天然气水合物的研究与开发

【摘要】人类的生存发展离不开能源。当人类学会使用第一个火种时便开始了能源应用的漫长历史。几千年来，人类所使用的能源已经历了三代，正在向第四代能源时代迈进。主体能源的更替充分反映出人类社会和经济的进步与发展。第一代能源为生物质材，以薪柴为代表；第二代能源以煤为代表；第三代能源则是石油、天然气和部分核裂变能源。实际上，第二代和第三代能源是以化石燃料为主体，第四代能源的构成将可能是核聚变能、氢能和天然气水合物。

一、天然气水合物是人类未来能源的希望

人类的生存发展离不开能源。当人类学会使用第一个火种时便开始了能源应用的漫长历史。几千年来，人类所使用的能源已经历了三代，正在向第四代能源时代迈进。主体能源的更替充分反映出人类社会和经济的进步与发展。第一代能源为生物质材，以薪柴为代表；第二代能源以煤为代表；第三代能源则是石油、天然气和部分核裂变能源。实际上，第二代和第三代能源是以化石燃料为主体，第四代能源的构成将可能是核聚变能、氢能和天然气水合物。

核聚变能主要寄希望于3He，它的资源量虽然在地球上有限（10~15t），但在月球的月壤中却极为丰富（100-500万t）。氢能是清洁、高效的理想能源，燃烧耐仅产生水（H2O），并可再生，氢能主要的载体是水，水体占据着地球表面的2/3以上，蕴藏量大。天然气水合物的主要成分是甲烷（C4H）和水，甲烷气燃烧十分干净，为清洁的绿色能源，其资源量特别巨大，开发技术较为现实，有可能成为21世纪的主体能源，是人类第四代能撅的最佳候选。

天然气水合物（gas hydrate）是一种白色固体结晶物质，外形像冰，有极强的燃烧力，可作为上等能源，俗称为"可燃冰"。天然气水合物由水分子和燃气分子构戚，外层是水分子格架，核心是燃气分子（图1）。燃气分子可以是低烃分子、二氧化碳或硫化氢，但绝大多数是低烃类的甲烷分子（C4H），所以天然气水合物往往称之为甲烷水合物（methane hydrate）。据理论计算，1ｍ3的天然气水合物可释放出164ｍ3的甲烷气和0.8ｍ3的水。这种固体水合物只能存在于一定的温度和压力条件下，一般它要求温度低于0~10℃，压力高于10MPa，一旦温度升高或压力降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。

天然气水合物往往分布于深水的海底沉积物中或寒冷的永冻±中。埋藏在海底沉积物中的天然气水合物要求该处海底的水深大于300-500ｍ，依赖巨厚水层的压力来维持其固体状态。但它只可存在于海底之下500ｍ或1000ｍ的范围以内，再往深处则由于地热升温其固体状态易遭破坏。储藏在寒冷永冻土中的天然气水合物大多分布在四季冰封的极圈范围以内。煤、石油以及与石油有关的天然气（高烃天然气）等含碳能源是地质时代生物遗体演变而成的，因此被称为化石燃料。从含碳量估算，全球天然气水合物中的含碳总量大约是地球上全部化石燃料的两倍。因此，据最保守的统计，全世界海底天然气水合物中贮存的甲烷总量约为1.8×108亿ｍ3，约合11万亿t（11×1012t）。数冀如此巨大的矿物能源是人类未来动力的希望。

二、天然气冰合物的研究现状

1.分布与环境效应

世界上绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，储存在深水的海底沉积物中，只有极其少数的天然气水合物是分布在常年冰冻的陆地上。世界海洋里天然气水合物的资源量是陆地上的100倍以上。到目前为止，世界上已发现的海底天然气水合物主要分布区有大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东岸外的布莱克海台等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、日本海、四国海槽、日本南海海槽、冲绳海槽、南中国海、苏拉威西海和新西兰北部海域等，东太平洋海域的中美海槽、加州滨外、秘鲁海槽等，印度洋的阿曼海湾，南极的罗斯海和威德尔海，北极的巴伦支海和波弗特海，以及大陆内的黑海与里海等。陆上寒冷永冻土中的天然气水合物主要分布在西伯利亚、阿拉斯加和加拿大的北极圈内。我国最有希望的天然气水合物储存区可能是南海和东海的深水海底。

天然气水合物固然给人类带来了新的能源希望，但它也可对全球气侯和生态环境甚至人类的生存环境造成严重的威胁。近年来，人们不断讨论地球大气层的温室效应，认为其造成的异常气候（全球变暖）和海面上升可能正威胁着人类的生存。主导大气温室效应的因子，普遍认为是水气和二氧化碳气。水气是大自然循环中的活跃分子，难以凋控，于是二氧化碳便成为人们严重关注的对象。许多国际会议讨论二氧化碳的温室效应，并决定限制各国二氧化碳废气的排放量。要知遣，当前大气中的二氧化碳气以每年0.3％的速率在增加，而大气中的甲烷气却以每年0.9％的逮率在更为迅速地增加着。更为重要的是，甲烷气的温室效应为二氧化碳气温室效应的20倍。全球海底天然气水合物中的甲烷总量约为地球大气中甲烷量的3000倍，这么巨大量的甲烷气如果释放，将对全球环境产生巨大的影响，严重地影响全球的气候与海平面。

另外，固结在海底沉积物中的水合物，一旦条件发生变化，释出甲烷气，将会明显改变海底沉积物的物理性质。其后果是降低海底沉积物的工程力学特性，引发大规模的海底滑坡，毁坏一些海底的重要工程设施，如海底输电或通信电缆、海洋石油钻井平台等。水合物的崩解造成海底滑坡，而海底滑坡又进一步激发水合物的崩解，如此连锁反应，将造成雪崩式的大规模海底滑坡，并使大量的甲烷气逸散到大气中去，造成极大的灾难与经济损失。

2.全球关注天然气水合物研究

基于天然气水合物是21世纪的重要后续能源，并可能对人类生存环境及海底工程设施产生灾害性影响，全球科学家和各国政府都予以高度关注。早在20世纪30年代，天然气水合物就在远东地区的天然气输送管道内被发现。一直到70年代初，苏联学者论证了自然界有可能存在水合物生成带，并在陆地冻土带首先发现了第一个具有商业开采价值的麦索亚哈气田之后，才真正引起世界各国科学家和政府的重视。后来在深海钻探计划（DSDP和大洋钻探计划（ODP）中，全球许多海域的海底（如鄂霍克茨海、墨西哥湾、大西洋、北美太平洋一侧和拉丁美洲太平洋一侧的世界海域）都发现了天然气水合物。20世纪80年代以来，美国、日本、俄罗斯、德国、加拿大、挪威、英国及印度等国政府都着手开展天然气水合物的调查和研究工作，并从能源战略储备角度考虑，纷纷制定作为政府行为的长远发展规划和实施计划，将其视为争夺海洋权益的重要内容。深人开展天然气水合物研究的热潮已经在全球兴起。

美国1994年制订过《甲烷水合物研究计划》，称天然气水合物是未来世纪的新型能源。1995年，勘查美国东岸大西洋海底的布莱克海台，首汰证实该处海底的天然气水合物具有商业开采价值，并初步估算出该区水合物的资源量多达100亿ｔ，可满足美国105年的天然气需要。1999年，美国又制定《国家甲烷水合物多年研究和开发项目计划》，预期可建立天然气水合物矿床气体资源评价体系、发展商业生产技术，了解和定量评价甲烷水合物在全球碳循环中的作用及其与全球气候变化的相关性，解决水合物工程技术和海底稳定性问题。

日本于1994年制定了庞大的海底天然气水合物研究计划，投巨资对日本周边海域进行大规模海底天然气水合物研究，初步估计仅南海海槽处的水合物资源量就可满足日本100年的能源消耗。1995年，又专门成立天然气水禽物开发促进委员会，分别于1997年在阿拉斯加和1999年在日本南海海槽进行了海底水禽物的钻探试验。

俄罗斯自20世纪70年代末以来，先后在黑海、里海、白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟和太平洋西南部等海域进行海底天然气水合物研究，发现具有工业价值的区域，近期仍在对巴伦支海和鄂霍茨克海的天然气水合物进行研究。

联邦德国于20世纪80年代与印尼等国对西南太平洋的边缘海进行过联合研究，在莽拉威西海发现海底天然气水合物的识别标志。目前，德国正在筹划大规模的国家研究计划，可能计划与俄罗斯合作研究鄂霍茨克海的海底水合物。

印度科学与工业委员会设有重大研究项目《国家海底天然气水合物研究计划》，于1995年开始对印度近海进行海底天然气水合物研究，现已取得初步的良好结果。

由于天然气水合物的资源前景还有待于进一步研究证实，而煤和油气等常规能源又能维持一段时期，因此，目前各能源企业对水合物研究的资金投入还较少主要是各国政府对天然气水合物研究予以支持。如美国计划投入.1.5～2亿美元，日本在五年计划中已投入150亿日元，印度在1996～2000年间投入5600万美元。

3.天然气水合物的开发技术

随着天然气水合物研究的不断深人，天然气水合物相关技术的研究和开发也得到快速的发展。主要包括以下几个方面：

地球物理探查技术、地球化学探查技术、钻孔取样技术、资源评价技术、开采技术、实验室模拟技术和管道中水合物的探测与清除技术等。地球物理探查技术包括多道地震反射勘探和测井等方法。现在主要通过识别地震剖面上因水合物存在而引起的波阻抗反差界面-拟海底反射层BSR（Bottom Simulating Reflector）来判别天然气水合物的存在及分布。目前正在开发特殊处理技术，以获取深水区浅层高分辨率、高信噪比、高保真的地震数据，建立岩石物理模型，研究水合物沉积层及下伏游离气的弹性性质与特征，并研究基于矢量波动方程的多弹性参数叠前正、反演技术，以估算水合物的分布与数量。

地球化学探查技术系利用地球化学方法探测天然气水合物的相关参数的变化，包括含天然气水合物沉积物中孔隙水盐度或氯度的降低，以及水的氧化-还原电位和疏酸盐含量变低等。同时应用海上甲烷现场探测技术，圈定甲烷高浓度区，从而确定天然气水合物的远景分布。

钻孔取样技术。由于天然气水合物特殊的物理学性质，当钻孔岩芯提升到常温常压的海面时，天然气水合物可能全部或大部分被分解。为能获取保持原始压力和温度的沉积物岩芯，研制了保真取芯筒来进行天然气水合物层的取样。

资源评价技术。天然气水合物分布和资源量的估算主要有两种方法：－是通过地质地球物理勘探和钻探，发现和取得天然气水合物层的有关参数，预测其分布并计算出资源量；二是通过取得的实际参数和模拟实验建立天然气水合物形成与释气的数学模型，用数值模拟方法研究其分布和资源量，同时模拟天然气水合物生成和娜的动态过程。

天然气水合物开采技术。目前已提出的天然气水合物开采方法，包括热激发法、化学试剂法和减压法。热激发法就是将蒸气、热水或其他热流体从地面泵人水合物地层，或采用井下加热技术，使温度上升，水合物分解而生成天然气；化学试剂法是利用化学试剂改变天然气水合物的相平衡条件，降低水合物稳定程度，引起水合物的分解；减压法则通过降低压力达到水合物的分解，再行开采。上述方法中，有些方法进行了小规模实验，但生产成本太高，短期内还难以投入实际生产。

实验室模拟技术。应用物理化学手段，通过改变温度、压力、天然气成分和流体成分等边界条件，研究天然气水合物形成和稳定分布的条件，以及这些因素对天然气水合物形成和分解等方面的影响。目前甲烷-纯水、甲烷.海水等模拟己取得重要进展，正在进行含沉积物条件下的模拟实验。

管道中水合物的探测和清除技术。海底长距离天然气／凝析液混输管道输运压力一般较高，环境温度较低，管内极易形成水合物堵塞通道。利用水合物形成的理论模型，计算水合物形成的压力、温度和组成条件，判断管道中是否存在水合物，并研发出一些阻凝剂清除障碍。

天然气水合物的开发还牵涉到许多相关技术，如储存与运输技术等。由于天然水合物特殊的物理化学性质，目前勘探所获样品一般都保存在充满氦气的低温封闭容器中。与此同时，天然气水合物也为解决天然气运输提供了一种新的思路。长期以来，天然气运输的一种常用方法是将其液化，运载到目的地后再将其气化（LNG法）。目前挪威科学家开发出NGH法，将天然气转变为天然气水合物，在保持天然气水合物稳定的条件下"冷藏"起来运输，到目的地后再融化成气。

三、天然气水合物在中国的资源利用前景

1.天然气水合物在中国能源结构中的地位

天然气水合物是石油和常规天然气的重要后续能源。据美国能源部1988年发布的国际能源展望报告，世界能源消费在未来20多年里将持续上升，目前人类每年要燃烷40亿t煤、25亿ｔ石油，并以每年3％的速度增长，照此下去地球上的煤还可维持二三百年，其他就只有五六十年的用量了。因此各国均将寻找后续能源列人国家未来能源发展战略。

我国的能源资源总量约4万亿ｔ标准煤，居世界第三位，但因人口众多，人均能源资源占有量仍相对匾乏。我国人口占世界总人口21％，已探明的煤炭储量占世界储量的11％、原油占2.4％、天然气仅占1.2％，人均能源资源占有量不到世异平均水平的一半。据预测我国到2010年一次性能源消费量预计将达到19亿ｔ标准煤，其中煤炭18亿ｔ，石油2.5～2.7亿ｔ，天然气600～1000亿ｍ3。而2010年石油产量只有约1.6