天然气水合物勘探概况
天然气水合物开发现状及其环境问题
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天然气水合物开发现状及其环境问题
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天然气水合物开发现状及其环境问题
天然气水合物开发现状及其环境问题
摘 要：当今世界经济整体都在迅猛发展，随之而来的就是能源紧张以至于枯竭的地步，寻求高效清洁的新能源成为世界各国普遍追求的目标，进而天然气水合物就进入人们的主要关注目标。天然气水合物是目前世界上没有开发的可利用程度较高的潜在能源，其储藏量相当于全世界汽油和天然气资源的总和。天然气水合物在全球范围内分布广而储藏量又巨大，本身具有极大的开发前景，被认为是二十一世纪最理想的替代能源。无可置疑，天然气水合物是一种蕴含巨大价值的潜在能源，虽然天然气水合物的开发处于探索阶段，但是对这种新型能源的研究和开发具有相当大的意义。
关键词：天然气水合物 开发现状 环境问题
有关专家分析判定天然气水合物的形成是由于海洋板块之间的活动造成的。海洋板块之间相互运动，深海天然气随着板块的裂缝涌上来。在深海的高压的作用，温度相对较低的海水与之间产生化学反应，进一步形成天然气水合物，也就是所谓的甲烷水合物。但是由于开发天然气水合物的技术还不是很成熟，在开发的过程中会对环境产生一系列不良的影响，例如全球大气变暖、破坏的海洋生态平衡的和造成海底滑坡等环境问题。 一、对天然气水合物的基本情况
天然气水合物的可利用程度较高，而且是清洁新能源，因此，受到各国科学家的普遍关注，对于地球上的天然气水合物的储存也在量一直在讨论之中。早期科学家们根据天然气水合物形成所需要的条件，进一步来推断天然气水合物储存量，得出的结论就是天然气水合物储存量是全球石化以及天然气资源量的2倍，而且绝大多数分布在海洋之中。近年来在全球范围内实施海洋探索计划，有关研究者对天然气水合物储存量重新做了评估，评估表明，最新估算的储存量比早期的结论减少了将近一半。尽管是这样，天然气水合物的储存量还是很丰富的。资料表明，目前全球范围内的天然气水合物保守估计的储
天然气水合物Natural Gas Hydrate
天然气水合物Natural Gas Hydrate
天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate）是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“气冰”。
天然气水合物甲烷含量占80%～99.9%，燃烧污染比煤、石油、天然气都小得多，而且储量丰富，全球储量足够人类使用1000年，因而被各国视为未来石油天然气的替代能源。
天然气水合物赋存于水深大于100-250米（两极地区）和大于400-650米（赤道地区）的深海海底以下数百米至1000多米的沉积层内，这里的压力和温度条件能使天然气水合物处于稳定的固态[1] 。
目前，30多个国家和地区已经进行“可燃冰”的研究与调查勘探，最近两年开采试验取得较大进展。我国计划于2015年在中国海域实施天然气水合物的钻探工程，将有力推动中国“可燃冰”勘探与开发的进程。
天然气水合物是指由主体分子（水）和客体分子（甲烷、乙烷等烃类气体，及氮气、二氧化碳等非烃类气体分子）在低温（-10℃~+28℃）、高压（1~9MPa）条件下，通过范德华力相互作用，形成的结晶状笼形固体络合物其中水分子借助氢键形成结晶网格，网格中的孔穴内充满轻烃、重烃或非烃分子。水合物具有极强的储载气体能力，一个单位体积的天然气水合物可储载100~200倍于该体积的气体量。
组成结构
编辑
天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate），也称为可燃冰、甲烷水合物、甲烷冰、天然气水合物、“笼形包合物”（Clathrate），分子式为：CH4·nH2O，现已证实分子式为CH4·8H2O。。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”(英译为：Flammable ice）或者“固体瓦斯”和“气冰”。形成天然气水合物有三个基本条件：温度、压力和原材料。
天然气水合物勘查技术及环境效应研究进展
第２３卷第４期 ２０１１年８月 岩性油 气藏 ＬＩＴＨ０Ｌ０ＧＩＣ ＲＥＳＥＲＶＯＩＲＳ Ｖｏ１：２３ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１１
文章编号：１６７３—８９２６（２０１１）０４—００２０—０５
天然气水合物勘查技术及环境效应研究进展
唐瑞玲 ，一，孙忠军 ，张富贵
（１．成都理工大学核技术与自动化工程学院；２．中国地质科学院物化探研究所）
摘要：天然气水合物是天然气和水在特定条件下形成的一种透明的冰状结晶体，是一种新型非常规能
源，在我国具有广阔的勘探领域和良好的勘探前景。文中对天然气水合物勘探技术和环境效应进行了归 纳总结，勘探技术包括地震方法、地球化学方法、地球物理测井方法和其它方法（直接钻孔法、地形地貌识
别标志法），环境效应包括引发海底滑塌、加剧温室效应及破坏海洋生态平衡等，并对天然气水合物勘探 及环境效应的研究现状作了综合评述。 关键词：天然气水合物；勘查技术：环境效应；研究进展
中图分类号：ＴＥ１３２．２ 文献标识码：Ａ
０ 引言
进入２１世纪以来，油气资源的问题再次引起广 泛关注…。随着能源需求的日益扩大，作为新型非
常规能源的天然气水合物，以其能量高、分布广、规 模大等特点为解决能源问题提供了一把钥匙 ２＿。 天然气水合物（Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｈｙｄｒａｔｅ）因其外观
像冰且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰” 。 它是近几十年来发现的一种新型的战略资源。是由
气体分子（主要为甲烷）和水在低温（０～１０ ｏＣ）高压 （＞１．０１￣１０ Ｐａ）条件下形成的非化学计量的、笼形结 晶化合物Ｅ３ ３。天然气水合物具有能量密度高、分布
广、规模大、埋藏浅等特点，同时它的分解还会引起 重大的环境灾害，对其开发利用有着重要的资源和 环境意义。
１ 天然气水合物的勘查技术
我国东海和南海广阔的海域有形成天然气水
合物的地质、地理和地貌条件。具备良好的成矿环 境 ４］，同时我国还是世界上多年冻土分布面积第三 大国，青藏高原多年冻土区活动带具备形成天然气 水合物的特殊地质条件［５］。我国已在南海和青藏高 原等地发现了许多地球物理和地球化学异常标志。 并在南海和祁连山冻土区钻出实物样品［６］．因此加 强天然气水合物的勘探研究，对我国有重大的经济 意义和战略意义。
我国首次钻获天然气水合物
３０８ 资源环境与工程 ２００７车
近；距离ＣＫ５．１采矿旁的变辉绿岩脉最近的村庄有：位
于北东方向２９０ ｍ处的槽坊湾，位于南西方向３００ ｍ
处的强园湾，位于东南方向４００ ｍ处的藕堰湾。孔内
变辉绿岩呈黄绿色，含有黄铁矿细粒状集合体。采坑
边岩脉呈灰黄灰绿色，只要稍加注意，即可分辨，可喜
的是该岩脉远离农舍，位于山中，不会对当地农民构成
放射性危害。
（２）防止放射Ｉ生物质进入体内虽然变辉绿岩的
辐射率剂量当量小于国家规定值，但在有此岩脉的矿坑中
工作还是应该采取措施，防患于未然。其措施如下：
①通风。避免空气中的氡浓度和放射性物质浓度
超标；②带口罩。减少含放射性物质粉尘的吸入；③严
禁在矿坑中吸烟吃东西或喝水，这是最易使放射性物
质携人体内的途径；④带手套、穿工作服，出入坑道的
衣服也应与Ｅｔ常所穿的衣服分开，下班后勤洗手；⑤带
有伤口的手千万不能接触放射性物质，必须当伤口愈
合后才能恢复工作。
做好以上工作，我们就可以避免 辐射对人体的
危害。 ４结束语
青山寨钒矿区天然 辐射环境水平背景为１７．６
×１０～Ｒ／ｈ，高于背景值的各类板岩、第四系浮土、钒
渣场，但不会对人体及环境造成放射性辐射危害。只
有变辉绿岩脉有可能对人体及环境造成放射性危害，
但只要避免永久居住生活在此岩体之上，就不会对人
体造成危害。在今后矿山开采中，要加强放射性辐射
监测，在遇有变辉绿岩脉的坑道中，要注意放射性卫生
防护。
参考文献：
［１］秦馨菱．放射性勘探［Ｍ］．北京：地质出版社，１９５８． ［２］湖北省随州市曾都区青山寨矿区钒矿地质普查报告［Ｒ］．襄樊：
鄂西北地质矿产调查所，２００６． ［３］赣州地质学校，长春地质学校．地球物理勘探原理［Ｍ］．北京：地 质出版社，１９８０． ［４］成都地质学院．金属矿地球物理勘探［Ｍ］、北京：地质出版社， １９７５、 ［５］ＧＢ４７９２－－８４，放射卫生防护基本标准［ｓ］．
天然气水合物
天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate）是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、PH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（碳的电负性较大，在高压下能吸引与之相近的氢原子形成氢键，构成笼状结构）。它可用mCH4·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）。
到目前为止，已经发现的天然气水合物结构类型有三种，即I型结构、II型结构和H型结构。I型结构气水合物为立方晶体结构，其在自然界分布最为广泛，其仅能容纳甲烷（C1）、乙烷这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的形式是构成CH4·5.75H2O的几何格架。II型结构气水合物为菱型晶体结构，除包容C1、C2等小分子外，较大的“笼子”（水合物晶体中水分子间的空穴）还可容纳丙烷（C3）及异丁烷（i-C4）等烃类。H型结构气水合物为六方晶体结构，其大的“笼子”甚止可以容纳直径超过异丁烷（i-C4）的分子，如i-C5和其他直径在7.5～8.6A之间的分子（表2）。H型结构气水合物早期仅见于实验室，1993年才在墨西哥湾大陆斜坡发现其天然形态。II型和H型水合物比I型水合物更稳定。除墨西哥湾外，在格林大峡谷地区也发现了I、II、H型三种气水合物共存的现象。
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。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。
天然气水合物钻探取样技术现状与实施研究
２０１１年第１期 西部探矿工程 ８９
天然气水合物钻探取样技术现状与实施研究
戴金岭 ，许俊良 ，宋淑玲 ，王永禄 ，陈玉国
（１．胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营２５７０１７；２．胜利石油管理局海洋钻井公司，山东东营２５７０１７）
摘要：天然气水合物作为一种高效、清洁的新能源，已经引起世界广泛关注。由于天然气水合物的
不稳定性，采用的钻探取芯装置必须具备保真功能。目前，国内的取样装置均是在调查船上进行作业
的，仅限于３０ｍ之内的沉积物中取样，石油钻探用保压取芯工具均无法达到该要求。为了解决上述
问题，根据国外资料调研，采用绳索保温保压取芯方案可减少样品在取回过程中的时间，使岩样尽量
接近原始状态。简要介绍了国内外发展现状及实施研究的初步设想，目的是通过获取天然气水合物
保真样品，加快对水合物的分析与勘探步伐，使该清洁能源早日服务于人类。
关键词：水合物；取样装备；钻探船 中图分类号：ＴＥ２４４文献标识码：Ａ文章编号：１ＯＯ４—５７１６（２Ｏ１１）Ｏｌ—Ｏ０８９一Ｏ４
天然气水合物（ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅ）是一种白色固体结晶
物质，外形像冰，有极强的燃烧力，可作为上等能源，俗
称为“可燃冰”。据理论计算，ｉｍａ的天然气水合物可释
放出１６４ｍ３的甲烷气和０．８ｍａ的水［１］。这种固体水合
物只能存在于一定的温度和压力条件下，一般它要求温
度低于０￣Ｃ～１０℃，压力高于１０ＭＰａ，一旦温度升高或
压力降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。
由于天然气水合物的这一特殊性，若要获得其样品具有
一定的难度，从海底到地面压力和温度都要发生很大的
变化，要实现岩芯样品保持接近原始状态，必须利用特
殊的取样设备。 １ 国外钻探取样技术现状［２＿ｎ］
目前，国内外钻井船使用的保压取芯器主要由国际
深海钻探计划（ＤＳＤＰ）使用的保压取样筒ＰＣＢ、国际大
洋钻探计划（ＯＤＰ）使用的保压取芯器ＰＣＳ、活塞取样
天然气水合物的形成条件及成因分析
图1天然气水合物晶体结构模型Figure1Crystalstructuremodelofnaturalgashydrate天然气水合物是以CH4为主，含少量CO2、H2S
的气态烃类物质充填或被束缚在笼状水分子结构
中形成的冰晶化合物。在一个烃类气体分子的周围
包围着多个水分子，水分子通过氢键紧密缔合成三
维网状，将烃类气体分子纳入网状，体中形成水合
甲烷，其晶体结构模型如图1。这些水合甲烷象淡灰
色的冰球，可以象酒精块或蜡烛一样燃烧，故称为
“可燃冰”,其密度为0.905～0.91g/cm3，化学式为CH4·nH2O，只要把结构中的“水”去掉，就是一种理
想的燃料。
从能源的角度看，天然气水合物可视为高度压
缩的天然气。理论上讲，1m3的天然气水合物在标准
大气压下（0.101MPa）可以释放出164m3的天然气和0.8m3的水，其能量密度是煤和黑色页岩的10倍左右，且燃烧几乎不产生有害污染物，是一种新型的
清洁环保能源，是公认的地球上尚未开发的、巨大
的能源宝库。
世界天然气水合物储量约为2×1016m3，相当于
地球上所有开采石油、天然气和煤的总量的2倍，
约为剩余天然气储量（156×1012m3）的128倍。海底
作者简介：蒋向明（1964—），男，教授级高级工程师，1986年毕业于湘潭矿业学院，中国矿业大学工程硕士。责任编辑：
樊小舟天然气水合物的形成条件及成因分析
蒋向明
（中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸056004）
摘要：从天然气水合物的晶体结构模型出发，说明了其组成成分及结构特征。通过对温度—压力平衡条件的差异性分析，揭示了天然气水合物形成的基本条件，对其赋存类型及成因进行了分类，对我国及全球天然气水合物分布情况进行了说明，并以青海木里煤田为例，对天然气水合物的形成条件和成因进行了详细的论述，认为：变质作用及煤化作用使煤田内丰富的煤炭资源不断产生煤层气,当煤层气沿断层破碎带及裂隙运移至含水岩层或含水裂隙时,在温度和压力的作用下遇水形成天然气水合物。强调在开发利用天然气水合物时，必须考虑水资源的保护和综合利用。关键词：天然气水合物；分布特征；形成条件；存在类型；成因分析；木里煤田中图分类号：P618.130.1文献标识码：A
天然气水合物研究现状及我国对策—香山科学会议第160次学术讨论会观点摘要
第１７卷第３期 ２００２年６月 地球科学进展 ＡＤＶＡＮＣＥ ＩＮ ＥＡＲＴＨ ＳＣＩＥＮＣＥＳ Ｖｏ１．１７ Ｎｏ ３ Ｊｉｍ．，２００２
文章编号：１００１－８１６６（２００２）０３－４６１—０４
天然气水合物研究现状及我国对策
——香山科学会议第１６０次学术讨论会观点摘要
关键词：天然气水合物；地球物理探测；ＢＳＲ现状及对策
中图分类号：Ｐ６１８ 文献标识码：Ｃ
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。现有研究表明，天然气水合物是一种 未来的优质、洁净能源，其蕴藏量约是现有地球化石
燃料（石油、天然气和煤）总碳量的２倍；它作为温 室气体甲烷的最大载体，又可能是影响全球气候变
化和引发海底地质灾害的重要因素。
我国一些学者在２０世纪８０年代末开始注意到 国外天然气水合物的研究动态，中国科学院资源环
境科学信息中心组织力量率先开展了文献调研工 作。近年来，国内许多科研机构的科研人员已进入
这一研究领域，并有了一定的科研积累。如何把握
这一领域的最新研究动态、发展趋势，深入理解关键 科学技术问题，分析我国可能的天然气水合物资源
前景以及应有的对策，成为科技界十分关注的迫切
问题。 在金翔龙和戴金星院士倡议推动下，促成了主
题为“天然气水合物研究现状及我国的对策”的香
山科学会议第１６０次学术讨论会（２００１年２月２７～ ３月１日）的召开。来自国家海洋局、中国科学院、 中国石油天然气总公司、中国海洋石油总公司、中国
石化股份有限公司、国土资源部及全国高校的２２个
单位的３５位专家学者，围绕天然气水舍物形成机制
的前沿科学问题、天然气水合物的相关技术、我国天 然气水合物的资源前景及应采取的对策、天然气水
合物的环境效应４个中心议题进行了广泛、深入的 交流和讨论。
天然气水合物开采技术与挑战
天然气水合物开采技术与挑战
近年来，随着各国对能源的需求不断增大，天然气水合物的开采技术也日益成熟。但与此同时，天然气水合物的开采也面临着诸多挑战。本文将从技术、环境和经济等多个角度探讨天然气水合物开采技术及其挑战，并简要介绍国内外天然气水合物开采现状。
一、技术挑战
目前，天然气水合物的开采技术主要有两种，一种为直接采掘，即在海底钻井、生产、输送；另一种则为间接采掘，即通过水平井/斜井等方式产气。但无论是直接采掘还是间接采掘，都存在许多技术挑战：
1.开采难度大
天然气水合物的开采存在多种难度，如水合物密接度较大，难以直接进行开采和钻井；气体释放过程中易引起溃塌。
2. 海底环境复杂
海底环境条件恶劣，腐蚀现象明显，海水深度大，水温低，不利于设备运行和维护，增加了开采难度。
3. 受天气条件影响
直接采掘需要在海上进行，容易受到海浪、风暴和其他自然灾害的影响，安全风险较大。
4. 开采成本高
由于天然气水合物的开采技术难度大、成本高，导致开采成本较高，需要考虑经济可行性。
二、环境挑战
天然气水合物主要存在于海底，因此，其开采过程对海洋环境的影响是不可避免的。具体表现如下：
1. 海底生态环境破坏
直接采掘和间接采掘都会对海底生态环境造成一定程度的破坏，如浮游生物和底层生物的生存环境受到破坏。
2. 排放污染物
开采过程中会产生大量的废水、废气和废渣，其中含有多种有害物质，如重金属、有机化合物等。这些废物的排放将对海洋环境造成不良影响。
三、经济挑战
天然气水合物的开采面临的经济挑战主要有两个方面：
1. 投资大，回报慢
由于天然气水合物的开采技术难度大，需要大量的资金投入，而且开采周期长，回报慢，往往需要数年才能收回投资。
2. 市场不确定性
随着天然气水合物的大规模开采，市场供应将会增加，而需求没有同步增长。这将导致天然气水合物的价格下降，直接影响企业的盈利能力。
四、国内外天然气水合物开采现状
天然气水合物研究进展
《资源节约与环保》2012年
第六期论
文
与
案
例
交流1水合物晶体结构和性质
传统化石能源（煤、石油和天然气）的大量消耗带动了工业
和社会的进步，然而对能源的过度依赖也使得全球陷入能源危
机之中并积极发展替代能源。由于有技术及经济等众多壁垒的
限制，使得清洁新能源大规模工业化利用尚需一定时日。因此，
天然气水合物的开发利用被很多国家提上日程，近年来获得了
突飞猛进的发展。有文章指出，天然气水合物的储量两倍于煤、
石油和天然气总储量之和。因其主要成分为甲烷等各类可燃气
体，是上等的优质燃料，若能合理有效地利用这些能源，无疑将
会极大地缓解整个世界能源体系的危机现状。当前全球已经有
79个国家发现了天然气水合物，而30多个国家相继开展了水合
物的研究工作[1]。2007年，中国在南海北部成功钻获天然气水合
物实物样品，成为继美国、日本，印度之后世界上第四个通过国
家级研发计划采到水合物实物样品的国家。
天然气水合物是由某些气体或它们的混合物与水在一
定温度、压力条件下生成的一种半稳态的类似于致密冰雪的
冰状笼型固体化合物，由水分子的几何晶格构成，晶格含有
被轻烃或其他轻质气体(如氮气、二氧化碳)占据的空穴，一
般在25℃以下有可能形成。水分子称为主体分子，而轻烃或
其它轻质气体通常称为客体分子。由水分子通过氢键形成不
同形式的刚性笼架晶格，每个笼架晶格中包含一个主要为甲
烷的天然气分子，水分子与天然气分子之间通过范德华力
相互吸引。在自然界中，水合物大多存在于大陆永久冻土带
和海底沉积层中，其组成以甲烷为主，与天然气相似，故常称
作天然气水合物，其中甲烷含量高达99%的天然气水合物又
称为甲烷水合物。
已经发现的水合物类型共有三种[1-6]：I型、II型和H型。其中结构Ⅰ型属于体心立方体结构，可由天然气小分子在深海
形成，其笼架晶格以各自的笼架体心堆砌排列。结构Ⅱ型属
于金刚石立方结构，可由含分子大于乙烷小于戊烷的烃形
成。结构I型和结构II型主要有小腔和大腔两种结构。结构H型