天然气水合物简介

Question

如题所述

Answer 1

王力锋

（中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，无锡214151）

摘要 天然气水合物的发展历史不过200 多年时间，而真正得到科学界和工业界重视的时间则更加短暂，仅有60多年而已。但在能源问题突出严重的当今社会，天然气水合物作为下一代清洁的非常规能源却正以飞快的速度赢得各个领域的不同程度的重视。本文以简述的形式，回顾天然气水合物的发展历程，着重于天然气水合物的现状、未来的发展方向以及各国策略分析。

关键词 天然气水合物，非常规能源，能源政策

A Brief Introduction to Natural Gas Hydrates

WANG Li-feng

（Wuxi Research lnstitute of Petroleum Geology，SlNOPEC，Wuxi214151）

Abstract The history of research on natural gas hydrate is not more than two hundred years and the time for it to get scientific and industrial solid concerns essentially is only of sixty years.But under the coming global energy crisis，the studies of natural gas hydrate which is regarded as potential new unconventional resources have been growing dramatically in all fields.As a brief introduction，we show reviews on its history，current situation，future perspective and energy policies all over the world.

Key words natural gas hydrate unconventional resources energy policies

1 简介

天然气水合物（natural gas hydrates，简称为NGH）属于笼形化合物（clathrate）的一种，因此又被称为笼形水合物（clathrate hydrates）^［1］。从化学意义角度也可解释为一种分子构架包裹另一种分子的形式。天然气水合物是由一种或几种小分子气体在一定的温度和压力下与水作用生成的一种非固定化学计量的笼形晶体化合物^［2］。在自然界中，天然气水合物呈现为似冰状的固体^［3］，水分子通过氢键构成骨架，由于客气体被裹在骨架内部，因此客气体最基本的要求就是其分子体积要足够的小，以便容纳于骨架内部。尽管这样的小分子气体很多，例如早在1810年，英国化学家Humphry Davy在实验室中首先发现以氯气作为客气体的水合物^［4］，但现在从全世界的发展前景观察，主要研究以CO₂/H₂O 和CH₄/H₂O为主的水合物主客结构，前者涉及大气环境、绿色效应和工业界尾气的封存^［5，6］，后者涉及新能源探测和开发利用^［7］。

天然气水合物有机碳储量大，约占全球有机碳的53.3%，是其他包括煤、石油和天然气三者总量的一倍以上。其中分布在陆地上的天然气水合物最大地质储量约为5.3×10¹¹t，主要分布在高原冻土带和高纬度的常年冻土区；分布在海洋中的最大地质储量约为1.61×10¹⁴t，主要分布在被动大陆边缘和活动大陆边缘^［8］。天然气水合物能量密度大，客气体中甲烷多，可占到90%以上。在标准状态下，1标准体积的饱和甲烷气水合物完全释放后，其甲烷体积可达到164倍标准体积，因而单位体积的天然气水合物燃烧所放出的热量远远大于煤、石油和天然气，为煤的10倍，是传统天然气的2～5倍^［1］。

天然气水合物的赋存条件主要受温度、压力和气源等控制，当然也包括其他因素的限定。目前研究表明，天然气水合物是在低温（0～10℃）、高压（＞10 MPa）下形成的，在陆地和海洋中稳定带分布条件并不十分苛刻^［9］。资料统计表明，冻土地区天然气水合物可在100m左右深度的浅层存在，最大可达1800～2000m，最常见的是700～1000m；在海洋中存在水深为300～5500m，在距离海底1000m深处都可能稳定存在^［2］。

2 研究进展

英国科学家Davy在1810年首次发现了天然气水合物，当时他所发现的是氯气作为客气体的水合物^［4］。第二年，Davy经过仔细地研究这种物质后，发表了正式的学术论文，稍后他又在英国皇家学会展示了他的发现，这是天然气水合物走进人类历史的第一个印迹。

但在此之后的100年里天然气水合物研究发展速度不快，进展相对缓慢，人们仅通过实验室来认识水合物。1832年，Faraday在实验室合成了氯气水合物Cl₂·10H₂O，并对水合物的性质做了较系统的描述。其后人们陆续在实验室合成了Br₂，SO₂，CO₂以及H₂S等的气水合物。1884年，Roozeboom提出了天然气水合物形成的相理论^［10］。此后不久，Villard在实验室合成了CH₄，C₂H₆，C₂H₄以及C₂H₂等的气水合物^［11］。1919 年，Scheffer和Meijer建立了一种新的动力学理论方法来直接分析天然气水合物，他们应用Clausius-Clapeyron方程建立三相平衡曲线，来推测水合物的组成。由此可见这段时期的研究主要集中在纯科学的研究范围内。

天然气水合物从发现到20世纪30年代并没有引起工业界重视，直到人们发现它是远东地区冬天里堵塞煤气管道的物质^［12］，这时对它的物理化学性质才开始比较深入的研究，出于工业生产目的，其间对水合物的抑制剂研究较为繁盛^［13］。60年代，原苏联科学家预言了自然界中存在天然气水合物^［14］，后来在远东的梅索亚哈气田勘测证实有天然气水合物存在，极大地促进了人们对未来能源的期盼。据科学家保守估计，现在全世界以天然气水合物形式包裹的碳总量是其他常规能源碳总量的两倍之巨^［2］。另一方面，由于温室效应气体二氧化碳大量地排放到空气中，使近些年来全球气候异常，厄尔尼诺现象和全球平均温度的上升已经开始导致生物生存的环境发生不可逆的恶化，因此有效地减少二氧化碳这种温室气体排放到空气中、减少温室效应，在科学界和工业界也逐渐形成广泛共识^［15］。目前，日本、美国等几个国家前瞻性地研究天然气水合物将其作为对二氧化碳的有效封闭物质，把二氧化碳禁锢在主气体的框架内沉到深海排泄地，从而达到封存温室气体的效果^［16］。

科学界认识到天然气水合物的研究已经成为一门综合各种学科的系统工程，除了涉及常规的物理和化学知识外，微生物学、计算机模拟、工程学和经济生态学等学科也渗透其中。物理、化学理论进展已经有几十年的积淀，成果斐然，而后来新兴的边缘科学从更广的角度给科学界带了对天然气水合物重新认识的机遇^［1］。微生物（尤其是厌氧环境中的微生物）与水合物关系最为密切，其栖息环境与水合物的赋存环境相互依存。有迹象表明，在海底表面暴露的水合物与此相关^［17］。计算机模拟的应用除了宏观地预测天然气水合物的赋存空间之外，还可在微观上模拟水合物分子的形成过程，便于理解和寻找水合物的有利靶区。工程学带动了水合物研究的实验室技术，现在已经开发了很多高度精密且灵活方便的仪器用来记录和刻画天然气水合物形成的实验过程，正是这些先进的实验装置极大地促进了水合物的研究进展。经济生态学既是自然科学，同时也是人文科学，由于天然气水合物是巨大的能源仓储，如果未来某一天可具有经济意义的开采，必将会改变现今世界的能量消耗模式，世界经济格局也必然随之改变，由能源再分配所引发的未来世界变化也应引起足够重视，这不仅关系到个人和国家的发展，同时也是企业未来发展的良好预判^［18］。

3 各国动态

目前，美国、日本、印度等能源进口大国纷纷涉足天然气水合物的研究，上述3个国家最为积极，对天然气水合物的研究都受到了国家财政部的全力支持。

日本政府从1992年起开始关注天然气水合物，1995年由通商产业省资源能源厅石油公团联合10家石油天然气私营企业，设立了“甲烷天然气水合物研究及开发推进初步计划”，为期5年，投入的研究经费高达9000万美元。经由对日本周边海域，特别是对鄂霍次克海的调查，初估天然气水合物资源量可供日本100年的能源消耗。

1995年冬，以美国为首的ODP164航次海洋探测计划，在大西洋西部布莱克海台针对天然气水合物进行了专门的调查，首次肯定其具有商业开发价值。同时指出，天然气水合物矿层之下的游离气（气态天然气）也具有经济价值。据初步估计，该地区天然气水合物资源量多达100×10⁸t，可满足美国105年的天然气消耗。美国参议院于1998年通过决议，把天然气水合物作为国家发展的战略能源，并列入国家级长程计划，要求政府每年投入2000万美元进行探勘，并计划于2015年进行商业性试采。

印度政府为了解决天然气供应问题也开展了大量的水合物研究，已获取了印度大陆边缘的地震数据。此外，在印度东海岸Krishna-Godavari盆地的常规油气田开采中也发现了水合物。

近年来，我国传统化石燃料已不能满足我国经济发展、环境保护的需要，仅2002年我国进口原油和成品油就近1×10⁸t，预计2010 年石油缺口为1.2×10⁸t。随着我国经济的快速发展，我国今后对能源的需求将急剧增加，我国能源安全和后续能源供应直接关系到我国社会和经济的可持续发展，因此开展天然气水合物研究具有重大战略意义。针对我国近年来能源供需矛盾日益突出、对国外石油和天然气资源的依赖程度不断加大的状况，面对国家开发新型洁净能源的现实需求，为提升我国天然气水合物的研究开发水平，促进我国经济和社会的可持续发展，中国科学院积极部署天然气水合物研究工作，组织了跨所、跨学科的优势研究力量，依托广州能源所，组织地质与地球物理所、广州能源所、广州地化所和南海海洋所等单位于2004年3月正式在广州成立了“中国科学院天然气水合物研究中心”。与此同时，一些国内大型企业也逐步开始认识到天然气水合物的未来能源意义，如中石化和中石油等已经着手启动了勘探研究等项目。发展、开发一套关键的高新技术，为开展海洋天然气水合物综合勘测研究提供高技术支撑，是形势的需要，是国家发展战略的需要。同时，高新研究勘测关键技术的开发，也可带动相关学科的发展，赶上国际发展步伐，维护国家权益，保持经济发展增长不衰。

中国天然气水合物研究虽起步较晚，但近几年效果显著，先后在我国南海和东海盆地发现了数量可观的天然气水合物矿带，通过分析地球物理探矿资料和追踪天然气水合物存在标志，证实仅在南海北部西沙海槽区估算的天然气水合物总量达到（469～563）×10⁹桶的石油当量，大约相当于我国陆上和近海石油天然气总资源量的二分之一。在青藏高原的羌塘盆地，天然气水合物研究也处于调研阶段，研究项目稳步推进。令人更为欣喜的是最近在我国南海东沙海槽提取到天然气水合物实物，这无疑会大大加速我国天然气水合物的研发力度和规模。

致谢 研究工作得到所领导赵克斌教授和其他同事的帮助，表示衷心的感谢。

参考文献

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Answer 2

天然气水合物，属于有机化合物，其化学式为CH4，也就是常说的可燃冰，分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“汽冰”。其实是一个固态块状物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。