天然气水合物形成条件和影响因素研究进展

天然气水合物形成条件及影响因素研究进展

陈德栋

（荆楚理工学院化工与药学院，湖北荆门 448000）

摘要：目前能源资源的开发和利用变得日益重要，世界各国加大力度对天然气水合物的研究和探索。本文综述了温度、压强、气体成分和含量及其他因素对天然气水合物的形成和影响。

关键词：天然气水合物；能源开发；形成条件；影响因素；综述

The research progress of Natural gas hydrate formation

conditions and influencing factors

CHEN De-dong

(The college of chemical engineering and pharmacy Jingchu university of technology ,Hubei

province Jingmen city 448000,China )

Abstract: At present, it have become extraordinary significant to exploit and utilize of the new energy resource. All the countries in the world spare no effort to explore as well research about natural gas hydrate. The article summarize the factors, including temperature、pressure、the contend and constituent of the gas and other factors, which are connected to the influence and formation of natural gas hydrate.

Keyword：Natural gas hydrate，energy resource exploitation，formation Conditions，influence factor，summarization

天然气水合物 ,也称为气体笼形化合物 ,是天然产出的包裹天然气分子的刚性固体物质 ,笼形结构由氢键连接的水分子组成［1］。石油资源是不可再生资源，世界上的煤炭存储量也有限，燃烧石油和天然气会造成环境的污染，而地球上的天然气水合物的含量巨大。据估计 ,目前世界海域内有 60 余处直接或间接发现了天然气水合物，在单个海域天然气水合物的资源量就可达数万至几百万亿立方米。为了经济的可持续发展和环境的保护，所以对天

然气水合物的研究具有非常重要的意义。

1天然气水合物的形成条件

天然气水合物的形成 , 主要受3个因素的控制 ,即温度、压力、气体成分与含量。天然气水合物一般需要在低温高压的条件下形成，而且在低温或高压的条件下会比较稳定。在大陆极地冻土带条件下 , 地面温度低于 0 ℃, 甲烷水合物稳定区的地层深度必须 > 150 m。而在大洋沉积物中 ,底层海水温度为 0 ℃时 ,甲烷水合物的稳定区必须在> 300 m 的水深处［2］。在相同温度条件下，沉积物中天然气水合物的平衡压力要高于纯水中的情况，而相同压力条件下温度要低于纯水情况。冰点以上，随着温度的升高，不同空隙分布的沉积物介质中甲烷水合物相界之间的差距逐渐增大，它所代表的是平衡压力的变化幅度在在增大.随着温度降低，至冰点以下，甲烷水合物的相界将趋于统一［3］。

天然气水合物的成因类型取决于构成天然气水合物的天然气的成因类［4］。而天然气水合物的烃类气体主要有两种成因: 微生物成因和热成因, 少数地区天然气水合物包含了两种成因的烃类气体［5］。天然气水合物的成藏需具备 4 个基本条件［6,7］： 1.充足的天然气和水, 天然气的来源包括无机成因和有机成因的气体如甲烷、乙烷、丙烷、CO2、H2S 等; 2.足够低的温度, 一般温度低于10 ℃ ; 3.较高的压力, 一般压力要求大10 mPa; 4.有利的储集空间, 包括孔、洞、缝。但是在自然界中, 水合物常常作为其下游离气体的盖层, 例如俄罗斯的麦索亚哈水合物气田, 水合物层和游离气层共同成藏。

另外，也可以采用 Chen-Guo模型计算天然气水合物生成条件 ,该模型是一个完全不同于传统的 van der Waals-Platteeuw模型的水合物理论模型 , 是基于一种新的水合物生成机理建立起来的水合物相平衡条件预测模型［8］.

2 天然气水合物影响因素

天然气水合物总是包含在多孔沉积物中，天然气水合物的形成条件受到多因素的制约，如沉积物的粒径与孔径、多孔介质中孔隙水量、孔隙水中离子成分和含量等[9]。小孔径的多孔介质对天然气水合物的形成具有抑制作用大，孔径中天然气水合物的形成压力与纯水中水合物的形成压力差别不大。孔隙水及其特性是影响水合物形成的一个重要因素。天然气水合物的形成压力随着水的活度的降低而升高。

3天然气水合物的开发技术

目前在天然气水合物的开发技术方面仍处于探索研发阶段，一般来说，人为地打破天然气水合物稳定存在的温度压力条件，使其分解，是目前开发天然气水合物中甲烷资源的主要方法[10]。

3.1降压法

降压法是通过降低压力打破天然气水合物稳定存在的条件，促使其分解。一般是通过降低天然气水合物层之下的游离气聚集层压力，从而使与游离气接触的天然气水合物变得不稳定而分解形成天然气和水。

3.2热激发法

热激发法是采用钻探技术在天然气水合物稳定层中安装管道，对含天然气水合物的地层进行加热，提高局部储层温度，破坏天然气水合物中的氢键，从而使其分解，再用管道收集析出的天然气。

3.3抑制剂法

通过注入抑制剂，使得部分天然气水合物分解，改变天然气水合物稳定层的温压条件，使该层位的天然气水合物不再稳定。该方法简单且操作方便，但不足之处在于费用高，作用缓慢，不利于海洋天然气水合物的开采

4 结束语及展望

人类对能源资源的探索和研究没有停止过，当然也加大了力度研究天然气水合物。天然气水合物蕴藏量丰富分布广泛，且充分燃烧后基本只产生二氧化碳和水，对大气几乎没有污染，利于环境的保护。天然气不仅能燃烧提供热量，还能通过化学反应生成其他化工产品，具有巨大的潜在的经济效益。能将海底蕴藏的天然气水合物充分的利用，利于环境的保护和经济的可持续发展。

目前世界上开采天然气水合物的能力和科技水平还不足。我认为开采天然气水合物还需要综合考虑众多的因素。比如，天然气从海洋或者冻土层下挖掘出来，温度压力的改变均会使它变得不稳定，容易发生泄漏，一旦发生泄漏就可能造成海洋环境的不稳定，从而引发海底地质灾害 ,如海底滑坡和泥石流等，而且会造成海洋生态系统破坏，甚至引发海底地震，带来海啸；如果天然气大量散发到空气中，会造成温室效应。

对于中国在研究天然气水合物而言，无论是在理论方面上，还是技术装备方面上,都取得了显著进展, 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[11]。在开采技术方面 ,传统的热激发开采法与减压开采法得到了不断完善 ,一些新的开采思路如CO2置换