天然气水合物(Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate)因其外观象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“气冰”。它是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、Hp值等)下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。它可用CH4·nH2O来表示，M代表水合物中的气体分子，n为水合指数(也就是水分子数)。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物(Methane Hydrate)。

天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、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。在标准状况下，一单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。

天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固体瓦斯”之称，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源，天然气水合物是一种新型高效能源，其成分与人们平时所使用的天然气成分相近，但更为纯净，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。

天然气水合物使用方便，燃烧值高，清洁无污染。据了解，全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，具有广阔的开发前景，美国、日本等国均已经在各自海域发现并开采出天然气水合物，据测算，我国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当我国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。

我国首次开采出天然气水合物(可燃冰)样品

我国在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”，从而成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。

2007年5月1日凌晨，我国在南海北部的首次采样成功，证实了我国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源，标志着我国天然气水合物调查研究水平已步入世界先进行列。

可燃冰的学名为“天然气水合物”，是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。“冰块”里甲烷占80%～99.9%，可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。目前，全世界拥有的常规石油天然气资源，将在40年或50年后逐渐枯竭。而科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，海底可燃冰的储量够人类使用1000年，因而被科学家誉为“未来能源”、“21世纪能源”。

据悉，迄今为止，全球至少有30多个国家和地区在进行可燃冰的研究与调查勘探。

可燃冰主要储存于海底或寒冷地区的永久冻土带，比较难以寻找和勘探。新研制的这套灵敏度极高的仪器，可以实地即时测出海底土壤、岩石中各种超微量甲烷、乙烷、丙烷及氢气的精确含量，由此判断出可燃冰资源存在与否和资源量等各种指标。

传统开采方法

(1) 热激发开采法 热激发开采法是直接对天然气水合物层进行加热,使天然气水合物层的温度超过其平衡温度,从而促使天然气水合物分解为水与天然气的开采方法。这种方法经历了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 。热激发开采法可实现循环注热，且作用方式较快。加热方式的不断改进，促进了热激发开采法的发展。但这种方法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，因此该方法尚有待进一步完善。

(2) 减压开采法 减压开采法是一种通过降低压力促使天然

气水合物分解的开采方法。减压途径主要有两种: ①采用低密度泥浆钻井达到减压目的;②当天然气水合物层下方存在游离气或其他流体时,通过泵出天然气水合物层下方的游离气或其他流体来降低天然气水合物层的压力 。减压开采法不需要连续激发,成本较低,适合大面积开采,尤其适用于存在下伏游离气层的天然气水合物藏的开采,是天然气水合物传统开采方法中最有前景的一种技术。但它对天然气水合物藏的性质有特殊的要求,只有当天然气水合物藏位于温压平衡边界附近时,减压开采法才具有经济可行性。

(3) 化学试剂注入开采法 化学试剂注入开采法通过向天然气水合物层中注入某些化学试剂,如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等,破坏天然气水合物藏的相平衡条件, 促使天然气水合物分解 。这种方法虽然可降低初期能量输入,但缺陷却很明显,它所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,所以,目前对这种方法投入的研究相对较少。

新型开采方法

(1)CO2 置换开采法。这种方法首先由日本研究者提出 ,方法依据的仍然是天然气水合物稳定带的压力条件。在一定的温度条件下,天然气水合物保持稳定需要的压力比CO2 水合物更高 。因此在某一特定的压力范围内,天然气水合物会分解,而CO2 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CO2 气体,CO2 气体就可能与天然气水合物分解出的水生成CO2 水合物。这种作用

释放出的热量可使天然气水合物的分解反应得以持续地进行下去。

(2)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。该方法的具体步骤是,首先促使天然气水合物在原地分解为气液混合相,采集混有气、液、固体水合物的混合泥浆,然后将这种混合泥浆导入海面作业船或生产平台进行处理,促使天然气水合物彻底分解,从而获取天然气

典型开采研究实例麦索亚哈气田天然气水合物的开采

麦索亚哈气田发现于20 世纪60 年代末,是第一个也是迄今为

止唯一一个对天然气水合物藏进行了商业性开采的气田。该气田位于前苏联西西伯利亚西北部,气田区常年冻土层厚度大于500 m ,具有天然气水合物赋存的有利条件。麦索亚哈气田为常规气田,气田中的天然气透过盖层发生运移,在有利的环境条件下,在气田上方形成了天然气水合物层。该气田的天然气水合物藏首先是经由减压途径无意中得以开采的。通过开采天然气水合物藏之下的常规天然气,致使天然气水合物层压力降低,天然气水合物发生分解。后来,为了促使天然气水合物的进一步分解,维持产气量,特意向天然气水合物藏中注入了甲醇和氯化钙等化学抑制剂。

麦肯齐三角洲地区天然气水合物试采集

麦肯齐三角洲地区位于加拿大西北部,地处北极寒冷环境,具有天然气水合物生成与保存的有利条件。该区天然气水合物研究具有悠久的历史。早在1971～1972 年间,在该区钻探常规勘探井MallikL238 井时,偶然于永冻层下800～1 100 m 井段发现了天然气水合物存在的证据 ;1998 年专为天然气水合物勘探钻探了Mallik 2L238 井,该井于897～952 m 井段发现了天然气水合物,并采出了天然气水合物岩心 。2002 年,在麦肯齐三角洲地区实施了一项举世关注的天然气水合物试采研究 。该项目由加拿大地质调查局、日本石油公团、德国地球科学研究所、美国地质调查局、美国能源部、印度燃气供给公司、印度石油与天然气公司等5 个国家9 个机构共同参与投资,是该区有史以来的首次天然气水合物开采试验,也是世界上首次这样大规模对天然气水合物进行的国际性合作试采研究。

阿拉斯加北部斜坡区天然气水合物开采试验

美国阿拉斯加北部普拉德霍湾—库帕勒克河地区,位于阿拉斯加北部斜坡地带。1972 年阿科石油公司和埃克森石油公司在普拉德霍湾油田钻探常规油气井时于664～667 m 层段采出了天然气水合物岩心。其后在阿拉斯加北部斜坡区进行了大量天然气水合物研究。在此基础上,2003 年在该区实施了一项引人注目的天然气水合物试采研究项目 。该项目由美国Anadarko 石油公司、Noble 公司、Mau2rer 技术公司以及美国能源部甲烷水合物研究与开发计划处联合发起,目标是钻探天然气水合物研究与试采井———热冰1 井。这是阿拉斯加北部斜坡区专为天然气水合物研究和试采而钻的第一口探井。

天然气水合物开采中的环境问题

天然气水合物藏的开采会改变天然气水合物赖以赋存的温压条件,引起天然气水合物的分解。在天然气水合物藏的开采过程中如果不能有效地实现对温压条件的控制,就可能产生一系列环境问题,如温室效应的加剧、海洋生态的变化以及海底滑塌事件等

(1) 甲烷作为强温室气体,它对大气辐射平衡的贡献仅次于二氧化碳。一方面,全球天然气水合物中蕴含的甲烷量约是大气圈中甲烷量的3 000倍 ;另一方面,天然气水合物分解产生的甲烷进入大气的量即使只有大气甲烷总量的0. 5 % ,也会明显加速全球变暖的进程 。因此,天然气水合物开采过程中如果不能很好地对甲烷气体进行控制,就必然会加剧全球温室效应。除温室效应之外,海洋环境中的天然气水合物开采还会带来更多问题。①进入海水中的甲烷会影响海洋生态。甲烷进入海水中后会发生较快的微生物氧化作用 ,影响海水的化学性质。甲烷气体如果大量排入海水中,其氧化作用会消耗海水中大量的氧气,使海洋形成缺氧环境, 从而对海洋微生物的生长发育带来危害 。②进入海水中的甲烷量如果特别大,则还可能造成海水汽化和海啸,甚至会产生海水动荡和气流负压卷吸作用,严重危害海面作业甚至海域航空作业 。

(2) 开采过程中天然气水合物的分解还会产生大量的水,释放岩层孔隙空间,使天然气水合物赋存区地层的固结性变差,引发地质灾变 。海洋天然气水合物的分解则可能导致海底滑塌事件]。近年的研究发现,因海底天然气水合物分解而导致陆坡区稳定性降低是海底滑塌事件产生的重要原因 。钻井过程中如果引起天然气水合物大量分解,还可能导致钻井变形,加大海上钻井平台的风险 。

(3) 如何在天然气水合物开采中对天然气水合物分解所产生的水进行处理,也是一个应该引起重视的问题。