天然氣水合物的研究與開發論文

作者: 金翔龍.方銀霞(國家海洋局海底科學重點實驗室) 收錄來源: 中國新能源網

【摘要】人類的生存發展離不開能源。當人類學會使用第一個火種時便開始了能源應用的漫長歷史。幾千年來，人類所使用的能源已經歷了三代，正在向第四代能源時代邁進。主體能源的更替充分反映出人類社會和經濟的進步與發展。第一代能源為生物質材，以薪柴為代表；第二代能源以煤為代表；第三代能源則是石油、天然氣和部分核裂變能源。實際上，第二代和第三代能源是以化石燃料為主體，第四代能源的構成將可能是核聚變能、氫能和天然氣水合物。

一、天然氣水合物是人類未來能源的希望

人類的生存發展離不開能源。當人類學會使用第一個火種時便開始了能源應用的漫長曆史。幾千年來，人類所使用的能源已經歷了三代，正在向第四代能源時代邁進。主體能源的更替充分反映出人類社會和經濟的進步與發展。第一代能源為生物質材，以薪柴為代表；第二代能源以煤為代表；第三代能源則是石油、天然氣和部分核裂變能源。實際上，第二代和第三代能源是以化石燃料為主體，第四代能源的構成將可能是核聚變能、氫能和天然氣水合物。

核聚變能主要寄希望於3He，它的資源量雖然在地球上有限（10~15t），但在月球的月壤中卻極為豐富（100-500萬t）。氫能是清潔、高效的理想能源，燃燒耐僅產生水（H2O），並可再生，氫能主要的載體是水，水體佔據着地球表面的2/3以上，藴藏量大。天然氣水合物的主要成分是甲烷（C4H）和水，甲烷氣燃燒十分乾淨，為清潔的綠色能源，其資源量特別巨大，開發技術較為現實，有可能成為21世紀的主體能源，是人類第四代能撅的最佳候選。

天然氣水合物（gas hydrate）是一種白色固體結晶物質，外形像冰，有極強的燃燒力，可作為上等能源，俗稱為"可燃冰"。天然氣水合物由水分子和燃氣分子構戚，外層是水分子格架，核心是燃氣分子（圖1）。燃氣分子可以是低烴分子、二氧化碳或硫化氫，但絕大多數是低烴類的甲烷分子（C4H），所以天然氣水合物往往稱之為甲烷水合物（methane hydrate）。據理論計算，1ｍ3的天然氣水合物可釋放出164ｍ3的甲烷氣和0.8ｍ3的水。這種固體水合物只能存在於一定的温度和壓力條件下，一般它要求温度低於0~10℃，壓力高於10MPa，一旦温度升高或壓力降低，甲烷氣則會逸出，固體水合物便趨於崩解。

天然氣水合物往往分佈於深水的海底沉積物中或寒冷的永凍±中。埋藏在海底沉積物中的天然氣水合物要求該處海底的水深大於300-500ｍ，依賴巨厚水層的壓力來維持其固體狀態。但它只可存在於海底之下500ｍ或1000ｍ的範圍以內，再往深處則由於地熱升温其固體狀態易遭破壞。儲藏在寒冷永凍土中的天然氣水合物大多分佈在四季冰封的極圈範圍以內。  煤、石油以及與石油有關的天然氣（高烴天然氣）等含碳能源是地質時代生物遺體演變而成的，因此被稱為化石燃料。從含碳量估算，全球天然氣水合物中的含碳總量大約是地球上全部化石燃料的兩倍。因此，據最保守的統計，全世界海底天然氣水合物中貯存的甲烷總量約為1.8×108億ｍ3，約合11萬億t（11×1012t）。數冀如此巨大的礦物能源是人類未來動力的希望。

二、天然氣冰合物的研究現狀

1.分佈與環境效應

世界上絕大部分的天然氣水合物分佈在海洋裏，儲存在深水的海底沉積物中，只有極其少數的天然氣水合物是分佈在常年冰凍的陸地上。世界海洋裏天然氣水合物的資源量是陸地上的100倍以上。到目前為止，世界上已發現的海底天然氣水合物主要分佈區有大西洋海域的墨西哥灣、加勒比海、南美東部陸緣、非洲西部陸緣和美國東岸外的布萊克海台等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千島海溝、日本海、四國海槽、日本南海海槽、沖繩海槽、南中國海、蘇拉威西海和新西蘭北部海域等，東太平洋海域的中美海槽、加州濱外、祕魯海槽等，印度洋的阿曼海灣，南極的羅斯海和威德爾海，北極的巴倫支海和波弗特海，以及大陸內的黑海與裏海等。陸上寒冷永凍土中的天然氣水合物主要分佈在西伯利亞、阿拉斯加和加拿大的北極圈內。我國最有希望的天然氣水合物儲存區可能是南海和東海的深水海底。

天然氣水合物固然給人類帶來了新的能源希望，但它也可對全球氣侯和生態環境甚至人類的生存環境造成嚴重的威脅。近年來，人們不斷討論地球大氣層的温室效應，認為其造成的異常氣候（全球變暖）和海面上升可能正威脅着人類的生存。主導大氣温室效應的因子，普遍認為是水氣和二氧化碳氣。水氣是大自然循環中的活躍分子，難以凋控，於是二氧化碳便成為人們嚴重關注的對象。許多國際會議討論二氧化碳的温室效應，並決定限制各國二氧化碳廢氣的排放量。要知遣，當前大氣中的二氧化碳氣以每年0.3％的速率在增加，而大氣中的甲烷氣卻以每年0.9％的逮率在更為迅速地增加着。更為重要的是，甲烷氣的温室效應為二氧化碳氣温室效應的20倍。全球海底天然氣水合物中的甲烷總量約為地球大氣中甲烷量的3000倍，這麼巨大量的甲烷氣如果釋放，將對全球環境產生巨大的影響，嚴重地影響全球的氣候與海平面。

另外，固結在海底沉積物中的'水合物，一旦條件發生變化，釋出甲烷氣，將會明顯改變海底沉積物的物理性質。其後果是降低海底沉積物的工程力學特性，引發大規模的海底滑坡，毀壞一些海底的重要工程設施，如海底輸電或通信電纜、海洋石油鑽井平台等。水合物的崩解造成海底滑坡，而海底滑坡又進一步激發水合物的崩解，如此連鎖反應，將造成雪崩式的大規模海底滑坡，並使大量的甲烷氣逸散到大氣中去，造成極大的災難與經濟損失。

2.全球關注天然氣水合物研究

基於天然氣水合物是21世紀的重要後續能源，並可能對人類生存環境及海底工程設施產生災害性影響，全球科學家和各國政府都予以高度關注。早在20世紀30年代，天然氣水合物就在遠東地區的天然氣輸送管道內被發現。一直到70年代初，蘇聯學者論證了自然界有可能存在水合物生成帶，並在陸地凍土帶首先發現了第一個具有商業開採價值的麥索亞哈氣田之後，才真正引起世界各國科學家和政府的重視。後來在深海鑽探計劃（DSDP和大洋鑽探計劃（ODP）中，全球許多海域的海底（如鄂霍克茨海、墨西哥灣、大西洋、北美太平洋一側和拉丁美洲太平洋一側的世界海域）都發現了天然氣水合物。20世紀80年代以來，美國、日本、俄羅斯、德國、加拿大、挪威、英國及印度等國政府都着手開展天然氣水合物的調查和研究工作，並從能源戰略儲備角度考慮，紛紛制定作為政府行為的長遠發展規劃和實施計劃，將其視為爭奪海洋權益的重要內容。深人開展天然氣水合物研究的熱潮已經在全球興起。

美國1994年制訂過《甲烷水合物研究計劃》，稱天然氣水合物是未來世紀的新型能源。1995年，勘查美國東岸大西洋海底的布萊克海台，首汰證實該處海底的天然氣水合物具有商業開採價值，並初步估算出該區水合物的資源量多達100億ｔ，可滿足美國105年的天然氣需要。1999年，美國又制定《國家甲烷水合物多年研究和開發項目計劃》，預期可建立天然氣水合物礦牀氣體資源評價體系、發展商業生產技術，瞭解和定量評價甲烷水合物在全球碳循環中的作用及其與全球氣候變化的相關性，解決水合物工程技術和海底穩定性問題。

日本於1994年制定了龐大的海底天然氣水合物研究計劃，投巨資對日本週邊海域進行大規模海底天然氣水合物研究，初步估計僅南海海槽處的水合物資源量就可滿足日本100年的能源消耗。1995年，又專門成立天然氣水禽物開發促進委員會，分別於1997年在阿拉斯加和1999年在日本南海海槽進行了海底水禽物的鑽探試驗。

俄羅斯自20世紀70年代末以來，先後在黑海、裏海、白令海、鄂霍茨克海、千島海溝和太平洋西南部等海域進行海底天然氣水合物研究，發現具有工業價值的區域，近期仍在對巴倫支海和鄂霍茨克海的天然氣水合物進行研究。

聯邦德國於20世紀80年代與印尼等國對西南太平洋的邊緣海進行過聯合研究，在莽拉威西海發現海底天然氣水合物的識別標誌。目前，德國正在籌劃大規模的國家研究計劃，可能計劃與俄羅斯合作研究鄂霍茨克海的海底水合物。

印度科學與工業委員會設有重大研究項目《國家海底天然氣水合物研究計劃》，於1995年開始對印度近海進行海底天然氣水合物研究，現已取得初步的良好結果。

由於天然氣水合物的資源前景還有待於進一步研究證實，而煤和油氣等常規能源又能維持一段時期，因此，目前各能源企業對水合物研究的資金投入還較少主要是各國政府對天然氣水合物研究予以支持。如美國計劃投入.1.5～2億美元，日本在五年計劃中已投入150億日元，印度在1996～2000年間投入5600萬美元。

3.天然氣水合物的開發技術

隨着天然氣水合物研究的不斷深人，天然氣水合物相關技術的研究和開發也得到快速的發展。主要包括以下幾個方面：

地球物理探查技術、地球化學探查技術、鑽孔取樣技術、資源評價技術、開採技術、實驗室模擬技術和管道中水合物的探測與清除技術等。地球物理探查技術包括多道地震反射勘探和測井等方法。現在主要通過識別地震剖面上因水合物存在而引起的波阻抗反差界面-擬海底反射層BSR（Bottom Simulating Reflector）來判別天然氣水合物的存在及分佈。目前正在開發特殊處理技術，以獲取深水區淺層高分辨率、高信噪比、高保真的地震數據，建立巖石物理模型，研究水合物沉積層及下伏遊離氣的彈性性質與特徵，並研究基於向量波動方程的多彈性參數疊前正、反演技術，以估算水合物的分佈與數量。

地球化學探查技術系利用地球化學方法探測天然氣水合物的相關參數的變化，包括含天然氣水合物沉積物中孔隙水鹽度或氯度的降低，以及水的氧化-還原電位和疏酸鹽含量變低等。同時應用海上甲烷現場探測技術，圈定甲烷高濃度區，從而確定天然氣水合物的遠景分佈。

鑽孔取樣技術。由於天然氣水合物特殊的物理學性質，當鑽孔巖芯提升到常温常壓的海面時，天然氣水合物可能全部或大部分被分解。為能獲取保持原始壓力和温度的沉積物巖芯，研製了保真取芯筒來進行天然氣水合物層的取樣。

資源評價技術。天然氣水合物分佈和資源量的估算主要有兩種方法：－是通過地質地球物理勘探和鑽探，發現和取得天然氣水合物層的有關參數，預測其分佈並計算出資源量；二是通過取得的實際參數和模擬實驗建立天然氣水合物形成與釋氣的數學模型，用數值模擬方法研究其分佈和資源量，同時模擬天然氣水合物生成和娜的動態過程。

天然氣水合物開採技術。目前已提出的天然氣水合物開採方法，包括熱激發法、化學試劑法和減壓法。熱激發法就是將蒸氣、熱水或其他熱流體從地面泵人水合物地層，或採用井下加熱技術，使温度上升，水合物分解而生成天然氣；化學試劑法是利用化學試劑改變天然氣水合物的相平衡條件，降低水合物穩定程度，引起水合物的分解；減壓法則通過降低壓力達到水合物的分解，再行開採。上述方法中，有些方法進行了小規模實驗，但生產成本太高，短期內還難以投入實際生產。

實驗室模擬技術。應用物理化學手段，通過改變温度、壓力、天然氣成分和流體成分等邊界條件，研究天然氣水合物形成和穩定分佈的條件，以及這些因素對天然氣水合物形成和分解等方面的影響。目前甲烷-純水、甲烷.海水等模擬己取得重要進展，正在進行含沉積物條件下的模擬實驗。

管道中水合物的探測和清除技術。海底長距離天然氣／凝析液混輸管道輸運壓力一般較高，環境温度較低，管內極易形成水合物堵塞通道。利用水合物形成的理論模型，計算水合物形成的壓力、温度和組成條件，判斷管道中是否存在水合物，並研發出一些阻凝劑清除障礙。

天然氣水合物的開發還牽涉到許多相關技術，如儲存與運輸技術等。由於天然水合物特殊的物理化學性質，目前勘探所獲樣品一般都保存在充滿氦氣的低温封閉容器中。與此同時，天然氣水合物也為解決天然氣運輸提供了一種新的思路。長期以來，天然氣運輸的一種常用方法是將其液化，運載到目的地後再將其氣化（LNG法）。目前挪威科學家開發出NGH法，將天然氣轉變為天然氣水合物，在保持天然氣水合物穩定的條件下"冷藏"起來運輸，到目的地後再融化成氣。

三、天然氣水合物在中國的資源利用前景

1.天然氣水合物在中國能源結構中的地位

天然氣水合物是石油和常規天然氣的重要後續能源。據美國能源部1988年發佈的國際能源展望報告，世界能源消費在未來20多年裏將持續上升，目前人類每年要燃烷40億t煤、25億ｔ石油，並以每年3％的速度增長，照此下去地球上的煤還可維持二三百年，其他就只有五六十年的用量了。因此各國均將尋找後續能源列人國家未來能源發展戰略。

我國的能源資源總量約4萬億ｔ標準煤，居世界第三位，但因人口眾多，人均能源資源佔有量仍相對匾乏。我國人口占世界總人口21％，已探明的煤炭儲量佔世界儲量的11％、原油佔2.4％、天然氣僅佔1.2％，人均能源資源佔有量不到世異平均水平的一半。據預測我國到2010年一次性能源消費量預計將達到19億ｔ標準煤，其中煤炭18億ｔ，石油2.5～2.7億ｔ，天然氣600～1000億ｍ3。而2010年石油產量只有約1.6