天然气水合物研究现状及应用前景

杨 杰，胡 楠

（长安大学地球科学与资源学院，陕西 西安 710064）

1 天然气水合物概况

天然气水合物是一种白色固体结晶物质，外形像冰，有极强的燃烧力，可作为上等能源，俗称为“可燃冰”。天然气水合物由水分子和燃气分子构成，外层是水分子格架，核心是燃气分子。燃气分子可以是低烃分子、二氧化碳或硫化氢，但绝大多数是低烃类的甲烷分子，所以天然气水合物往往称之为甲烷水合物。据理论计算，1 m3的天然气水合物可释放出164 m3的甲烷气和0.8 m3的水。

天然气水合物是天然气和水在比较低的温度和足够高的压力下形成的固态结晶物质，所以其存在环境大多是在水深超过300 m的海底沉积物中和永久冻土中。海底天然气水合物若要维持其固体状态，就必须依赖于水层的巨大压力。其垂直深度上的分布范围一般是从海底至其下2 000 m，超过此深度其固体状态则难以存在。因为随着地层温度的升高该固体状态很容易遭到破坏。

2 天然气水合物的研究现状

2.1 国外研究现状

早在 1810年化学家达威首次在伦敦皇家研究院实验室成功地合成了氯气水合物，引起了化学家们的极大关注。但是直到Hammerschmidt于1934年发现堵塞天然气输送管道的物质就是天然气水合物时，石油地质学家和化学家才把注意力集中到天然气水合物的研究上来。但当时研究的目的只是为了解决管道堵塞问题。直到20世纪60年代苏联在开发麦索亚哈气田时，首次在地层中发现了天然气水合物藏，人们才开始把气体水合物作为一种燃料能源进行研究。80年代以来，许多国家都在天然气水合物调查研究方面给予了高度重视，各国政府从能源储备战略角度考虑，纷纷制定了长远发展规划和实施计划，全球兴起一个深入开展天然气水合物调查研究的热潮。据资料显示，迄今已至少在全球116个地区发现天然气水合物，其中陆地38处（永久冻土带），海洋78处。

联邦德国于20世纪80年代与印尼等国对西南太平洋的边缘海进行过联合研究，在莽拉威西海发现海底天然气水合物的识别标志。目前，德国正在筹划大规模的国家研究计划，可能计划与俄罗斯合作研究鄂霍茨克海的海底水合物。

发展中国家印度也在政府五年计划（1996～2000年）中投入5600万美元，在其东、西部近海开展天然气水合物的调查研究工作。同时，印度于2006年5月取得海上水合物岩心。

2.2 国内研究现状

我国在天然气水合物研究方面起步较晚，直到20世纪80年代末才开始关注，前期工作也仅仅局限于对国外资料的简单的收集和整理，由于受到政府的高度重视和大力支持，现已成为热点研究课题。1990年，对天然气水合物的研究来说是具有里程碑意义的一年。由于国家重点试验室中科院兰州冰川研究所冻上工程的科研人员与其合作伙伴莫斯科大学冻土专业的学者联合研究，标志着我国对天然气水合物的研究全面展开。目前，天然气水合物研究工作进入到实际调查评价和实验模拟阶段。

2007年5月1日，国土资源部中国地质调查局在中国南海北部成功钻获天然气水合物实物样品。在南海发现天然气水合物的神狐海域，成为世界上第24个采到天然气水合物实物样品的地区，是第22个在海底采到天然气水合物实物样品的地区，是第12个通过钻探工程在海底采到水合物实物样品的地区一，成为继美国、日本、印度之后第四个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家，是在南海海域首次获取天然气水合物实物样品的国家。

总结前人资料，天然气水合物的应用前景主要有车用燃料、天然气水合物运输两个方面。

2.2.1 车用燃料

目前天然气汽车使用的燃料大多是压缩天然气，其缺点在于存储压力高和行程短。为克服这些缺点，美国已试验将天然气水合物作为车用燃料，其平衡压力仅为4 MPa，远低于通常所需的10 MPa。天然气水合物具有高浓度、高能量密度、高存储效率等优点，因此行驶距离长，比压缩天然气汽车、液化天然气汽车和活性炭吸附天然气汽车更具优势。这个方案面临的关键技术问题是如何使天然气水合物快速分解以满足内燃机系统的需要。

2.2.2 天然气水合物运输

目前海上天然气主要采用液化天然气（LNG）方式运输，液化天然气需要高压和深冷技术，设备规模大，投资成本高。将其合成为天然气水合物后再运输不仅能降低成本，而且技术可行性优于液化天然气、甲醇以及合成油技术。天然气水合物是固体，体积不能在短时间内突然膨胀，分解后天然气可全部释放，既能有效地提高天然气的储存规模和效率，还不会造成环境污染。

3 结束语

作为一种极具潜力的清洁能源，天然气水合物研究尤其是开采研究对于未来能源具有重要的战略意义。随着科学技术的飞速发展和人类对能源需求的增长，天然气水合物这一非常规能源定会在未来产生巨大的经济效益和社会效益。

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