4.1.2 天然气水合物的性质和开采方法

天然气水合物（gas hydrate）是一种白色的固体结晶物质，有极强的燃烧能力，俗称“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。

4.1.2.1 天然气水合物的性质

天然气水合物由水分子和燃气分子构成，外层是水分子构架，核心是燃气分子。其中燃气分子绝大多数是CH₄，所以天然气水合物也称为甲烷水合物，分子式为CH₄·8H₂O。根据理论计算，1m3的天然气水合物可释放出168m3的CH₄和0.8m3的水，因此是一种高能量密度的能源。天然气水合物资源丰富，全球天然气水合物中CH₄的总量估计约为1.8×1016m3，其含碳总量为石油、天然气和煤含碳总量的2倍，因此有专家乐观地估计，当全球化石能源枯竭殆尽时，天然气水合物将成为新的替代能源。

可燃冰是自然形成的，它们最初来源于海底的细菌。海底有很多动植物的残骸，这些残骸腐烂时产生细菌，细菌排出CH₄，当正好具备高压和低温的条件时，细菌产生的CH₄气体就被锁进水合物中。天然气水合物只能存在于低温高压环境中，一般要求温度低于0～10℃，压力高于10MPa。一旦温度升高或压力降低，CH₄就会逸出，天然气水合物便趋于崩解。

天然气水合物虽然给人类带来了新的能源希望，但它也可对全球气候和生态环境甚至人类的生存环境造成严重的威胁。当前大气中CO₂以每年0.3%的速率增加，而大气中的CH₄却以每年0.9%的速率在更为迅速地增加着，而且CH₄的温室效应是CO₂的20倍。全球海底天然气水合物中的CH₄总量约为地球大气中CH₄量的3000倍，如此大量的CH₄如果释放，将对全球环境产生巨大影响，严重影响全球气候。另外，固结在海底沉积物中的水合物，一旦条件发生变化，释放出CH₄，将会明显改变海底沉积物的物理性质，引发大规模的海底滑坡，毁坏一些海底重要工程设施，如海底输电或通信电缆、海洋石油钻井平台等。

4.1.2.2 天然气水合物的开采方法

（1）钻孔取芯技术

随着钻探技术和海洋取样技术的提高，给人们提供了直接研究天然气水合物的机会。同时，钻探取芯技术也是证明地下水合物存在的最直接的方法之一。目前，已在墨西哥湾、布莱克海岭取到了天然气水合物岩芯。通常采用钻杆岩芯或活塞式取样器。分析测试时，取用一定样品（100～200g）放入无污染的封闭罐内，再在罐中注入足够的水，并保留一定的空间（100cm3），通过罐顶气、样品机械混合后释放出的气体及样品经酸抽取后释放出的CH₄～C₄H₁₀的组分进行气相色谱分析，以及对罐顶气进行甲烷δ13C和δD分析，不但可以推算水合物的类型，还可以确定水合物的成因。

（2）测井方法

测井方法鉴定一个特殊层含气水合物的4个条件是：具有高电阻率（约为水的50倍以上）；短的声波传播时间（比水低131μs/m）；钻探过程中明显有气体排放；必须有两口或多口钻井区。

（3）化学试剂法

盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化学试剂可以改变水合物形成的平衡条件，降低水合物的稳定温度。化学试剂法比热激法缓慢，但有降低初始能源输入的优点，其最大缺点是费用昂贵。

（4）减压法

通过降低压力，引起天然气水合物相平衡曲线稳定的移动，达到促使水合物分解的目的。一般通过在水合物下的游离气聚集层中“降低”天然气压力或形成一个天然气“囊”。开采水合物下的游离气是降低储层压力的有效方法。另外，通过调节天然气的提取速度可以达到控制储层压力的目的，进而达到控制水合物分解的效果。减压法的最大特点是不需要昂贵的连续激发，因而可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一，但单独使用减压法开采天然气很慢。

从以上各种方法的使用来看，单独采用一种方法开采天然气水合物是不经济的。若将降压法和热工开采技术结合起来，即用热激法分解水合物，用降压法提取游离气，会有较好的前景。