天然氣水合物開采方法的研究*

趙 悅，曹瀟瀟

(江蘇第二師范學院物理與電子工程學院，江蘇 南京 210013)

隨著社會的進步，能源需求逐漸從傳統化石燃料轉向更為清潔環保的天然氣。天然氣水合物具有分布廣泛、資源量大、埋藏淺、能量密度大和潔凈等特點。全球天然氣水合物的資源有機碳總量相當于全球已探明的石油、煤和天然氣的兩倍，可滿足人類未來1000年的能源需求。在資源短缺和環境問題日益嚴峻的今天，掌握天然氣水合物的開采技術，對緩解當前的能源危機具有重要的意義。

1 天然氣水合物的晶體結構

天然氣水合物是由水和天然氣氣體分子在中高壓和低溫環境下形成的籠型結晶化合物。形成天然氣水合物的主要氣體分子為甲烷。天然氣水合物多為白色或淺灰色，因其外觀像冰，遇火即可燃燒，故也有人稱之為“可燃冰”“氣冰”或“固體瓦斯”[1]。

迄今為止已發現三種類型的天然氣水合物，即I型、Ⅱ型和H型。I型結構和Ⅱ型結構的水合物晶格都具有大小不同的兩種籠型空穴，H型結構則有三種不同的籠型空穴。一個籠型空穴一般只能容納一個客體分子，在高壓力的條件下，也能容納兩個像氫分子這樣小的分子。氣體分子和水分子之間的作用力為范德華力。如果不考慮客體分子，可以將空的水合物晶格認為是一種不穩定的冰，當一部分客體分子填充不穩定的冰的空穴時，就成了穩定的氣體水合物。

I型水合物的晶胞是體心立方結構，包含46個水分子，由2個小孔穴和6個大孔穴。I型結構在自然界分布最為廣泛，形成I型氣體分子的直徑要小于0.52 mm。Ⅱ型水合物晶胞是面心立方結構，包含136個水分子，由16個小孔穴和8個大空穴組成。H型水合物晶胞是簡單的六方結構，包含34個水分子。

2 天然氣水合物研究的現實意義

天然氣水合物在自然界廣泛分布在海底沉積物和永久凍土帶環境中。在標準狀況下，單位體積的甲烷水合物最多可分解產生164 m3的甲烷。據推測，如果達到一定的溫度壓力、在氣源和水充足的條件下水合物就有可能形成。據不完全統計，迄今在世界各地發現的天然氣水合物產地有86處，其中，地震探明50處，取到水合物樣10處，在有似海底反射層的井段測井測得水合物異常8處[2-3]。現已勘察探明的天然氣水合物中的含碳量相當于已探明現有化石能源含碳量的2倍。因此，天然氣水合物是一種重要的潛在資源且具有分布廣泛、資源量大、埋藏淺、能量密度高、潔凈特點。單位體積的水合物燃燒所能釋放出的熱量遠遠大于煤、石油和天然氣。 而且天然氣水合物燃燒后幾乎不產生污染環境的殘渣，相比于煤、石油、天然氣，污染小很多，因而可以說是未來理想的潔凈能源[1]。

隨著傳統化石燃料逐漸枯竭，在能源資源方面，世界競爭日益激烈，因此，尋求替代能源資源已是當務之急。過去的幾十年，人類在新能源開發方面做了大量的探索和努力，風能、水能、潮汐能、地熱能和太陽能迅速發展；天然氣水合物、煤層氣、頁巖氣等非常規天然氣作為清潔能源，儲量巨大，具有良好的前景，特別是天然氣水合物具有巨大的經濟價值和重要的戰略意義，各國的政府部門也意識到研究天然氣水合物研究的重要性。

天然氣水合物大多儲藏在近海大陸架的沉積層，少量儲存在高原凍土區，可滿足人類未來100年的能源需求。在能源稀缺和環境問題更加嚴峻的今天，如果能夠掌握天然氣水合物的開采技術，實現天然氣水合物的大規模開采將對緩解人類當前的能源危機具有重要的戰略意義。天然氣水合物研究對中國具有特殊的意義，祁連山盆地，漠河盆地等凍土帶地區以及中國南海都蘊含大規模的水合物資源。近年來，美國、日本德國、加拿大、印度、韓國和比利時等多國政府相繼投入了大量人力與財力，以期實現天然氣水合物的大規模安全開采[2]。

3 天然氣水合物的開采方法

由于目前一些有關水合物分解的動力學問題尚不清楚，天然氣水合物的開采技術尚處于實驗階段。至今，唯一的商業開采為20世紀70年代的俄羅斯西伯利亞的麥索亞哈氣田生產。世界范圍內水合物嘗試開采研究方面也進行過多次努力：2002年的加拿大麥肯齊地區運用加熱法試采；2008年加拿大麥肯齊地區運用降壓法試采；2012美國阿拉斯加地區運用二氧化碳置換法與降壓法結合進行試采；2013年以及2017年日本南海槽兩次運用降壓法試采以及2017年中國南海神狐海域的試采[4]。

相比于傳統型能源，水合物在開發過程中會發生相變。水合物埋藏在海洋底部時是固體，在開采過程中分子構造發生變化，會從固體變成氣體和液體。這種特點是研究開采方案的出發點。綜合各國天然氣水合物常規開采方法，大體可歸為以下三類：①注熱法；②減壓法；③化學抑制劑法。此外，隨著對天然氣水合物形成機理和水合物相平衡研究的深入，利用二氧化碳水合物置換天然氣水合物的新型開采方法也引起了關注[4]。

3.1 注熱法

注熱法的方法通常包括蒸氣注入、熱水注入、井底微波加熱、熱鹽水注入、火驅及電磁加熱、太陽能加熱等技術。注熱法具有作用直接、效果迅速、可以控制加熱位置，環境影響小，適用于多種不同儲層等優點。隨著水合物開采研究的深入發展，注熱法取得了長足進展[4-5]。

3.1.1 熱鹽水注入法

與其他加熱開采方法相比，熱鹽水注入開采水合物技術要成熟些。它的主要特點有：熱損失低，熱效率高，氣產量高，熱載體能級低。含鹽度每增加2%，能量效率比就會有增長。為了保證能量效率和氣產量，注入量至少大于795 m3/d。鹽水的溫度一般在121～204 ℃。McGuire發現在高滲透率或儲層下方可供熱鹽水注入時，熱開采技術是最有吸引力的開采方法；Kamath經實驗證實，循環注入熱鹽水在高飽和度儲層中能量利用效率高、開采效果好，同時發現多井比單井注入效率更高[4-5]。

3.1.2 電磁加熱法

采取井下裝置加熱技術，可以提高注熱法的效率。井下電磁加熱法就是其中之一。這種方法是通在垂直(或水平)井中沿井的延伸方向，在水合物層內放入不同的電極，再通以交變電流使其生熱對儲集層進行加熱。在電磁加熱的方法中，選用微波加熱是最有效的方法[4]。

3.2 減壓法

天然氣水合物的降壓開采技術是通過降低水合物層壓力，使其低于在該溫度下天然氣水合物的相平衡壓力，從而實現水合物分解的方法。一般是通過抽取水合物儲層下方游離氣儲層的氣體，造成儲層壓力下降，與天然氣接觸的水合物變得不穩定，從而分解為天然氣和水[4]。蘇聯的麥索雅哈水合物氣田就是采用這種技術開采的[5]。

目前有一種新的且已在室內模擬實驗中得到證實的觀點，即通過大幅度降壓，直至將儲層溫度降到零以下，水合物分解產生的是冰而不是液態水，需要的潛熱顯著降低，且無需外界熱量的輸入，水合物也能持續不斷分解釋放氣體。但是，在這種情況下，如果溫度保持在272 K左右，分解速率較快；如果溫度降到268 K左右，分解速率很慢[4]。

3.3 化學抑制法

化學抑制劑法是在開采過程中，通過注入化學抑制劑(如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等)達到改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物穩定溫度，改變天然氣水合物穩定層的溫壓條件的目的，從而促使部分天然氣水合物的分解。化學抑制劑法十分簡單、使用方便，但缺陷是費用、作用緩慢和對環境存在潛在的污染風險。實驗表明，天然氣水合物的溶解速率與很多因素有關，例如抑制劑濃度、注入排量、壓力、抑制液溫度及水合物和抑制劑的接觸面面積等。麥索雅哈氣田水合物氣層的開采初期，在兩口井的底部注入甲醇后，產量增加了6倍；在做美國阿拉斯加的永凍層水合物的實驗中，有效地成功移動相邊界，獲得了明顯的氣體回收效果[6]。

化學抑制試劑有三大類：熱力學抑制劑、防聚劑和動力學抑制劑。傳統的水合物化學抑制劑都具有耗量大、成本高、毒性強等缺點。隨著研究的深入，人們又發現了另外兩種新型的抑制技術，即以表面活性劑為基礎的防聚結技術和阻止晶核成長的動力學技術。隨著環保意識的增強，當前研究的熱點是開發性能優良，價格低廉的動力學抑制劑。注化學試劑法主要研究的方面為：抑制劑的化學結構、物理性質、安全濃度值、環境影響、成本分析和脫水能力等[5-6]。

3.4 二氧化碳置換法

二氧化碳水合物比甲烷水合物更穩定，二氧化碳置換法是通過將二氧化碳氣體注入水合物儲層，置換出甲烷進行開采。Ebinuma[7]首次提出運用二氧化碳置換海底和凍土區域水合物中的甲烷的設想。Ohgaki等[8]第一次用實驗證明了水合物藏中二氧化碳置換甲烷的可行性。該方法有兩個好處，一是完整地保護水合物沉積層，避免因為水合物開采引起的海洋地質災害。二是將工業生產出來的二氧化碳氣體封存于海底地層，減緩溫室效應。

4 結 語

雖然國內在天然氣水合物的研究方面起步較晚，但是已經取得豐碩的進展。隨著研究的深入，天然氣水合物資源勘查資金的投入也逐漸由單一的國家調研項目經費轉變為國家調查專項、973計劃項目及三大石油公司的勘查項目形成的立體。在廣大科技工作者的共同努力下，我國將在天然氣勘探開發技術不斷取得新進步。

各國的政府部門已認識到天然氣水合物巨大的經濟價值和重大的研究意義，可以預見，在不久的將來，天然氣水合物在化石能源中將扮演越來越重要的角色。