天然气水合物

 天然气水合物（Natural Gas Hydrate），是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等）下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物，因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”、“固体瓦斯”、“气冰”。天然气水合物中的主要气体成分为甲烷，对甲烷分子含量超过99％的天然气水合物通常称为甲烷水合物。目前自然界发现的天然气水合物主要有层状、针状晶体、亚等晶轴状，颜色有琥珀色、淡黄色、白色、暗褐色等。

 天然气水合物是一种具有商业开发前景的重要战略资源，其有三大“优点”：①埋藏浅。深海中，天然气水合物矿藏赋存于海底以下 0～1500米的沉积层中，而且多数赋存于自表层向下数百米（500～800米）的沉积层中；陆上，天然气水合物矿藏一般距地表约200～2000m深处。②能量密度高。在标准状态下，天然气水合物分解后气体体积与水体积之比为164:1，也就是说，一个单位体积的水合物分解至少可释放160个单位体积的甲烷气体，其能量密度是常规天然气的2～5倍，是煤的10倍。③洁净。天然气水合物分解释放后的天然气主要是甲烷，它比常规天然气含有更少的杂质，燃烧后几乎不产生环境污染物质，因而是未来理想的洁净能源。

 天然气水合物广泛存在。在许多天体（如天王星、土星以及哈雷等慧星头部）及其卫星都存在天然气水合物。在地球上大约有27%的陆地是可以形成天然气水合物的潜在地区，而在世界大洋水域中约有90%的面积也属这样的潜在区域。陆地上的天然气水合物主要分布于高纬度极地永久冻土带之下，或者大陆边缘的斜坡和隆起处，例如在格陵兰和南极地带巨厚的冰川盖层之下、以及西西伯利亚和加拿大马更些三角地永久冻土带之下。海洋中天然气水合物主要赋存于陆坡、岛坡和盆地的上表层沉积物或沉积岩中。目前，世界上一百多个国家已发现了其存在的实物样品和存在标志，其中海洋78处，永久冻土带38处，已发现的天然气水合物矿藏主要分布在美国和加拿大沿海地区、危地马拉海岸、俄罗斯东部、日本海域、印度洋、中国南海等地区。

 由于采用的标准不同，不同机构对全世界天然气水合物储量的估计值差别很大。乐观的估计，1986年A.A.特罗菲姆克认为天然气水合物资源量为全球化石燃料（石油、天然气、煤炭）资源量2倍， 约为10¹⁶～10¹⁸m³，且绝大多数分布在海洋中。目前，最新的估算要比A.A.特罗菲姆克（1986年）的估算减少很多，其资源量仍然相当于目前全世界油气总资源量，但仍然相当巨大。即使其经济可采储量只有总资源量的1%～2%，也将成为一种巨大的能源来源。美国海域天然气水合物资源量约有5663亿立方米，其蕴藏的天然气资源量约有92万亿立方米，可以满足美国未来数百年的需要。

 我国天然气水合物也很丰富。中国的东海海域、南海海域和青藏高原也具有天然气水合物分布的广阔前景。据测算，我国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当我国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。据国土资源部专家估计，我国陆域“可燃冰”远景资源量至少有350亿吨油当量，可供中国使用近90年，而青海省的储量约占其中的1/4。

 人类认识和研究天然气水合物已经有200年的历史。从1810年英国Davy在实验室首次发现气水合物和1888年Villard人工合成甲烷水合物后，人类没有停止过对气水合物的研究和探索。200年来，全世界对天然气水合物的研究大致经历了3个阶段。第一阶段是从1810年到20世纪30年代初，对气水合物的研究仅停留在实验室且争议颇多。第二阶段是20世纪30年代初到20世纪60年代，研究主题是工业条件下水合物的预报和清除、水合物生成阻化剂的研究和应用。第三个阶段是从20世纪60年代至今，把天然气水合物作为一种能源进行全面研究和实践开发。20世纪70年代以后，通过国际合作的大洋钻探计划（ODP），美国、加拿大、日本、俄罗斯和德国在天然气水合物研究和商业利用方面走在了世界前列。其中，日本已成为天然气水合物产业研究最为激进的国家。1994年，日本成立了甲烷天然气水合物开发促进委员会，提出了多项开发利用天然气水合物的国家计划，日本更确立了较美国提前五年至2010年即实现天然气水合物海域商业性开发的具体时间表。

 目前天然气水合物的开发方法主要有以下5种：

 （1）热激发开采法。该方法是直接对天然气水合物层进行加热，使天然气水合物层的温度超过其平衡温度，从而促使天然气水合物分解为水与天然气。这种方法经历了直接向天然气水合物层中注入热流体加热、火驱法加热、钻柱加热器加热、井下电磁加热以及微波加热等发展历程。热激发开采法可实现循环注热，且作用方式较快。但该方法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题，且只能进行局部加热，因此该方法尚有待进一步完善。

 （2） 化学试剂注入开采法。该方法通过向天然气水合物层中注入某些化学试剂（如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等）破坏天然气水合物藏的相平衡条件，促使天然气水合物分解。这种方法虽然可降低初期能量输入，但它所需的化学试剂费用昂贵，对天然气水合物层的作用缓慢，而且还会带来一些环境问题，目前已研究较少。

 （3） 减压开采法。该方法是一种通过降低压力促使天然气水合物分解的开采方法。减压途径主要有两种：①采用低密度泥浆钻井达到减压目的；②当天然气水合物层下方 存在游离气或其他流体时，通过泵出天然气水合物层下方的游离气或其他流体来降低天然气水合物层的压力。减压开采法不需要连续激发，成本较低，适合大面积开采，尤其适用于存在下伏游离气层的天然气水合物藏的开采。但该技术仅适用位于温压平衡边界附近的天然气水合物藏。

 （4）CO₂置换开采法。在一定的温度条件下，天然气水合物保持稳定需要的压力比CO₂水合物更高。因此在某一特定的压力范围内，天然气水合物会分解，而CO₂水合物则易于形成并保持稳定。如果此时向天然气水合物藏内注入CO₂气体，CO₂气体就可能与天然气水合物分解出的水生成CO₂水合物。这种作用释放出的热量可使天然气水合物的分解反应得以持续地进行下去。这种方法目前尚未成熟。

 （5） 固体开采法。固体开采法最初是直接采集海底固态天然气水合物，将天然气水合物拖至浅水区进行控制性分解。这种方法进而演化为混合开采法或称矿泥浆开采法。该方法的具体步骤是，首先促使天然气水合物在原地分解为气液混合相，采集混有气、液、固体水合物的混合泥浆，然后将这种混合泥浆导入海面作业船或生产平台进行处理，促使天然气水合物彻底分解，从而获取天然气。

 至今世界上已在3个地区进行了天然气水合物试采研究，包括前苏联西西伯利亚的麦索亚哈气田、美国阿拉斯加北部斜坡区以及加拿大西北部麦肯齐三角洲地区。麦索亚哈气田，是全球第一个也是迄今为止唯一对天然气水合物藏进行了商业性开采的气田。该气田发现于20世纪60年代末，位于前苏联西西伯利亚西北部，常年冻土层厚度大于500m，具有天然气水合物赋存的有利条件。该气田为常规气田，气田中的天然气透过盖层发生运移，在气田上方形成了天然气水合物层。通过开采天然气水合物藏之下的常规天然气，致使天然气水合物层压力降低，天然气水合物发生分解。后来，为了促使天然气水合物的进一步分解，维持产气量，特意向天然气水合物藏中注入了甲醇 和氯化钙等化学抑制剂。至目前，该气田仍在开发，其中累计产气量的一半以上是天然气水合物分解的产物。麦索亚哈气田天然气水合物藏的发现与开采，使人们首次认识到天然气水合物可成为一种天然能源，从此拉开了天然气水合物作为能源研究的序幕。

 麦索亚哈气田的成功开采，是由该气田天然气水合物藏的特殊性质所决定的。麦肯齐地区天然气水合物试采研究项目虽然成功地从天然气水合物层中采出了天然气，但远没有证明其天然气水合物开采的可持续性、最终产气量以及经济可行性。阿拉斯加北部斜坡区的开采试验更是因没有发现天然气水合物层而以失败告终。因此，天然气水合物的开采目前还只处于实验与探讨阶段。对天然气水合物藏进行大规模商业开采，还有待于开采理论的进一步完善与开采技术的提高。

 天然气水合物在资源方面显得非常重要，但是天然气水合物的开发与利用也会给人类带来了一系列的环境问题。

 （1）温室效应。天然气水合物与温室效应有着密切联系。甲烷的温室效应比CO₂要大21倍，虽然目前大气中的甲烷的总量仅为大气中二氧化碳总量的5‰，但甲烷对温室效应的贡献占到15%。甲烷的温室效应是全球气候变暖的重要原因之一。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，极地温度、海水温度和地层温度也将随之升高，这会引起极地永久冻土带之下或海底的天然气水合物自动分解，大气的温室效应会进一步加剧。

 （2）海底滑坡。海底滑坡通常认为是由地震、火山喷发、风暴波和沉积物快速堆积等事件或因坡体过度倾斜而引起的。然而，近年来研究者不断发现，因海底天然气水合物分解而导致斜坡稳定性降低是海底滑坡产生的另一个重要原因。

 （3）海洋生态环境的破坏。如果在开采过中向海洋排放大量甲烷气体将会破坏海洋中的生态平衡。在海水中甲烷气体常常发生下列化学反应：①CH₄+2O₂ = CO₂+2H₂O；②CaCO₃ + CO₂+ H₂O = Ca(HCO₃)₂。这些化学反应会使海水中O₂含量降低，一些喜氧生物群落会萎缩，甚至出现物种灭绝；另一方面会使海水中的CO₂含量增加，造成生物礁退化，海洋生态平衡遭到破坏。

 在没有解决开发天然气水合物对自然界环境的影响问题之前，天然气水合物还不能像常规一次性矿产资源那样大量开采。随着常规能源的日益减少和科学技术的发展，天然气水合作为庞大的能源储备在人类社会的发展过程中必将发挥重要的作用。

 对于天然气水合物的研究，中国是一个后来者，但已受到国家和社会的重视，天然气水合物开采的研究力度不断加大。1998年4月我国正式以六分之一成员国身份加入了国际大洋钻探计划。2004年中国科学院组建了一个直属天然气水合物专业研究单位——中国科学院广州天然气水合物研究中心。国务院于2006年1月先后颁发的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》和《国务院关于加强地质工作的决定》，前者将天然气水合物开发技术列为22项前沿技术之一，后者也将天然气水合物等非常规能源资源的调查评价和勘查列为地质工作的主要任务。2007年5月我国在南海北部的首次采样成功，证实了我国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源，标志着我国天然气水合物调查研究水平已步入世界先进行列。2009年，我国地质工作者在青海省成功钻获“可燃冰”样品，我国成为世界上第一个在中低纬度冻土区发现“可燃冰”的国家。   

 目前，我国不仅取得了天然气水合物实物样品，而且在技术装备方面，通过国家“863”计划“天然气水合物探测技术”等课题的研究，在天然气水合物地震采集技术、地震识别处理技术、船载地球化学探测系统和保真取心钻具等方面取得了显著进展，初步形成了适合中国海域特点的天然气水合物探测技术系列。