基于天然氣水合物奇異自保護(hù)效應(yīng)研究發(fā)展及其應(yīng)用

陶向磊（中石油昆侖燃?xì)庥邢薰炯址止?132000）

天然氣水合物屬于新型能源，具有儲(chǔ)量大的特點(diǎn)，主要由天然氣的水分子和氣體分子在低溫環(huán)境下形成。由于天然氣水合物在低溫下分子結(jié)構(gòu)相對(duì)較為穩(wěn)定，有研究學(xué)者提出可利用其進(jìn)行天然氣儲(chǔ)運(yùn)，降低天然氣泄漏對(duì)環(huán)境的污染。近年來(lái)，隨著對(duì)天然氣水合物自保護(hù)的深入研究，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)該技術(shù)應(yīng)用于天然氣的儲(chǔ)運(yùn)中，為我國(guó)天然氣安全運(yùn)輸提供了新途徑。

一、天然氣水合物的特點(diǎn)

基于組成結(jié)構(gòu)的不同，天然氣水合物的形態(tài)也存在差異，常見的主形態(tài)以固體化合物、固體溶液、多孔吸附為主，因其分子大小、排列次序等不同，低溫環(huán)境下的化合物的穩(wěn)定性也不同。實(shí)踐研究表明，天然氣水合物奇異自保護(hù)效應(yīng)主要表現(xiàn)在處于低溫結(jié)構(gòu)下時(shí)，其分解率會(huì)呈明顯降低趨勢(shì)，分子穩(wěn)定性則會(huì)明顯提高。

二、水合物自保護(hù)效應(yīng)的發(fā)展歷史

1.國(guó)外研究現(xiàn)狀

水合物自保護(hù)效應(yīng)由Makogon提出，對(duì)輸油管道中的水合物進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其處于某一特定溫度下時(shí)，該化合物分解能力會(huì)明顯降低。19世紀(jì)80年底，Handa等人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)期間，發(fā)現(xiàn)部分氣體化合物在低溫環(huán)境下會(huì)凝結(jié)成晶體狀，與其原有的分子結(jié)構(gòu)相比，穩(wěn)定性會(huì)明顯提高，并提出于低溫下晶體的分解能力會(huì)明顯減弱，莫斯科學(xué)者研究結(jié)果與其相符。Gudmundsson對(duì)水合物的儲(chǔ)層溫度進(jìn)行分析時(shí)，以258K為儲(chǔ)層溫度的臨界值，若低于該溫度，其儲(chǔ)層時(shí)間能夠延長(zhǎng)。該研究結(jié)果為后期水合物在天然氣儲(chǔ)運(yùn)中的應(yīng)用，提供了理論基礎(chǔ)。Yakushev等發(fā)現(xiàn)水合物在低溫環(huán)境下，其表面會(huì)產(chǎn)生一層透明狀晶體，在抑制水合物分解中具有重要意義。同時(shí)，研究結(jié)果還提示，水合物在低溫下的放置時(shí)間與其保存時(shí)間呈正比例關(guān)系，即低溫下放置的時(shí)間越長(zhǎng)，其保存的施加越長(zhǎng)，此后Nagao、Ebinuma等學(xué)者的研究結(jié)果也證實(shí)了該結(jié)論。

2.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

受到經(jīng)濟(jì)因素、研究技術(shù)等因素的限制，我國(guó)對(duì)水合物的研究時(shí)間相對(duì)較晚。吳青柏等對(duì)水合物的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境下和低溫環(huán)境下分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性存在明顯差異。陳光進(jìn)等對(duì)低溫喜愛水合物的分子結(jié)構(gòu)的變化形態(tài)進(jìn)行了研究。

三、水合物自保護(hù)效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用

隨著對(duì)氣體水合物的深入研究，發(fā)達(dá)國(guó)家開始將天然氣水合物奇異自保護(hù)效應(yīng)用于天然的運(yùn)輸中，為其工程化應(yīng)用的發(fā)展提供了借鑒資料。本文主要對(duì)日本和德國(guó)的水合物在天然氣儲(chǔ)運(yùn)中應(yīng)用資料進(jìn)行分析，并提出這一儲(chǔ)運(yùn)模式是天然氣儲(chǔ)運(yùn)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

日本三井工程造船有限公司對(duì)氣體水合物深入研究，于2002年將其應(yīng)用于石油的運(yùn)輸中，通過天然氣治粒—儲(chǔ)存——分解項(xiàng)目研究，驗(yàn)證了水合物在天然其儲(chǔ)運(yùn)中的應(yīng)用價(jià)值。隨著應(yīng)用技術(shù)的成熟，該公司逐漸擴(kuò)大生產(chǎn)范圍，并不斷研發(fā)新的生產(chǎn)工藝，為天然氣儲(chǔ)運(yùn)提供了技術(shù)保障。

從2008年開始，德國(guó)正式啟動(dòng)SUGAR，即海底天然氣資源的合作項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目的主要目標(biāo)就是對(duì)海底天然氣資源勘探和開采的新技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)。除此之外，該項(xiàng)目還為如何實(shí)現(xiàn)天然氣水和甲烷的合作運(yùn)輸提供了新的思路。在這種背景下，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一起組建了新的項(xiàng)目合作小組，對(duì)天然氣資源的運(yùn)輸潛力進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究，獲得了能夠維持甲烷水化合物自我保護(hù)功效穩(wěn)定的相關(guān)數(shù)據(jù)，為船運(yùn)水合物的風(fēng)險(xiǎn)分析提供了最原始的參考資料。

以上眾多項(xiàng)目的開發(fā)極大地開拓了水合物技術(shù)在工程實(shí)際中的應(yīng)用范圍，成功樹立了水合法運(yùn)輸天然氣運(yùn)輸?shù)牡浞丁?/p>

四、水合物自保護(hù)效應(yīng)發(fā)展的不足之處

早期研究結(jié)果提示，水合物表面的冰層組織能有效抑制其分子分解?；谠摻Y(jié)論，有學(xué)者提出，所有的水合物在低溫環(huán)境下的分解能力均會(huì)減弱。然而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究期間發(fā)展，部分水合物并不具有奇異自保護(hù)效應(yīng)。目前，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)均未對(duì)水合物晶體結(jié)構(gòu)的影響因素的進(jìn)行分析，可能影響其應(yīng)用安全性。此外，還有學(xué)者指出，部分水合氣體于低溫環(huán)境下表面會(huì)產(chǎn)生晶體，但并不是所有水合物均具有奇異自保護(hù)效應(yīng)，其作用機(jī)理還有待繼續(xù)研究。

結(jié)束語(yǔ)

不同于傳統(tǒng)的天然氣運(yùn)輸方式，天然氣水合物具有安全性高、污染小的特點(diǎn)，在天然氣運(yùn)輸中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。目前，水合物逐漸應(yīng)用于天然氣的儲(chǔ)運(yùn)中，為加快其工程化發(fā)展進(jìn)程具有重要意義。然而，受到氣體水合物晶體結(jié)構(gòu)影響機(jī)理等問題的影響，就如何提高其應(yīng)用安全性的問題還有待進(jìn)一步探討。

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