天然气水合物的形成与识别

ISsN1009-2722Marine geology Letters海洋地质动态2006,22(10):14—19文章编号:1009-2722(2006)10-0014-06天然气水合物的形成与识别师生宝(中国石油大学(北京)资源与信息学院,北京102249)摘要:探讨了天然气水合物矿藏的形成条件和机理、水合物矿藏的聚集方式。天然气水合物的形成除了必要的气体和水,还需要一定的温压和地质条件;其形成机理可用高渗漏系统和弱渗漏系统来解释;天然气水合物在沉积物中主要以构造聚集和地层聚集的方式存在。综述了天然气水合物矿藏的识别方法。关键词:天然气水合物;研究现状;形成;聚集;识别中图分类号:P744.4文献标识码:A气体水合物是一种类似于冰状的结晶矿件,天然气水合物藏可达全部水面积的30%以物,自然界水合物颜色主要为白色,少数因含不上。据估计,天然气水合物中有机碳含量是同成分而呈淡黄色、黄色等颜色。它是由非极地球上化石燃料(煤、石油、天然气等)有机碳量性的烃类小分子或非烃类小分子(<0.9mm)的2倍之多,其巨大的资源量给能源日益短进入由水分子形成的笼状结构而形成的。天然缺的人类带来希望。气水合物存在3种基本晶体结构13:立方体I型、菱形立方结构Ⅱ型以及六方体结构H1天然气水合物的研究现状型。I型在自然界中分布广,但Ⅱ型和H型更稳定一些。3种结构的天然气水合物结构式都1.1国外天然气水合物研究现状可表示为Gas·nH2O(n约为6),n随着结构的不同而略有变化。通常所说的气体水合物主水合物早在18世纪就被发现,20世纪30要指天然气水合物,其中甲烷水合物占据了最年代人们在天然气管道中发现了堵塞管道的主要的部分。从物理性质来看,天然气水甲烷水合物。1965年前苏联在西伯利亚发现合物的密度接近或稍低于冰的密度,为0.90梅索亚哈气田,被认为是由天然气水合物产生0.91g/cm3,介电常数和热传导率均低于冰。的。20世纪70年代开始的DSDP和ODP对在常温常压下,1m3的天然气水合物可以分解天然气水合物研究做出了巨大贡献,通过海底出164m的甲烷和0.8m的水。天然气水的钻探和探测,发现了大量代表天然气水合物合物广泛分布于世界各大洋的陆坡、水下高地存在的证据,并钻井取样,如ODP164和边缘海、内陆海和内陆深湖泊以及两极永久冻ODP204航次等。最近的IODP31l航次也是土带和其他陆上永久冻土带2],其中海洋天然研穷海洋水合物为目的。当前国外在天然气气水合物占了99%以上。研究表明,90%的中国煤化工要是以勘探和试验性的大陆边缘海域具备水合物生成的温度和压力条CNMHG,以及开发和研究新的工具,为将来工业开采奠定基础收稿日期:2006-08-101.2我国天然气水合物研究现状及其分布作者简介:师生宝(1979—),男,在读硕士,资源地球化学我国天然气水合物的研究起步于上世纪第22卷第10期师生宝:天然气水合物的形成与识别1580年代,从20世纪90年代中后期才真正开始体既有生物成因,也有热成因,或者是二者的混了我国海域及陆上冻土地区的水合物勘探工合。作,近年来在天然气水合物方面作了大量工2.2天然气水合物的形成条件作南海具备良好的天然气水合物成矿条2.2.1充足的天然气和水件8,即宽阔的大陆坡、巨厚的沉积物、丰富形成天然气水合物必须有充足的气源和水的有机质和适宜的温压条件。新生代沉积物中源。气源一是来自当地生物代谢,二是异地或有机质含量丰富,已发现了众多油气田,为该区深部油气藏中的气体通过断裂、砂体运移而来。天然气水合物的形成提供了充足的气源。地层水、火山喷发以及岩浆上侵携带的水都可ODP184航次在中国南海北部东沙海域的1144为天然气水合物提供水源站位和1148站位的地震反射剖面显示有明显2.2.2合适的温压条件指示水合物存在的BSRs,说明在这些地区可天然气水合物形成和存在于温度小于300能存在天然气水合物。当前对南海中央海盆水K,压力大于0.6MPa的环境之中3深4km的地区进行资源量估计结果为(5.5理想的地质条件天然气水合物的形成与地质条件关系密位于冲绳海槽的深水海域——东海陆坡适切,如岩性、沉积速率、有机碳含量、沉积环境宜天然气水合物的形成。与南海相比,东海的等。研究发现1,天然气水合物主要产于勘探程度较低。在东海陆坡地域地震资料显示沉积速率较快旳新生代地层中,尤其是古近系有BSRs和双重BSRs的反射的上新统和第四系为主,这些地层有沉积速率青藏高原多年冻土面积占高原总面积的—髙、地层松散和沉积物孔隙度大的特征。其储半以上,是天然气水合物赋存的有利地区。在集层主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩羌塘、可可西里等盆地中广泛分布的烃源岩可砂岩及砂砾岩Ⅵ。海底天然气水合物存在于以为天然气水合物提供充足的气体来源。陈多水深300~4000m的海底沉积物中,而其赋存福等研究认为,青藏高原多年冻土具备天然沉积物一般在海底以下0~1500m。气水合物形成条件,且可能具有丰富的蕴藏量2.3天然气水合物成矿机理估计多年冻土区天然气水合物资源量约为1.210~2.4×10m。2.3.1天然气水合物中甲烷的成因天然气水合物中的烃类气体既有来自相对2天然气水合物的形成浅层的有机物质的微生物代谢产物,也有较深层的有机质热降解产物1。前者绝大部分是CH4气,含有少量的乙烷和微量的丙烷气体,2.1客体分子的来源特点是C和D缺失(δCcm<-55‰(PDB)天然气水合物中的气体主要有两种来源。8D<-200%‰(SMOW)。后者热成因的气体则种气体是源于分散于整个天然气水合物稳定有二定量的C2烃类气体,且富集C和D同带(GHSZ)的有机质,主要是以甲烷为主的微中国煤化工PDB),aD>-200%生物降解产物,其形成天然气水合物时运移的CNMHG距离一般较短(约几十到几百米)2;另一种气2.3.2天然气水合物成矿机理体是源于GHSZ下深部的油气聚集区和成熟海洋中的天然气水合物成矿机理都可以用烃源岩,其一般会沿着断裂带、泥火山或其气体渗漏机理来解释1。他构造输导体系运移到上部的GHSZ,这种气(1)强渗漏系统Marine Geology Letters海洋地质动态2006年10月强渗漏系统指以甲烷为主的烃类气体与其系,通常能形成有工业开采价值的天然气水他流体一起在压力梯度、温度梯度等的驱动下,合物藏。沿沉积物中的孔、缝进入到主通道内,并向上继续运移最后在温压适宜的地方聚集形成水合3天然气水合物的识别物矿藏。其形成的天然气水合物分布集中,聚集密度大,具有实际开采价值。3.1天然气水合物的识别(2)弱渗漏系统弱渗漏系统指天然气水合物的形成过程是似海底反射BSRs是20世纪70年代初英气体在沉积物缓慢扩散,在合适的条件下形成国地质调查所的科学家在美国东海岸大陆边缘水合物。弱渗漏形成的水合物聚集范围广、密所进行的地震探测中发现的。通常BSRs是由度小,开发利用价值不高。但如果周围地质环天然气水合物稳定带(GHSZ)底界的游离气引境发生变化,如挤压变形等作用,可形成如强渗起的卲,是含水合物沉积层与游离气沉积层分漏系统中气体运移的通道,从而聚集成密度较界。当有天然气水合物存在时,BSRs通常表高的水合物矿藏。现为以下特点:与海底近似平行的地震反2.4天然气水合物的聚集射;与下伏地层呈斜交;与海底反射极性相反;常存在地震振幅空白带等天然气水合物的聚集受其地质条件、气体运用BSRs来识别天然气水合物要注意以来源等因素的影响,可分为构造聚集和地层聚下几点2集①天然气水合物与BSRs并非一定存在2.4.1地层聚集对应的关系自然界中的天然气水合物主要以地层聚集②BSRs受构造、沉积、有机碳含量以及水的方式存在。地层聚集是指当地或经过短距离合物的含量等因素的影响,其存在不仅仅需要运移气体在孔渗性较好的沉积层中形成的水合有含量达20%的水合物地层,而稳定带还要存物矿藏。烃类气体是从周围富含有机物的泥中在含量不小于10%的游离气地层;或较深的沉积物中通过扩散的方式进入GH③高沉积速率、构造抬升等有助于BSRsSZ。其聚集特征为低浓度的水合物分散于的形成。GHSZ的下部。大部分的地层聚集水合物只占3.2速度和振幅结构(ⅤAMPS)沉积物孔隙的2%左右。2.4.2构造聚集速度和振幅结构在地震记录上由“下拉”现构造聚集的水合物矿藏主要是异地的烃类象和之上的“上拉”现象共同组成。 VAMPS的气体从底部深处沿断层、渗透砂层或盐层、泥火出现表明存在天然气水合物和下伏的游离山以及油气藏顶部的气烟简等通道快速运移进气3。在平缓广阔和海底沉积物地震剖面上入到GHSZ聚集形成。构造聚集特点是能在BSRs难以识别,但 VAMPS却可以很好地判面积较小的地区形成相对高浓度聚集的天然气识天然气水合物的存在与否,因为它被认为是水合物,一般会占据沉积物孔隙5%以上的空中国煤化工彡成的天然气水合物引间,甚至有些可能达到100%。由于在海底附CNMHG近气体溶解度和温度的降低,构造聚集的天然气水合物趋向于在GHSZ的上部沉淀,而不是3.3测井GHSZ的主体部分。构造聚集水合物矿藏通常在海洋环境中,大量的天然气水合物的聚与泥火山、泥底辟、断裂带等地质构造有关集可通过高电阻率(>100Ω.m),短的声波传第22卷第10期师生宝:天然气水合物的形成与识别播时间(82~85μs/ft)、低体积密度(1.05中,线性的、陡的硫酸盐梯度和浅的硫酸盐—甲g/cm3)和泥浆测井中强烈的气体涌出来识烷界面通常是天然气水合物存在的标志别。新一代测井仪器已可对天然气水合物的探測提供较精确的评价。随钻测井仪(电阻率、声3.5同位素地球化学方法波、密度)可在天然气水合物分解之前提供最研究认为,稳定同位素32He/He早期的探测并获得高质量的数据。介电测井可δ8O、δC和δD,δ3S,δLi和δ1B等的异常与以很好区分冰和水合物,核磁共振测井可以定天然气水合物的存在有关系。天然气水合物的量天然气水合物241结晶会引起同位素的分馏.两相分馏导致重同3.↓常规地球化学方法位素浓集于固相,使孔隙水中的重同位素降低但随着孔隙水的上渗,孔隙水中的重同位素值3.4.1沉积物全岩热释光分析会随着深度的增大而增大。大洋沉积物孔隙水沉积物全岩热释光测量是以烃类形成或分中的轻Li和B同位素被沉积物优先吸附,使得解后产生的标志性矿物为探测对象。天然气水孔隙水中富集δLi和σB,故随着深度旳増合物形成时,伴随着产生自生碳酸盐和硫酸盐加,水合物矿附近沉积物物中的Li和B减少等标志型矿物。由于不同成因矿物的热释光峰δLi和δB增加的数目、形状等各不相同,因此可通过对这些矿物进行热释光的测量确定矿物形成的条件、成3.6生物群落和自生矿物岩特征等2.0在天然气水合物存在的地区,常常能见到3.4.2酸解法测定吸附烃类气体双壳类和厌氧菌席等的存在,这些生物以天然酸解烃是常规油气地球化学勘探方法之气水合物溢岀的天然气,尤其是甲烷为食,故可,在样品的晾干过程中,游离烃基本全部损作为天然气水合物存在的间接指示。失,酸解法可以收集到以吸附的形式存在于沉海底天然气的渗漏在以烃类为食的细菌作积物中的烃类物质。这种常规方法同样可以用用下,变成二氧化碳,与孔隙水中的钙、镁和铁于检测水合物附近沉积物的烃类气体21。等离子结合而沉淀为冷泉碳酸盐岩。这种3.4.3沉积物含水量异常碳酸盐沉积物在形态上多呈结核、结壳、岩隆由于天然气水合物形成会吸收周围的淡等,且自上而下呈带状分布,浅部主要为碳酸盐水,故远处的水就会过来补充,造成天然气水合沉积,深部主要是孔隙水沉淀形成的自生菱铁物附近水含量增髙。故可把沉积物样品的泥浆矿。在厌氧的海洋沉积物中,硫酸盐还原作用化视为天然气水合物存在的一个标志2。是最重要的再矿化过程。研究表明,大陆边缘3.4.4孔隙水中离子浓度异常深水沉积物孔隙水中硫酸盐含量的变化也许可天然气水合物的形成具有排盐作用,使得以更好地指示天然气水合物的存在。周围孔隙水中的氯离子浓度增高8。相反,天3.7滑塌体然气水合物的分解会使周围孔隙水中的氯离子浓度降低,在水合物层,孔隙水的氯离子浓度滑塌体的发育为天然气水合物的存在提供(0.51‰~8.2‰)一般大大低于海水氯离子浓中国煤化工滑塌作用,使局部区域度(~19.8‰)。硫酸根离子(SO2-)28浓度随CNMHG局部的压力屏蔽效应深度的增加而降低。在微生物作用条件下,沉如果此时有充足的水和气体,天然气水合物便积物中硫酸盐与甲烷发生化学反应,造成沉积较易形成3。另外,由于地震和地质环境变化物孔隙水中硫酸盐含量下降和表层沉积物中某引发的天然气水合物的分解是造成大型海底大些气体异常(如CO、H2S等)。在海底沉积物滑塌的主要原因3。一些海底滑塌区附近的18Marine Geology Letters海洋地质动态2006年10月地震资料显示,许多正断层向下收敛于天然气气水合物的成因、形成、成藏条件等进行研水合物稳定带底界面或这个界面附近,说明这究23.30,31的方法。些滑塌与天然气水合物有关4.2天然气水合物的开发3.8泥底辟或泥火山天然气水合物的开发目前主要还是以试验泥底辟是由深部流体侵入到浅层沉积和模拟开采为主。当前理论上可用的方法主要物形成的,当它刺穿地表时,则成为泥火山。海有:热刺激法、减压法、加入化学试剂法、置换法底泥火山存在两个成因,一是被动大陆边缘和等,3。这些方法各有优缺点,成本高,开发地中海式陆表海的深海部分中的高速沉积作后对地质环境的影响较大,还有待完善和改进。用;二是活动大陆边缘的后期构造挤压作用因此海洋泥火山广泛存在于陆棚、陆坡、岛坡以5结语及內海的深水部分。 Ginsburg等在1984首先提岀两者有联系,随后在黑海、地中海、挪威海天然气水合物是本世纪最有潜力的能源之以及墨西哥湾等地相继发现了与水合物相关的以当前勘探程度和现有资料来推测资源量泥火山。泥火山的形成常与流体的运移有关巨大。但在全世界范围内,大多数天然气水合系,当有断裂带存在的情况下,含有大量水物是以地层聚集的形式存在,这些资源是无法和气流体与泥一起在压力梯度的驱动下沿断裂被开采利用的,只有那些在特殊地质构造下聚带运移,到达海底形成泥火山。泥火山地区的集成天然气水合物矿藏的水合物,才可以被开天然气水合物体积通常占沉积物体积的1%~发利用。地震活动带和火山活动带由于与水合35%属较高水合物浓度聚集,工业开采价值物的形成有关系,将是寻找天然气水合物矿藏高有利地区,另外常规油气藏顶部浅层和周围地区也是水合物聚集的有利地区。我国南海北部4天然气水合物的勘探与开发海域气源充足、水深适中,适合天然气水合物聚集成藏,而断裂带发育的常规气藏周围地区将4.1天然气水合物的勘探是寻找水合物矿藏的关键部位目前采用的地球物理勘探方法主要有地参考文献:震、测井、海底电磁测量3、地球化学以及钻井1 Sassen r. MacDonald.R. Evidence of structure H hy取样等勘探技术。至今发现的天然气水合物藏drate. Gulf of Mexico continental slope[ J], Organic G有一半以上是通过地震探明的。地震波在天然,22(1994):1029-1032气水合物稳定带与游离气区间形成BSRs3,[2] Kvenvolden K.,A. A review of the geochemistry of在水合物聚集带出现“空白”—地震波强反射methane in natural gas hydrate [J. Organic Geochem的标志。测井方法进行天然气水合物的勘31sonE. Dendy, Clathrate hydrate measurements:mi探实际上是将常规油气测井勘探搬用过来。由soscopic, and macroscopic[J]. Chem于其特殊性,通常会用一些特征的测井技术来中国煤化工5:4153提高对其识别和评估。目前世界上用于天CNMHGntial distribution of methane然气水合物取样的设备主要有:活塞式岩芯取hydrates in the world's oceans [J]. Glob Bio-GeochCycl.,1994,8:335-347.样器、保温岩芯取样器、保压若芯取样器51MxM.O.sa. Oceanic methane hydrates: A"f(PSC)、水温探测仪等。地球化学勘探是在钻tier"gas resource [J]. Petroleum Geol.,1996,19:41-井取样技术的基础上用地球化学的方法对天然第22卷第10期师生宝:天然气水合物的形成与识别6〗杨文达,陆广才.东海陆坡一冲绳海槽天然气水合物zed core [J]. Earth and Planetary Science Lette探[].海洋石油,2000,4:23-28.829-843[7]宋海斌,耿建华, WANG How-King,等.南海北部东沙「20A. R. et al. 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