天然气水合物勘查识别与实验技术.pdf

第 2 9 卷第 9 期 天然气工业 天然气水合 物勘查识别 与实验技术 魏 伟 张金华 孙 爱 吝 文 王 莉 胡旭健。 1 ． 中国石油勘探开发研 究院廊坊分院 2 ． 中国地质大学 J L 京 工程技术学 院 3 ， 中国石 油冀东油 田公司能源 开发 有限公司 魏 伟等 ． 天然气水合物勘查识别 与实验技 术． 天然 气工业， 2 0 0 9 ， 2 9 9 1 2 3 1 2 5 ． 摘 要 自然界 中的天然 气水 合物广 泛分布于海洋 陆棚与斜坡 区域 以及 陆上永久 冻土 带， 而在 自然界 中如何 勘 查识别水合物并掌握其属性 显得极 其重要。为此介绍 了天 然气水合物 的物理 性质及其 资源分 布， 探 讨 了天 然气 水合物主要的勘查识别技 术。其 中， 地球 物理 识别 及地球化 学识别技 术 占据 主导地位 ， 似 海底反射 层 B S R 、 振 幅 空 白反射带 以及烃类异 常等特征对天 然气水合物 的存在有着 较好 的指 示作用 ； 模拟实 验技术是 天然 气水 合 物研 究 的基础技术之一。加强勘查识别技术 和实验技术的研 究， 对认识天然 气水合 物的分布 规律 、 物理 、 化学 性质等有 着 重 要 的 指 导 意 义 。 ． 关 键词 天然气水合物 勘 查识别 资源分布 B S R地球物理 地 球化学 实验 室实验 D0I l O ． 3 7 8 7 ／ i ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 0 9 ． 0 9 ． 0 3 5 1 天然气水 合物 物理性质及资源分布 1 ． 1 天然 气冰 合物 结构 与物 理性 质 天然气水合物是在一定 的压力和温度条件下 ， 由水分子形成的空穴吸附小分子烃类气 体而形成 的 一 种笼形 结 晶化 合物 。在 自然 界 已经 发 现 的三种 口 ] 结 构 的水 合 物类 型 结 构 I型 、 结 构 Ⅱ型 和 结 构 H 型 中， 结构 工型的笼架 以立方体形堆 积， 只容纳较 小烃 分子 以及 C O 、 H S等非 烃分 子 ； 结 构 Ⅱ型 的笼 架 以菱形堆积 ， 不仅 能容纳小分 子烃 ， 而且可容 纳 C 、 i - C 等大分子； 结构 H 型为六方晶体结构， 可直 接包 容直 径超 过 i ～ C 的大分 子 。 天然 气水 合物 的物理 性质 与 冰之 间有 一 定 的相 似性 ， 利 用 水 合 物及 其 充 填 的分 散 介 质 的 这 些 热 导 率和温度传导率等相关 属性， 可进行海洋沉积物 中 天然 气水 合物 藏 的普查 和勘 探 。 1 ． 2天 然气 水合 物 的资源 分布 目前 已发 现 的天 然 气 水 合 物 主要 分 布在 大 陆 、 岛屿的斜 坡地 带 、 活动 和被 动 大 陆边 缘 的 隆 起处 、 极 地 大 陆架 以及 海 洋 和 一 些 内陆 湖 的深 水 环 境 ， 以及 陆 上永久 冻 土 区域 。 1 ． 2 ． 1全球 资 源分 布 目前 已调 查发 现 _ 2 。 ] ， 天然 气 水 合 物 的 主要 分 布 地 区在 太平 洋 、 大 西 洋 、 印 度 洋 海 域 ， 直 接 或 间 接 发 现 的天然 气水 合 物矿 点总 计有 2 2 0多 处 。 1 ． 2 ． 2 我 国资 源分 布 根 据 调 查 研 究 ， 我 国水 合 物 主 要 分 布 在 南 海 海 域 、 东海海域 、 青藏高原冻土带、 以及东北冻土带， 其 中又 以南 海 的天 然 气 水 合 物 资 源最 为 丰 富[ 4 5 3 。据 粗 略估 算 ， 南 海 海 域 天 然 气 水 合 物 资 源 总 量 约 为 6 4 ． 9 7 l O m。 ， 东 海 海 域 水 合 物 资 源 量 约 为 3 ． 3 8 x 1 0 m。 ， 陆上青藏高原和东北冻土带的天然气水合 物 资源量分 别为 1 2 ． 5 O 1 0 地 和 2 ． 8 0 1 0 。 2 天 然气水 合物勘查识别及 实验 技术 2 ． 1勘查 识别 技 术 天 然气 水合 物 的勘 查识 别 技 术包 括直 接 识别 和 间接识 别方 式 ] ， 直 接识 别包 括 底 部 沉 积 物取 样 、 钻 探取样和深潜考察等方式 ； 间接识别包括地球物理 、 地球 化 学 异 常 、 多 波 速 测 深 与海 底 视 像 等 方 式 。 目 前 ， 天然气水合物 的勘查识别主要通过间接识别 技 术 特别 是 地球 物理 技术 来识 别 天然 气水 合物 。 作者简介 魏伟 ， 1 9 6 6年生 ， 高级工程师 ， 博士 ； 毕业于 中国地质大 学 北京 ， 现从 事非 常规油气勘探 和可 再生能源 的研究 工作 。地址 0 6 5 0 0 7 1 g 省 廊坊市万庄 4 4 号 信箱新 能源研 究所 。电话 O L O 6 9 2 1 3 2 9 2 ， 1 3 8 3 2 6 6 9 6 2 8 。E ma i l we i l e p e t r oc hi na ． c o rn．c n 1 2 3 天然气工业 2 0 0 9 年 9 月 2 ． 1 ． 1 地 球 物 理 识 别 技 术 地球 物理 识别技 术 主要包 括 地震 与 测井 识 别技 术 。地震 识 别技术 是 目前 最常 用 的天 然 气水 合 物识 别 手段 ， 概括起 来 可 以分 为基 于 B S R 的水 合 物 识别 技术、 B S R与地震属性相结合 的水合物识别技术以 及基于弹性参数的水合物识别技术 3大类 。同时， 对于 已经开 展 过 钻井 的 区域 ， 可 以利用 钻 井 资 料进 行 识别 。 2 ． 1 ． 1 。 1 地 震识 别技术 海 洋天 然气水合 物存 在 的主 要地 震 标 志有 似 海 底反射 层 B S R 、 振 幅空 白反 射 、 速度 倒 置 、 速 度一 振幅异常结构等。 1 似海 底反射 层 来 自海底 水合 物稳定 带底 面 的反 射 大致 与海底 平行 ， 称 为似 海 底 反射 ， 是 目前使 用 最 多 、 最 直 观 的 标志 。但是 O DP 1 6 4航 次 也 证 实 B S R并 非 唯 一 指 标 ， 有 B S R 显示 的往 往 有 天 然气 水 合 物 ， 有 天 然 气 水合 物的海 域未必 一定 有 B S R。 2 振 幅空 白反 射带 空 白反 射 带 在 反 射 地 震 剖 面 上 通 常 与 B S R伴 生 ， 位 于 B S R 之上 。在 含 天 然 气 水 合 物 地 层 中 ， 由 于地震波速度增大， 使得它与下伏地层 之问的反射 系数 增大 ， 在 地震 剖面上 ， 天然 气 水 合物 的 底边 界 出 现相 应 的强 反射界 面 ， 而在含 天 然气 水 合 物 的层 内 ， 由于沉 积 物孔 隙被 水 合物 充 填 胶 结 ， 使 地层 变 得 均 匀 ， 减少波 阻抗差 ， 地震 反射 剖 面上通 常表 现 为弱 振 幅或 振幅空 白带 图 1 。 Wle 】 l 9 9 7 We l l 9 9 5 CDP 2 3 2 6 2 9 2 1 2 2 I 5 2 1 8 2 2 1 2 2 4 2 2 7 2 3 0 2 3 3 2 3 6 2 3 9 2 3 6 0 0 3 8 00 4O 0 0 g 4 2 0 0 44 x 】 46 0 o 48 0 0 图 1 水 合 物 B S R 及 空 白带 显 示 图 3 速度 异 常特征 采用 叠 前 AVO 反 演 求 得 纵 横 波 速 度 信 息 。 通 常海 洋 中浅 层 地 层 的地 震 纵 波 速 度 为 1 ． 6 ～ 1 ． 8 k m／ s ， 在含天然气水合物层中， 地震波速度将提高至 1 ． 8 5 ～2 ． 5 k m／ s ， 在速度 剖 面上 ， 水 合 物层 的层 速 度 变化 趋势呈 典型 的三段 式 ， 即上 下 低 ， 中 间高 。同时 ] 2 4 结合 疏松 系数 、 地热梯 度 等参数 ， 可 以提 高水 合 物识 别 的可信度 图 2 。 图 2 引入疏松度等系数的水合物识别分析图 2 ． 1 ． 1 ． 2 测 井识 别标 志 由于含水合物沉积层的孔隙和裂隙被 冰状水合 物充 填 ， 所 以其 弹性特 征 发生 了变 化 ， 根 据 现有 水合 物钻 井 的测 井 资料 分 析 ， 含 天 然 气水 合 物 地 层 常 规 测井通常具有低视密度 、 高视 电阻率、 高声 波速度 、 高中子孔隙度 、 低 自然伽马值等特征 ， 其 中， 尤其以 电 阻率 测 井 、 声 波 速 度测 井 识 别 天 然气 水 合 物 层 的 方法 最为有 效 。 2 ． 1 ． 2地球化 学识 别技 术 地 球 化 学 识别 主要 基 于海 底 浅 表 层沉 积 物 、 沉 积物 中 的 自生 矿物及 底水 的综 合 分 析 和研 究 。浅 层 沉 积物 和底 层 海水 的 甲烷 浓 度 异常 高 ， 通 过 对 烃 类 气体 运移 路径 的追踪 可 以间接 识 别 和评 价 天 然气 水 合 物 ； 浅 层沉 积 物 孑 L 隙 水 含 量和 异 常 是识 别 水 合 物 层的依据 ， 一般来说 ， 含天然气水合物的沉积层 的孑 L 隙水盐度和氯度会降低 图 3 。其次孔 隙水 中的氧 化～ 还原 电位 和硫 酸盐 含量 的降 低 也可 能是 天然 气 水合 物存 在 的标 志[ 8 ] 。 2 o o 4 0 0 6 o O 子 浓度f 1 m ／ L 图 3沉积物孔隙水地球化学剖面图 2 ． 1 ． 3其他识 别技 术 除地球 物理 识别 技术 、 地球 化 学 识 别技 术 外 ， 海 第 2 9 卷第 9 期 天然气工业 底地形地貌识别、 微地貌勘测 以及深海 钻探 等识别 技术也 在 天然气 水 合物 勘查 中起 着重 要 的作 用l 9 ] 。 2 ． 1 ． 3 ． 1 海底 视像 与海 底微 地 貌勘 测 通 过船载深 水多波 束技 术及 海底 电视摄 像技 术 ， 探 测海 底地 形地貌 ， 分析 并 圈 出与水 合 物可能 有关 的 特殊构造 可 视为水合 物 的地貌 标志 的分 布范 围 。 2 ． 1 ． 3 ． 2海底 热流 探查 温 度 和 压 力 是 天 然气 水合 物形 成 、 稳 定 与 分解 的重 要 因素 。可 以利 用 热 流 、 温 度 等 资 料 来 求 出 天 然气水合物稳定带的底界 ， 借此预测 出海底反射层 的大致 位 置 ； 同时 ， 利用 热导 率 的测试 来 预 测 沉 积 物 中天然气水合物 的分布 ， 天然气水合物聚集带附近 的沉 积物 热导 率会 发 生很 大 的变 化 ， 另 外 ， 通 过 研究 热导 率 ， 建 立热 导率 与 P波 速度 的关 系 ， 可 以确 定更 接近 实际 的速度 剖 面 。 2 ． 1 ． 3 。 3海底 地质 取 样与 深海 钻探 地 质 取 样 技 术 是 发 现 天 然 气 水 合 物 的 直 接 手 段 ， 也 是 验 证 其 他 方 法所 得 调 查 成 果 的必 要 手 段 。 通过地 质取 样 ， 可 以分 析 天 然 气 水 合 物 产 状 脉 状 、 团块状 、 结 核状 、 星 点状 及 赋存 方 式 、 测 试 天 然 气水 合物中气体成分及其有关成 因参数 如 比值、 甲烷中 值 、 硫 化氢 的值 等 、 计 算 天 然 气 水 合 物 的充 填 率 以 及 估算 其 资源 量等 。 总之 ， 天然 气水 合物 勘查 识别 技 术 手 段较 多 ， 并 正朝 着 多 样 化 方 向发 展 ， 其 中最 重要 的 地球 物 理 勘 探 和地 球 化 学 勘查 技 术 日趋 成 熟 ， 各 种 新 的勘 查 技 术也不 断 出现 。 2 ． 2天然 气水 合物 实 验技 术 室 内实验技 术 是研 究天 然 气水 合 物 的一 项重 要 的基 础 技 术 ， 主要 研 究 天 然 气 水合 物 的 物 理化 学 性 质、 相平衡 、 生长动力学 、 生成／ 分解过程和水合物形 成沉积 物 响应 等相 关基 础 问题 以及 天 然 气 多 相体 系 下 的渗 流 作 用 机 制 ， 钻 采 方 式 下 天 然气 水合 物分 解 与再 形成 机理 等口 。这 些技 术主 要包 括天 然气 水合 物 的快 速 生成 技 术 和 室 内探 测 技 术 室 内光 电探 测 技术 、 声学 探 测 技 术 、 电 阻法 探 测 技 术 、 温 压 法 探 测 技术 ， 以及时域反射探测等技术 。 3 结束语 天然气水合物 的勘查识别正向着 多学科 、 多方 法相结合 的方 向发展 。以地球 物理勘探为 主， 结合 地 球 化 学 识 别 标 志 等其 他 手段 ， 可 以较 为 有效 地 综 合 判断 天 然气水 合 物 的存在 。 随 着 科 技 的 提 高 ， 现 代 天 然 气 水 合 物 低温 高 压 实 验室 检测 手 段 越 来 越 多 ， 综 合 运 用 光 学 、 声 学 、 电 学等多种检测方法获取天然气水合物形成和分解 的 相关参数 ， 使模拟天然气水合物在沉积层 中生成 的 室 内实 验研 究 有 了长 足 的进 展 。 天 然 气 水 合 物 作 为 一 种 极 具 开 发 前 景 的能 源 ， 引起 了许 多 国家 的重视 ， 并 开 展 了诸 多 的科 学研 究 ， 取得了一系列成果 ， 但总体上看 ， 从 性质研究 、 室内 模 拟 、 勘查 识别 到 开发 利用 ， 还存 在 着 很 多 问题 。加 强 勘 查 识 别 技 术 和 室 内模 拟 实 验技 术 的研 究 ， 对 加 深 天 然 气 水 合 物 的物 化 性 质 及其 形 成 机制 、 产 出条 件 、 分 布 规律 、 环 境 效 应 、 资 源 量 评 价 等 方 面 的认 识 有 着重 要 的指 导意 义 。 参 考 文 献 [ 1 ]张美． 天 然气水合 物的研 究现 状和前景 E J ] ． 中山大 学研 究生学刊 自然科学与 医学 版 ， 2 0 0 6 ， 2 7 2 ． E 2 ]许 红 ， 黄 君权 ， 夏斌 ， 等． 最新 国际天然气水合物研究 现状 与资源 潜 力评 估 上 E J ] ． 天 然 气 工 业 ， 2 0 0 5 ， 2 5 5 2 1 2 5． t 3 3许 红 ， 黄君权 ， 夏斌 ， 等． 最新 国际天然气水合物研究 现状 与资源 潜 力 评 估 下 E J ] ． 天 然 气 工 业 ， 2 0 0 5 ， 2 5 6 1 8 2 3． E 4 ]李 燕 ， 诸林 ， 朱天 阁， 等． 促进 天然 气水合物生成 的研究进 展 [ J ] ． 西南石油大学 学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 增刊 1 4 6 4 9 ． [ 5 ]巩艳 ， 袁宗 明． 天然气水合物勘探 开发技术评价 E J ] ． 西南 石 油大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 增 刊 2 5 3 5 6 ． [ 6 ]黄兴文 ， 陈建 阳 ， 于兴河 ， 等． 天然 气水合物的地震识别 方 法 及研 究趋势E J J ． 天然 气工业 ， 2 0 0 5 ， 2 5 3 5 8 6 0 ． E 7 3雷怀 彦 ， 郑 艳 红 ， 吴 保 祥． 天 然 气水 合 物 勘 探 方法一 ～ B S R适用 性探析E J J ． 海洋石 油 ， 2 0 0 2 ， 1 1 4 4 1 8 ． E 8 3方 银霞 ， 初 凤 友．硫 酸 盐一 甲烷 界面 与 甲烷 通量 及下伏 天然气水合物赋存 的关 系E J ] ． 海洋学 研究 ， 2 0 0 7 ， 2 5 1 1 9． E 9 ]郭平 ， 刘 士鑫 ， 杜建 芬 ， 等． 天然 气水 合物 气藏 开发 F M] ． 北京 石油工 业出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 1 o ]宋永 臣 ， 杨明军 ， 刘瑜． 天然气水 合物生成与分解实验 检 测技术 进展E J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 8 1 1 卜1 1 3 ． 收稿 日期2 0 0 9 0 7 2 0编辑罗冬梅 1 2 5