天然氣水合物又稱“可燃冰”，是分布于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(yè)界長期研究熱點。自上世紀60年代起,，以美國,、日本、德國,、中國,、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(fā)研究計劃,。迄今,，人們已在近海海域與凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)水合物礦點超過230處，涌現(xiàn)出一大批天然氣水合物熱點研究區(qū),。^[6]

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可燃冰

1934年,，前蘇聯(lián)在被堵塞的天然氣輸氣管道里發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物,。由于水合物的形成，輸氣管道被堵塞,。這一發(fā)現(xiàn)引起前蘇聯(lián)人對天然氣水合物的重視,。

1960年，前蘇聯(lián)在西伯利亞發(fā)現(xiàn)了可燃冰,，1965年,，前蘇聯(lián)首次在西西伯利亞永久凍土帶發(fā)現(xiàn)天然氣水合物礦藏；并于1969年投入開發(fā)；1970年,，前蘇聯(lián)開始對該天然氣水合物礦床進行商業(yè)開采,。

1970年，國際深海鉆探計劃(DSDP)在美國東部大陸邊緣的布萊克海臺實施深海鉆探,，在海底沉積物取心過程中,，發(fā)現(xiàn)冰冷的沉積物巖心嘶嘶地冒著氣泡，并達數(shù)小時,。當時的海洋地質學家非常不解,。后來才知道，氣泡是水合物分解引起的,，他們在海底取到的沉積物巖心其實含有水合物,。

美國于1969年開始實施可燃冰調查，1998年把可燃冰作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入國家級長遠計劃,；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。但最先挖出可燃冰的是德國,。

1971年,，美國學者Stoll等人在深海鉆探巖心中首次發(fā)現(xiàn)海洋天然氣水合物，并正式提出“天然氣水合物”概念,。

1974年,，前蘇聯(lián)在黑海1950米水深處發(fā)現(xiàn)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鉆探,，從海底獲得91.24米的天然氣水合物巖心，首次驗證了海底天然氣水合物礦藏的存在,。

1981年,，DSDP計劃利用“格羅瑪·挑戰(zhàn)者號”鉆探船也從海底取上了3英尺長的水合物巖心。

1992年,，大洋鉆探計劃(ODP)第146航次在美國俄勒岡州西部大陸邊緣Cascadia海臺取得了天然氣水合物巖心,。

1995年，ODP第164航次在美國東部海域布萊克海臺實施了一系列深海鉆探,，取得了大量水合物巖心,，首次證明該礦藏具有商業(yè)開發(fā)價值。

1997年,，大洋鉆探計劃考察隊利用潛水艇在美國南卡羅來納海上的布萊克海臺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(qū)實施了深海鉆探,，取得了天然氣水合物巖心,。至此,，以美國為首的DSDP及其后繼的ODP在10個深海地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模天然氣水合物聚集：秘魯海溝陸坡、中美洲海溝陸坡(哥斯達黎加,、危地馬拉,、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斗取樣，在美國俄勒岡州岸外Cascadia海臺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,，并發(fā)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鉆探，在890～952米深處獲得37米水合物巖心,。該鉆井深1150米,，是高緯度地區(qū)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(fā)現(xiàn)了顯示天然氣水合物存在的地震異常信息（似海底地震發(fā)射波“BSR”）,。2002年國務院批準設立中國海域天然氣水合物資源調查專項。

2000年開始,，可燃冰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(qū)參與其中。其中以美國的計劃最為完善——總統(tǒng)科學技術委員會建議研究開發(fā)可燃冰,。為開發(fā)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(lián)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(fā)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巖石中取樣的輪船,，船上裝備有能用于研究沉積層學、古人種學,、巖石學,、地球化學、地球物理學等的實驗設備,。這艘專用輪船由得克薩斯州A·M大學主管,，英,、德、法,、日,、澳、美科學基金會及歐洲聯(lián)合科學基金會為其提供經(jīng)濟援助,。

自2002年起,，中國地質調查局對中國凍土區(qū)特別是青藏高原凍土區(qū)開展了地質、地球物理,、地球化學和遙感調查,，發(fā)現(xiàn)中國凍土區(qū)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(qū),，祁連山,、漠河盆地和風火山—烏麗地區(qū)為Ⅱ級遠景區(qū)。

1999年在國家發(fā)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,，完成高分辨率多道地震測量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(fā)現(xiàn)的天然氣水合物碳酸鹽巖標本儀式,。宣布中國首次發(fā)現(xiàn)世界上規(guī)模最大被作為“可燃冰”即天然氣水合物存在重要證據(jù)的“冷泉”碳酸鹽巖分布區(qū)，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采樣成功，證實了南海北部蘊藏豐富的天然氣水合物資源,，標志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鉆獲天然氣水合物實物樣品“可燃冰”，從而成為繼美國,、日本,、印度之后第4個通過國家級研發(fā)計劃采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(fā)現(xiàn)了一種名為可燃冰(又稱天然氣水合物)的環(huán)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,，中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鉆獲高純度天然氣水合物（俗稱“可燃冰”）樣品，并通過鉆探獲得可觀的控制儲量,。此次發(fā)現(xiàn)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,，相當于特大型常規(guī)天然氣礦規(guī)模,。

圖為日本從海底“可燃冰”采集的天然氣 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采掘技術的國家,。日本希望2018年開發(fā)出成熟技術，實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn),。

采掘試驗由日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)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,，到達可燃冰層后,，通過把可燃冰中的水分抽出降低其壓力，使水和甲烷分離,，然后提取出甲烷,，整個過程約用了4小時。該機構將繼續(xù)在該海域進行為期兩周左右的采掘試驗,，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,，中國計劃于2015年在中國海域實施天然氣水合物的鉆探工程,，將有力推動中國“可燃冰”勘探與開發(fā)的進程，引發(fā)中國能源開發(fā)利用的“革命”,。

2017年1月,，經(jīng)10余年技術攻關,，吉林大學科研團隊研發(fā)出陸域天然氣水合物冷鉆熱采關鍵技術,，填補了國內(nèi)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”鉆探原理不同,，新技術首次提出“主動式降溫冷凍取樣”原理，發(fā)明了鉆井泥漿強化制冷方法,、水合物孔底快速冷凍取樣方法和高溫脈沖熱激發(fā)開采技術,，主要技術指標超過國外同類技術,。^[7]

2017年5月，中國首次海域天然氣水合物（可燃冰）試采成功,。^[8]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,。^[9]

2007年實施的天然氣水合物取樣，首次成功獲取了實物樣品,，證實了南海北部蘊藏有豐富的天然氣水合物資源,。由此，使中國成為繼美國,、日本,、印度之后第四個通過國家級研發(fā)計劃采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(qū)天然氣水合物科學鉆探工程》施工完成的8個鉆井中,，有5個鉆井鉆獲天然氣水合物實物樣品。這是中國凍土區(qū)首次鉆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(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物實物樣品,。

2011年國務院批準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(fā)現(xiàn)了天然氣水合物有利目標區(qū),。2013年5月～9月，在該區(qū)域實施了3個航段共計102天的鉆探取樣工作,。

2013年,，日本在世界上首次開采出海底可燃冰。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米處海底開采出可燃冰并提取出甲烷,，成為世界上首個掌握海底可燃冰采掘技術的國家^[10]。日本于3月12日-18日,，6天之內(nèi)成功開采出12萬立方米氣體,，后因泥沙堵住鉆井通道而中止。^[11][12]

2013年8月,，《祁連山及鄰區(qū)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(zhèn)DK-9科學鉆探試驗井中,，成功鉆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，繼中國在南海發(fā)現(xiàn)大面積可燃冰分布后,，中國首次在南海北部陸坡西部海域發(fā)現(xiàn)規(guī)?？涨暗幕顒有岳淙昂ｑR冷泉”,，分布面積約618平方公里。它的發(fā)現(xiàn)是中國天然氣水合例勘查的重大突破,！

2017年,，中國在南海北部神狐海域進行的可燃冰試采獲得成功。本次試采作業(yè)區(qū)位于珠海市東南320千米的神狐海域,。3月28日第一口試采井開鉆,，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采出天然氣,。到5月18日上午10時,，連續(xù)產(chǎn)氣近8天，平均日產(chǎn)超過1.6萬立方米,，超額完成“日產(chǎn)萬方,、持續(xù)一周”的預定目標。國土資源部部長姜大明在現(xiàn)場宣布中國海域天然氣水合物首次試采成功,，中共中央,、國務院發(fā)來賀電。至5月26日,，試采井連續(xù)產(chǎn)氣16天,，平均日產(chǎn)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。已連續(xù)產(chǎn)氣超過22天,，平均日產(chǎn)8350立方米,，氣壓氣流穩(wěn)定，井底狀態(tài)良好,。試采安全評估和環(huán)境監(jiān)測結果顯示,，鉆井作業(yè)安全，海底地層穩(wěn)定,，大氣和海水甲烷含量無異常變化,。取得了持續(xù)產(chǎn)氣時間長、氣流穩(wěn)定,、環(huán)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(chǎn)氣量達到21萬立方米,，平均日產(chǎn)6800立方米,。產(chǎn)氣過程平穩(wěn)，井底狀況良好,，獲得各項測試數(shù)據(jù)264萬組,，為下一步工作奠定了堅實基礎。^[13]

2017年11月3日,，國務院正式批準將天然氣水合物列為新礦種,，成為中國第173個礦種。

我國首次可燃冰試開采

可燃冰 天然氣水合物燃燒后幾乎不產(chǎn)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,。開采時只需將固體的“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(tài)圈,，通常出現(xiàn)在深層的沉淀物結構中,，或是在海床處露出。甲烷氣水包合物據(jù)推測是因地理斷層深處的氣體遷移,，以及沉淀,、結晶等作用，于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(wěn)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,，然而這個比例取決于多少的甲烷分子“嵌入”水晶格各種不同的包覆結構中,。據(jù)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于水深大于 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(tài),，其分布可以從海底到海底之下 1000 米 的范圍以內(nèi)，再往深處則由于地溫升高其固體狀態(tài)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并稍低于冰的密度，剪切系數(shù),、電解常數(shù)和熱傳導率均低于冰,。天然氣水合物的聲波傳播速度明顯高于含氣沉積物和飽和水沉積物，中子孔隙度低于飽和水沉積物，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,，并且氣壓越大,，水合物就越不容易分解。

最后,，充足的氣源,。海底的有機物沉淀，其中豐富的碳經(jīng)過生物轉化,，可產(chǎn)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,。