甲烷水合物的開采與研究

哈爾濱石油學院本科生畢業(yè)設計（論文）PAGE0PAGE0哈爾濱石油學院本科生畢業(yè)設計（論文）摘要本文在研究大量國外文獻資料的基礎上，統(tǒng)計了迄今為止國際甲烷水合物的發(fā)現成果；對涉及甲烷水合物研究和調查的工作進行了簡要回顧，劃分其為五個研究工作階段和五個調查工作階段；并對一些重要國家尤其是對我國周邊國家或地區(qū)進行甲烷水合物調查和研究工作的現狀作了簡要介紹。通過分析甲烷水合物分布與成因及重要特征，歸納總結了甲烷水合物調查研究的滲流地質特征；開采應用技術；開采能量分析等三大主要方面的基本內容和要求。指出在高投入的前提下，堅持勘測方法的綜合性、高技術性、創(chuàng)新性和有效性，將是取得實質性成果的關鍵之所在。關鍵詞：甲烷水合物；調查研究；現狀及回顧；主要技術哈爾濱石油學院本科生畢業(yè)設計（論文）PAGE0AbstractThispapermainlyresearchingtheforeignliteraturematerial，onthebasisoftheinternationalstatisticalofMethanehydratetheresultsfoundeduptillnow;madeabriefreviewoftheresearchandsurveyworkinvolvedinMethanehydrate，dividedtheresearchworkforfivestagesandfiveinvestigationstage;Andbrieflyintroducedsomecountries，especiallytheimportanttoourcountryneighboringcountriesorareasofnaturalofgashydrateinvestigationandresearchofthestatus.ThroughtheanalysisofMethanehydrateformationandtheimportantcharacteristicsanddistribution，itsummarizedthegashydrateinvestigationofseepagegeologicalcharacteristics，miningapplicationtechnology，miningenergyanalysis，thethreebigmainaspectsofthebasiccontentandrequirement.Pointingoutthatunderthepremiseofthehighinvestment，adhereingtothecomprehensivesurveymethods，skilled，innovativeandeffective，willbemadesubstantialachievementsinthekey.Keyword:Methanehydrate;research;presentsituationandreview;themaintechnicalPAGE30I目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章概述 11.1成分 11.2結構類型 11.3特點 1第2章甲烷水合物成因及分布 32.1甲烷水合物成因 32.2甲烷水合物分布 4第3章甲烷水合物地質特征和滲流特征 93.1甲烷水合物地質特征 93.2甲烷水合物在多孔介質中的滲流特征 13第4章甲烷水合物的開采 174.1甲烷水合物的開采方法 174.2甲烷水合物開采應用技術 194.3甲烷水合物開采技術建議 20第5章甲烷水合物的環(huán)境效應 22結論 24參考文獻 25致謝 30第1章概述1.1成分甲烷水合物，俗稱“可燃冰”，其英文名為Methanehydrates或NaturalGasHydrates（NGH），俄文則為газогидрат。甲烷水合物是一種甲烷與水的非化學計量型籠形化合物。在這種化合物中，通過氫鍵的作用，水分子（主體分子）形成擁有一定大小空穴的晶格主體，空穴中則包有較小的氣體分子（客體分子，主要的成分是CH4），由此形成外觀像松散的冰或者雪花的固態(tài)化合物[1，60]，其密度是0.91～0.905g/cm3?；衔镏校肿雍蜌怏w分子之間的作用力為vanderWaals力。NGH的分子式表示為CH4·nH2O。理論上認為，n值可以是5.75或5.67，但實際上n值一般在6.3～6.6[2]之間。1.2結構類型截止到目前，自然界中已經發(fā)現三種水合物的結構，分別為結構I型、結構II型以及結構H型。其中，I型結構水合物的晶格空穴中只能填充非烴分子，例如：甲烷和乙烷等小分子烴以及H2S、CO2等。而II型結構水合物中還可容納丙烷和異丁烷等較大烴類的氣體分子。結構H型不止可以容納以上各種分子，還可以容納一般的原油分子iC5[3]。以上水合物的三種構型都具備很強的濃縮（吸附）氣體的能力，在標準溫度壓力下，1m3的NGH中含有0.8m3的水和164m3的天然氣?？梢钥闯?，有效地開發(fā)NGH資源不但可以緩解能源的危機，而且可以獲得大量的淡水資源。甲烷水合物的三種晶格結構如圖1-1[4]。圖1-1自然界甲烷水合物的晶體結構1.3特點據實驗，水合物只在溫度低于7℃壓力大于5×106Pa時，才呈固體狀態(tài)，溫度升高或壓力降低都會導致甲烷游離，呈氣體狀態(tài)運移，壓力與溫度和密度變化也影響甲烷水合物熱電導率[52]。水合物燃燒時的能量密度非常高。每立方米的固體水合物燃燒時可釋放出164m3的甲烷氣體，它的能量密度高于普通天然氣2～5倍之多。燃燒后無污染，殘留物少，幾乎不產生有害物質和污染物，特別是生成的SO2（致癌）比煤或原油燃燒低兩個數量級，這是一種新型清潔能源。形成的條件比較復雜。其需要的壓力要大于100個大氣壓力同時溫度低于10℃等特殊環(huán)境條件。只有兩種情況的區(qū)域能具備以上條件：一種是在海洋中水深大于300m～500m的海底以下0～1500m之間的孔隙地層[5]；另一種是陸地上高緯度的永久冰凍地區(qū)，目前為止，世界上包括阿拉斯加北斯洛普地區(qū)、加拿大馬更些三角地區(qū)以及西西伯利亞等幾個永凍區(qū)已經發(fā)現有大量的“可燃冰”，資源豐富、分布面廣。據科學家的評價結果表明，在世界的各個大洋中均分布有“可燃冰”，僅分布在海底區(qū)域的面積就高達4000萬km2，占據各大洋總面積的1/4，是迄今為止最具價值的海底礦產資源。目前，陸地上甲烷水合物存在于西西伯利亞盆地和俄羅斯北部[6，7]地區(qū)。據科學家的推測，目前全球海底的甲烷水合物中的甲烷資源量是地球上所有已知的石油、煤以及天然氣礦床的甲烷當量的兩倍之多。規(guī)模大、礦層厚。目前，世界上多達60處的區(qū)域已發(fā)現有“可燃冰”，其中最厚的礦層可達數百米。單個礦田的面積可達數千至數萬平方公里，其儲量更可高達數萬億立方米至數百萬億立方米。其規(guī)模之大，礦層之厚，常規(guī)天然氣田無法與之相比?？茖W家也指出，“可燃冰”完全可以取代天然氣來生產化纖、化肥等物品。對環(huán)境的影響較大。海底甲烷水合物分解所排出的大量甲烷氣體，具有溫室效應，可能引發(fā)地質災害，如海底滑坡等。第2章甲烷水合物成因及分布2.1甲烷水合物成因2.1.1生物成因利用有機生油理論來解答部分NGH的成因問題。實驗已證實NGH中的甲烷通常是來源于生物成因，主要是海底的厭氧微生物進行新陳代謝的產物。生物成因的NGH甲烷的數量較大并且不含重烴氣體，這種成因的NGH被叫做結構Ⅰ型。另外一種是由地熱（主要是海底火山）作用所生成的NGH被叫做結構Ⅱ型[55]，其中含重烴成分。2.1.1.1微生物成因Bernard等認為判別甲烷成因的重要參數是甲烷的同位素組成和碳氫化合物氣體成分（R=C1/（C3+C2）），通過微生物成因的甲烷的R>1000，δ13C值在-90‰~-55‰[55]之間。2.1.1.2熱解成因通過熱解成因的甲烷的R<100，其δ13C>-55‰。其母質仍然為有機質。通過熱解成因生成甲烷的甲烷水合物主要在墨西哥灣和里海。2.1.1.3混合成因介于微生物成因和熱解成因之間的甲烷稱為混合成因甲烷。在墨西哥灣的甲烷水合物中，主要為熱解成因的甲烷，同時也有微生物成因的甲烷，因此被為混合成因甲烷。2.1.2非生物成因在整個太陽系，甚至在星系空間均有發(fā)現碳氫化合物，例如，表面就被一層非常厚的甲烷液體包裹著的冥王星。由此可以確定，NGH與原始地球相關緊密，而這是傳統(tǒng)生物成因理論很難解釋的。洋中脊熱液系統(tǒng)放出甲烷的δ13C值為18‰~-15‰。目前所報道最富集13C的甲烷來源于菲律賓查姆巴里斯省（Zambales）蛇綠巖中的滲水泉，其δ13C值為-7‰，與地慢CO2的非常相似，這些甲烷被認為是非生物成因氣。此外，δDCH4值被用來區(qū)別兩個主要的微生物產甲烷途徑。由CO2還原作用產生的CH4中氫只來源于周圍的水，其δD值>-250‰SMOW，代表值近于-191‰±19‰；而乙酸發(fā)酵產生的CH4中3/4的氫來源于有機質，只有1/4氫來源于水，其δD值<-250‰SMOW，介于-355‰和-290‰之間。2.1.3其他成因前蘇聯的石油地質家一直認為石油的生成有“有機”和“無機”兩者兼?zhèn)涞挠^點。雖然實驗室干酪根的分析資料都支持有機說的觀點，但無機說的觀點始終未被無機說的持有者所放棄。發(fā)現NGH后，生物成因無法解釋巨量NGH的存在有力的支持了無機說。шнюков（俄國）認為，全球脫氣作用不斷的向水圈、大氣圈以及巖石圈提供地流體，同時也參與生成NGH。例如，在不包括NGH層以下的游離氣的情況下，太平洋的甲烷含碳量是所有油氣和煤的總含碳量的1540倍以上。這無法用單純的生物成因加以解釋。他還認為，NGH層的甲烷及NGH層下部氣藏物都是來源于地球的深部，屬于無機地幔成因。這個結論與現有的碳同位素資料并沒有矛盾。2.2甲烷水合物分布2.2.1迄今已在全球79個國家和地區(qū)發(fā)現了甲烷水合物甲烷水合物系兩倍于煤、石油與天然氣儲量的21世紀新型潔凈高效能源已是不爭的事實。迄今已至少在全球79個地區(qū)被發(fā)現。其中海洋70處，陸地8處（北極永凍帶）[8]：含美國10處；日本有12處；俄羅斯有8處；加拿大有5處；南極永凍帶5；處挪威有3處；秘魯，墨西哥、智利、阿根廷、中國、巴拿馬各有2處；哥倫比亞、巴西、尼加拉瓜、巴巴多斯、新西蘭、澳大利亞、哥斯達黎加、智利、委內瑞拉、巴基斯坦、南非、印度、阿曼、危地馬拉、烏克蘭、中國臺灣各1處。絕大多數的這些發(fā)現都是ODP和DSDP的成果；其中鉆井取樣證實的有15處，鉆井測井發(fā)現的有6處，應用重力取芯器和活塞取芯發(fā)現的有7處。德國“太陽號”在1999年7~9月首次在ODP892站位水深782m處利用合成（利用玻璃試管在深海海底）、取樣（利用重力取樣器在海底淺部）、采集（利用深海大型抓斗在海底）這三種不同的方法得到了甲烷水合物冰結晶體的實物樣品，這在國際上尚屬首次。2.2.230多個國家和地區(qū)進行了甲烷水合物的調查和研究綜觀全球甲烷水合物的研究工作，可分其為：1理論研究；2實驗室模擬（包括計算機狀態(tài)模擬）；3調查評價研究（含樣品的采集和后續(xù)研究）；4鉆探研究；5開采與工業(yè)性開發(fā)研究。而甲烷水合物的五個調查階段的工作與這五項研究工作的內容卻完全不同：1實驗室發(fā)現（1778）；2野外發(fā)現（始于1934年）；3油氣田在永久凍土帶地區(qū)被開發(fā)的發(fā)現，深海地球物理探測以及其海底取樣調查（始于1965年）與早期鉆探（始于1968年）；4大規(guī)模的發(fā)展階段（始于1979年）；5以專項計劃或五年計劃出現的調查評價以及系列的鉆探取證綜合評價階段（始于1995年）等（吳必豪，2000年）。大致統(tǒng)計，目前至少已有30多個國家和地區(qū)針對甲烷水合物進行了調查和研究，有相當投入，已經取得了重大發(fā)現[8]。美國最早于1968年在布萊克海脊實施了針對甲烷水合物的深海鉆探并由ODP164航次通過保壓巖芯取樣器（PCS）獲得了氣水合物實物樣品，達到了對地球物理解釋成果BSR及其穩(wěn)定帶現象進行驗證的目的；由此計算了布萊克海脊[58]26000km2的范圍內氣水合物與游離氣資源量4×1016g或35GT碳，按1996年全美天然氣消費量參照計算可滿足美國今后105年的需要。從北極甲烷水合物的信息研究表明，多年凍土區(qū)的甲烷水合物，可能存在于深度從130米至2000米的地下，一個最近由Walsh等人[9]總結的工作報告表明，位于巴羅村的兩個北坡的氣田，可能擴展到上方的甲烷水合物穩(wěn)定區(qū)域，這意味著甲烷水合物可能存在于這兩個傳統(tǒng)氣田的頂部。在密西西比河峽谷的淺水沉積物，也觀察到強大的頻率依賴性反射[10，51]。目前，美國已經將甲烷水合物的勘探與開發(fā)納入其國家發(fā)展計劃。它在甲烷水合物調查、研究和開發(fā)（除開發(fā)前實驗以外）的幾乎所有領域保持領先地位。美國現在年經費投入為2000萬美元，計劃到2015年實現商業(yè)性開采。圖2-1密西西比峽谷聯邦租賃118塊，北部墨西哥海灣[51]眾所周知，日本資源貧乏，是進口消費大國。1994年，日本通產省的地質調查局以及10家石油公司參加了共同組織的“甲烷水合物研究及開發(fā)推進初步計劃”，每年投入約3000萬美元，目前為止已在其周邊完成了高分辨率的地震調查；并在南海海槽的部分地區(qū)完成了大地熱流（利用2m長熱流探針）測量[58]與三維地震等，先后鉆井6口；最終獲得了甲烷水合物樣品（象濕潤的雪團），并圈定了遠景礦區(qū)12塊，總面積約44000km2；在南海海槽靜岡縣御前崎近海計算出高達7.4萬億m3[11]的甲烷水合物儲量，這等量于日本140年消耗天然氣的總量。日本政府面對這一戰(zhàn)略性發(fā)現，表示“想要多少錢就給多少錢”。日本與加拿大在2008年完成了另一個實驗生產項目[22]。在此項目中，對兩個氣含水合物沉積物核心樣本，HYPV4和HYLN7，這是從的裝載埃爾伯特地層測試井中發(fā)現的。甲烷水合物被確定是結構水化個數約6.1。水合物氣體成分主要是甲烷并且同位素分析表明甲烷的產熱起源[12]。此外，日本計劃利用太平洋下的水合物，驗證甲烷水合物是否為可行的燃料。在2016年將完成所需的商業(yè)開發(fā)的關鍵技術。作為發(fā)展中國家的印度，它投入于甲烷水合物的資金相當于每年9000萬元人民幣（1996~2000年），到目前為止在其東部、西部近海海域分別以發(fā)現BSR（BottomSimulatingReflector）標志性地震反射[56]。在太平洋東北部胡安-德富卡洋中脊斜坡區(qū)，加拿大的工作引人注目，甲烷水合物評價儲量1800億噸石油當量。而在加拿大的西北部的永久凍土帶鉆探的麥肯齊河三角洲[13];Mallik2l-38井深1150m，在39天內完成，采收的37m巖心保留了甲烷水合物層序互層的特征。甲烷水合物的研究在韓國被視為其最為重要的研究學科之一。其在1997~1999年度在其Ulleung（郁龍）盆地的局部地區(qū)，由地質礦產與資源研究所完成了甲烷水合物的地球物理調查，由此甲烷水合物礦床的存在可能性得以確認。之后韓國工業(yè)、商業(yè)和能源部（MOCIE）制定了甲烷水合物的長期規(guī)劃，并從2000年開始執(zhí)行該計劃的調查和研究三個階段任務的第一個階段（五年）；其中，完成其管轄海域內的區(qū)域地球物理調查和評價是該階段的主要工作任務。截至目前，其已經在郁龍（Ulleung）盆地西南部的斜坡區(qū)和發(fā)東南部的陸架區(qū)現了變形的BSR；表示在濁積巖頂部存在的富菱錳礦（天然的碳酸錳）結核和含氣沉積物存在的麻坑；其地溫梯度37~39℃，底水溫度在0~1℃，沉積物平均熱流；2.35HFU水深2050m，埋深200m；BSR之下并發(fā)現大規(guī)模淺層天然氣。2.2.3我國甲烷水合物的分布和進行的調查和研究2.2.3.1我國臺灣進行的甲烷水合物調查和研究我國臺灣國立大學海洋研究所、臺灣中油公司等在臺灣東南到西南地區(qū)，尤其是在發(fā)現增生棱柱體地區(qū)的20000多km2的范圍內發(fā)現BSR。最典型的BSR分布在增生棱柱體的西北部地區(qū)，值得一提的是該區(qū)鄰近巨厚陸源沉積物分布區(qū)；BSR分布區(qū)水深500~2000m。其中，還在BSR之下存在強烈的阻抗差界面，被解釋為游離氣沉積物的地震反射特征，該游離氣層厚度大于甲烷水合物厚度。另有最新消息，大面積的白色甲烷水合物冰結晶體實物于臺灣東南近海海底被發(fā)現，預計水深在應300~500m。2.2.3.2我國南海進行的甲烷水合物調查和研究在南海北部的甲烷水合物資源預計為6.435×1013到7.722×1013m3氣體[15]。根據數字地形圖在南海南部[14，59]，最大GHSZ厚度范圍從230到355米，甲烷水合物資源從1.729×1013到2.169×1013立方米。分布式面積在Sisha沖繩海槽水合物約5242平方公里，甲烷資源大約是4.1×1012立方米[16、17]。1998年，中國完成了“中國海域氣體水合物勘測研究調研”課題，首次對中國海域的甲烷水合物成礦條件及找礦遠景做了總結。同年4月，我國以1/6身分加入大洋鉆探計劃。2007年，在中國南海北部的地區(qū)進行了甲烷水合物試驗性鉆采和取樣[57]。2.2.3.3我國東海進行的甲烷水合物調查和研究吳必豪等從沉積速率、陸源物質來源、地形和火山活動等因素考慮，認為沖繩海槽盆地也有形成水合物的良好環(huán)境和條件，可能存在中新統(tǒng)的生烴層。與此同時，他還指出在沖繩海盆也有其不利之處，如面積比較小的海槽，形成比較晚，生烴巖或沉積物厚度相對比較較薄，再有熱流值總體較高，海槽的北部也存在著火山活動，同時，中段出現現代熱液沉積，而熱液沉積區(qū)以南的地區(qū)集中著真正有利于水合物形成賦存的環(huán)境。相對來說，成礦環(huán)境南海要優(yōu)于東海。2.2.3.4我國凍土進行的甲烷水合物調查和研究科學鉆探項目的甲烷水合物在祁連山凍土是2008-2009年期間實施。甲烷水合物的樣品收集，這是在中國凍土首次發(fā)現的甲烷水合物[18]。確定資源總額（2.71-2.99）×1011立方米的甲烷氣體，它照亮一個巨大的能源資源潛力[17，57]。國家能源部已經被授權組織有關政府部門、國家自然科學基金、國家實驗室、大學和石油天然氣公司進行攻關，“甲烷水合物的研究”以列為國家級研究開發(fā)項目計劃，而研究計劃5年初步撥款相當于4400萬美元，實行資源勘察和開采以及運輸的研究。其中主要的科研機構例如：廣州能源所、中國科學院蘭州凍土所、石油大學（北京）、國家土地資源部、地質科學院、中國地質大學和華南理工大學的研究計劃已各自啟動。一些中國的大學和研究所在海底和凍土正在進行的相應的水合物開發(fā)工作。目前甲烷水合物方面在國內外的研究有以下幾個重點：（1）水合物的結構、穩(wěn)定性、物理化學性質、形成與分解的熱動力學；（2）工業(yè)處理系統(tǒng)中天然氣水合物的預報和清除以及水合物抑制劑的研究與應用；（3）水合物礦藏的開采方法研究；（4）礦藏分布，資源量計算與水合物地質學，地球物理調查和水合物地球化學，找礦標志；（5）由水合物生成和組成特性而開發(fā)出的許多實用化工分離技術。如：海水淡化、超臨界萃取分離、水合物冷凍儲運、有機水溶液提濃和處理工業(yè)廢水等等；（6）水合物技術運用于生物工程；（7）水合物對人類的影響。圖2-2發(fā)現的甲烷水合物分布圖甲烷水合物分布廣泛永久凍土地區(qū)和海外。根據Milkov[20]，據估計，全球水合物天然氣大約是2.5×1015立方米的甲烷。至今世界上已有230多個甲烷水合物（NGHD）存在地區(qū)被發(fā)現。圖2-2是發(fā)現的甲烷水合物分布圖[21，53]。第3章甲烷水合物地質特征和滲流特征3.1甲烷水合物地質特征3.1.1水合物存在的地質范圍3.1.1.1海洋中的水合物截止到目前，尚不完全清楚氣體水合物的資源量和分布（世界范圍內），但氣體水合物存在于世界各大洋中已被很多例子所證實，并且有非常巨大的資源量，其資源量是已探明的煤、油氣等資源2倍之多。各大洋海底的沉積物中普遍以小丘或露頭的形式出現水合物。沉積物與水合物呈互層狀，而且形成較大的水合物一沉積物體系。水合物封蓋和膠結著這些沉積物層，并且游離甲烷氣體在水合物層下也就被封蓋于這些沉積層當中。由不同的水合物形成方式，沉積層中水合物的存在形式也不同。甲烷（生物成因，細菌作用形成）水合物的形成范圍較廣且速度慢，其原因是經過細菌分解形成的碎屑沉降至海底之后，呈分散狀且面積大。同時，導致了沉積物或者其它的巖石中水合物分布均勻而且普遍。假如這些碎屑物較為富集，那么這些水合物便可形成水合物層，這樣形成的水合物層是由沉積物和水合物混合而成。水合物（熱成因氣，海底釋放的斷裂作用下甲烷和其它氣體）比氣水合物（生物成因）具有更富集的特性。它們一般從斷裂帶開始向外蔓延，或者在斷裂帶附近形成小丘，而且能很好的阻止和圈閉更多的甲烷氣體溢出和擴散到地表。表3-1世界海洋水合物資源量估算—甲烷含量（105m3）甲烷含量（105m3）發(fā)現時間最可能值高低限研究者最可能值高低限研究者1988年前3.1—Mclver—5月25日Trofimuk—7600—Dobrynin等———1988年后40—Kvenvolden&Claypool10—Makgon—21—Kvenvolden21—MacDonald—26—Gomitz&Fung46—Harvey&Huang—1—Ginsburg&Soloviev7—Holbrook等—15—Markgon—2月20日Dickens等由于在海底水合物的不穩(wěn)定性和敏感性，而且在地質等各種事件的誘發(fā)情況下，經常會造成水合物層突發(fā)或不穩(wěn)定性分解，形成滑塌、海底滑坡等地質災害。這也說明了水合物災害與地質事件有著密切的關聯。這樣的地質事件大多發(fā)生在水合物形成以后，例如水合物層在聚集后被沉積物所埋藏時，水合物層在最下面受到了擠壓，并且地核中的熱對其進行熱作用導致其融化，這樣便形成了水和游離的甲烷。3.1.1.2永久凍土帶水合物經過探側的結果，在北極的永久凍土帶和許多地區(qū)存在大量氣體水合物（圖3-1），例如美國阿拉斯加的北部斜坡，加拿大馬更些三角洲以及俄羅斯西伯利亞。而在普拉德霍灣的水合物帶擁有1000m以上的厚度。常規(guī)油氣勘探的一些方法可有效地用于探測氣體水合物在永久凍土帶中的存在。而在勘探儀器上的讀數說明，阿拉斯加北部斜坡的50多口生產井和探井中存在水合物。與此同時，一些科學家初次評價了普拉德霍灣油田西部的北部斜坡和庫帕勒克河油田東部的氣體水合物。而在這兩個地區(qū)，約有37-44百億立方英尺的甲烷氣被氣體水合物所圈閉。

圖3-1永久凍土帶水合物分布3.1.2甲烷的來源以氣體分子形式存在的甲烷稱為游離甲烷。它在地層中既不圈閉在水合物中，也不形成烴類分子（或被束縛在其它氣體分子中）。水合物層下封蓋的游離甲烷氣也許是微生物成因，或熱成因。這種由于熱成因形成的甲烷氣一般是通過地殼的深部孔隙流體運移而來的。一般這種甲烷氣的碳同位素組分要小于-60‰。而微生物作用形成的微生物成因甲烷氣，它的碳同位素組分要小于-66‰[24]。圖3-2列出了幾種游離甲烷氣被氣體水合物圈閉的模式。人們通常認為游離甲烷存在于淺層巖石中是錯誤的，事實上在地層中低密度的巖石孔隙中普遍存在游離甲烷（砂巖為例）。3.1.3水合物的測定勘測氣體水合物藏可用很多種方法。地震技術是目前最為普遍的。而它只能探測部分水合物藏，地震技術能確定一些水合物藏與這些水合物藏下圈閉的游離氣藏的界線。人們稱地震剖面中平行于海底反射層的強反射層為似海底反射層。水合物層的下界一般是由地震剖面上識別出的BSR反映的。所以水合物藏可由BSR來識別。BSR技術只能適用于海洋，并且水合物層下存有游離氣或飽和鹵水沉積層的情況，所以并不是所有存在水合物藏的地展剖面上都有BSR。目前許多水合物藏還未得到確證的原因之一就在于這種水合物資源評價中存在的許多差異。圖3-2氣體水合物作為甲烷氣藏蓋層的地質環(huán)境水合物及其資源量評價還可以采用巖心取樣法來確定。其方法包括具有目的性資源評價取心和水下油氣鉆井取心。經過巖心取樣發(fā)現，地震勘探一BSR技術未發(fā)現有水合物的的區(qū)域存在有水合物礦藏。在用早期巖心取樣法獲取樣品過程中，在獲取和分析之前的樣品極易發(fā)生分解，從而失去了研究的意義，所以早期的巖心取樣法具有局限性。海洋地質學家ChariesPaull等人為了解決這一問題，在海底采樣過程中使用了一套新研制的特殊水合物取樣壓力容器，當容器裝滿沉積物后會立即封閉起來，防止水合物在此過程中分解。其次在實驗室進行水合物的合成和研究。也可在實驗室進行水合物勘探方法、物理化學特性和資源評價方法等在新技術方面的探索。LanMacDonald和RogerSassen在開展水合物物理化學特性以及水合物合成模擬的研究時，合成水合物的原料為在海底中提取的天然甲烷氣的氣泡。該方法反映水合物的物理化學特性更為真實，并且更為接近地質實際過程，與常規(guī)的合成法相比，提取甲烷更直觀，信息量更多。水合物的形成和分解等物理化學特性還可以在室內用計算機進行模擬。例，為了解游離氣的圈閉、沉積物堆積、流體運移以及水合物的形成。美國地質調查局（USGS）利用計算機控制測試系統(tǒng)在似極地或深海條件下，使用沉積物樣品來重現水合物形成、分解的全過程。水合物是如何影響沉積物的？水合物能否導致滑坡和其它可能的災害？何時發(fā)生地震、山體滑坡、洋流？甲烷有多少被釋放到大氣？其釋放速率是多少等也是人們特別關心的問題[23]。3.1.4水合物海底效應在海底一定深度之下存在的水合物，甲烷由于熱的原因以氣體的形式游離。而在永凍層下距地表130-2000m的深度范圍之內，也可存在水合物。在地表層幾百米厚的地區(qū)中水合物膠結疏松的沉積物，讓人們相信水合物能穩(wěn)定的存在于海底中。然而美國地質測量研究顯示，事實并非完全是這樣，大陸架斜坡的滑坡現象常常也是由氣體水合物所引起。在南極的大陸邊緣具有5度或小于5度的海底斜坡應該是穩(wěn)定的。然而，在緩斜坡帶中卻出現許多滑坡斷痕，而滑坡斷痕頂部恰恰與水合物帶的頂部的深度相當。同時，在這些地區(qū)滑坡體下部的沉積物中，通過地展剖面顯示，水合物的含量較少。由此可認為大陸邊緣發(fā)生的滑坡現象與水合物關系密切。引起滑坡現象的原因是水合物層底部遭到破壞，導致水合物礦藏底部充滿游離的甲烷而不再是半膠結的。如果水合物帶變成這樣，將會變得異常脆弱，從而極易引起滑坡的現象[26]。水合物層頂部融化也可引起滑坡現象。這種現象是由于水合物變成水和甲烷時使該地區(qū)的沉積物發(fā)生了位移。同時坍塌現象也會發(fā)生在海平面下降期間，例如在在冰凍期，洋水被巨大的冰蓋隔離在陸地上，而坍塌現象就發(fā)生在蓋融化以后。上述引起梯流滑坡的所有原因都為內部相互作用引起，同時，進一步甚至可以導致水合物層的坍塌以及甲烷將被釋放到附近的水域或大氣當中[26]。水合物中甲烷的噴發(fā)也是水合物對海底的另一效應，這種噴發(fā)作用在海底中往往會留下一些痕跡，而下列原因都會引起這些噴發(fā)現象。（1）由于甲烷高度富集的存在于水合物層中，使得氣體膨脹，導致水合物層融化。（2）由于不斷的沉積作用，上覆沉積物的壓實作用使水合物層溶解而導致最底層水合物融化。一些平臺不穩(wěn)定的原因就是平臺裝置固定在了不穩(wěn)定的海底水合物之上。（3）由于甲烷氣體長時期處于“異常超壓”狀態(tài)，致使周圍地層中的游離甲烷達到過飽和，從而引起游離甲烷噴發(fā)，造成周圍的地層和海底的脆弱。3.2甲烷水合物在多孔介質中的滲流特征現有的開采方式除注化學劑法、注熱法、降壓法等以外，還有一些其他的非常規(guī)方法。與傳統(tǒng)型能源開發(fā)不同，水合物在開采過程中將發(fā)生相變，在水合物藏中水合物是固相，而在開采過程中分解為液相和氣相。從甲烷水合物的各種方式的開采過程可以看出，水合物的開發(fā)是一個多相多組分非等溫的物理化學滲流過程，這個過程除了氣體和水在多孔介質中的一般滲流，還包括水合物和水的相變、儲集介質孔隙度和滲透率的變化、滲流過程中的分解熱和生成熱的變化等。為了更經濟、高效的開發(fā)甲烷水合物藏，筆者對甲烷水合物在多孔介質中的滲流特征進行描述。3.2.1基礎參數描述目前，甲烷水合物多孔介質的孔隙度定義方法有兩種:一種是將甲烷水合物看作巖石骨架的一部分，將孔隙度定義為巖石中水、氣的體積與巖石總體積的比;另一種是將甲烷水合物看作巖石孔隙的一部分，將孔隙度定義為巖石中水、氣、甲烷水合物的體積與巖石總體積的比。考慮到與傳統(tǒng)油氣藏的類比，一般采用第二種定義方法。實驗室一般通過抽真空飽和水測定填砂管孔隙度。對總體積為V的填砂管，抽真空后，飽和水的體積為VΦ，定義孔隙度Φ為 Φ=VΦ/V （3-1）滲透率定義為含甲烷水合物的多孔介質允許流體通過的能力。根據達西公式中滲透率的表達式進行測定。對于含甲烷水合物多孔介質，一般認為多孔介質的滲透率隨甲烷水合物飽和度SH的增大呈指數下降，滿足關系式 （3-2）式中，kD0為甲烷水合物飽和度為0時多孔介質滲透率；N為滲透率下降指數。甲烷水合物飽和度的定義有兩種方法：一種定義為巖石中甲烷水合物體積與巖石總體積的比值；另一種定義為巖石中甲烷水合物體積VH與巖石總孔隙體積的比?？紤]到與傳統(tǒng)油氣資源的類比，通常采用第二種定義方法，即 （3-3）3.2.2甲烷水合物滲流特征甲烷水合物開采過程中主要包含3種滲流過程。（1）由于儲層溫度或壓力的變化，甲烷水合物將不能穩(wěn)定的存在，并分解成水和氣。要使剪完水合物分解，可通過注抑制劑、加熱或降壓等方式打破其穩(wěn)定存在狀態(tài)，壓力、儲層溫度、水合物結構、孔隙結構等都與分解速度有關。甲烷水合物分解的化學過程可以描述為 （3-4）式中，nH為水合指數。Km等根據甲烷水合物分解動力學特征，將甲烷水合物分解速度表示為（3-5）其中

式中，Kd為反應速度常數，g/（cm2·Pa·s）；p為水合物藏壓力，Pa；pe為反應臨界壓力，Pa。由化學式（3-4）可知1mol甲烷水合物分解后可生成1mol的甲烷氣和nHmol的水，因此有（3-6）（3-7）式中，mg，mw，mH分別為單位時間、單位體積巖心中甲烷水合物分解產生的氣和水的質量及相應分解掉的水合物的質量，g/（s·cm3）；Mg，Mw，MH分別為氣、水及甲烷水合物的摩爾質量，g/mol。（2）分解的氣體、水和固體顆粒落在孔隙空間流。甲烷水合物生產過程，與水合物分離，相飽和度、孔隙度、滲透率和其他參數都是不斷變化的，但壓力降低，固體水合物儲層松散、固體顆粒也可能部分了。根據孔隙度第二種定義，水合物為孔隙中的一相，因此在水合物開采過程中，孔隙度的變化僅與儲層壓縮系數有關，與水合物分解的多少無關。Masuda等研究表明，在甲烷水合物模型中，由于水合物為固相，氣、水兩相是在除固相以外的孔隙中流動，在水合物分解過程中，水合物相不斷減少，可流動空間和滲透率不斷增大，因此提出滲透率隨甲烷水合物飽和度變化呈指數變化（式（3-2））。N=7時無因次滲透率隨甲烷水合物飽和度變化規(guī)律如圖3-3所示。氣、水相相對滲透率的計算參考Hong等提出的算法，計算式為其中歸一化飽和度分別為式中，Krwo，Krgo分別為水相和氣相相對滲透率的端點值。簡而言之，甲烷水合物滲流是一個非常復雜的過程，涉及固體、液體和氣體階段和水合物、水、光碳氫化合物、重碳氫化合物、抑制劑和其他組件，以及流量變化在地層溫度。此外，研究表明水合物的形成存在“記憶效應”，這是由水合物生成更多的水比自由水水合物，水合物在滲流過程因此也再生有重要影響。圖3-3無因次滲透率隨水合物飽和度變化關系曲線（3）注入流體（能量）的滲流（傳導）過程。甲烷水合物的分解為吸熱過程，并且部分水合物藏開發(fā)需要注入一定的流體，為儲層輸送熱量或抑制劑，這一過程是注入流體滲流與水合物分解的雙重過程，涉及許多物理、化學變化。目前研究主要針對甲烷水合物藏中孔隙未完全被水合物充填，存在一定的可流動流體的模型。中國石油大學（華東）甲烷水合物研究中心研究人員開發(fā)的實驗設備能夠在填砂管中模擬水合物生成、分解、滲流等過程，并通過供液模塊注入熱流體或抑制劑，研究注入過程中模型溫度、壓力變化。依據物質能量守恒，通過數值模擬方法，得到了注入流體在儲層的推進前緣分布、溫度和壓力傳播速度等參數的變化規(guī)律。3.2.3水合物滲流研究中存在的問題甲烷水合物存在于儲層的多孔介質中，其中流體的滲流是一個非常復雜的過程。目前的研究還處于沿用油、氣滲流理論解釋的階段，甲烷水合物的滲流機理還不是十分清楚。達西定律在甲烷水合物藏中是否適用，甲烷水合物分解過程對滲流的影響如何，甲烷水合物分解后儲層參數變化規(guī)律如何，都是需要深入研究的課題。基于此，目前滲流機理數學模型需要完善的有以下幾方面。（1）儲層參數變化規(guī)律。在甲烷水合物的分解過程中，許多儲層參數都會發(fā)生一定程度的變化，特別是多孔介質的滲透率和水、氣的相對滲透率等參數的變化比較明顯，并且其變化對水合物藏的開采影響較大。目前在這方面已經開展了部分工作，但規(guī)律研究還不系統(tǒng)，還沒有真正認識儲層參數變化機理，未提出適合于模型應用的參數和指標。（2）甲烷水合物開采機理。對甲烷水合物的生成、分解機理已經進行了大量的研究工作，但大都是在實驗室的純水或填砂管中完成的，幾乎沒有用甲烷水合物真實巖心測定的。實踐表明，實驗室研究結果與儲層條件下的結果有一定的差異。隨著研究的深入，應逐步完善對于甲烷水合物在儲層條件下分解、流動、開采以及可能存在的再生成過程的描述。（3）儲層顆粒運移。甲烷水合物儲層中存在多種固相，如甲烷水合物、冰以及儲層砂粒等。在開發(fā)過程中，隨著儲層壓力、溫度等參數的變化，必然引起這些固體顆粒的運動，并且在運動過程中其形態(tài)和相態(tài)會不斷變化。如何描述這些固體顆粒在儲層中的運移規(guī)律，有待深入研究。第4章甲烷水合物的開采4.1甲烷水合物的開采方法甲烷水合物的開采機理是通過打破水合物穩(wěn)定存在的條件，促使其在地層中分解為天然氣和水，然后將天然氣開采至地面。目前各國正在進行開采的試驗技術基本途徑有三種。4.1.1熱力開采熱力開采法簡稱注熱法，是將蒸汽、熱水或其他熱流體從地面強制注入到NGH地層，使溫度上升，水合物分解而形成天然氣的開采方法。通常采用蒸汽注入、熱水注入、熱鹽水注入、火驅及電磁加熱等技術，對甲烷水合物穩(wěn)定層進行加熱，提高設計區(qū)段范圍的溫度達到足以使水合物發(fā)生分解，再用導管收集析出的甲烷氣于貯藏器內，或采用采集常規(guī)天然氣的輸氣管道輸送到船載貯藏器。也可以采用開采重油時使用的火驅法或利用鉆柱加熱器，使溫度升高到開NGH的相平衡溫度以上，而使NGH發(fā)生分解。我國學者唐良廣等[27-28]通過建立一維注熱分解模型，實驗研究了注熱鹽水分解甲烷水合物過程中的溫度分布、甲烷氣和水的生產速率，并且通過分析水合物分解過程的能量效率，對熱力分解方法進行了評價。注熱法的主要不足之處在于熱損失大、效率低。近年來為了提高注熱法的效率，人們嘗試直接在井下加熱，如采用井下電磁加熱方法可使采收率高達70%，顯示較其他方法更為有效。另外，也有采用微波加熱開采NGH氣藏的方法。將微波發(fā)生器置于井下對儲層直接加熱或將微波沿勘探井向下傳到多連通器中的功分器，并與開窗側鉆的多分支井內的天線相連，微波就能由天線向地層輻射，使儲層中的NGH分解成天然氣和水[29]。Cranganu[30]提出了一種新的開采方法，即條件性注熱法，該方法無需從地表注入其他熱流體，而是將氣體燃料混合物由解吸氣體排出的同一井筒中注入，燃料燃燒所放出的熱量足以滿足水合物分解所需的能量，達到節(jié)約能源的目的。4.1.2降壓開采降壓法是指通過鉆探等方法或其他途徑降低NGH層下面的游離氣聚集層位的平衡壓力或形成一個天然氣“囊”（由注熱法或化學劑法作用人為形成），與天然氣接觸的水合物變得不穩(wěn)定并且分解為天然氣和水，即破壞氣水合物藏的穩(wěn)定性，使水合物分解而析出甲烷氣體。減壓法最大的特點是只需要較少的能量注入，所需能量來自于地球內部地熱流，不需要昂貴的連續(xù)激發(fā)，因而可能成為今后大規(guī)模開采NGH的有效方法之一。當水合物層下面存在自由氣藏時，降壓開采是最有效的方法[31]。前蘇聯麥索雅哈氣田的開采實踐證明了這一點[32]。Yousif等[33-34]進行了在Berea巖芯中水合物的降壓分解實驗，并提出移動邊界模型來描述水合物分解過程。Kono等[35]進行了沉積物中的NGH降壓分解實驗，并得出了水合物分解的表觀動力學參數。4.1.3化學劑注入開采化學開采法是以某些化學試劑（如甲醇、乙醇、乙二醇、鹽水、氯化鈣等）改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物的穩(wěn)定溫度，促進水合物分解。近年來人們又發(fā)現了另外2種新型抑制化學技術，即以表面活性劑為基礎的反聚結技術和阻止晶核生成的動力學技術。該方法最大的缺點是速度慢、費用高且由于海洋中水合物的壓力較高，回采氣體較困難。Sira等[36]對分別注入甲醇和乙二醇溶液條件下水合物的分解特性進行了研究，發(fā)現水合物分解速率是化學劑濃度、注入速度、壓力、溫度以及水合物-化學劑接觸面積的函數。Kawamura等[37]將不同溫度和濃度的甲醇溶液注入水合物巖芯，得出丙烷水合物的分解動力學參數。Fan等[38]在EG存在的情況下進行了NGH分解實驗，結果表明EG降低了水合物的分解熱，導致水合物分解速率加快，且分解速率與EG的濃度和注入速度有關。李剛等[39]通過以不同速率注入不同濃度的乙二醇溶液，研究了化學法分解水合物過程中甲烷氣體和水生產規(guī)律。實驗結果表明，水合物分解產出甲烷氣體的過程主要分為4個階段:初始注入段、化學劑稀釋段、水合物分解段和殘余氣體產出段，并得出在恒定注入速率條件下，分解效率在質量濃度為60%時達到最大值。但是，據中國“流體高壓相態(tài)及物性研究室”研究甲烷水合物的資深專家郭天民教授稱，由于甲烷水合物并非是大塊大塊的存在地底，而是廣泛而均勻地分布在巖石孔洞中。所以，郭天民教授認為，不管用哪種方法開采，瓶頸是氣體收集問題（尤其是如何布設管道并高效收集），這在工業(yè)上和商業(yè)上都是較難解決但亟需解決的問題。4.1.4CO2置換開采這是個方式是近期來比較引人注目的方式，將二氧化碳打入地底甲烷水合物的貯存層上下，由于二氧化碳形成水合物時時是由氣態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，會放熱，進而使甲烷水合物解離，而且二氧化碳形成水合物所需的位能比較低，所以解離后甲烷將被釋放，而形成二氧化碳水合物，如此一來既可以解決二氧化碳過多的問題又可以得到我們所需的甲烷，而在上層的二氧化碳則是一個天然的不透水層，可以防止開采時甲烷水合物流失。一舉兩得的方式近年來倍受關注，也越來越多人討論這個論題。表4-1開采方法對比開采方法過程處理評價減壓法·減小壓強達到分離目的·正常條件下的降壓過程是自限制的·吸熱，周圍巖層向水合物傳熱，床層溫度下降·若水合物在常規(guī)天然氣田上形成一個蓋，此方法是可行的加熱法·靠升高溫度分離·大量熱量損失在床層和周圍的巖石（注入蒸汽或者熱水）·相對于一個封閉的、高質量的水合物·必須要有良好滲透性的蒸汽/熱水流動通道·床層是一種比較值得推薦的方法添加抑制劑·用抑制劑降低水合物的生成溫度，·代價高昂，采用流體物質·在與水合物接觸面上使之分解·溶劑和水合物接觸表面較難相容其他新方法·水力開采系統(tǒng)·理論上可行·電磁激勵系統(tǒng)4.2甲烷水合物開采應用技術4.2.1BSR技術BSR是一種異常地震反射層，存在于海底地震反射剖面中。它位于幾百米深的海洋沉積物中，并且?guī)缀跗叫杏诤５椎匦巍０殡S著地震數據處理技術的提高和多道反射地震技術的普遍采用，在地震剖面上BSR現象更為明顯。現已證實BSR就相當于海底沉積物當中甲烷水合物穩(wěn)定帶基底，天然氣以游離氣形式存在于BSR以下，天然氣以固態(tài)氣水合物的形式存在于BSR以上。BSR能非常有效的識別海底沉積物中的氣水合物，所以很多專家表示，任何地方如果有SBR，那么這個地方就一定存在氣水合物。4.2.2鉆孔取樣技術1恒溫巖心取樣器;2活塞式巖心取樣器;3水溫探測儀，海水含鹽度通過測量采樣處海水溫度來確定，進而計算水合物在巖心中的分解量;4恒壓巖心取樣器，在實地壓力下可采取1320cm2的沉積樣。4.2.3測井技術在甲烷水合物的勘探當中，測井技術是繼鉆孔取心法和地震反射法之后的另一個有效手段。由于形成甲烷水合物的水都是純水，在γ射線測井時，相臨層段API值要比水合物層段明顯偏低。含水合物層同時還具有自然電場異常不大的特點。在鉆井過程中，鉆遇氣水合物層段后另一明顯的變化是氣水合物分解后引起含氣水合物層段的井壁塌滑，反映在測井曲線上就是井徑比相臨層位增大。含氣水合物層段孔隙度相對較低，其中子測井曲線值則相對較高。4.3甲烷水合物開采技術建議截止到目前，暫無一種方法可以有效的開采甲烷水合物。俄羅斯的麥索雅哈氣田已經投入生產，但還是尚存爭議。在加拿大Mallik[54]永凍土帶，印度、美國、日本等國家進行了水合物勘探以及測井工作，水合物層的性質被進一步掌握，支持了以后水合物的商業(yè)性開發(fā)。德國、日本、美國等國家將在2015年對海地水合物進行商業(yè)性開發(fā)，而我國的中海油、中石油等也將計劃在2015年對水合物進行商業(yè)性試采。圖4-1天然氣火焰的從Mallik5L-38生產說明了成功的生產測試[54]當前情況下開采甲烷水合物，水合物流體應一定是從數千米深的井開采到地面。并與分解的水合物，并需要大量的能量被提供給內破壞氫鍵的水合物，其特征在于，所述對象釋放氣體分子。因此，要實現水合物的商業(yè)發(fā)展，必須找到一個合適的，經濟的和大量的能源供應。能源的引入，不僅從土地的技術復雜性，但也從環(huán)保，運營成本和其他因素都難以實現。但水合物所需的溫度不高，最高溫度21℃。因此，我們可以考慮使用下方的海水和地下水利用海底水合物。中國海和東中國海，海面平均溫度都在20℃以上，它可以被用來提供能源天然氣水合物的分解。中國南海豐富的地熱資源，地溫梯度可以達到4℃/百米，因此以下的海底，可以找到一個合適的地熱水層天然氣水合物，水合物的分解以提供能量泵入。進一步關注下列問題的研究（1）需要精確地確定自然狀態(tài)下甲烷水合物的產狀、分布和聚集。對大多數甲烷水合物資源的估算是通過局部地區(qū)推測的甲烷水合物濃度參數大體估算外推而來的。因而在許多海域盆地中和凍土帶地區(qū)對甲烷水合物儲量的估算是很不精確的。如果不能更精確地了解體積、分布、地質背景和控制過程，那么要了解甲烷水合物對人類的重要影響幾乎是不可能。（2）甲烷水合物的探測。甲烷水合物的研究對于傳統(tǒng)的地質采樣技術是一個挑戰(zhàn)。因為環(huán)境的變化導致使用傳統(tǒng)的技術方法采集到的甲烷水合物的物理和化學狀態(tài)會發(fā)生極大的變化。在采集的樣品上測量獲得的性質可能不同于自然狀態(tài)下的性質。在這種情況下重要的是要使用一些先進的技術，如采用測井、海底聲納、地震剖面發(fā)射方法和可視化手段進行原地測量。（3）沉積物性質的研究。未來的研究中需要了解是什么因素控制了甲烷水合物穩(wěn)定帶底界的形態(tài)，并進而影響到圈閉天然氣的能力。（4）對天然狀態(tài)下水合物控制因素的研究。甲烷水合物是一個處于動態(tài)平衡的物質系統(tǒng)。在未來的研究中需要調查甲烷水合物系統(tǒng)的動力學，即甲烷在哪里、怎樣從沉積物中脫離出來形成聚集。一旦我們能定量確定控制動態(tài)水合物體系的均衡流出量，那么就可以估算這一動態(tài)系統(tǒng)對外界擾動（如商業(yè)生產、構造事件或氣候變化）的響應。這就要求了解與甲烷水合物有關的一些重要的物理、化學和生物過程及其演化速率。在這方面除了采用熱探針和3D或4D地震技術測量之外，四維耦合的物質和能量流的數值模擬是目前的一個新的努力方向，由此可以獲得關于水合物系統(tǒng)及其對外部因素響應的預測。微生化過程導致了水合物中甲烷的形成，對這一過程的進一步研究，需要加強對與甲烷成因有關的細菌類型和相關生物標志的鑒定。第5章甲烷水合物的環(huán)境效應甲烷水合物分解和海洋地質災害還有全球氣候有著非常密切的關系，所以世界的研究和開發(fā)甲烷水合物在研究資源的前景非常謹慎，而其地質災害的研究，預防和NGH開發(fā)和利用對環(huán)境的影響最小化。NGH只有在低溫和高壓狀態(tài)穩(wěn)定存在，在敏感的平衡與自然環(huán)境條件。當由于各種原因（如氣候變化，構造活動，地震，火山爆發(fā)和甚至人類的剝削）的變化往往會導致不穩(wěn)定和天然氣水合物的釋放，這可能會導致海洋地質災害或影響全球氣候變化的發(fā)生條件，觸發(fā)一個強大的環(huán)境影響。NGH對全球氣候變化有影響[40-41]。甲烷在大氣中是一個重要的痕量組分，在大氣中的甲烷含量約4.9×1015克的，NGH出現不穩(wěn)定的，因為解釋氣體，甲烷氣體逸出到大氣中的速率為0.9％，每年。相同的用二氧化碳，甲烷是一種“溫室”氣體，如溫室效應和其20倍的二氧化碳氣體的質量。大陸和海洋天然氣水合物被困在大氣中的甲烷量是約3000倍的甲烷量，所以NGH中甲烷的釋放將對大氣圈的組分造成巨大的影響[49]，從而影響全球氣候變化。隨著地球溫度增加溫室效應，而且一旦形成甲烷水合物的分解，將導致一個惡性循環(huán)，嚴重影響全球的氣候條件。從另一個角度來看，氣體水合物可有助于改善環(huán)境。美國和日本是在工業(yè)排放的CO2富集在海底研究后作出（溫度2?4℃）水合物的形成，從而在海上處置的二氧化碳。關于天然氣水合物的環(huán)境對全球氣候的影響，有學者提出了幾個假設[42]。一般來說，在全球冰川期和間冰期，極地地區(qū)和海洋區(qū)NGH穩(wěn)定性和氣候的影響是不同的。20世紀90年代，尼斯貝特[43]，13500年前，末次冰期的甲烷水合物分解到大氣中了很多關于年底。Paull等[44]水合物的形成和分解對全球氣候變化具有調節(jié)作用。Kvenvolden[45]根據1990年到1995年在阿拉斯加的波弗特海觀測研究表明水合物分解全球氣候變化中的作用被夸大了。不幸的是，到今天為止，極地地區(qū)和海洋區(qū)域，并釋放天然氣水合物天然氣水合物分解和釋放動力學仍然沒有清晰的認識，這是很難以確定是否NGH的氣候和環(huán)境變化的緩沖器或加速器，或在何種程度上影響全球氣候和環(huán)境。所以現在NGH關系與全球氣候變化研究已成為一個積極的全球氣候變化的前沿課題。天然氣水合物是由海洋災害的原因。NGH的間隙形成在固體狀態(tài)下，以氣體的形式固定在它們抑制礦石之間的鍵，而形成水合物，沉積層的氣體和液體的滲透性下降，并最終使得它們形成一個穩(wěn)定的水合物。水合物層連續(xù)沉積成為埋設較深時，底部溫度水合物層本身是不穩(wěn)定的，則變成液體固態(tài)氣體水合物的氣體-水混合物中，導致氣體水合物層的底部可能會發(fā)生變化的重量負載或地震出現較弱的地方抗剪強度降低，并發(fā)生大的水合物層山體滑坡和巖石帶動人流或虛脫現象[46]。在西非，美國和挪威已經發(fā)現上面有淺海灘涂巖崩下跌等。對于世界上最大的海底滑坡-挪威海岸Storegga崩滑坡，Bouriak等[47]認為，第二名至少有一個由天然氣水合物的分解，引發(fā)山體滑坡。百慕達三角的死亡很可能是因為有隱藏儲量巨大的海底天然氣水合物的分解形成[48]。結論（1）隨著世界油氣資源的消耗日益加大，人類在21世紀中后期將面臨油氣資源的枯竭，尋求潔凈高效的新能源成為科學界追求的目標。為此，近30年來世界各國相繼投入大量的物力、人力開展新能源的研究。目前，NGH作為一種優(yōu)質、潔凈能源，已經成為當代氣球科學和能源工業(yè)發(fā)展的一大熱點。（2）由于水合物是亞穩(wěn)態(tài)的物質，海底條件的微小變化都可能引起水合物的分解/形成，對環(huán)境產生深刻影響?；贜GH的重大資源前景和環(huán)境效應，全球科學家和許多國家政府（如美國、日本、印度、韓國、俄羅斯、加拿大、德國、墨西哥等）都予以高度關注，深入開展NGH研究的熱潮已經在全球興起，并在其勘探、開采技術及環(huán)境效應等方面取得快速的發(fā)展。（3）我國擁有綿長的海岸和濱海大陸架斜坡帶、海嶺、海溝、海槽和分布廣泛的永久凍土帶，具有形成NGH的有利物化條件和地質構造環(huán)境[50]。資源調查顯示，我國南海、東海陸坡-沖繩海、青藏高原凍土帶都蘊藏著NGH，我國從而成為繼美國、日本、印度之后第4個通過國家級研發(fā)計劃采到海洋甲烷水合物實物樣品的國家，這對加快我國甲烷水合物的研究開發(fā)具有重要的意義和促進作用。（4）我國能源供需出現了很大的缺口，現有的能源形式無法滿足需要。因此開展并加強NGH的勘探、開采及其對環(huán)境影響的研究，對我國開發(fā)和利用NGH防治地質災害、改善生態(tài)環(huán)境等具有重大的經濟意義和戰(zhàn)略意義。參考文獻貝克CⅢ，馬科岡IOΦ，福米納ВИ.氣體水化物（王夢舜譯）.[M]北京:石油工業(yè)出版社，1987，4.陳作義，楊曉西，葉國文等.天然氣水合物概況及最新研究進展[J].海洋通報.2002，21（3）:78-85.雷懷彥，王先彬，房玄等.天然氣水合物研究現狀與未來挑戰(zhàn)[J].沉積學報.1999（9）:493-497.陳多福，徐文新，趙振華.天然氣水合物的晶體結構及水合系數和比重[J].礦物學報.2001，21（2）:159-163.劉麗珍.天然氣水合物一21世紀新能源[J].城市管理與科技.2001，3（1）:31-35.Collett，T.S.，“Energyresourcepotentialofnaturalgashydrates”，Am.Assoc.Petrol.Geo.，86（11），1971-1992（2002）.Collett，T.，Johnson，A.，Knapp，C.，Boswell，R.，NaturalGasHydrates—EnergyResourcePotentialandAssociatedGeologicHazards，89（AAPGMemoir），AmericanAssociationofPetroleumGeologists，505-524（2009）.Makogon，Y.F.，Holditch，S.A.，Makogon.T.Y.，“Naturalgas-hydrates—Apotentialenergysourceforthe21stCentury”，J.Pet.Sci.Eng.，56（1-3），14-31（2007）.Walsh，T.P.，Stokes，P.J.，Singh，P.K.，“CharacterizationandquantificationofthemethanehydrateresourcepotentialassociatedwiththeBarrowGasFields”，In:Proceedingsofthe6thInternationalConferenceonGasHydrotes（ICGH），Vancouver，BritishColumbia，Canada（2008）.Wood，W.T.，Hart，P.E.，Hutchinson，D.R.，Dutta，N.，Snyder，F.，Coffin，R.B.，Gettrust，J.F.，“GasandgashydratedistributionaroundseafloorseepsinMississippiCanyon，NorthernGulfofMexico，usingmulti-resolutionseismicimagery”，Mar.Petrol.Geol.，25（9），952-959（2008）.Takahashi，H.，Tetsuo，Y.，Yoshikazu，T.，“ExplorationfornaturalhydrateinNankai-TroughwellsoffshoreJapan”，J.Japan.Assoc.Petrol.Technol.，66（6），652-665（2001）.Lu，H.，Lorenson，T.D.，Moudrakovski，I.L.，Ripmeester，J.A.，Collett，T.S.，Hunter，R.B.，Ratcliffe，C.I.，“ThecharacteristicsofgashydratesrecoveredfromMountElbertgashydratestratigraphictestwell，AlaskaNorthSlope”，Mar.Petrol.Geol.，1-8（2010）.Osadetz，K.G.，Chen，Z.，“Are-examinationofBeaufortSea-MackenzieDeltaBasingashydrateresourcepotentialusingapetroleumsystemapproach”，In:ProceedingsoftheFifthInternationalConferenceonGasHydrates，Trondheim，Norway（2005）.Zeng，W.P.，Zhou，D.，“GIS-aid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