可燃冰的发现史：从试管到运输管道-可燃冰的发展历程

 

探究可燃冰，当从了解Humphry Davy开始，他是一位如火一样的科学家。

Humphry Davy，中文译为汉弗莱·戴维，1778年出生于英国康沃尔郡的贫穷农庄，1829年逝世时以爵士的贵族头衔入葬。仅活50岁的生命，却如闪电一般辉煌。17岁刚开始自学化学。他早期研究“笑气”，一种对人的神经器官有刺激作用的氧化亚氮气体，因之蜚声海内外。他会写诗，是诗人，还是哲学家、神学家，他会七种语言，终身充满着火焰般的研究热情，研究的成果也如火焰一般的光彩夺目。

▲汉弗莱·戴维，化学家，电化学奠基人。他开辟了用电解法制取金属元素的新途径：即用伏打电池来研究电的化学效应。电解了之前不能分解的苛性碱，从而发现了钾和钠，后来又制得了钡、镁、钙、锶等碱土金属。

汉弗莱· 戴维是发现元素最多的科学家。钙、钡、镁、锶、钾、钠等元素，都是他的发现。他首次合成了氯气水合物，创建了“气水合物” 一词，人类首次发现了可燃冰。

1810 年，汉弗莱· 戴维跟他的学生法拉第一起把氯气通入冰水中，水凝固了，形成了“冰”，发现了液化氯气而保存氯气的方法。他于次年提出了“气水合物” （Gas Hydrate）一词，并沿用至今。氯气水合物也是冰，也是可以燃烧的冰。可惜的是，他或者法拉第没有把甲烷气体或者其他烃类气体通入冰水，没有发现更多的可燃冰种类。但有人沿着他开拓的道路前进着。

1828年，发现了溴水合物。

1882年发现了二氧化碳水合物、硫化氢水合物。

1888年发现了甲烷、乙烷等烃类气体水合物。发现各种水合物的同时，也在研究各种水合物的组成，如1823年法拉第确认了氯水合物由2个氯分子和10个水分子构成。

1910年，距离首次合成水合物已经整整一百年了。可是，水合物的研究似乎停滞在试验里，停止在试管里，没有向工业领域的应用迈出步伐。

1934年，是水合物研究史上非常特殊的一年，是里程碑，其研究从室内转向了室外，从理论迈向了工业生产。但其转换，其开始，却是因为遇到了前所未有的“麻烦”。

1930年10月，可采储量达到7.5亿吨的美国东得克萨斯油田被发现，商人见之一拥而上，钻塔林立，到处钻石取油。当年产油1470万吨，1933年产油2740万吨，导致严重供大于求，得克萨斯州的油价从1926年的每桶1.85美元急跌到1931年的每桶15美分甚至2美分，许许多多的公司因此纷纷破产倒闭，社会经济陷于混乱的状态。这是大的“麻烦”。

油田外运石油卖到市场，最经济的办法是通过管道运输。得克萨斯州处于亚热带—温带气候带，夏天用管道运输油气，真是畅通无阻。可到了深秋，却出现了未曾遇过的情况——不知为何，管道堵塞了，油气不流动了，产品运不出产地，石油开采公司连每桶15 美分的钱都挣不到了！管道中的“小麻烦”简直是雪上加霜，又造成了不少公司倒闭，进一步加剧了社会经济的动荡。

“小麻烦”却是管道运输技术的大问题。石油比较稠，低温下不易流动，属于常理。但天然气是气体，常温下怎么也会被冻住而不流了呢？却是说不通。况且，“小麻烦”出现的时候，气温还在零度以上好几度呢，地面还没有结冰，油气里即便含水、含水汽，也没有到应该被冻成冰的时候！？但工人打开被堵塞的管道，却是严严实实的冰！

▲麻烦制造者：油气管道中的“ 冰”， 在冰点之上的气温环境下也能形成。属于什么“冰”？ 1934 年，美国化学家哈默史密特确认它是“可燃冰”！

面对管道中的冰，要救活公司，必须让油气实现在管道中能够作畅通无阻的“破冰之旅”。泰克瑟马天然气公司请来E.G.Hammer schmidt 当首席化学家以期解决这个问题。E.G.Hammer schmid 用中文称之为哈默史密特。我用了半天的时间，也没有找到关于他的传记之类的资料，维基百科没有、百度百科也没有，他的光辉形象可能淹没在不足百年的历史之洪流中。但他在1934发表的一篇文章，叙述他如何发现冰是可燃冰、如何控制温度压力添加试剂让石油天然气作“破冰之旅”的，却成了经典，直到现在还有人在引用它，成为可燃冰研究的经典文献，成为他贡献给人类的伟大礼品。

遥想哈默史密特当年，当他用锤子（他一生都拥有一把锤子，在他的名字中，含Hammer呢！）敲出管道中的冰块时，当冰块溅落地上之时，碎冰吱啦吱啦地冒出气体时，化作缕缕白烟之时，他一定激动异常。白马非马，此冰非经典的冰！当他发现缕缕白烟竟然是甲烷，是天然气中的主要成分，是由碳和氢元素组成，是碳的变形时，他可能还不知道可燃冰有多大的能源意义。但当他把冰块点燃之时，当可燃冰的火光照耀到了他的脸庞之时，他一定知道自己终结了一段历史：

可燃冰这个可爱的精灵在试管里折腾了一百多年，终于有了新的翅膀，它飞到了更大的、更长的运输管道中，更靠近了自然界，从理论研究一步跨到了工业应用领域！

天然气水合物发现简史

1811 年，英国学者Humphry Davy 首次发现氯气水合物, 并于次年命名气体水合物一词。

1888 年，法国学者Villard 在实验室合成了甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等的水合物。

1934 年，美国学者E.G.Hammerschmidt 发现输气管道中形成的天然气水合物。

1948 年，苏联学者斯特里诺夫（I.N.Strizhov）从理论上推测自然界的多年冻土层中可能存在天然气水合物矿藏。

1968 年，苏联在西西伯利亚发现包含天然气水合物藏的麦索雅哈气田。

1970 年，国际深海钻探计划（DSDP）在美国东部大陆边缘的布莱克海台发现天然气水合物。

1971 年，苏联从麦索雅哈气田含天然气水合物层中开采天然气。

1972 年，美国在阿拉斯加北部高纬度地区多年冻土层中发现天然气水合物。

1974 年，加拿大的马更些三角洲发现天然气水合物。

1979 年，国际深海钻探计划（DSDP）在墨西哥湾首次验证了海底天然气水合物矿藏的存在。

1982 年，我国学者贺承祖发表《气体水合物生成温度的下降与阻止剂水溶液冰点的下降之关系》的论文。

1993 年，加拿大地质调查局在马更些三角洲发现天然气水合物。

1998 年，高纬度地区多年冻土带研究天然气水合物的第一口井在加拿大西北马更些三角洲开钻。

1996 年，地质矿产部设立“西太平洋气体水合物找矿前景与勘查方法的调研”项目。

1997 年，陈汉宗，周蒂发表“天然气水合物与全球变化研究”一文。

1998 年，姚伯初发表《南海北部陆缘天然气水合物初探》一文；吴必豪，马开义发表《气体水合物——未来新能源》一文；何拥军，文凤英发表《海洋天然气水合物的研究现状与意义》一文。

1999 年，中国科学院兰州冻土研究所徐学祖、程国栋等人发表《青藏高原多年冻土区天然气水合物的研究前景与建议》的论文。

2001 年, 刘广志发表题为《关注青藏铁路沿线的天然气水合物》的文章，建议将陆域冻土区天然气水合物列入国土资源大调查计划。

2002 年, 中国地质调查局开始组织“青藏高原多年冻土区天然气水合物地球化学勘查预研究”（2002 年）、“我国陆域永久冻土带天然气水合物资源远景调查”（2004 年）、“青藏铁路沿线天然气水合物遥感识别标志研究” （2004 年）、“陆地永久冻土天然气水合物钻探技术研究” （2005 年）等项目的实施工作。

2002 年，加拿大马更些冻土区天然气水合物试验性开采获得了成功。

2007 年，中国地质调查局在深海钻获天然气水合物实物样品。

2008 年，中国地质调查局在中低纬度冻土区的木里盆地钻获天然气水合物实物样品。

2011 年，中国地质调查局在青海省祁连山木里盆地试开采天然气水合物。

2014 年，第八届国际天然气水合物会议在中国北京成功举行。

2015 年，初步估算祁连山木里盆地三露天井田调查区天然气水合物地质控制储量为213.85 万立方米，相当于常规小型天然气田，尚无经济价值。

2017年，我国在南海北部神狐海域首次试开采天然气水合物（可燃冰）成功。

本文摘编自《钻冰取火记——新盗火者的故事》（郭友钊著. 责任编辑：韩 鹏 刘浩旻.北京：科学出版社，2017. 5）一书“第一章 什刹海的火葫芦”，有删减改动，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-052655-7

百年前西伯利亚的通古斯大爆炸，是火山喷发，还是陨石袭击？20世纪50年代被认为中国最近一次喷发的阿什山火山，是真正的火山喷发？几年前发现的亚马尔半岛上的大坑，莫非是外星人所为？或许这些神秘现象的出现都另有原因——可能是地球自身所为，是全球气候变暖的背景下常年冻土融化减薄、可燃冰融化分解导致的天然气大爆炸……

中国地质科学院教授、中国作家协会会员、中国科普作家协会会员郭友钊博士，将带领读者以两位中学生追随科学家探索可燃冰的经历为线索，详细了解可燃冰的前世今生、可燃冰导致的神秘现象及可燃冰巨大的能源与环境意义，将展示从“钻木取火”到“钻冰取火”的突破性科技创新。

《钻冰取火记——新盗火者的故事》的核心科学内容来自国家高技术研究发展计划（863计划）“冻土带天然气水合物地球物理勘查技术”和中国地质调查局“陆域天然气水合物资源勘查与试采工程”等项目的部分成果。

全书图文并茂，语言风趣，事理并蓄，悬疑兼容，探索性强，适合自然科学爱好者，尤其对可燃冰及新能源感兴趣的大众阅读，也可供从事油气勘探及新能源工作的人员参考。