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1、天然气水合物勘探技术综述摘要 天然气水合物是本世纪最具开发前景的替代能源，开发天然气水合物资源，对我国宏观能源战略决策和可持续发展具有重大的现实意义。因此发展天然气水合物勘探技术，准确分析天然气水合物的分布和蕴藏量，对我国天然气水合物产业的建立有至关重要的作用。本文简要介绍了几种天然气水合物的勘探技术。关键词 天然气水合物 地球物理勘探技术 地球化学方法技术 关键探测技术1 引言天然气水合物因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等）下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非
2、化学计量的、笼形结晶化合物。它可用MnH2O来表示，M代表水合物中的气体分子，n为水合指数（也就是水分子数）。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过99的天然气水合物通常称为甲烷水合物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、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。在标准状况下，一单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。天然气水合物使用方便，燃烧值高，清洁无污染。据了解，
3、全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，具有广阔的开发前景，美国、日本等国均已经在各自海域发现并开采出天然气水合物，据测算，我国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当我国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。2 天然气水合物地球物理勘探技术2.1地震勘探法地震勘探是目前进行天然气水合物勘探最常用的、也是最重要的普查方法。地震方法的原理是利用不同地层中地震反射波速率的差异进行目的层探测。由于声波在天然气水合物中传播速率比较高，是一般海底沉积物的2倍，故能够利用地震波反射资料检测到大面积分布的天然气水合物。2.1.1 BSR技术海洋天然气水合物存在的一个重要地震剖面特征
4、是似海底反射层（BSR），它代表天然气水合物稳定带的基底，BSR之上为天然气水合物稳定带。因为天然气水合物稳定带之下的沉积物中经常渗透有一定量的水，同时还可能饱含受上层天然气水合物层屏蔽的气体，而地震波在水和气中的传播速率都比较低，故地震波在天然气水合物稳定带以下地层中传播速率也相应较低，一般为1.41.5km/s。由于地震波在天然气水合物稳定带和 BSR之下地层中传播速率的明显差异形成一个较强的波阻抗反射面，产生较强振幅的反射波；同时，由于天然气水合物稳定带基底在一定的区域内总是出现在大致统一的深度，故来自这个反射界面的正常地震波也就大致平行于海底，因而称为似海底反射面 。BSR常分布于海底
5、地形高地之下或陆坡之上，且随水深的增加而增加，随地温梯度的变化而变化 。BSR反射波极性与海底极性相反，这也是可能存在天然气水合物的标志。目前，在秘鲁海槽、中美洲海槽、北加利福尼亚和俄勒冈滨外，南海海槽及南极大陆和贝加尔湖都发现了BSR 的存在。同时通过深海钻探已证明这些具有BSR的地层确实存在天然气水合物 。2.1.2 速度和振幅结构（ VAMPS）速度和振幅结构在地震记录上由直接在“下拉”现象之上的有限“上拉”现象组成。VAMPS的出现表明存在天然气水合物和下伏的游离气体。在不变形背景中的一般平缓起伏的沉积物的地震剖面上，BSR 难以“拾取”，但 VAMPS 却可以识别确定是否存在天然气水
6、合物，如白令海盆地。在有广阔、平缓起伏沉积物的大洋盆地中，如有天然气水合物则最有可能出现 VAMPS。VAMPS 被认为是直接在深气源之上形成的天然气水合物引起的 。2.2 测井技术由于天然气水合物对沉积物的胶结作用使得沉积物比较致密，孔隙度减小，渗透和扩散强度降低，不仅在地震剖面上有明显的特征显示，而且在测井曲线上也有异常显示。因而地球物理测井技术成为天然气水合物勘探中一种有效的手段。测井技术主要用于：（1）确定天然气水合物、含天然气水合物沉积物在深度上的分布；（2）估算孔隙度与甲烷饱和度；（3）利用井孔信息对地震与其他地球物理资料作校正。同时，测井资料也是研究井点附近天然气水合物的主地层沉
7、积环境及演化的有效手段。可见，测井在天然气水合物探测与储量评价领域发挥着重要的作用，并且随着以勘探天然气水合物为目的钻井增多，日益受到重视。2.3 钻井取芯技术钻井取芯是识别天然气水合物最直接的方法，目前已在世界许多地方如：布莱克海岭、中美洲海沟、秘鲁大陆边缘、里海等地获得了天然气水合物的岩芯 。但是由于天然气水合物特殊的物理化学性质，当钻孔岩芯提升到常温常压的海面时，其中含有的天然气水合物会全部或大部分分解，为了能获取保持在原始压力条件下的岩芯，科学家们研制出了保压取芯器。1995年在ODP第 164航次中首次进行了保压取芯取样的尝试并取得了部分成功 。1997年开始的欧盟海洋科学和技术计划
8、研制了新一代的天然气水合物保压取芯系统，其功能得到不断的完善和加强 。2.4 地热研究温度、压力是天然气水合物形成、稳定与分解的重要因素，因此地热学方法也成为研究天然气水合物的重要手段。利用BSR资料估算地温梯度、进而求出热流值、并与实测热流值对比分析是天然气水合物地热研究的主要方向。利用热流、海底温度等资料估算天然气水合物稳定带的底界也可以从宏观上确定大陆边缘天然气水合物可能存在的分布范围。一些研究资料表明，BSR导出的热流值与实测热流值、热流估算的天然气水合物稳定带底界与BSR 深度是有差异的，引起差异的原因还不清楚，正处于研究之中。就天然气水合物的地热研究而言，天然气水合物，含天然气水合
9、物沉积物的热导率测定及其应用，天然气水合物形成与分解过程中的热流状态也是重要的研究内容。2.5 海洋电磁法探测技术天然气水合物的下边界在地震剖面上有明显反映，但是，它的上边界则不易确定，由于天然气水合物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
10、。3 地球化学方法技术由于天然气水合物极易随温度压力的变化而分解，海底浅部沉积物中常常形成天然气地球化学异常。这些异常不仅可指示天然气水合物可能存在的位置，而且可利用其烃类组分比值及碳同位素成分判断其天然气的成因。因而地球化学成为识别海底天然气水合物赋存的有效方法 。3.1有机化学主要是分析天然气水合物中烃类气体含量和物质组成，确定C1/(C2+C3)的比值，即R值。其中前两者有助于大致确定天然气水合物的晶体结构和气体成因，后者则是天然气水合物成矿气体来源的重要标志之一 。3.2 流体地球化学方法主要用于研究海底底层水和沉积物孔隙水中的甲烷浓度和盐度（即氯离子浓度）异常，因为天然气水合物的笼状
11、结构不允许离子进入，它的形成将使周围的海水盐度增高，反之其分解将会使周围的孔隙水变淡，氯度（盐度）降低，这两种情况都可形成水化学异常，可以通过其异常值的变化来判定天然气水合物的存在与否 。3.3 稳定同位素化学稳定同位素化学是研究天然气水合物成矿气体来源的最有效手段。目前随着研究的深入，不断发现天然气水合物新的地球化学标志，如：水中氘的富集，天然气中He的增高等 ，这些都可能在天然气水合物的地球化学勘查应用中具有良好的前景。3.4 酸解烃方法卢振权等选择西沙海槽天然气水合物潜在富集区作为已知区，利用陆上油气地球化学勘查方法（酸解烃、热释烃、蚀变碳酸盐方法）开展了试验性研究，通过对海底浅层沉积物
12、各项测试指标的分析，发现酸解烃方法效果比较好。同时还对海底浅表层沉积物酸解烃重新进行了释义，并认为酸解烃方法适合于海底水合物的勘查。3.5 海洋沉积物热释光方法热释光与有机烃类成正相关，天然气水合物形成和分解产生的碳酸钙、硫酸钙及硫酸钡沉淀是很好的热释光晶体，且热释光不受有机污染的影响，灵敏度高，是很有前景的寻找天然气水合物的方法 。4 地质勘探方法在生储盖组合完整、油气藏埋藏深的盆地中，天然气水合物矿藏最有利的成矿部位是盆地边缘及构造破坏且冻土层发育的部位。可能出现天然气水合物的地表标志有泥火山、形状类似环形山的洼地、特殊形状的植物枯死斑块等 。到目前为止，在大洋浅表层沉积物中发现的具有一定
13、规模的天然气水合物产地有黑海、里海、墨西哥湾、地中海、挪威海、巴巴多斯岛海岸、尼日利亚海岸 等地。研究表明，大洋底浅表层沉积物中天然气水合物的产出主要与下列地质或构造作用相关：（1）泥火山作用；（2）底辟构造；（3）断裂构造发育的埋藏背斜区；（4）发育有海底流体喷出排放现象 。出现在海底或浅表层沉积物中的天然气水合物，是由微生物成因的甲烷气沿断层、节理或底辟构造向上运移形成的。它们的形成，造成了底层海水的烃类气体含量异常，造成了浅表层沉积物和孔隙水的一系列地质、地球化学特征异常。5 新一代地球观测系统由于天然气水合物都分布在大陆边缘的近海大陆斜坡或者地球的极地和其他大陆冰盖的永冻层中，工作条件
14、差，常规的地质勘探效果不理想。新一代地球观测信息为天然气水合物的研究与开发提供了新的技术方法。利用新一代地球观测信息来寻找天然气水合物，关键是要了解它的特殊标志，如热异常、化学成分异常和特殊的构造环境等。利用新一代卫星遥感数据（MODIS和MOPITT）能提供固态天然气水合物的特殊标志信息，如固态天然气水合物渗漏可在遥感图像上反应出来 。6 自生沉积矿物学法20世纪90年代以来，自生碳酸盐矿物在北美西部俄勒港滨外、印度西部大陆边缘和地中海的United Nations海底高原等区域海底沉积物中相继发现，从而使人们将天然气水合物的分布与自生碳酸盐矿物形成联系起来，并将该自生矿物产出作为天然气水合
15、物的形成标志。通常，这些自生矿物呈碳酸盐的岩隆、结核和烟囱等形式产出，与之相伴的海洋贻贝类、蚌类、管状蠕虫类、菌席和甲烷气泡等，所有这些都是富甲烷流体垂向排出所致，因而，它们在泥底辟和泥火山发育区更为典型 。7 我国形成自主知识产权天然气水合物关键探测技术经过科技工作者十余年的持续努力，我国已形成具有自主知识产权的天然气水合物高精度地震、原位及流体地球化学等关键探测技术，为打破国外的技术垄断，实现我国海域天然气水合物勘探技术的跨越式发展及今后区域规模找矿发挥巨大的技术支撑作用。 从广州海洋地质调查局获悉，“十一五”期间，科技部863计划设立了“海域天然气水合物勘探开发关键技术”重大项目，投入8
16、000多万元资金，针对天然气水合物资源勘探所面临的关键技术，并着眼于未来对这一新能源的开发利用，组织联合攻关，形成了一系列关键探测技术： 研发了天然气水合物矿体的三维与海底高频地震联合探测技术，依托技术获得天然气水合物矿体外形及内部结构资料，从而为矿体探测优选提供关键技术支持；研发了天然气水合物矿藏的原位及流体地球化学示踪技术，为水合物成矿区带目标的地球化学高效勘探提供技术服务；研制了天然气水合物钻探保真取样（芯）器及配套技术，为水合物钻探工程化及采获天然气水合物样品提供技术支撑；研发了国内首套、具有自主知识产权的海洋可控源电磁探测仪器系统，为获取水合物勘探的地磁场数据提供技术服务；研制了海底热流原位探测系统，为水合物勘探的海底热流原位提供技术服务；研制了三维、可视天然气水合物开采过程物理模拟实验系统，以及三维四相沉积物中天然气水合物开采数值模拟技术，提出海洋天然气水合物试采
