天然氣水合物開采與利用技術(shù)的發(fā)展

摘要：天然氣水合物是一種非常有前途的天然氣資源，其儲量巨大，可以作為替代傳統(tǒng)燃料的新能源。然而，由于其特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，天然氣水合物開采與利用仍然面臨很多挑戰(zhàn)，當(dāng)前需要在技術(shù)創(chuàng)新、環(huán)境保護(hù)和風(fēng)險控制等方面加強(qiáng)研究。深海是天然氣水合物形成和儲存的良好場所。天然氣水合物開采與利用是深海油氣勘探的新方向，具有深度大、溫度低、壓力高等特點，戰(zhàn)略意義突出。本文結(jié)合天然氣水合物開采與利用技術(shù)的發(fā)展，重點分析深海油氣勘探中天然氣水合物的開采和利用，以開發(fā)深海天然氣水合物資源。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；深海油氣勘探；開采與利用

中圖分類號：P744.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）08-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.08.026

Development of natural gas hydrate extraction and utilization technology

——A New direction for deep-sea oil and gas exploration

DU Jiaman1，2， ZHAO Yonggang1，2， WANG Han1，2， SHEN Rongrong1，2， YIN Xuhang1，2

（1. School of Earth Sciences and Engineering， Xi'an Shiyou University; 2. Shaanxi Provincial Key Laboratory of Petroleum Accumulation Geology， Xi'an Shiyou University， Xi'an 710065， China）

Abstract： Natural gas hydrate is a very promising natural gas resource with huge reserves， which can be used as a new energy source to replace traditional fuels. However， due to its unique physical and chemical properties， the extraction and utilization of natural gas hydrate still face many challenges， and research needs to be strengthened currently in areas such as technological innovation， environmental protection， and risk control. The deep sea is a good place for the formation and storage of natural gas hydrate. The extraction and utilization of natural gas hydrate is a new direction for deep-sea oil and gas exploration， with characteristics of large depth， low temperature， high pressure， and prominent strategic significance. This paper combines the development of natural gas hydrate extraction and utilization technology， focusing on analyzing the extraction and utilization of natural gas hydrate in deep-sea oil and gas exploration， in order to develop deep-sea natural gas hydrate resources.

Keywords： natural gas hydrate; deep-sea oil and gas exploration; extraction and utilization

天然氣水合物又被稱為可燃冰，是一種類似于冰晶體的固態(tài)物質(zhì)，其中包含大量天然氣分子。這種資源儲量豐富，分布廣泛，是一種極具潛力的能源[1]。深海油氣勘探是指在海洋深處進(jìn)行石油和天然氣勘探活動，尋找和開發(fā)潛在的深海油氣資源。當(dāng)前，深海油氣勘探正面臨一些挑戰(zhàn)，而天然氣水合物開采與利用可以作為深海油氣勘探的新方向[2]。

1 天然氣水合物的特征

1.1 化學(xué)組成和形成條件

天然氣水合物是一種固態(tài)天然氣，是由天然氣和水在一定溫度和壓力下結(jié)合形成的。其主要由甲烷和少量的乙烷、丙烷等天然氣組分組成，同時包含水分子，化學(xué)式為（CH4）m·nH2O，m表示甲烷分子數(shù)，n表示水分子數(shù)。天然氣水合物需要在較低的溫度下形成，通常為0～20 ℃；需要在較高的壓力下形成，通常為10～100 MPa。同時，水分子是天然氣水合物形成的關(guān)鍵因素，需要有足夠的水分子來結(jié)合天然氣分子。天然氣水合物的成分以甲烷為主，其他天然氣成分的含量較少。天然氣水合物主要分布在深海沉積物中?？偟膩碚f，天然氣水合物的形成需要特定的溫度、壓力、水分子、天然氣成分和沉積物等條件，其主要分布在深海沉積物中[3]。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

天然氣水合物是一種儲量豐富、能量密度高、清潔環(huán)保的能源，具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。它的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括能源、化工、交通、海洋工程、環(huán)境保護(hù)等，戰(zhàn)略意義突出。它是一種清潔、高效的燃料，可以用于發(fā)電、加熱等能源領(lǐng)域，為能源轉(zhuǎn)型提供一種新選擇。它可以用于生產(chǎn)液化石油氣、甲烷、乙烯等化學(xué)品，有望成為未來化工產(chǎn)業(yè)的主要原料之一[5]。它可以作為車用燃料，相比傳統(tǒng)石油燃料，更為環(huán)保，可以降低車輛的碳排放量，同時有望成為未來航空領(lǐng)域的燃料選擇之一。它在海洋工程領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如海底管道輸送、海上平臺供氣等。作為清潔能源，其開發(fā)和利用對環(huán)境的影響較小，有望成為減少化石能源消耗、減緩氣候變化的一種有效手段。

2 天然氣水合物開采技術(shù)的發(fā)展

2.1 開采技術(shù)的歷史和現(xiàn)狀

天然氣水合物開采技術(shù)是近年來的研究熱點之一，其歷史可以追溯到20世紀(jì)80年代。20世紀(jì)80年代，日本、美國等國開始研究天然氣水合物的開采技術(shù)，其中日本在這方面進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究和實踐。20世紀(jì)90年代，加拿大和中國也開始參與天然氣水合物的研究和開采。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，各國對天然氣水合物的研究力度不斷加大，近年來，其開采技術(shù)得到長足的發(fā)展。

目前，天然氣水合物開采技術(shù)主要包括熱解法、減壓法和化學(xué)法。其中，熱解法是最常用的一種方法，通過加熱水合物使之分解，釋放出天然氣。減壓法則是通過減小水合物周圍的壓力，使其分解，釋放出天然氣?；瘜W(xué)法則是通過添加化學(xué)物質(zhì)，降低水合物分解溫度和壓力，促進(jìn)水合物的分解和天然氣的釋放。很多國家都在加強(qiáng)對天然氣水合物開采技術(shù)的研發(fā)，其中日本是試采和商業(yè)化開采最為活躍的國家之一。目前，日本已經(jīng)建立多個試采平臺，實現(xiàn)小規(guī)模的商業(yè)化開采。然而，天然氣水合物的開采仍然存在一些挑戰(zhàn)，如開采成本較高、技術(shù)難度大、環(huán)境風(fēng)險高。因此，未來要繼續(xù)加強(qiáng)研究和開發(fā)，推動天然氣水合物開采技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步。

2.2 開采技術(shù)的發(fā)展趨勢

天然氣水合物是一種儲量豐富的新型能源，但其開采技術(shù)不成熟，存在一定的環(huán)境風(fēng)險。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和能源需求的增長，天然氣水合物開采技術(shù)不斷發(fā)展和改進(jìn)[6]。由于天然氣水合物開采難度較大，試采技術(shù)未來一段時期仍是天然氣水合物開采的主要手段。試采技術(shù)將會不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，未來要加強(qiáng)對水合物采掘和回收的研究，探索更加高效、可靠、安全的試采技術(shù)。

近年來，新型開采技術(shù)不斷涌現(xiàn)，天然氣水合物的采掘效率提高，采掘成本降低。比如，利用新型熱解法將天然氣水合物熱解成天然氣，提高采掘效率；利用超級計算機(jī)技術(shù)對天然氣水合物進(jìn)行數(shù)字化建模，優(yōu)化開采方案和流程。天然氣水合物的開采和利用對環(huán)境存在一定的影響，因此環(huán)境保護(hù)將成為天然氣水合物開采技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。水合物開采過程會排放溫室氣體和廢水，未來要加強(qiáng)對環(huán)境問題的控制和管理。

天然氣水合物開采需要巨大的投資和技術(shù)支持，未來開采技術(shù)的發(fā)展趨勢是合作共享。要加強(qiáng)國際合作，共同推進(jìn)天然氣水合物開采技術(shù)的研發(fā)，共享技術(shù)和資源，降低開采成本和風(fēng)險。天然氣水合物開采技術(shù)將會不斷發(fā)展和創(chuàng)新，以滿足不斷增長的能源需求和不斷提高的環(huán)保要求。天然氣水合物開采技術(shù)的未來發(fā)展受多方面因素影響，但總體來說，在兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的前提下，天然氣水合物開采技術(shù)的市場前景十分廣闊。

3 天然氣水合物利用技術(shù)的發(fā)展

3.1 利用技術(shù)的種類和優(yōu)缺點

天然氣水合物是一種具有巨大潛能的非常規(guī)能源?，F(xiàn)階段，天然氣水合物利用技術(shù)主要有水合物分解技術(shù)、直接利用技術(shù)、孔隙水合物技術(shù)等。其中，水合物分解技術(shù)是將水合物中的天然氣分解，將其變成液態(tài)或氣態(tài)燃料。這種技術(shù)包括減壓脫水、熱解、化學(xué)溶解等方法。水合物分解技術(shù)在化工、制藥等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。其原理是通過加熱或減壓等方式去除水分子，使水合物分解成無水物質(zhì)，從而實現(xiàn)分離和純化有用物質(zhì)的目的。水合物分解技術(shù)還可以用于儲能領(lǐng)域。一些金屬氫化物可以形成水合物，通過控制加熱和降壓等條件，可以將水合物分解成金屬和氫氣，從而釋放儲存在其中的能量。直接利用技術(shù)是將水合物直接用作燃料或原料。這種技術(shù)包括燃燒、合成天然氣、液化等方法?？紫端衔锛夹g(shù)是一種利用水合物制備新材料的方法，通過控制水合物的晶體結(jié)構(gòu)和孔隙度，可以制備具有特殊性能的新材料，如表1所示。不同的水合物利用技術(shù)具有各自的優(yōu)點和缺點，需要根據(jù)具體情況選擇。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，天然氣水合物的利用前景將會更加廣闊。

3.2 利用技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

目前，很多國家都在積極開展天然氣水合物利用技術(shù)的研發(fā)。日本、美國、加拿大、韓國等國在該領(lǐng)域的研發(fā)中處于領(lǐng)先地位。此外，中國也在天然氣水合物利用技術(shù)的研發(fā)中取得一定進(jìn)展。我國自1999年開始天然氣水合物調(diào)查，并初步查清本國海域天然氣水合物資源量，同時在鉆探調(diào)查方面取得重要突破。2014年，我國正式啟動海域天然氣水合物試采工程。在起步晚、起點低、無經(jīng)驗可循的條件下，我國用較短的時間掌握粉砂質(zhì)儲層水合物試采的核心技術(shù)。2017年，我國實施海域天然氣水合物首次試采，探索性試采取得成功，從而實現(xiàn)歷史性突破，搶占國際天然氣水合物科技創(chuàng)新制高點，趕上國外先進(jìn)勘查水平。2020年，我國組織實施天然氣水合物第二次試采，實驗性試采取得成功，國際領(lǐng)先優(yōu)勢進(jìn)一步增強(qiáng)[7]。

天然氣水合物利用技術(shù)主要包括水合物分解技術(shù)、直接利用技術(shù)和孔隙水合物技術(shù)。其中，水合物分解技術(shù)和直接利用技術(shù)是目前主流的技術(shù)，但這些技術(shù)仍存在一些缺陷，如能量消耗大、環(huán)境影響大等。因此，未來研究將致力于改進(jìn)和創(chuàng)新這些技術(shù)。此外，天然氣水合物利用技術(shù)的開發(fā)需要各國共同努力。當(dāng)前，各國之間在該領(lǐng)域的合作正在不斷加強(qiáng)。日本、美國、加拿大等國已經(jīng)建立國際合作機(jī)制，共同開展天然氣水合物利用技術(shù)的研發(fā)。目前，天然氣水合物利用技術(shù)成本較高，限制其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，技術(shù)成本將會逐步降低，有助于天然氣水合物利用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。天然氣水合物是一種具有潛力的新型能源，其開采和利用對于滿足全球能源需求、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和減少溫室氣體排放具有重要意義。隨著能源需求的增長，天然氣水合物利用技術(shù)將會不斷發(fā)展和改進(jìn)。未來，天然氣水合物可直接利用，也可間接利用。

4 深海油氣勘探與天然氣水合物開采的關(guān)系

深海油氣勘探和天然氣水合物開采在技術(shù)和設(shè)備方面存在一定的相似性，因此深海油氣勘探的經(jīng)驗和技術(shù)對于天然氣水合物開采的促進(jìn)作用不可忽視。天然氣水合物開采對深海油氣勘探的影響是多方面的。隨著技術(shù)和管理的不斷進(jìn)步，兩者的互動和協(xié)調(diào)將會更加密切，為深海資源開發(fā)提供更好的支持。

4.1 深海油氣勘探對天然氣水合物開采的促進(jìn)作用

4.1.1 技術(shù)創(chuàng)新

深海油氣勘探的技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)得到長期的研發(fā)和實踐，這些技術(shù)和設(shè)備可以在天然氣水合物的勘探和開采中得到應(yīng)用。例如，深海油氣勘探中采用的定向鉆探、沉積物樣品采集、海底測量等技術(shù)可以為天然氣水合物的開采提供寶貴的經(jīng)驗和技術(shù)支持。

4.1.2 設(shè)備共享

深海油氣勘探需要使用大型的海上設(shè)施，如鉆井平臺、生產(chǎn)平臺、船舶等，這些設(shè)備的共享可以降低天然氣水合物勘探和開采的成本，提高效率。此外，深海油氣勘探中使用的海洋工程設(shè)備，如潛水器、遙控機(jī)器人等，也可以用于天然氣水合物的開采和檢測。

4.1.3 知識交流

深海油氣勘探和天然氣水合物開采存在相似的技術(shù)和工程問題，如海底地形復(fù)雜、氣候條件惡劣等，這些問題需要專業(yè)知識和經(jīng)驗的支持。深海油氣勘探和天然氣水合物開采領(lǐng)域的專家和科研人員可以進(jìn)行知識交流和合作，共同解決問題，促進(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步[8]。

4.2 天然氣水合物開采對深海油氣勘探的影響

4.2.1 技術(shù)創(chuàng)新

天然氣水合物開采需要應(yīng)用深海油氣勘探中的一些技術(shù)，如水下開采和加壓調(diào)控等。同時，天然氣水合物的勘探和開采也需要借鑒深海油氣勘探的技術(shù)，如深海定向鉆井和海底工程設(shè)備等。因此，天然氣水合物的開采可以促進(jìn)深海油氣勘探的技術(shù)創(chuàng)新。

4.2.2 設(shè)備共享

天然氣水合物開采需要大量的設(shè)備支持，如冰層鉆探設(shè)備、生產(chǎn)平臺等。這些設(shè)備的共享可以提高深海油氣勘探的設(shè)備利用率，提高資源利用效率。同時，深海油氣勘探的海底設(shè)備和測量儀器等也可以為天然氣水合物的勘探和開采提供支持。

4.2.3 資源競爭

天然氣水合物開采和深海油氣勘探都是深海資源的開發(fā)，兩者之間也存在資源競爭。隨著天然氣水合物開采技術(shù)的逐步成熟，更多的企業(yè)將會進(jìn)入該領(lǐng)域，加劇深海資源的競爭，也可能對深海油氣勘探的開發(fā)產(chǎn)生影響。

4.2.4 環(huán)境影響

天然氣水合物的開采可能對深海環(huán)境造成影響，如生態(tài)系統(tǒng)破壞、底部沉積物擾動等。這些影響也會對深海油氣勘探產(chǎn)生一定的影響，要加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)和管理。

5 結(jié)論

深海油氣勘探與天然氣水合物開采相互聯(lián)系，相互促進(jìn)，兩者在技術(shù)和資源方面可以相互借鑒，實現(xiàn)協(xié)同發(fā)展。深海油氣勘探技術(shù)的發(fā)展為天然氣水合物勘探和開采提供技術(shù)支持。隨著深海油氣勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，勘探技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)逐漸適應(yīng)深海環(huán)境的特殊性，如高壓、低溫、高鹽等環(huán)境。這些技術(shù)和設(shè)備可以為天然氣水合物的勘探和開采提供參考。天然氣水合物的開采可以為深海油氣勘探提供新的能源來源。天然氣水合物是一種豐富的天然氣資源，儲量巨大，可以作為深海油氣勘探的備用能源，滿足深海油氣勘探作業(yè)的能源需求。深海油氣勘探和天然氣水合物開采都需要面對相似的技術(shù)難題和環(huán)境風(fēng)險，如海洋環(huán)境的復(fù)雜性和不可預(yù)知性。兩者可以通過技術(shù)和經(jīng)驗交流，相互促進(jìn)和支持，共同推動勘探和開采的發(fā)展。

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