| 天然气水合物研究和勘探现状 |
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天然气水合物研究和勘探现状（节抄） 宋 岩 夏新宇 (中国石油勘探开发研究院 北京 100083) 1 天然气水合物和水合物气 水合物气是天然气水合物分解产生的天然气，天然气水合物是一种由气体(主要是甲烷)和水组成的冰状固态化合物，可在低温高压条件下的自然界和人为环境中形成。地壳内的水合物是蕴藏量比较丰富的潜在的非常规天然气资源，主要分布在陆地永久冻土带沉积层、大陆外缘的海洋底部以及深海海底平原沉积层。天然气水合物中的气体含量相当高，单位体积的天然气水合物中含有高达180倍于该体积的气体。根据美国和前苏联的研究结果，预计陆地天然气水合物中的天然气资源量为1.4×1013～3.4×1016m3，而海洋底下水合物是陆地永久冻土带水合物气的两个数量级以上。虽然以上数字具有很大的不确定性，但按保守的估计，以水合物形式存在的天然气资源量是地球上其余所有烃类资源量总和的两倍。 天然气水合物最早发现于19世纪的实验室内，但是，有关天然气水合物及其物理特性的详细研究却是在本世纪三十年代开始进行的。当时，气体水合物的生成与沉积常给输气管道、气井和一些工厂设备带来许多麻烦。研究的目的多半是为预报气体水合物在管道中的形成机制和如何消除管道堵塞的办法。从60年代开始，前苏联、美国、荷兰和德国相继开展了天然气水合物的结构与热力学研究。60年代中期，前苏联在勘探开发西西伯利亚北部的麦索亚哈气田的过程中，发现了游离气藏产层上部储藏有面积和厚度都十分可观的水合物气藏，从而在实践中证实了地壳内存有天然气水合物生成带并可形成工业性水合物气藏。 前苏联关于天然气水合物的研究成果激发了世界各国石油天然气工业者的浓厚兴趣。70年代后，美国在深海钻探计划中不断发现海底的天然气水合物实物，其它国家如加拿大、秘鲁等也在陆地和海洋钻获了天然气水合物实物，证明海底同样埋藏有天然气水合物。并且，海底天然气水合物稳定带的面积大大高于陆地。世界海洋的90%～95%面积内(包括大西洋、太平洋、印度洋、黑海、里海等)都含有天然气水合物。进入80年代以来，有关天然气水合物的试验研究、普查勘探和开采试验以及发现水合物的报道几乎遍及世界各地。 虽然世界范围的天然气水合物的研究风起云涌，此起彼伏，文献上也常有成果报道，但总的看来，由于天然气水合物的特殊物理化学特性及所处的恶劣自然环境等因素，除前苏联的麦索亚哈气田的水合物气藏投入试验性工业开采之外，其它均处于室内试验研究、地质普查勘探和开采试验阶段，要想工业性地开采天然气水合物，尚需在理论研究和实践上作大量的工作。然而，可以预见，随着科学技术的飞速发展和能源需求的快速增长，水合物气这一巨大的非常规天然气资源在不远的将来将会发挥其应有的经济效益。 2 天然气水合物的形成条件 2.1 物理化学特征 自然界发现的气体水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色和暗褐色，呈层状、结核状、鳞片状、小针状结晶体或分散状。从结构化学上说，气体水合物就是甲烷与水的笼形结构物。理论上1m3甲烷气水合物可含164m3的甲烷气和0.8m3的水。从目前所取得的岩心样品来看，气体水合物可以以多种方式存在：①占据大的岩石粒间孔隙；②以球粒状散布于细粒岩石中；③以固体形式填充于裂缝中；④大块固态水合物伴随少量沉积物。 2.2 赋存条件 气体水合物是水和气体在高压低温条件下形成的，当海洋沉积物中的甲烷气达到一定浓度，500 m静水压力，海底温度5℃的条件下即可形成水合物。因此，海洋沉积物中决定气体水合物形成深度的主要条件是静水压力(水深)、沉积物表面温度、地温梯度和气体浓度。目前一般认为水合物保持稳定的条件是500～4000 m(压力为50～400个大气压)，温度2.5～25℃。因此，如果海底温度为2℃，沉积物中的地温梯度为0.035℃/m，则水合物在沉积物中的稳定深度为0～1000m。 2.3 气体来源 气体水合物的气体主要有4方面来源：一是大气中的气体溶解于海水，然后进人沉积物；二是沉积物中的有机质在细菌的降解作用下产生的气体；三是深部有机物在热裂解作用下产生并向上发散的气体；四是由火山作用或热过程产生的气体。由于天然气水合物存在于较浅的沉积中，因而大多是生物成因气体，特别是形成于大陆外缘的天然气水合物。 2．4 地质环境 适合水合物气形成储藏的温度压力条件的地质环境是高纬度永冻区(包括陆和近海)、大陆斜坡和大洋盆地。天然气水合物不仅可存在永冻层内，也可出现在冰点以上的永冻层下部。根据北极天然气水合物研究的综合资料，天然气水合物在永冻区地下埋深约130～2000m。 海洋底部是天然气水合物矿藏形成的最佳场所。大陆斜坡和隆起的浅部沉积层以及世界全部海洋的深海平原都具有天然气水合物生成的温度压力条件。有人认为，海底沉积物成岩作用形成的天然气主要不是分布在海水中，而是几乎全部以天然气水合物的形式保存于沉积物中。世界大洋水域中约有90％的面积都属天然气水合物形成的潜在区域。海洋上覆水柱的静水压力足以使气体水合物形成并处于稳定状态。海洋的天然气水合物；般是在洋底300～1000m深度的沉积层中。 3 天然气水合物的分布夺资源 地球上的天然气水合物蕴藏量十分丰富，首先是格陵兰和南极地带巨厚的冰川覆盖层下，那里是世界能源库所在地。大约27％的陆地和90％多的海域都含有气水化合物。在原苏联西伯利亚、远东、里海、鄂霍茨克海和波罗的海海底以及贝加尔湖湖底都取出了含气水合物的岩芯。美国地质调查局在大洋的大陆斜坡沉积物中以及由北极永冻层中发现了巨大体积的天然气水合物。美国和加拿大沿海地区气水合物蕴藏量达数百亿立方米。此外新西兰、印度、日本等国的深水钻探数据证实了气水合物储藏于海底和洋底的说法。前不久，科学家们在南美的危地马拉海岸约240 m深的地方也勘探出大量的气水合物。 据最新资料，迄今已至少在全球116个地区发现天然气水合物。其中陆地38处(永久冻土带)，海洋78处：含美国12处；日本12处；俄罗斯8处；加拿大5处；挪威、中国、墨西哥各3处；秘鲁、智利、巴拿马、阿根廷、印度、澳大利亚、新西兰、哥伦比亚各2处；巴西、巴巴多斯、尼加拉瓜、危地马拉、委内瑞拉、哥斯达黎加、乌克兰、巴基斯坦、阿曼、南非、韩国一处；南极永冻带5处(部分发现地见表1)。这些发现大多数是通过对地球物理资料的解释——如获得地震BSR标志确定的；又主要是由ODP(国际大洋钻探)和DSDP(国际深海钻探)钻探的成果予以证实的：其中15处通过钻井取样确认；8处通过钻井测井发现；8处应用活塞取芯和重力取芯器发现。 天然气水合物资源量目前世界上尚无法准确计算。据原苏联科学家的初步估计，大陆上处于水合物状态的天然气资源达到1014m3，而在水域内则有15×1015m3；根据美国地质学家的资料，现代天然气水合物的天然气总资源量为1015m3，也就是说，超过了包括煤炭在内的所有已知的可燃矿产的储量。据28届国际地质大会的资料，天然气水合物的储量极为巨大，据估计可能达到28×1013m3。而据原苏联科学院院士A.A.特罗菲姆克计算，世界洋水合物生成带所产气的储量约为85×1015m3。这一数量与当时美国学者的计算结果大致吻合(1979)。1988年Ian Ridley和Kathy Dominic在《Gas Hydrates Keep Energy on Ice》文中介绍。“苏联科学院的Макотон研究组估计仅在海洋环境中的气水合物就含有5.6×1018m3天然气，而美国学者估计在美国大陆边缘的气水合物含有7.2×1014 m3天然气”。总之，尽管上述说法不一，或即使这些估计含有很大的水分，但与常规天然气田的储量相比，气水合物中的潜在天然气资源量显著是极其巨大的。 4 国外天然气水合物基础研究现状 本世纪80年代以来，国外在气水合物的研究方面进展很大，成果很多。根据中国科学院资源环境信息中心对英国《地质文摘》、俄罗斯《地质文摘》和美国《地球物理文摘》等检索工具书的调查统计，从1990年起，全世界每年公开发表的有关气水合物的科学论文至少在20篇以上。刊登此方面文章最多的杂志是Geology(美国)、Earth & Planeary Science letters(荷兰)、Геопогический Журнал(俄罗斯)和Journal of Geophysical Research(美国)。发表文章最多的国家是美国、俄罗斯、加拿大和日本等。其间，也不乏水合物方面的专著和会议论文集。 近年来国际大洋钻探项目(ODP)以及由德国基尔大学海洋地球科学中心的E.Suess教授负责的德国、美国、加拿大和俄罗斯4国的一个国际合作项目(TECFLUX：tectonic flux项目)在对海洋气水合物的勘探、取样和多学科的综合研究方面取得了一系列的突破性新进展和成果，发表了一系列与气水合物有关的涉及有机化学、无机化学、测井、地质背景、地震学、沉积学、古生物和古海洋学、微生物学以及取样技术探讨等几十篇文章。 目前，关于天然气水合物的研究主要包括以下几方面： (1) 天然气水合物的结构和物理化学特征； (2) 天然气水合物赋存条件及其在沉积物中的产状； (3) 天然气水合物的成藏过程； (4) 天然气水合物的气体来源和成因； (5) 天然气水合物的分布和资源前景； (6) 天然气水合物的地球物理勘探方法； (7) 天然气水合物的开采条件和方法； (8) 天然气水合物的动力学特征及其对环境的影响。 5 国外天然气水合物勘探开发现状 5.1 国外天然气水合物勘探项目和勘探现状 大致统计，目前至少已有30多个国家和地区针对天然气水合物进行了调查和研究，有相当投入，已经取得了重大发现。 (1) 以美国为主的深海钻探计划/大洋钻探计划(DSDP/ODP) 深海钻探计划始于1968年。大洋钻探计划的前身是1975年开始的国际大洋钻探项目，1985年大洋钻探计划正式实施。1998年4月我国与美国国家科学基金会签署谅解备忘录正式以六分之一的成员国的身份加入大洋钻探计划。深海钻探计划的气水合物目标是DSDP66线(太平洋大陆边缘、南墨西哥滨海带、中美洲海槽)、DSDP67线(太平洋大陆边缘、危地马拉滨海带、中美洲海槽)、DSDP76线(大西洋大陆边缘、布莱克外海岭、美国东南滨海带)、DSDP89线和ODP96线(墨西哥湾等)。大洋钻探计划的气水合物目标是ODP112线(太平洋大陆边缘、秘鲁—智利海沟)、ODP146线和ODP164线(美国东南陆隆区布莱克海岭)等。 1968年，美国在布莱克海脊实施了针对天然气水合物的深海钻探并由ODP164航次通过保压岩芯取样器(PCS)获得了气水合物实物样品，达到了对地球物理解释成果BSR及其稳定带现象进行验证的目的；由此计算了布莱克海脊26000 km2的范围内气水合物与游离气资源量4×1016 g或35 GT碳；按1996年全美天然气消费量参照计算可满足美国今后105年的需要。目前，美国已将天然气水合物的勘探与开发纳入其国家发展计划。它在天然气水合物调查、研究和开发除开发前实验以外的几乎所有领域保持领先地位。美国现在年经费投入为2000万美元，计划到2015年实现商业性开采。 (2) 阿拉斯加天然气水合物研究项目 从1983年起，美国地质调查局和前苏联地质部在美国能源部资助下，联合进行了该地已知水合物气藏的资源潜能评价。该项目第一阶段完成于1988年，主要是对描述阿拉斯加北部水合物产状的一些已有数据进行评估，并分析了控制天然气水合物分布的地质条件。第二阶段是前段工作的继续，现场研究包括温度测量和钻孔重力测量、露头和井眼取水样分析，露头和井眼取地质、地球化学样品分析。初步建立了描述该地区天然气水合物的可能成因模式、埋藏深度、厚度和区域分布及资源量等参数，为今后的进一步勘探开发作了大量前期工作。目前，有关该地区水合物气藏的产状、开采技术和经济评价等研究仍在继续。 (3) 日本开发天然气水合物计划 为缓解依赖进口石油和天然气的矛盾，日本对开发本国近海的气水合物资源期望值很高，1994年，日本通产省地质调查局，加上10家石油公司共同组织参加了“天然气水合物研究及开发推进初步计划”，年投入3 000万美元计划安排：①1996年完成对气水合物的地球物理勘探；②1997年完成示范井(阿拉斯加)；③1999年打勘探井(南海道海沟和鄂霍茨克海)；④2000年开始开采气水合物。 至今已在日本周边完成了高分辨率的地震调查；在南海海槽的局部地区完成了三维地震与大地热流(利用2 m长热流探针)测量等，先后钻井6口，终于获得了天然气水合物样品，圈定了12块远景矿区，总面积达44 000 km2；其中在南海海槽静冈县御前崎近海计算了天然气水合物储量达7.4×1012 m3，相当于日本140年消耗的天然气总量。目前，以日本为主导在加拿大西北部永久冻土带的麦肯齐河三角洲Mallik2L-38井已经完成了钻探以工业性开发天然气水合物为目的的实验井。据悉，日本计划到2010年对其海域气水合物资源实施商业性开发。 (4) 四国联合国际合作项目(tectonic flux项目) 这是一项德国ESuess教授为首的德国、美国、加拿大和俄罗斯4国的合作项目。他们对东太平洋Cascadia聚合边缘的水合物海岭(Hydrate Ridge,44°40′N，125°06′W)用较小考察船(如德国太阳号)进行了利用多项高科技手段的综合考察和采样站位的选择。他们在1996年和1999年用巨大抓斗在约800m水深下的海底浅表沉积物处(约50 cm深)取到了大量的层块状气水合物，以及一些小结核和小块状气水合物。1999年用多管重力取样器还取到几个有气水合物的重力岩心柱(50～150cm长)。从深钻和浅层取样的成功，使人们有可能对自然的海洋气水合物从不同角度开展研究，对其组成和成分、产出状况、在沉积物中的分布等一系列相关问题进行研究和探讨。 (5) 其它国家天然气水合物勘探现状 俄罗斯也是最早发现和开展全方位天然气水合物调查研究和评价的国家之一。除了在其领海(鄂霍茨克海、白令海、里海、北冰洋等)关于重大天然气水合物发现和研究以外，俄罗斯很早就拥有从西西伯利亚永久冻土带麦索亚哈天然气水合物气田采掘天然气的经验，并且已在淡水湖泊——贝加尔湖沉积物中发现天然气水合物聚集和在里海海域1 950 m水深处发现冰状水合物晶体，俄罗斯科学家A.A.特罗费姆克、H.H.切尔斯基和Β.Π.查廖夫最早评价了海洋天然气水合物。 加拿大在胡安—德富卡洋中脊斜坡区的工作引人注目，水合物评价储量1800亿吨石油当量。在加拿大西北部永久冻土带钻探的麦肯齐河三角洲Mallik2L-38井深1150 m取得的37m岩心保留了天然气水合物层序互层的特征。 印度是发展中国家，它对天然气水合物调查和研究十分重视，投入相当于9000万元人民币/年(1996~2000)，目前已分别在其东、西部近海海域发现BSR标志性地震反射。 韩国视天然气水合物研究为其最为重要的研究学科之一。首先由地质矿产与资源研究所于1997～1999年度在其Ulleung(郁龙)盆地的局部地区完成了天然气水合物的地球物理调查，由此确定了气水合物矿床存在的可能性。之后其MOCIE(商业、工业和能源部)制定了天然气水合物的长期规划蓝图。目前(从2000年开始)已在执行该规划调查和研究三阶段任务的第一阶段五年计划。其中，主要工作将是完成其管辖海域内的区域地球物理调查和评价。目前，韩国已在郁龙(Ulleung)盆地东南部的陆架区和西南部的斜坡区发现了变形的BSR，并在BSR之下发现大规模浅层天然气。 5.2 天然气水合物勘探方法 目前采取的天然气水合物勘探方法主要有以下几种： (1) 地震勘探方法 地震方法是水合物行之有效的勘探方法。其实质就是发现BSR。自20世纪60年代后期以来，许多学者在研究海相地震反射剖面时，都注意到了大致与天然气水合物理论稳定带基底相对应的深处，存在地震波反射的声速异常。此类反射层大致与海底平行，一般称之为“海底模拟反射层(BSR)”。海底模拟反射层，可认为是充填天然气水合物的沉积层和可能含有游离气或水的沉积层之间的界面有关。天然气水合物层的稳定区域边界有其特定的压力温度面，该温度限定了水合物气层的最大深度。虽然海沉积物的压力不会急剧变化，但由于海底地温梯度的限定，深海沉积物的温度变化很大。因此，不规则的海底可造成指示天然气水合物稳定区域基底的近似等热面的不规则。有人认为，BSR出现的海底深度就是天然气水合物稳定边界所需的压力温度条件。由于沉积层不一定平行于海底，所以BSR常常穿过层面反射，很容易识别。 (2) 测井识别方法 水合物气层在测井曲线上有下列显示：①泥浆含气录井有气体显示；②自然电位偏移；③声波速率增大；④电阻率偏高；⑤长电位与短电位分离；⑥井径过大，有孔洞；⑦中子孔隙度增大；⑧钻速降低。 (3) 钻井取芯及室内分析 钻井过程中通过观察钻井泥浆中充气和短时间的排气现象(特别是水合物气藏有氮帽时)来发现水合物层。但是最好还是采用取样器取岩芯并用专门的除气器对岩芯进行分析。因为天然气水合物在大自然中的分解过程要持续数小时。根据这一特点，可直接证明有无天然气水合物。由于在钻井和取芯过程中的压力温度变化，天然气水合物分解成水和气体，因此对取芯筒和泥浆都有特殊的要求，一般采用冷却泥浆钻井和保压岩芯筒取芯。岩芯取出后仍保留在保压岩芯筒内，然后在1℃温度下进行压力测试，随着气体从岩芯筒内抽出，压力下降，但是当系统关闭，压力随后又升至理论的气水合物平衡压力，说明岩芯含有水合物气。 5.3 国外天然气水合物开发方法和现状 (1) 开发方法 天然气水合物藏的开采原理是先将气水合物分解成气和水，然后再收集气。采掉游离气，层压下降，平衡被破坏，气水合物开始分解，层温迅速降低。继续采气或者补充热量提高层温，平衡继续破坏。加注药剂，也可使气水合物温度的稳定性大大降低。例如：麦索亚哈气水合物藏在试验性工业开采过程中，通过向气水合物层底部加压输入甲醇来促进天然气生产，这引起了气水合物的部分分解，并使游离天然气层的厚度增加，并在天然气生产过程中阻止了气水合物的重新生成。以加注甲醇的方法开采气水合物藏是增加了投入，于是又出现了热水法开采水合物藏的想法。假若气水合物藏底下有流量很大的热水层，那么用热水法开采气水合物藏的效果就会提高。让热水依靠压差从深层上升到下伏产层，热量就会由此扩散到整个含水合物层，由于热交换热水合物发生分解，就可用常规方法开采水合物分解气。 (2) 开发现状 原苏联是第一个成功地开采天然气水合物的国家，在第28届国际地质大会上曾介绍过麦索亚哈天然气水合物田情况。该气田位于西西伯利亚Yenisei-Khatanga坳陷中，背斜构造面积230 km2，天然气属热解气，由构造以南深凹陷中的侏罗系内生成，储层为白垩系砂岩。天然气部分从气藏内沿断层向上运移至第四纪地层中，由于低温和高压，形成了像冰一样的固态水合物。由于永久冻土层的低温，使气藏上层的天然气水合物能以稳定的形式存在。由于下部游离态气藏中的天然气被生产开采后压力逐渐降低，当压力低于水合的稳定压力68 kPa时，水合物分解，分解的天然气重新加入到下部的游离气储集层中，使下部气藏的压力得以保持，可回收的天然气总量不断增加，并延长了天然气田的开发期限。该气田的储量估计为370×108～4000×108m3，最可能的储量值为800×108m3。由于水合物的存在，使气田的储量增加了78%。气田的最高年产量为21×108m3。至今已从该气藏的游离气中大约生产出80×108m3天然气，从分解的水合物中生产出约30×108m3天然气。当初以游离态形式存在的天然气已被采空，现在的所有产量都来自水合物。 除前苏联的麦索亚哈气田外，只有美国在普鲁德霍湾—库帕勒克河的一口井天然气水合物层的中途测试中获得过有关水合物气藏的生产数据。 6 国内天然气水合物研究现状 国外天然气水合物的研究和勘探已引起了国内学者的关注，国内许多杂志对之方面资料进行过报导，1992年中科院资源环境信息中心出版了《国外天然气水合物研究进展》一书，1998年《天然气地球科学》杂志编辑了《天然气水合物专辑》。同时，国内也召开过若干次关于天然气水合物的研讨会。 国内在天然气水合物研究方面尚处于刚刚起步的水合物合成的室内试验阶段。1990年，中国科学院兰州冰川研究所冻土工程国家重点试验室科研人员与莫斯科大学冻土专业学者进行合作研究，率先在国内开展了天然气水合物的室内人工合成试验。合成试验采用甲烷气体和蒸馏水为原料，将其放入高压容器并在恒温、恒压条件下进行。1991年，该试验室进一步试验，得出了一定温度下甲烷水合物合成的最低压力及一定压力下合成甲烷水合物的最高温度。 国内天然气水合物勘探工作主要始于“九五”期间，大致包括前期调研评价阶段与目前的调查研究评价阶段。迄今为止已在东海海域、南海海域发现天然气水合物BSR反射标志。2000年，广州海洋地质调查局在南海海域采集了部分天然气水合物的地震资料，正在处理，已识别出BSR的存在。最近据国土资源部海洋地质研究所许红资料：“中国海域已发现多处天然气水合物可能赋存地区，包括东沙群岛南部、西沙海槽北部、西沙群岛南部以及东海海域地区。姚伯初报道了南海地区9处地震剖面速度异常值的发现，海水深度为420～3920 m，本文则解释了东海海域典型BSR反射的剖面，其具有速度异常、弱振幅、空白反射、与下伏反射波组具不整合接触关系(VAMPS)等特征，表现为三种反射类型，大致圈定了它们的分布范围。表明在中国海域寻找天然气水合物具有光明的前景”。 7 建议 从上述资料可见，天然气水合物是一种有巨大价值的未来能源。我国多年冻土地区面积约占全国总面积的20%，海域辽阔，天然气水合物对我国来说也是一种很在希望的新型能源资源。国家应以攻关项目形式，借助国家资金及其各油气公司联合开展天然气水合物的研究工作和设立天然气水合物勘探开发试验区，例如我国煤层气勘探工作就是由国家攻关项目的试验区发展到现在的企业行为。 建议研究的主要问题包括：①研究天然气水合物的物理化学特性与天然气水合物矿藏的地球物理、地球化学勘探方法；②预测与揭示天然气水合物在我国水域和陆上的可能形成区域；③预测我国天然气水合物资源前景；④研究从天然气水合物矿藏中开采天然气的有效方法。 |