天然气水合物Natural Gas Hydrate.docx

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°C~+28°C）、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：也力忆°，现已证实分子式为叫8屯0 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、压力和原材料天然气水合物是一种白色固体物质，有极强的燃烧力，主要由水分子和烃类气体分子（主要是甲烷） 组成，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）一旦温度升高或压强降低，甲烷气则会逸出，固体水合物 便趋于崩解天然气水合物”，是天然气在0C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）每单位晶胞内有两个十二面体（20个端点因此有20个水分子） 和六个十四面体（tetrakaidecahedral）（24个水分子）的水笼结构其水合值（hydratatlon value） 20可由MAS NMR来求得甲烷气水包合物频谱于275 K和3.1 MPa下记录，显示出每个笼形都反 映出峰值，且气态的甲烷也有个别的峰值理化性质编辑天然气水合物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立方米的水开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出 大量的甲烷气体天然气水合物在海洋浅水生态圈，通常出现在深层的沉淀物结构中，或是在海床处露出甲烷气水 包合物据推测是因地理断层深处的气体迁移，以及沉淀、结晶等作用，于上升的气体流与海洋深处的冷水 接触所形成在高压下，甲烷气水包合物在18 9的温度下仍能维持稳定。

一般的甲烷气水化合物组成为1摩尔 的甲烷及每5.75摩尔的水，然而这个比例取决于多少的甲烷分子“嵌入”水晶格各种不同的包覆结构中据 观测的密度大约在0.9 g/cm³一升的甲烷气水包合物固体，在标准状况下，平均包含168升的甲 烷气体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天然气水合物从物理性质来看，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天然气水合物的声波传播速度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物，中子孔隙度低 于饱和水沉积物，这些差别是物探方法识别天然气水合物的理论基础此外，天然气水合物的毛细管孔隙 压力较高可燃冰燃烧方程式为：CH4.8 H2O+ 2 O2== CO2+ 10 H2O （反应条件为“点燃”）可燃冰分子结构就像一个一个由若干水分子组成的笼子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°C时生成，超过20°C便会分解海底温度一般保持在2—4°C左右；其次，高压可燃冰在0°C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 分布范围编辑自20世纪60年代以来，人们陆续在冻土带和海洋深处发现了一种可以燃烧的“冰”这种“可燃冰” 在地质上称之为天然气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 天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源它是水和天然气在高压和低温条件下 混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固体瓦斯” 之称，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源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，约相当中国陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。

世界上海底天然气水合物已发现的主要分布区是大西洋海域的墨西哥湾t rtf 1*1.1 A. G-RfljL 伸如tK. !■ *・电＞细“ Ab^TH—JkHAF r V*r«*-a*wx*士时 L■El'll盘出亂y当H- Mri wtt 肚寸l|5E・3J-^i-WM i'EjHaa"^ i•■匡 £M1天然气水合物、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等，西太平洋海域的白令 海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、日本南海海槽、苏拉威西海和新西兰北部海 域等，东太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亚滨外和秘鲁海槽等，印度洋的阿曼海湾，南极的罗斯海和 威德尔海，北极的巴伦支海和波弗特海，以及大陆内的黑海与里海等天然气水合物在在地球上大约有27%的陆地是可以形成天然气水合物的潜在地区，而在世界大洋水 域中约有90%的面积也属这样的潜在区域已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和世 界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中由于采用的标准不同，不同机构对全世界天然气水合物储量的估 计值差别很大据潜在气体联合会（PGC, 1981）估计，永久冻土区天然气水合物资源量为1.4x1013〜3.4*1016m3, 包括海洋天然气水合物在内的资源总量为7.6x1018m3。

但是，大多数人认为储存在汽水合物中的碳至少 有1x1013t，约是当前已探明的所有化石燃料（包括煤、石油和天然气）中碳含量总和的2倍由于天然 气水合物的非渗透性，常常可以作为其下层游离天然气的封盖层因而，加上汽水合物下层的游离气体量 这种估计还可能会大些如果能证明这些预计属实的话，天然气水合物将成为一种未来丰富的重要能源甲烷气水包合物受限于浅层的岩石圈内（即＜2000m深）发现在一些必要条件下，惟独在极地大陆 的沉积岩，其表面温度低于09,或是在水深超过300m，深层水温大约29的海洋沉积物底下大陆区 域的蕴藏量已确定位在西伯利亚和阿拉斯加800m深的砂岩和泥岩床中海生型态的矿床似乎分布于整个 大陆棚，且可能出现于沉积物的底下或是沉积物与海水接触的表面他们甚至可能涵盖更大量的气态甲烷全球蕴藏的常规石油天然气资源消耗巨大，很快就会枯竭科学家的评价结果表明，仅在海底区域， 可燃冰的分布面积就达4000万平方公里，占地球海洋总面积的1/42011年，世界上已发现的可燃冰分 布区多达116处，其矿层之厚、规模之大，是常规天然气田无法相比的科学家估计，海底可燃冰的储量 至少够人类使用1000年主要特点编辑可燃冰燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要多出数十倍，而且燃烧后不产生任何残渣，避免了最 让人们头疼的污染问题。

科学家们如获至宝，把可燃冰称作“属于未来的能源”可燃冰这种宝贝可是来之不易，它的诞生至少要满足三个条件：第一是温度不能太高，如果温度高 于20r，它就会“烟消云散”，所以，海底的温度最适合可燃冰的形成；第二是压力要足够大，海底越深压 力就越大，可燃冰也就越稳定；第三是要有甲烷气源，海底古生物尸体的沉积物，被细菌分解后会产生甲 烷所以，可燃冰在世界各大洋中均有分布中国东海、南海都有相当数量分布沉淀物生成的甲烷水合物含量可能还包含了 2至10倍的已知的传统天然气量这代表它是未来很有 潜力的重要矿物燃料来源然而，在大多数的矿床地点很可能都过于分散而不利于经济开采另外面临经 济开采的问题还有：侦测可采行的储藏区、以及从水合物矿床开采甲烷气体的技术开发在日本，已进行 一项研发计划，预计要在2016年进行商业规模的开采形成原因编辑海洋生成有两种不同种类的海洋存量最常见的绝大多数（＞99%）都是甲烷包覆于结构一型的包合物，而且 一般都在沉淀物的深处才能发现在此结构下，甲烷中的碳同位素较轻（613C ＜ -60%因此指出其是微 生物由CO2的氧化还原作用而来这些位于深处矿床的包合物，一般认为应该是从微生物产生的甲烷环境 中原处形成，因为这些包合物与四周溶解的甲烷其613C值是相似的。

这些矿床坐落于中深度范围的区域内，大约 300-500m厚的沉积物中（称作气水化合物稳定带 （GasHydrate Stability Zone）或GHSZ）,且该处共存著溶于孔隙水的甲烷在这区域之下，甲烷只会以 溶解型态存在，并随着沉积物表层的距离而浓度逐渐递减而在这之上，甲烷是气态的在大西洋大陆脊 的布雷克海脊，GHSZ在190m的深度开始延伸至450m处，并于该点达到气态的相平衡测量结果指出， 甲烷在GHSZ的体积占了 0-9%，而在气态区域占了大约12%的体积在接近沉积物表层所发现较少见的第二种结构中，某些样本有较高比例的碳氢化合物长链（＜99%甲 烷）包含于结构二型的包合物中其甲烷的碳同位素较重（613C为-29至-57 %），据推断是由沉积物 深处的有机物质，经热分解后形成甲烷而往上迁移而成此种类型的矿床在墨西哥湾和里海等海域出现某些矿床具有介于微生物生成和热。