【《天然气水合物的结构与开采方式综述》1900字】

天然气水合物的结构与开采方式综述1.1天然气水合物结构气体水合物是一种特殊的晶笼型分子，其主要有由客体分子和水分子通过范德华力组合形成的。因为其外形与冰块类似，同时又可作为燃料燃烧，故称为可燃冰。其中，客体分子甲烷、乙烷等填充于天然气水合物中水分子以氢键形成笼型结构中。通常，只包含一种客体分子的水合物为简单水合物，包含多种客体分子的水合物为多组分水合物。由于客体分子的种类的不同，水合物具体结构和性质存在较大差别，但是形成的水合物晶型结构却存在一定的变化规律。目前，主要有三种水合物晶体结构存在于自然界中：SⅠ型、ＳⅡ型和SH型。其中立方体SⅠ型水合物占主要地位，它的晶体单元包含46个水分子，具有６个大笼。ＳⅡ型水合物的晶体单元则包含136个水分子，由８个大笼和２个小笼构成。SH型水合物晶体的单元则包含34个水分子，３种笼型，１个大笼，２个中笼和３个小笼。其中，如甲烷、乙烷、二氧化碳等较小的客体分子此，通常会构成SⅠ型水合物。而ＳⅡ型水合物则由丙烷、异丁烷等较大的客体分子构成。SH型水合物则一般包含小分子和大分子组成的混合客体分子，如甲烷和新乙烷混合物、甲烷和环庚烷混合物等。图1.3水合物晶体分类1.2天然气水合物形成原因天然气水合物在自然界根据形成地点环境不同，主要分为海洋生成和大陆生成。（1）海洋生成天然气水合物在海洋中主要有两种生成方式，其中一般在沉淀物的深处发现的最常见的是含甲烷SⅠ型水合物。在此结构下，生成水合物的甲烷中的碳同位素原子量较小，由此可推断，此天然气水合物中的天然气多是微生物由CO2的氧化还原而来。大量含有这种水合物的矿床多坐落于中深度范围海域内，厚约0.3km-0.5km的沉积物中，称作气水化合物稳定带。且该处甲烷没有完全组合形成水合物，还存在一部分以分子形态溶解于天然气水合物的孔隙水中。在气水化合物稳定带以下的范围中，甲烷只会以水溶液的型态存在，并随深度的减小而浓度递减。但在沉积物之上，甲烷以气态形式存在。在大西洋大陆脊的布雷克海脊，气水化合物稳定带在190m的深度延伸至450m处，并于该点达到气态的相平衡。第二种结构是以ＳⅡ型的水合物为主，客体分子为某些碳氢化合物长链分子，他们具有较大的相对分子质量，其中碳的同位素较重，由此推断，这种水合物是由碳氢化合物而往上迁移而成，其中客体分子为沉积物深处的有机物质经热分解后形成。此种类型的矿床在墨西哥湾和里海等海域出现。同时部分矿床具有介于微生物生成和热生成类型的特性，会出现两种海洋生成方式兼具混合的型态。（2）大陆生成在大陆生成的的甲烷水合物，多集中在深度800m以上的砂岩或粉沙岩岩床中。其中，客体分子甲烷多以热力或微生物分解气体等混合方式形成，一般会优先将分子量较大的碳氢化合物分解成分子量较小的烷烃类。大陆生成的天然气水合物主要存在于阿拉斯加和西伯利亚。1.3天然气水合物主要开采方式天然气水合物的主要开采方式可以为归纳为传统开采，主要方法有热激发开采法、减压开采法和化学试剂注入开采法；以及新型开采，主要方法有CO2置换开采法和固体开采法。（1）热激发开采法热激发开采法是直接加热天然气水合物层，使天然气水合物分解，并促进天然气逸出。这种方法可实现循环注热，产生效果快。加热方式的不断改进，使热激发开采发效率逐渐提高，但热激发能源利用率低，能耗高，且只能进行局部加热，缺点明显。（2）减压开采法减压开采法是一种通过降低压力产生足够大的压力差，来促使天然气水合物分解产生甲烷并逸出的开采方法。减压途径主要有采用低密度泥浆钻井和导出天然气水合物层下方的流体来降低天然气水合物层的压力。这种方法成本较低，适合大面积开采，但要求天然气水合物矿层下有合适的流体，或者当天然气水合物位于温压平衡边界附近时，减压开采法才具有经济可行性。（3）化学试剂注入开采法化学试剂注入开采法通过向天然气水合物层中注入某些化学试剂，破坏天然气水合物相平衡，促使天然气水合物分解逸出。化学试剂注入法虽然减少了能源消耗，但是效果产生较慢，化学试剂需求量大且价格昂贵，还会造成部分环境问题。（4）CO2置换开采法这种方法的依据的主要是天然气水合物稳定带的压力条件。在一定的温度条件下，天然气水合物保持稳定需要的压力比CO2水合物更高。因此在某一特定的压力范围内，天然气水合物会分解。如果在这一个特定的压力范围内向天然气水合物矿床内注入CO2气体，就会促进天然气水合物分解，从而使天然气逸出，并且CO2会和分解产生的水生成CO2水合物。同时，这种分解反应生成的热量会进一步促进分解反应发生。（5）固体开采法固体开采法最初将从海底采集的固态天然气水合物拖至浅水区后进行控制性分解。这种方法在逐步演化为混合开采法或称矿泥浆