天然气水合物发展方向

摘 要：天然气水合物是冰状结晶固体，水和光的天然气混合形成甲烷，二氧化碳，乙烷，丙烷和丁烷。甲烷是其他沉积物中烃类气体的主要组成部分。天然气水合物是未来重要能源中最具潜力的一种。甲烷天然气水合物正日益被视为一个潜在的能源资源，在大陆架下方以及陆上的永久冻土带可以发现大量的资源储备。虽然天然气水合物具有巨大的开发价值，但其面临的问题也很多。如开采难度大，破坏环境等。如今首要的任务，就是研发新的开采技术从而解决一些列问题。

关键词：天然气水合物 环境污染 室效应 开采技术

一、天然气水合物研究现状

美国、德国、日本、俄罗斯等发达国家对天然气水合物的研究较为广泛。尤其日本对于天然气水合物， 尤其是海底的天然气水合物研究表现出了异乎寻常的热情， 在1995 年专门成立了甲烷水合物开发促进委员会， 并制定了5 年的研究开发计划， 在5年间投入了150亿日元， 而且全世界天然气水合物的3口探井中， 就有两口是以日本石油公司为首的多国石油公司钻探的，而作为经济强国的美国在1998年通过了一个投资2亿、为期10年的天然气水合物研究与资源开发计划， 目的是为了研究布莱克海台天然气水合物中甲烷资源的巨大潜力。德国则一方面靠国际合作， 一方面在国家项目支持上， 主要针对大陆斜坡力学稳定性的问题， 研究因甲烷水合物的失稳作用引发的脱气过程[4]。

中国是世界上最大的发展中海洋国家，能源短缺十分突出。中国的油气资源供需差距很大，1993年中国已从油气输出国转变为净进口国， 1999年进口石油4000多万吨， 2000年进口石油近7000万吨，预计2010石油缺口可达2亿吨。因此急需开发新能源以满足中国经济的高速发展。

二、天然气水合物的重要性

天然气水合物或甲烷水合物可以产生甲烷。海洋沉积物中天然气水合物的存在是第一次地震观测假设的基础上。天然气水合物代表世界上最大的未开发的能源之一，据估计，有可能满足全球能源下一步千年的需求。天然气水合物可能未来最重要的能源资源之一。甲烷天然气水合物越来越多地被视为一个潜在的能源资源，它最为人们关注的是它可能成为未来的最重要的能源以及它在气候变化中所扮演的角色。从能源资源的角度来看，大量的天然气水合物估计超过 50 % 的所有在地球上的化石燃料储备。未来的能源来源是什么？一些科学家相信甲烷水合物是答案之一。在地球上，其全球丰度和分布表明他们可能会成为能源未来的资源。随着能源需求和消耗的增加， 天然气水合物可作为潜在未来的能源需求的重要资源。

三、全球气候的变化以及天然气水合物对它的影响

当今世界正面临着两种环境问题：全球气候变暖和空气污染。无论是哪一种问题都与过度使用化石燃料密切相关。全球对化石燃料的消费正在以惊人的速度增加。约有 98%的碳排放是从化石燃料 （煤、 石油和天然气） 燃烧而产生的。减少使用化石燃料将大大减少的二氧化碳排放量，以及降低污染物的水平。

这可以通过使用较少的能源，或使用替代能源来实现。目前很多的致力于控制温室气体排放的重点是推进（例如，高效率燃烧） 减少碳排放的技术或没有碳氢核，，太阳能、 风能、 地热能、 等其他可再生能源或上使用更多的能量高效、 和对发展中国家的技术创新和处置的二氧化碳排放在化石燃料燃烧。此外，利用生物燃料可以减少整体的 CO2 排放量生物量燃烧，因为它是一种 CO2 的中性燃料。在化石燃料中，天然气的CO2 排放量是最不稳定的。液化的石油气 （LPG）排放的 CO2比天然气要高。目前，全球化石燃料的排放的30～40%的CO2是煤炭 。

四、现有的天然气水合物开采技术

自1810年在实验室发现天然气水合物至今，研究出的开采方法有如下几种：

1.减压开采法 一种通过降低压力促使天然天然气水合物气水合物分解的开采方法。让水、甲烷和沙子在低温、高压下凝固成可燃冰的水合物，然后再让这一化学过程逆向还原，结果随着压力的逐渐降低，水合物开始吸收热量并释放出气态甲烷。与此同时，由于水合物周围的热量被吸收，化学反应器内的温度迅速降至0摄氏度以下，因此完全释放出甲烷的剩余物质仍处于冰冻状态，便于与甲烷分离。

2.热激发开采法 天然气水合物在其平衡温度被打破时，天然气水合物就会分解为水与天然气。利用这种原理，人类开发了热激发开采法。它直接向天然气水合物层中注入热流体加热、火驱法加热、井下电磁加热以及微波加热等发展历程。

3.化学试剂注入法 人类发现当某种化学试剂注入天然气水合物层后，会破坏其平衡条件从而促进天然气水合物的分解，这些化学试剂包括：盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等。

以上三种开采方法是传统开采方法，他们虽然有效但各有缺点。热激发开采发至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题，而且只能进行局部加热，化学试剂注入开采法需的化学试剂费用昂贵，对天然气水合物层的作用缓慢，而且还会带来一些环境问题。鉴于上述种种原因，人类在近几年研发了新的开采方法包括CO2置换开采法，以及固体开采法。

CO2置换法：这种新型开采方法最早由日本学者提出，关键点是天然气水合物的稳定带。其方法类似于化学反应，利用CO2比天然气水合物稳定的性质，将压力控制才一定条件下，天然气水合物就会分解，二氧化碳水合物则易于形成并保持稳定。如果此时向天然气水合物藏内注入二氧化碳气体，其可能与天然气水合物分解出的水生成二氧化碳水合物。并且这种反应可以释放出热量，使得天然气水合物可以继续分解下去。

固体开采法：固体开采法最初是直接采集海底固态天然气水合物，将天然气水合物拖至浅水区进行控制性分解。这种方法进而演化为混合开采法或称矿泥浆开采法。原理是在海底利用采矿机把天然气水合物以固体的形式采出，再利用海底集矿总系统对浅层的水合物进行初步的分离，然后利用水力提升系统将水合物提升到海平面，水合物在提升的过程中由于压力和温度的变化，将会发生部分分解。因此，必须采用固、液、气三相混输技术输送固态水合物及分解出的气体。采出的固体水合物在研碎机充分磨碎后进入分离器，利用水泵向水合物分离器中加入适量海水，利用高温海水（海水的温度基本在20℃左右）对天然气水合物进行充分分解

五、结论

天然气水合物无论从其结构，成分以及价值来看，毋庸置疑它是最具潜力的新型能源资源。其发展潜力巨大。但是其缺陷也是非常显著，首当其冲的就是地球环境的影响。地球环境问题日益严重的今天，天然气水合物利用时所产生的负面影响是不得不考虑的问题。其二是开采天然气水合物所带来的地质灾害，天然气水合物是以固态胶结物形式赋存与岩石空隙中，天然气水合物的分解会降低海底岩石的强度，从而使岩石中空隙流体增加和岩石的内摩擦降低，在地震波或认为扰动下空隙流体压力剧烈增加，以至于引起海底滑坡。另一方面，甲烷水合物位于浅层海底地圈，这是一个微妙平衡的系统其中泥沙、 孔隙水、 流体流动、 压力，其组件上覆水，水合物的温度。在天然气水合物开采阶段删除任何一个组件这种平衡的可能破坏整个系统领先到不可挽回的损害。从而造成对海底电缆，输气管道甚至渔业的巨大损害。最后就是天然气水合物的开采技术问题，无论是传统开采方法还是新兴的开采方法都面临着开房成本过高的问题，一是仪器设备复杂、试剂昂贵。二是所面临的技术难关。例如CO2置换法，首先是反应速率的技术难关，这种开采方法有一个缺点就是反应速率过慢从而难以达到商业要求。综上所述，如何将天然气水合物合理利用，尤其是解决开采成本问题，以及攻克开采的技术难关才是天然气水合物发展的大方向。

参考文献

[1] Kurnaz MA， Calik M. A thematic review of ‘energy’ teaching studies： focuses，needs， methods， general knowledge claims and implications. Energy Educ SciTechnol Part B 2009；1：1–26.

[2]Kvenvolden KA， Lorenson TD. The global occurrence of natural gas hydrate.In： Paull CK， Dillon WP， editors. Natural gas hydrates： occurrence，distribution， and dynamics. AGU Monograph； 2000. p. 55.

[3]唐勇，金翔龙，方银霞，等.中国边缘海岩石层结构与动力过程：冲绳海槽地震、断层与天然气水合物的关系研究[M].北京：海洋地质出版社.2003.192.