天然氣水合物勘查識別與實驗技術

摘 要

摘要：自然界中的天然氣水合物廣泛分布于海洋陸棚與斜坡區(qū)域以及陸上永久凍土帶，而在自然界中如何勘查識別水合物并掌握其屬性顯得極其重要。為此介紹了天然氣水合物的物理性質(zhì)
摘要：自然界中的天然氣水合物廣泛分布于海洋陸棚與斜坡區(qū)域以及陸上永久凍土帶，而在自然界中如何勘查識別水合物并掌握其屬性顯得極其重要。為此介紹了天然氣水合物的物理性質(zhì)及其資源分布，探討了天然氣水合物主要的勘查識別技術。其中，地球物理識別及地球化學識別技術占據(jù)主導地位，似海底反射層(BSR)、振幅空白反射帶以及烴類異常等特征對天然氣水合物的存在有著較好的指示作用；模擬實驗技術是天然氣水合物研究的基礎技術之一。加強勘查識別技術和實驗技術的研究，對認識天然氣水合物的分布規(guī)律、物理、化學性質(zhì)等有著重要的指導意義。
關鍵詞：天然氣水合物；勘查識別；資源分布；BSR地球物理；地球化學；實驗室實驗
1 天然氣水合物物理性質(zhì)及資源分布
1.1 天然氣水合物結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)
    天然氣水合物是在一定的壓力和溫度條件下，由水分子形成的空穴吸附小分子烴類氣體而形成的一種籠形結(jié)晶化合物。在自然界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的三種[1]結(jié)構(gòu)的水合物類型(結(jié)構(gòu)Ⅰ型、結(jié)構(gòu)Ⅱ型和結(jié)構(gòu)H型)中，結(jié)構(gòu)Ⅰ型的籠架以立方體形堆積，只容納較小烴分子以及CO2、H2S等非烴分子；結(jié)構(gòu)Ⅱ型的籠架以菱形堆積，不僅能容納小分子烴，而且可容納C4、i-C4等大分子；結(jié)構(gòu)H型為六方晶體結(jié)構(gòu)，可直接包容直徑超過i-C4的大分子。
    天然氣水合物的物理性質(zhì)與冰之間有一定的相似性，利用水合物及其充填的分散介質(zhì)的這些熱導率和溫度傳導率等相關屬性，可進行海洋沉積物中天然氣水合物藏的普查和勘探。
1.2 天然氣水合物的資源分布
    目前已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物主要分布在大陸、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境，以及陸上永久凍土區(qū)域。
1.2.1全球資源分布
    目前已調(diào)查發(fā)現(xiàn)[2～3]，天然氣水合物的主要分布地區(qū)在太平洋、大西洋、印度洋海域，直接或間接發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物礦點總計有220多處。
1.2.2我國資源分布
    根據(jù)調(diào)查研究，我國水合物主要分布在南海海域、東海海域、青藏高原凍土帶、以及東北凍土帶，其中又以南海的天然氣水合物資源最為豐富[4～5]。據(jù)粗略估算，南海海域天然氣水合物資源總量約為64.97×1012m3，東海海域水合物資源量約為3.38×1012m3，陸上青藏高原和東北凍土帶的天然氣水合物資源量分別為12.50×1012m3和2.80×1012m3。
2 天然氣水合物勘查識別及實驗技術
2.1 勘查識別技術
    天然氣水合物的勘查識別技術包括直接識別和間接識別方式[6]，直接識別包括底部沉積物取樣、鉆探取樣和深潛考察等方式；間接識別包括地球物理、地球化學異常、多波速測深與海底視像等方式。目前，天然氣水合物的勘查識別主要通過間接識別技術特別是地球物理技術來識別天然氣水合物。
2.1.1地球物理識別技術
    地球物理識別技術主要包括地震與測井識別技術。地震識別技術是目前最常用的天然氣水合物識別手段，概括起來可以分為基于BSR的水合物識別技術、BSR與地震屬性相結(jié)合的水合物識別技術以及基于彈性參數(shù)的水合物識別技術3大類。同時，對于已經(jīng)開展過鉆井的區(qū)域，可以利用鉆井資料進行識別。
2.1.1.1 地震識別技術
    海洋天然氣水合物存在的主要地震標志有似海底反射層(BSR)、振幅空白反射、速度倒置、速度-振幅異常結(jié)構(gòu)等。
   1) 似海底反射層
   來自海底水合物穩(wěn)定帶底面的反射大致與海底平行，稱為似海底反射，是目前使用最多、最直觀的標志。但是ODP164航次也證實BSR并非唯一指標，有BSR顯示的往往有天然氣水合物，有天然氣水合物的海域未必一定有BSR。
    2) 振幅空白反射帶
    空白反射帶在反射地震剖面上通常與BSR伴生，位于BSR之上。在含天然氣水合物地層中，由于地震波速度增大，使得它與下伏地層之間的反射系數(shù)增大，在地震剖面上，天然氣水合物的底邊界出現(xiàn)相應的強反射界面，而在含天然氣水合物的層內(nèi)，由于沉積物孔隙被水合物充填膠結(jié)，使地層變得均勻，減少波阻抗差，地震反射剖面上通常表現(xiàn)為弱振幅或振幅空白帶(圖1)。
   3) 速度異常特征
采用疊前AVO反演求得縱橫波速度信息[7]。通常海洋中淺層地層的地震縱波速度為1.6～1.8km/s，在含天然氣水合物層中，地震波速度將提高至1.85～2.5km/s，在速度剖面上，水合物層的層速度變化趨勢呈典型的三段式，即上下低，中間高。同時結(jié)合疏松系數(shù)、地熱梯度等參數(shù)，可以提高水合物識別的可信度(圖2)。
 
2.1.1.2 測井識別標志
    由于含水合物沉積層的孔隙和裂隙被冰狀水合物充填，所以其彈性特征發(fā)生了變化，根據(jù)現(xiàn)有水合物鉆井的測井資料分析，含天然氣水合物地層常規(guī)測井通常具有低視密度、高視電阻率、高聲波速度、高中子孔隙度、低自然伽馬值等特征，其中，尤其以電阻率測井、聲波速度測井識別天然氣水合物層的方法最為有效。
2.1.2地球化學識別技術
    地球化學識別主要基于海底淺表層沉積物、沉積物中的自生礦物及底水的綜合分析和研究。淺層沉積物和底層海水的甲烷濃度異常高，通過對烴類氣體運移路徑的追蹤可以間接識別和評價天然氣水合物；淺層沉積物孔隙水含量和異常是識別水合物層的依據(jù)，一般來說，含天然氣水合物的沉積層的孔隙水鹽度和氯度會降低(圖3)。其次孔隙水中的氧化-還原電位和硫酸鹽含量的降低也可能是天然氣水合物存在的標志[8]。
 
2.1.3其他識別技術
    除地球物理識別技術、地球化學識別技術外，海底地形地貌識別、微地貌勘測以及深海鉆探等識別技術也在天然氣水合物勘查中起著重要的作用[9]。
2.1.3.1 海底視像與海底微地貌勘測
    通過船載深水多波束技術及海底電視攝像技術，探測海底地形地貌，分析并圈出與水合物可能有關的特殊構(gòu)造(可視為水合物的地貌標志)的分布范圍。
2.1.3.2 海底熱流探查
    溫度和壓力是天然氣水合物形成、穩(wěn)定與分解的重要因素。可以利用熱流、溫度等資料來求出天然氣水合物穩(wěn)定帶的底界，借此預測出海底反射層的大致位置；同時，利用熱導率的測試來預測沉積物中天然氣水合物的分布，天然氣水合物聚集帶附近的沉積物熱導率會發(fā)生很大的變化，另外，通過研究熱導率，建立熱導率與P波速度的關系，可以確定更接近實際的速度剖面。
2.1.3.3 海底地質(zhì)取樣與深海鉆探
    地質(zhì)取樣技術是發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的直接手段，也是驗證其他方法所得調(diào)查成果的必要手段。通過地質(zhì)取樣，可以分析天然氣水合物產(chǎn)狀(脈狀、團塊狀、結(jié)核狀、星點狀)及賦存方式、測試天然氣水合物中氣體成分及其有關成因參數(shù)(如比值、甲烷中值、硫化氫的值等)、計算天然氣水合物的充填率以及估算其資源量等。
    總之，天然氣水合物勘查識別技術手段較多，并正朝著多樣化方向發(fā)展，其中最重要的地球物理勘探和地球化學勘查技術日趨成熟，各種新的勘查技術也不斷出現(xiàn)。
2.2 天然氣水合物實驗技術
    室內(nèi)實驗技術是研究天然氣水合物的一項重要的基礎技術，主要研究天然氣水合物的物理化學性質(zhì)、相平衡、生長動力學、生成/分解過程和水合物形成沉積物響應等相關基礎問題以及天然氣多相體系下的滲流作用機制，鉆采方式下天然氣水合物分解與再形成機理等[10]。這些技術主要包括天然氣水合物的快速生成技術和室內(nèi)探測技術(室內(nèi)光電探測技術、聲學探測技術、電阻法探測技術、溫壓法探測技術，以及時域反射探測等技術)。
3 結(jié)束語
    天然氣水合物的勘查識別正向著多學科、多方法相結(jié)合的方向發(fā)展。以地球物理勘探為主，結(jié)合地球化學識別標志等其他手段，可以較為有效地綜合判斷天然氣水合物的存在。
    隨著科技的提高，現(xiàn)代天然氣水合物低溫高壓實驗室檢測手段越來越多，綜合運用光學、聲學、電學等多種檢測方法獲取天然氣水合物形成和分解的相關參數(shù)，使模擬天然氣水合物在沉積層中生成的室內(nèi)實驗研究有了長足的進展。
    天然氣水合物作為一種極具開發(fā)前景的能源，引起了許多國家的重視，并開展了諸多的科學研究，取得了一系列成果，但總體上看，從性質(zhì)研究、室內(nèi)模擬、勘查識別到開發(fā)利用，還存在著很多問題。加強勘查識別技術和室內(nèi)模擬實驗技術的研究，對加深天然氣水合物的物化性質(zhì)及其形成機制、產(chǎn)出條件、分布規(guī)律、環(huán)境效應、資源量評價等方面的認識有著重要的指導意義。
參考文獻
[1] 張美.天然氣水合物的研究現(xiàn)狀和前景[J].中山大學研究生學刊：自然科學與醫(yī)學版，2006，27(2).
[2] 許紅，黃君權，夏斌，等.最新國際天然氣水合物研究現(xiàn)狀與資源潛力評估(上)[J].天然氣工業(yè)，2005，25(5)：21-25.
[3] 許紅，黃君權，夏斌，等.最新國際天然氣水合物研究現(xiàn)狀與資源潛力評估(下)[J].天然氣工業(yè)，2005，25(6)：18-23.
[4] 李燕，諸林，朱天閣，等.促進天然氣水合物生成的研究進展[J].西南石油大學學報，2007，29(增刊1)：46-49.
[5] 鞏艷，袁宗明.天然氣水合物勘探開發(fā)技術評價[J].西南石油大學學報，2007，29(增刊2)：53-56.
[6] 黃興文，陳建陽，于興河，等.天然氣水合物的地震識別方法及研究趨勢[J].天然氣工業(yè)；2005，25(3)：58-60.
[7] 雷懷彥，鄭艷紅，吳保祥.天然氣水合物勘探方法——BSR適用性探析口].海洋石油，2002，114(4)：1-8.
[8] 方銀霞，初風友.硫酸鹽-甲烷界面與甲烷通量及下伏天然氣水合物賦存的關系[J].海洋學研究，2007，25(1)：1-9.
[9] 郭平，劉士鑫，杜建芬，等.天然氣水合物氣藏開發(fā)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006.
[10] 宋永臣，楊明軍，劉瑜.天然氣水合物生成與分解實驗檢測技術進展[J].天然氣工業(yè)，2008，28(8)：111-113.
 
(本文作者：魏偉1 張金華1，2 孫愛1 吝文1 王莉1 胡旭健3 1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院；2.中國地質(zhì)大學(北京)工程技術學院；3.中國石油冀東油田公司能源開發(fā)有限公司)