天然气水合物

天然气水合物研究与开发天然气水合物是一种新型的燃料资源，其储量相当丰富，可成为未来能源转型的重要后备力量。

目前，天然气水合物研究与开发已经成为全球能源科技的热点。

一、什么是天然气水合物天然气水合物，是一种以天然气和水形式结合的化合物，也称为天然气冰或脆冰。

它的分子结构是由天然气分子和水分子构成的六边形晶格结构，其中天然气占70%左右，水分子占30%左右。

由于这种化合物在常温常压下呈脆性，有如冰块，因此被称为水合物。

天然气水合物分布广泛，主要分布在浅海和大陆架上，特别是北极地区、南海和日本海等开垦较少的区域。

据估算，全球天然气水合物储量超过14万亿立方米，其中中国的海域储量最高，达3400亿立方米以上，是世界最大的天然气水合物资源国家。

二、天然气水合物研究与开发现状天然气水合物研究和开发虽然起步较晚，但近年来取得了密集的进展。

目前，全球主要的天然气水合物开发国家包括日本、美国、加拿大、印度、中国等。

在日本，多家大型能源公司已经积极投资天然气水合物的开发研究。

日本已经建立了一系列天然气水合物研究机构，主要研究领域包括天然气水合物开采、运输、存储等方面。

美国和加拿大也在积极开展天然气水合物研究工作，主要集中在研究天然气水合物的资源量和开采技术等。

美国已经成立了多个天然气水合物研究中心和联合实验室，而加拿大则在开采海域天然气水合物方面颇具优势。

在印度，天然气水合物研究和开发也备受重视。

印度天然气公司和国家天然气水合物公司联合投资，开展天然气水合物研究和开采工作。

中国也将天然气水合物作为战略能源资源来进行研究开发。

自2013年以来，中国天然气水合物开发基地建设进展迅速，中国海油、中海油、中化集团等多家国内大型能源公司也进行了天然气水合物研究和开发工作。

三、天然气水合物的优缺点与传统燃料相比，天然气水合物具有许多优点。

首先，天然气水合物储量丰富，可作为未来的主要能源资源；其次，天然气水合物燃烧释放出的二氧化碳排放量较低，不会对环境造成较大污染；最后，天然气水合物与液化天然气相比，其产生的碳排放量更少，能源利用效率更高。

天然气水合物的危害与防止天然气水合物（又称冰火）是一种在高压和低温条件下形成的物质，由水和天然气分子相结合而成。

它主要存在于深海沉积物中，是一种潜在的能源资源。

然而，天然气水合物也具有一定的危害，并需要采取适当的措施进行防止和控制。

以下是有关天然气水合物的危害和防止方法的详细说明。

一、天然气水合物的危害1. 环境污染：天然气水合物的开采和开发过程中，会产生大量的废水和废气。

废水中含有一定浓度的盐和重金属等有毒物质，如果未经处理直接排放到环境中，将会对水体和生态系统造成严重污染。

废气中含有甲烷等温室气体，其对全球气候变化的影响也不可忽视。

2. 地质灾害：天然气水合物属于一种稳定的结构，在地质条件发生改变时，有可能导致其解聚释放出大量的天然气。

这些气体若在地下形成较大规模的气囊，有可能引发火灾、爆炸等地质灾害，对周围环境和人类的安全造成威胁。

3. 海洋生态系统破坏：天然气水合物存在于深海沉积物中，开采和开发这些水合物往往需要使用大量的设备和工具，这些设备在操作过程中可能会对海洋生态系统造成破坏。

例如，底部拖缆或钻浆泄漏可能导致海洋底栖生物死亡，捕捞设备的使用可能破坏底栖生物的生活环境。

4. 社会经济影响：天然气水合物是一种潜在的能源资源，如果能够成功开发和利用，将会对经济产生重大的影响。

然而，由于水合物开发技术的复杂性和风险性，开发难度较大，并且需要大量的资金投入。

一旦投资失败，将会对相关企业和国家的财务状况产生负面影响。

二、天然气水合物的防止1. 加强监管和管理：针对天然气水合物开采和开发活动，应加强监管和管理。

完善相关法律法规，建立健全的监测和检测机制，确保开发活动符合环境保护和安全标准。

对违规行为严肃追责，提高违法成本，减少不合规行为的发生。

2. 发展环保技术：开发天然气水合物的过程中，应加强环境保护技术研究和应用。

例如，开展废水处理和废气排放控制技术研发，提高处理效率和降低对环境的影响。

同时，应大力发展清洁能源技术，减少对水合物的依赖，推动可再生能源的发展。

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。

1第一章 天然气水合物第一节 水合物的形成及防止一、天然气的水汽含量天然气在地层温度和压力条件下含有饱和水汽。

天然气的水汽含量取决于天然气的温度、压力和气体的组成等条件。

天然气含水汽量，通常用绝对湿度、相对湿度、水露点三种方法表示。

1．天然气绝对湿度每立方米天然气中所含水汽的克数，称为天然气的绝对湿度，用e 表示。

2．天然气的相对湿度在一定条件下，天然气中可能含有的最大水汽量，即天然气与液态平衡时的含水汽量，称为天然气的饱和含水汽量，用e s 表示。

相对湿度，即在一定温度和压力条件下，天然气水汽含量e 与其在该条件下的饱和水汽含量e s 的比值，用φ表示。

即：se e =φ （1-1）3．天然气的水露点天然气在一定压力条件下与e s 相对应的温度值称为天然气的水露点，简称露点。

可通过天然气的露点曲线图查得，如图1-1所示。

图中，气体水合物生成线（虚线）以下是水合物形成区，表示气体与水合物的相平衡关系。

该图是在天然气相对密度为0.6，与纯水接触条件下绘制的。

若天然气的相对密度不等于0.6和（或）接触水为盐水时，应乘以图中修正系数。

非酸性天然气饱和水含量按下式计算：W ＝0.983WoC RD Cs （1-2）式中 W ——非酸性天然气饱和水含量，mg/m 3； W 0——由图1-1查得的含水量，mg/m 3； C RD ——相对密度校正系数，由图1-1查得；Cs ——含盐量校正系数，由图1-1查得。

对于酸性天然气，当系统压力低于2100kPa （绝）时，可不对H 2S 和（或）CO 2含量进行修正。

当系统压力高于2100kPa （绝）时，则应进行修正。

酸性天然气饱和水含量按下式计算：2 图1-1 天然气的露点3)W y W y W 0.983(yW S H S H CO CO HC HC2222++= （1-3）式中 W —酸性天然气饱和水含量，mg/m 3；2CO y ，S H 2y ——气体中CO 2，H 2S 的摩尔含量；HC y ——气体中除CO 2，H 2S 以外的其它组分的摩尔含量；W HC ——由图1-1查得的含水量，mg/m 3；2CO W ——CO 2气体含水量，由图1-2查得； S H 2W ——H 2S 气体含水量，由图1-3查得。

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。

天然气水合物引言天然气水合物（Methane Hydrates），简称NGHs，在过去几十年中备受关注。

天然气水合物是一种特殊的化学物质，它是天然气和水形成的结晶化合物。

它的结构中包含了天然气分子（主要是甲烷）和水分子，形成了固体晶体结构。

天然气水合物存在于寒冷的深海底部和极地地区的沉积物中，被认为是一种巨大的未开发能源资源。

这篇文章将会介绍天然气水合物的形成过程、分布情况、潜在的能源潜力以及对环境和气候的影响。

形成过程天然气水合物的形成需要同时具备压力和温度条件。

在大部分的天然气水合物形成地点，地下水的渗透会将水带到脆弱的沉积物层中。

当水和天然气接触时，由于寒冷的温度和高压力，水和天然气中的甲烷分子会结合成为水合物晶体。

这种过程被称为水合物形成。

天然气水合物形成的主要条件是温度低于零下6摄氏度且压力超过200个大气压。

分布情况天然气水合物广泛分布于全球寒冷的海洋和极地地区。

它们主要存在于深海海底的沉积物中，以及北极地区的冻土和冰川中。

据估计，全球的天然气水合物资源量巨大，可能比现有的天然气储量还要多。

然而，由于水合物存在的极端环境条件和技术挑战，目前还没有进行大规模开采。

潜在的能源潜力天然气水合物被认为是未来能源的候选者之一，因为它们拥有巨大的能源潜力。

根据估计，全球的天然气水合物储量可能远远超过传统天然气储量。

特别是在亚洲地区，天然气水合物被视为减少对进口石油和天然气依赖的一种替代能源。

然而，天然气水合物的开采和利用面临着技术挑战和环境风险。

技术挑战天然气水合物的开采和利用面临着许多技术挑战。

首先，水合物形成的地点通常位于深海或极地等极端环境中，需要克服高压、低温和深水等条件。

其次，水合物本身的物理性质使得开采过程更加困难，因为水合物在外部环境下会分解成天然气和水，导致压力下降和结构不稳定。

此外，无论是开采还是运输天然气水合物，都需要解决海底管道技术和安全问题。

环境风险天然气水合物开采和利用会对环境产生一定的影响和风险。

天然气水合物结构图天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称GasHydrate）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”。

天然气水合物天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate）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.。

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。

据了解，全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，具有广阔的开发前景，美国、日本等国均已经在各自海域发现并开采出天然气水合物，据测算，中国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当中国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。

天然气水合物可燃冰的学名为“天然气水合物”，是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。

“冰块”里甲烷占80%～99.9%，可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。

1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。

目前，全世界拥有的常规石油天然气资源，将在40年或50年后逐渐枯竭。

而科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，海底可燃冰的储量够人类使用1000年，因而被科学家誉为“未来能源”、“21世纪能源”。

可燃冰主要储存于海底或寒冷地区的永久冻土带，比较难以寻找和勘探。

新研制的这套灵敏度极高的仪器，可以实地即时测出海底土壤、岩石中各种超微量甲烷、乙烷、丙烷及氢气的精确含量，由此判断出可燃冰资源存在与否和资源量等各种指标。

沉睡中的未来能源：可燃冰（天然气水合物）胜利油田培训中心目录•一、什么是可燃冰•二、可燃冰开采方法•三、可燃冰利用的前景分析一、什么是天然气水合物（可燃冰）？•天然气水合物（Natural Gas Hydrate/Gas Hydrate）是由天然气与水分子在高压（>10MPa）和低温（0～10℃）条件下形成的一种类冰状结晶物质，因其外观像冰，遇火即燃，因此被称为“可燃冰”（Combustible ice），化学式为CH₄·nH₂O。

天然气水合物（可燃冰）优势：•一是天然气水合物分布广泛；•全球天然气水合物所含天然气总资源量约为1.8～2.1×1016m3，其热当量相当于全球已知煤、石油和天然气（化石燃料）总热量的2倍；•据国际地质勘探组织估算，地球深海中可燃冰的蕴藏量是常规气体能源储存量的1000倍，且在这些可燃冰层下还可能蕴藏着大量的天然气。

可燃冰一旦得到开采，将使人类的燃料使用时延长几个世纪。

•三是能量密度大；•四是清洁度高。

•它比常规天然气杂质更少，燃烧后几乎不产生污染物，是未来理想的洁净能源。

我国天然气水合物资源•2017年5月，我国在南海北部的首次采样成功，证实了我国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源。

•我国天然气水合物存在的区域：•南海西沙海槽•东沙陆坡•台湾西南陆坡•南沙海槽•冲绳海槽等。

对于输气管道来讲水化物是有危害的二、天然气水合物开采方法开采方法注热开采减压开采注化学试剂开采CO2置换固体开采传统开采方法新型开采方法1.注热开采•注热开采法就是对天然气水合物层进行加热，使天然气水合物层的温度超过其平衡温度，从而促使天然气水合物分解为水和天然气的一种开采方法。

•根据热源产生方式不同，该方法又可分为直接注入热流体加热法、火驱加热法、井下电磁加热法、微波加热等；•该方法的特点是可实现循环注热，作用方式快，但需要消耗大量的能量，热利用效率低。

2.减压开采•减压开采就是通过降低压力促使天然气水合物分解的一种开采方法。

可燃冰，即天然气水合物，分子式CH4·8H2O，密度0.9 g/cm3，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”，可燃冰的学名为“天然气水合物”，是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。

特点1：高能：“冰块”里甲烷占80%～99.9%，可直接点燃，同等条件下，可燃冰燃烧产生的能量比煤、石油要多出数十倍，1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水，其甲烷能效是常规天然气的2-5倍。

特点2：储量大：全世界拥有的常规石油天然气资源，将在40年或50年后逐渐枯竭。

而科学家估计，海底可燃冰的储量够人类使用1000年。

特点3：清洁无污染：可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。

开采方法：开采方案主要有三种。

第一是热激化法。

利用“可燃冰”在加温时分解的特性，使其由固态分解出甲烷蒸汽。

但此方法难处在于不好收集。

海底的多孔介质不是集中为“一片”，也不是一大块岩石，而是较为均匀地遍布着。

如何布设管道并高效收集是急于解决的问题。

方案二是减压法。

减压开采法是一种通过降低压力促使天然气水合物分解的开采方法。

但它们都面临着和热解法同样布设管道并高效收集的问题。

方案三是“置换法”。

研究证实，将CO2液化，注入1500米以下的洋面，就会生成二氧化碳水合物，它的比重比海水大，于是就会沉入海底。

如果将CO2注射入海底的甲烷水合物储层，因CO2较之甲烷易于形成水合物，因而就可能将甲烷水合物中的甲烷分子“挤走”，从而将其置换出来。

开采弊端：会导致甲烷气的大量散失，从而使大气中的温室气体含量急剧增加；“可燃冰”埋藏于海底的岩石中，不易开采和运输。

天然气水合物在给人类带来新的能源前景的同时，对人类生存环境也提出了严峻的挑战。

天然气水合物中的甲烷，其温室效应为CO2的20倍，温室效应造成的异常气候和海面上升正威胁着人类的生存。

化学选修3《物质结构与性质》P85选题2天然气水合物（一种潜在的能源）天然气水合物——可燃冰一、可燃冰相关概念可燃冰：天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。

（又称笼形化合物）甲烷水合物（Methane Hydrate）：用M·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。

又因外形像冰，而且在常温下会迅速分解放出可燃的甲烷，因而又称“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”）。

因为可燃冰的主要成分为甲烷，为甲烷水合物，而甲烷在常温中为气体，熔、沸点低，所以甲烷为分子晶体，因而可燃冰也为分子晶体。

可燃冰存在之处：天然气水合物在自然界广泛分布在大可燃冰陆、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。

天然气水合物在全球的分布图在标准状况下，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。

笼状化合物（Clathrate）：在天然气水合物晶体中，有甲烷、乙烷、氮气、氧气二氧化碳、硫化氢、稀有气体等，它们在水合物晶体里是装在以氢键相连的几个水分子构成的笼内，因而又称为笼状化合物。

天然气分子藏在水分子中水分子笼是多种多样的二、可燃冰的性质可燃冰的物理性质：（1）在自然界发现的天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色亚等轴状、层状、小针状结晶体或分散状。

（2）它可存在于零下，又可存在于零上温度环境。

（3）从所取得的岩心样品来看，气水合物可以以多种方式存在：①占据大的岩石粒间孔隙；②以球粒状散布于细粒岩石中；③以固体形式填充在裂缝中；或者为大块固态水合物伴随少量沉积物。

可燃冰的化学性质：1、在冰的空隙（“笼”）中可以笼合天然气中的分子的原因：(1)气水合物与冰、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性：①相同的组合状态的变化——流体转化为固体；②均属放热过程，并产生很大的热效应——0℃融冰时需用0.335KJ的热量，0～20℃分解天然气水合物时每克水需要0.5～0.6KJ的热量；③结冰或形成水合物时水体积均增大——前者增大9％，后者增大26％～32％；④水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或水合物；⑤冰与气水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小于同类的水层；⑥含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层；⑦含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。

天然气水合物
天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate），又称笼形包合物（Clathrate），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）下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物，其遇火即可燃烧。

它可用M·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）。

天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、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。