

假定气流柱中气的饱和度和水流柱中水的饱和度均为1，气和水的相对渗透率为1。由方程（1），流体（气体和水）的运移速度表示为

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在方程（2）中，若 可知流体运移速度随气流柱高度（hg=h-hw）的增长而增加。对方程（2）进行积分得到气柱增长方程：

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利用方程（3）既可以计算渗漏气流柱增长到某一高度所需要的时间，也可以计算某一时间点水合物稳定带内气流柱的高度。

由方程（1）和方程（2）可知，孔隙介质中单位长度流体柱所受阻抗随气流柱高度的增加（或水流柱高度的减小）而增加，也就是说沉积物格架所受流体的反作用力（流体阻抗）逐渐增加，当流体阻抗超过相应沉积体的静岩压力时，相应沉积层将被流体化而成为流沙[20]，渗漏流体速度须满足 。流沙沉积被海流移除后在海底形成麻坑，被流沙化沉积体的底界确定了麻坑深度。用 替换方程（2）中流体速度V，麻坑深度hpm替换水流柱高度hw，即可得到麻坑深度方程：

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方程（4）中，若μw≌60μg、krw≌krg≌1（假定水流柱中水的饱和度和气流柱中气的饱和度近似为1），方程（4）可简化为

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在一定的温压条件下流体密度和黏度为常数[12]。因此，方程（5）中麻坑深度可近似为水合物下伏的游离气层厚度（d）和水合物封闭层深度（h）的函数，与沉积体的渗透率无关。模型计算中所有参数取国际标准单位。

3 模型应用及讨论

美国卡罗莱纳外海的布莱克海台区是典型的水合物发育区，既有完美的BSR显示，又有游离气的渗漏活动及在海底形成的麻坑[6,21-22]。大洋钻探计划（ocean drilling program)1 64航次对布莱克海台进行了钻探取心研究，其中997站位钻至海底之下750 m，穿过了BSR（海底之下450 m），其中180～462 m 层段含水合物，水合物平均饱和度为6％，位于水合物稳定带底部（462 m）的水合物体积分数最高为24%[4]。996站位于布莱克底辟链的最南端，处于997站位西北98 km，最大钻孔深度为63 m，刚好位于麻坑之中，地震剖面显示该区BSR深度为440 m，深部底辟作用使上覆地层变形、形成小型断层，成为有利的流体渗漏通道，在海底发育有深4 m、直径50 m的麻坑，并且正在发生气体渗漏（图2），钻探获得的水合物体积分数高，最高达沉积孔隙的99%[6,21-23]。

驱动流体运移的气体超压取决于游离气层的厚度。如果下伏游离气层厚度达100 m（图1），其总的流体驱动力（等于气体超压）可达到0.8 MPa；如果游离气层厚度为22 m，流体超压驱动力为0.18 MPa（图3最左端A点）。渗漏开始时水流柱高度分数（等于hw/h）为1，总水流阻抗等于气体总超压，整个气流柱高度增加而降低。但是由于水流速度增加，施加在单位长度水流柱上的驱动力和相应的黏滞力增加，水流阻抗逐渐趋近海底相应深度沉积层静岩压力，且在水流柱高度分别小于40 m（对于游离气层厚度为100 m）和4 m（对于游离气层厚度为22 m）时水流阻抗超过沉积介质的质量（图3D点）。该位置以上的沉积物被流沙化[20]，转变成颗粒悬浮的液状混合体，这种流沙化沉积被海流搬运后在海底形成麻坑。利用方程（3）可以计算游离气从水合物稳定带底部渗漏到达海底所需的时间。假定渗漏率为10-12m2时， 100 m厚的游离气层泄漏到海底的时间大约为5 a。

图2 布莱克海台地震反射强度剖面揭示的BSR、底辟构造、海底麻坑及与ODP977站位揭示的BSR深度比较

a.地震反射强度显示布莱克海台水合物发育、气体聚集以及底辟构造顶端的流体渗漏[22]b.为ODP997站位BSR揭示的水合物封闭层深度[21]

图3 渗漏通道中的流体阻抗和含水沉积层的静岩压力曲线交点指示麻坑深度

水合物稳定带中气流柱高度增加（顶部坐标向右），水流柱高度减小（底部坐标向右），水流阻抗和静岩压力随之减小，水流阻抗大于静岩压力时发生流沙破坏，曲线交点位置指示麻坑深度（D点）。布莱克海台100 m的游离气层发生渗漏时在海底可形成40 m深的麻坑，而22 m厚的气层泄漏时可形成4 m深的海底麻坑（最右边灰色阴影）

方程（2）中流体渗漏速率与渗透率成正比，但方程（4）中麻坑深度不依赖于沉积体渗透率，只是水与气体相对渗透率比的函数，而相对渗透率决定于孔隙流体的饱和度[12]，因此沉积体渗透率控制流体渗漏速率，但不控制麻坑形成。实际上，渗透率越大，气体渗漏越快，麻坑形成越快；气体超压在水流柱和气流柱之间的分配不依赖于渗透率，而是决定于气体的超压幅度，以及流体黏度和气流柱高度（或水流柱高度）。

利用方程（5）可以简单计算海底麻坑深度，同时在已知水合物底界（封闭层）深度和麻坑深度，也可以通过方程（5）计算游离气层的厚度。图4显示麻坑深度与游离气层厚度和封闭层深度的关系。在给定封闭层深度，麻坑深度随游离气层厚度的增加而增大，相反较深的沉积层厚度削弱了渗漏流体对麻坑的挖掘作用，水合物封闭层越浅，形成一定深度的麻坑所需的游离气层厚度越小。

图4 水合物封闭层深度和麻坑深度与游离气层厚度的关系

麻坑深度主要决定于游离气层厚度和水合物封闭层埋深，与游离气层厚度呈正比，与水合物层埋深呈反比。如果水合物封闭层深700m，形成4m深的麻坑需要27m的游离气层，如果水合物封闭深度为440 m，则需要22 m的游离气层，如果水合物封闭层深100m，仅需要1l m厚的游离气层

地球物理显示布莱克海台ODP996站位周围的BSR深度为440 m，而在ODP996站位正下方游离气藏气体沿底辟构造上升至大约220 m（图2）处，在沿小断层渗漏至海底，由方程（5）可知麻坑深度与渗透率无关，取决于游离气藏的埋深和游离气层的厚度。对于海底4 m深的麻坑，计算表明在水合物层之下至少需要有22 m厚的游离气层。苏正和陈多福[4]计算了布莱克海台997站位的水合物和游离气体积分数分布，在水合物稳定带底界之下26 m处的气体饱和度为28％，底界之下74 m处气体饱和度为0.2％，其中水合物体积分数分布与同一区域的ODP995站位是相近的[24]。28％的气体饱和度大于气体流动所需20％的饱和度，而底界之下74 m处0.2％的气体饱和度不能流动，也不能传递孔隙气体压力。如果20％的饱和度指示可传递气层的底界，则气层的有效压力传递厚度约为30 m，这与笔者22 m厚的游离气层模型计算结果相近（图5）。实际上，该钻位水合物平均体积分数约为6%[4]，可封闭气层厚度为24 m（三角点所示），接近模型估计的22 m。此外，在水合物稳定带底部的水合物饱和度达24%[4]，其毛细管作用可封闭约33 m的游离气层（菱形点所示），与Flemings等[25]估计的极限破坏厚度29 m相似（虚线所示位置），接近但略小于30 m的参考厚度。然而，在996站位游离气发生泄漏后， 997站位扩散型水合物的体积分数仍在持续增加[26]，水合物层的封闭能力也相应增强，游离气层厚度不断增长，因此，997站位游离气厚度（30 m）大于996站位游离气发生泄漏时的22 m气层厚度是合理的。

图5 布莱克海台的水合物饱和度和所能封闭的游离气层厚度

气层厚度随水合物饱和度增加而增高，水平虚线与气层厚度曲线的交点（29 m）为Flemings等预测的997站位气层的临界水力压裂厚度[25]，圆形点标示约30 m的实际气层厚度，三角形点显示平均饱和度6％的水合物能封闭24m的气层，而饱和度24％的水合物可封闭33 m的游离气层（菱形点）

4 结语

本文构建了水合物层下伏游离气渗漏动力学过程的数学模型，游离气被水合物层的毛细管作用所圈闭，下伏游离气的超压随游离气层的增长而增加；当气体超压超过作用于水合物与游离气层界面的毛细管阻力时，游离气渗漏进入上覆水合物稳定带，并以“活塞式”驱动上覆孔隙水向外排出，渗漏速度随水流柱高度的减小而增加；当水流阻抗超过相应层段的静岩压力时沉积体变为流沙，流沙沉积被海流带走便在海底留下麻坑。模型显示麻坑深度为游离气层厚度和水合物封闭层埋深的函数，而与沉积介质的渗透率无关。游离气渗漏形成的海底麻坑对水合物下伏游离气层的厚度具有指示作用，在已知水合物封闭层深度和海底麻坑深度条件下，模型可以计算水合物层下伏游离气藏发生渗漏时的气层厚度，在布莱克海台海底发育有4 m深的麻坑，它的形成需要至少22 m厚的游离气层。

致谢：挪威国家石油公司Martin Hovland教授提供了全球麻坑基础资料和最新信息，表示感谢。

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