天然气水合物的研究进展
天然气水合物研究历程及发展趋势新
天然气水合物研究历程及发展趋势摘要综合国内外关于天然气水合物的研究，概述其从发现、初步研究到深入研究的历程，总结了各阶段国内外天然气水合物研究的成果和进展。
从1810年发现天然气水合物以来，世界各地的科学家对气水化合物的类型和物化性质、自然赋存条件和成藏条件、资源评价、勘探开发手段等进行了广泛而卓有成效的研究。
总结世界各国天然气水合物的研究现状并指出了其发展趋势。
研究表明我国的许多海区具有天然气水合物形成的条件，希望2020年能够进行商业开采。
关键词：天然气水合物(gas hydrates)是一种由气体和水形成的冰状白色固态晶体，常在一种特定的高压低温条件下形成并稳定存在，广泛发育在浅海底层沉积物和深海大陆斜坡沉积地层以及极地地区的永久冻土层中。
目前各国科学家对全球天然气水合物的资源量较为一致的评价为2×1016m3，是剩余天然气储量的136倍(1·56×1 014 m3)，如果将此储量折算为地球上的有机碳资源，它将占总资源的一半以上。
1国外天然气水合物的研究现状由于当前化石燃料(包括煤、石油与天然气)，特别是其中的石油和天然气能源的短缺，使人们对天然气水合物这种高效潜在能源格外关注，自20世纪90年代以来，世界各国对潜力巨大的新型能源—天然气水合物的研究做了大量投入，已经取得了重大进展。
1995年，美国在海上钻井平台(简称ODP)第164航次中，率先在布莱克海脊布设了3口勘探井，首次有计划地取得了天然气水合物样品。
美国参议院委员会在1998年5月一致通过1418号议案—“天然气水合物研究与资源开发计划”。
把天然气水合物资源作为国家发展的战略能源列入长远计划，决定批准用于天然气水合物资源研究开发的每年投入为2 000万美元，计划到2015年实现商业性开采。
2002年4月，在圣彼德堡召开的国际海洋矿产会议上，美国地质调查局的W·J·Wintres展示的天然气水合物和沉积物检验实验室装置(简称GHASTLI)代表了当前天然气水合物模拟实验的最高水平，正在进行的是自然界和实验室形成的天然气水合物-沉积物的物理性质的研究。
[详细讲解]二氧化碳置换法开采天然气水合物的研究进展
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二氧化碳置换法开采天然气水合物的研究进展摘要:天然气水合物( NGH) 是存储于深海沉积物和冻土区域的新型洁净能源，注入CO2到NGH 储藏置换开采天然气是经济和环保的新型NGH 开采方法。
CO2置换NGH 研究从热力学和动力学证实都是可行的，置换反应自发进行，受扩散控制、NGH 储藏环境、气体组分、注入CO2相态等因素影响。
从实验和理论上分析置换原因、置换微观过程和置换的相态变化，阐述影响置换速率和置换效率的因素，为我国温室气体捕集、存储和NGH 开采提供基础数据和理论支持。
关键词:天然气水合物; 置换开采; 二氧化碳; 置换机理甲烷水合物广泛存在于冻土层和深海海底，也就是天然气水合物（natural gas hydrate，ＮＧＨ），１９６５年，人们首次承认ＮＧＨ作为一种巨大能源资源蕴藏在全球的普遍存在，并开始研究。
在过去的三四十年间，有关ＮＧＨ的研究得到了迅猛发展，作为天然气水合物研究的重要环节，水合物的开采技术自２０世纪９０年代开始，一直是人们重点研究的课题。
传统的水合物开采技术主要有３种：热激法，降压法，热力学抑制剂法，以上３种技术都是通过改变水合物层的环境，致使天然气水合物层处于热力学不稳定状态后分解并释放出天然气（ＣＨ４）。
由于气体水合物的分解，容易破坏水合物地层结构，从而导致洋底斜坡灾害，对海洋环境甚至地球安全都造成影响。
为此，一种新型更安全的开采技术“CO₂置换法开采ＣＨ４”正逐渐成为科学家们研究的重点。
这种技术通过向ＮＧＨ中引入另一种客体分子CO₂，降低水合物相中ＣＨ４分子的分压而将ＣＨ４分子从水合物中置换出来，达到开采ＣＨ４的目的由于置换反应直接发生在水合物相中，不同客体分子在不改变水合物结构的情况下进行交换，因此置换法开采技术不会造成地质灾害，因此不存在安全隐患。
在本文中，对置换法开采ＮＧＨ中ＣＨ４的可行性分析，反应微观机理以及影响置换反应的因素做进一步论述。
1. CO₂置换法开采ＣＨ４可行性研究置换反应可行性分析主要包括热力学可行性及动力学可行性分析。
天然气水合物三轴压缩试验研究进展
（ 低温、 高压） 及稳 定性 的影 响， 必须对三轴仪做一
些必 要 的改 进 ， 以适 合 实 验 的 需 要 （ 以下 简 称低 温 三轴 仪 ） 由于 天 然 气 水 合 物 对 温 度 的 强 烈 敏 感 。
沉积物强度降低面 ； 同时因天然气水合物分解所
释放沉积物 的孔 隙空 间 ， 会使 沉 积物 中孔 隙 流体
１ 天 然 气 水 合 物 三 轴 试 验 装 置
天然 气水 合 物既 有 土 的重要 特性 ， 又有 别于 土 ，
正确认识这种差异 ， 可借用 土力学 的手段对天然气
水 合 物机 械特 性 的进 行 研 究 。如 有效 应 力 原 理 、 固 结理 论 以及相 应 的一 些 实验 方法 。三轴仪 是研究 土 样 机 械特 性较 为 理 想 的 设 备 ， 其 实 测值 比平 面 应 虽 变仪 和 真 三 轴 仪 偏 低 ， 于 工 程 应 用 是 偏 于 安 全 对
合 物稳 定存 在 的温度 压力 条 件 ， 即相 平 衡条 件 ， 成 造
的 ， 因其试验原理 和操作方法相对简单而得到 ］且 广泛应用 。但 由于天然气水 合物 易受其 生成条件
其分解 ， 目前开采天然气水合物 中天然气资源 的 是
主要方 法 。天然气 水 合物 经 常 以 固态胶 结 物形式 赋 存于沉 积物 孔 隙中 ， 然 气 水 合 物 的分 解 会 使 海 底 天
第３卷 ３
第２ 期
天 然 气 勘 探 与 开 发
天 然气 水 合 物 三 轴 压 缩 试 验 研 究 进 展 术
李洋辉 宋永 臣 刘 卫 国
（ 海洋能源利用 与节能 ” “ 教育部重点实验室 ・ 大连理工大学 ）
摘
国内天然气水合物相平衡研究进展
国内天然气水合物相平衡研究进展摘要：分析了目前国内天然气水合物相平衡领域的五大主要研究热点，认为含醇类和电解质体系中天然气水合物的相平衡是研究中最活跃的领域，而多孔介质中天然气水合物的相平衡研究是未来天然气水合物相平衡研究的热点和难点问题。
关键词：天然气；水合物；相平衡；替代能源Review of the Phase Equlibria on The Natura1 Gas Hydrate athomeAbstract: According to the literature investigation at home，the five main researeh hot spots for the phase equllibria are analysed.The phase equilibria in aqueous solutions containing electrolytes and/or alcohol is the most active in all the research fields.While the Phase equilibria in natura1 Porous media is one of the essential hot spots and difficult problems during the phase equllibria researeh in future.Key words: natural gas；hydrate；phase equilibria ；alternative energy1、前言天然气水合物具有能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅、成藏物化条件优越等特点，是21世纪继常规石油和天然气能源之后最具开发潜力的清洁能源，在未来能源结构中具有重要的战略地位。
由于天然气水合物处于亚稳定状态，其相态转换的临界温度、压力和天然气水合物的组分直接制约着天然气水合物形成的最大深度和矿层厚度。
天然气水合物开采技术研究进展
天然气水合物开采技术研究进展天然气水合物是指天然气和水分子在高压、低温下形成的结晶体，是天然气的一种新形式。
天然气水合物的丰富储量和广泛分布，在能源领域具有非常重要的战略意义。
目前，天然气水合物开采技术研究已经取得了一些进展，本文将从四个方面进行分析。
一、天然气水合物开采技术研究现状天然气水合物开采技术一直是石油天然气领域的研究焦点，当前主要包括以下方面：1、水合物钻探技术：研究水合物在钻探过程中的动力学行为和物理性质，并开发出适合于水合物探测的传感器、仪器等设备。
2、水合物开采技术：通过人工或自然措施改变温度、压力、浓度等环境因素，使水合物分解，达到开采目的。
3、水合物输送技术：在水合物开采后，需要将天然气输送到加工厂进行加工处理，目前研究正在进行中。
4、水合物加工技术：水合物加工技术是将开采的水合物转换成生产能用的商品气体，主要涉及水合物裂解、去除杂质、压缩储存等方面。
二、天然气水合物开采技术研究现状目前，世界各国均在加速水合物开采技术的探索，例如日本在2013年成功进行了深层水合物开采实验，韩国也在2016年成功进行了大规模天然气水合物探测试验。
而我国则于2017年成功进行了天然气水合物试采。
在这些实践中，研究者们不断探索优化开采技术，提高开采效率。
1、温度管理技术天然气水合物开采需要在压力较高的环境下进行，为使水合物分解，需要通过温度管理技术来控制水合物的热解温度。
目前，研究者们主要通过水淬、电热、压缩利用等方法来达到控制温度的目的。
2、压裂技术在水合物开采过程中，如果仅仅靠温度变化来改变水合物体积、压力，开采效率较低。
因此，需要依托压裂技术，通过向水合物区域注入压缩空气、水等物质来达到改变水合物体积的目的。
3、高效减阻剂技术在输送天然气的过程中，水合物会因发生极性相互作用而粘附在输送管道及設备表面，严重影响输送效率。
高效减阻剂技术可将水合物与管道表面分离，提高天然气输送效率。
三、天然气水合物开采技术成果目前，天然气水合物开采的有效储量还未被准确评估。
天然气水合物研究进展与开发技术概述
未来发展方向
未来发展方向
随着科技的不断进步，天然气水合物的研究和开发将迎来更多的发展机遇。 未来，天然气水合物的研究将更加深入，涉及的领域将更加广泛。在开发技术方 面，将会发展更加环保、高效、低成本的技术，如微生物法、化学试剂法和纳米 技术等。同时，加强天然气水合物全产业链的研发和优化，推动其在能源、化工、 制冷、航空航天等领域的应用。
研究进展
研究进展
天然气水合物是指在一定条件下，甲烷等气体分子与水分子形成的笼形化合 物。其形成和稳定主要受温度、压力、气体成分和盐度等多种因素影响。近年来， 随着地球科学、地质工程、能源工程等领域的发展，人们对天然气水合物的研究 逐步深入。
研究进展
目前，全球范围内天然气水合物的研究主要集中在以下几个方面：（1）形成 机理与分布规律；（2）物理性质与化学性质；（3）开采技术与经济性；（4） 环境影响与安全性。尽管取得了许多重要成果，但仍存在许多挑战，如天然气水 合物的稳定性和开采过程中的环境风险等。
天然气水合物储运技术的研究现状
2、高效开采技术研究：针对天然气水合物的开采，研究者们开发出了一系列 新型的高效开采技术，如水平井技术、多分支井技术等，大大提高了开采效率。
天然气水合物储运技术的研究现状
3、储运安全技术研究：针对天然气水合物储运过程中的安全问题，研究者们 通过模拟和分析不同情况下的风险因素，提出了一系列有效的安全防技术概述
天然气水合物储运技术概述
天然气水合物，又称可燃冰，是由天然气（主要是甲烷）与水在高压、低温 条件下形成的笼形结晶化合物。由于其储存量大、燃烧清洁、开采成本低等优势， 被视为一种具有巨大潜力的能源。然而，这种化合物的非稳定性以及难以运输的 问题，一直是阻碍其开发利用的主要难题。因此，天然气水合物的储运技术成为 近年来研究的热点和难点。
流动体系天然气水合物生长研究进展
物 生长的理论模 型应用于流动体 系中的不 多； 动 力学／ 将 传质／ 传热 三者有机 结合起 来 的模 型研 究还不
成 熟 。并 提 出 了 未 来研 究 的 方 向及 建议 。
关键词
天 然气
水合物 生长
动力学
传质
传热 Ａ 文章编 号 ０ ５ －０４ ２ １ ）２０４ －８ ２ ４６ ９ （ ００ ０ －２ ９０
将显微仪所观察到的水合物生长过程的主要
特点 归纳 总结 如下 ： ａ ．客体 分子 连续 相 与 水 分 子 连续 相 分 层存
第３ ７卷
第 ２期
化
工
机
械
２ｌ ５
在时， 水合 物会 在 相 间 界 面迅 速 生 长形 成 水 合 物 分界层 （ １ ）在 客体 液滴或 者气 泡 在连 续 的水 图 ｃ；
２０ ５
化
工
机
械
２１ ００年
水合 物生 长 的实 验观 测多 采用显 微摄 像技 术
验 的结果 均表 明水合 物 是 在 相 界 面处 开 始 形成 、
的仪器实验研究 。实验现象会随着实验体系、 实 验设 备和 实 验环 境 的不 同 而不 尽 相 同 。但 是 ， 实
生 长和 发 展 的
转 向深海领域 ， 开发过程 中的流动保 障问题成为 安 全生产 的关 键 。海底 高压 低温 的恶 劣条 件为 天
然气 水合 物形 成 提 供 了有 利 的环 境 。当前 ， 制 控 管道 中天 然气水 合 物生成 的方 法 主要有 添加 抑制
天然气水合物的生 长是一个多组分多阶段结 晶 过程 。水合 物形 态 学 可 以为研 究 水 合物 晶体 结 Ｊ
⑦＿ ⑩了 ◇ 一 ◎ ０ ③了 ④ ◎ ⑧了
天然气水合物开采技术的研究进展
天然气水合物开采技术的研究进展近年来，随着全球化进程的不断加速，能源的安全稳定已成为国际社会面临的重要挑战。
在国内外一系列能源资源储量调查中，天然气水合物资源大幅增加，也成为各国争夺的焦点。
天然气水合物是一种以天然气为主要组分，水分子在低温高压下形成固态的天然储藏形式，被誉为21世纪最具潜力的清洁能源之一，具有巨大的开发与利用价值。
然而，由于天然气水合物的开采技术尚未成熟，致使国内外开采难度大、成本高等问题无法完全解决。
因此，天然气水合物开采技术的研究成为当前的热点之一，各国先后开展了大量的相关研究工作。
目前，天然气水合物的开采技术主要有两种类型：一种是通过水合物层中的气体扩散，使压力降低，温度升高，引起水合物分解，释放出天然气的热采技术；另一种是通过管道将深海中的火焰和水合物输送到地面的矿井或船只进行分离转化，再运回岸上进行加工处理和储存的冷却技术。
在热采技术中，主要包括“钻井法”和“冻结法”两种方法。
其中，“钻井法”是指通过在天然气水合物层下钻井，在井道下方注入水或化学缓蚀液，使得水合物层下方压力下降，从而达到水合物储藏层解聚的效果。
而“冻结法”则是一种较为先进的技术，采用液态氮或低温冷媒进行深部冷却，使水合物分解释放天然气。
由于采用了低温技术，所产生的水合物冷却至极低温，成为块状冻结，因此技术成熟度更高，效果更为显著。
在冷却技术中，主要采用“混合工质法”和“气水分离法”两种方法。
其中，“混合工质法”是通过将水和水合物混合，稳定物理化学条件，制造为工质，在适当的温度和压力下，使天然气释放分离。
而“气水分离法”则是利用CO2的溶解度比氮气小，并不侵蚀金属材料的化学性质，从而实现CO2与水合物的较好配合。
除此之外，还有一些新型技术的出现。
比如，“快速水合物拆分技术”，通过高能量射线、声波或超声波的给入，瞬间达到水合物解聚的效果，从而实现了天然气的高效提取。
这些技术的出现不仅降低了开采的成本，而且更加节能环保，更符合现代产业发展的趋势。
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天然气水合物的研究进展
天然气水合物的研究进展
摘要：天然气水合物是一种继煤，石油与天然气等能源之后的新型能源物质，它被誉为21世纪最清洁的能源物质。
本文章介绍了天然气水合物的概念以及形成条件，追溯了天然气水合物的发展历程。
重点分析了国内外的研究情况，这为指导我国天然气水合物事业奠定了坚实的基础。
天然气水合物的研究对于人类有着非比寻常的意义，还存在着一些难关有待于我们去探索。
关键词：天然气水合物进展能源物质意义探索
一、引言
1.1天然气水合物的概念
天然气水合物就是我们熟称的“可燃冰”或者固体“瓦斯”是因为它的外观像冰一样而且遇火燃烧。
天然气水合物是天然气与水在一定的高亚低温条件下形成的类似冰状的结晶物质，其主要是分布在深海沉积物和陆域的永久冻土，岛屿的斜坡地带等地域。
天然气水合物的研究起源于20世纪的一次科学考察中发现的矿产资源，虽然其成分与天然气相似但是较之更为纯净，开采时只需要将固体的“天然气水合物”升温减压就可以释放出大量的甲烷气体。
天然气水合物作为一种新型的高效能源当之无愧的被誉为“21世纪最具有商业开发前景的战略资源”。
1.2天然气水合物的形成条件及优点
天然气水合物的分子结构式为CH4?8H2O，其分子结构就像一个一个由若干水分子组成的笼子。
形成可燃冰有三个基本条件：温度，压力和原材料。
首先需要低温的环境，天然气水合物在在0―10℃时生成，在超过20℃的温度时便会分解。
其次需要高压的条件：在0℃时只需要30个大气压就可以满足可燃冰的生成然而在海洋深处，30个大气压是很容易满足的并且气压越大水合物越不容易分解。
最后充足的气源是必不可少的。
在海底深处经常会有很多有机物的沉淀，这些有机物质中含有丰富的碳，经过生物转化后可以产生充足的气源。
综上天然气水合物的生成条件可以发现由于海底地层的多孔介质性并且在温度，压力，气源都能满足的情况下可燃冰就会在介质的空隙中生成，所以我们在开采天然气水合物的时候主要在深海岛屿等地区。
二、国内天然气水合物的研究进展
2007年五月1日凌晨，中国在南海北部的首次采样成功，这一历史性的壮举证实了中国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源，从而成为继美国日本印度之后的第四个国家级研发计划采到天然气水合物实物样品的国家，标志着中国天然气水合物调查研究水平已步入世界先进行列。
相比于美国印度等国家我国天然气水合物资源调查与评价工作起步晚。
我国于1999年在国家发展改革委、财政部等大力支持下，国土资源部整合了国内各方面优势力量正式启动天然气水合物资源调查。
到目前为止，中国对海底天然气水合物的研究与勘查已取得一定进展，南海西沙海槽等海区发现的天然气水合物的标志表明中国海域分布有天然气水合物资源，值得我们开展进一步的工作；2005年4月14日，中国在北京举行中国地质博物馆收藏中国首次发现的天然气水合物碳酸盐岩标本仪式。
据国土资源部地质勘查司副司长车长波介绍：今后国土资源部将按照国家规划部署，全面组织实施我国海域、陆域天然气水合物资源勘查评价，通过加快天然气水合物勘查评价和重点靶区钻探取芯工作，开展天然气水合物成藏机理和富集规律等理论研究，加大天然气水合物试开采及环境评价等关键技术攻关力度，力争早日实现天然气水合物开发利用，以减缓我国的面临的环境污染问题，真正的实现资源的可持续发展。
三、国外天然气水合物的研究进展
在天然气水合物的研究方面，美国一直走在世界的前列也是世界上关于天然气水合物勘察与开采研究最活跃的国家。
早在1968年美国就在布莱克海台开展了天然气水合物的调查，2002年美国研制的热激发法在加拿大Mallik的试验中取得成功。
美国参议院通过的天然气水合物的研究与开发法案中决定大幅度的增加天然气水合物调查研究与开发，在2025年之前一定要论证海相甲烷水合物砂储层的
技术可行性和经济可开采性。
早在20世纪70年代就开始了陆地冻土带可燃冰的研究，2002年加拿大与日本，美国，德国，印度等合作实施的“Mallik天然气水合物探测井”的项目成功的进行了天然气水合物藏注热的开采，2004年加拿大又开展了天然气水合物开发的潜在利益研究。
2008年再次进行了降压与注热联合开采的项目，成功的证明了注热和降压法可以实现天然气水合物矿藏的开发，这一成果开创了天然气水合物开发利用的又一里程碑，为将来的生产和商业应用奠定了基础。
日本是目前在天然气水合物研发方面比较先进的国家之一，该国的实力处于国际领先水平。
日本与1999年和2004年两度实施南海海槽天然气水合物的钻探成功的获得了可燃冰的样本。
之后两次参与加拿大三角洲水合物的研发试验有力的促进了天然气水合物钻探和测试技术的发展。
目前在日本已经初步形成了天然气水合物层位测井，钻完井配套技术体系；2005年到2008年之间，日本再次勘察到大量的可燃冰样本，建立了天然气水合物模拟开采和沉积物机械特性研究装置，目前正在开展系统的开采研究工作。
德国在可燃冰的研究方面也是出于世界领先水平，该国尤其重视对天然气水合物环境影响的研究。
20世纪90年代以来就和其他国家合作先后在东太平洋，西南太平洋等海域进行了可燃冰的研究。
2000年德国正式公布了《地球工程学――地球系统；从地球认识到地球管理》的大型研究计划，这个计划预计2015年底完成。
四、意见及建议
1，我国南海地区具有得天独厚的地质条件，建议尽快这些地区的天然气水合物的调查研究工作，用更加先进的技术提高采收率，实现我国国民经济的快速发展，也同时响应国家的号召实现资源节约些环境友好型社会。
2，作为21世纪能源界的娇子，可燃冰的研究受到各国政府的高度重视，其调查研究成果日新月异，尤其美国印度德国等国家在这方面的研究处于世界领先水平，所以强烈建议我国政府以及科学家加强与这些国家的交流合作，及时了解到最新成果学习先进技术为我国的天然气水合物的调查勘探与开发事业做出伟大的贡献。
3，由于自然或者人为因素所引起的温度压力的变化均会使得可燃冰的分解，造成海底滑坡，生物灭亡和气候变暖等环境灾害，所以开展室内外天然气水合物钻采的研究已经迫在眉睫。
4，学习国外的管理经验成立专门的国家可燃冰研究机构，由政府机构和企业大学共同组成，这可以使得各个水合物研究机构相互配合相互交流，减少资源的浪费。
据相关资料显示2007年我国已经在南海获取水合物样品各方面的研究已经证明水合物具有较大潜能，所以成立国家性水合物研究机构的时机已经成熟。
参考文献
[1]雷怀彦，王先彬，房玄，郑艳红。
《天然气水合物研究现状与未来挑战》。
沉积学报。
1999年03期
[2]杨帆，李志平，张世浩《天然气水合物的研究现状与展望》。
资源与产业2007年02期。
[3]李强，王焕新。
《天然气水合物――一种巨大的潜在能源》。
能源研究与利用。
1996年03期
[4]金庆焕。
天然气水合物――未来的新能源。
中国工程科学。
2000年11期
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