天然氣水合物（化學式CH4·6H2O），主要分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中，是天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀結晶物質，因其外觀像冰且遇火即可燃燒，所以又被稱作“可燃冰”。天然氣水合物資源密度高，全球分布廣泛，具有極高的資源價值，是油氣工業界長期研究的熱點。2017年5月，中國首次海域天然氣水合物試采成功，作為一種極具潛力的未來清潔能源，天然氣水合物研究尤其是開采技術研究對于未來能源具有重要的戰略意義。本文詳細介紹了目前天然氣水合物的開采技術與方法，主要有熱力開采法、降壓法、化學抑制劑法、二氧化碳置換法、固體開采法等。

圖1 我國首次海域天然氣水合物試采成功

一、熱力開采法

熱力開采法又稱熱激法，開采前利用鑽探技術在天然氣水合物穩定層中安裝管道，對含天然氣水合物的地層進行加熱，提高局部儲層溫度，從而促成天然氣水合物分解，再用管道收集析出的天然氣。熱激法按照發熱形式可以分為兩種:①熱量從表層進入水合物儲層，例如注蒸汽、熱水、熱鹽水等；②熱量在井下水合物儲層内直接産生提供，例如井下燃燒、電磁制熱、微波導熱等。

（一）第一類熱激方式

第一類熱激方式傳達能量的形式為通過媒介輸送，熱能以液體或氣體為載體傳到天然氣水合物層。天然氣水合物形成的條件是低溫高壓，熱量的輸送增加了井周圍部分天然氣水合物的溫度，天然氣水合物失去維持穩定的條件而分解。使用該方法開采的主要影響因素是熱能的傳遞效率和可加熱範圍。但是液體或氣體輸送的過程總會有熱量的散失，所以此方法存在較大能量損失，導緻能量利用率變低。在已有的輸送熱量的媒介中，循環注入熱鹽水的開采效果能量效率相對較高，而且多井注入生産比單井生産有利，熱激法開采示意圖如圖2所示。

圖2 熱激法開采示意圖

（二）第二類熱激方式

第二類熱激方式主要有井下原位燃燒、井下電磁加熱、微波加熱等作業方式。

井下燃燒法多用于凍土層水合物燃燒，本質上是其分解氣的燃燒，燃燒熱量一部分傳遞至水合物内部加熱分解水合物，另一部分加熱汽化水份并向周圍空間散熱。分解水層及石英砂層限制了分解氣釋放和熱量向水合物内部傳遞，下層水合物分解緩慢,導緻水合物不能燃盡而自行熄滅，故井下原位直接燃燒加熱開采凍土區，不會造成整個水合物藏燃燒失控。

井下電磁加熱技術就是在垂直(或水平)井中沿井的延伸方向在緊鄰水合物帶的上下(或水合物層内)放入不同的電極，再通以交變電流使其生熱直接對儲層加熱。電磁加熱法具有加熱迅速且易于控制的優點，但需要大量的能量來源且設備複雜，有待進一步研究。

微波加熱法即通過波導将微波導入井底，利用微波對物質的介電熱效應對儲層加熱。微波加熱效率一般在微波段102~104MHz之間最大。天然氣水合物是一種極性分子，對微波有一定的吸收作用，微波對水合物有加熱、造縫、非熱效應三大作用，因此微波加熱是體型加熱，而且加熱均勻。影響微波開采的主要因素是微波源功率和微波頻率以及微波穿透深度。目前，微波加熱技術開采水合物仍處于起步階段，大功率微波裝置的研制、提高微波穿透深度等技術還需要進一步研究。

二、降壓法

降壓法是通過泵吸作用降低氣體水合物儲層的壓力，使其低于水合物在該區域溫度條件下相平衡壓力，從而使水合物從固體分解相變産生甲烷氣體的過程。降壓法一般是通過降低水合物層之下的遊離氣聚集層的壓力，從而使與遊離氣接觸的水合物變得不穩定而分解。如果天然氣水合物氣藏與常規天然氣藏相鄰，則可通過開采水合物層之下的遊離氣來降低儲層壓力，随着遊離氣體的不斷減少，天然氣水合物與氣之間的平衡不斷受到破壞，使得氣水合物層開始融化并産出氣體不斷補充到遊離氣氣庫中，直到天然氣水合物開采完為止。降壓法可以開采兩種類型的天然氣水合物礦藏:一種是水合物底層和蓋層都是非滲透層；另一種是水合物蓋層是非滲透層,而水合物層下面蘊藏着大量的遊離天然氣。降壓法開采的影響因素主要是外部溫壓條件。降壓法開采示意圖如圖3所示。

圖3 降壓法開采示意圖

三、化學抑制劑法

化學抑制劑法是通過添加化學抑制劑(包括鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等)，導緻部分天然氣水合物分解的過程。因為該化學反應是雙向進行的，天然氣和水反應生成天然氣水合物的同時，天然氣水合物也在分解成天然氣和水，而反應最終會到達平衡，即兩個方向反應速率相等。不同的條件下（壓力、溫度、濃度和有無催化劑等）化學反應會達到不同的平衡狀态，而天然氣水合物在未開采時的狀态就是在深海條件下的平衡狀态，此時添加化學抑制劑，會使天然氣水合物穩定存在的條件被改變，當前環境條件無法保持天然氣水合物合成和分解的速率相同，需要反應向分解的方向進行來達到新的平衡狀态，從而促使天然氣水合物分解。影響化學抑制劑開采的主要因素是反應速率以及材料成本。化學抑制劑法開采示意圖如圖4所示。

圖4 化學抑制劑法開采示意圖

四、二氧化碳置換法

二氧化碳置換法首先由日本研究者提出，方法依據的仍然是天然氣水合物穩定帶的壓力條件。在一定的溫度條件下，天然氣水合物保持穩定需要的壓力比CO2水合物更高，因此在某一特定的壓力範圍内，天然氣水合物會分解，而CO2水合物則易于形成并保持穩定，如果此時向天然氣水合物藏内注入CO2氣體，CO2氣體就可能與天然氣水合物分解出的水生成CO2水合物，CO2水分子通過空間結構上的改變達到一種能量最低狀态的平衡，比天然氣水合物存在的狀态能量要低，因此會有多餘的能量以熱的形式釋放出來，促成周圍的CH4水合物籠狀體進一步的分解，最終完成置換反應過程。影響二氧化碳開采天然氣水合物的主要因素是反應速率和水合物所儲存的穩壓環境和多孔介質特性。二氧化碳置換法開采示意圖如圖5所示。

圖5 二氧化碳置換法開采示意圖

五、固體開采法

固體開采法是在海底把天然氣水合物利用采礦機以固體形式采出，然後應用海底集礦總系統對淺層水合物進行初步分離，再利用水利提升系統将水合物提升到海平面。水合物在提升過程中，溫度和壓力均發生變化，水合物會不斷分解，所以開采過程中用到了固液氣三相混輸技術。采出的天然氣水合物固體經粉碎機磨碎後送往分離器，然後使用水泵将海水引入分離器，利用海水溫度(一般為二十度左右)對天然氣水合物加熱使其充分分解。影響固體開采法的主要因素就是對三相流動過程的精準把握與控制。固體開采法開采示意圖如圖6所示。

圖6 固體開采法開采示意圖

六、小結

作為一種極具潛力的未來清潔能源，天然氣水合物研究尤其是開采技術研究對于未來能源具有重要的戰略意義。當前開采技術中熱采法效率低，且隻能實現局部加熱；電磁法、微波法加熱範圍廣，有望實現大規模開采，但産生能量的設備複雜；降壓閥作業量巨大，且花費高,但可實現大規模開采；二氧化碳置換法對環境影響小，但是置換效率和速率不高；固體提升法采出耗能較大。

雖然目前還沒有實現大規模商采，但是在全球能源短缺的壓力以及天然氣水合物能源誘人前景的吸引下，世界各國都在加緊試驗和研究，天然氣水合物資源有望成為21世紀的主要能源。

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