《海底调查论文-国内外海洋天然气水合物勘探与观测技术方法研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《海底调查论文-国内外海洋天然气水合物勘探与观测技术方法研究（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、国内外海洋天然气水合物勘探与观测技术方法研究摘 要自20世纪末海洋天然气水合物发现以来，已经吸引了大量的科学观察研究，在资源日益紧张的今天，海洋资源无疑成为首要探究对象。本文综述了前人们对海洋天然气水合物的形成原因和基本原理的分析，总结了国内的研究现状及对海洋天然气水合物研究前景预测。重点探讨海洋天然气水合物的勘探方法，分别举例介绍了地球物理方法外地球化学方法。地球物理方法如蕴藏量估算技术和深水区高分辨率地震技术，地球化学方法如气体异常检测法和流体地球化学方法。 关键词：海洋天然气水合物，地球物理方法，地球化学方法 1 引言 1.1 海洋天然气水合物的形成机理 天然气水合物，又称甲烷气水包合物
2、、甲烷水合物、甲烷冰，是由天然气中小分子气体(如甲烷、乙烷等)在一定的温度、压力条件下和水作用生成的笼形结构的冰状晶体。水合物为非化学计量型固态化合物，其分子式可表示为 M nH2O(其中M是以甲烷气体为主的气体分子，n为水分子数)。到目前为止，已经发现的气体水合物结构有4种：I型、型、H 型和一种新型的水合物(由生物分子和水分子生成)。I型结构的天然气水合物，其笼形构架中只能容纳一些分子较小的碳氢化合物(如甲烷和乙烷)以及一些非烃气体(如N2、CO2、和H2S气体)。型结构的天然气水合物的笼状格架较大，不但可以容纳甲烷与乙烷，而且可以容纳较大的丙烷和异丁烷分子。H 型结构的天然气水合物具有最
3、大的笼形格架，可以容纳分子直径大于异丁烷的有机气体分子。型和H型结构的天然气水合物比I型的要稳定得多。但自然界的天然气水合物以I型为主。天然气水合物广泛分布于自然界中，海底以下01 500m深的大陆架或北极等地的多年冻土带都有可能存在。 自然界的天然气水合物只分布于两类地区：多年冻土带和海洋。而海洋沉积物中天然气水合物的资源量占全球总量的99 以上。 天然气水合物的形成需具备几个基本条件：1、充足的天然气和水，天然气的来源包括无机成因和有机成因的气体，如甲烷、乙烷、丙烷、CO2等；2、足够低的温度和较高的压力，与海底深度和地热梯度关系也较大；3、可使气和水充分聚集的有利的储集空间。 在水合物形
4、成的地质历史过程中，海平面的高度、海底温度以及全球性的气候变化都会对水合物的稳定性产生影响。温压条件不仅影响水合物生成，也是导致沉积物中水合物分解的主要因素。海洋沉积物中天然气水合物稳定带的厚度明显受地温梯度和稳定带水深的影响，随地温梯度的增高水合物稳定带相对变薄，而随水深增大而增厚。当沉积物不断堆积移动通过水合物带时，随着新的沉积物沉积于气体水合物的顶部，由于侧向挤压作用，气体水合物带的底部有可能会发生分解，释放出大量天然气。在可渗透的沉积物中，这些天然气会向上运移并逸散，而水合物带的存在犹如游离气上方的密封盖层，会将这些气体圈闭于水合物层下，或者由于其它因素，这些气体(以甲烷形式为主)向下
5、部运移，以游离态形式储存于地壳深部。这可以解释天然气水合物和游离态天然气往往共存这一现象。但在实际的自然状况下，除前述两种基本要素外，天然气水合物的形成还必须有充足的流体载体的供应以及流体载体的输导系统。该输导系统必须为流体载体提供一定的动力来源、运移通道空间等。可见地质环境是气体水合物形成的重要控制条件，也正是由于地质条件的不同，导致天然气水合物的形成模式和分布上的巨大差异。从天然气水合物形成特征的角度将海洋天然气水合物的形成模式分为强渗漏系统和弱渗透系统。 所谓强渗漏系统是指海洋底部由于地壳构造活动产生的挤压或拉伸等变形作用或者由于海洋沉积物的侧向挤压变形作用而出现断层，许多圈闭的烃类气体
6、由此向上渗流并大量漏出，形成较稳定的水合物形成所需的气源。 以甲烷为主的烃类气体(可以是生物成因，也可以是非生物成因)，与流体载体一起形成孔隙流体团，无论其是否达到饱和状态(相对于游离气体)，在纵向和侧向上的压力梯度、温度梯度的驱动下，将会沿着断层的孔、缝等多种通道系统运移，最后聚集在主通道内继续向上运移，基本上达到过饱和状态。同时，在原地微生物烃类气体的参与下，大量的烃类气体难以继续溶解在流体之中，于是它们在合适的温度、压力下，即在天然气水合物稳定带内，与水分子相结合，成为固态结晶体的天然气水合物。产状上可认为在BSR之上积聚形成富水合物区，大多数水合物聚集在BSR之上一个相对狭窄空间带。水
7、合物稳定带的底界呈不连续状，表现出稳定带形成之前具有突变过程。其上界则是扩散和渐变的，反映出水合物在横向和纵向上不断生长、并向外延伸和扩张的状态。强渗漏系统极具成藏的可能性。一是因为地壳构造活动的变形作用可形成许多流体运移的通道，同时也可产生大量的向上运移的孔隙流体。二是这种活动可带来有利的储集空间，特别是快速巨厚沉积的裂陷区或扩张区，是强渗漏系统易形成水合物的地方。强渗漏系统的水合物形成模式也适于海底之下陆坡和陆基地带，所形成的天然气水合物分布集中，储量密度大，成藏物化条件优越，具有实际开采价值，其资源意义十分重要。根据Kvenvolden等对世界各地的天然气水合物样品的调查资料以及有关的地
8、质资料分析，认为墨西哥湾、中国南海、挪威外海有此类水合物藏存在的条件。相对于强渗漏系统，弱渗透系统中天然气水合物的形成过程则细微与缓慢，但其作用的范围也更加广泛。1.2 国内研究现状与中国寻找海洋天然气水合物前景预测 尽管我国对天然气资源的需求日益加大，但与国外相比，国内对天然气水合物的研究仍比较薄弱，积累的有用的分析资料也很少。国内真正进行天然气水合物的研究是从1990年开始的，当时中科院冰川冻土研究所的研究人员率先在国内利用实验设备人工合成了天然气水合物。早期国内对天然气水合物成因机理的研究主要是借鉴国外的经验与数据，进行资料收集和调查试点，以及对世界各地的天然气水合物成因机理的初步介绍。
9、20世纪9O年代后期，杨廷槐等 对天然气水合物在各大洋中的分布状况、形成机理及找矿方法进行了初步的评价。9O年代后期以来，地质调查人员在中国的南海、东海陆坡、西沙海槽、台西南盆地东缘等发现了大面积的天然气水合物存在的BSR证据。国内多位学者初步探讨和研究了天然气水合物的成因机理，分析了南海海域地质条件下的天然气水合物成因，取得了初步成果。 我国对天然气水合物的研究基本处于调研起步阶段.“九五”期间,中国大洋学会组织了“西太平洋气体水合物找矿前景与方法的调研”、国土资源部组织了“中国海域气体水合物找矿前景研究”,863 计划820 主题也支持了“海底气体水合物资源勘查的关键技术”前沿性课题,19
10、99 年国家自然科学基金委批准了3 项涉及天然气水合物研究的基金. 1990 年,中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室科研人员曾与莫斯科大学冻土专业学者成功地进行了天然天然气水合物人工合成试验,1991 年,该实验室又进一步研究了合成的条件. 近年来,根据初步的BSR 识别,我国科研工作者认为南海的西沙海槽北部陆坡、东沙岛附近、笔架南盆地、南沙海槽、南海南部的沙巴岸外、冲绳海槽、台湾东北及东南等海域是天然气水合物的可能分布区. 1999 年ODP184 航次的北部2 个钻孔中发现了较高的甲烷含量和较低氯离子浓度的孔隙水等天然气水合物异常. 初步认为中国边缘海可能有可观的天然气水合
11、物潜力. 由于尚无开展系统研究,也没有建立高新的地球物理、地球化学探测技术体系,对BSR 识别的合理性、天然气水合物在中国边缘海的分布及蕴藏量缺乏深入认识. 跟国外的天然气水合物研究相比远远落后,与我国作为一个拥有300 万km2 海域面积的能源消耗大国的地位极不相称. 1.3 海洋天然气水合物发展战略 为建立海洋天然气水合物产业,首先需宏观了解我国海域天然气水合物的分布及其资源量情况,进而要圈定有利分布区开展深入的调查研究,并建立天然气水合物勘探、开发的高新技术体系. 应该指出,在天然气水合物的勘探、开发过程中,地球物理将起重要的先导作用,无论是分布状态的掌握还是资源量的估算,天然气水合物储
12、层的精细描述及勘探井位的设计等等,均需要发展相应的地球物理探测技术. 三十多年来,地矿、石油系统在东海、南海、渤海和黄海开展了大量的地质、地球物理综合调查工作,建立了海洋油气工业,积累了丰富的地质、地球物理、地球化学和钻探资料. 利用这些资料,研究针对天然气水合物沉积的地球物理处理、解释技术,并进行二次开发,可以对中国海域特别是南海、东海的冲绳海槽的天然气水合物资源远景进行评价研究,初步确定有利分布区. 进而选择最有希望的海域进行高新技术航次调查,估算天然气水合物的蕴藏量,并对目标区开展天然气水合物储层的精细描述,提供勘探井位. 然后,利用勘探井的数据,探明目标区天然气水合物的地质储量及产层的
13、分布,进行试开发. 形成一套实用的勘探技术和调查方法. 2 地球物理探测高新技术 2.1 蕴藏量估算技术 与大陆边缘通常的沉积物相比,天然气水合物沉积具有较高的纵波速度,因此地震得到的速度及其他弹性参数对研究天然气水合物的分布非常有用. 此外,天然气水合物稳定带下方可能存在的含游离气体沉积物则具有较低的纵波速度与泊松比. 因此,可以利用得到的速度与弹性参数结构,通过岩石物理模型方法对比现有资料半定量地估计天然气水合物的饱和度. 再根据厚度、面积等参数计算天然气水合物蕴藏量. 为了正确识别BSR ,准确地了解BSR 上方孔隙中水合物的数量、BSR 下面游离气体的分布,海洋天然气水合物的地震速度、
14、弹性参数结构研究已成为必须要解决的关键问题,90 年代以来,开展了叠加速度分析、旅行时反演、叠后波阻抗反演,AVO 分析,一维叠前广角反射波形单参数反演研究. 为此,要发展高精度速度分析技术、AVO 技术、地震波形反演技术,建立适用于天然气水合物的采集、处理与解释技术和软件系统,进而建立海洋天然气水合物的蕴藏量估算技术. 2.2 深水区高分辨率地震技术 为研究海洋天然气水合物,日本已于1996 年在南海海槽、日本与加拿大合作1999 年在Mackenzie 三角州进行了高分辨率的地震调查. 应该指出的是,高分辨率的成像技术目前还未解决. 就深水区高分辨率地震技术而言,特别要加强处理与解释系统研
15、究. 利用深水区高分辨率的采集、处理与解释技术,可以揭示天然气水合物沉积的精细结构,进行天然气水合物的储层特征、储藏结构描述,寻找有利的钻探目标,并结合井中的资料,确定天然气水合物的地质储量,提出评价方案. 2.3 井中地球物理技术 美国东南大陆边缘布莱克海台、加拿大Mackenzie 三角州实施了纵波激发的零偏、非零偏的VSP、横波激发的零偏VSP 工作,得到了纵波速度、横波速度的垂向分布,标定了地震层位. 实际上,深水区VSP 技术、常规测井技术、成像测井技术(微电阻扫描成像测井、偶极子横波成像测井、核磁共振成像等井中地球物理技术,是判别地层是否存在天然气水合物及提供天然气水合物储量参数的
16、重要手段. 同时,测井资料也是研究井点附近天然气水合物的主地层的沉积环境及演化的有效手段. 2.4 海洋电磁法探测技术 天然气水合物的底边界在地震剖面上有明显的反映,但是,它的上边界则不易确定,由于天然气水合物像冰一样,在电性上是一个绝缘体,所以,可以利用电法资料辅助评价和计算资源量. 利用电磁法正、反演计算,研究游离气带模型、水合物楔模型、不同饱和度的天然气水合物沉积在电磁场上的特征,可以确定合理的电磁法探测技术. Edwards曾用海底人工源瞬变电偶极系统采集有关电法数据,辅助地震对天然气水合物作出资源评价. 因此,发展海洋电磁法技术,进而开展电磁成像、电磁地震联合反演及综合解释技术研究,有助于天然气水合物的评价. 海洋天然气水合物是21 世纪的新型能源. 在天然气水合物的勘探、开发过程中,地球物理将起重要的先导作用,无论是分布状态的掌握还是资源量的估算,天然气水合物储层的精细描述及勘探井位的设计等等,均需要发展相应的地球物理探测技术. 发展海洋天然气水合物的地球物理探测高新技术,包括数据采集、高分辨率成像为主的处理系
