ISsN1009-2722Marine geology letters海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài)2006,22(10):14—19文章編號(hào):1009-2722(2006)10-0014-06天然氣水合物的形成與識(shí)別師生寶(中國(guó)石油大學(xué)(北京)資源與信息學(xué)院,北京102249摘要:探討了天然氣水合物礦藏的形成條件和機(jī)理、水合物礦藏的聚集方式。天然氣水合物的形成除了必要的氣體和水,還需要一定的溫壓和地質(zhì)條件;其形成機(jī)理可用高滲漏系統(tǒng)和弱滲漏系統(tǒng)來解釋;天然氣水合物在沉積物中主要以構(gòu)造聚集和地層聚集的方式存在。綜述了天然氣水合物礦藏的識(shí)別方法。關(guān)鍵詞:天然氣水合物;研究現(xiàn)狀;形成;聚集;識(shí)別中圖分類號(hào):P744.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A氣體水合物是一種類似于冰狀的結(jié)晶礦件,天然氣水合物藏可達(dá)全部水面積的30%以物,自然界水合物顏色主要為白色,少數(shù)因含不上。據(jù)估計(jì),天然氣水合物中有機(jī)碳含量是同成分而呈淡黃色、黃色等顏色。它是由非極地球上化石燃料(煤、石油、天然氣等)有機(jī)碳量性的烴類小分子或非烴類小分子(<0.9nm)的2倍之多,其巨大的資源量給能源日益短進(jìn)入由水分子形成的籠狀結(jié)構(gòu)而形成的。天然缺的人類帶來希望。氣水合物存在3種基本晶體結(jié)構(gòu)13:立方體I型、菱形立方結(jié)構(gòu)Ⅱ型以及六方體結(jié)構(gòu)H1天然氣水合物的研究現(xiàn)狀型。Ⅰ型在自然界中分布廣,但Ⅱ型和H型更穩(wěn)定一些。3種結(jié)構(gòu)的天然氣水合物結(jié)構(gòu)式都11國(guó)外天然氣水合物研究現(xiàn)狀可表示為Gas·nH2O(n約為6),n隨著結(jié)構(gòu)的不同而略有變化。通常所說的氣體水合物主水合物早在18世紀(jì)就被發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)30要指天然氣水合物,其中甲烷水合物占據(jù)了最年代,人們?cè)谔烊粴夤艿乐邪l(fā)現(xiàn)了堵塞管道的主要的部分。從物理性質(zhì)來看,天然氣水甲烷水合物。1965年前蘇聯(lián)在西伯利亞發(fā)現(xiàn)合物的密度接近或稍低于冰的密度,為0.90梅索亞哈氣田,被認(rèn)為是由天然氣水合物產(chǎn)生0.91g/cm3,介電常數(shù)和熱傳導(dǎo)率均低于冰。的。20世紀(jì)70年代開始的DSDP和ODP對(duì)在常溫常壓下,1m3的天然氣水合物可以分解天然氣水合物研究做出了巨大貢獻(xiàn),通過海底出164m的甲烷和o.8m3的水。天然氣水的鉆探和探測(cè),發(fā)現(xiàn)了大量代表天然氣水合物合物廣泛分布于世界各大洋的陸坡、水下高地、存在的證據(jù),并鉆井取樣,如ODP164和邊緣海、內(nèi)陸海和內(nèi)陸深湖泊以及兩極永久凍ODP204航次等。最近的ODP311航次也是土帶和其他陸上永久凍土帶,其中海洋天然以研究海洋水合物為目的。當(dāng)前國(guó)外在天然氣氣水合物占了99%以上。研究表明,90%的水合物方面的研究還主要是以勘探和試驗(yàn)性的大陸邊緣海域具備水合物生成的溫度和壓力條開發(fā)為主,積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以及開發(fā)和研究新的工具,為將來工業(yè)開采奠定基礎(chǔ)收稿日期:2006-08-11.2我國(guó)天然氣水合物研究現(xiàn)狀及其分布第22卷第10期師生寶:天然氣水合物的形成與識(shí)別1580年代,從20世紀(jì)90年代中后期才真正開始體既有生物成因,也有熱成因,或者是二者的混了我國(guó)海域及陸上凍土地區(qū)的水合物勘探工合。作,近年來在天然氣水合物方面作了大量工2.2天然氣水合物的形成條件南海具備良好的天然氣水合物成礦條2.2.1充足的天然氣和水件810,即寬闊的大陸坡、巨厚的沉積物、豐富形成天然氣水合物必須有充足的氣源和水的有機(jī)質(zhì)和適宜的溫壓條件。新生代沉積物中源。氣源一是來自當(dāng)?shù)厣锎x,二是異地或有機(jī)質(zhì)含量豐富,已發(fā)現(xiàn)了眾多油氣田,為該區(qū)深部油氣藏中的氣體通過斷裂、砂體運(yùn)移而來天然氣水合物的形成提供了充足的氣源。地層水、火山噴發(fā)以及巖漿上侵?jǐn)y帶的水都可ODP184航次在中國(guó)南海北部東沙海域的1144為天然氣水合物提供水源站位和1148站位的地震反射剖面顯示有明顯2.2.2合適的溫壓條件指示水合物存在的BSRs5,說明在這些地區(qū)可天然氣水合物形成和存在于溫度小于300能存在天然氣水合物。當(dāng)前對(duì)南海中央海盆水K,壓力大于0.6MPa的環(huán)境之中深4km的地區(qū)進(jìn)行資源量估計(jì)結(jié)果為(5.5~2.2.3理想的地質(zhì)條件5.7)×1012m31天然氣水合物的形成與地質(zhì)條件關(guān)系密位于沖繩海槽的深水海域——東海陸坡適切,如巖性、沉積速率、有杋碳含量、沉積環(huán)境宜天然氣水合物的形成。與南海相比東海的等。研究發(fā)現(xiàn)1.天然氣水合物主要產(chǎn)于勘探程度較低。在東海陸坡地域地震資料顯示沉積速率較快的新生代地層中,尤其是古近系有BSRs和雙重BSRs的反射的上新統(tǒng)和第四系為主,這些地層有沉積速率青藏高原多年凍土面積占高原總面積的高、地層松散和沉積物孔隙度大的特征。其儲(chǔ)半以上,是天然氣水合物賦存的有利地區(qū)。在集層主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖羌塘、可可西里等盆地中廣泛分布的烴源巖可砂巖及砂礫巖。海底天然氣水合物存在于以為天然氣水合物提供充足的氣體來源。陳多水深300~4000m的海底沉積物中,而其賦存福等研究認(rèn)為,青藏高原多年凍土具備天然沉積物一般在海底以下0~1500m,氣水合物形成條件,且可能具有豐富的蘊(yùn)藏量2.3天然氣水合物成礦機(jī)理估計(jì)多年凍土區(qū)天然氣水合物資源量約為1.2×101~2.4×1013m3。2.3.1天然氣水合物中甲烷的成因天然氣水合物中的烴類氣體既有來自相對(duì)2天然氣水合物的形成淺層的有機(jī)物質(zhì)的微生物代謝產(chǎn)物,也有較深層的有機(jī)質(zhì)熱降解產(chǎn)物。前者絕大部分是2.1客體分子的來源CH氣,含有少量的乙烷和微量的丙烷氣體特點(diǎn)是C和D缺失(δCcm<-55‰(PDB),天然氣水合物中的氣體主要有兩種來源。δD<-200%‰(SMOW)。后者熱成因的氣體則種氣體是源于分散于整個(gè)天然氣水合物穩(wěn)定含有一定量的C2+烴類氣體,且富集C和D同帶(GHSZ)的有機(jī)質(zhì),主要是以甲烷為主的微位素(Ccm>-55‰(PDB),aD>-200‰生物降解產(chǎn)物,其形成天然氣水合物時(shí)運(yùn)移的SMOD)。距離一般較短(約幾十到幾百米)12;另一種氣2.3.2天然氣水合物成礦機(jī)理體是源于GHSZ下深部的油氣聚集區(qū)和成熟海洋中的天然氣水合物成礦機(jī)理都可以用Marine Geology Letters海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài)2006年10月強(qiáng)滲漏系統(tǒng)指以甲烷為主的烴類氣體與其系,通常能形成有工業(yè)開采價(jià)值的天然氣水他流體一起在壓力梯度、溫度梯度等的驅(qū)動(dòng)下,合物藏。沿沉積物中的孔、縫進(jìn)入到主通道內(nèi).并向上繼續(xù)運(yùn)移最后在溫壓適宜的地方聚集形成水合3天然氣水合物的識(shí)別物礦藏。其形成的天然氣水合物分布集中,聚集密度大,具有實(shí)際開采價(jià)值3.1天然氣水合物的識(shí)別(2)弱滲漏系統(tǒng)弱滲漏系統(tǒng)指天然氣水合物的形成過程是似海底反射BSRs是20世紀(jì)70年代初英氣體在沉積物緩慢擴(kuò)散,在合適的條件下形成國(guó)地質(zhì)調(diào)查所的科學(xué)家在美國(guó)東海岸大陸邊緣水合物。弱滲漏形成的水合物聚集范圍廣、密所進(jìn)行的地震探測(cè)中發(fā)現(xiàn)的。通常BSRs是由度小,開發(fā)利用價(jià)值不高。但如果周圍地質(zhì)環(huán)天然氣水合物穩(wěn)定帶(GHSZ)底界的游離氣引境發(fā)生變化,如擠壓變形等作用,可形成如強(qiáng)滲起的,是含水合物沉積層與游離氣沉積層分漏系統(tǒng)中氣體運(yùn)移的通道.從而聚集成密度較界。當(dāng)有天然氣水合物存在時(shí),BSRs通常表高的水合物礦藏。現(xiàn)為以下特點(diǎn)1:與海底近似平行的地震反射;與下伏地層呈斜交;與海底反射極性相反;2.4天然氣水合物的聚集常存在地震振幅空白帶等。天然氣水合物的聚集受其地質(zhì)條件、氣體運(yùn)用BSRs來識(shí)別天然氣水合物要注意以來源等因素的影響,可分為構(gòu)造聚集和地層聚下幾點(diǎn)21集①天然氣水合物與BSRs并非一定存在2.4.1地層聚集對(duì)應(yīng)的關(guān)系;自然界中的天然氣水合物主要以地層聚集②BSRs受構(gòu)造、沉積、有機(jī)碳含量以及水的方式存在。地層聚集是指當(dāng)?shù)鼗蚪?jīng)過短距離合物的含量等因素的影響,其存在不僅僅需要運(yùn)移氣體在孔滲性較好的沉積層中形成的水合有含量達(dá)20%的水合物地層,而穩(wěn)定帶還要存物礦藏。烴類氣體是從周圍富含有機(jī)物的泥中在含量不小于10%的游離氣地層或較深的沉積物中通過擴(kuò)散的方式進(jìn)入GH-③高沉積速率、構(gòu)造抬升等有助于BSRsSZ。其聚集特征為低濃度的水合物分散于的形成GHSZ的下部。大部分的地層聚集水合物只占3.2速度和振幅結(jié)構(gòu)(ⅤAMPS)沉積物孔隙的2%左右。2.4.2構(gòu)造聚集速度和振幅結(jié)構(gòu)在地震記錄上由“下拉”現(xiàn)構(gòu)造聚集的水合物礦藏主要是異地的烴類象和之上的“上拉”現(xiàn)象共同組成。 VAMPS的氣體從底部深處沿?cái)鄬印B透砂層或鹽層、泥火出現(xiàn)表明存在天然氣水合物和下伏的游離山以及油氣藏頂部的氣煙筒等通道快速運(yùn)移進(jìn)氣1。在平緩廣闊和海底沉積物地震剖面上入到GHSZ聚集形成。構(gòu)造聚集特點(diǎn)是能在BSRs難以識(shí)別,但 VAMPS卻可以很好地判面積較小的地區(qū)形成相對(duì)高濃度聚集的天然氣識(shí)天然氣水合物的存在與否,因?yàn)樗徽J(rèn)為是水合物,一般會(huì)占據(jù)沉積物孔隙5%以上的空由直接在深部氣源之上形成的天然氣水合物引間,甚至有些可能達(dá)到100%。由于在海底附起的。近氣體溶解度和溫度的降低,構(gòu)造聚集的天然氣水合物趨向于在GHSZ的上部沉淀,而不是3.3測(cè)井第22卷第10期師生寶:天然氣水合物的形成與識(shí)別17播時(shí)間(⑧2~85μs/ft)、低體積密度(1.05中線性的、陡的硫酸鹽梯度和淺的硫酸鹽-甲g/cm3)和泥漿測(cè)井中強(qiáng)烈的氣體涌出來識(shí)烷界面通常是天然氣水合物存在的標(biāo)志別。新一代測(cè)井儀器已可對(duì)天然氣水合物的探測(cè)提供較精確的評(píng)價(jià)。隨鉆測(cè)井儀(電阻率聲3.5同位素地球化學(xué)方法波、密度)可在天然氣水合物分解之前提供最研究認(rèn)為,穩(wěn)定同位素23He/He,早期的探測(cè)并獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。介電測(cè)井可。0、。C和δD,δ3S,6Li和8B等的異常與以很好區(qū)分冰和水合物,核磁共振測(cè)井可以定天然氣水合物的存在有關(guān)系。天然氣水合物的量天然氣水合物41結(jié)晶會(huì)引起同位素的分餾,兩相分餾導(dǎo)致重同3.4常規(guī)地球化學(xué)方法位素濃集于固相,使孔隙水中的重同位素降低。但隨著孔隙水的上滲,孔隙水中的重同位素值3.4.1沉積物全巖熱釋光分析會(huì)隨著深度的增大而增大。大洋沉積物孔隙水沉積物全巖熱釋光測(cè)量是以烴類形成或分中的輕Li和B同位素被沉積物優(yōu)先吸附,使得解后產(chǎn)生的標(biāo)志性礦物為探測(cè)對(duì)象。天然氣水孔隙水中富集δLi和δB,故隨著深度的增合物形成時(shí),伴隨著產(chǎn)生自生碳酸鹽和硫酸鹽加,水合物礦附近沉積物物中的Li和B減少,等標(biāo)志型礦物。由于不同成因礦物的熱釋光峰δLi和。B增加。的數(shù)目、形狀等各不相同,因此可通過對(duì)這些礦物進(jìn)行熱釋光的測(cè)量確定礦物形成的條件、成3.6生物群落和自生礦物巖特征等226在天然氣水合物存在的地區(qū),常常能見到3.4.2酸解法測(cè)定吸附烴類氣體雙殼類和厭氧菌席等的存在,這些生物以天然酸解烴是常規(guī)油氣地球化學(xué)勘探方法之氣水合物溢岀的天然氣,尤其是甲烷為食,故可在樣品的晾干過程中,游離烴基本全部損作為天然氣水合物存在的間接指示。失,酸解法可以收集到以吸附的形式存在于沉海底天然氣的滲漏在以烴類為食的細(xì)菌作積物中的烴類物質(zhì)。這種常規(guī)方法同樣可以用用下,變成二氧化碳,與孔隙水中的鈣、鎂和鐵于檢測(cè)水合物附近沉積物的烴類氣體2等離子結(jié)合而沉淀為冷泉碳酸鹽巖。這種3.4.3沉積物含水量異常碳酸鹽沉積物在形態(tài)上多呈結(jié)核、結(jié)殼、巖隆由于天然氣水合物形成會(huì)吸收周圍的淡等,且自上而下呈帶狀分布,淺部主要為碳酸鹽水,故遠(yuǎn)處的水就會(huì)過來補(bǔ)充,造成天然氣水合沉積,深部主要是孔隙水沉淀形成的自生菱鐵物附近水含量增高。故可把沉積物樣品的泥漿礦。在厭氧的海洋沉積物中,硫酸鹽還原作用化視為天然氣水合物存在的一個(gè)標(biāo)志27。是最重要的再礦化過程。研究表明,大陸邊緣3.4.4孔隙水中離子濃度異常深水沉積物孔隙水中硫酸鹽含量的變化也許可天然氣水合物的形成具有排鹽作用,使得以更好地指示天然氣水合物的存在周圍孔隙水中的氯離子濃度增高3。相反,天3.7滑塌體然氣水合物的分解會(huì)使周圍孔隙水中的氯離子濃度降低,在水合物層,孔隙水的氯離子濃度滑塌體的發(fā)育為天然氣水合物的存在提供(0.51‰~8.2%)一般大大低于海水氯離子濃了適宜的溫壓環(huán)境由于滑塌作用,使局部區(qū)域度(~19.8‰)。硫酸根離子(SO2-)濃度隨產(chǎn)生快速堆積,從而產(chǎn)生局部的壓力屏蔽效應(yīng),深度的增加而降低。在微生物作用條件下,沉如果此時(shí)有充足的水和氣體,天然氣水合物便積物中硫酸鹽與甲烷發(fā)生化學(xué)反應(yīng),造成沉積較易形成2。另外,由于地震和地質(zhì)環(huán)境變化Marine Geology Letters海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài)2006年10月地震資料顯示,許多正斷層向下收斂于天然氣氣水合物的成因、形成、成藏條件等進(jìn)行研水合物穩(wěn)定帶底界面或這個(gè)界面附近,說明這究2,,31的方法。些滑塌與天然氣水合物有關(guān)。4.2天然氣水合物的開發(fā)3.8泥底辟或泥火山天然氣水合物的開發(fā)目前主要還是以試驗(yàn)?zāi)嗟妆偈怯缮畈苛黧w侵入到淺層沉積和模擬開采為主。當(dāng)前理論上可用的方法主要物形成的,當(dāng)它刺穿地表時(shí),則成為泥火山。海有:熱刺激法、減壓法、加入化學(xué)試劑法、置換法底泥火山存在兩個(gè)成因,一是被動(dòng)大陸邊緣和等,。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn),成本高,開發(fā)地中海式陸表海的深海部分中的高速沉積作后對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響較大,還有待完善和改進(jìn)。用;二是活動(dòng)大陸邊緣的后期構(gòu)造擠壓作用因此海洋泥火山廣泛存在于陸棚、陸坡、島坡以5結(jié)語及內(nèi)海的深水部分。 Ginsburg等在1984首先提出兩者有聯(lián)系,隨后在黑海、地中海、挪威海天然氣水合物是本世紀(jì)最有潛力的能源之以及墨西哥灣等地相繼發(fā)現(xiàn)了與水合物相關(guān)的以當(dāng)前勘探程度和現(xiàn)有資料來推測(cè)資源量泥火山。泥火山的形成常與流體的運(yùn)移有關(guān)巨大。但在全世界范圍內(nèi),大多數(shù)天然氣水合系,當(dāng)有斷裂帶存在的情況下,含有大量水物是以地層聚集的形式存在,這些資源是無法和氣流體與泥一起在壓力梯度的驅(qū)動(dòng)下沿?cái)嗔驯婚_采利用的,只有那些在特殊地質(zhì)構(gòu)造下聚帶運(yùn)移,到達(dá)海底形成泥火山。泥火山地區(qū)的集成天然氣水合物礦藏的水合物,才可以被開天然氣水合物體積通常占沉積物體積的1%~發(fā)利用。地震活動(dòng)帶和火山活動(dòng)帶由于與水合35%,屬較高水合物濃度聚集,工業(yè)開采價(jià)值物的形成有關(guān)系,將是尋找天然氣水合物礦藏有利地區(qū),另外常規(guī)油氣藏頂部淺層和周圍地區(qū)也是水合物聚集的有利地區(qū)。我國(guó)南海北部4天然氣水合物的勘探與開發(fā)海域氣源充足、水深適中,適合天然氣水合物聚集成藏,而斷裂帶發(fā)育的常規(guī)氣藏周圍地區(qū)將4.1天然氣水合物的勘探是尋找水合物礦藏的關(guān)鍵部位。目前采用的地球物理勘探方法主要有地參考文獻(xiàn)震、測(cè)井、海底電磁測(cè)量3、地球化學(xué)以及鉆井1] Sassen r. MacDonald.R. Evidence of structure h hy取樣等勘探技術(shù)。至今發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物藏drate. Gulf of Mexico continental slope[J]. Organic Ge有一半以上是通過地震探明的。地震波在天然ochemistry.22(1994):1029-1032氣水合物穩(wěn)定帶與游離氣區(qū)間形成BSRs3[2 Kvenvolden K. A. A review of the geochemistry of在水合物聚集帶出現(xiàn)“空白”—地震波強(qiáng)反射methane in natural gas hydrate [J]. Organic Geochem-astro,1995,23:997-1008的標(biāo)志測(cè)井方法進(jìn)行天然氣水合物的勘[3 Sloan E. Dendy. Clathrate hydrate measurements: mi探實(shí)際上是將常規(guī)油氣測(cè)井勘探搬用過來。由OscomesoscopIcmacroscopic [J]. Cher于其特殊性,通常會(huì)用一些特征的測(cè)井技術(shù)來Thermodynamics, 2003. 35:41-53,提高對(duì)其識(shí)別和評(píng)估1。目前世界上用于天41mnv, Fung I. Potential distribution of methane然氣水合物取樣的設(shè)備主要有:活塞式巖芯取hydrates in the worlds oceans [J]. Glob Bio-GeochCycl.,1994,8:335-347.樣器、保溫巖芯取樣器、保壓巖芯取樣器[5 Max M. O. et al. Oceanic methane hydrates:A"fron-第22卷第10期師生寶:天然氣水合物的形成與識(shí)別6〗楊文達(dá),陸廣才.東海陸坡一沖繩海槽天然氣水合物初zed core [J]. 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