聽專家評述水合物（可燃冰）研究進展

5月18日，由國土資源部中國地質調查局組織實施的我國首次海域天然氣水合物試采在南海神狐海域實現連續超過7天穩定產氣，試采取得圓滿成功，實現了我國天然氣水合物開發的歷史性突破。本文從吳時國、王秀娟、陳端新、王志君等著《天然氣水合物地質概論》（ 北京：科學出版社，2016.01）一書中摘編相關內容，分享科研人員對天然氣水合物研究進展的評述。

天然氣水合物（簡稱水合物，又稱“可燃冰”）作為一種新能源，已經引起了政府、各大公司和高等院校的廣泛注意，他們紛紛開設相關研究部門和新能源學院以加強水合物方面的研究。有關水合物的概念、結構和機理及其在自然界的分布成為熱點。

天然氣水合物及其研究意義

天然氣水合物是由水和天然氣在高壓低溫環境條件下形成的冰態、結晶狀籠形化合物(Paull and Dillon，2001；Sloan and Koh，2008)。它是自然界中天然氣存在的一種特殊形式，主要分布在一定水深(通常>300m) 的海底以下和永久凍土帶。在自然界中，天然氣水合物常常以甲烷水合物為主，其包絡的氣體以甲烷為主，與天然氣組成非常相似，這種化合物具有小的分子質量，化學成分不穩定(即成分可變)，可用通式M·nH?O表示，式中，M 為水合物中的氣體分子，n 為水分子數。除此之外，還有其他單種氣體水合物，雖存在著多種氣體混合的水合物，但比較少見。在自然界發現的水合物多呈白色、淡黃色、琥珀色、暗褐色等軸狀、層狀、小針狀結晶體或分散狀結晶體。從目前所取得的巖芯樣品來看，水合物主要以以下方式賦存: ①以球粒狀散布于細粒沉積物或巖石中；②占據粗粒沉積物或巖石粒間孔隙；③以固體形式填充在裂縫中；④出現在海底的塊狀水合物伴隨少量沉積物(Lee and Collett，2009；Boswell and Collett，2011；Zhang et al.，2014)。

▲?天然水合物結構示意

天然氣水合物被認為是一種巨大的高效清潔能源。據研究人員估計，全球天然氣水合物的資源總量換算成甲烷氣體為1.8×10¹⁶-2.1×10¹⁶m3，有機碳儲量相當于全球已探明礦物燃料(煤炭、石油和天然氣等) 的兩倍(Paull and Dillon，2001)。海洋天然氣水合物資源量十分巨大，通常是陸地凍土帶的100 倍以上(Paull and Dillon，2001)。天然氣水合物的顯著特點是分布廣、儲量大、高密度、高熱值，1m3天然氣水合物可以釋放出164m3甲烷氣和0.8m3水。因此，天然氣水合物，特別是海洋天然氣水合物被認為將是21世紀的前景能源。

與此同時，天然氣水合物既是一種十分棘手的自然災害( MacDonald，1990)，又是一種十分有用的技術。水合物的分解可能引發海底天然氣的快速釋放，造成溫室氣體的增加；水合物分解使沉積層液化，導致海底滑坡(submarine landslide)、重力流和海嘯等地質災害，對海洋工程造成毀滅性的破壞作用。由于天然氣水合物引發地層失穩、溢流、井涌和導管下沉等，也成為深水鉆井地質災害研究的“三淺” 地質之一(吳時國等，2011)。在深水油氣田的生產過程中，由于水合物造成的井筒、處理裝置和輸氣管線堵塞一直是困擾油氣生產和運輸的棘手問題，開發研制經濟環保的水合物抑制劑是當前的熱點之一。同時，水合物技術正在應用到資源、環保、氣候、油氣儲運、石油化工、生化制藥等諸多領域。其中，典型的例子有以水合物的形式儲存、運輸、集散天然氣，用水合物法分離低沸點氣體混合物(如乙烯裂解氣、各種煉廠干氣和天然氣)，用水合物法淡化海水，利用CO?水合物法將溫室氣體CO?存于海底以改善全球氣候環境等。

甲烷可能是導致全球氣候變曖、冰期終止和海洋生物滅絕的重要原因之一，海底天然氣水合物的分解會釋放大量甲烷，對全球氣候變化以及海洋生態環境將產生重大影響。

天然氣水合物在海洋沉積物中的分布

海洋天然氣水合物的出現往往形成一種特征的地震反射——似海底反射層，這是由于天然氣水合物穩定帶底部的含天然氣水合物地層與含游離氣沉積層之間的波阻抗差引起的(Shipley et al.，1979；Collett，2002；宋海斌，2003)。天然氣水合物一般分布在海底以下300m 深度范圍內的淺層沉積物中，從目前鉆遇水合物的海區來看，主要集中在三類構造背景:

1.被動大陸邊緣，如美國大西洋布萊克海臺(Blake Ridge)、墨西哥灣(Gulf of Mexico) 盆地、挪威大西洋被動陸緣、美國阿拉斯加陸坡、印度被動陸緣克里希納－戈達瓦里(Krishna-Godavari，KG) 盆地等；

2.匯聚大陸邊緣弧前盆地，如美國俄勒岡外水合物脊、加拿大卡斯凱迪亞(Cascadia) 俯沖帶、日本南海海槽、新西蘭希庫蘭吉(Hikurangi)等；

3.邊緣海盆地，如日本海東南緣上越(Joetsu) 盆地、韓國郁陵(Ulleung)盆地、中國南海、鄂霍次克海等。最近，在北極海域也發現了豐富的天然氣水合物，因此，天然氣水合物在海洋中的分布十分廣泛，從赤道到極地海域大量富集。

▲ 天然氣水合物分布圖(Collett，2014)

天然氣水合物的研究進展及趨勢

人們從開始認識天然氣水合物至今已有200 年的歷史。早在1810 年就已發現天然氣水合物，但天然氣水合物的晶體結構直到20世紀50年代才得以確定。

從水合物研究的歷程來看，天然氣水合物研究大致可分為三個階段。

第一個階段(1810-1933 年) 為實驗室探索研究

在這一階段，研究人員在實驗室確定哪些氣體可以和水一起形成水合物，以及水合物的組成。最具代表性的是英國皇家學會會員Davy在1810 年首次人工合成了Cl?水合物，隨后法國、美國等許多國家的化學家也成功地合成了一系列氣體水合物，并引起了各國化學家對其化學組分和物質結構的激烈爭論。雖歷經百年，但人們對自然界的水合物仍知之甚少。

第二階段(1934-1992 年) 為天然氣水合物應用發展階段

這一階段的研究重點是工業界對管道水合物的預測和抑制技術。20 世紀30 年代，人們發現輸氣管道內易形成白色冰狀固體填積物，給天然氣輸送帶來很大麻煩，石油地質學家和化學家便把主要的精力放在如何消除管道中天然氣水合物堵塞的問題中。在這一階段，水合物研究獲得了很快的發展，水合物的兩種主要晶體結構得到確定，基于統計熱力學的水合物熱力學模型誕生，熱力學抑制劑在油氣生產和運輸中得到廣泛應用。后期在陸地永久凍土帶和海底陸續發現了大量的天然氣水合物資源，1968 年蘇聯在開發麥索亞哈氣田時，首次在地層中發現了天然氣水合物礦藏，并采用注熱、化學劑等方法成功地開發了世界上第一個天然氣水合物礦藏，掀起了20 世紀70 年代以來空前的水合物研究熱潮。

第三階段(1993年至今) 是天然氣水合物全面研究時期

此階段以第一屆國際水合物會議為標志，為水合物研究的全面發展和研究格局基本形成階段。天然氣水合物作為人類未來的潛在能源在世界范圍內受到高度重視，水合物生成/分解動力學等基礎研究取得重大進展，天然氣固態儲存等新技術的開發取得重大突破，動力學抑制劑取代傳統熱力學抑制劑的研究不斷深入，天然氣水合物和全球環境變遷之間的關系受到關注，形成了以基礎研究、管道水合物抑制技術開發、天然氣固態儲存和水合物法分離氣體混合物等新型應用技術開發、天然氣水合物資源勘探與開發、溫室氣體的水合物法捕集和封存等為基本方向的氣體水合物研究格局。同時在西伯利亞、馬更些三角洲、北斯洛普、墨西哥灣、日本海、日本南海海槽、孟加拉灣、印度大陸邊緣、中國南海北坡等地相繼發現了天然氣水合物，并開始了廣泛的鉆探和試采(Lee and Collett，2009；Boswelland Collett，2011；Riedel et al.，2012；Zhang et al.，2014)。我們相信水合物全面開采和利用的時代即將來臨。

當前國際上天然氣水合物調查與研究趨勢

表現在以下幾個方面:

1.調查研究范圍迅速擴大，鉆探、試驗開采工作不斷深入。美國、日本、德國、印度、加拿大、韓國等國家成立了專門機構，投入巨資，制訂了詳細的天然氣水合物勘探開發研究計劃，正在積極探明本國的天然氣水合物資源分布，并為商業性開采做前期試驗開采技術準備。

2.找礦方法上呈現出多學科、多方法的綜合調查研究，如美國、加拿大、日本及印度等國家通過地震調查并結合已有資料，已初步圈定了鄰近海域的天然氣水合物分布范圍，廣泛開展了勘查技術、經濟評價、環境效應等方面的研究。

3.天然氣水合物資源綜合評價方法有待完善，國際上流行的估算方法有常規體積法、概率統計法兩種，雖然有許多方法出現，如地球物理方法、地球化學方法、生物成因氣評估方法、有機質熱分解氣評估方法，以及以天然氣水合物的賦存狀態來評估的方法等，但都帶有很大推測性。

4.現在進行的天然氣水合物計劃集中目的在于提高了解自然環境中天然氣水合物的特征來發展用于水合物開采的技術，確定來自自然和誘導驅氣的環境影響，提高含天然氣水合物地區常規石油開采的安全性(Allison and Boswell，2009)。

天然氣水合物開采技術研究趨勢

天然氣水合物開采技術研究呈現多元化，傳統的加熱、注劑、降壓逐步深入，CO?置換、等離子開采等新方法探索，同時大型、可視開采模擬裝置成為物理模擬的主要方向，室內模擬、數值模擬與試開采、工業開發正在實施(蔣國盛等，2002)。有關水合物在能源、環境、油氣儲運、邊際氣體新型儲運技術，水合物可能帶來的環境災害和對海上結構物和作業影響等多方面的研究逐步引起工業界的重視。

本文摘編自《天然氣水合物地質概論》（吳時國、王秀娟、陳端新、王志君等著. 北京：科學出版社，2016.01）一書。

《天然氣水合物地質概論》總結了天然氣水合物國內外研究的最新進展，系統地介紹了天然氣水合物形成的地質理論。針對我國南海海域，建立了一套估算無井和有井地區天然氣水合物飽和度的方法，闡述了天然氣水合物富集機理，并對南海天然氣水合物進行了遠景資源評價。

天然氣水合物相關圖書

天然氣水合物實驗測試技術

劉昌嶺著

ISBN：978-7-03-049110-7

出版時間：2016.7

南海天然氣水合物沉積物礦物學和地球化學

陸紅鋒，孫曉明，張美?著

ISBN：978-7-03-031940-1

出版時間：2017.4

天然氣水合物資源概論

金慶煥?等?著

ISBN：978-7-03-017203-7

出版時間：2006.9

新書預告

《鉆冰取火記——新盜火者的故事》

科普讀物，5月底出版

ISBN：978-7-03-052655-7?

中國地質科學院教授、中國作家協會會員、中國科普作家協會會員郭友釗博士帶您了解可燃冰（天然氣水合物）的前世今生，在祖國大地上探秘可燃冰的足跡。

本文轉載自科學出版社地球科學訂閱號賽杰奧（sci_geo）。

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