绪论
在人类的生产生活中，能源是不可分割的一部分，是人类赖以生存的基础，但是自从工业革命以来，能源短缺问题变得越来越不可忽视，石油能源不可再生，而世界对能源的需求却越来越大，寻找新的出路对于各个国家而言，都成了迫切需求[1]。与传统能源相比，新能源环保，可再生，这些优势让它得到了越来越多的国家的关注，大力开发新能源，调整能源结构是经济建设和环境保护的必然选择，新能源是未来的趋势，有着广阔的发展前景[2]。
天然气水合物作为新型清洁能源的一种，是一种非常规的天然气资源，有着巨大的潜能，资源量丰富，且比常规的油气等能源更加清洁，具有很高的开发价值，因此越来越多的国家都将目光投向了天然气水合物，并制定了天然气水合物的长期研究计划[3]。在未来世界的能源领域，天然气水合物必能靠着自身的优势占据重要的地位。
研究背景
天然气水合物简介
天然气水合物（Natural Gas Hydrate）是天然气分子和水分子在低温、高压等特殊条件下形成的类冰的、非化学计量的、笼型结晶化合物。因为天然气水合物为白色类冰固体，遇火可以直接被点燃，放出大量热量，所以也被称为“可燃冰”。最常见的水合物生成气体是甲烷，甲烷水合物的分子结构如图1.1所示。目前发现的天然气水合物结构共有三种类型，分别为Ⅰ型（立方晶体结构）、Ⅱ型（菱形晶体结构）和H型（六方晶体结构），其类型主要取决于客体分子的大小[4]。Ⅰ型的气体以甲烷、乙烷等小分子烃为主，Ⅱ型一般有丙烷、异丁烷等较大分子数的烃类气体分子，H型里面可以容纳分子数更大的原油分子。在南海北部神狐探区实施的“南海天然气水合物资源钻探”项目中，国内首次发现了Ⅱ型天然气水合物[5]。
作为一种高能量密度资源，地球上的能源很大一部分都存储在天然气水合物中，据保守估计，其储量是地球上所有已知的煤炭、石油等常规化石燃料储量的两倍[6]。并且天然气水合物在能源回收和气体的存储和运输方面，也有许多应用，研究天然气水合物对气候变化方面也起着很大的作用。天然气水合物可以作为一种直接烃指示剂，对深海石油勘探有着重要的作用，可以帮助预计钻探和生产的危害，影响安全和经济性指标[7]。在取样和岩心提取中都可能改变天然气水合物沉积物的有效应力和物理状况，必须全面的认识天然气水合物沉积物的特征，探究天然气水合物的力学特征，有助于更好地研究开发天然气水合物[8]。
图1.1 天然气水合物的分子结构[9]
天然气水合物储存与空间分布
天然气水合物是地球上天然气积累的最主要的形式，主要分布在近海大陆边缘地区中以沉积物形式存在，少部分存在于永久冻土的极地，如图1.2所示[10]。天然气水合物存在于地表2000米的浅处，且世界范围内分布，但是主要在海底，大多数天然气水合物存在水300米以上的海洋沉积物中。储层的压力与温度都对天然气水合物有着很大的影响[11, 12]。
随着国内油气资源勘探的逐渐深入，我国的天然气水合物矿藏资源展现出巨大的应用前景。中国南海有着形成天然气水合物的良好环境，自1999年以来，中国地质调查局在我国南海北部的调查结果表明我国海域存在丰富的天然气水合物资源，天然气水合物在中国南海海域有着巨大潜力。2007年，在多年勘探调查的基础上，中国地质调查局成功在南海北部陆坡的神狐海域实施了天然气水合物钻探，并钻取到了天然气水合物的实物样品，从而证实了我国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源，成为继美国、日本、印度之后第四个通过国家级研发计划获取天然气水合物实物样品的国家[13]。2013年，国土资源部宣布我国在广东沿海珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度天然气水合物样品，并通过钻探获得可观控制储量，相当于1000亿～1500亿立方米的天然气储量，此次发现的天然气水合物样品具有埋藏浅、厚度大、类型多以及纯度高等特点[14]。2017年5月10日至7月9日，中国地质调查局在我国南海北部神狐海域首次对天然气水合物进行工业化试开采，实现持续产气60天，我国成为全球第一个在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。随着研究的深入，合理开发利用我国的天然气水合物资源，对解决我国能源安全供给、改善能源结构、缓解环境污染等问题具有重大意义。
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