天然气水化合物前沿研究(文献综述)

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学号1224150173

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论文

文献综述

2013 年 12月 22日

天然气水化合物前沿研究

摘要：天然气水合物又称“可燃冰”是公认的 21 世纪替代能源和清洁能源，开发利用潜力巨大。越来越多的科学家相信，未来洁净能源的最大一部分也许就藏在海底或高纬度永冻区。由于它的开发可能带来许多不可预测的风险，所以前期调查工作更为重要。可燃冰开采过程中存在难点问题，减压法和综合法是现有水合物开采技术中经济前景比较好的开采技术。

关键词天然气水合物；现状；趋势；问题

一、概述

现在地球能源危机成为大家遇到巨大困难之一，能源的争夺成为引发国家之间战争的重要因素。于是可燃冰作为一类非常规天然气资源，它的开采利用就显得十分重要。天然气水合物的定义：小分子气体（如甲烷至丁烷，氮，氧，二氧化碳，硫化氢等）和水在适当温度和压力下接触后形成的以甲烷为主（>90%）的笼状水合物，又叫“可燃冰”或“甲烷水合物”。[1-2-3]据估算全球的天然气水合物的储量约为2×1016m3成为剩余天然气储量的136倍。世界上天然气水合物所含的有机碳的总量，相当于全球已知煤、石油和天然气总量的2倍。而且分布状况很均匀，几乎遍布全球的各大洲。其主要成分是甲烷，燃烧后几乎没有污染，是一种绿色的新型清洁能源。根据我国海洋地质调查部门的调查，发现南海北部具有良好的可燃冰资源前景，并将南海可燃冰富集规律与开采基础研究纳入了 973计划，标志着中国对替代能源可燃冰重大基础研究已全面展开。目前，对可燃冰的研究发展已经引起了各国政府和能源专家的广泛关注。

二、天然气水化合物

天然气水合物，主要成分是甲烷与水分子，是由天然气与水在高压低温条件下结晶形成的具有笼状结构的似冰状结晶化合物，气体分子多以甲烷为主 ( ＞90%)，所以也被称为甲烷水合物 (Methane Hydrates)。天然气水合物与天然气的成分相近似，且更为、纯净。简单地说，天然气水合物就是天然气(甲烷类，是细菌分解有机物和原油热解时所产生的)被包进水分子中，在海底低温和很高压力下形成的一种冰状的固态晶体。纯净的天然气水合物呈白色，形似冰雪，可以像固体酒精一样直接被点燃，因此，又被形象地称为“可燃冰”。具体地来

说，其结构就是若干个水分子一般通过氢键合成为多面体笼子，每一个笼子中包含有一个客体的天然气分子，还可以是二氧化碳、氮气、硫化氢等小分子气体，它们被统称为气水化合物。其形成有两条途径: 一是气候寒冷致使矿层温度下降，加上地层的高压力，使原来分散在地壳中的碳氢化合物与地壳中的水形成气—水结合的矿层; 二是由于海洋里大量的生物和微生物死亡后留下的遗尸不断沉积到海底，并分解成甲烷、乙烷等有机气体，有机气体钻进海底结构疏松的沉积岩微孔，与水形成笼状包合物，是在独特的低温、高压条件下形成的一个甲烷分子周围若干个水分子固态凝聚物，其分子结构复杂。其化学成分不稳定，可用M H20 表示，M 表示水合物中的气体分子， n 为水分子数。[4-5-6]

三、天然存量、分布、利用前景

目前，全球天然气水合物分布明显呈现受地理格局控制的特点。主要存在于世界范围内的沟盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘，尤其是与泥火山、热水活动、盐泥底辟及大型断裂构造有关的深海盆地中; 另外还包括扩张盆地和北极地区的永久冻土区，大西洋的 85%、太平洋的95% 和印度洋的 96% 的地区中也含有天然气水合物，并且主要分布于海平面下 200 ～ 600 m 的深度内。目前，世界上有 79 个国家和地区都发现了天然气水合物气藏。各国科学家对全球天然气水合物资源量较为一致的评价为 2 × 1016m3，是剩余天然气储量 (156 ×1014m3) 的 128 倍。[7]据第 28 届国际地质大会提供的资料显示，海底有大量存在的天然气水合物，可满足人类 1 000 年的能源需要。同时，我国对可燃冰的重大基础研究也已全面展开，主要分布在南海海域、东海海域、青藏高原冻土带以及东北冻土带。仅南海北部陆坡的可燃冰资源量就达 185 亿 t 油当量，相当于南海深水勘探已探明的油气地质储备的 6 倍。并且已经在南海部神狐海域获取了天然气水合物的岩心样品，从而成为继美国、日本、印度之后第 4 个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。[8]

四、可燃冰与地质、气候、全球变暖

甲烷是一种很强的温室气体，尽管它在大气中的生命周期大约12年，但20年后所产生全球暖化潜势GWP值可达62甚至100年后仍有21的数值。在甲烷包合物矿床内，大量的天然气从中瞬间释放的现象，有科学家们假设这会导致像过去和未来可能发生的气候变化。与此现象相关的事件有二叠纪-三叠纪灭绝事件，以及古新世-始新世交替时期最大热量。

天然气水合物还可能导致沉积物物理性质(如剪切强度和流变性等 )、地球物理性质(如震波速和电导性)以及地球化学性质如孔隙流体成分的明显变化。物理性质的进一步变化可能引起海底滑塌和产生“温室效应”气体的排放。甲烷是温室气体，对大气的暖化威力比二氧化碳强23倍，在人类活动中会产生，尤其在畜牧业的生产过程中，会大量增加。甲烷同时是一种极易燃的气体。全世界蕴藏着巨量的甲烷，其主要分布在西伯利亚沼泽（约有近8百亿吨）、南北极冰原（约蕴藏5千亿吨）及海底中（约有2.5~10兆吨）。只要释放十分之一，就可毒害全人类及生物。自然界中常以甲烷水合物状态存在于海洋浅水生态圈中。在海洋里，以高压及18°C的温度下，能维持稳定存在。

全球暖化，会促使南北极永冻土及北半球湿地中的甲烷大量逸出。挪威大气研究所在北极齐柏林监测站获得的初步数据表明，大气中的甲烷含量继2007年增加了0.6%之后，2008年再度增长0.6%。

西伯利亚或者加拿大等地的永久冻结带一旦解冻，因甲烷本身就是温室气体，将促使全球暖化加速，造成恶性循环。科学家们发现，有数以百万吨计的甲烷气体，正从北极冰床底部及西伯利亚的永冻层中释放到大气中。在6亿3千5百万年前，就是因为大量的甲烷从冰层和海洋释放到大气中，导致严重的暖化和物种灭绝，并造成超过10万年的混乱气候。[9]

五、勘探、开采、运输

主要勘探方法有地球物理法、地球化学法、标型矿物法和自生沉积矿物学法等，采用多学科综合勘探是天然气水合物勘探的发展方向。

主要开采方法有加热法、减压法、添加化学物质法和CO2置换法、综合法等。

[10]

由于甲烷包合物比液化天然气还能够在较高的温度下（−20 vs −162 °C）保持稳定，因此有些人想到，也许借由航运船只（专门运送的液态瓦斯运输船）运送时，可以将天然气转换成包合物态而不是液态。而且依此方式，由天然气制造天然气水合物并不用像制造液态天然气那样需要在末端建置大型工厂。

许多国家正在组织力量对天然气水合物资源进行勘探，加紧研究天然气水合物的形成条件、组成、结构类型、赋存状态、展布规律，以及开采方法和解决运输、使用间题。但是，与石油、天然气相比，开发海底下的天然气水