劉 鑫，潘 振，王熒光，商麗艷，李 萍

（1. 遼寧石油化工大學 化學化工與環(huán)境學部， 遼寧 撫順 113001； 2. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001；3. 中油遼河工程有限公司， 遼寧 盤錦 124010）

天然氣水合物(Natural Gas Hydrate，簡稱 Gas Hydrate)因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以又被稱作“可燃冰”或者“固體瓦斯”和“氣冰”。它是在一定外界環(huán)境作用下，由水和天然氣在中高壓和低溫條件下混合時組成的類冰的、非化學計量的籠形結(jié)晶化合物(碳的電負性較大，在高壓下能吸引與之相近的氫原子形成氫鍵，構(gòu)成籠狀結(jié)構(gòu))。它可用mCH4·nH2O來表示，m代表水合物中的氣體分子，n為水合指數(shù)(也就是水分子數(shù))。組成天然氣的成分如 CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及 CO2、N2、H2S等可形成單種或多種天然氣水合物。形成天然氣水合物的主要氣體為甲烷，甲烷分子含量超過 99%的天然氣水合物通常稱為甲烷水合物[1](Methane Hydrate)。

天然氣水合物在自然界廣泛分布在大陸永久凍土、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境。在標準狀況下，天然氣水合物體積與其生成的甲烷氣體體積比為1∶164，是一種重要的潛在能源[2]。

1 天然氣水合物研究現(xiàn)狀

隨著國際形勢變化和國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，中國對原油的需求急劇增加，據(jù)有關部門統(tǒng)計，僅2012 年原油進口量為 2.7 億 t以上，對外依存度55%以上，超過國家規(guī)定的紅線(50%)[3]。中國的油氣資源供需差距很大，為了滿足中國經(jīng)濟的發(fā)展需求，開發(fā)新能源成了當務之急。我國海底蘊藏著豐富的天然氣水合物資源，其勘探開采技術也逐漸得到了快速發(fā)展。

中國在南海西沙海槽等海區(qū)對海底天然氣水合物勘探取得了一定的效果，在相關海區(qū)發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物的地球物理標志BSR，同時一些科研單位也建立了擁有自主知識產(chǎn)權的重點實驗室，研究天然氣水合物的物化特性、成藏機理等方面。

2005年，中國宣布首次在南海北部陸坡發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的“冷泉”碳酸鹽巖分布區(qū)，其面積約為430 km2[4]。該分布區(qū)最有可能具有天然氣水合物，按照戰(zhàn)略規(guī)劃的安排，從發(fā)現(xiàn)開始，需要經(jīng)過15 a左右的調(diào)查階段，然后是10 a左右的試生產(chǎn)開發(fā)階段，最后是20 a的商業(yè)生產(chǎn)階段。

2009年，中國地質(zhì)部門在青藏高原也發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，蘊藏量巨大，至少350億t油當量，預計經(jīng)過二十年左右試生產(chǎn)開發(fā)階段就能夠投入使用[5]。

2 天然氣水合物勘探方法

天然氣水合物的成藏需具備四個基本條件[6]：

①原始物質(zhì)基礎-氣和水的足夠富集；

②足夠低的溫度；

③較高的壓力；

④一定的孔隙空間。

但是在自然界中，水合物常常作為其下游離氣體的蓋層，二者共同成藏。水合物圈閉成藏類型可分為兩種：簡單圈閉和復合圈閉。簡單圈閉完全發(fā)生在水合物層內(nèi)和地層之下；復合圈閉是有水合物和地質(zhì)構(gòu)造或地層相結(jié)合形成的。

天然氣水合物的勘探工作, 現(xiàn)在仍處于起步調(diào)查和摸索階段。僅有少量的幾口井被鉆成, 故難以形成有效、成熟的勘探方法, 亦未形成一支強有力的天然氣水合物技術專家隊伍。可以說, 我們對于天然氣水合物的認識仍處在初級階段。目前所提到的勘探方法中大部分借鑒的是傳統(tǒng)的石油天然氣勘探方法。

天然氣水合物勘探方法[7,8]主要包括：

① 鉆孔取心資料

鉆孔取心資料可以最直觀和最直接地證明天然氣水合物的存在。在布萊克海嶺和墨西哥灣等地，勘探人員已經(jīng)取到了含氣體水合物巖心的礦物質(zhì)。

②似海底反射層(BSR)

通過異常地震反射層也可以證明海底存在天然氣水合物，這種方法叫做海底反射層(BSR)。在布萊克海嶺地區(qū)，科研工作人員通過深海鉆探計劃發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。

③ 測井方法

測井方法也可以勘探地層中天然氣水合物的存在。測井方法鑒定天然氣水合物需要四個基本條件：一是必須在有兩口或多口鉆井區(qū)，二是天然氣水合物要具有較高的電阻率；三是在鉆探過程中天然氣水合物儲層要有明顯的甲烷氣體排放；四是天然氣水合物具有較短聲波傳播時間。

3 天然氣水合物開采方法

天然氣水合物的開采技術是最復雜艱巨且充滿危險的任務，世界上天然氣水合物的儲量巨大，但從天然氣水合物中有效地開采天然氣的方法目前仍在在探索和探討研究之中。

天然氣水合物開采方法[9-15]主要有兩類：傳統(tǒng)開采方法和新型開采方法。

傳統(tǒng)開采方法包括：

① 減壓開采法，減壓開采法是一種通過降低天然氣水合物儲層壓力促使其快速分解的開采方法。減壓開采法具有成本低，間斷激發(fā)優(yōu)點，適合天然氣水合物較大面積的開采，尤其適用于下伏氣的天然氣水合物礦藏的開采。但它也有一定的局限性，特殊要求是天然氣水合物礦藏必須處于溫度和壓力平衡邊界附近，減壓開采法才能是一種具有經(jīng)濟可行性的開采方法。

② 熱激開采法，熱激開采法是通過注熱水或蒸汽對天然氣水合物儲層進行直接加熱，破壞儲層的溫度平衡，促使天然氣水合物受熱分解。這種方法的優(yōu)點是作用方式較快，可以實現(xiàn)連續(xù)注熱；不足之處是注熱過程中熱損失嚴重，熱量利用效率較低，并且加熱面積較小，因此該方法需要在實際應用過程中進一步完善。

③化學試劑注入法，化學試劑注入法將某些化學試劑注入到天然氣水合物儲層中，破壞天然氣水合物礦藏的穩(wěn)定平衡條件，加速天然氣水合物的分解。這種方法在初期可以降低天然氣水合物開采成本投入，不足之處會給當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來較大破壞。所以，這種方法應用的范圍也比較有限。

新型開采方法包括：

①置換開采法，通過注入 CO2，破壞天然氣水合物礦藏的相穩(wěn)定平衡條件，加速天然氣水合物的分解。在一定的溫度條件下，天然氣水合物必須保持一定的壓力才能夠穩(wěn)定存在，如果此時向天然氣水合物礦藏內(nèi)注入CO2氣體，就會改變天然氣水合物的存在條件，使其分解成天然氣和水，CO2和水作用生成CO2水合物進而把天然氣置換出去。

② 固體開采法，固體開采法通過礦場開采裝置，直接采集固態(tài)天然氣水合物，然后將采集到的固態(tài)天然氣水合物集合到某一地區(qū)進行下一步分解。該方法首先通過礦場開采裝置將天然氣水合物原地粉碎分解為氣液固三相混合物，形成混合泥漿，然后將這種混合泥漿通過豎直管道輸送到分解單元進行處理，獲取天然氣水合物中的天然氣。

4 開采天然氣水合物對生態(tài)環(huán)境影響

開采天然氣水合物的實質(zhì)是破壞天然氣水合物的相平衡條件，即溫度壓力壓條件，使其分解。在天然氣水合物藏的開采過程中如果采取了不當?shù)目刂茰貕簵l件的方法和措施，就會對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生一系列的不良影響，如溫室效應、海洋生態(tài)惡化以及海底坍塌等事故[16]。

①天然氣水合物中分解的天然氣如果出現(xiàn)泄露，就會加大大氣輻射強度，必然會加劇全球溫室效應，造成全球溫度升高，冰川融化，海平面上升，對人類居住條件產(chǎn)生不利影響。

②進入海水中的天然氣會影響海洋生態(tài)平衡。天然氣促進海水中微生物氧化作用，其氧化作用會消耗掉大量的氧氣，使海水處于缺氧狀態(tài)，這樣會危害海洋微生物的生長發(fā)育。

③海洋中固態(tài)天然氣水合物的分解，會使海底缺乏支撐，可能導致海底滑塌事件，更嚴重的會造成地震和海嘯等嚴重自然危害。

5 結(jié)束語

天然氣水合物是水和天然氣在低溫和高壓條件作用下形成的一種固態(tài)可燃物質(zhì)，其優(yōu)點為清潔無污染、燃燒熱值高、使用便捷，被公認為是社會經(jīng)濟發(fā)展的重要后備能源。因此，其勘探和開采技術已經(jīng)成為石油石化行業(yè)的研究熱點。但是由于天然氣水合物物理特性、成藏條件等增加了其開采的難度，本論文主要從勘探和開采方法對天然氣水合物的開發(fā)研究進展進行了綜述。隨著科技的發(fā)展，勘探方法也應采用先進的探測技術，通過多學科綜合技術，進行多方面全方位的勘察，從而可以準確得知其儲存信息；在開采方面，根據(jù)當?shù)氐乩憝h(huán)境的條件，可以優(yōu)選一種或幾種開采方法組合。天然氣水合物成藏條件復雜，開采時必須保護當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。天然氣水合物的勘探和開采發(fā)是一項復雜而艱巨的工作，建立清潔安全的天然氣水合物勘探、開采工藝是最具前景的開發(fā)方式。

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