天然氣水合物勘查識(shí)別與實(shí)驗(yàn)技術(shù)

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(shí)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(shí)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(shí)別技術(shù)。其中，地球物理識(shí)別及地球化學(xué)識(shí)別技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)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(duì)天然氣水合物的存在有著較好的指示作用；模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是天然氣水合物研究的基礎(chǔ)技術(shù)之一。加強(qiáng)勘查識(shí)別技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究，對(duì)認(rèn)識(shí)天然氣水合物的分布規(guī)律、物理、化學(xué)性質(zhì)等有著重要的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：天然氣水合物；勘查識(shí)別；資源分布；BSR地球物理；地球化學(xué)；實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)
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(dǎo)率和溫度傳導(dǎo)率等相關(guān)屬性，可進(jìn)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(dòng)和被動(dòng)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(diǎn)總計(jì)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(shí)別及實(shí)驗(yàn)技術(shù)
2.1 勘查識(shí)別技術(shù)
    天然氣水合物的勘查識(shí)別技術(shù)包括直接識(shí)別和間接識(shí)別方式[6]，直接識(shí)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(shí)別包括地球物理、地球化學(xué)異常、多波速測(cè)深與海底視像等方式。目前，天然氣水合物的勘查識(shí)別主要通過間接識(shí)別技術(shù)特別是地球物理技術(shù)來識(shí)別天然氣水合物。
2.1.1地球物理識(shí)別技術(shù)
    地球物理識(shí)別技術(shù)主要包括地震與測(cè)井識(shí)別技術(shù)。地震識(shí)別技術(shù)是目前最常用的天然氣水合物識(shí)別手段，概括起來可以分為基于BSR的水合物識(shí)別技術(shù)、BSR與地震屬性相結(jié)合的水合物識(shí)別技術(shù)以及基于彈性參數(shù)的水合物識(shí)別技術(shù)3大類。同時(shí)，對(duì)于已經(jīng)開展過鉆井的區(qū)域，可以利用鉆井資料進(jìn)行識(shí)別。
2.1.1.1 地震識(shí)別技術(shù)
    海洋天然氣水合物存在的主要地震標(biāo)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(biāo)志。但是ODP164航次也證實(shí)BSR并非唯一指標(biāo)，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(yīng)的強(qiáng)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(shì)呈典型的三段式，即上下低，中間高。同時(shí)結(jié)合疏松系數(shù)、地?zé)崽荻鹊葏?shù)，可以提高水合物識(shí)別的可信度(圖2)。
 
2.1.1.2 測(cè)井識(shí)別標(biāo)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(cè)井資料分析，含天然氣水合物地層常規(guī)測(cè)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(cè)井、聲波速度測(cè)井識(shí)別天然氣水合物層的方法最為有效。
2.1.2地球化學(xué)識(shí)別技術(shù)
    地球化學(xué)識(shí)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(duì)烴類氣體運(yùn)移路徑的追蹤可以間接識(shí)別和評(píng)價(jià)天然氣水合物；淺層沉積物孔隙水含量和異常是識(shí)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(huì)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(biāo)志[8]。
 
2.1.3其他識(shí)別技術(shù)
    除地球物理識(shí)別技術(shù)、地球化學(xué)識(shí)別技術(shù)外，海底地形地貌識(shí)別、微地貌勘測(cè)以及深海鉆探等識(shí)別技術(shù)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(cè)
    通過船載深水多波束技術(shù)及海底電視攝像技術(shù)，探測(cè)海底地形地貌，分析并圈出與水合物可能有關(guān)的特殊構(gòu)造(可視為水合物的地貌標(biāo)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?？梢岳脽崃鳌囟鹊荣Y料來求出天然氣水合物穩(wěn)定帶的底界，借此預(yù)測(cè)出海底反射層的大致位置；同時(shí)，利用熱導(dǎo)率的測(cè)試來預(yù)測(cè)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(dǎo)率會(huì)發(fā)生很大的變化，另外，通過研究熱導(dǎo)率，建立熱導(dǎo)率與P波速度的關(guān)系，可以確定更接近實(shí)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(shù)是發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的直接手段，也是驗(yàn)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(tuán)塊狀、結(jié)核狀、星點(diǎn)狀)及賦存方式、測(cè)試天然氣水合物中氣體成分及其有關(guān)成因參數(shù)(如比值、甲烷中值、硫化氫的值等)、計(jì)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(shí)別技術(shù)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(xué)勘查技術(shù)日趨成熟，各種新的勘查技術(shù)也不斷出現(xiàn)。
2.2 天然氣水合物實(shí)驗(yàn)技術(shù)
    室內(nèi)實(shí)驗(yàn)技術(shù)是研究天然氣水合物的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)技術(shù)，主要研究天然氣水合物的物理化學(xué)性質(zhì)、相平衡、生長動(dòng)力學(xué)、生成/分解過程和水合物形成沉積物響應(yīng)等相關(guān)基礎(chǔ)問題以及天然氣多相體系下的滲流作用機(jī)制，鉆采方式下天然氣水合物分解與再形成機(jī)理等[10]。這些技術(shù)主要包括天然氣水合物的快速生成技術(shù)和室內(nèi)探測(cè)技術(shù)(室內(nèi)光電探測(cè)技術(shù)、聲學(xué)探測(cè)技術(shù)、電阻法探測(cè)技術(shù)、溫壓法探測(cè)技術(shù)，以及時(shí)域反射探測(cè)等技術(shù))。
3 結(jié)束語
    天然氣水合物的勘查識(shí)別正向著多學(xué)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(xué)識(shí)別標(biāo)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(shí)驗(yàn)室檢測(cè)手段越來越多，綜合運(yùn)用光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)等多種檢測(cè)方法獲取天然氣水合物形成和分解的相關(guān)參數(shù)，使模擬天然氣水合物在沉積層中生成的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究有了長足的進(jìn)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(xué)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(shí)別到開發(fā)利用，還存在著很多問題。加強(qiáng)勘查識(shí)別技術(shù)和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究，對(duì)加深天然氣水合物的物化性質(zhì)及其形成機(jī)制、產(chǎn)出條件、分布規(guī)律、環(huán)境效應(yīng)、資源量評(píng)價(jià)等方面的認(rèn)識(shí)有著重要的指導(dǎo)意義。
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(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(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院；3.中國石油冀東油田公司能源開發(fā)有限公司)