每日科技名词天然气水合物

天然气水合物的产生与开采天然气水合物（Natural gas hydrate)，简称天然气水合物，也称冰沸石，是一种在高压、低温条件下形成的天然气沉积物，为天然气与水素键合成分的混合物，通常以颗粒状或其它形态存在于海洋沉积物或极地深层地质中。

天然气水合物的成因是天然气在海洋底层沉积物和极地深层地质中，由于水体在低温高压环境下，形成氢键结合，使天然气分子与水分子形成水合物，形成所谓的天然气水合物。

天然气水合物通常存在于深水海底或者低温高压地区，有些水合物矿床中包含的有机质很高，其中蕴藏的可燃气数量多达全球其他天然气资源总量的数倍，为人类提供了一种巨大的新能源类型。

天然气水合物对人类社会的意义巨大，提供了新的能源来源，天然气水合物在全球应用于较早的国家有日本、韩国等，但其在燃烧时会产生二氧化碳，于是有人提出了是选择安全性高，温室气体排放较少的天然气水合物为新的能源，甚至有人认为天然气水合物是可再生能源。

天然气水合物开采目前在全球尚处于探索阶段，不过这项新能源对世界各国的科学家、工程师以及实验室正在进行着许多尝试。

不同的国家采用了不同的天然气水合物开采方法，如日本研究开发的坑道式和隔断缝隙式；美国和加拿大探讨的地面注射的沸石层，俄罗斯尝试的地面气水合物矿；而中国正在开展利用沉积物层的“4+1”水合物开采技术。

这些开采方法的不同，还需进一步验证其可行性，通常存在着较大的风险和挑战。

天然气水合物的开采面临许多困难和问题：第一是地质勘察和探测，如何准确判断潜在的矿床的位置和含量。

第二是采矿工艺和技术，如何实现高效率、稳定的采矿和萃取。

第三是环境问题，如何在开采过程中保证海洋生态系统和渔民的生产生活。

第四是经济问题，如何在开采中保持盈利和市场竞争力等等。

在开采天然气水合物的过程中，对环境和周围社区的影响需要更多的研究和关注。

虽然天然气水合物是一种很有前途的可再生能源，但我们仍然需要遵循杏仁经营、可持续发展的原则，同时采用更加可持续的生产方式，减少对环境的影响和损害。

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。

天然气水合物一、简介天然气水合物（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”。

分子式为CH4·8H2O。

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。

形成可燃冰有三个基本条件：温度、压力和原材料。

首先，低温。

可燃冰在0—10℃时生成，超过20℃便会分解。

海底温度一般保持在2—4℃左右，所以一般在冰土带的地方较多。

；其次，高压。

可燃冰在0℃时，只需30个大气压即可生成，而以海洋的深度，30个大气压很容易保证，并且气压越大，水合物就越不容易分解。

最后，充足的气源。

海底的有机物沉淀，其中丰富的碳经过生物转化，可产生充足的气源。

海底的地层是多孔介质，在温度、压力、气源三者都具备的条件下，可燃冰晶体就会在介质的空隙间中生成。

二、特点天然气水合物具有分布广、资源量巨大、埋藏浅、能量密度高的特点。

1.分布广泛据推算，世界上占海洋总面积90%的海域具有天然气水合物形成的温压条件；据调查，世界天然气水合物矿藏的面积可达全部海洋面积的30%以上。

目前，实际上在所有海洋边缘水深大于300～500m 的大陆斜坡上均已发现了天然气水合物，在一些海洋边缘的深水海台或盆地的浅部地层中也都直接或间接地发现有天然气水合物，在极地冻土带和极地陆架海也发现有天然气水合物，证明天然气水合物分布十分广泛。

据初步研究，我国东海陆坡和南海陆坡及盆地具备天然气水合物的成矿条件和找矿前景，其中南海西沙海槽、台湾东南陆坡已发现天然气水合物存在的地球物理标志。

2.资源量巨大天然气水合物是全球第二大碳储库，仅次于碳酸盐岩，其蕴藏的天然气资源潜力巨大。

据保守估算，世界上天然气水合物所含天然气的总资源量约为（1.8～2.1）×1016m3，其热当量相当于全球已知煤、石油和天然气总热当量的2倍，也就是说，水合物中碳的总量是地球已知化石燃料中碳总量的两倍。

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。

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

它可用CH4·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。

性质天然气水合物是一种白色固体物质，外形像冰，有极强的燃烧力，可作为上等能源。

它主要由水分子和烃类气体分子（主要是甲烷）组成，所以也称它为甲烷水合物。

天然气水合物是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下，由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质。

一旦温度升高或压强降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。

（1立方米的可燃冰可在常温常压下释放164立方米的天然气及0.8立方米的淡水）所以固体状的天然气水合物往往分布于水深大于300 米以上的海底沉积物或寒冷的永久冻土中。

海底天然气水合物依赖巨厚水层的压力来维持其固体状态，其分布可以从海底到海底之下1000 米的范围以内，再往深处则由于地温升高其固体状态遭到破坏而难以存在。

从物理性质来看，天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度，剪切系数、电解常数和热传导率均低于冰。

第五章油气聚集与油气藏的形成5.17 天然气水合物一、基本概念及分类天然气水合物是在特定的低温和高压条件下，甲烷等气体分子天然地被封闭在水分子的扩大晶格中，形成似冰状的固态水合物。

自然界中存在的天然气水合物的天然气主要成分为甲烷，又称为甲烷水合物（Methane Hydrates）。

有时乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳及硫化氢也可与甲烷一起形成固态混合气体水合物，故又称固态气水合物(Solid Gas Hydrates）。

天然气水合物是甲烷等气体和水分子组成的类似冰状的固态物质，其分子式为M·nH2O，其中M是以甲烷气体为主的气体分子数，n为水分子数。

天然气水合物实质上是一种水包气的笼形物。

其中的水结晶成等轴晶系，水分子形成刚性笼架晶格，每个笼架晶格中均包括一个主要为甲烷的气体分子。

（图据张厚福等，1999）天然气水合物结构图天然气水合物的组成我国天然气水合物分布有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）天然气水合物的气体来源形成水合物的气体主要有3种来源：沉积物中的有机质在细菌降解作用下产生的生物成因气；深部有机物或石油在热裂解作用下产生的热解成因气；由火山作用产生的无机成因气。

天然气水合物可作为深部气藏的良好盖层,也可形成水合物气田。

形成天然气水合物需具备的四个基本条件:①充足的天然气和水，天然气主要是生物成因气，其次热成因气；②较低的温度，一般温度低于10℃；③较高的压力，一般压力大于10MPa；④有利的储集空间。

最重要的是低温和高压条件，且温度与压力可在一定范围内相互补偿。

气体水合物的压力-温度图解（据D.L.Katz等，1959）二、天然气水合物形成与分布二、天然气水合物形成与分布气体水合物的形成要求压力随温度线性升高而呈对数地增加，因而在大多数沉积盆地中，压力增加的幅度都远远无法满足这个要求，水合物在21～27℃温度下都将分解，因而形成水合物的深度下限约在1524m，随各地地温梯度的不同而有所变化。

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。

传统开采方法(1) 热激发开采法热激发开采法是直接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与天然气的开采方法。

这种方法经历了直接向天然气水合物层中注入热流体加热、火驱法加热、井下电磁加热以及微波加热等发展历程。

热激发开采法可实现循环注热，且作用方式较快。

加热方式的不断改进，促进了热激发开采法的发展。

但这种方法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题，而且只能进行局部加热，因此该方法尚有待进一步完善。

(2) 减压开采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。

减压途径主要有两种：①采用低密度泥浆钻井达到减压目的；②当天然气水合物层下方存在游离气或其他流体时，通过泵出天然气水合物层下方的游离气或其他流体来降低天然气水合物层的压力。

减压开采法不需要连续激发，成本较低，适合大面积开采，尤其适用于存在下伏游离气层的天然气水合物藏的开采，是天然气水合物传统开采方法中最有前景的一种技术。

但它对天然气水合物藏的性质有特殊的要求，只有当天然气水合物藏位于温压平衡边界附近时，减压开采法才具有经济可行性。

(3) 化学试剂注入开采法化学试剂注入开采法通过向天然气水合物层中注入某些化学试剂，如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，破坏天然气水合物藏的相平衡条件，促使天然气水合物分解。

这种方法虽然可降低初期能量输入，但缺陷却很明显，它所需的化学试剂费用昂贵，对天然气水合物层的作用缓慢，而且还会带来一些环境问题，所以，目前对这种方法投入的研究相对较少。

新型开采方法(1)CO2 置换开采法。

这种方法首先由日本研究者提出，方法依据的仍然是天然气水合物稳定带的压力条件。