天然氣水合物研究進展和思考

周焱 陸迪 管超群 王媛媛(長江大學， 湖北 武漢 430100)

天然氣水合物研究進展和思考

周焱 陸迪 管超群 王媛媛(長江大學， 湖北 武漢 430100)

本文對天然氣水合物開采原理進行了介紹，并對水合物各種開采方法進行了優缺點對比，對具體開采過程提出了自己獨特的見解，并對環境帶來的危害進行了評估。

天然氣水合物；開采原理；環境影響

0 引言

天然氣水合物(Natural Gas Hydrate，本文大多為簡稱NGH)即可燃冰，是由CH4與H2O于高壓強低溫度環境中所產生的類似冰晶狀的結晶物質[1]。它的密度比冰要低一些。NGH主要具有分布范圍廣、埋藏地層淺、能源效率高、環境污染小等優點。

NGH的熱效率非常驚人，1m3的NGH可在常溫常壓釋放出164m3的CH4，是一種能量密度很高的物質。目前來看，儲存NGH資源的地方主要在大陸坡、盆地以及大部分內陸海和比較深的湖泊中[2]，在這些地區中，有以下優勢，沉積物漸漸發育，有機質相對豐富，而以CH4為主的烴類氣體來源充足，所以比較有利NGH的形成。據統計，全球天然氣水合物量為(1.8～2.1)×1016m3的天然氣，比地球上一半的碳含量還高，約為地球上化石能源含量的2倍[3]。天然氣水合物一般形成于低溫(0～10℃)、高壓(不小于10MPa)環境[4]。據測，全球已經探明的NGH共有157處，而得到實際樣品的有44處，目前有幾種開采水合物比較常規的方法：(1)熱激法；(2)降壓分解法；(3)注入化學藥劑法；(4)CO2置換法；(5)固體開采法。

1 水合物開采方法原理

1.1 熱激法

熱激法的原理是水合物被直接進行供熱，從而使該區域的孔隙水或氣壓力條件下的溫度下相平衡溫度，從而破壞它的平衡，導致NGH的分解。熱激法開采會造成大量的熱能損失并且能量轉換效率比較低，而且目前也只能進行局部加熱，特別是在永久凍層區，熱管熱能消耗過大，實在不是開采水合物的明智之舉[5]。但從一些開采數據分析中可得到，熱激法在短期生產中還是比較理想的，但很明顯這樣無法滿足長期開采的需求

1.2 降壓分解法

水合物層壓力被人為減小，因而該區域溫度條件下相平衡壓力，從而使水合物從固態分解并釋放產生CH4氣體的過程。與常規油氣開采比較相近的是降壓法開采井的設計，對于水合物層來說，如果滲透性較好，則壓力傳播較快，因此，降壓法又被視為是最有效而且經濟實惠的開采方式。但它也有著自身明顯的缺陷，是由于NGH在解相變的過程中，所需的熱量很大，由于水合物的分解，水合物局部溫度有所降低，從而二次形成水合物和冰，若是長此以往的話，不僅會堵塞滲透路徑，還會因此降低長期開采效率。

1.3 CO2置換法

CO2置換法是指利用CO2與H2O比CH4的更易結合的性質，從而在CO2注入到NGH的過程中，水合物分解，CO2和H2O結合，生成CH4。在這個過程中，還釋放了熱量，可以促進水合物加速分解。同時將CO2封存在地底下，在一定程度上，可

以降低大氣中碳含量，同時，水合物分解造成的壓強減小形成的地質災害可能性也被減小了。

1.4 注化學藥劑法

注化學藥劑法是指通過某些化學藥劑可以打破水合物相平衡的狀態，從而使水合物分解得到CH4。例如常用的有甲醇，乙醇，乙二醇和鹽水，從而將NGH的相平衡曲線向上進行推動，這樣可以讓水合物在壓力和溫度開采要求更低。在開采初期，這種方法具有注入能量低的特點，但這種方法也存在著一些缺陷，譬如，開采效率低，且給環境帶來的影響和危害還不能確定，而且化學試劑價格不是很便宜，不易大量開采使用，不僅如此，水合物一般均在較為偏僻的位置，尚不可知這會給環境帶來多大的潛在危害。

1.5 固體開采法

固體開采法是通過類似于采礦機的挖掘工具，將NGH以固體的形式挖掘開采出，將開采出的固體提升到淺海區域。被采出的NGH固體經過磨碎后并用海水加熱，使其充分分解釋放CH4。目前所存在的不足是在開采和運輸的過程中消耗能量過多，技術方面還有待突破。

2 NGH開采方法分析

2.1 水合物開采方法的優缺點對比

到目前為止，全球只有俄羅斯的一個水合物礦藏進行過相對規模較大的工業化開采，主要原因是降壓法只適用于一部分NGH礦藏開采，NGH的蓋層和底層均為非滲透層；或者NGH只有蓋層是非滲透層。但大量自由擴散的CH4卻存在于NGH礦藏里[6]。因而降壓法的適用條件限制了它的發展。熱激法開采熱損耗大，能量轉換效率不是很高，而且在開采水合物，其儲藏地區多為永久凍土區域，在這種環境條件下，熱傳遞更會在傳遞過程中大大耗減，因此開采效率低，這也是阻礙了熱激法為何沒走向工業化生產道路的制約因素。注化學試劑法是向儲層中注入甲醇類藥劑，這種方法開采效率并不高,且它的反應速率是隨著時間成反比的,反應速率逐漸降低，注入化學試劑會對底部水源產生一定的影響，給環境帶來一定的潛在危害。對于CO2置換法來說，CO2反應速率較慢，不適合大型工業化開采。固體開采法在挖掘水合物和提升水合物均為大量機械做功，能量耗費很大，其開采效益實在不高。但未來若是有技術突破，也不失為一種可行之舉。

2.2 實際開采中的方法考慮

只是采取其中一種方法，開采時各有所不足之處，因而應采取聯合開采的方法。NGH開采的初步階段，NGH處于溫度和壓強相平衡的情況，由開采水合物實際實驗和結論可得，降壓法是在初期效率最高的，但往往在實際開采過程中，由于氣藏中不含有熱源，若是向其中提供熱源，不僅可以促進CH4的生成，而且還能避免因NGH在分解過程中吸收熱量，導致管道結冰的一種現象。在供熱方式的選取上，由于水合物是極性分子，可以吸收一定量的微波，相比傳統加熱法，在熱量傳遞的過程中能量損失要減少很多。因而，開采初期可以采用降壓法和注化學藥劑法，隨著化學藥劑法和降壓法作用逐漸減小時，這時應采用熱激法。熱激法的方式為井底微波法。在這些階段中，我們并沒有用固體開采法，前面已經對原因進行闡述了，這里就不在多加贅述了。

3 環境影響

天然氣是一種溫室氣體，它所能造成的溫室效應是相同質量CO2的二十一倍[7]。又有數據表明海底NGH和CH4的總含量是大氣中所含有CH4的三千多倍，因而在開采過程中CH4的泄露，其結果是不可預估的[8]。據推測，伴隨著大氣溫度的升高，而海水和凍土區底層溫度也會慢慢受到影響而逐漸上升，到那時水合物如同被熱源供熱，水合物會自發分解釋放CH4,CH4屬于溫室氣體，很明顯這會引發惡性循環，長此已久，地球氣候必然會發生一番巨大的變化，若是沒認識到這一點，必然會造成不可預估的災難。故筆者所見，開采水合物一定要慎之又慎。

4 結語

隨著對NGH開采實驗的不斷進行，NGH逐漸吸引著人們的目光并寄托著人們對可替代能源的期望。在這些過程中，熱激法，降壓法和CO2置換法正逐漸走向成熟，并取得了一些成果[9]。但整體上來說，NGH開采只是處于一個實驗階段，目前還未能工業化開采。距離商業開發還有一段很長的路要走。

目前來說，技術方面可以采取借鑒開采化石能源的方法，在對水合物有更深一步的了解后，通過對地質結構模擬分析，能夠在開采NGH時CH4不外泄的情況下安全開采，作為有著大好前景的新能源，若是在此有了突破，相信日后會發展一次重大的能源革命。

[1]馮玉.天然氣分輸站水合物生成預測及防治[J].中國化工貿易,2015,7(26).

[2]楊培舉.可燃冰時代∶中國能源戰略的驚喜與憂患[J].中國船檢,2004,(7)∶14-17.

[3]付喆.不同類型甲烷水合物藏降壓分解特性研究[D].大連理工大學,2016.

[4]張樹林.中國海域天然氣水合物勘探研究新進展[C].中國石油地質年會,2009∶154-158.

[5]李彬彬.凍土帶可燃冰成因機理研究[D].遼寧工程技術大學,2009.

[6]劉俊杰,馬貴陽,潘振,等.天然氣水合物開采理論及開采方法分析[J].當代化工,2014,(11)∶2293-2296.

[7]楊淵,登云.松藻礦區煤層氣利用對溫室氣體減排的貢獻[J].環境科學與管理,2010,35(8)∶34-37.

[8]梁學進.天然氣水合物開采模擬實驗方法研究[D].中國石油大學,2008.

[9]吳傳芝,趙克斌,孫長青,等.天然氣水合物開采技術研究進展[J].地質科技情報,2016,(6)∶243-250.

周焱(1996- )，男，湖北黃岡人，目前為長江大學本科學生。