天然气水合物

天然气水合物开发现状及研究进展

天然气水合物（NGH），也称气体水合物，是由天然气与水分子在高压（＞10MPa）和低温（0～10℃）条件下合成的一种固态结晶物质。因天然气水合物中80%～90%的成分是甲烷，故也称甲烷水合物。天然气水合物多呈白色或浅灰色晶体，外貌类似冰雪，可以象酒精块一样被点燃，所以，也有人叫它“可燃冰”。

一、天然气水合物的形成条件及分布

天然气水合物的形成有三个基本条件，缺一不可。首先温度不能太高；第二压力要足够大，但不需太大；0℃时，30个大气压以上就可生成；第三，地底要有气源。天然气水合物受其特殊的性质和形成时所需条件的限制，只分布于特定的地理位置和地质构造单元内。一般来说，除在高纬度地区出现的与永久冻土带相关的天然气水合物之外，在海底发现的天然气水合物通常存在于水深300～500m以下(由温度决定)，主要附存于陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩中，也可以散布于洋底以颗粒状出现。这些地点的压力和温度条件使天然气水合物的结构保持稳定。

深海钻探发现，天然气水合物以冰状或更多地以水合物胶结的火山灰和细砂产出,其时代为晚中新世—晚上新世。天然气水合物与火山灰或火山砂共存,暗示了其形成与火山喷发有某种联系。天然气水合物形成于低温高压条件下,分布限于极地地区,深海地区及深水湖泊中。在极地地区天然气水合物通常与大陆和大陆架上的永冻沉积物有关；在海洋里，天然气水合物主要分布于外大陆边缘和洋岛的周围，

水深超过大约300 m。天然气水合物的稳定温度为1～21.1℃,分布的最大下限深度不超过海底下2000m[2]。深海钻探已经表明天然气水合物既可以产于被动大陆边缘,也可产于活动大陆边缘。但大多数天然气水合物样品来自于活动边缘[2]。

据估计，陆地上20.7%和大洋底90%的地区，具有形成天然气水合物的有利条件。绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，其资源量是陆地上的100倍以上。在标准状况下，一单位体积的天然气水合物分解可产生164单位体积的甲烷气体，因而是一种重要的潜在未来资源。

二、天然气水合物的调查和研究意义

天然气水合物研究是当代地球科学和能源工业发展的一大热点。该研究涉及到新一代能源的探查开发、温室效应、全球碳循环和气候变化、古海洋、海洋地质灾害、天然气运输、油气管道堵塞、船艇能源更新和军事防御等，并有可能对地质学、环境科学和能源工业的发展产生深刻的影响。作为一种洁净的新能源，天然气水合物具有以下优势：

1．埋藏浅。与常规石油和天然气比较，天然气水合物矿藏埋藏较浅，有利于商业开发。在深海，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厚数百米（500～800米）的沉积层中；在加拿大西北Mackenzie三角洲永冻土带，水合物矿藏赋存于810.1～1102.3米处，含天然气水合物地层厚111米。

2．规模大。天然气水合物矿层一般厚数十厘米至数百米，分布面积数万到数十万平方公里，单个海域水合物中天然气的资源量可达数万至数百万亿立方米，规模之大，是其它常规天然气气藏无法比拟的。按保守估计，“全世界的天然气水合物形式存在的碳的总量是地球上已知化石燃料（包括煤）中碳含量的2倍”，“谁掌握天然气水合物的开采技术，谁就可以执21世纪世界能源之牛耳。”

3．能量密度高。天然气水合物的能量密度极高。在标准状态下，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。这样的能量密度是常规天然气的2～5倍，是煤的10倍。

4．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。

天然气水合物的生成和分解都有可能产生灾害。主要有以下三种灾害：

1.油气管道堵塞。在高纬度永冻土带及极地地区，水合物的生成可以堵塞诸如油井、油气管道等油气生产设施，从而构成灾害。

2.海底滑坡。在海底，天然气水合物是极其脆弱的，轻微的温度增加或压力释放都有可能使它失稳而产生分解，从而影响海底沉积物的稳定性，甚至导致海底滑坡。相比而言，水合物稳定带是刚性层，之下是饱和气、水的沉积物塑性层。由于游离天然气聚集于水合物稳定带的底界面，此处形成的压力可能超过孔隙压，使之成为一个脆弱

的剪切带。一旦某种因素（如海平面下降、海底构造活动、海底热流值增高、钻井或采气不当）引起海底压力降低或温度上升，水合物稳定带底界面的水合物将有可能首先分解成天然气和水。其结果是：底界面处沉积物出现液化，气压不断增大，最终使上部的沉积层失稳而产生滑坡。如果巨厚的水合物沉积层滑坡进深海里，水合物可能因压力释放而溶解。

3.海水毒化。一旦海底天然气水合物因突发因素而失稳分解，大量的甲烷气体将进入海水，结果是海水被还原，造成缺氧环境，进而引起海洋生物大量死亡，甚至导致生物绝灭事件发生。

三、中国开发利用天然气水合物的可能性

解决我国21世纪能源需求的问题显得越来越紧迫。开发利用新的清洁能源，降低能源使用与技术发展对环境造成的负面影响，是解决本世纪能源问题的主要出路。在我国能源发展战略中，高效、清洁的天然气水合物应成为重要的后续能源。

1．天然气水合物的资源量特别巨大，资源开发技术较为现实、可行，国际上预测21世纪中期可投入商业生产，并逐渐在能源结构中占据重要地位。我国具有良好的天然气水合物蕴藏潜力，东海的冲绳海槽边坡，以及南海的北部陆坡、西沙海槽和西沙群岛南坡等都可能是有希望的储存区，我国西藏高原终年积雪的羌塘地区也有发现。

2．天然气水合物的勘探、生产可与常规油气的勘探生产同时进行，因为天然气水合物矿藏常伴有下伏的游离气，勘探常规油气时可兼探天然气水合物，使水合物开发成为常规油气勘探生产的一种“副

产品”，降低生产成本，实现经济合理的商业生产。

3．随着石油、天然气的开发和利用，天然气的开采、运输与终端利用技术业已成熟，以天然气为最终利用形式的天然气水合物，可充分继承利用现有的油气开采、运输与终端利用技术和装备等，在现有工业布局的基础上，无须进行重大的工程改造和投资，便可实现能源的平稳过渡与接替，而且也不会产生新的环保问题。

4．天然气水合物主要分布于我国东部海域，利于改变我国能源分布不均的格局。当前，我国的常规天然气资源大多分布于中西部地区，东部沿海地区则相对缺乏。虽“西气东输”实现后，矛盾可得到一定程度的缓解，但从长远考虑仍存在后备资源的问题。天然气水合物资源的开发利用将有利于缓解东部沿海地区天然气后备资源不足的局面，改变我国能源分布不均的格局。

作为能源消费大国，我国高度重视对天然气水合物开采技术的研究，将天然气水合物列入国家能源发展战略的重大课题，已启动了8.2亿元的研究资金。中国石油大学成立天然气水合物研究中心，获得了国家“863”项目“天然气水合物成藏条件实验模拟技术”的主持权。中国石油大学仪器仪表研究所与中科院广州能源研究所、黑龙江科技学院等单位合作，连续研发了天然气水合物生成与开发模拟实验技术和多套相关仪器设备系统，包括一维长管开采模拟实验系统，二维平板开采模拟实验系统，三维开采模拟实验系统，天然气低温储存和输送实验系统，以及多孔介质中NGH热动力学模拟实验装置等。

应用该模拟实验技术与设备，在实验室反应釜内高压低温条件