能燃烧的白色“冰块”_风闻

文章来源丨中科院地质地球所

你没看错，这着火的是“冰块”！

一、什么是天然气水合物？

（我可不是块简单的“冰疙瘩”）

天然气水合物，俗称可燃冰，是分布于深海沉积物和永久冻土层中的有机化合物，是天然气和水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。

我国南海深水陆坡上的可燃冰

二、天然气水合物的发展史

（等了几亿年，终于发现我了）

天然气水合物和它的兄弟“页岩气”类似，距今大约有200年的历史，都属于清洁能源，然而不同的是，到目前为止，天然气水合物仍没有实现大规模的商业化开采，有许多技术难关亟待突破，我们先来简要回顾一下它的发展历史：

**1810年，**英国化学家HUMPHREY爵士在实验室偶然发现固态氯气水合物；

**1934年，**HAMMERSCHMIDT证实了堵塞天然气输送管线的固体物质是水合物而不是冰；

**20世纪50年代初，**研究人员通过 X 射线衍射证实水合物的化合结构；

**1965年，**前苏联在西伯利亚永久冻土带发现天然气水合物矿藏；

**20世纪70年代，**在美国阿拉斯加北部斜坡发现一定厚度水合物储层；

**20世纪80年代，**深海钻探计划（DSDP）和大洋钻探计划（ODP）在墨西哥湾、南海海槽多处发现水合物沉积层并钻采了一定样品；

2013年，我国在广东沿海珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度天然气水合物样品；

**2017年，**我国首次海域天然气水合物试采成功。

中国海域天然气水合物试采现场画面

20世纪40年代以来全球主要海域水合物钻探项目时间线

同时，全球各个国家开展了一系列钻探计划（DSDP、ODP和IODP），圈定了下图所示的天然气水合物分布远景区，为下一步重点突破打下了坚实的基础。

世界天然气水合物分布位置

三、世界天然气水合物总量

（我的资源量极为丰富）

有学者对全球天然气水合物资源量进行预测，全球天然气水合物资源量约2.1×1016立方米，相当于煤炭、石油和天然气资源总量的两倍，只要能合理的开采利用，有希望成为传统能源的完美替代品。

另外，1立方米的天然气水合物在标准状态下可释放出164立方米的甲烷和0.8立方米的水，这是什么概念呢？

1立方米的天然气水合物，它能：

可供三口之家做饭洗澡约180天；

大约等同200公斤煤炭使用；

大约可以发700度电；

可以支持家用小轿车跑1500公里（当然了，堵车的话就另说）

……

从20世纪90年代后期，我国科学家逐渐开展了水合物勘探领域的探测工作，目前已经在漠河冻土带（A）、祁连山冻土区（B）、羌塘冻土区（C）、南海北部陆坡区（D）取得水合物样品，总体而言，我国水合物资源前景巨大，总量可达1014立方米。

世界天然气水合物分布位置以及自然界中水合物赋存形态

四、天然气水合物开采思路

（想把我拿出来利用可不容易）

目前全球已经在陆域和海域有超百口深井用于水合物沉积地层的勘探和试开采研究，但是开采水合物的前提条件是尽可能保证原始沉积层的原生力学状态无重大改变以及生态环境不受影响，这是因为天然气水合物虽然是清洁能源，但是其对全球气候却有潜在威胁，因为甲烷是仅次于二氧化碳的温室气体，据相关学者预测，如果冻土带和水域的天然气水合物大量分解，甲烷释放至大气中，将对地球气候造成严重影响。

所以如何利用好天然气水合物这把“双刃剑”，是目前世界各国科学家们重点思考的问题，当前从实际效果上看最可行的开采技术方案主要有三种：

注热降压开采示意图

（1）注热法

通过注入热源(如热水等经济性流体介质)短时期内迅速升高地层温度以破坏水合物的稳定并促使水合物分解，释放出甲烷气体，缺点是热量损失大，开采效率偏低，经济性一般。

（2）降压法

降压法，由传统油气开采技术改良而来，通过降低水合物地层孔隙水压力使其低于环境温度决定的水合物相平衡压力而分解出游离气，特别适用于渗透性良好的沉积地层，是当前最经济、有效、简洁、实用的开采方式，缺点是易导致水合物的二次生成并堵塞渗透孔隙，长期效果不好。

（3）注抑制剂法

注抑制剂法，通过添加甲醇等抑制剂促使水合物分解释放游离气体，缺点是抑制剂用量大，反应缓慢且环境效果差。

除此之外，水合物开采工艺也有很多难点和不确定性：

①缺少野外地层中水合物精细分布和精确储量的更详细资料，尚无法建立更明确、细致、统一的系统方法以全面对比、评估不同类型水合物储层的可开采性，进而寻找最优开发靶区。

②水合物钻井工程和工艺还很不详细和具体，施工平台的野外布置、钻井操作及施工作业需与原地实际水合物体系更契合，还存在卡钻、砂堵、井壁滑塌等问题，2013年日本的试开采实验，就是因为海底砂流入开采井，导致实验未能完成。

③水合物钻井开采过程中的监测问题，包括地层变形、产气/水流量变化、甲烷泄漏等，目前方案还不成熟且耗费大、时间周期长。

④从目前国际上的陆、海试采结果看，经济效益普遍不理想，亟需开发能持续生产且低耗清洁的新方案、新技术和新工艺。

结语：有人把水合物的发现比喻为第二次“页岩气革命”，因为水合物中的天然气含量几乎是页岩的10倍，但目前看来，我们只是迈出了漫长征程的一小步，离真正实现具有经济效益的商业化开采还需要一线科研工作者们的共同努力！

参考文献

[1]关进安,樊栓狮,梁德青,万丽华,李栋梁.自然界天然气水合物勘探开发概述[J/OL].新能源进展,2019(06):1-10[2020-01-07].

[2]张洪涛,张海启,祝有海.中国天然气水合物调查研究现状及其进展[J].中国地质,2007(06):953-961.