天然气水合物勘探开发技术研究进展

天然气水合物研究历程及发展趋势摘要综合国内外关于天然气水合物的研究，概述其从发现、初步研究到深入研究的历程，总结了各阶段国内外天然气水合物研究的成果和进展。

从1810年发现天然气水合物以来，世界各地的科学家对气水化合物的类型和物化性质、自然赋存条件和成藏条件、资源评价、勘探开发手段等进行了广泛而卓有成效的研究。

总结世界各国天然气水合物的研究现状并指出了其发展趋势。

研究表明我国的许多海区具有天然气水合物形成的条件，希望2020年能够进行商业开采。

关键词：天然气水合物(gas hydrates)是一种由气体和水形成的冰状白色固态晶体，常在一种特定的高压低温条件下形成并稳定存在，广泛发育在浅海底层沉积物和深海大陆斜坡沉积地层以及极地地区的永久冻土层中。

目前各国科学家对全球天然气水合物的资源量较为一致的评价为2×1016m3，是剩余天然气储量的136倍(1·56×1 014 m3)，如果将此储量折算为地球上的有机碳资源，它将占总资源的一半以上。

1国外天然气水合物的研究现状由于当前化石燃料(包括煤、石油与天然气)，特别是其中的石油和天然气能源的短缺，使人们对天然气水合物这种高效潜在能源格外关注，自20世纪90年代以来，世界各国对潜力巨大的新型能源—天然气水合物的研究做了大量投入，已经取得了重大进展。

1995年，美国在海上钻井平台(简称ODP)第164航次中，率先在布莱克海脊布设了3口勘探井，首次有计划地取得了天然气水合物样品。

美国参议院委员会在1998年5月一致通过1418号议案—“天然气水合物研究与资源开发计划”。

把天然气水合物资源作为国家发展的战略能源列入长远计划，决定批准用于天然气水合物资源研究开发的每年投入为2 000万美元，计划到2015年实现商业性开采。

2002年4月，在圣彼德堡召开的国际海洋矿产会议上，美国地质调查局的W·J·Wintres展示的天然气水合物和沉积物检验实验室装置(简称GHASTLI)代表了当前天然气水合物模拟实验的最高水平，正在进行的是自然界和实验室形成的天然气水合物-沉积物的物理性质的研究。

天然气水合物开采技术研究进展天然气水合物是指天然气和水分子在高压、低温下形成的结晶体，是天然气的一种新形式。

天然气水合物的丰富储量和广泛分布，在能源领域具有非常重要的战略意义。

目前，天然气水合物开采技术研究已经取得了一些进展，本文将从四个方面进行分析。

一、天然气水合物开采技术研究现状天然气水合物开采技术一直是石油天然气领域的研究焦点，当前主要包括以下方面：1、水合物钻探技术：研究水合物在钻探过程中的动力学行为和物理性质，并开发出适合于水合物探测的传感器、仪器等设备。

2、水合物开采技术：通过人工或自然措施改变温度、压力、浓度等环境因素，使水合物分解，达到开采目的。

3、水合物输送技术：在水合物开采后，需要将天然气输送到加工厂进行加工处理，目前研究正在进行中。

4、水合物加工技术：水合物加工技术是将开采的水合物转换成生产能用的商品气体，主要涉及水合物裂解、去除杂质、压缩储存等方面。

二、天然气水合物开采技术研究现状目前，世界各国均在加速水合物开采技术的探索，例如日本在2013年成功进行了深层水合物开采实验，韩国也在2016年成功进行了大规模天然气水合物探测试验。

而我国则于2017年成功进行了天然气水合物试采。

在这些实践中，研究者们不断探索优化开采技术，提高开采效率。

1、温度管理技术天然气水合物开采需要在压力较高的环境下进行，为使水合物分解，需要通过温度管理技术来控制水合物的热解温度。

目前，研究者们主要通过水淬、电热、压缩利用等方法来达到控制温度的目的。

2、压裂技术在水合物开采过程中，如果仅仅靠温度变化来改变水合物体积、压力，开采效率较低。

因此，需要依托压裂技术，通过向水合物区域注入压缩空气、水等物质来达到改变水合物体积的目的。

3、高效减阻剂技术在输送天然气的过程中，水合物会因发生极性相互作用而粘附在输送管道及設备表面，严重影响输送效率。

高效减阻剂技术可将水合物与管道表面分离，提高天然气输送效率。

三、天然气水合物开采技术成果目前，天然气水合物开采的有效储量还未被准确评估。

天然气水合物研究进展提纲z天然气水合物基本特征z天然气水合物地质成储条件z天然气水合物勘探开发若干指标z天然气水合物应用展望1-1. 水合物成分与结构11水合物成分与结构天然气水合物，又称甲烷气体水合物g y)（Methane gas hydrate), 由天然气与水所组成，呈固体状态，其外貌极像冰，即，雪或固体酒精，点火即可燃烧，故也可称为“可燃冰”、“气冰”、“固体瓦斯”。

天然气水合物的结晶格斯架主要是由水分子所构成，在不同的高条件下，子形低温高压条件下，水分子结晶形成不同类型的多面体结构，形状像鸡笼，有笼形构称故有“笼形结构”之称11水合物成分与结构1-1. 水合物成分与结构已经发现的天然气水合物结构有三种，即结构I型、结构II 型和结构H型。

结构I 型气水合物为立方晶体结构，在自然界分布最为广泛，仅I 型能容纳甲烷（C1）、乙烷（C2）等小分子的烃以及N2、CO2、H2S等非烃分子，大约6个水分子“包嵌”1个气体分子；结构II 型气水合物为菱型晶体结构，水分子间的空穴可容纳丙烷II 型（C3）及异丁烷（i-C4）等烃类；结构H型气水合物为六方晶体结构，其大的“笼子”甚止可II 型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。

目前I 、II 、H型三种气水合物在自然界均有发现H 型1-1. 水合物成分与结构11水合物成分与结构水合物形成于低温高压地带，具有很大的能量密度及丰富的储量，清洁，高效，是潜在而亟待开发利用的新型能源11水合物成分与结构1-1. 水合物成分与结构海洋是碳的最大储库，碳的循环对烃类资源的形成和环境的变化发挥关键作用12水合物形成条件1-2. 水合物形成条件温压条件甲烷气体水合物的形成与稳定性严格受温度、压力、水、气组分相互关系的制约。

一般而言，水合物形成的最佳温度是O-10℃，压力则应大于100大气压（约10MPa）12水合物形成条件1-2. 水合物形成条件物源条件生物气通常来自气水合物层上下的有机质，通过甲烷菌自生自储的甲烷储集而成水合物层的下伏沉积物或沉积岩富含微生物和有机碳时可通储集而成。

论文与案例交流1水合物晶体结构和性质传统化石能源（煤、石油和天然气）的大量消耗带动了工业和社会的进步，然而对能源的过度依赖也使得全球陷入能源危机之中并积极发展替代能源。

由于有技术及经济等众多壁垒的限制，使得清洁新能源大规模工业化利用尚需一定时日。

因此，天然气水合物的开发利用被很多国家提上日程，近年来获得了突飞猛进的发展。

有文章指出，天然气水合物的储量两倍于煤、石油和天然气总储量之和。

因其主要成分为甲烷等各类可燃气体，是上等的优质燃料，若能合理有效地利用这些能源，无疑将会极大地缓解整个世界能源体系的危机现状。

当前全球已经有79个国家发现了天然气水合物，而30多个国家相继开展了水合物的研究工作[1]。

2007年，中国在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品，成为继美国、日本，印度之后世界上第四个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。

天然气水合物是由某些气体或它们的混合物与水在一定温度、压力条件下生成的一种半稳态的类似于致密冰雪的冰状笼型固体化合物，由水分子的几何晶格构成，晶格含有被轻烃或其他轻质气体(如氮气、二氧化碳)占据的空穴，一般在25℃以下有可能形成。

水分子称为主体分子，而轻烃或其它轻质气体通常称为客体分子。

由水分子通过氢键形成不同形式的刚性笼架晶格，每个笼架晶格中包含一个主要为甲烷的天然气分子，水分子与天然气分子之间通过范德华力相互吸引。

在自然界中，水合物大多存在于大陆永久冻土带和海底沉积层中，其组成以甲烷为主，与天然气相似，故常称作天然气水合物，其中甲烷含量高达99%的天然气水合物又称为甲烷水合物。

已经发现的水合物类型共有三种[1-6]：I 型、II 型和H 型。

其中结构Ⅰ型属于体心立方体结构，可由天然气小分子在深海形成，其笼架晶格以各自的笼架体心堆砌排列。

结构Ⅱ型属于金刚石立方结构，可由含分子大于乙烷小于戊烷的烃形成。

结构I 型和结构II 型主要有小腔和大腔两种结构。

结构H 型属于六面体结构，可由挥发油和汽油等大分子形成，结构H 型有小腔、中腔和大腔三种结构。

2019年11月天然气水合物研究分析杨楠（辽河油田海南油气勘探分公司，辽宁盘锦124010）摘要：结合实际，对天然气水合物进行研究，首先阐述天然气水合物开发现状，其次在论述天然气水合物研究方向同时，对该技术在实践过程中的要点进行研究，希望阐述后，可以给相关领域的研究者提供帮助。

关键词：天然气；水合物；研究分析1天然气水合物开发研究进展从世界范围内来分析，主要是开展了8次天然气水合物的试采工作，特别是在2017年5月在我国南海神狐海域内试采达到30.9×104ｍ3的累计产气量和60ｄ的连续开采，创造世界纪录。

但是水合物在开采的过程，需要考虑到内部水合物相变的实际情况，然气水多相渗流会随着气水砂运移和外部环境传热条件没有充分的了解清楚，并且开采环节中由于砂质胶合物分解后会给沉积层力学性能造成较大的影响，而这些问题的存在使得整个开采过程无法达到安全性的要求。

因此，要想达到水合物的安全、高效、经济性的提升，还需要加强该技术的研发，实现技术性的突破。

天然气水合物的研发和应用，总结经过组成结构研发、热力学模型研究、动力学研究等3个环节。

1810年，氯气水合物已经开展了第1次实现人工合成，给水合物的利用开启了先河，进入到20世纪50年代，Stackelberg 和Claussen 首次确定了Ⅰ型和Ⅱ型水合物中的小分子气体与水分子在持续低温的条件之下会逐步的形成笼型的晶体结构，给水合物的开采带来了非常大的优势，从此进入快速研发阶段。

1958年，Waals 和Plat-teeuw 提出以统计热力学为基础所建立的热力学模型，加强了对于水合物方面的研发和利用，了解其具体的赋存条件等。

1965年，前苏联在进行麦索雅哈气田开发的过程中，也是首次在世界范围内公布了自然界中的天然气水合物的储量存在，受到世界工业领域的持续关注，并于1968年进行了首次水合物的试采，开创历史，但是从整体上来说，在试采中存在产量低、管道堵塞等问题，阻碍了水合物的持续开采，所以各个国家开始进行储层内相变规律的研发，也是科学家研究的重点。