随着非常规能源的需求量与日俱增的压力，人们致力于石油天然气替代能源的步伐也迅速加快。天然气水合物的研究进展尤速。大量的研究证实，在海洋深部和陆地的永冻带是天然气水合物形成、聚集的“风水宝地”。相比之下，陆地的天然气水合物的勘探开发难度要低一些，人们对它们的研究也就更详细。
陆上极地环境天然气水合物的特征与永冻带密切相关。一般认为，自从上新世(距今约1.88Ma)以来的热条件导致了永冻带的形成和天然气水合物的持续存在。现代地图表明，北半球大约20%的土地被永冻带所覆盖。地质学研究和关于海底条件的热力学建模也表明在北极海的大陆架内可能存在永冻带和天然气水合物。在更新世的多次冰期时期，从北极的地面区域到大陆架当今水深120m处之内的广大范围内的温度条件都非常适宜永冻带和天然气水合物“遗留”下来。实际上，陆上近岸处的天然气水合物仅仅能与永冻带紧密相存。
未来能源——天然气水合物
19世纪20年代早期，在英格兰工作的JohnFaraday就开始了对新发现的天然气和氯气的研究。在他的实验中，当温度下降至“寒冷的气候条件”时，气态氯和水就形成了固态的氯水合物。Faraday实验室里生成的这种“奇物”以水为主分子，氯是外来分子。这些创新性合成实验可以称为世界上最早的生成联合化合物的报道，即我们现在所知的天然气水合物的合成报道。氯水合物依然被认为是一种实验室产物，其部分原因在于它形成的限制性条件可以通过实验室技术进行验证。许多分子在特定条件下都可以形成水合物，一般以各种笼形包含物的形式存在。这些笼形水合物是“化学”性的，具有独特的非键合性质，科学家们对它们的研究大约已经延续了二百年。
在20世纪30年代和40年代，由于天然气和工业管线在自然环境中往往会因形成像蜡一样的硬壳结晶而发生堵塞，这种情况在较冷区域尤甚。这种管线的结晶物质常常十分稳定而且即使在冬季的温度和压力环境下，也会给油气工业造成经济损失。研究发现，这种结晶物位烃类混合气体构成的水合物(绝大部分为甲烷，还有一些乙烷，丙烷，和/或丁烷)。它的稳定性要比由纯甲烷构成的水合物的稳定性范围宽得多。通过在输送前将天然气进行干燥处理的方法可以解决这种结晶问题。如果没有水，就不会形成天然气水合物。
因此，水合物被科学家们认为是一种稀奇的物质，而且它一直被石油天然气工业认识是一种令人讨厌的物质，直到最近，人们才认识了自然界中的水合物。然而，在人们认识了自然界中水合物的20年时间里，工业界和政府部门已经开始将水合物作为一种极具远景的能源进行了勘探。天然气水合物(naturalgashydrate，NGH)，也称“气体水合物”，是由天然气与水分子在高压(>100大气压或>10MPa)、低温(0℃~10℃)条件下形成的一种固态结晶物质。由于天然气中80%~99.9%的成分是甲烷，故也有人将天然气水合物称为甲烷水合物。天然气水合物多呈白色或浅灰色晶体，外貌似冰状，易点燃，故俗称其为“可燃冰”。1m3的可燃冰可在常温常压下释放164m3的天然气及0.8m3的淡水，同等条件下，可燃冰燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要多出数十倍!具有使用方便、燃烧值高、清洁无污染等特点，是公认的地球上尚未开发的最大新型能源，被誉为21世纪最有希望的战略资源。据保守估计，在全球有机碳总含量中，以天然气水合物形式存在的超过50%，总储量达10万亿吨，是全球煤、石油和天然气总和的2倍。
全球冻土带与天然气水合物资源
天然气水合物的形成受控于多种因素的相互作用，其中包括温度、压力、气体组分，以及水的离子张力。目前，甲烷水合物赋存的顶部深度界线在大陆架的极地区域大约在地表以下150m处，那里的地表温度在0℃以下。1970年，西西伯利亚的Messoyakha天然气田进行的测井和地层检测证明了甲烷和天然气水合物的存在。在西西伯利亚盆地的Mackenzie三角洲永冻带钻探的两口油气探井在820~1100m深度处钻入了含有天然气水合物的浅层砂质储集层，但未获得天然气水合物样品。在钻过这套砂层时，钻井泥浆中所含的天然气量迅速增加，那是一套高孔隙却低渗透的砂层。这些特征证实了天然气水合物的存在。20世纪80-90年代，部分专家对天然气水合物资源进行了估算，但估算值差别较大，目前各国科学家对全球天然气水合物资源量较为一致的看法为2×1016m3，约为全球常规天然气可采资源量(471×1012m3)的42倍；作为一种非常规天然气，其资源规模比页岩气(456×1012m3)、煤层气(256×1012m3)、致密气(210×1012m3)也大得多。另一个共同的认识是，海洋中天然气水合物的资源量要比陆上永冻层中的水合物量大得多(高2-3个数量级)。
天然气水合物资源在陆地上主要分布于高海拔、北极地区的永久冻土区。据不完全统计全球直接或间接发现水合物矿点123处，海洋及少数深水湖泊114处，陆地永久冻土带9。世界北半球20%的陆地由永久冻土覆盖，目前发现的天然气水合物也主要位于该区域，包括了加拿大马更些三角洲、美国阿拉斯加北坡、俄罗斯西伯利亚等地，这些地区冻土厚度大、地温梯度低、天然气水合物资源规模大。加拿大马更些三角洲是目前世界上冻土区水合物研究最为详细的地区，该区位于加拿大西北部的波弗特(Beaufort)海-马更些盆地。1998—2003年由日本、加拿大、美国等组成联合小组共同进行了针对天然气水合物的钻探、取心、地球物理、试采和科学研究。钻探取芯和测井资料证实在800~1100m区间共有约110m厚的天然气水合物层，水合物产于第三系陆相碎屑沉积岩层段内，以中细粒砂岩为主，孔隙度在32%~45%之间，天然气水合物的饱和度最高达90%，在Mallik系列5个钻孔中，各水合物层均能横向对比，气体来源既有微生物分解产生的甲烷，又有来自于深部地层的热解甲烷。2002年和2008年的两次短期试生产分别获得468m3和13000m3的天然气。盆地内水合物稳定区分布面积约12.5万km2，水合物稳定带的底界位于地表以下200~1400m，水合物层厚度平均为82m，2005年计算资源量约为1-10×1012m3。目前已经确认富含或可能富含天然气水合物资源的永冻带地区有：丹麦格陵兰、挪威斯瓦尔巴特群岛(Svalbard)、俄罗斯东北西伯利亚与勘察加地区、俄罗斯Timan-Pechora盆地、俄罗斯Lena-Tunguska盆地、俄罗斯西西伯利亚盆地、加拿大Sverdrup盆地、加拿大Mackenzie三角洲-Beaufort海域和美国阿拉斯加地区。
我国永冻带的天然气水合物资源
世界天然气水合物的发现已有200年的历史，而作为一种能源开展调查与研究也仅有50余年的历史。我国在这一领域的研究和调查起步较晚，大约落后西方约30年，但成果却非常显著，从开始调查研究到钻获天然气水合物却用了不到10年的时间。我国天然气水合物的调查始于1999年南海西沙海槽的试验性地球物理调查，之前从1995年已经开始了大量的研究工作，2007年5月1日，在珠江口盆地南部的神狐地区，成功钻获天然气水合物实物样品。从1999年开始我国一些专家陆续提出了在青藏高原开展水合物调查研究的建议，2002年中国地质调查局开始设立调查研究项目，2008年11月5日在祁连山木里地区DK-1孔井深133.5~135.5m处发现天然气水合物实物样品，使我国成为世界上第一次在中低纬度冻土区发现天然气水合物的国家，具有重要的科学意义和经济意义。
青藏高原多年冻土区是世界中低纬度区海拔最高、面积最大的冻土区，也是典型的高原冻土区，冻土区面积达150万km2，实测冻土厚度在10~175m之间，计算值最大厚度可达700m，冻土的发育说明该区具备天然气水合物形成的的温度、压力条件。
国内部分专家与学者根据高原地区的冻土层厚度、地温梯度以及不同资料获得的气体组分，运用天然气水合物的热力学稳定域预测方法，确定我国青藏高原具备形成天然气水合物的的基本条件，计算出了高原地区(包括祁连山木里地区)冻土带天然气水合物的产出特征。总的来说，在天然气水合物分布的区域，水合物稳定带的顶界埋深一般在在几十米至两百米间，底界埋深在一百米至一千米间，水合物厚度可达到几百米；在冻土层越厚、冻土层及冻土层之下沉积层的地温梯度越小的地区，最有利于天然气水合物的发育；资源量预测最高达2.98×1014m3，比极地冻土区资源大很多，预示青藏高原具有很好的勘探前景。但由于该区勘探程度还很低，很多计算参数还不准确，无论天然气水合物的埋深、厚度，还是资源量都有待于进一步的勘探证实与校正。祁连山木里地区是我国陆上冻土区首次钻探并发现天然气水合物的地区，该区位于青藏高原的东北端，海拔4000~4300m，实测冻土层厚度60~95m，具备水合物形成的温压条件；构造上该区为南祁连盆地的一个次级坳陷，坳陷内发育石炭系、下二叠统、上三叠统、侏罗系4套以暗色泥页岩为主的烃源岩，烃源岩质量较好，大部分已经进入高成熟-过成熟阶段，以生气为主，另外侏罗系含有丰富的煤层气资源，这些条件皆有利于天然气水合物的形成，2008—2009年4口钻井均获得了水合物样品或异常显示。
目前的水合物仅发现于木里坳陷，在该坳陷西北部还发育疏勒、野马、党河、哈拉湖、下日哈等坳陷，这些坳陷同样具备水合物形成的冻土条件、生烃条件，尤其是与木里坳陷处于同一构造带的疏勒坳陷，应是下步水合物勘探的重点地区。最新二维地震资料显示，疏勒坳陷相对木里坳陷，构造稳定，中新生界地层发育完整，水合物目的层侏罗系厚度大、分布稳定、保存条件好，有利于形成垂向上厚度大、侧向上范围广且连续分布的水合物层。
羌塘盆地面积约18万km2，是目前高原地区石油地质条件最好的中生代海相沉积盆地，该盆地从第三系到二叠系发育十余套烃源层。中上侏罗统泥页岩有效烃源层累积厚度，北羌塘坳陷一般为100~300m，最厚的是北羌塘坳陷西部山缢湖剖面713m；南羌塘坳陷中部和东部一般为100~500m，最厚659m。中上侏罗统碳酸盐岩有效烃源层厚度一般为200~600m，北羌塘坳陷西部长龙梁剖面最厚，为970m。
南羌塘坳陷中部和东部为400~600m。盆地内烃源岩呈北西—南东向展布，北羌塘坳陷西部和南羌塘坳陷东部是烃源岩最发育的两个地区，泥页岩和碳酸盐岩有效烃源岩累计厚达1000m左右，为盆地油气生成的重要物质来源。羌塘盆地主要烃源层都经历了多期成藏过程，其中上侏罗统雪山组末期和上新统唢呐湖组末期是最为重要的两次成藏期，而在这两个成藏高峰期之后都分别伴有强烈的构造运动，它们对已形成的油气藏进行了强烈的改造和破坏，目前地面发现的100多处油苗以及钻井岩心的油气显示，都是两次构造运动的产物。上新世末期开始的全球降温事件以及青藏高原的强烈隆升，使得羌塘盆地一直处于严寒、干旱的冰缘环境，形成大面积的多年冻土；而同期构造运动破坏的油气藏中的油气会重新聚集成藏，较轻的烃类气体则会沿断层或裂隙、孔隙、不整合面，继续向上运移，并在适宜的温压条件(冻土层下)下聚集形成天然气水合物藏。从烃源岩的厚度、演化程度以及油气成藏与冻土形成时间的匹配关系来看，羌塘盆地非常有利于天然气水合物的成藏。
羌塘盆地位于藏北高原腹地，海拔在4500m以上，是青藏高原温度最低和冻土最发育的地区，该区发育了大片连续多年冻土区，面积达40万km2，计算冻土层厚度主要在100~200m之间。由于工作条件极为恶劣，羌塘盆地中西部冻土的研究基本空白，现有的研究资料主要集中在东部边缘青藏公路沿线的狭窄地带，多年冻土厚度30~120m，但据气温分布特征估计，西北部多年冻土应该更为发育。结合盆地烃源岩厚度分布以及成熟度分布特征，推测盆地北羌塘坳陷的西部(东经88°30′以西)以及南羌塘坳陷的东部(土门地区)是天然气水合物形成最有利的地区。
青藏高原还发育了一些其他具备天然气水合物形成条件的盆地，但条件相对较差，如可可西里盆地冻土条件较好，但生烃条件较差，烃源岩成熟度低；措勤盆地、比如盆地、昌都盆地以及岗巴定日盆地生烃条件较好，烃源岩成熟度高，但地温高、冻土条件差；还有位于班怒缝合带内的第三系伦坡拉盆地，目前已经获得工业油流，但由于地温梯度高，也难以形成水合物，羌塘盆地是青藏高原天然气水合物形成的最有利地区。影响天然气稳定带分布的两个主要因素是地温梯度和天然气组分。其他一些难以定量化且影响力也较小的因素是孔隙流体盐度和地层孔隙压力。地质学研究和热力学建模表明，地球上的永冻带的确是天然气水合物——这个未来烃类能源的“风水宝地”。