天然氣水合物(海底可燃冰):簡介,歷史沿革,理化性質,組成結構,分布範圍,形成原因

天然氣水合物（Natural Gas Hydrate/Gas Hydrate），有機化合物，化學式CH₄。即可燃冰，是分布於深海沉積物或陸域的永久凍土中，由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結晶物質。

因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以又被稱作“可燃冰”（Combustible ice）或者“固體瓦斯”和“汽冰”。其實是一個固態塊狀物。天然氣水合物在自然界廣泛分布在大陸永久凍土、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內陸湖的深水環境。

2013年6月至9月，在廣東沿海珠江口盆地東部海域首次鑽獲高純度天然氣水合物樣品，並通過鑽探獲得可觀的控制儲量。2014年2月1日，南海天然氣水合物富集規律與開採基礎研究通過驗收，建立起中國南海“可燃冰”基礎研究系統理論。2017年5月，中國首次海域天然氣水合物（可燃冰）試采成功。2017年11月3日，國務院正式批准將天然氣水合物列為新礦種。

基本介紹

中文名：天然氣水合物
英文名：Natural Gas Hydrate/Gas Hydrate
別稱：可燃冰、甲烷水合物、籠形包合物
化學式：CH4·xH2O
套用：清潔能源

簡介,歷史沿革,理化性質,組成結構,分布範圍,形成原因,海洋生成,大陸生成,開採方法,傳統開採,新型開採,開採實例,主要危害,製備方法,鑑別方法,經濟影響,

簡介

天然氣水合物又稱“可燃冰”，是分布於深海沉積物或陸域的永久凍土中，由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結晶物質。因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以又被稱作“可燃冰”。其資源密度高，全球分布廣泛，具有極高的資源價值，因而成為油氣工業界長期研究熱點。自上世紀60年代起，以美國、日本、德國、我國、韓國、印度為代表的一些國家都制訂了天然氣水合物勘探開發研究計畫。迄今，人們已在近海海域與凍土區發現水合物礦點超過230處，湧現出一大批天然氣水合物熱點研究區。

歷史沿革

1810年，首次在實驗室發現天然氣水合物。

1934年，前蘇聯在被堵塞的天然氣輸氣管道里發現了天然氣水合物。由於水合物的形成，輸氣管道被堵塞。這一發現引起前蘇聯人對天然氣水合物的重視。

1960年，前蘇聯在西伯利亞發現了可燃冰，1965年，前蘇聯首次在西西伯利亞永久凍土帶發現天然氣水合物礦藏；並於1969年投入開發；1970年，前蘇聯開始對該天然氣水合物礦床進行商業開採。

1970年，國際深海鑽探計畫(DSDP)在美國東部大陸邊緣的布萊克海台實施深海鑽探，在海底沉積物取心過程中，發現冰冷的沉積物岩心嘶嘶地冒著氣泡，並達數小時。當時的海洋地質學家非常不解。後來才知道，氣泡是水合物分解引起的，他們在海底取到的沉積物岩心其實含有水合物。

美國於1969年開始實施可燃冰調查，1998年把可燃冰作為國家發展的戰略能源列入國家級長遠計畫；日本開始關注可燃冰是在1992年；完成周邊海域的可燃冰調查與評價。但最先挖出可燃凍的是德國。

1971年，美國學者Stoll等人在深海鑽探岩心中首次發現海洋天然氣水合物，並正式提出“天然氣水合物”概念。

1974年，前蘇聯在黑海1950米水深處發現了天然氣水合物的冰狀晶體樣品。

1979年，DSDP第66和67航次在墨西哥灣實施深海鑽探，從海底獲得91.24米的天然氣水合物岩心，首次驗證了海底天然氣水合物礦藏的存在。

1981年，DSDP計畫利用“格羅瑪·挑戰者號”鑽探船也從海底取上了3英尺長的水合物岩心。

1992年，大洋鑽探計畫(ODP)第146航次在美國俄勒岡州西部大陸邊緣Cascadia海台取得了天然氣水合物岩心。

1995年，ODP第164航次在美國東部海域布萊克海台實施了一系列深海鑽探，取得了大量水合物岩心，首次證明該礦藏具有商業開發價值。

1997年，大洋鑽探計畫考察隊利用潛水艇在美國南卡羅來納海上的布萊克海台首次完成了水合物的直接測量和海底觀察。同年，ODP在加拿大西海岸胡安-德夫卡洋中脊陸坡區實施了深海鑽探，取得了天然氣水合物岩心。至此，以美國為首的DSDP及其後繼的ODP在10個深海地區發現了大規模天然氣水合物聚集：秘魯海溝陸坡、中美洲海溝陸坡(哥斯大黎加、瓜地馬拉、墨西哥)、美國東南大西洋海域、美洲西部太平洋海域、日本的兩個海域、阿拉斯加近海和墨西哥灣等海域。

1996年和1999年期間，德國和美國科學家通過深潛觀察和抓鬥取樣，在美國俄勒岡州岸外Cascadia海台的海底沉積物中取到嘶嘶冒著氣泡的白色水合物塊狀樣品，該水合物塊可以被點燃，並發出熊熊的火焰。

1998年，日本通過與加拿大合作，在加拿大西北Mackenzie三角洲進行了水合物鑽探，在890～952米深處獲得37米水合物岩心。該鑽井深1150米，是高緯度地區永凍土帶研究氣體水合物的第一口井。

1999年，日本在其靜岡縣御前崎近海挖掘出外觀看起來象濕潤雪團一樣的天然氣水合物。

1999~2001年，中國地質調查局科技人員首次在南海西沙海槽發現了顯示天然氣水合物存在的地震異常信息（似海底地震發射波“BSR”）。2002年國務院批准設立我國海域天然氣水合物資源調查專項。

2000年開始，可燃凍的研究與勘探進入高峰期，世界上至少有30多個國家和地區參與其中。其中以美國的計畫最為完善━━總統科學技術委員會建議研究開發可燃冰。為開發這種新能源，國際上成立了由19個國家參與的地層深處海洋地質取樣研究聯合機構，有50個科技人員駕駛著一艘裝備有先進實驗設施的輪船從美國東海岸出發進行海底可燃冰勘探。這艘可燃冰勘探專用輪船是當今世界上唯一的一艘能從深海下岩石中取樣的輪船，船上裝備有能用於研究沉積層學、古人種學、岩石學、地球化學、地球物理學等的實驗設備。這艘專用輪船由德克薩斯州A·M大學主管，英、德、法、日、澳、美科學基金會及歐洲聯合科學基金會為其提供經濟援助。

自2002年起，中國地質調查局對我國凍土區特別是青藏高原凍土區開展了地質、地球物理、地球化學和遙感調查，發現我國凍土區具備較好的天然氣水合物成礦條件和找礦前景，其中羌塘盆地為Ⅰ級遠景區，祁連山、漠河盆地和風火山—烏麗地區為Ⅱ級遠景區。

1999年在國家發展改革委、財政部等大力支持下，國土資源部正式啟動天然氣水合物資源調查，包括在珠江口盆地開展天然氣水合物綜合調查40個航次，完成高解析度多道地震測量45800公里、多波束測量36800公里、淺地層剖面測量7100公里、海底地質取樣1480個站位、海底熱流測量222個站位等調查工作。

2005年4月14日，中國在北京舉行中國地質博物館收藏中國首次發現的天然氣水合物碳酸鹽岩標本儀式。宣布中國首次發現世界上規模最大被作為“可燃冰”即天然氣水合物存在重要證據的“冷泉”碳酸鹽岩分布區，其面積約為430平方公里。

2007年5月1日凌晨，中國在南海北部的首次採樣成功，證實了中國南海北部蘊藏豐富的天然氣水合物資源，標誌著中國天然氣水合物調查研究水平已步入世界先進行列。中國在南海北部成功鑽獲天然氣水合物實物樣品“可燃冰”，從而成為繼美國、日本、印度之後第4個通過國家級研發計畫採到水合物實物樣品的國家。

2009年9月中國地質部門公布，在青藏高原發現了一種名為可燃冰(又稱天然氣水合物)的環保新能源，預計十年左右能投入使用。初略的估算，遠景資源量至少有350億噸油當量。

2013年6月~9月，我國海洋地質科技人員在廣東沿海珠江口盆地東部海域首次鑽獲高純度天然氣水合物（俗稱“可燃冰”）樣品，並通過鑽探獲得可觀的控制儲量。此次發現的天然氣水合物樣品具有埋藏淺、厚度大、類型多、純度高4個主要特點。控制儲量1000億立方米~1500億立方米，相當於特大型常規天然氣礦規模。

日本2013年3月12日成功從愛知縣附近深海可燃冰層中提取出甲烷，成為世界上首個掌握海底可燃冰採掘技術的國家。日本希望2018年開發出成熟技術，實現大規模商業化生產。

採掘試驗由日本經濟產業省屬下的石油天然氣金屬礦物資源機構實施。該機構利用地球深處探測船“地球”號，從愛知縣渥美半島附近約1000米的海底挖入330米，到達可燃冰層後，通過把可燃冰中的水分抽出降低其壓力，使水和甲烷分離，然後提取出甲烷，整個過程約用了4小時。該機構將繼續在該海域進行為期兩周左右的採掘試驗，以進一步完善技術

2014年，由中國地質調查局與中國科學院主辦的第八屆國際天然氣水合物大會29日在北京開幕，記者從大會上獲悉，我國計畫於2015年在中國海域實施天然氣水合物的鑽探工程，將有力推動中國“可燃冰”勘探與開發的進程，引發中國能源開發利用的“革命”。

2017年1月，經10餘年技術攻關，吉林大學科研團隊研發出陸域天然氣水合物冷鑽熱采關鍵技術，填補了國內該領域空白，總體達到國際先進水平。

與國際上通用的“被動式保壓保溫取樣”鑽探原理不同，新技術首次提出“主動式降溫冷凍取樣”原理，發明了鑽井泥漿強化製冷方法、水合物孔底快速冷凍取樣方法和高溫脈衝熱激發開採技術，主要技術指標超過國外同類技術。

2017年5月，中國首次海域天然氣水合物（可燃冰）試采成功。5月18日，中共中央、國務院向參加這次任務的全體參研參試單位和人員，表示熱烈的祝賀。

2007年實施的天然氣水合物取樣，首次成功獲取了實物樣品，證實了我國南海北部蘊藏有豐富的天然氣水合物資源。由此，使我國成為繼美國、日本、印度之後第四個通過國家級研發計畫採到天然氣水合物實物樣品的國家。

2009年，中國地質調查局組織實施的《祁連山凍土區天然氣水合物科學鑽探工程》施工完成的8個鑽井中，有5個鑽井鑽獲天然氣水合物實物樣品。這是我國凍土區首次鑽獲天然氣水合物實物樣品，也是全球首次在中低緯度高山凍土區發現天然氣水合物實物樣品。

2011年國務院批准設立了新的天然氣水合物國家專項。中國地質調查局廣州海洋地質調查局通過進一步勘查，在珠江口盆地東部海域發現了天然氣水合物有利目標區。2013年5月～9月，在該區域實施了3個航段總計102天的鑽探取樣工作。

2013年，日本在世界上首次開採出海底可燃冰。日本在2013年3月12日成功地在愛知縣渥美半島以南70公里、水深1000米處海底開採出可燃冰並提取出甲烷，成為世界上首個掌握海底可燃冰採掘技術的國家。日本於3月12日-18日，6天之內成功開採出12萬立方米氣體，後因泥沙堵住鑽井通道而中止。

2013年8月，《祁連山及鄰區天然氣水合物資源勘查》項目組再次在青海省天峻縣木里鎮DK-9科學鑽探試驗井中，成功鑽獲天然氣水合物實物樣品，單層厚度超過20米。

2016年6月25日上午，廣州海洋地質調查局通報，繼我國在南海發現大面積可燃冰分布後，我國首次在南海北部陸坡西部海域發現規模空前的活動性冷泉“海馬冷泉”，分布面積約618平方公里。它的發現是我國天然氣水合例勘查的重大突破！

2017年，我國在南海北部神狐海域進行的可燃冰試採獲得成功。本次試采作業區位於珠海市東南320千米的神狐海域。3月28日第一口試采井開鑽，5月10日下午14時 52分點火成功，從水深1266米海底以下203-277米的天然氣水合物礦藏開採出天然氣。到5月18日上午10時，連續產氣近8天，平均日產超過1.6萬立方米，超額完成“日產萬方、持續一周”的預定目標。國土資源部部長姜大明在現場宣布我國海域天然氣水合物首次試采成功，中共中央、國務院發來賀電。至5月26日，試采井連續產氣16天，平均日產超過1萬立方米。5月27日開始，按照施工方案開展溫度、壓力變化對儲層、井底、井筒、氣體流量等影響的科學測試研究工作。截至目前，已連續產氣超過22天，平均日產8350立方米，氣壓氣流穩定，井底狀態良好。試采安全評估和環境監測結果顯示，鑽井作業安全，海底地層穩定，大氣和海水甲烷含量無異常變化。取得了持續產氣時間長、氣流穩定、環境安全等多項重大突破性成果。截至6月10日下午，試采總產氣量達到21萬立方米，平均日產6800立方米。目前產氣過程平穩，井底狀況良好，獲得各項測試數據264萬組，為下一步工作奠定了堅實基礎。

2017年5月18日10時，國土資源部部長姜大明在南海神狐海域的“藍鯨一號”鑽井平台上宣布：我國首次海域可燃冰試采成功，其資源儲存量相當於千億噸石油。

2017年11月3日，國務院正式批准將天然氣水合物列為新礦種，成為我國第173個礦種。

理化性質

天然氣水合物燃燒後幾乎不產生任何殘渣，污染比煤、石油、天然氣都要小得多。1立方米可燃冰可轉化為164立方米的天然氣和0.8立方米的水。開採時只需將固體的“天然氣水合物”升溫減壓就可釋放出大量的甲烷氣體。

天然氣水合物在海洋淺水生態圈，通常出現於深層的沉澱物結構中，或是在海床處露出。甲烷氣水包合物據推測是因地理斷層深處的氣體遷移，以及沉澱、結晶等作用，於上升的氣體流與海洋深處的冷水接觸所形成。

在高壓下，甲烷氣水包合物在 18 °C 的溫度下仍能維持穩定。一般的甲烷氣水化合物組成為 1摩爾的甲烷及每 5.75 摩爾的水，然而這個比例取決於多少的甲烷分子“嵌入”水晶格各種不同的包覆結構中。據觀測的密度大約在 0.9 g/cm³。一升的甲烷氣水包合物固體，在標準狀況下，平均包含 168 升的甲烷氣體。

1立方米的可燃冰可在常溫常壓下釋放164立方米的天然氣及0.8立方米的淡水）所以固體狀的天然氣水合物往往分布於水深大於 300 米以上的海底沉積物或寒冷的永久凍土中。海底天然氣水合物依賴巨厚水層的壓力來維持其固體狀態，其分布可以從海底到海底之下 1000 米的範圍以內，再往深處則由於地溫升高其固體狀態遭到破壞而難以存在。

天然氣水合物從物理性質來看，天然氣水合物的密度接近並稍低於凍的密度，剪下係數、電解常數和熱傳導率均低於冰。天然氣水合物的聲波傳播速度明顯高於含氣沉積物和飽和水沉積物，中子孔隙度低於飽和水沉積物，這些差別是物探方法識別天然氣水合物的理論基礎。此外，天然氣水合物的毛細管孔隙壓力較高。

可燃冰分子結構就像一個一個由若干水分子組成的籠子。

形成可燃冰有三個基本條件：溫度、壓力和原材料。

首先，低溫。可燃冰在0—10℃時生成，超過20℃便會分解。海底溫度一般保持在2—4℃左右；

其次，高壓。可燃冰在0℃時，只需30個大氣壓即可生成，而以海洋的深度，30個大氣壓很容易保證，並且氣壓越大，水合物就越不容易分解。

最後，充足的氣源。海底的有機物沉澱，其中豐富的碳經過生物轉化，可產生充足的氣源。海底的地層是多孔介質，在溫度、壓力、氣源三者都具備的條件下，可燃冰晶體就會在介質的空隙間中生成。

組成結構

天然氣水合物是一種白色固體物質，有極強的燃燒力，主要由水分子和烴類氣體分子（主要是甲烷）組成，它是在一定條件（合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、PH值等）下由水和天然氣在中高壓和低溫條件下混合時組成的類凍的、非化學計量的、籠形結晶化合物（水分子中氧原子的電負性較大，在高壓下能吸引與之相近的水分子中的氫原子形成氫鍵，構成籠狀結構）。一旦溫度升高或壓強降低，甲烷氣則會逸出，固體水合物便趨於崩解。

“天然氣水合物”，是天然氣在0℃和30個大氣壓的作用下結晶而成的“冰塊”。“冰塊”里甲烷占80%～99.9%，可直接點燃。可用mCH4·nH2O來表示，m代表水合物中的氣體分子，n為水合指數（也就是水分子數）。組成天然氣的成分如CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀等同系物以及CO₂、N₂、H₂S等可形成單種或多種天然氣水合物。形成天然氣水合物的主要氣體為甲烷，對甲烷分子含量超過99%的天然氣水合物通常稱為甲烷水合物（Methane Hydrate）。每單位晶胞內有兩個十二面體（20 個端點因此有 20 個水分子）和六個十四面體（tetrakaidecahedral）（24 個水分子）的水籠結構。其水合值（hydratation value）20 可由 MAS NMR 來求得。甲烷氣水包合物頻譜於 275 K 和 3.1 MPa下記錄，顯示出每個籠形都反映出峰值，且氣態的甲烷也有個別的峰值。

分布範圍

天然氣水合物在自然界廣泛分布在大陸永久凍土、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內陸湖的深水環境。在標準狀況下，一單位體積的天然氣水合物分解最多可產生164單位體積的甲烷氣體。

世界上海底天然氣水合物已發現的主要分布區是大西洋海域的墨西哥灣、加勒比海、南美東部陸緣、非洲西部陸緣和美國東海岸外的布萊克海台等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千島海溝、沖繩海槽、日本海、四國海槽、中國南海海槽、蘇拉威西海和紐西蘭北部海域等，東太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亞濱外和秘魯海槽等，印度洋的阿曼海灣，南極的羅斯海和威德爾海，北極的巴倫支海和波弗特海，以及大陸內的黑海與裏海等。

天然氣水合物在在地球上大約有27%的陸地是可以形成天然氣水合物的潛在地區，而在世界大洋水域中約有90%的面積也屬這樣的潛在區域。已發現的天然氣水合物主要存在於北極地區的永久凍土區和世界範圍內的海底、陸坡、陸基及海溝中。由於採用的標準不同，不同機構對全世界天然氣水合物儲量的估計值差別很大。

據潛在氣體聯合會（PGC，1981）估計，永久凍土區天然氣水合物資源量為1.4×10¹³～3.4×10¹⁶m3，包括海洋天然氣水合物在內的資源總量為7.6×10¹⁸m3。但是，大多數人認為儲存在汽水合物中的碳至少有1×10¹³t，約是當前已探明的所有化石燃料（包括煤、石油和天然氣）中碳含量總和的2倍。由於天然氣水合物的非滲透性，常常可以作為其下層游離天然氣的封蓋層。因而，加上汽水合物下層的游離氣體量這種估計還可能會大些。如果能證明這些預計屬實的話，天然氣水合物將成為一種未來豐富的重要能源。

甲烷氣水包合物受限於淺層的岩石圈內（即 <2000m深）。發現，在一些必要條件下，惟獨在極地大陸的沉積岩，其表面溫度低於0°C，或是在水深超過300m ，深層水溫大約2°C的海洋沉積物底下。大陸區域的蘊藏量已確定位在西伯利亞和阿拉斯加800m深的砂岩和泥岩床中。海生型態的礦床似乎分布於整個大陸棚，且可能出現於沉積物的底下或是沉積物與海水接觸的表面。他們甚至可能涵蓋更大量的氣態甲烷。

全球蘊藏的常規石油天然氣資源消耗巨大，很快就會枯竭。科學家的評價結果表明，僅在海底區域，可燃凍的分布面積就達4000萬平方公里，占地球海洋總面積的 1/4。2011年，世界上已發現的可燃冰分布區多達116處，其礦層之厚、規模之大，是常規天然氣田無法相比的。科學家估計，海底可燃凍的儲量至少夠人類使用1000年。

中國國內可燃冰主要分布在南海海域、東海海域、青藏高原凍土帶以及東北凍土帶，據粗略估算，其資源量分別約為64.97x10^12m³、3.38x10^12m³、12.5x10^12m³和2.8x10^12m³。並且已在南海北部神狐海域和青海省祁連山永久凍土帶取得了可燃冰實物樣品。

在本州島海岸線30英里外，科學家們發現了一條蘊藏量驚人的海溝：在海溝里的甲烷呈水晶狀，大約有500米厚，總量達40萬億立方米。這個儲量儘管還不能與沙特或者俄羅斯的石油資源相比，但也足夠日本用上一陣了。

2018年10月18日，在天津舉行的2018（第二十屆）中國國際礦業大會上，《中國礦產資源報告2018》正式發布。據報告顯示，初步預測，中國海域天然氣水合物資源量約800億噸油當量。

形成原因

海洋生成

有兩種不同種類的海洋存量。最常見的絕大多數（> 99%）都是甲烷包覆於結構一型的包合物，而且一般都在沉澱物的深處才能發現。在此結構下，甲烷中的碳同位素較輕（δ13C < -60‰），因此指出其是微生物由CO2的氧化還原作用而來。這些位於深處礦床的包合物，一般認為應該是從微生物產生的甲烷環境中原處形成，因為這些包合物與四周溶解的甲烷其δ13C值是相似的。

這些礦床坐落於中深度範圍的區域內，大約300-500m厚的沉積物中（稱作氣水化合物穩定帶(GasHydrate Stability Zone)或 GHSZ），且該處共存著溶於孔隙水的甲烷。在這區域之下，甲烷只會以溶解型態存在，並隨著沉積物表層的距離而濃度逐漸遞減。而在這之上，甲烷是氣態的。在大西洋大陸脊的布雷克海脊，GHSZ在190m的深度開始延伸至450m處，並於該點達到氣態的相平衡。測量結果指出，甲烷在GHSZ的體積占了0-9% ，而在氣態區域占了大約12%的體積。

在接近沉積物表層所發現較少見的第二種結構中，某些樣本有較高比例的碳氫化合物長鏈（<99% 甲烷）包含於結構二型的包合物中。其甲烷的碳同位素較重（δ13C 為 -29 至 -57 ‰），據推斷是由沉積物深處的有機物質，經熱分解後形成甲烷而往上遷移而成。此種類型的礦床在墨西哥灣和裏海等海域出現。

某些礦床具有介於微生物生成和熱生成類型的特性，因此預估會出現兩種混合的型態。

氣水化合物的甲烷主要由缺氧環境下有機物質的細菌分解。在沉積物最上方幾厘米的有機物質會先被好氧細菌所分解，產生CO2，並從沉積物中釋放進水團中。在此區域的好氧細菌活動中，硫酸鹽會被轉變成硫化物。若沉澱率很低（<1厘米/千年）、有機碳成分很低（<1%），且含氧量充足時，好氧細菌會耗光所有沉積物中的有機物質。但該處的沉澱率和有機碳成分都很高，沉積物中的孔隙水僅在幾厘米深的地方是缺氧態的，而甲烷會經由厭氧細菌產生。此類甲烷的生成是更為複雜的程式，需要各個種類的細菌活動、一個還原環境（Eh -350 to -450 mV），且環境pH 值需介於6至8之間。在某些海域（例如墨西哥灣）包合物中的甲烷至少會有部份是由有機物質的熱分解所產生，但大多是從石油分解而成。包合物中的甲烷一般會具有細菌性的同位素特徵，以及很高的 δ13C 值（-40 to -100‰），平均大約是-65‰。在固態包合物地帶的下方處，沉積物里的大量甲烷可能以氣泡的方式釋放出來。

在給定的地點內判定該處是否含有包合物，大多可以透過觀測“海底仿擬反射”（BottomSimulatingReflector，或稱BSR）分布，以震測反射（seismicreflection）的方式來掃描洋底沉積物與包合物穩定帶之間的接口處，因而可觀測出一般沉積物和那些蘊藏包合物沉積物之間的密度差異。

海洋生成的甲烷包合物，蘊藏量鮮為人知。自從1960至1970年代，包合物首次發現可能存在海洋中的那段時期，其預估的蘊藏量就每十年以數量級的概估速度遞減。曾經預估過的蘊藏量（高達3×1018m³）是建構在假設包合物非常稠密地散布在整片深海海床上。然而，隨著我們對包合物化學和沉積學等知識進一步的了解，發現水合物只會在某個狹窄範圍內（大陸棚）的深度下形成，以及某些地點的深度範圍內才會存在（10-30%部分的 GHSZ 區），而且通常是在低濃度（體積的0.9-1.5%）的地點。最新的估計強制採用直接取樣的方式，指出全球含量介於 1×10¹⁵和 5×10¹⁵ m³ 之間。這個預估結果，對應出大約500至2500個十億噸單位的碳 (Gt C)，比預估所有礦物燃料的5000GtC數量還少，但整體上卻超過所預估其他天然氣來源的約230Gt C。在北極圈的永凍地帶，其儲藏量預估可達約400Gt C[13]，但在南極區域並未估出可能的蘊藏量。這些是很大的數字。相較於大氣中的總碳數也才大約700個Gt C。

這些近代的估計結果，與當初人們以為包合物為礦物燃料來源時（MacDonald 1990,Kvenvolden 1998）所提出的10,000to11,000 Gt C （2×10¹⁶ m³），數量上明顯的要少。包合物藏量的縮減，並未使其失去經濟價值，但縮減的整體含量和多數產地明顯過低的採集密度[10]，的確指出僅限某些地區的包合物礦床才能提供經濟上的實質價值。

大陸生成

在大陸岩石內的甲烷包合物會受限在深度800m以上的砂岩或粉沙岩岩床中。採樣結果指出，這些包合物以熱力或微生物分解氣體的混合方式形成，其中較重的碳氫化合物之後才會選擇性地被分解。這類的型態存在於阿拉斯加和西伯利亞。

儲量比地球上石油的總儲量還大幾百倍。這些可然冰都蘊藏在全球各地的450米深的海床上，表面看起來，很象乾冰，實際卻能燃燒。在美東南沿海水下2700平方米麵積的水化物中，含有足夠供應美國70多年的可燃冰。其儲量預計是常規儲量的2．6倍，如果全部開發利用，可使用100年左右。中國地質大學(武漢)和中南石油局第五物探大隊在藏北高原羌塘盆地開展的大規模地球物理勘探成果表明：繼塔里木盆地後，西藏地區很有可能成為中國21世紀第二個石油資源戰略接替區。

開採方法

由於可燃冰在常溫常壓下不穩定，因此開採可燃凍的方法構想有：①熱解法。②降壓法。③二氧化碳置換法。（技術仍不完善，由此泄露的甲烷可造成比二氧化碳嚴重十倍的溫室效應）

傳統開採

(1) 熱激發開採法　熱激發開採法是直接對天然氣水合物層進行加熱，使天然氣水合物層的溫度超過其平衡溫度，從而促使天然氣水合物分解為水與天然氣的開採方法。這種方法經歷了直接向天然氣水合物層中注入熱流體加熱、火驅法加熱、井下電磁加熱以及微波加熱等發展歷程。熱激發開採法可實現循環注熱，且作用方式較快。加熱方式的不斷改進，促進了熱激發開採法的發展。但這種方法至今尚未很好地解決熱利用效率較低的問題，而且只能進行局部加熱，因此該方法尚有待進一步完善。

(2) 減壓開採法　減壓開採法是一種通過降低壓力促使天然氣水合物分解的開採方法。減壓途徑主要有兩種： ①採用低密度泥漿鑽井達到減壓目的；②當天然氣水合物層下方存在游離氣或其他流體時，通過泵出天然氣水合物層下方的游離氣或其他流體來降低天然氣水合物層的壓力。減壓開採法不需要連續激發，成本較低，適合大面積開採，尤其適用於存在下伏游離氣層的天然氣水合物藏的開採，是天然氣水合物傳統開採方法中最有前景的一種技術。但它對天然氣水合物藏的性質有特殊的要求，只有當天然氣水合物藏位於溫壓平衡邊界附近時，減壓開採法才具有經濟可行性。

(3) 化學試劑注入開採法　化學試劑注入開採法通過向天然氣水合物層中注入某些化學試劑，如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，破壞天然氣水合物藏的相平衡條件，促使天然氣水合物分解。這種方法雖然可降低初期能量輸入，但缺陷卻很明顯，它所需的化學試劑費用昂貴，對天然氣水合物層的作用緩慢，而且還會帶來一些環境問題，所以，對這種方法投入的研究相對較少。並且添加化學劑較加熱法作用緩慢，但確有降低初始能源輸入的優點。添加化學劑最大的缺點是費用太昂貴。

新型開採

(1)CO₂置換開採法。這種方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內，天然氣水合物會分解，而CO2水合物則易於形成並保持穩定。如果此時向天然氣水合物藏內注入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。這種作用釋放出的熱量可使天然氣水合物的分解反應得以持續地進行下去。

(2)固體開採法。固體開採法最初是直接採集海底固態天然氣水合物，將天然氣水合物拖至淺水區進行控制性分解。這種方法進而演化為混合開採法或稱礦泥漿開採法。該方法的具體步驟是，首先促使天然氣水合物在原地分解為氣液混合相，採集混有氣、液、固體水合物的混合泥漿，然後將這種混合泥漿導入海面作業船或生產平台進行處理，促使天然氣水合物徹底分解，從而獲取天然氣。

開採實例

麥索亞哈氣田天然氣水合物的開採

麥索亞哈氣田發現於20 世紀60 年代末，是第一個也是迄今為止唯一一個對天然氣水合物藏進行了商業性開採的氣田。該氣田位於前蘇聯西西伯利亞西北部，氣田區常年凍土層厚度大於500 m，具有天然氣水合物賦存的有利條件。麥索亞哈氣田為常規氣田，氣田中的天然氣透過蓋層發生運移，在有利的環境條件下，在氣田上方形成了天然氣水合物層。該氣田的天然氣水合物藏首先是經由減壓途徑無意中得以開採的。通過開採天然氣水合物藏之下的常規天然氣，致使天然氣水合物層壓力降低，天然氣水合物發生分解。後來，為了促使天然氣水合物的進一步分解，維持產氣量，特意向天然氣水合物藏中注入了甲醇和氯化鈣等化學抑制劑。

麥肯齊三角洲地區天然氣水合物試採集

麥肯齊三角洲地區位於加拿大西北部，地處北極寒冷環境，具有天然氣水合物生成與保存的有利條件。該區天然氣水合物研究具有悠久的歷史。早在1971～1972 年間，在該區鑽探常規勘探井MallikL238 井時，偶然於永凍層下800～1 100 m 井段發現了天然氣水合物存在的證據；1998 年專為天然氣水合物勘探鑽探了Mallik 2L238 井，該井於897～952 m 井段發現了天然氣水合物，並采出了天然氣水合物岩心。2002 年，在麥肯齊三角洲地區實施了一項舉世關注的天然氣水合物試采研究。該項目由加拿大地質調查局、日本石油公團、德國地球科學研究所、美國地質調查局、美國能源部、印度燃氣供給公司、印度石油與天然氣公司等5 個國家9 個機構共同參與投資，是該區有史以來的首次天然氣水合物開採試驗，也是世界上首次這樣大規模對天然氣水合物進行的國際性合作試采研究。

阿拉斯加北部斜坡區天然氣水合物開採試驗

美國阿拉斯加北部普拉德霍灣—庫帕勒克河地區，位於阿拉斯加北部斜坡地帶。1972年阿科石油公司和埃克森石油公司在普拉德霍灣油田鑽探常規油氣井時於664～667m層段采出了天然氣水合物岩心。其後在阿拉斯加北部斜坡區進行了大量天然氣水合物研究。在此基礎上，2003年在該區實施了一項引人注目的天然氣水合物試采研究項目。該項目由美國Anadarko石油公司、Noble公司、Mau2rer技術公司以及美國能源部甲烷水合物研究與開發計畫處聯合發起，目標是鑽探天然氣水合物研究與試采井———熱冰1井。這是阿拉斯加北部斜坡區專為天然氣水合物研究和試采而鑽的第一口探井。

天然氣水合物開採中的環境問題

天然氣水合物藏的開採會改變天然氣水合物賴以賦存的溫壓條件，引起天然氣水合物的分解。在天然氣水合物藏的開採過程中如果不能有效地實現對溫壓條件的控制，就可能產生一系列環境問題，如溫室效應的加劇、海洋生態的變化以及海底滑塌事件等。

（1）甲烷作為強溫室氣體，它對大氣輻射平衡的貢獻僅次於二氧化碳。一方面，全球天然氣水合物中蘊含的甲烷量約是大氣圈中甲烷量的3 000倍；另一方面，天然氣水合物分解產生的甲烷進入大氣的量即使只有大氣甲烷總量的0.5 %，也會明顯加速全球變暖的進程。因此，天然氣水合物開採過程中如果不能很好地對甲烷氣體進行控制，就必然會加劇全球溫室效應。除溫室效應之外，海洋環境中的天然氣水合物開採還會帶來更多問題。①進入海水中的甲烷會影響海洋生態。甲烷進入海水中後會發生較快的微生物氧化作用，影響海水的化學性質。甲烷氣體如果大量排入海水中，其氧化作用會消耗海水中大量的氧氣，使海洋形成缺氧環境，從而對海洋微生物的生長發育帶來危害。②進入海水中的甲烷量如果特別大，則還可能造成海水汽化和海嘯，甚至會產生海水動盪和氣流負壓卷吸作用，嚴重危害海面作業甚至海域航空作業。

（2）開採過程中天然氣水合物的分解還會產生大量的水，釋放岩層孔隙空間，使天然氣水合物賦存區地層的固結性變差，引發地質災變。海洋天然氣水合物的分解則可能導致海底滑塌事件。研究發現，因海底天然氣水合物分解而導致陸坡區穩定性降低是海底滑塌事件產生的重要原因。鑽井過程中如果引起天然氣水合物大量分解，還可能導致鑽井變形，加大海上鑽井平台的風險。

（3）如何在天然氣水合物開採中對天然氣水合物分解所產生的水進行處理，也是一個應該引起重視的問題。

中國首次海域可燃冰試采

2017年7月，中國海域天然氣水合物首次試采圓滿成功，取得了持續產氣時間最長、產氣總量最大、氣流穩定、環境安全等多項重大突破性成果，創造了產氣時長和總量的世界紀錄。截至7月9日14時52分，中國天然氣水合物試開採連續試氣點火60天，累計產氣30.9萬立方米，平均日產5151立方米，甲烷含量最高達99.5%。獲取科學試驗數據647萬組，為後續的科學研究積累了大量的詳實可靠的數據資料。

主要危害

天然氣水合物在給人類帶來新的能源前景的同時，對人類生存環境也提出了嚴峻的挑戰。天然氣水合物中的甲烷，其溫室效應為CO₂的20倍，而全球海底天然氣水合物中的甲烷總量約為地球大氣中甲烷總量的3000倍，若有不慎，讓海底天然氣水合物中的甲烷氣逃逸到大氣中去，將產生無法想像的後果。而且固結在海底沉積物中的水合物，一旦條件變化使甲烷氣從水合物中釋出，還會改變沉積物的物理性質，極大地降低海底沉積物的工程力學特性，使海底軟化，出現大規模的海底滑坡，毀壞海底工程設施，如：海底輸電或通訊電纜和海洋石油鑽井平台等。

天然可燃冰呈固態，不會像石油開採那樣自噴流出。如果把它從海底一塊塊搬出，在從海底到海面的運送過程中，甲烷就會揮發殆盡，同時還會給大氣造成巨大危害。為了獲取這種清潔能源，世界許多國家都在研究天然可燃凍的開採方法。科學家們認為，一旦開採技術獲得突破性進展，那么可燃冰立刻會成為21世紀的主要能源。

製備方法

“可燃冰”的開採方法主要有熱激化法、減壓法和置換法三種。開採的最大難點是保證井底穩定，使甲烷氣不泄漏、不引發溫室效應。

開採方案主要有三種。第一是熱激化法。利用“可燃冰”在加溫時分解的特性，使其由固態分解出甲烷蒸汽。但此方法難處在於不好收集。海底的多孔介質不是集中為“一片”，也不是一大塊岩石，而是較為均勻地遍布著。如何布設管道並高效收集是急於解決的問題。

方案二是減壓法。有科學家提出將核廢料埋入地底，利用核輻射效應使其分解。但它們都面臨著和熱解法同樣布設管道並高效收集的問題。

方案三是“置換法”。研究證實，將CO2液化，注入1500米以下的洋面，就會生成二氧化碳水合物，它的比重比海水大，於是就會沉入海底。如果將CO2注射入海底的甲烷水合物儲層，因CO2較之甲烷易於形成水合物，因而就可能將甲烷水合物中的甲烷分子“擠走”，從而將其置換出來。

鑑別方法

天然氣水合物可以通過底質沉積物取樣、鑽探取樣和深潛考察等方式直接識別，也可以通過擬海底反射層（BSR）、速度和震幅異常結構、地球化學異常、多波速測深與海底電視攝像等方式間接識別。下面介紹一些間接標誌。

地震標誌

海洋天然氣水合物存在的主要地震標誌有擬海底反射層（BSR）、振幅變形（空白反射）、速度倒置、速度-振幅異常結構（VAMP）。大規模的甲烷水合物聚集可以通過高電阻率（>100歐米）聲波速度、低體積密度等號數進行直接判讀。

BSR是地震剖面上的一個平行或基本平行於海底、可切過一切層面或斷層的反射界面，天然氣水合物穩定帶之下還常圈閉著大量的游離甲烷氣體，從而導致在地震反射剖面上產生BSR。現已證實，BSR代表的是氣體水合物穩定帶的基底，其上為固態的水合物層段，聲波速率高，其下為游離氣或僅孔隙水充填的沉積物，聲波速率低，因而在地震剖面上形成強的負阻抗反射界面。因此，BSR是由於低滲透率的水合物層與其下大量游離天然氣及飽和水沉積物之間在聲阻抗（或聲波傳播速度）上存在較大差別引起的。因為水合物層的底界面主要受所在海域的地溫梯度控制，往往位於海底以下一定的深度，因此BSR基本平行於海底，被稱為“擬海底反射層”。BSR除被用來識別天然氣水合物的存在和編制水合物分布圖外，還被用來判明天然氣水合物層的頂底界和產狀，計算水合物層深度、厚度和體積。

然而，並不是所有的水合物都存在BSR。在平緩的海底，即使有天然氣水合物，也不易識別出BSR。BSR常常出現在斜坡或地形起伏的海域。另外，也並不是所有的BSR都對應有天然氣水合物。在極少數情況下，其它因素也可能導致BSR.還應注意的是，儘管絕大部分水合物層都位於BSR之上，但並不是所有的水合物層都位於BSR之上，這已被深海鑽探證明。因此，BSR不能被作為天然氣水合物的唯一標誌，應結合其它方法綜合判斷。近幾年，分析和研究地震的速度結構成為該學科領域的前沿。水合物層是高速層，其下飽氣或飽水層是低速層。在速度曲線上，BSR界面處的速度會出現突然降低，表現出明顯的速度異常結構。此外，分析振幅結構也可識別天然氣水合物。相比而言，水合物層是剛性層，其下飽氣或飽水層是塑性層，在振幅曲線上，BSR界面處的振幅會出現突然減小，表現出明顯的振幅異常結構。這些方法對海底平緩的海域來說，尤其顯的重要。

地球化學標誌

淺層沉積物和底層海水的甲烷濃度異常高、淺層沉積物孔隙水Cl-含量（或礦化度）和δ18O異常高、出現富含重氧的菱鐵礦等，均可作為天然氣水合物的地球化學標誌。

海底地形地貌標誌

在海洋環境中，水合物富集區烴類氣體的滲逸可在海底形成特殊環境和特殊的微地形地貌。天然氣水合物的地貌標誌主要有泄氣窗、甲烷氣苗、泥火山、麻點狀地形、碳酸鹽殼、化學合成生物群等。在最近幾年德國基爾大學　Geomar研究所通過海底觀測，在美國俄勒岡州西部大陸邊緣Cascadia水合物海台就發現了許多不連續分布、大小在5cm2左右的水合物泄氣窗，泄氣窗中甲烷氣苗一股一股地滲出，滲氣速度為每分鐘5公升。在該滲氣流的周圍有微生物、蛤和碳酸鹽殼。

經濟影響

全球天然氣水合物的儲量是現有天然氣、石油儲量的兩倍，具有廣闊的開發前景，美國、日本等國均已經在各自海域發現並開採出天然氣水合物，據測算，中國南海天然氣水合物的資源量為700億噸油當量，約相當中國陸上石油、天然氣資源量總數的二分之一。

中國在可燃冰開採領域

在人類日益為能源所困的今天，可燃凍的成功試采自然是萬眾矚目。此次我國在全球範圍內首次成功試開採，實現了六大技術體系二十項關鍵技術自主創新。但這僅是萬里長征邁出關鍵性一步，未來要實現產業化和商業化開採，仍有長路要走——

6月9日，經濟日報·中國經濟網記者乘坐直升機從珠海起飛，在浩瀚的南海上空飛行一個半小時後，穩穩降落在一個屹立於海面的龐然大物上——“藍鯨一號”鑽井平台。

這是一座37層樓高的大傢伙，是我國自主建造的目前世界最大作業水深、最深鑽井深度的半潛式鑽井平台。近來這裡正吸引著全世界的目光，我國在這裡成功實現了可燃凍的試開採。

可燃冰，簡而言之，即可以燃燒的冰塊，學名為“天然氣水合物”，是由甲烷為主的有機分子被水分子包裹而成，其熱值約相當於石油的1/6，燃燒後只生成二氧化碳和水，儲量據稱可供人類使用千年。

在人類日益為能源所困的今天，可燃凍的成功試采自然是萬眾矚目。因此，5月18日，我國宣布試采可燃冰成功，成為全球首個海域可燃冰試採獲得連續穩定氣流的國家後，誇讚和質疑撲面而來。有人說，可燃冰開採沒那么容易，環保是否過關得打個問號。還有人認為，開採成功後很快將產業化，資本市場上沾些邊的股票隨之一飛沖天。

記者此番前來，就是要一探究竟，我們可以安全環保地開採可燃冰嗎？技術上我們能在全球實現領跑嗎？產業化究竟還有多長的路要走？

環境保護處在優先位置

從“藍鯨一號”鑽井平台往海中望去，蔚藍的海面上波光粼粼，時不時有碩大的魚跳躍出來。

可燃冰被譽為“未來的能源”。1立方米的固體可燃冰分解後可釋放出164立方米標準狀況的氣態天然氣，只相當於1/6立方米的液體或固體天然氣，因此熱值只相當於石油的約1/6。

但是，可燃冰開採難度之大也是業界公認的。可燃冰靠低溫高壓封存，如溫度升高，水合物中的甲烷可能溢出；或者如冰塊消融、壓力回升，一旦控制不當，可能造成海底滑坡等地質災害。

中國地質調查局總工程師嚴光生說，對於這兩個難點，試采前就已經充分考慮、反覆論證，部署了多個監測點實時監測，目前周邊氣體和海底地形都沒有變化。

據了解，在試采前，中國地質調查局開展了10餘個航次的環境基線調查，獲取了海洋地質、海洋生物、海水化學等本底數據，以及海底地層力學參數等。在試採過程中，按照國際環境管理體系、工藝安全風險管理等標準，採取了嚴格的環境保護措施。

試采現場指揮部辦公室副主任陸敬安說，試採過程中，通過大氣、海水、海底和井下四位一體監測體系，對甲烷、二氧化碳等及海底沉降實行了實時監測。與本底數據對比顯示，甲烷無異常變化，海底地形無變化，沒有環境污染，未發生地質災害。同時，我國第一台4500米作業級水下機器人“海馬號”潛入海底，也沒有發現海底地形變化和甲烷泄漏。

“藍鯨一號”鑽井平台長117米，寬度也有近百米。甲板很是開闊，試采現場指揮部辦公室副主任謝文衛告訴記者，這個鑽井平台配有雙鑽塔，可分別作業，井下環境監測儀，可實時監測數據，試采結束後，將一併取出。

陸敬安表示，試采結束後，還將繼續進行全方位的立體環境監測，為制定天然氣水合物開採的環境保護方案提供科學依據。

實現多項理論技術突破

在“藍鯨一號”鑽井平台外，一個熊熊火炬耀眼地燃燒著。為安全起見，巨大的水幕把火炬和平台隔開。這個火炬燃燒的，就是從水深1266米海底以下200多米開採出來的天然氣。

廣州海洋局總工程師楊勝雄說，這是全球首次實現泥質粉砂型可燃凍的安全可控開採。這種類型的可燃冰，資源量占全球90%以上，開發難度最大。

據介紹，此次試采中我國實現了六大技術體系二十項關鍵技術自主創新。第一，防砂技術3項。包括“地層流體抽取”、未成岩超細儲層防砂和天然氣水合物二次生成預防技術。第二，儲層改造技術3項。包括儲層快速精細評價、產能動態評價等技術。第三，鑽井和完井技術3項。包括窄密度視窗平衡鑽井、井口穩定性增強和井中測試系統集成技術。第四，勘查技術4項。包括4500米級無人遙控潛水器探測、保壓取樣、海洋高解析度地震探測和海洋可控源電磁探測技術等。

目前，不少大國在可燃冰領域開展角逐。其中，美國5月12日宣布，正在墨西哥灣開展可燃冰開採研究。2013年，日本在南海海槽開展了海上試采，但因出砂等技術問題失敗。2017年4月份日本在同一海域第二次試采，5月15日再次因出砂問題中止產氣。

有關專家表示，可燃冰是未來全球能源發展的戰略制高點，我們在全球率先試采成功，實現了在這一領域的領跑而不是跟隨。

產業化仍有長路要走

可燃冰在全球主要分布在兩類地區：一是水深300米至3000米的海底；二是陸上凍土區，尤其是南北極凍土區。有預測顯示，全球天然氣水合物資源量相當於21萬億噸油當量。

試采現場指揮部辦公室主任邱海峻表示，我國海域天然氣水合物資源量約800億噸油當量。通過重點地區普查，已經圈定11個有利遠景區，19個成礦區帶。經過鑽探驗證圈定了兩個千億方級的礦藏。

有關專家表示，此次我國在全球範圍內實現首次成功試開採，僅是萬里長征邁出關鍵性一步，未來要實現產業化和商業化開採，仍有長路要走。

邱海峻表示，今後將圍繞加快推進產業化進程的目標，爭取神狐海域試采成果最大化。同時，繼續加大天然氣水合物資源調查力度，開展重點目標區的詳查，提供2個至4個大型資源基地，為推進產業化奠定資源基礎。此外，開展不同類型天然氣水合物試采，把加強環境保護放在突出位置。

他表示，基於中國可燃冰調查研究和技術儲備的現狀，預計我國在2030年左右有望實現可燃凍的商業化開採。

天然氣水合物