天然气水合物的概念及特征
一、天然气水合物概念和结构
1.天然气水合物概念
天然气水合物(Natural Gas Hydrate)是指由主体分子(水)和客体分子(烃类甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷等气体分子及非烃类氮气、二氧化碳以及硫化氢等气体分子)在低温(-10℃至+28℃)和高压(1～9.0MPa)条件下，通过范德华力相互作用，形成的结晶状笼形固体络合物，其中水分子借助氢键形成结晶网络，网络中的孔穴内充满轻烃、重烃或非烃分子。水合物具有极强的储载气体的能力，一个单位体积的天然气水合物可储载100～200倍于该体积的气体量。
2.天然气水合物结构
天然气水合物是两种常见物质水和天然气的结合体。在合适的高温低压条件下，水和天然气会结合形成冰状固体物质。
天然气水合物是由氢键水笼立体叠置形成的晶体化合物(图10-1)。天然气水合物是笼状物，意味着主体的水分子有可容客体气体分子进入的架构空间。空的笼形架构是不稳定的，需要捕获气体分子以保持笼形晶体的稳定性(图10-1)。水合物紧凑的结构可使天然气高效叠置。标准温压条件下(1kPa，20℃)，一体积的天然气水合物可膨胀150～180倍。
水合物可形成0.48～0.90nm大小的天然气分子赋存空间。水合物存在3种不同的结构类型，一般地，结构的形成取决于最大客体分子的大小。甲烷和乙烷可单独形成sⅠ水合物;丙烷和异丁烷可形成sⅡ水合物，可单独或与乙烷和甲烷结合存在;仅当甲烷存在的情况下，正丁烷和新戊烷可形成sⅡ水合物，也可与较大的烃分子(C5-C9)形成结构H(sH)水合物(图10-1)。
3.天然气水合物化学式
天然气水合物分子式为MnH2O，其中M是以甲烷气体为主的气体分子;n为分子数。用水分子的平均空穴半径减去水分子范德华半径(1.45×10-10m)，可以计算出客气体分子在每个空穴中可以利用的最大空间半径。如客气体分子半径与水分子空穴半径的比率大于1，在没有变形的情况下，客气体分子是不可能充填到空穴中去的;如该比率小于0.77，则分子间的吸引力就不足以支撑空穴结构(Sloan，1990)。在不存在其他气体混合的条件下，处于较小空穴中的客气体分子同样也可以进入较大的空穴(“分子笼”)。如有少量其他类型的气体分子混入，天然气水合物的结构就可能发生改变。Sloan(1990)预测，在甲烷中混入0.5%的丙烷，就足以导致天然气水合物从Ⅰ型结构向Ⅱ型结构转变。
二、天然气水合物性质和特征
1.天然气水合物物理化学性质
天然气水合物通常呈白色，外形如冰雪状。结晶体以紧凑的格子构架排列，与冰的结构相似(图10-2)。在这种冰状结晶体中，碳氢气体充填在水分子结晶格架的空穴中，两者在低温和一定压力下，通过范德华作用力稳定地相互结合在一起。在自然界中，甲烷是最常见的客气体分子(Sloan，1990)。天然气水合物中通常含大量甲烷或其他碳氢气体分子，极易燃烧，也有人称之为“可燃冰”(图10-2)，而且在燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物。
图10-1 天然气水合物晶体结构
图10-2 天然气水合物晶体结构模型
但天然气水合物也并非全部呈白色，可以有多种其他色彩。如从墨西哥湾海底获取的天然气水合物呈黄色、橙色、红色等，从大西洋海底布莱克-巴哈马高原取得的天然气水合物呈灰色或蓝色。天然气水合物为什么会产生出这么多种颜色，至今还没有达成共识，但人们普遍认为，赋存于天然气水合物中的其他一些物质，如油类、细菌和矿物等，都可能对这些色彩的产生起到关键作用。
天然气水合物具有多孔性(图10-3)，硬度和剪切模量小于冰，密度与冰大致相等，热传导率和电阻率远小于冰;天然气水合物的物理性质见表10-1和表10-2。
图10-3 含天然气水合物的钻孔岩心
表10-1 天然气水合物的声学性质
注:1ft=0.3048m。
表10-2 甲烷天然气水合物和冰的性质
2.天然气水合物的环境和地质特征
天然气水合物属于沉积矿产，主要发育于新生代，以上新世为主。沉积层构造可分为块状、脉状、透镜状-层状、斑状和角砾状(图10-4)。
在天然气水合物形成时，其液流渗透到沉积物颗粒间隙和裂隙中可形成块状和脉状构造，前者表现为沉积物被天然气水合物均匀胶结，后者是天然气水合物呈网状、细脉状充填于沉积物或沉积岩的裂隙中。从围岩分离出来的含有气体的水溶液，沿沉积层层面发生迁移，其迁移前锋产生挥发作用，可形成透镜状-层状构造，在形态上表现为天然气水合物呈薄层或透镜体出现于沉积物或沉积岩基质中，相互之间大致平行排列并交替出现。
图10-4 沉积物中的天然气水合物(白色)
如沉积物基质中大致均匀分布有近圆形或等轴型的天然气水合物浸染体，则称为斑状构造，这种天然气水合物常与透镜状-层状构造含天然气水合物的沉积物相伴出现;具角砾构造的天然气水合物与构造破碎带有密切联系，显示这类天然气水合物曾遭到过构造破坏。
天然气水合物，属于有机化合物，其化学式为CH4，也就是常说的可燃冰，分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“汽冰”。其实是一个固态块状物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。
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