天然气水合物开采方法的研究*

赵 悦，曹潇潇

(江苏第二师范学院物理与电子工程学院，江苏 南京 210013)

随着社会的进步，能源需求逐渐从传统化石燃料转向更为清洁环保的天然气。天然气水合物具有分布广泛、资源量大、埋藏浅、能量密度大和洁净等特点。全球天然气水合物的资源有机碳总量相当于全球已探明的石油、煤和天然气的两倍，可满足人类未来1000年的能源需求。在资源短缺和环境问题日益严峻的今天，掌握天然气水合物的开采技术，对缓解当前的能源危机具有重要的意义。

1 天然气水合物的晶体结构

天然气水合物是由水和天然气气体分子在中高压和低温环境下形成的笼型结晶化合物。形成天然气水合物的主要气体分子为甲烷。天然气水合物多为白色或浅灰色，因其外观像冰，遇火即可燃烧，故也有人称之为“可燃冰”“气冰”或“固体瓦斯”[1]。

迄今为止已发现三种类型的天然气水合物，即I型、Ⅱ型和H型。I型结构和Ⅱ型结构的水合物晶格都具有大小不同的两种笼型空穴，H型结构则有三种不同的笼型空穴。一个笼型空穴一般只能容纳一个客体分子，在高压力的条件下，也能容纳两个像氢分子这样小的分子。气体分子和水分子之间的作用力为范德华力。如果不考虑客体分子，可以将空的水合物晶格认为是一种不稳定的冰，当一部分客体分子填充不稳定的冰的空穴时，就成了稳定的气体水合物。

I型水合物的晶胞是体心立方结构，包含46个水分子，由2个小孔穴和6个大孔穴。I型结构在自然界分布最为广泛，形成I型气体分子的直径要小于0.52 mm。Ⅱ型水合物晶胞是面心立方结构，包含136个水分子，由16个小孔穴和8个大空穴组成。H型水合物晶胞是简单的六方结构，包含34个水分子。

2 天然气水合物研究的现实意义

天然气水合物在自然界广泛分布在海底沉积物和永久冻土带环境中。在标准状况下，单位体积的甲烷水合物最多可分解产生164 m3的甲烷。据推测，如果达到一定的温度压力、在气源和水充足的条件下水合物就有可能形成。据不完全统计，迄今在世界各地发现的天然气水合物产地有86处，其中，地震探明50处，取到水合物样10处，在有似海底反射层的井段测井测得水合物异常8处[2-3]。现已勘察探明的天然气水合物中的含碳量相当于已探明现有化石能源含碳量的2倍。因此，天然气水合物是一种重要的潜在资源且具有分布广泛、资源量大、埋藏浅、能量密度高、洁净特点。单位体积的水合物燃烧所能释放出的热量远远大于煤、石油和天然气。 而且天然气水合物燃烧后几乎不产生污染环境的残渣，相比于煤、石油、天然气，污染小很多，因而可以说是未来理想的洁净能源[1]。

随着传统化石燃料逐渐枯竭，在能源资源方面，世界竞争日益激烈，因此，寻求替代能源资源已是当务之急。过去的几十年，人类在新能源开发方面做了大量的探索和努力，风能、水能、潮汐能、地热能和太阳能迅速发展；天然气水合物、煤层气、页岩气等非常规天然气作为清洁能源，储量巨大，具有良好的前景，特别是天然气水合物具有巨大的经济价值和重要的战略意义，各国的政府部门也意识到研究天然气水合物研究的重要性。

天然气水合物大多储藏在近海大陆架的沉积层，少量储存在高原冻土区，可满足人类未来100年的能源需求。在能源稀缺和环境问题更加严峻的今天，如果能够掌握天然气水合物的开采技术，实现天然气水合物的大规模开采将对缓解人类当前的能源危机具有重要的战略意义。天然气水合物研究对中国具有特殊的意义，祁连山盆地，漠河盆地等冻土带地区以及中国南海都蕴含大规模的水合物资源。近年来，美国、日本德国、加拿大、印度、韩国和比利时等多国政府相继投入了大量人力与财力，以期实现天然气水合物的大规模安全开采[2]。

3 天然气水合物的开采方法

由于目前一些有关水合物分解的动力学问题尚不清楚，天然气水合物的开采技术尚处于实验阶段。至今，唯一的商业开采为20世纪70年代的俄罗斯西伯利亚的麦索亚哈气田生产。世界范围内水合物尝试开采研究方面也进行过多次努力：2002年的加拿大麦肯齐地区运用加热法试采；2008年加拿大麦肯齐地区运用降压法试采；2012美国阿拉斯加地区运用二氧化碳置换法与降压法结合进行试采；2013年以及2017年日本南海槽两次运用降压法试采以及2017年中国南海神狐海域的试采[4]。

相比于传统型能源，水合物在开发过程中会发生相变。水合物埋藏在海洋底部时是固体，在开采过程中分子构造发生变化，会从固体变成气体和液体。这种特点是研究开采方案的出发点。综合各国天然气水合物常规开采方法，大体可归为以下三类：①注热法；②减压法；③化学抑制剂法。此外，随着对天然气水合物形成机理和水合物相平衡研究的深入，利用二氧化碳水合物置换天然气水合物的新型开采方法也引起了关注[4]。

3.1 注热法

注热法的方法通常包括蒸气注入、热水注入、井底微波加热、热盐水注入、火驱及电磁加热、太阳能加热等技术。注热法具有作用直接、效果迅速、可以控制加热位置，环境影响小，适用于多种不同储层等优点。随着水合物开采研究的深入发展，注热法取得了长足进展[4-5]。

3.1.1 热盐水注入法

与其他加热开采方法相比，热盐水注入开采水合物技术要成熟些。它的主要特点有：热损失低，热效率高，气产量高，热载体能级低。含盐度每增加2%，能量效率比就会有增长。为了保证能量效率和气产量，注入量至少大于795 m3/d。盐水的温度一般在121～204 ℃。McGuire发现在高渗透率或储层下方可供热盐水注入时，热开采技术是最有吸引力的开采方法；Kamath经实验证实，循环注入热盐水在高饱和度储层中能量利用效率高、开采效果好，同时发现多井比单井注入效率更高[4-5]。

3.1.2 电磁加热法

采取井下装置加热技术，可以提高注热法的效率。井下电磁加热法就是其中之一。这种方法是通在垂直(或水平)井中沿井的延伸方向，在水合物层内放入不同的电极，再通以交变电流使其生热对储集层进行加热。在电磁加热的方法中，选用微波加热是最有效的方法[4]。

3.2 减压法

天然气水合物的降压开采技术是通过降低水合物层压力，使其低于在该温度下天然气水合物的相平衡压力，从而实现水合物分解的方法。一般是通过抽取水合物储层下方游离气储层的气体，造成储层压力下降，与天然气接触的水合物变得不稳定，从而分解为天然气和水[4]。苏联的麦索雅哈水合物气田就是采用这种技术开采的[5]。

目前有一种新的且已在室内模拟实验中得到证实的观点，即通过大幅度降压，直至将储层温度降到零以下，水合物分解产生的是冰而不是液态水，需要的潜热显著降低，且无需外界热量的输入，水合物也能持续不断分解释放气体。但是，在这种情况下，如果温度保持在272 K左右，分解速率较快；如果温度降到268 K左右，分解速率很慢[4]。

3.3 化学抑制法

化学抑制剂法是在开采过程中，通过注入化学抑制剂(如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等)达到改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度，改变天然气水合物稳定层的温压条件的目的，从而促使部分天然气水合物的分解。化学抑制剂法十分简单、使用方便，但缺陷是费用、作用缓慢和对环境存在潜在的污染风险。实验表明，天然气水合物的溶解速率与很多因素有关，例如抑制剂浓度、注入排量、压力、抑制液温度及水合物和抑制剂的接触面面积等。麦索雅哈气田水合物气层的开采初期，在两口井的底部注入甲醇后，产量增加了6倍；在做美国阿拉斯加的永冻层水合物的实验中，有效地成功移动相边界，获得了明显的气体回收效果[6]。

化学抑制试剂有三大类：热力学抑制剂、防聚剂和动力学抑制剂。传统的水合物化学抑制剂都具有耗量大、成本高、毒性强等缺点。随着研究的深入，人们又发现了另外两种新型的抑制技术，即以表面活性剂为基础的防聚结技术和阻止晶核成长的动力学技术。随着环保意识的增强，当前研究的热点是开发性能优良，价格低廉的动力学抑制剂。注化学试剂法主要研究的方面为：抑制剂的化学结构、物理性质、安全浓度值、环境影响、成本分析和脱水能力等[5-6]。

3.4 二氧化碳置换法

二氧化碳水合物比甲烷水合物更稳定，二氧化碳置换法是通过将二氧化碳气体注入水合物储层，置换出甲烷进行开采。Ebinuma[7]首次提出运用二氧化碳置换海底和冻土区域水合物中的甲烷的设想。Ohgaki等[8]第一次用实验证明了水合物藏中二氧化碳置换甲烷的可行性。该方法有两个好处，一是完整地保护水合物沉积层，避免因为水合物开采引起的海洋地质灾害。二是将工业生产出来的二氧化碳气体封存于海底地层，减缓温室效应。

4 结 语

虽然国内在天然气水合物的研究方面起步较晚，但是已经取得丰硕的进展。随着研究的深入，天然气水合物资源勘查资金的投入也逐渐由单一的国家调研项目经费转变为国家调查专项、973计划项目及三大石油公司的勘查项目形成的立体。在广大科技工作者的共同努力下，我国将在天然气勘探开发技术不断取得新进步。

各国的政府部门已认识到天然气水合物巨大的经济价值和重大的研究意义，可以预见，在不久的将来，天然气水合物在化石能源中将扮演越来越重要的角色。