基于天然氣水合物奇異自保護效應研究發展及其應用

陶向磊（中石油昆侖燃氣有限公司吉林分公司 132000）

天然氣水合物屬于新型能源，具有儲量大的特點，主要由天然氣的水分子和氣體分子在低溫環境下形成。由于天然氣水合物在低溫下分子結構相對較為穩定，有研究學者提出可利用其進行天然氣儲運，降低天然氣泄漏對環境的污染。近年來，隨著對天然氣水合物自保護的深入研究，發達國家已經該技術應用于天然氣的儲運中，為我國天然氣安全運輸提供了新途徑。

一、天然氣水合物的特點

基于組成結構的不同，天然氣水合物的形態也存在差異，常見的主形態以固體化合物、固體溶液、多孔吸附為主，因其分子大小、排列次序等不同，低溫環境下的化合物的穩定性也不同。實踐研究表明，天然氣水合物奇異自保護效應主要表現在處于低溫結構下時，其分解率會呈明顯降低趨勢，分子穩定性則會明顯提高。

二、水合物自保護效應的發展歷史

1.國外研究現狀

水合物自保護效應由Makogon提出，對輸油管道中的水合物進行分析時，發現當其處于某一特定溫度下時，該化合物分解能力會明顯降低。19世紀80年底，Handa等人進行實驗期間，發現部分氣體化合物在低溫環境下會凝結成晶體狀，與其原有的分子結構相比，穩定性會明顯提高，并提出于低溫下晶體的分解能力會明顯減弱，莫斯科學者研究結果與其相符。Gudmundsson對水合物的儲層溫度進行分析時，以258K為儲層溫度的臨界值，若低于該溫度，其儲層時間能夠延長。該研究結果為后期水合物在天然氣儲運中的應用，提供了理論基礎。Yakushev等發現水合物在低溫環境下，其表面會產生一層透明狀晶體，在抑制水合物分解中具有重要意義。同時，研究結果還提示，水合物在低溫下的放置時間與其保存時間呈正比例關系，即低溫下放置的時間越長，其保存的施加越長，此后Nagao、Ebinuma等學者的研究結果也證實了該結論。

2.國內研究現狀

受到經濟因素、研究技術等因素的限制，我國對水合物的研究時間相對較晚。吳青柏等對水合物的分子結構進行分析時，發現高溫環境下和低溫環境下分子結構的穩定性存在明顯差異。陳光進等對低溫喜愛水合物的分子結構的變化形態進行了研究。

三、水合物自保護效應的實際應用

隨著對氣體水合物的深入研究，發達國家開始將天然氣水合物奇異自保護效應用于天然的運輸中，為其工程化應用的發展提供了借鑒資料。本文主要對日本和德國的水合物在天然氣儲運中應用資料進行分析，并提出這一儲運模式是天然氣儲運未來發展的必然趨勢。

日本三井工程造船有限公司對氣體水合物深入研究，于2002年將其應用于石油的運輸中，通過天然氣治粒—儲存——分解項目研究，驗證了水合物在天然其儲運中的應用價值。隨著應用技術的成熟，該公司逐漸擴大生產范圍，并不斷研發新的生產工藝，為天然氣儲運提供了技術保障。

從2008年開始，德國正式啟動SUGAR，即海底天然氣資源的合作項目。這個項目的主要目標就是對海底天然氣資源勘探和開采的新技術進行研究和開發。除此之外，該項目還為如何實現天然氣水和甲烷的合作運輸提供了新的思路。在這種背景下，學術界和工業界一起組建了新的項目合作小組，對天然氣資源的運輸潛力進行了更進一步的研究，獲得了能夠維持甲烷水化合物自我保護功效穩定的相關數據，為船運水合物的風險分析提供了最原始的參考資料。

以上眾多項目的開發極大地開拓了水合物技術在工程實際中的應用范圍，成功樹立了水合法運輸天然氣運輸的典范。

四、水合物自保護效應發展的不足之處

早期研究結果提示，水合物表面的冰層組織能有效抑制其分子分解。基于該結論，有學者提出，所有的水合物在低溫環境下的分解能力均會減弱。然而進行實驗研究期間發展，部分水合物并不具有奇異自保護效應。目前，國內外文獻均未對水合物晶體結構的影響因素的進行分析，可能影響其應用安全性。此外，還有學者指出，部分水合氣體于低溫環境下表面會產生晶體，但并不是所有水合物均具有奇異自保護效應，其作用機理還有待繼續研究。

結束語

不同于傳統的天然氣運輸方式，天然氣水合物具有安全性高、污染小的特點，在天然氣運輸中具有較高的應用價值。目前，水合物逐漸應用于天然氣的儲運中，為加快其工程化發展進程具有重要意義。然而，受到氣體水合物晶體結構影響機理等問題的影響，就如何提高其應用安全性的問題還有待進一步探討。

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