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201 0钲 第4 卷 第6 期 天 然 气 技 术 Na t u r a l Ga s T e c h n o l o g y Vo 1 ． 4．N O． 6 De c ． 2 01 0 d o i 1 0 ． 3 9 6 9／j ． i s s n ． 1 6 7 39 0 3 5 ． 2 0 1 0 ． 0 6 ． 0 1 3 天然气水合物经济地质分析 张金华魏伟 吝文 王莉 中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊0 6 5 0 0 4 摘要 在 对海底 天然气水合物藏经济地质进行初步探 讨的基础上 ，指 出了天然气水合物定量化经济评价的 不足 以及影响经济评价 的主要 因素 ，分析 了构造聚集型水合物藏和成层分散型水合物藏 两种 天然气水合物 藏赋存 模式 以及赋存地质条件 下水合物的经济可采性 ，并针对布 莱克海 台对水合物藏 经济地质进行 了具体分析说 明，指 出了 目前天然气水合物藏的勘探开发方向。 关键词 天然气水合物开采方法经济可行性勘探方向 中图分类号 T E l 2 2 ． 2 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 3 9 0 3 5 2 0 1 0 0 6 0 0 4 2 0 4 0 引言 天然气水合物是一种非常规 能源 ，主要分布在 近海 区域和冰川 I 冻土带 ，其潜在资源量达到 1 ． 5 x 1 0 m ，目前全世界已发现2 2 0 多个天然气水合物矿点 ” 。 由于 目前 储量评价及参数选取 的方法不统一 ， 导致天然气水合物资源量存在很大 的不确定性 。同 时 ，对水合物资源特征 ，尤其是水合物藏的三维地 质 特征认识不足也 阻碍其定量 化经济评价。此外 ， 影 响天然气水合物资源经济评价 的因素还包括环境 因素 、社会经济因素 、地理因素 以及技术进步等因 素 [ 2 - 3 ] 。这些 因素也是影响天然气水合物经济开采的 主要 因素 。因此 ，在现有技术 和社会经济条件 下 ， 加强对天然气水合物藏的地质条件研究 ，分析评价 赋存地质条件下水合物经济可采性 ，对天然气水合 物勘探开发有着重要的指导意义。 1 水合物地层赋存模式 天然气水合物的形成一般需要具 备 4 个基本条 件① 足够低的温度；② 较高的压力；③ 充足的烃 类气体连续补给和水的供应；④ 足够的生长空间和 存储空间。 国外学者分别从成藏机理 、成藏气源和成藏动 力学角度 ，建立了相应 的成藏地质模式 ① 基于气 体来源的原地细菌生成模式和孔隙流体扩散模式； ② 基于胶结形式的低温冷冻模式 、海侵加压模式 和 成岩作用模式 ；③ 基于流体驱动方式的常压周期渗 流模式和超压周期流动模式 。我国学者也提出了扩 散型和渗漏型两类概念型天然气水合物成藏模式 ， 并从石油地质学 中 “ 含油气系统”概念 出发 ，结合 天然气水合物形成过程 的特点建立 了 “ 天然气水合 物成藏系统”概念。 基于天然气水合物生长 和存储空间 ，借鉴石油 地质学中油气藏 圈闭类型 1 ，将天然气水合物藏地 层赋存模式划分 为构造聚集 型水合物藏和成层分散 型水合物藏。海底构造聚集 型水合物藏是指发育在 前期构造活动较强烈 、流体运移活跃 、气体来 源以 深部热解成 因气垂 向迁移为主，生物成 因气为辅环 境 中的水合物藏 图 1 。在断层 、褶皱 、泥底辟等构 造发育区域 ，产生 了大量 的构造空间使气体易于聚 集 ，有利 于水合物 的形 成 ，其 水合物 产 出相 对集 中、含量高 ，甚至像在墨西哥湾的海底构造渗漏强 烈 区域可观测到出露 的块状天然气水合物 。海底 成层分散型水合物藏指发育在构造活动微弱或几乎 不活动、气体运移以扩散为主、气体来源以生物成 因气为主 、热成因气 为辅环境 中的水合物藏 图2 。 由于海底中浅部沉积物处于未 固结状态 ，存在着大 量的孔隙，在各层岩性差异而导致渗透率不同的情 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 3 0 修订 日期 2 0 1 0一1 0 2 1 ⋯ I 油 人 份仃 川刊技 H 人然 水 物资源勘探讦 价技术 { I 2 0 0 8 l { 一0 5 0 作者简介 『匕 1 9 8 3一 ．顺 从 新能源 岐 常规能豫研究 E - m a l l z h _ l 1 1 a 6 9 - 1 6 3 ” 42 ／ Na t u r a l Ga s Te c h n o l o g y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 2 4 期 天然气技术 勘探与开发 形下 ，气体就能在这些孔 隙中赋存 而生成水合物 ， 这样形成的水合物分布较散 、含量相对较低 。 体 板块运动 图 1 构造聚集型水合物藏示意图 M i c h a e l D ． M a x 。2 0 0 6 图 2 成层分散型水合物藏 示意图 A l e x e i V ． Mi l k o v 。2 0 0 2 2 开采方法及海底滑坡 海底天然气水合物的分解会对海洋沉积物力学 性质产生很大 的影响 ，当天然气水合 物不稳定时 ， 会分解形成水和天然气 。固态物质转变成液态和气 态会降低沉积物的剪切强度 ，沉积物容易被破坏。 如果天然气水合物分解释放 的天然气超 出了气体饱 和度，即会产生气泡 ，从而进一步降低沉积物强度 。 水合物继续分解 ，地层开始 出现拉伸破坏 和坍塌 ， 由此导致海水密度进一步降低，压力继续下降，水 合物分解面积继续增大，最终导致水合物暴发性分 解。我国在水合物分解引起海底滑坡方面的研究尚 处于起步阶段 ，刘峰等人 --伽 以南海北部神狐海域水 合物样品钻获 区为研究对象 ，应用极 限平衡法探讨 了海底无限斜坡 的稳定性 问题 ，计算 了设定的不 同 滑动面 的安全系数 ，建立了 目标不稳定 区相关参数 条件下 的水合 物分解与海底斜坡不稳定 的模式 图， 模拟计算 了不 同程度的水合物分解对海底斜坡失稳 的影响作用 。因此 ，在一定 的斜坡梯度下 ，计算 出 开采水合物藏合适 的比例 ，从 而维持斜坡稳定 。今 后研究 的重要方 向应包括天然气水合物蕴藏 区域沉 积物力学性能 、沉积物对天然气水合物形成和分解 时导致 的理化条件变化 的力学 响应 ，以及 因天然气 水合物分解而引发 的海底滑坡事件 的数值模拟等方 面 。 目前 ，开采天然气水合物的方法 主要有热力分 解法 、减压法和注入化学剂法，上述 3 种方法是建立 在天然气水合物温度升高 、压力下降时易分解 为水 和天然气的物理特性基础上 的 【 1 “ 。还有学者研究 了 微波开采天然气水合 物气藏 的机理 ，提 出了微波加 热开采天然气水合物气藏的方法 - 一 。 此外 ，利用更容易形成水合物的 C O 通人天然气 水合物储层 ，通过形成二氧化碳水合物放 出的热量 来分解 天然气水合物。这种方法 可以用来处理工业 排放 的 C O ，形成 C O 型水 合物 ，维持 海底 的稳定 性。因此 ，通过注入 C O 的方法来开采天然气水合物 不失为一种较好的开采方法。 3 天然气水合物藏经济地质分析 尽管天然气水合物开采引起海底滑坡的问题还 需要进一步研究 ，但在假定海底稳定 的条件下 ，进 行经济地质分析 ，对于天然气水合物的勘探开发是 具有指导意义的。 天然气水合物矿藏资源是 地质演化的产物 ，并 按地质规律赋存于特定 的地质环境 中，其勘探开发 是一个复杂的投入一产 出过程 ，分析其经济可行性 主要应 考虑资源条件 、地质条件 、地理条件 、技术 条件和经济环境等因素 。其中 ，矿藏的地质条件包 括 了勘探地质 因素和开发地质因素 ，是影 响其经济 价值各 因素 中最基本 的因素。从经济评价来看 ，地 质因素的影响一是水合物地层赋存状态，二是可供 开发回收的天然气资源量，三是投入的资源消耗与 产出资源比值 B 3 1。 墨西 哥湾 西北部 地 区发育 着构 造聚集 型水合 物 ，且浓度高 ，资源量大 ，在特定 的构造 聚集 区域 天然气技术 ／ 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 卷 张金华，等天然气水合物经济地质分析 第6 期 其平均密度非常高 。天然气水合物发育在裂隙孔隙 性和渗透性较高 的浅部沉积物中 ，这保证 了开采时 具有较高的回收率。同时 ，由于聚集 区位 于相对浅 水区和海底 附近 ，通常认为开发成本较低 ，采取热 激发法结合抑制剂被认 为是开采构造聚集型水合物 的有效手段 。此外 ，在构造聚集型水合物开采 回收 过程 中，水平钻井是可行 的技术手段之一 。同时 由 于区域 内发育 了大量 良好 的裂隙 ，降低了水合物分 解产 出时天然气运移费用 。上述分析表明墨西哥湾 西北部地区构造聚集型水合物具有较大的经济开发 潜 力 表 1 布莱克海 台的天然气水合物为成层分散型 ，其 资源量非也相当巨大 ，同时分布在天然气水合物稳 定带底部 的 自由气体资源量也极其丰富。然而通过 对其初步地质分析表 明，其经济性可能不是十分理 想 。究其原 因，主要有 以下几个方面 首先 ，天然 气水合物弥散在沉积层 中 ，其浓度相 当低 ，同时 ， 由于地层渗透性较低 ，导致可开采系数非常低 ，单 井产量将较低 ；其次 ，由于该 区域海水较深且水合 物赋存部位离海底又相对较深 ，将导致水合物的开 采费用非常昂贵 。可 以看 出 ，由于微裂 隙较缺乏 ， 以及较高的开发和开采费用 ，布莱克海 台成层分散 表 l 水合物聚集 区主要地质、技术和经济特征 型水合物开采很不经济 表 1 。 一 般来说 ，构造聚集型水合物藏 比成层分散型 水合物藏更具经济可行性 。但是 ，在对一个地 区进 行经济地质分析时 ，应 当明白整体经济性与局部经 济性并不存在等同关 系，不仅需要对全局水合物层 进行经济地质分析 ，同时也应对局部水合物层进行 经济分析。下面仍以布莱克海台为例，对其局部地 区水合物经济地质进行分析 】 。 相关基础数据表明，9 9 7 钻孔 区域附近是布莱克 海台天然气水合物最有利开采区域之一 。据钻孑 L 资 料及 B S R显示，该区域内分布着 8 层天然气水合物 层 ， 离海水表面深度为2 9 8 5 ～ 3 2 1 6 m，水合物各层 厚度为 0 ． 1 ～ 3 ． 6 m不等，各层水合物之间被 2 0 ～7 5 m 44 ／ N a t u r a l Ga s Te c h n o l o g y 不同厚度的饱水层间隔开 ，水合物总厚度达到7 ． 5 m 图3 ，含水合物层孔隙度为 5 7％，区域沉积物中水 合物含量 范围为 3％～1 2％，平均约为 4％。此外 ， 超过 8 1 ％的水合物集中在两层为 2 ． 5 m和 3 ． 6 m厚的水 合物层中，其距海底埋深各 自为2 5 6 m和3 3 4 m，这两 层水合物被一层约 7 5 n l 厚 、渗透性较低的饱水层隔 开。参考9 9 7 钻孔资料数据，以1 k m 区域范围进行 评价计算，采用降压法、热激法以及加抑制剂相结 合的方法对该区域进行开采，并针对水合物层的具 体情况，采用相应的开采方法。对于水合物矿藏底 部的水合物层，由于其下部存有大量 自由气体。因 此 ，采用降压法 ，使其压力低于相平衡所需的压 力；其余各层通过热激法并加入抑制剂，保证水合 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第2 4 期 天然气技术 勘探与开发 2 0 1 0 证 物层 中沉积物的温度足够高以分解水合物。当以全 部的8 层作为开采对象时 ，仅能开采出潜在水合物资 源的 1 7％ 见表 2中 “ 情况 1 ” ，但如果以最有前景 的厚度为 6 ． 1 m，占水合物矿藏多达 8 1 ％的两层水合 物作为开采研究对象时 ，在加热分解水合物藏上的 能源消耗就能节省 1 9％，矿藏的有效开采 回收率能 从 1 7％提高到4 O％ 见表 2中 “ 情况 2 ” 。这也表明 可开采 出的水合物资源量不仅与水合物潜在资源量 相关 ，同时开采层位也起着至关重要的作用。 图3 布莱克海台水合物层分布示意图 9 9 7 钻井 表 2 不 同方式下开采水合物所需耗能及其最终可采量对 比表 4 结束语 尽管在初步的定性经济分析时存在许多假设 ， 但分析结果对天然气水合物进一步的勘探还是具有 一 定的指导性。从经济地质的角度来看，最具开发 前景的天然气水合物资源为构造聚集型水合物藏， 成层分散型水合物藏由于其分散性和低渗透性 ，其 经济性大幅降低，然而在局部区域 ，由于其成层厚 度较大等因素 ，使其也具有一定的开采经济性 。在 天然气水合物勘探及开发初期 ，应重点针对构造发 育 的部位进行研究 ，勘探出构造聚集型水合物藏 ， 并对水合物藏及其周围沉积物进行物性研究 ，评价 经济地质可采性 ，提 出合理的开采开发方案 ，加强 天然气水合物开采开发试验 ，以推动天然气水合物 商业化运行 。 参考文献 l 1 j Y ． F ． Ma k o g o n ，S ． A ． H o l d i t c h ， T ． Y ． Ma k o g o n ． N a t u r a l g a s - h y d r a t e s A p o t e n t i a l e n e r g y s o u r c e f o r t h e 2 1 s t C e n t u r y l J J ． J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g ， 2 0 0 7， 5 6 1 4-31 ． [ 2 ]刘晓宇，樊栓狮，田根林，等．天然气水合物矿藏最低 经济储量初探[ J ] ． 天然气化工，2 0 0 7 ，3 2 3 3 7 4 0 ． 1 3 J A l e x e i V ． Mi l k o v ，R o g e r S a s s e n ． E c o n o mi c g e o l o gy o f o f f - s h o r e g a s h y d r a t e a c c u m u l a t i o n s a n d p r o v i n c e s[ J ] ． Ma r i n e a n d P e t r o l e u m Ge o l o g y，2 0 0 2， 1 9 1 - 1 1 ． [ 4 ]樊栓狮 ，刘锋，陈多福．海洋天然气水合物的形成机理 探讨[ J ] ． 天然气地球科学，2 0 0 4 ，1 5 5 5 2 4 5 3 0 ． [ 5 ]陈多福 ，苏正 ，冯东，等．海底天然气渗漏系统水合物 成藏过程及控制因素[ J ] ． 热带海洋学报，2 0 0 5 ，2 4 3 3 8 46． [ 6 ]吴能友，梁金强，王宏斌，等．海洋天然气水合物成藏 系统研究进展[ J ] ． 现代地质，2 0 0 8 ，2 2 3 3 5 6 3 6 2 ． [ 7 ]崔树清，常兵民． 石油地质基础[ M] ． 北京石油工业出 版社 ，2 0 0 6 ． [ 8 ]c ． L ． V a n D o v e r a ，P ． A h a r o n b ，J ． M． B e r n h a r d ，e t a 1 ． B l a k e Ri d g e me t h a n e s e e p s c h a r a c t e r i z a t i o n o f a s o f t s e d i me n t ， c h e mo s y n t h e t i c a l 1 y b a s e d e c o s y s t e m[ J ] ． D e e p - 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