引言
天然气以清洁、可获得、使用便捷、可储存、供应安全等优势成为实现碳达峰、碳中和过程中的重要过渡能源，并有望与低碳、零碳能源长期共存。2021年，天然气在全球能源结构中的占比约为24.7%，在我国能源结构中仅占比8.4%，为了保障我国能源经济向着持续、稳定、绿色、高效的方向发展，寻找清洁绿色的接续能源，提高能源利用效率，优化能源消费结构成为必由之路。
1天然气水合物资源分类
天然气水合物的赋存状态是决定模式的关键。目前世界多地获取的天然气水合物样品，根据沉积物的性质分为砂岩、非砂岩储层、块状、细粒沉积物等多类，其中砂岩水合物是目前最有可能优先开发的水合物矿藏。2007年起，我国陆续在南海北部陆坡获取到海域天然气水合物样品，为细粒沉积物水合物样品；2019年我国采用完全自主技术和装备获取了1720m超深水海域天然气水合物目标区全井段代表性样品，并首次获得高纯度海域水合物样品，为进行海洋天然气水合物稳定试采和规模开发奠定了基础。
2水合物清洁开采技术
水合物的开采过程中可能会由于甲烷的泄露进而对海水水体和大气产生环境灾害，因此探索清洁、安全的开采技术对于水合物的商业化开采具有重要意义。水合物的开采技术机理大多是先打破水合物相平衡状态，然后利用常规气藏的开采方法对分解形成的气态甲烷进行采集回收。常规的水合物开采方法能耗较高、经济效益不理想、可能带来气候变化或地质灾害等，而清洁开采技术可以提升水合物开采效率并避免引起气候或海洋的环境变化。
2.1清洁热采技术
2.1.1微波加热开采
水合物是一种极性分子，能够吸收微波的能量，并在微波辐射下分解。通过南海的松散沉积物中的甲烷水合物的分解，发现沉积物本身可以为水合物分解提供足够的热量时，水合物的分解受本征动力学控制，但当沉积物本身热量不足时，则需要额外的微波热刺激来增加水合物的分解速率。微波加热能够促进降压水合物沉积物快速且连续地生产气体，高初始含水量、高水合物饱和度、低比热容、高热导率和低绝对渗透率等条件都对微波加热采出水合物起有利作用。
2.1.2原位补热开采
原位补热技术是利用电加热技术或能够发生放热反应的无毒害物质来加热水合物储层以达到开采的目的，该技术目前研究较少，部分关键问题需要攻克。开发了一种能够使用原位热刺激的装置，将空气/气体燃料混合物注入到水合物储层，使用气体燃料燃烧的热量导致水合物分解。结合化学试剂热驱法(注入化学试剂产气)和蒸汽吞吐法(包括注入、浸泡和生产周期)，发现该方法的传热效果更好，能够减少热量损失。利用原位补热降压充填开采法来进行水合物的开采，该方法将氧化钙(CaO)粉末注入水合物储层后，降低压力时水合物分解，氧化钙粉末与水反应大量放热从而补充水合物的分解热，同时生成的固态氢氧化钙［Ca(OH)2］可以填充水合物分解后的缝隙并提高储层渗透性。
2.1.3其他热采技术
利用太阳能对水合物进行加热开采是一种清洁且无污染的技术，但是气象条件会限制太阳能的采集。目前太阳能加热开采水合物的相关研究较少。有学者建立了一种数学模型来模拟太阳能加热开采水合物的过程，整个过程包括采集太阳能、汇聚太阳能、传输太阳能以及分解水合物并运用管道运输天然气等步骤，。有人设计了利用装有可控加热器的循环流化床锅炉，采用太阳能蓄热系统的模型，以避免在管道内生成水合物，这也侧面证明了太阳能蓄热对水合物分解开采的可行性。
2.2清洁气体高效置换技术
2.2.1二氧化碳－甲烷置换技术
通过注入二氧化碳置换甲烷水合物中的甲烷气是一种可以减少二氧化碳排放量的清洁开采技术，可以同时实现甲烷开采和二氧化碳封存。二氧化碳置换法的机理是在特定的压力范围内甲烷水合物会分解，在同等条件下二氧化碳水合物比起甲烷水合物更易于形成并且更稳定，并且在置换过程中二氧化碳水合物形成所释放的热量可以维持甲烷水合物的分解反应，我国有学者研究了向水合物沉积物中注入烟道气以产生甲烷气并封存二氧化碳的可行性，结果表明，烟道气中约70%的二氧化碳转化为水合物被封存在沉积物中。
2.2.2混合气体置换技术
将氮气或氢气与二氧化碳混合后注入水合物储层中可以适当提高水合物的开采效率，氮气或氢气的加入可以增加储层的渗透率，减少由于二氧化碳水合物生成导致的堵塞。通过研究在减压开采甲烷水合物过程中注入空气和氮气的影响，结果显示空气和氮气的注入增强了开采效率。甲烷、二氧化碳和氮气三元气体混合物在不同温压条件下水合物的形成过程，混合气体的比率会影响甲烷气体的回收率。对于氮气与二氧化碳混合时的置换速率，添加少量氮气不能促进甲烷水合物的分解，过量的氮气会导致水合物结构的坍塌从而不能起到封存二氧化碳的作用。虽然在二氧化碳气体中添加氢气或氮气可以提高置换效率，但是混合气体的比率对于置换效率的影响较大，并且除去开采气体中的二氧化碳、氮气和氢气等气体的工艺也较为复杂。
2.3清洁原位破碎抽取开采技术
原位破碎抽取开采技术主要有2种方法，即固态流化法和机械－热联合开采法。
固态流化法主要原理是将破碎后的水合物浆体通过举升管道举升至海面气、液、固处理设施，利用举升管道中海水温度升高、静水压力降低的原理使管道内的水合物分解，含甲烷气的水合物浆体返回到海面设施进行气、液、固分离从而实现水合物的开采。机械－热联合开采与固态流化法有所不同，会在水合物运输管道中注入一定深度取得的海水，利用海水带动水合物向前流动，并在海面上进行气、液、固三相分离后将海水与固体沉积物一起排入海中。与固态流化法相比，机械－热联合法的优点在于可以在适当高度进行三相分离并将固体沉积物和海水注回，而不需要全部举升到海面。
原位破碎抽取开采技术只适用于深水浅层几米到上百米的非成岩天然气水合物矿体，目前该技术还有很多问题亟待解决，水合物浆体在运输过程中携带的泥沙有可能会堵塞管道导致无法持续性产气，水合物沉积物的破碎方式还未确定，水合物在管道中的多向流动问题、海面上多相混合物分离问题以及固体沉积物回填问题还需要进一步探讨。
结束语
随着全球能源需求的逐步增长，传统化石能源已无法满足需求，并且传统化石燃料的开采和使用会导致大气污染、加剧碳排放，与未来能源“清洁化、无害化”的发展趋势不相符，因此具有清洁能源属性的水合物被认为是最有可能替代传统化石燃料的新型能源。
参考文献
[1]万雨杭.刍议天然气水合物开采过程中的风险与防控措施[J].中国石油和化工标准与质量,2021,41(18):41-42.
[2]王维希,张春生,吴颜雄,张审琴,夏晓敏.联合深海地热开采天然气水合物技术展望[J].现代化工,2021,41(09):17-21.
[3]侯亮,杨金华,刘知鑫,焦娇.中国海域天然气水合物开采技术现状及建议[J].世界石油工业,2021,28(03):17-22.
