⑴ 如何去除油氣田鑽井廢水中的表面活性劑
鑽井廢水中的主要污染物
1. 鑽井的泥漿體系
要了解鑽井廢水的水質組成，必須清楚鑽井過程中使用的泥漿體系。鑽井的泥漿體系是為了適應各種情況下鑽井工藝的要求，向泥漿中加入不同的泥漿處理添加劑形成的。泥漿處理劑有無機泥漿處理劑、有機泥漿處理劑和表面活性劑。整個泥漿體系主要分兩大類：即水基泥漿和油基泥漿。
泥漿中對環境造成污染的主要污染物有重金屬、各種有機泥漿處理劑和表面活性劑。
2. 鑽井廢水的水質組成
鑽井廢水是在鑽井過程中，由於起、下鑽作業時泥漿的返排流失泥漿循環系統的滲漏沖洗設備油污和清洗平台等環節產生的污水。它由固體、液體和膠體懸浮物組成，屬多級分散體系。污染物主要有：
（1）CODcr，來自各種有機泥漿處理劑和表面活性劑如丹寧、起泡劑和消泡劑等。
（2）油，來自油基泥漿、柴油機冷卻水、鑽井平台沖洗水等。
（3）重金屬，主要是由加入無機處理添加劑鉻酸鹽引入的Cr6+，另外鐵鉻鹽木質素磺酸鹽也引入鉻離子。其它的重金屬污染物還有物還有P子+、Cd2+等離。
鑽井廢水的處理現狀
1. 處理方法
國內各大油田對鑽井廢水的處理大多採用化學混凝處理後排放。由於混凝法僅能去除水中膠體狀或懸浮狀的顆粒污染物，而對已形成溶液的一些泥漿處理劑如鐵鉻鹽、磺酸鹽類的效果不大。這也是採用化學混凝法處理鑽井廢水存在的主要問題。
2.處理葯劑
鑽井廢水的處理葯劑主要有無機鹽類混凝劑、有機高分子絮凝劑，無機與有機復配混凝劑等。
（1）無機鹽類混凝劑
Al2(SO4)3、PAC、PFS是目前各油田普遍用來處理鑽井廢水的無機絮凝劑，無機絮凝劑以污水經其處理後礬花沉降性能好、含水低、效果好、葯劑價格便宜，處理成本低而深受井隊歡迎。但Al2(SO4)3、PAC等鋁鹽類混凝劑易受Cl-等的干擾而使處理效果降低等鐵鹽類絮凝劑引起的腐蝕現象是目前用無機絮凝劑存在的主要問題。
（2） 有機高分子絮凝劑
有機高分子絮凝劑以其獨有的伸展結構和無規則線團結構等官能團性質和帶電性而決定其用量少、絮凝能力高、效果好、絮凝體粗大、沉降速度快、處理時間短、污泥脫水性好較易處理、成本低等特點，在鑽井廢水處理中起吸附架橋和電荷中和作用，主要用來作助凝劑。常用的助凝劑有PAM。但有機高分子絮凝劑的用量應嚴格控制，否則會因用量過大而使礬花的沉降效果差，甚至不起作用，反而使廢水的CODcr升高，成為新的污染物。
（3）復配葯劑
為充分發揮無機和有機絮凝劑各自在水處理中的優點、克服它們在水處理中的缺點，目前較通行的水處理劑是將無機和有機絮凝劑復配使用，以期得到更好的處理效果。復配葯劑對鑽井廢水處理效果取決於對有機與無機絮凝劑的選擇、復配比、加工絮瞬劑的工藝過程等。經復配葯劑處理後鑽井廢水的、石油類等各項污染物指標均明顯優於單獨使用無機或有機絮凝劑的處理效果。
3、處理裝置
目前鑽井廢水處理裝置主要採用化學混凝工藝，向撬裝方向發展。
國內各大油田相繼作了一些探索工作，據資料介紹四川局的DZW系列鑽井廢水處理裝置對鑽井廢水處理效果較好，但沒有解決污泥脫水的問題。江漢、大港、玉門等油田在這方面也作了不少工作，且取得一定的效果。
在國外，撬裝式鑽井廢水處理裝置有美國的ROMEC環境研究和發展公司研製的撬裝式鑽井廢水和廢棄泥漿處理裝置；Newpark廢物處理公司的油田廢物凈化裝置；前蘇聯研製的YOB鑽井廢水和YOBC-1M型鑽井廢水凈化裝置法國國際石油公司最近推出的閉路式污水裝置等。
幾點意見
1.開發新的泥漿體系
從控制污染源著手，開拓油田化學添加劑的新思路，以符合鑽井工藝的需要，又要以防止環境污染為原則，開發新的油田化學試劑取代現有污染治理工作中難降解的泥漿處理添加劑如現用的稀釋劑磺酸鹽類、消泡劑等，使油田化學添加劑的研製與環境污染的治理為一體。
2.增大井場廢水的回用率
盡量減少各井場的廢水排放量，清污分流，增大井場對鑽井廢水的回用率。對鑽井廢水回用應採用分段控制，隨著井深的增加,廢水回用率由高至低適時合理調整。
3.開發鑽井廢水的處理葯劑
鑽井廢水的處理，當前離不開化學混凝這個環節，成功地開發鑽井廢水的處理葯劑，是解決治理鑽井廢水的關鍵。目前，主要的研究方向是研製高聚合度的無機處理劑和多功能的復配葯劑，以期能盡量針對鑽井廢水的特點，達到最佳的處理效果。四川局的各大礦區在這方面做了一些有益的嘗試工作,如川南礦區的Co-H鑽井廢水處理劑等。
4.探索可行的處理工藝
化學混凝法是鑽井廢水處理的「傳統」工藝。鑽井廢水在處理工藝上一直沒有新的突破。探索可行的處理工藝流程是鑽井廢水處理的又一研究方向。生物凈化鑽井廢水以其成本低，易管理等優點成為一種有前途的處理方法。四川局川東鑽探公司在鑽井廢水中養殖水生植物鳳眼蓮來凈化鑽井廢水，對廢水中、油類、酚等污染物有良好的降解作用。
建議
按一污水綜合排放標准，鑽井廢水中主要污染物的排放指標為CODcr<200 mg/L。在實際污染治理工作中，隨著鑽井進尺的增加，使用的泥漿體系相應地就越趨復雜，這是因為在鑽進過程中，由於井底的高溫高壓，工藝上要求泥漿體系很穩定，進而要求泥漿處理添加劑有很好的穩定性如磺酸鹽類，這些返排出來的泥漿處理劑進入鑽井廢水後，不易降解，增加了鑽井廢水的處理難度，所以外排入接納水體中泥漿處理劑的自凈周期很長，不會對整個接納水體帶來大的沖擊負荷即造成污染事故。因此，建議在國標修改時提出合適的鑽井廢水CODcr排放指標。
結束語
鑽井廢水作為石油勘探企業的主要污染源，其治理工作和治理技術的開發對保護生態環境，保證石油勘探工作的順利進行和改善與地方的睦鄰關系都有很重要的意義。
⑵ 油氣開發階段的水文地質研究
該階段的水文地質工作主要集中在水-岩-油相互作用的平衡研究，任務比較繁重，主要有以下幾個方面。
1.注水水源與水化學成分特徵的研究
油田開發過程中，為了保持地層壓力，常採用早期注水的方法，以提高油氣採收率，達到長期穩產、高產的開發效果。因此，注水前必須要查清區域水文地質條件，准備好足夠的水源或水源基地。注水前，首先要研究油層的水文地質特點，包括水的流動(或驅動)類型和水化學成分，為選擇適與注水的優良水質或同油田水化學成分相匹配的水源提供依據，以防止注入水與之混合後發生化學沉澱，堵塞油層。例如：我國較多油田水為CaCl2型水，雖然離子組合是Cl--Na+，但隨礦化度增高，鈣離子的濃度相對增大，此時，不能採用含有大量碳酸鹽的水進行注水，否則就會形成碳酸鈣沉澱，降低注水效果，影響採油率；再如NaHCO3型水，在礦化度增高時，就具備了結垢物形成的離子條件，導致結垢趨勢及其分布的不均一性。在地下由於溫度升高，使得碳酸鈣等化合物的溶解度下降，進一步促進結垢的形成。生成碳酸鈣和硫酸鈣是吸熱沉澱反應，溫度升高，促使平衡向生成沉澱的方向移動，在溫度達到86℃時，恰好是碳酸鈣的結垢點。因此，這類沉澱的生成是地溫越高，沉澱反應越易發生。
除CaCO3和CaSO4外，還要注意Fe2+，Sr2+，Ba2+等離子同
目前，我國許多油田進入含水的中後期，同原油一起采出大量的油田水(亦稱油田污水)，有的油田綜合含水率達90%以上，因此，大量採用油田污水進行回注，不僅提供了注水的新水源，提高了驅油效率，而且有利於改善和保護環境，防止因長期大量採用地下水而形成下降漏斗，導致地面沉陷。不管採用何種水進行注水，都要按不同油氣藏或不同類型地層等研究注入水的水質(包括機械、雜質含量、腐蝕性、溶解氧的含量及含油量等)，以確保油田的正常開發，從而提高油氣的最終採收率。
此外，在油氣藏開發過程中，監測和辨別侵入水的來源、水淹及防止腐蝕等，也是水文地質工作者必須研究的課題。
2.水-岩相互作用的研究
該作用發生在水介質中，因而可以從地下水化學特徵重塑礦物的溶解-沉澱和離子交換、吸附過程。
地下水循環和儲存於岩石空隙中，在地質歷史發展過程中，二者之間發生一系列的化學、物理化學等作用。地下水不僅從岩石中獲得了豐富的物質組成，而且也改變著岩石結構和成分，溶濾與溶解，沉澱與膠結等地球化學作用是同步進行的。地下水與岩石之間進行著極其活躍的物質交替。「水流經的岩石怎樣，水也就是怎樣」這句古老的希臘名言，雖然形象而真實的說明水化學成分依賴於周圍岩石，但應該看到地下水也在不斷地改變著岩石的性質。水-岩相互作用的結果，使二者成分趨向動平衡，呈現相互依存的關系。從這個角度講，地下水化學成分反映了地區的地質發展歷史。
地下水在溶解和溶濾岩石，使化學成分不斷地向水中轉移的同時，也破壞著岩石的礦物晶格，如水對粘土礦物(高嶺石、綠泥石、伊利石及其混合層礦物等)的作用，導致岩石的孔隙度和滲透率下降，同時也使水中鈉離子含量增高，出現了
油田水礦化度一般都比較高，流速極緩，水岩相互作用的時間長，尤其在封閉的還原環境下，水中某些離子含量增加很快，當超過本身的濃度積時，就會發生沉澱和結晶，如自生高嶺石和石英的再沉澱等。油田水中含有較高的有機組分，對圍岩結構和成分產生頗大影響，如有機酸的存在，可加速儲層中長石和岩屑顆粒的溶解，形成和發育大量的次生孔隙。如塔里木盆地東部石炭系油田水中有機酸含量高達(361～926)×10-6，侏羅系油田水中有機酸含量最高達1914.35×10-6。導致碳酸鹽溶解度升高，碳酸鹽岩、硅鋁酸鹽岩及長石等礦物發生化學溶解，是本區次生孔隙成因的主要機理。
鄂爾多斯盆地中生界上三疊統和中下侏羅統儲層據顯微薄片鑒定具有較多的碳酸鹽化的膠結物，使孔隙度和滲透率降低，岩性緻密性程度高，顯然與地下水的溶解、沉澱活動有關，同油田水礦化度高(20～89g/L)，Na+含量占離子總和的40%～49%；Cl-含量占離子總和的41%～48%，以Cl--Na+型離子組合為主，油田水運動處於停滯狀態，化學成分具有分塊分片分布的特徵是一致的。值得提及的是，本區地下水中
冀中坳陷古潛山地下水與岩石相互作用的過程，溯源至從薊縣紀鐵嶺期沉積後開始的，由於鐵嶺運動造成的沉積間斷，使中元古界長城系高於庄組、薊縣系霧迷山組和鐵嶺組遭受大氣降水的沖刷和淋濾作用，岩溶化的結果，導致儲集層由孔隙型轉變為擴大了的孔洞、縫聯通的岩溶系統。地下水化學成分也相應的發生了變化。以後在漫長地質歷史發展過程中，又經歷埋藏封閉，再次淋濾等多期水文地質作用，在水-岩反復作用下，發展為近代岩溶-裂隙型溶濾水，其發展過程如表1-9所示。
表1-9 古潛山地下水形成及其與岩石關系
水岩成分轉換的地球化學形跡與證據，不僅在岩心中異常清楚，即碳酸鹽岩中可見溶蝕型孔洞(包括粒間、晶間及縫間的等)(圖1-23)。而且岩石薄片鑒定是也證明次生粒內、粒間溶孔很發育，溶孔和微構造縫相通，縫中多充填了黃鐵礦。
圖1-23 冀中坳陷碳酸鹽岩粒間晶間縫間溶蝕孔洞發育圖
A—霧迷山組白雲岩岩心中沿縫呈串珠狀溶蝕孔洞含油(黑色)；B—霧迷山組角礫狀和藻(團)白雲岩岩心中呈串珠狀孔洞
總之，本區岩溶水在其形成發展的運動過程中，不斷地改造著所賦存的介質環境，不僅擴大了儲集空間，而且碳酸鹽岩不斷地經歷了淡化作用，直至進入碳酸鹽晚期溶濾階段。表現在早期形成的岩石，其水的提取液化學成分由重碳酸鈣鹽占絕對優勢的地位，被後期的硫酸鈉鹽所取代。
在後述的水化學成分形成作用中，還將涉及水-岩相互作用的問題，在此不再贅述。
3.油氣水相互作用的研究
油氣水是地質流體的重要組成部分，是當今地質領域中綜合性很強的熱門課題。該項研究的重點主要集中在以下幾個方面：一是石油、天然氣、地下水混融過程中化學成分的變化規律；二是油水界面，特別是滲入成因水與油氣的接觸帶——油氣性質變化的重要界面；另一個研究內容是油氣藏形成的驅動類型。
水是一種良好的溶劑，具有溶解許多物質(包括固體的有機物和無機物、液體和氣體等)的性能。在沉積盆地內，地下水參與了烴類的形成及其所經歷的物理、化學反應之全過程。可以這樣說，水是與油氣接觸最為密切的流體，在漫長的地質歷史中，二者必然會產生元素的遷移與交換作用，使地下水與油氣之間在化學組成等方面具有親緣關系。研究沉積盆地的地下水與油氣之間發生的相互作用，具有重要的理論意義和實際應用價值。
石油與水相互作用的結果，使地下水從油氣中獲得某些標型組分——以烷烴和芳烴為主的有機物質，演變成具有迥然不同性質的油田水，並且隨著油氣運移方向，同原油性質產生同步或相應的變化。如冀中坳陷廊固凹陷沙三段和沙四段的油氣在水動力等作用下，自凹陷中心向牛北斜坡運移，沿此方向，原油性質、天然氣組成同水化學成分的變化趨勢是一致的(表1-10)。
表1-10 廊固凹陷油氣性質與水化學成分變化表
石油與水相互作用的另一結果是石油遭受氧化，形成重質油〔系指密度大於0.934、黏度為(100～1000)×10-3Pa·s的原油〕。前已述及，含油氣盆地是自流水盆地的一部分，石油與水長期接觸，某些組分，尤其是輕組分轉入水中或被水解氧化，形成高分子烴和雜原子化合物含量較多，並具有膠質高、蠟質低及凝固點低的原油。從水文地質觀點出發認為，任何含油氣盆地都賦存有重質油，而且空間分布很有規律。盡管重質油的形成因素多種多樣(原始有機質類型、熱成熟度、構造運動使揮發組分散失、水洗、氧化及生物降解等)，但它們都是在水的參與下進行的，由於地下水的蝕變作用使原油密度增大、黏度稠、膠質和瀝青質含量增高，甚至可形成瀝青和難易開採的焦油。重質油主要集中分布在古水文地質和現代水文地質作用比較活躍的凹陷邊緣斜坡、凸起和斷階帶附近(圖1-24)。
油水動態與界面變化是油氣合理科學地開發和穩產的重要參數。同時油水過渡帶的高低，直接控制圈閉的含油氣程度，如松遼盆地葡萄花油層的油水過渡帶的高度在3.6～62.5m之間，而油田范圍內均小於20m，亦就是說，在油水過渡帶較低的地區，擴大油氣產量的幾率是很高的。這是根據沉積成因水與油氣的關系做出的判斷。從水文地質角度出發，還應當在自流水盆地或次一級的自流水盆地內確定油水分界面(帶)，它是滲入成因水與油氣的接觸面、氧化環境與還原環境的分界帶、承壓水與非承壓水的分界點，這也是確定含油氣盆地邊界的主要依據。確定油水分界面的依據是：古代和現代滲入水的水動力轉折帶、水化學成分變質的起始點、原油氧化的地球化學跡象及儲集層砂岩的孔隙結構特徵等。在一般情況下，油水分界面可以視為油氣富集程度的分界線，從界面向盆地內部是發現大油氣田，進行油氣開發的重點靶區，而界面以外，基本上是無油氣遠景的地區。
圖1-24 東營凹陷重質油藏分布圖
油水界面研究的另一個重要意義是發現水動力圈閉。當油水界面的傾斜度加大時，不具備圈閉條件的砂岩，有可能使油氣被圈閉。水動力圈閉的位置和形態，取決於地層傾斜度(傾角)、流體密度、水流速度和方向。當地層下傾方向的傾角大於油水界面的傾角，或地層上傾方向的傾角小於油水界面的傾角時，是地下水流動方向上形成水動力圈閉油氣藏的必要條件。
油氣藏形成的水動力條件與驅動類型，石油地質學者已做了大量的研究，取得豐富的成果。作為水文地質工作者在研究上述問題時，還要考慮以下幾點：
自流水盆地內，地下水有著統一的補給、徑流、排泄的運動規律，亦就是說存在著區域性水動力聯系，就是在孔隙度和滲透率較差的地層中也同樣如此。當然區域性水動力聯系與油氣區域運移不能混為一談。具有區域性水動力聯系，並不意味著油氣也必定作區域性運移，要對具體地質條件作具體分析。但有一點是肯定的，即含油氣盆地的在區域上保持著連續的、統一的水頭壓力。查清地下水的流動方向與強度，對分析研究盆地內油氣運移的總趨勢、判斷油氣聚集的有利地區具有一定指導意義。
油氣一般在地下水流動速度變慢或流速較緩，即水動力條件較弱的地區聚集成藏。此時的水化學成分也發生變質作用，在水動力資料不多的情況下，利用水化學成分可以推斷水動力特徵。水具有較小的黏滯性和較大的流動性，使水能在多孔介質中「暢通無阻」地運動。地下水的浮力和滲流為油氣運移提供了必要的動力。
前述三個階段，概述了油氣水文地質研究的主要內容與領域，還有像水資源及其環境保護，油田水的開發與綜合利用等，不一一敘述了。隨著油氣勘探開發的不斷發展、新能源的開拓等，水文地質研究必然會向更高、更新的水平發展。
⑶ 生活污水的成分有哪些
人類生活污水主要是糞便和洗滌污水.生活污水中含有大量有機物,如纖維素、澱粉、糖類和脂肪蛋白質等；也常含有病原菌、病毒和寄生蟲卵；無機鹽類的氯化物、硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸氫鹽和鈉、鉀、鈣、鎂等.特點是含氮，含硫和含磷高,在厭氧細菌作用下,易生惡臭物質。
⑷ 石油壓裂廢水處理的方法及其特徵
壓裂作業是低滲透油田普遍採用的增產措施，在壓裂過程中會產生一定量的油井壓裂廢水。油井壓裂廢水成分復雜，具有高COD、高濁度，高總溶解性固體含量（TDS）的特點。該類廢水對環境和人類健康的影響已經越來越引起人們的普遍關注，因此如何有效的處理此類廢水已經成為油氣田企業亟待解決的重要問題。目前常用的絮凝劑如聚合氯化鋁鐵（PAFC）、聚合氯化鋁（PAC）等對油井壓裂廢水的處理效果欠佳。聚硅酸金屬鹽類絮凝劑是20世紀90年代中後期在聚硅酸和傳統鋁鹽、鐵鹽絮凝劑的基礎上發展起來的一種新型無機高分子絮凝劑。該絮凝劑綜合了聚硅酸粘結聚集、吸附架橋效能強，鋁鐵鹽電中和能力強，以及鋁鹽絮凝劑絮體大且脫色性能好和鐵鹽絮凝劑絮體密實且沉降速率快等優點，在除濁、脫色、去除有機物和高價金屬離子等方面較同類其他品種有更好的效果，是目前國內外水處理劑領域研究開發的熱點。
本工作研究了聚合硅酸鋁鐵絮凝劑對油井壓裂廢水的處理效果，對於現場應用有一定的指導意義。
1 實驗部分
1.1 材料、試劑和儀器
實驗水樣取自於我國西部某油田油井壓裂廢水，其水質特徵為濁度186.2 NTU，COD 5 236.8mg/L，TDS為7 350.6 mg/L，pH 7.9。
Na2SiO3·5H2O、硫酸（質量分數98%）、Al2（SO4）3、Fe2（SO4）3、Na2CO3：均為化學純。PAC：工業品。
DC-506型六聯攪拌機：東莞市興萬電子廠；752型紫外-可見分光光度計：上海光譜儀器有限公司；Model ESJ205-4型電子天平：沈陽龍騰電子稱量儀器廠；pHS-3C型精密pH計：上海雷磁儀器廠；AF-Z1型電熱培養乾燥箱：江蘇省東台市電器廠；XZ-1A-Z型智能濁度儀：上海海恆機電儀表有限公司。
1.2 實驗方法
1.2.1聚合硅酸鋁鐵絮凝劑的制備
（1）取一定量的Na2SiO3·5H2O加入去離子水溶解，用硫酸調節pH，在不同活化溫度下攪拌一定時間使其活化，得到聚硅酸溶液。
（2）在聚硅酸溶液中分別加入一定濃度的Al2（SO4）3溶液和Fe2（SO4）3溶液，攪拌均勻，形成聚合硅酸鋁鐵溶液（n（Al）∶n（Fe）∶n（Si）=5∶2∶1），然後加入一定量的Na2CO3調節其鹼化度為2.0。
1.2.2油井壓裂廢水絮凝處理實驗
取250 mL的油井壓裂廢水，以Na2CO3調節pH後，加入聚合硅酸鋁鐵溶液，在200 r/min的轉速下快速攪拌2 min，接著在50 r/min的轉速下慢速攪拌5 min，靜置沉降30 min，取清液測定其水質指標。
1.3 分析方法
採用快速消解法測定COD109-110；採用重量法測定TDS 210-213。
2 結果與討論
2.1 聚合硅酸鋁鐵絮凝劑制備工藝參數的優化
2.1.1聚硅酸活化pH對廢水濁度去除率的影響
當活化溫度為25 ℃、活化時間為1.5 h時，聚硅酸活化pH對廢水濁度去除率的影響見圖1。由圖1可見：隨著聚硅酸活化pH的增加，濁度去除率減小；低pH條件下制備的活性硅酸具有較好的絮凝效果，當聚硅酸活化pH為1~2時，濁度去除率達到85％左右。因此聚硅酸活化pH應為1~2。
2.1.2活化溫度對廢水濁度去除率的影響
⑸ 天然氣水合物簡介
王力鋒
（中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所，無錫214151）
摘要 天然氣水合物的發展歷史不過200 多年時間，而真正得到科學界和工業界重視的時間則更加短暫，僅有60多年而已。但在能源問題突出嚴重的當今社會，天然氣水合物作為下一代清潔的非常規能源卻正以飛快的速度贏得各個領域的不同程度的重視。本文以簡述的形式，回顧天然氣水合物的發展歷程，著重於天然氣水合物的現狀、未來的發展方向以及各國策略分析。
關鍵詞 天然氣水合物，非常規能源，能源政策
A Brief Introction to Natural Gas Hydrates
WANG Li-feng
（Wuxi Research lnstitute of Petroleum Geology，SlNOPEC，Wuxi214151）
Abstract The history of research on natural gas hydrate is not more than two hundred years and the time for it to get scientific and instrial solid concerns essentially is only of sixty years.But under the coming global energy crisis，the studies of natural gas hydrate which is regarded as potential new unconventional resources have been growing dramatically in all fields.As a brief introction，we show reviews on its history，current situation，future perspective and energy policies all over the world.
Key words natural gas hydrate unconventional resources energy policies
1 簡介
天然氣水合物（natural gas hydrates，簡稱為NGH）屬於籠形化合物（clathrate）的一種，因此又被稱為籠形水合物（clathrate hydrates）［1］。從化學意義角度也可解釋為一種分子構架包裹另一種分子的形式。天然氣水合物是由一種或幾種小分子氣體在一定的溫度和壓力下與水作用生成的一種非固定化學計量的籠形晶體化合物［2］。在自然界中，天然氣水合物呈現為似冰狀的固體［3］，水分子通過氫鍵構成骨架，由於客氣體被裹在骨架內部，因此客氣體最基本的要求就是其分子體積要足夠的小，以便容納於骨架內部。盡管這樣的小分子氣體很多，例如早在1810年，英國化學家Humphry Davy在實驗室中首先發現以氯氣作為客氣體的水合物［4］，但現在從全世界的發展前景觀察，主要研究以CO2/H2O 和CH4/H2O為主的水合物主客結構，前者涉及大氣環境、綠色效應和工業界尾氣的封存［5，6］，後者涉及新能源探測和開發利用［7］。
天然氣水合物有機碳儲量大，約佔全球有機碳的53.3%，是其他包括煤、石油和天然氣三者總量的一倍以上。其中分布在陸地上的天然氣水合物最大地質儲量約為5.3×1011t，主要分布在高原凍土帶和高緯度的常年凍土區；分布在海洋中的最大地質儲量約為1.61×1014t，主要分布在被動大陸邊緣和活動大陸邊緣［8］。天然氣水合物能量密度大，客氣體中甲烷多，可佔到90%以上。在標准狀態下，1標准體積的飽和甲烷氣水合物完全釋放後，其甲烷體積可達到164倍標准體積，因而單位體積的天然氣水合物燃燒所放出的熱量遠遠大於煤、石油和天然氣，為煤的10倍，是傳統天然氣的2～5倍［1］。
天然氣水合物的賦存條件主要受溫度、壓力和氣源等控制，當然也包括其他因素的限定。目前研究表明，天然氣水合物是在低溫（0～10℃）、高壓（＞10 MPa）下形成的，在陸地和海洋中穩定帶分布條件並不十分苛刻［9］。資料統計表明，凍土地區天然氣水合物可在100m左右深度的淺層存在，最大可達1800～2000m，最常見的是700～1000m；在海洋中存在水深為300～5500m，在距離海底1000m深處都可能穩定存在［2］。
2 研究進展
英國科學家Davy在1810年首次發現了天然氣水合物，當時他所發現的是氯氣作為客氣體的水合物［4］。第二年，Davy經過仔細地研究這種物質後，發表了正式的學術論文，稍後他又在英國皇家學會展示了他的發現，這是天然氣水合物走進人類歷史的第一個印跡。
但在此之後的100年裡天然氣水合物研究發展速度不快，進展相對緩慢，人們僅通過實驗室來認識水合物。1832年，Faraday在實驗室合成了氯氣水合物Cl2·10H2O，並對水合物的性質做了較系統的描述。其後人們陸續在實驗室合成了Br2，SO2，CO2以及H2S等的氣水合物。1884年，Roozeboom提出了天然氣水合物形成的相理論［10］。此後不久，Villard在實驗室合成了CH4，C2H6，C2H4以及C2H2等的氣水合物［11］。1919 年，Scheffer和Meijer建立了一種新的動力學理論方法來直接分析天然氣水合物，他們應用Clausius-Clapeyron方程建立三相平衡曲線，來推測水合物的組成。由此可見這段時期的研究主要集中在純科學的研究范圍內。
天然氣水合物從發現到20世紀30年代並沒有引起工業界重視，直到人們發現它是遠東地區冬天裡堵塞煤氣管道的物質［12］，這時對它的物理化學性質才開始比較深入的研究，出於工業生產目的，其間對水合物的抑制劑研究較為繁盛［13］。60年代，原蘇聯科學家預言了自然界中存在天然氣水合物［14］，後來在遠東的梅索亞哈氣田勘測證實有天然氣水合物存在，極大地促進了人們對未來能源的期盼。據科學家保守估計，現在全世界以天然氣水合物形式包裹的碳總量是其他常規能源碳總量的兩倍之巨［2］。另一方面，由於溫室效應氣體二氧化碳大量地排放到空氣中，使近些年來全球氣候異常，厄爾尼諾現象和全球平均溫度的上升已經開始導致生物生存的環境發生不可逆的惡化，因此有效地減少二氧化碳這種溫室氣體排放到空氣中、減少溫室效應，在科學界和工業界也逐漸形成廣泛共識［15］。目前，日本、美國等幾個國家前瞻性地研究天然氣水合物將其作為對二氧化碳的有效封閉物質，把二氧化碳禁錮在主氣體的框架內沉到深海排泄地，從而達到封存溫室氣體的效果［16］。
科學界認識到天然氣水合物的研究已經成為一門綜合各種學科的系統工程，除了涉及常規的物理和化學知識外，微生物學、計算機模擬、工程學和經濟生態學等學科也滲透其中。物理、化學理論進展已經有幾十年的積淀，成果斐然，而後來新興的邊緣科學從更廣的角度給科學界帶了對天然氣水合物重新認識的機遇［1］。微生物（尤其是厭氧環境中的微生物）與水合物關系最為密切，其棲息環境與水合物的賦存環境相互依存。有跡象表明，在海底表面暴露的水合物與此相關［17］。計算機模擬的應用除了宏觀地預測天然氣水合物的賦存空間之外，還可在微觀上模擬水合物分子的形成過程，便於理解和尋找水合物的有利靶區。工程學帶動了水合物研究的實驗室技術，現在已經開發了很多高度精密且靈活方便的儀器用來記錄和刻畫天然氣水合物形成的實驗過程，正是這些先進的實驗裝置極大地促進了水合物的研究進展。經濟生態學既是自然科學，同時也是人文科學，由於天然氣水合物是巨大的能源倉儲，如果未來某一天可具有經濟意義的開采，必將會改變現今世界的能量消耗模式，世界經濟格局也必然隨之改變，由能源再分配所引發的未來世界變化也應引起足夠重視，這不僅關繫到個人和國家的發展，同時也是企業未來發展的良好預判［18］。
3 各國動態
目前，美國、日本、印度等能源進口大國紛紛涉足天然氣水合物的研究，上述3個國家最為積極，對天然氣水合物的研究都受到了國家財政部的全力支持。
日本政府從1992年起開始關注天然氣水合物，1995年由通商產業省資源能源廳石油公團聯合10家石油天然氣私營企業，設立了「甲烷天然氣水合物研究及開發推進初步計劃」，為期5年，投入的研究經費高達9000萬美元。經由對日本周邊海域，特別是對鄂霍次克海的調查，初估天然氣水合物資源量可供日本100年的能源消耗。
1995年冬，以美國為首的ODP164航次海洋探測計劃，在大西洋西部布萊克海台針對天然氣水合物進行了專門的調查，首次肯定其具有商業開發價值。同時指出，天然氣水合物礦層之下的游離氣（氣態天然氣）也具有經濟價值。據初步估計，該地區天然氣水合物資源量多達100×108t，可滿足美國105年的天然氣消耗。美國參議院於1998年通過決議，把天然氣水合物作為國家發展的戰略能源，並列入國家級長程計劃，要求政府每年投入2000萬美元進行探勘，並計劃於2015年進行商業性試采。
印度政府為了解決天然氣供應問題也開展了大量的水合物研究，已獲取了印度大陸邊緣的地震數據。此外，在印度東海岸Krishna-Godavari盆地的常規油氣田開采中也發現了水合物。
近年來，我國傳統化石燃料已不能滿足我國經濟發展、環境保護的需要，僅2002年我國進口原油和成品油就近1×108t，預計2010 年石油缺口為1.2×108t。隨著我國經濟的快速發展，我國今後對能源的需求將急劇增加，我國能源安全和後續能源供應直接關繫到我國社會和經濟的可持續發展，因此開展天然氣水合物研究具有重大戰略意義。針對我國近年來能源供需矛盾日益突出、對國外石油和天然氣資源的依賴程度不斷加大的狀況，面對國家開發新型潔凈能源的現實需求，為提升我國天然氣水合物的研究開發水平，促進我國經濟和社會的可持續發展，中國科學院積極部署天然氣水合物研究工作，組織了跨所、跨學科的優勢研究力量，依託廣州能源所，組織地質與地球物理所、廣州能源所、廣州地化所和南海海洋所等單位於2004年3月正式在廣州成立了「中國科學院天然氣水合物研究中心」。與此同時，一些國內大型企業也逐步開始認識到天然氣水合物的未來能源意義，如中石化和中石油等已經著手啟動了勘探研究等項目。發展、開發一套關鍵的高新技術，為開展海洋天然氣水合物綜合勘測研究提供高技術支撐，是形勢的需要，是國家發展戰略的需要。同時，高新研究勘測關鍵技術的開發，也可帶動相關學科的發展，趕上國際發展步伐，維護國家權益，保持經濟發展增長不衰。
中國天然氣水合物研究雖起步較晚，但近幾年效果顯著，先後在我國南海和東海盆地發現了數量可觀的天然氣水合物礦帶，通過分析地球物理探礦資料和追蹤天然氣水合物存在標志，證實僅在南海北部西沙海槽區估算的天然氣水合物總量達到（469～563）×109桶的石油當量，大約相當於我國陸上和近海石油天然氣總資源量的二分之一。在青藏高原的羌塘盆地，天然氣水合物研究也處於調研階段，研究項目穩步推進。令人更為欣喜的是最近在我國南海東沙海槽提取到天然氣水合物實物，這無疑會大大加速我國天然氣水合物的研發力度和規模。
致謝 研究工作得到所領導趙克斌教授和其他同事的幫助，表示衷心的感謝。
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