⑴ 如何去除油气田钻井废水中的表面活性剂
钻井废水中的主要污染物
1. 钻井的泥浆体系
要了解钻井废水的水质组成，必须清楚钻井过程中使用的泥浆体系。钻井的泥浆体系是为了适应各种情况下钻井工艺的要求，向泥浆中加入不同的泥浆处理添加剂形成的。泥浆处理剂有无机泥浆处理剂、有机泥浆处理剂和表面活性剂。整个泥浆体系主要分两大类：即水基泥浆和油基泥浆。
泥浆中对环境造成污染的主要污染物有重金属、各种有机泥浆处理剂和表面活性剂。
2. 钻井废水的水质组成
钻井废水是在钻井过程中，由于起、下钻作业时泥浆的返排流失泥浆循环系统的渗漏冲洗设备油污和清洗平台等环节产生的污水。它由固体、液体和胶体悬浮物组成，属多级分散体系。污染物主要有：
（1）CODcr，来自各种有机泥浆处理剂和表面活性剂如丹宁、起泡剂和消泡剂等。
（2）油，来自油基泥浆、柴油机冷却水、钻井平台冲洗水等。
（3）重金属，主要是由加入无机处理添加剂铬酸盐引入的Cr6+，另外铁铬盐木质素磺酸盐也引入铬离子。其它的重金属污染物还有物还有P子+、Cd2+等离。
钻井废水的处理现状
1. 处理方法
国内各大油田对钻井废水的处理大多采用化学混凝处理后排放。由于混凝法仅能去除水中胶体状或悬浮状的颗粒污染物，而对已形成溶液的一些泥浆处理剂如铁铬盐、磺酸盐类的效果不大。这也是采用化学混凝法处理钻井废水存在的主要问题。
2.处理药剂
钻井废水的处理药剂主要有无机盐类混凝剂、有机高分子絮凝剂，无机与有机复配混凝剂等。
（1）无机盐类混凝剂
Al2(SO4)3、PAC、PFS是目前各油田普遍用来处理钻井废水的无机絮凝剂，无机絮凝剂以污水经其处理后矾花沉降性能好、含水低、效果好、药剂价格便宜，处理成本低而深受井队欢迎。但Al2(SO4)3、PAC等铝盐类混凝剂易受Cl-等的干扰而使处理效果降低等铁盐类絮凝剂引起的腐蚀现象是目前用无机絮凝剂存在的主要问题。
（2） 有机高分子絮凝剂
有机高分子絮凝剂以其独有的伸展结构和无规则线团结构等官能团性质和带电性而决定其用量少、絮凝能力高、效果好、絮凝体粗大、沉降速度快、处理时间短、污泥脱水性好较易处理、成本低等特点，在钻井废水处理中起吸附架桥和电荷中和作用，主要用来作助凝剂。常用的助凝剂有PAM。但有机高分子絮凝剂的用量应严格控制，否则会因用量过大而使矾花的沉降效果差，甚至不起作用，反而使废水的CODcr升高，成为新的污染物。
（3）复配药剂
为充分发挥无机和有机絮凝剂各自在水处理中的优点、克服它们在水处理中的缺点，目前较通行的水处理剂是将无机和有机絮凝剂复配使用，以期得到更好的处理效果。复配药剂对钻井废水处理效果取决于对有机与无机絮凝剂的选择、复配比、加工絮瞬剂的工艺过程等。经复配药剂处理后钻井废水的、石油类等各项污染物指标均明显优于单独使用无机或有机絮凝剂的处理效果。
3、处理装置
目前钻井废水处理装置主要采用化学混凝工艺，向撬装方向发展。
国内各大油田相继作了一些探索工作，据资料介绍四川局的DZW系列钻井废水处理装置对钻井废水处理效果较好，但没有解决污泥脱水的问题。江汉、大港、玉门等油田在这方面也作了不少工作，且取得一定的效果。
在国外，撬装式钻井废水处理装置有美国的ROMEC环境研究和发展公司研制的撬装式钻井废水和废弃泥浆处理装置；Newpark废物处理公司的油田废物净化装置；前苏联研制的YOB钻井废水和YOBC-1M型钻井废水净化装置法国国际石油公司最近推出的闭路式污水装置等。
几点意见
1.开发新的泥浆体系
从控制污染源着手，开拓油田化学添加剂的新思路，以符合钻井工艺的需要，又要以防止环境污染为原则，开发新的油田化学试剂取代现有污染治理工作中难降解的泥浆处理添加剂如现用的稀释剂磺酸盐类、消泡剂等，使油田化学添加剂的研制与环境污染的治理为一体。
2.增大井场废水的回用率
尽量减少各井场的废水排放量，清污分流，增大井场对钻井废水的回用率。对钻井废水回用应采用分段控制，随着井深的增加,废水回用率由高至低适时合理调整。
3.开发钻井废水的处理药剂
钻井废水的处理，当前离不开化学混凝这个环节，成功地开发钻井废水的处理药剂，是解决治理钻井废水的关键。目前，主要的研究方向是研制高聚合度的无机处理剂和多功能的复配药剂，以期能尽量针对钻井废水的特点，达到最佳的处理效果。四川局的各大矿区在这方面做了一些有益的尝试工作,如川南矿区的Co-H钻井废水处理剂等。
4.探索可行的处理工艺
化学混凝法是钻井废水处理的“传统”工艺。钻井废水在处理工艺上一直没有新的突破。探索可行的处理工艺流程是钻井废水处理的又一研究方向。生物净化钻井废水以其成本低，易管理等优点成为一种有前途的处理方法。四川局川东钻探公司在钻井废水中养殖水生植物凤眼莲来净化钻井废水，对废水中、油类、酚等污染物有良好的降解作用。
建议
按一污水综合排放标准，钻井废水中主要污染物的排放指标为CODcr<200 mg/L。在实际污染治理工作中，随着钻井进尺的增加，使用的泥浆体系相应地就越趋复杂，这是因为在钻进过程中，由于井底的高温高压，工艺上要求泥浆体系很稳定，进而要求泥浆处理添加剂有很好的稳定性如磺酸盐类，这些返排出来的泥浆处理剂进入钻井废水后，不易降解，增加了钻井废水的处理难度，所以外排入接纳水体中泥浆处理剂的自净周期很长，不会对整个接纳水体带来大的冲击负荷即造成污染事故。因此，建议在国标修改时提出合适的钻井废水CODcr排放指标。
结束语
钻井废水作为石油勘探企业的主要污染源，其治理工作和治理技术的开发对保护生态环境，保证石油勘探工作的顺利进行和改善与地方的睦邻关系都有很重要的意义。
⑵ 油气开发阶段的水文地质研究
该阶段的水文地质工作主要集中在水-岩-油相互作用的平衡研究，任务比较繁重，主要有以下几个方面。
1.注水水源与水化学成分特征的研究
油田开发过程中，为了保持地层压力，常采用早期注水的方法，以提高油气采收率，达到长期稳产、高产的开发效果。因此，注水前必须要查清区域水文地质条件，准备好足够的水源或水源基地。注水前，首先要研究油层的水文地质特点，包括水的流动(或驱动)类型和水化学成分，为选择适与注水的优良水质或同油田水化学成分相匹配的水源提供依据，以防止注入水与之混合后发生化学沉淀，堵塞油层。例如：我国较多油田水为CaCl2型水，虽然离子组合是Cl--Na+，但随矿化度增高，钙离子的浓度相对增大，此时，不能采用含有大量碳酸盐的水进行注水，否则就会形成碳酸钙沉淀，降低注水效果，影响采油率；再如NaHCO3型水，在矿化度增高时，就具备了结垢物形成的离子条件，导致结垢趋势及其分布的不均一性。在地下由于温度升高，使得碳酸钙等化合物的溶解度下降，进一步促进结垢的形成。生成碳酸钙和硫酸钙是吸热沉淀反应，温度升高，促使平衡向生成沉淀的方向移动，在温度达到86℃时，恰好是碳酸钙的结垢点。因此，这类沉淀的生成是地温越高，沉淀反应越易发生。
除CaCO3和CaSO4外，还要注意Fe2+，Sr2+，Ba2+等离子同
目前，我国许多油田进入含水的中后期，同原油一起采出大量的油田水(亦称油田污水)，有的油田综合含水率达90%以上，因此，大量采用油田污水进行回注，不仅提供了注水的新水源，提高了驱油效率，而且有利于改善和保护环境，防止因长期大量采用地下水而形成下降漏斗，导致地面沉陷。不管采用何种水进行注水，都要按不同油气藏或不同类型地层等研究注入水的水质(包括机械、杂质含量、腐蚀性、溶解氧的含量及含油量等)，以确保油田的正常开发，从而提高油气的最终采收率。
此外，在油气藏开发过程中，监测和辨别侵入水的来源、水淹及防止腐蚀等，也是水文地质工作者必须研究的课题。
2.水-岩相互作用的研究
该作用发生在水介质中，因而可以从地下水化学特征重塑矿物的溶解-沉淀和离子交换、吸附过程。
地下水循环和储存于岩石空隙中，在地质历史发展过程中，二者之间发生一系列的化学、物理化学等作用。地下水不仅从岩石中获得了丰富的物质组成，而且也改变着岩石结构和成分，溶滤与溶解，沉淀与胶结等地球化学作用是同步进行的。地下水与岩石之间进行着极其活跃的物质交替。“水流经的岩石怎样，水也就是怎样”这句古老的希腊名言，虽然形象而真实的说明水化学成分依赖于周围岩石，但应该看到地下水也在不断地改变着岩石的性质。水-岩相互作用的结果，使二者成分趋向动平衡，呈现相互依存的关系。从这个角度讲，地下水化学成分反映了地区的地质发展历史。
地下水在溶解和溶滤岩石，使化学成分不断地向水中转移的同时，也破坏着岩石的矿物晶格，如水对粘土矿物(高岭石、绿泥石、伊利石及其混合层矿物等)的作用，导致岩石的孔隙度和渗透率下降，同时也使水中钠离子含量增高，出现了
油田水矿化度一般都比较高，流速极缓，水岩相互作用的时间长，尤其在封闭的还原环境下，水中某些离子含量增加很快，当超过本身的浓度积时，就会发生沉淀和结晶，如自生高岭石和石英的再沉淀等。油田水中含有较高的有机组分，对围岩结构和成分产生颇大影响，如有机酸的存在，可加速储层中长石和岩屑颗粒的溶解，形成和发育大量的次生孔隙。如塔里木盆地东部石炭系油田水中有机酸含量高达(361～926)×10-6，侏罗系油田水中有机酸含量最高达1914.35×10-6。导致碳酸盐溶解度升高，碳酸盐岩、硅铝酸盐岩及长石等矿物发生化学溶解，是本区次生孔隙成因的主要机理。
鄂尔多斯盆地中生界上三叠统和中下侏罗统储层据显微薄片鉴定具有较多的碳酸盐化的胶结物，使孔隙度和渗透率降低，岩性致密性程度高，显然与地下水的溶解、沉淀活动有关，同油田水矿化度高(20～89g/L)，Na+含量占离子总和的40%～49%；Cl-含量占离子总和的41%～48%，以Cl--Na+型离子组合为主，油田水运动处于停滞状态，化学成分具有分块分片分布的特征是一致的。值得提及的是，本区地下水中
冀中坳陷古潜山地下水与岩石相互作用的过程，溯源至从蓟县纪铁岭期沉积后开始的，由于铁岭运动造成的沉积间断，使中元古界长城系高于庄组、蓟县系雾迷山组和铁岭组遭受大气降水的冲刷和淋滤作用，岩溶化的结果，导致储集层由孔隙型转变为扩大了的孔洞、缝联通的岩溶系统。地下水化学成分也相应的发生了变化。以后在漫长地质历史发展过程中，又经历埋藏封闭，再次淋滤等多期水文地质作用，在水-岩反复作用下，发展为近代岩溶-裂隙型溶滤水，其发展过程如表1-9所示。
表1-9 古潜山地下水形成及其与岩石关系
水岩成分转换的地球化学形迹与证据，不仅在岩心中异常清楚，即碳酸盐岩中可见溶蚀型孔洞(包括粒间、晶间及缝间的等)(图1-23)。而且岩石薄片鉴定是也证明次生粒内、粒间溶孔很发育，溶孔和微构造缝相通，缝中多充填了黄铁矿。
图1-23 冀中坳陷碳酸盐岩粒间晶间缝间溶蚀孔洞发育图
A—雾迷山组白云岩岩心中沿缝呈串珠状溶蚀孔洞含油(黑色)；B—雾迷山组角砾状和藻(团)白云岩岩心中呈串珠状孔洞
总之，本区岩溶水在其形成发展的运动过程中，不断地改造着所赋存的介质环境，不仅扩大了储集空间，而且碳酸盐岩不断地经历了淡化作用，直至进入碳酸盐晚期溶滤阶段。表现在早期形成的岩石，其水的提取液化学成分由重碳酸钙盐占绝对优势的地位，被后期的硫酸钠盐所取代。
在后述的水化学成分形成作用中，还将涉及水-岩相互作用的问题，在此不再赘述。
3.油气水相互作用的研究
油气水是地质流体的重要组成部分，是当今地质领域中综合性很强的热门课题。该项研究的重点主要集中在以下几个方面：一是石油、天然气、地下水混融过程中化学成分的变化规律；二是油水界面，特别是渗入成因水与油气的接触带——油气性质变化的重要界面；另一个研究内容是油气藏形成的驱动类型。
水是一种良好的溶剂，具有溶解许多物质(包括固体的有机物和无机物、液体和气体等)的性能。在沉积盆地内，地下水参与了烃类的形成及其所经历的物理、化学反应之全过程。可以这样说，水是与油气接触最为密切的流体，在漫长的地质历史中，二者必然会产生元素的迁移与交换作用，使地下水与油气之间在化学组成等方面具有亲缘关系。研究沉积盆地的地下水与油气之间发生的相互作用，具有重要的理论意义和实际应用价值。
石油与水相互作用的结果，使地下水从油气中获得某些标型组分——以烷烃和芳烃为主的有机物质，演变成具有迥然不同性质的油田水，并且随着油气运移方向，同原油性质产生同步或相应的变化。如冀中坳陷廊固凹陷沙三段和沙四段的油气在水动力等作用下，自凹陷中心向牛北斜坡运移，沿此方向，原油性质、天然气组成同水化学成分的变化趋势是一致的(表1-10)。
表1-10 廊固凹陷油气性质与水化学成分变化表
石油与水相互作用的另一结果是石油遭受氧化，形成重质油〔系指密度大于0.934、黏度为(100～1000)×10-3Pa·s的原油〕。前已述及，含油气盆地是自流水盆地的一部分，石油与水长期接触，某些组分，尤其是轻组分转入水中或被水解氧化，形成高分子烃和杂原子化合物含量较多，并具有胶质高、蜡质低及凝固点低的原油。从水文地质观点出发认为，任何含油气盆地都赋存有重质油，而且空间分布很有规律。尽管重质油的形成因素多种多样(原始有机质类型、热成熟度、构造运动使挥发组分散失、水洗、氧化及生物降解等)，但它们都是在水的参与下进行的，由于地下水的蚀变作用使原油密度增大、黏度稠、胶质和沥青质含量增高，甚至可形成沥青和难易开采的焦油。重质油主要集中分布在古水文地质和现代水文地质作用比较活跃的凹陷边缘斜坡、凸起和断阶带附近(图1-24)。
油水动态与界面变化是油气合理科学地开发和稳产的重要参数。同时油水过渡带的高低，直接控制圈闭的含油气程度，如松辽盆地葡萄花油层的油水过渡带的高度在3.6～62.5m之间，而油田范围内均小于20m，亦就是说，在油水过渡带较低的地区，扩大油气产量的几率是很高的。这是根据沉积成因水与油气的关系做出的判断。从水文地质角度出发，还应当在自流水盆地或次一级的自流水盆地内确定油水分界面(带)，它是渗入成因水与油气的接触面、氧化环境与还原环境的分界带、承压水与非承压水的分界点，这也是确定含油气盆地边界的主要依据。确定油水分界面的依据是：古代和现代渗入水的水动力转折带、水化学成分变质的起始点、原油氧化的地球化学迹象及储集层砂岩的孔隙结构特征等。在一般情况下，油水分界面可以视为油气富集程度的分界线，从界面向盆地内部是发现大油气田，进行油气开发的重点靶区，而界面以外，基本上是无油气远景的地区。
图1-24 东营凹陷重质油藏分布图
油水界面研究的另一个重要意义是发现水动力圈闭。当油水界面的倾斜度加大时，不具备圈闭条件的砂岩，有可能使油气被圈闭。水动力圈闭的位置和形态，取决于地层倾斜度(倾角)、流体密度、水流速度和方向。当地层下倾方向的倾角大于油水界面的倾角，或地层上倾方向的倾角小于油水界面的倾角时，是地下水流动方向上形成水动力圈闭油气藏的必要条件。
油气藏形成的水动力条件与驱动类型，石油地质学者已做了大量的研究，取得丰富的成果。作为水文地质工作者在研究上述问题时，还要考虑以下几点：
自流水盆地内，地下水有着统一的补给、径流、排泄的运动规律，亦就是说存在着区域性水动力联系，就是在孔隙度和渗透率较差的地层中也同样如此。当然区域性水动力联系与油气区域运移不能混为一谈。具有区域性水动力联系，并不意味着油气也必定作区域性运移，要对具体地质条件作具体分析。但有一点是肯定的，即含油气盆地的在区域上保持着连续的、统一的水头压力。查清地下水的流动方向与强度，对分析研究盆地内油气运移的总趋势、判断油气聚集的有利地区具有一定指导意义。
油气一般在地下水流动速度变慢或流速较缓，即水动力条件较弱的地区聚集成藏。此时的水化学成分也发生变质作用，在水动力资料不多的情况下，利用水化学成分可以推断水动力特征。水具有较小的黏滞性和较大的流动性，使水能在多孔介质中“畅通无阻”地运动。地下水的浮力和渗流为油气运移提供了必要的动力。
前述三个阶段，概述了油气水文地质研究的主要内容与领域，还有像水资源及其环境保护，油田水的开发与综合利用等，不一一叙述了。随着油气勘探开发的不断发展、新能源的开拓等，水文地质研究必然会向更高、更新的水平发展。
⑶ 生活污水的成分有哪些
人类生活污水主要是粪便和洗涤污水.生活污水中含有大量有机物,如纤维素、淀粉、糖类和脂肪蛋白质等；也常含有病原菌、病毒和寄生虫卵；无机盐类的氯化物、硫酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐和钠、钾、钙、镁等.特点是含氮，含硫和含磷高,在厌氧细菌作用下,易生恶臭物质。
⑷ 石油压裂废水处理的方法及其特征
压裂作业是低渗透油田普遍采用的增产措施，在压裂过程中会产生一定量的油井压裂废水。油井压裂废水成分复杂，具有高COD、高浊度，高总溶解性固体含量（TDS）的特点。该类废水对环境和人类健康的影响已经越来越引起人们的普遍关注，因此如何有效的处理此类废水已经成为油气田企业亟待解决的重要问题。目前常用的絮凝剂如聚合氯化铝铁（PAFC）、聚合氯化铝（PAC）等对油井压裂废水的处理效果欠佳。聚硅酸金属盐类絮凝剂是20世纪90年代中后期在聚硅酸和传统铝盐、铁盐絮凝剂的基础上发展起来的一种新型无机高分子絮凝剂。该絮凝剂综合了聚硅酸粘结聚集、吸附架桥效能强，铝铁盐电中和能力强，以及铝盐絮凝剂絮体大且脱色性能好和铁盐絮凝剂絮体密实且沉降速率快等优点，在除浊、脱色、去除有机物和高价金属离子等方面较同类其他品种有更好的效果，是目前国内外水处理剂领域研究开发的热点。
本工作研究了聚合硅酸铝铁絮凝剂对油井压裂废水的处理效果，对于现场应用有一定的指导意义。
1 实验部分
1.1 材料、试剂和仪器
实验水样取自于我国西部某油田油井压裂废水，其水质特征为浊度186.2 NTU，COD 5 236.8mg/L，TDS为7 350.6 mg/L，pH 7.9。
Na2SiO3·5H2O、硫酸（质量分数98%）、Al2（SO4）3、Fe2（SO4）3、Na2CO3：均为化学纯。PAC：工业品。
DC-506型六联搅拌机：东莞市兴万电子厂；752型紫外-可见分光光度计：上海光谱仪器有限公司；Model ESJ205-4型电子天平：沈阳龙腾电子称量仪器厂；pHS-3C型精密pH计：上海雷磁仪器厂；AF-Z1型电热培养干燥箱：江苏省东台市电器厂；XZ-1A-Z型智能浊度仪：上海海恒机电仪表有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1聚合硅酸铝铁絮凝剂的制备
（1）取一定量的Na2SiO3·5H2O加入去离子水溶解，用硫酸调节pH，在不同活化温度下搅拌一定时间使其活化，得到聚硅酸溶液。
（2）在聚硅酸溶液中分别加入一定浓度的Al2（SO4）3溶液和Fe2（SO4）3溶液，搅拌均匀，形成聚合硅酸铝铁溶液（n（Al）∶n（Fe）∶n（Si）=5∶2∶1），然后加入一定量的Na2CO3调节其碱化度为2.0。
1.2.2油井压裂废水絮凝处理实验
取250 mL的油井压裂废水，以Na2CO3调节pH后，加入聚合硅酸铝铁溶液，在200 r/min的转速下快速搅拌2 min，接着在50 r/min的转速下慢速搅拌5 min，静置沉降30 min，取清液测定其水质指标。
1.3 分析方法
采用快速消解法测定COD109-110；采用重量法测定TDS 210-213。
2 结果与讨论
2.1 聚合硅酸铝铁絮凝剂制备工艺参数的优化
2.1.1聚硅酸活化pH对废水浊度去除率的影响
当活化温度为25 ℃、活化时间为1.5 h时，聚硅酸活化pH对废水浊度去除率的影响见图1。由图1可见：随着聚硅酸活化pH的增加，浊度去除率减小；低pH条件下制备的活性硅酸具有较好的絮凝效果，当聚硅酸活化pH为1~2时，浊度去除率达到85％左右。因此聚硅酸活化pH应为1~2。
2.1.2活化温度对废水浊度去除率的影响
⑸ 天然气水合物简介
王力锋
（中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，无锡214151）
摘要 天然气水合物的发展历史不过200 多年时间，而真正得到科学界和工业界重视的时间则更加短暂，仅有60多年而已。但在能源问题突出严重的当今社会，天然气水合物作为下一代清洁的非常规能源却正以飞快的速度赢得各个领域的不同程度的重视。本文以简述的形式，回顾天然气水合物的发展历程，着重于天然气水合物的现状、未来的发展方向以及各国策略分析。
关键词 天然气水合物，非常规能源，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 简介
天然气水合物（natural gas hydrates，简称为NGH）属于笼形化合物（clathrate）的一种，因此又被称为笼形水合物（clathrate hydrates）［1］。从化学意义角度也可解释为一种分子构架包裹另一种分子的形式。天然气水合物是由一种或几种小分子气体在一定的温度和压力下与水作用生成的一种非固定化学计量的笼形晶体化合物［2］。在自然界中，天然气水合物呈现为似冰状的固体［3］，水分子通过氢键构成骨架，由于客气体被裹在骨架内部，因此客气体最基本的要求就是其分子体积要足够的小，以便容纳于骨架内部。尽管这样的小分子气体很多，例如早在1810年，英国化学家Humphry Davy在实验室中首先发现以氯气作为客气体的水合物［4］，但现在从全世界的发展前景观察，主要研究以CO2/H2O 和CH4/H2O为主的水合物主客结构，前者涉及大气环境、绿色效应和工业界尾气的封存［5，6］，后者涉及新能源探测和开发利用［7］。
天然气水合物有机碳储量大，约占全球有机碳的53.3%，是其他包括煤、石油和天然气三者总量的一倍以上。其中分布在陆地上的天然气水合物最大地质储量约为5.3×1011t，主要分布在高原冻土带和高纬度的常年冻土区；分布在海洋中的最大地质储量约为1.61×1014t，主要分布在被动大陆边缘和活动大陆边缘［8］。天然气水合物能量密度大，客气体中甲烷多，可占到90%以上。在标准状态下，1标准体积的饱和甲烷气水合物完全释放后，其甲烷体积可达到164倍标准体积，因而单位体积的天然气水合物燃烧所放出的热量远远大于煤、石油和天然气，为煤的10倍，是传统天然气的2～5倍［1］。
天然气水合物的赋存条件主要受温度、压力和气源等控制，当然也包括其他因素的限定。目前研究表明，天然气水合物是在低温（0～10℃）、高压（＞10 MPa）下形成的，在陆地和海洋中稳定带分布条件并不十分苛刻［9］。资料统计表明，冻土地区天然气水合物可在100m左右深度的浅层存在，最大可达1800～2000m，最常见的是700～1000m；在海洋中存在水深为300～5500m，在距离海底1000m深处都可能稳定存在［2］。
2 研究进展
英国科学家Davy在1810年首次发现了天然气水合物，当时他所发现的是氯气作为客气体的水合物［4］。第二年，Davy经过仔细地研究这种物质后，发表了正式的学术论文，稍后他又在英国皇家学会展示了他的发现，这是天然气水合物走进人类历史的第一个印迹。
但在此之后的100年里天然气水合物研究发展速度不快，进展相对缓慢，人们仅通过实验室来认识水合物。1832年，Faraday在实验室合成了氯气水合物Cl2·10H2O，并对水合物的性质做了较系统的描述。其后人们陆续在实验室合成了Br2，SO2，CO2以及H2S等的气水合物。1884年，Roozeboom提出了天然气水合物形成的相理论［10］。此后不久，Villard在实验室合成了CH4，C2H6，C2H4以及C2H2等的气水合物［11］。1919 年，Scheffer和Meijer建立了一种新的动力学理论方法来直接分析天然气水合物，他们应用Clausius-Clapeyron方程建立三相平衡曲线，来推测水合物的组成。由此可见这段时期的研究主要集中在纯科学的研究范围内。
天然气水合物从发现到20世纪30年代并没有引起工业界重视，直到人们发现它是远东地区冬天里堵塞煤气管道的物质［12］，这时对它的物理化学性质才开始比较深入的研究，出于工业生产目的，其间对水合物的抑制剂研究较为繁盛［13］。60年代，原苏联科学家预言了自然界中存在天然气水合物［14］，后来在远东的梅索亚哈气田勘测证实有天然气水合物存在，极大地促进了人们对未来能源的期盼。据科学家保守估计，现在全世界以天然气水合物形式包裹的碳总量是其他常规能源碳总量的两倍之巨［2］。另一方面，由于温室效应气体二氧化碳大量地排放到空气中，使近些年来全球气候异常，厄尔尼诺现象和全球平均温度的上升已经开始导致生物生存的环境发生不可逆的恶化，因此有效地减少二氧化碳这种温室气体排放到空气中、减少温室效应，在科学界和工业界也逐渐形成广泛共识［15］。目前，日本、美国等几个国家前瞻性地研究天然气水合物将其作为对二氧化碳的有效封闭物质，把二氧化碳禁锢在主气体的框架内沉到深海排泄地，从而达到封存温室气体的效果［16］。
科学界认识到天然气水合物的研究已经成为一门综合各种学科的系统工程，除了涉及常规的物理和化学知识外，微生物学、计算机模拟、工程学和经济生态学等学科也渗透其中。物理、化学理论进展已经有几十年的积淀，成果斐然，而后来新兴的边缘科学从更广的角度给科学界带了对天然气水合物重新认识的机遇［1］。微生物（尤其是厌氧环境中的微生物）与水合物关系最为密切，其栖息环境与水合物的赋存环境相互依存。有迹象表明，在海底表面暴露的水合物与此相关［17］。计算机模拟的应用除了宏观地预测天然气水合物的赋存空间之外，还可在微观上模拟水合物分子的形成过程，便于理解和寻找水合物的有利靶区。工程学带动了水合物研究的实验室技术，现在已经开发了很多高度精密且灵活方便的仪器用来记录和刻画天然气水合物形成的实验过程，正是这些先进的实验装置极大地促进了水合物的研究进展。经济生态学既是自然科学，同时也是人文科学，由于天然气水合物是巨大的能源仓储，如果未来某一天可具有经济意义的开采，必将会改变现今世界的能量消耗模式，世界经济格局也必然随之改变，由能源再分配所引发的未来世界变化也应引起足够重视，这不仅关系到个人和国家的发展，同时也是企业未来发展的良好预判［18］。
3 各国动态
目前，美国、日本、印度等能源进口大国纷纷涉足天然气水合物的研究，上述3个国家最为积极，对天然气水合物的研究都受到了国家财政部的全力支持。
日本政府从1992年起开始关注天然气水合物，1995年由通商产业省资源能源厅石油公团联合10家石油天然气私营企业，设立了“甲烷天然气水合物研究及开发推进初步计划”，为期5年，投入的研究经费高达9000万美元。经由对日本周边海域，特别是对鄂霍次克海的调查，初估天然气水合物资源量可供日本100年的能源消耗。
1995年冬，以美国为首的ODP164航次海洋探测计划，在大西洋西部布莱克海台针对天然气水合物进行了专门的调查，首次肯定其具有商业开发价值。同时指出，天然气水合物矿层之下的游离气（气态天然气）也具有经济价值。据初步估计，该地区天然气水合物资源量多达100×108t，可满足美国105年的天然气消耗。美国参议院于1998年通过决议，把天然气水合物作为国家发展的战略能源，并列入国家级长程计划，要求政府每年投入2000万美元进行探勘，并计划于2015年进行商业性试采。
印度政府为了解决天然气供应问题也开展了大量的水合物研究，已获取了印度大陆边缘的地震数据。此外，在印度东海岸Krishna-Godavari盆地的常规油气田开采中也发现了水合物。
近年来，我国传统化石燃料已不能满足我国经济发展、环境保护的需要，仅2002年我国进口原油和成品油就近1×108t，预计2010 年石油缺口为1.2×108t。随着我国经济的快速发展，我国今后对能源的需求将急剧增加，我国能源安全和后续能源供应直接关系到我国社会和经济的可持续发展，因此开展天然气水合物研究具有重大战略意义。针对我国近年来能源供需矛盾日益突出、对国外石油和天然气资源的依赖程度不断加大的状况，面对国家开发新型洁净能源的现实需求，为提升我国天然气水合物的研究开发水平，促进我国经济和社会的可持续发展，中国科学院积极部署天然气水合物研究工作，组织了跨所、跨学科的优势研究力量，依托广州能源所，组织地质与地球物理所、广州能源所、广州地化所和南海海洋所等单位于2004年3月正式在广州成立了“中国科学院天然气水合物研究中心”。与此同时，一些国内大型企业也逐步开始认识到天然气水合物的未来能源意义，如中石化和中石油等已经着手启动了勘探研究等项目。发展、开发一套关键的高新技术，为开展海洋天然气水合物综合勘测研究提供高技术支撑，是形势的需要，是国家发展战略的需要。同时，高新研究勘测关键技术的开发，也可带动相关学科的发展，赶上国际发展步伐，维护国家权益，保持经济发展增长不衰。
中国天然气水合物研究虽起步较晚，但近几年效果显著，先后在我国南海和东海盆地发现了数量可观的天然气水合物矿带，通过分析地球物理探矿资料和追踪天然气水合物存在标志，证实仅在南海北部西沙海槽区估算的天然气水合物总量达到（469～563）×109桶的石油当量，大约相当于我国陆上和近海石油天然气总资源量的二分之一。在青藏高原的羌塘盆地，天然气水合物研究也处于调研阶段，研究项目稳步推进。令人更为欣喜的是最近在我国南海东沙海槽提取到天然气水合物实物，这无疑会大大加速我国天然气水合物的研发力度和规模。
致谢 研究工作得到所领导赵克斌教授和其他同事的帮助，表示衷心的感谢。
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