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天然气水合物-未来清洁的新能源
发布人： 来源：网络 时间：2011/4/9 点击：64744
五、能量密度高
天然气水合物的能量密度极高。在标准状态下，水合物分解后气体体积与水体积之比为164:1，也就是说，一个单位体积的水合物分解至少可释放160 个单位体积的甲烷气体。这样的能量密度是常规天然气的2～5 倍，是煤的10 倍。
六、洁净
天然气水合物分解释放后的天然气主要是甲烷，它比常规天然气含有更少的杂质，燃烧后几乎不产生环境污染物质，因而是未来理想的洁净能源。
气 候
甲烷是一种温室效应极强的温室气体。每分子甲烷蓄热能力是每分子CO2 的27 倍，如以重量计则甲烷的气候增温效应是CO2 的10 倍。在正常情况下，大气中甲烷只占温室气体的15%，其对全球温室效应的影响排在CO2 之后。但是，全球水合物中甲烷量是如此之大，占地球上甲烷总量的99%以上，大约是大气中甲烷量的3000 倍，一旦海水温度或压力发生变化，海底甲烷从水合物中释放，可导致全球气候迅速变暖。地史时期海平面剧烈变化、海底地壳活动都有可能引起海底水合物分解，从而导致甲烷气泄露，并引起全球气候变暖。在地史上，地球上水合物中天然气泄露也不一定全是灾难性的，也可能起着平衡气候的作用。当全球变冷时，因海平面下降而引起海底压力减小，进而导致海洋水合物分解，甲烷释放到大气中，温室效应将阻碍全球变冷趋势，使得气候波动趋于平缓；当海平面上升时，极地水合物因气候变暖而失稳分解，甲烷释放到大气中，导致气候变暖加剧，气候变化失去平衡。但是，一旦人为导致水合物中甲烷气大量泄露，将会引起全球气候迅速变暖，从而灾难性地威胁着人类生存环境。这是人类开发水合物之前必须高度重视的首要问题。
水合物中甲烷的释放可能极大地影响人们对过去和未来气候的认识。自然界如何控制水合物？水合物又如何影响环境？目前人们还知道甚少。
灾 害
天然气水合物的生成和分解都有可能产生灾害。主要有以下三种灾害：
一、油气管道堵塞
在高纬度永冻土带及极地地区，水合物的生成可以堵塞诸如油井、油气管道等油气生产设施，从而构成灾害。
二、海底滑坡
在海底，天然气水合物是极其脆弱的，轻微的温度增加或压力释放都有可能使它失稳而产生分解，从而影响海底沉积物的稳定性，甚至导致海底滑坡。相比而言，水合物稳定带是刚性层，之下是饱和气、水的沉积物塑性层。由于游离天然气聚集于水合物稳定带的底界面，此处形成的压力可能超过孔隙压，使之成为一个脆弱的剪切带。一旦某种因素（如海平面下降、海底构造活动、海底热流值增高、钻井或采气不当）引起海底压力降低或温度上升，水合物稳定带底界面的水合物将有可能首先分解成天然气和水。其结果是：底界面处沉积物出现液化，气压不断增大，最终使上部的沉积层失稳而产生滑坡。如果巨厚的水合物沉积层滑坡进深海里，水合物可能因压力释放而溶解。
美国地质调查局科学家Bill.Dillon 证实，美国南卡罗莱纳州岸外就有一个年青的海底滑塌地质体。地震资料显示，该滑坡体下部的沉积物中几乎不含水合物。一个可能的机制是：冰期海平面下降导致海底压力下降，水合物稳定带底界面的水合物因压力下降而分解，结果该处半胶结的沉积物带变成充满气体的、无剪切强度的、易滑动的带，最终导致滑坡。这次滑坡可能释放大量的甲烷，导致大气中甲烷含量增加4%（与现在相比）。海底滑坡会对深海油气钻探、输油管道、海底电缆等海底工程设施构成危害。
三、海水毒化
一旦海底天然气水合物因突发因素而失稳分解，大量的甲烷气体将进入海水，结果是海水被还原，造成缺氧环境，进而引起海洋生物大量死亡，甚至导致生物绝灭事件发生。地史上不排除这种可能性。
碳通量
水合物的分解是碳进入海洋的重要来源之一。尽管目前我们还不清楚碳通量对海洋化学会产生怎样的影响，但已经知道水合物中碳同位素分馏程度非常高，水合物引起的碳通量任何微小变化都能改变人们对海洋中碳同位素升降的看法。碳同位素是人们早期研究古海洋尤其是古气候的有效工具，今后如再用这种工具，就应充分考虑到水合物可能引起的影响。
海洋军事技术
通过试验，人们已经了解到水合物以及水合物胶结沉积物表层的声波速度是较高的，但对水合物胶结沉积物的特殊声学特征还不是很清楚，需要进一步研究。海洋天然气水合物可能对海军使用的声学模型产生影响，并可能造成判断失误。掌握水合物胶结沉积物的特殊声学特征，对声纳仪器的正确运用具有重要意义，美国海军非常重视这一点，并积极参与海洋天然气水合物的声学性质研究。
国内外天然气水合物的研究现状
前苏联
前苏联是研究天然气水合物最早的国家。早在20 世纪30 年代，前苏联科学家为了预防和疏通西伯利亚油气管道的堵塞，以保障油气管道的畅通，开始对水合物的结构和形成条件进行研究。从60 年代开始，荷兰、德国、美国才相继开展了天然气水合物结构和热动力学研究。
从70 年代开始，前苏联紧跟美国步伐，也在其周围海域和内陆海中开展天然气水合物调查与研究工作。80 年代以来，前苏联通过海底表层取样和地震调查等手段相继在黑海、里海、贝加尔湖、鄂霍茨克海、白令海、千的岛海沟等海域发现了天然气水合物矿藏和矿点并进行了区域评价。即使近期经济比较困难，俄罗斯仍坚持在巴伦支海和鄂霍茨克海等海域进行天然气水合物的调查与研究工作。
美国
美国则是开展海洋天然气水合物调查最早的国家，至今已耗资近3 亿美元.早在60 年代，美国就在墨西哥湾及东部布莱克海台实施油气地震勘探，首次发现了令人难以理解的拟海底反射层（BSR）。1970 年，美国在布莱克海台实施了深海钻探（DSDP），证实BSR 之上存在天然气水合物，BSR 是由水合物层底部游离天然气引起的反射界面。之后，BSR 作为识别海洋天然气水合物的地震标志，被广泛地用于世界各海域的水合物调查。1979 年和1981 年，美国通过DSDP 在墨西哥湾及布莱克海台再次实施深海钻探，并取得了水合物岩心。1981 年，美国制订了甲烷水合物十年研究计划（1982～1992），投入800 万美元开展了天然气水合物基础知识的调查研究。80 年代中期，美国能源部和Morgentown 能源及技术中心授权国际地质勘探者协会，对全球24 个地区的海洋天然气水合物赋存控制因素和可采储量进行研究。1989 年以来，美国还进行了气体（甲烷、CO2、甲烷-乙烷-丙烷）水合物的高压低温实验和模拟研究。1991，美国能源部组织召开了"美国国家气体水合物学术讨论会" 。通过这次会议，人们对水合物及其沉积物了解越来越多，并掀起了水合物研究的热潮。1994 年，美国能源部制订了"甲烷水合物研究项目"；1995 年，美国借助ODP 在其东部海域布莱克海台实施了一系列深海钻探，探明天然气水合物资源量为180亿吨油当量。受如此巨大资源量的鼓舞，美国参议院于1998 年通过决议，把天然气水合物作为国家发展的战略能源列入国家发展的长远计?quot;甲烷水合物研究与资源开发利用"， 每年投入2000 万美元，能源部和美国地质调查局组织有关部门实施，要求2010 年达到计划目标，2015 年进行商业性试采。该计划的主要内容是：资源特征、生产开发、全球变暖（全球碳循环）、安全性和海底稳定性。1999 年7月，在美国盐湖城召开了主题为"气体水合物与未来的挑战"的第三届国际气体水合物会议，就资源特征、全球气候变化、油气管道堵塞物与海洋水合物工程、生产等专题进行了交流和研讨。到目前为止，美国已经在其东南大陆边缘、俄勒冈外太平洋西北边缘、阿拉斯加北坡、墨西哥湾大陆边缘、密西西比峡谷等海域进行了天然气水合物调查，并绘制了全美海洋天然气水合物的矿藏分布图，评价了各矿区的资源量和开发潜力。
日本
日本的海洋天然气水合物工作开展较晚，但发展极为迅速，短短几年就处于国际领先水平。1992 年，日本东京召开了第29 届国际地质大会。在会上，美国能源部的Krason 估计日本南海海槽的BSR 分布范围大约为3.5 万平方公里，认为该海域水合物资源量十分丰富。受此鼓舞，加之日本油气能源短缺，促成日本政府开始关注水合物，各大专院校、科研院所也开始借此契机推动日本政府支持立项研究。1995 年，日本通商产业省资源能源厅石油公团（JNOC）和日本地质调查局联合10 家石油天然气私营企业，设立了"甲烷水合物研究及开发推进初步计划"。该5年计划（1995～1999）的总投资150 亿日元。目的是：通过地球物理勘探，研究水合物物理性质，掌握水合物产地、地质产状及其分布规律，最后通过实施钻探，评价日本岸外甲烷水合物开发潜力和作为非传统能源开发的可行性。具体计划如下：1996 年进行地震调查，编制BSR 分布图；1997 年在南海海槽东部实施导向性钻探；1998 年与加拿大合作，在加拿大北部Mackenzie 三角洲试验钻探，包括2口深井、1 口试验井，钻穿冻土层，获取水合物样品，评估工程技术（主要是取心技术和生产技术），检验新研制的技术装备；1999 年在日本南海海槽东部进行地层钻探，对海洋天然气水合物的潜在资源进行全面评价。该项目得到日本石油勘探有限公司（JAPEX）、美国地质调查局（部分经费由美国能源部资助）、加拿大地质调查局和一些大学的积极参与。1998 年，日本通过高压装置，人工合成了甲烷水合物。2000 年1 月下旬，日本通产省和石油财团宣布，他们在南海海槽水深950米处实施了钻探，在日本静冈县御前崎近海发现了天然气水合物含量高达20%的砂岩层，证明那里存在丰富的天然气水合物资源。计算表明，该海域水合物中蕴藏的天然气储量达7.4 万亿立方米，相当于日本140 年消耗的天然气总量。目前，日本已基本完成了对其周边海域的天然气水合物调查和评价，并圈定了12 块天然气水合物矿集区。在此基础上，日本计划在2010 年进行试生产，开发其领海内的天然气水合物。
加拿大
加拿大对其海洋天然气水合物和北极加拿大地区的大陆天然气水合物都非常重视。加拿大地质调查局通过对加拿大西海岸胡安-德夫卡洋中脊陆坡区的调查，估算其蕴藏的水合物资源量是美国布莱克海台的10 倍。1997 年至1999 年，由加拿大地质调查局和温哥华大学的科学家联合组成研究小组，运用单道和多道地震、钻探（1997 年实施了ODP889/890 钻探计划）、地球化学、多波束测量、海底深潜器观测及计算机模拟等手段，对该海域水合物的富聚机制、地质背景及温压条件等进行了深入研究，利用多道地震、测井、垂直地震速度等对水合物富集率进行了评价。研究表明，水合物层位于海底230 米以上，气源主要是生物气。在ODP站位，水合物富集率向下可以达到孔隙的20%；水合物层之下的游离天然气富集率估计不到百分之几。此外，1999 年加拿大还参与了日本南海海槽的水合物钻探。在北极加拿大地区，天然气水合物不仅是未来潜在的巨大能源，而且对该地区传统石油天然气的开采可能构成灾害，也可能是一个巨大的温室气体来源，为此，加拿大近年来加强了北极天然气水合物研究。1998 年，加拿大与日本合作，在其西北Mackenzie 三角洲进行了水合物钻探，并在三轴控制条件下进行了实验研究，测定了水合物的P 波速和抗剪强度。结果表明，含与不含水合物的P 波速差别较大，前者要高的多，剪切强度至少是后者的5 倍。这一成果为地震勘探提供了直接实验依据。
德国
德国没有自己的深海，但对水合物的研究非常感兴趣，尤其重视水合物的环境意义。在80 年代后期，德国曾利用"太阳号"调查船与印尼等国合作对西南太平洋海域进行调查，在苏拉威西海发现了水合物的地震标志--BSR。1998 年度，德国又与俄罗斯合作，开展鄂霍茨克海水合物调查。1998 年至今，德国基尔大学Geomar 研究所对美国俄勒冈州西部大陆边缘卡斯凯迪亚（Cascadia）消减带的水合物海台尤感兴趣，通过德-美Tecflux 合作项目，争取到资金2000 万马克，不仅在该海域做了大量地震调查工作和海底取样工作，而且还研究了水合物形成和失稳的动力学机制，测定了海底甲烷释放速率的趋势变化。在Cascadia 水合物海台，不但发现有水合物矿藏，还发现了水合物泄气窗，泄气窗中有大量甲烷释放。气体中Rn/CH2 值很高，大约每公升50dpm；在局部地区，有铵和硫化物分布，在其它局部地区，甲烷发生氧化作用。为了进一步评价该海域的水合物资源量，ODP第199 航次计划在2001 年10 月9 日至11 月6 日对Cascadia 水合物海台实施钻探。
印度
印度对其周边海域的天然气水合物资源十分重视。1995 年，印度地质调查局对其海域进行了有关水合物的地质、地球化学和地震资料的初查与复查。在此基础上，印度科学和工业委员会设立"全国气体水合物研究计划"，计划在1996～2000年由国家投资5600 万美元对其周边海域的天然气水合物进行前期调查研究。迄今为止，印度海域已初步显示出良好的找矿前景。
澳大利亚
澳大利亚对其领海的天然气水合物资源也十分重视。通过与法国合作，利用地震反射勘探技术，澳大利亚于1998 年绘制了Tasman 海BSR 的分布范围。在该海域，水合物分布在水深1500～3000 米处，水合物矿藏厚200 米左右，位于海底以下400～600 米，证明该海域天然气水合物资源量巨大。
