天然气水合物
收稿日期:2007 07 23; 修回日期:2007 09 28
基金项目:中国科学院创新项目(编号:KGCX2 S W 224 ; 国家自然科学基金(编号:90410003 ; 广东省自然科学基金重点(编号:
052001130 联合资助.
作者简介:樊栓狮(1965 , 男, 陕西蒲城人, 教授, 博士生导师, 主要从事天然气水合物、化工分离等研究. E mail :fanss@m s. giec. ac. cn.
天然气水合物动态成藏理论
樊栓狮1, 3, 关进安2, 3, 4, 梁德青2, 3, 宁伏龙5
(1. 华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室, 广东广州, 510640;
2. 中国科学院广州能源研究所, 广东广州510640;
3. 中国科学院广州天然气水合物研究中心, 广东广州510640;
4. 中国科学院研究生院, 北京100039;
5. 中国地质大学工程学院, 湖北武汉430074 摘要:总结了天然气水合物的赋存状态及其分类, 从生成和分解速度角度提出了天然气水合物的动态成藏理论, 并依据冻土层钻井气体喷溢、海底水合物露头和海底羽状气泡流等实例论证了这种动态成藏理论。指出天然气水合物赋存状态主要有3种类型, 即成长型(渗透型、扩散型、成熟型和消退型, 认为我国南海北部陆坡区的西沙海槽、东沙群岛东南坡、台西南盆地、笔架南盆地等区域有可能存在着仍处于发育阶段的渗透型或扩散型水合物层, 而青藏高原羌塘盆地则是属于消退型水合物, 祁连山地区、准噶尔盆地等的烃类气体泄漏表明在我国西北和东北的冻土带也可能存在着含气水合物层。
关键词:天然气水合物; 储层; 分类; 动态成藏; 理论
中图分类号:T E122 文献标识码:A 文章编号:1672 1926(2007 06 0819 08
0 前言
天然气水合物是由小客体分子(<0. 9nm 如CH 4等在一定温度压力条件下接触到水分子而形成的白色似冰的笼型结晶化合物[1]
, 具有单位能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅、成藏物化条件佳等优点, 具广泛分布于世界各大洋海底与陆地永冻层, (图1 。从图1中可以看出水合物在冻土带和大陆边缘陆坡广泛存在
[2]
, Klauda and Sandler 认
为全球海域的天然气水合物中储存有74000Gt 的甲烷[3], 其数量之大, 是全世界常规天然气储量的3个数量级。可见水合物气资源量极其丰富, 被誉为21世纪的可代替能源。
天然气水合物在沉积物地层中聚集形成具有一定储量规模的矿藏是一个复杂的过程, 它必须有充足的烃类气源、合适的相平衡温压条件和良好的圈闭条件。为了合理开发利用天然气水合物资源, 需要根据水合物生成和储存状态的特点对其进行恰当
的分类, 不少学者[4 8]分别从生成水合物的气体来源和水合物在沉积层中的赋存状态、水合物的赋存范
围以及水合物储层的演变过程等方面总结了水合物的分类特征。
无论是从水合物在沉积层的产状还是从水合物气体的来源等角度考虑对天然气水合物分类, 都没有涉及到其自身的一项重要特征, 即天然气水合物是一种并不稳定的固体, 即使在合适的热力学条件下, 水合物自身也会不断分解, 这一点对于分析天然气水合物在自然界的赋存状态非常重要。本文根据天然气水合物的热稳定特性,
认为其在自然界中的聚集是一种生成和分解同时存在的过程, 据此提出了水合物的动态成藏理论, 并且通过3个自然界水合物形成的实例来论证。
1 天然气水合物的赋存状态
目前, 对于天然气水合物在自然界的赋存状态, 通常分为以下几类:
第18卷第6期天然气地球科学
Vol. 18No. 6
图1 天然气水合物在全球的分布地点预测[2]
(1 根据天然气水合物的物质组分划分, 有气源说[9]
与水源说[10]
2类。天然气水合物是由气体和水组成的一种固体物质, 其笼型结构里包容了不同尺寸的气体分子。根据烃类气体成分比值[R =C 1/
(C 2+C 3 ]和甲烷的碳同位素 13
C 值来判别甲烷气体的成因, 此即为气源说。在美国墨西哥湾水合物区块的研究工作表明形成水合物的烃类气体共有3种成因:热成因气、生物成因气和混合成因气[11]。天然气水合物在海底沉积物里生成和分解时, 会导致孔隙水中阴离子(Cl -、SO 2-
4
等、阳离子(Ca 2+
、
Mg 2+
等和氢氧同位素的的异常[12]
, 对孔隙水进行地球化学检测可以指示水合物的存在情况, 此即为水源说。
(2 根据天然气水合物存在的地理地质环境和热稳定性划分, 可以分为陆地冻土层天然气水合物和海洋天然气水合物[7 8]。天然气水合物广泛存在于全世界各地的海洋和内陆湖中, 特别是在大陆边缘的浅海里。另外一个水合物富集的地域是大陆冻土层, 在西伯利亚、阿拉斯加等地区的冻土层里均已钻获了含水合物岩心。通过对钻井过程的各项参数分析和研究表明, 水合物在冻土层存在2个明显不同的分层:水合物稳定带(H ydrate Stability Zo ne, H SZ 和亚稳定带(H y drate M etastability Zo ne, H MZ (图2 。在冻土层, 由于水合物的自保护效应, 即使是离开H SZ, 水合物也能在H MZ 里存在一定的时间, 同时, 在这种环境下沉积层孔隙的聚气能力更强。Yakushev and Chuvilin 研究了在西伯利
, 合物的自保护效应能聚集更大量的天然气
[13]
。
图2 冻土带中HSZ 与HMZ 的分布范围
(左图显示H M Z 通常处于水合物相平衡线外,
右图表明残余水合物通常被冰包裹
(3 根据水合物在沉积层里的生成产状划分, 有
不同的划分方法。Malone 等[4]首先对海洋水合物产状进行了多年研究, 他们运用分型理论(此理论是后来研究水合物在沉积层胶结性质的基础指出水合物主要存在于以下4种类型:良好分散型水合物、结核状水合物、层状水合物和块状水合物(图3 。U chida 等[5]
通过CT 研究了加拿大Mackenzie 三角洲的含水合物岩心, 进一步将水合物在沉积层里划分为6种产状:孔隙状水合物、扁平状水合物、散粒状水合物、层状水合物、节理状水合物和脉络状水合物。地震波探测水合物沉积层时, 由于水合物的饱和度不同会导致波幅和波速的不同。Dai 等[14]总结,
图3 分型理论划分的水合物产状[4]
(1 块状水合物; (2 层状水合物; (3结核状水合物; (4 分散状水合物
接触胶粘模式、颗粒包裹模式、骨架/颗粒支撑模式、孔隙填充模式、掺杂模式以及结核或裂隙填充模式。(4 根据不同地质条件下的水合物生成速度或含水合物层的产气速度和潜能划分, 樊栓狮等[6]认为海域水合物可以分为渗漏体系和扩散体系。渗漏体系里气体以热成因气为主, 水合物在沉积层里生成速度快; 扩散体系里以生物成因气为主, 水合物生成速度缓慢。M oridis [15]根据天然气水合物聚集特征、位置和分布形态将含水合物层分为3类。第1类由上、下2个带组成:上带为
水合物聚集层, 下带为含游离气的两相流体, 其产气潜能大, 这种类型的水合物藏最有希望被开发利用。第2类含2个明显特征带, 即含水合物沉积层及其之上不含游离气的动态水流体(如含水土层。第3类只有单一分布的水合物聚集层。对于天然气水合物不同赋存状态的划分, 可以见表1。
2 天然气水合物动态成藏
巨大的天然气水合物储量对地球气候变化产生了重大的影响, 无论是水合物炮弹假说 (the H y dr ate Gun H ypothesis 还是晚古新世热量最大事件 (the Late Palaeocene Thermal M ax imun, LPT M , 其原因很可能都是大量的甲烷水合物分解[16]造成, 这说明地壳表层的天然气水合物藏是处于不断的变动状态。对从ODP 和IODP 采集的岩心样本的地球化学测试也表明, 在同一地质剖面上的甲烷水合物其形成时期并不相同, 说明天然气水合物的生成是个不断进行的过程, 其成藏也是在不断的变动中。通过使用海底摄像仪器在墨西哥湾[17 18]
、Cascadia 古陆边缘的水合物脊[19]
和挪威外海海底[20]拍摄到的图片表明, 这些地方的海底水合物层仍处于不断的生长和分解之中(图4 。
同样的情
图4 海底天然气渗漏通道从顺畅到封闭的变化过程
(a 在Norw egian -Barents-Spitzbergen 大陆边缘H ak on M soby M ud Volcano(H M M V , 气体携带水合物从渗漏孔喷出海底面[20], 其中在离喷口1m 高处可见白色的水合物团和气泡, 表明该渗漏孔处于旺盛发育状态; (b 在GOM 北部斜坡拍摄到的水合物堆(mound , 可见少许气泡从此水合物堆上泄漏出[18], 表明该渗漏区逐渐接近静态; (c 在Barkley Cany on 水深850m 海底生长的约7m 长、3m 高的水合物堆[22], 此地区孔口完全被封闭, 未观察到气体渗漏现象。
表1 天然气水合物赋存状态的分类
分类缘由
特征说明
具体划分分类依据
分类说明
按物质组成分类
气源说
根据天然气水合物中[C 1/(C 1+C 2 ]值和 13C 值判别甲烷气的成因
水源说
根据孔隙水里的阴离子(Cl -、SO 2-4
等、阳离子(Ca 2+、M g 2+等以及氢、氧同位素的浓度比值来判定
根据天然气水合物的物质组成(水和气来分类, 可以将水合物气分为3类:生物成因、热成因和混合成因
按地质地理条件分类陆地水合物区海洋水合物区主要存在于大陆冻土层全球海域广泛存在
可以划分为水合物稳定带和亚稳定带按水合物生成和产气速度分类
水合物生成速度由于地质和气体运移条件不同, 使得天然气水合物生成速度不同
可以分为渗漏型和扩散型2类, 其中渗漏型水合物生长速度快, 扩散型则缓慢水合物产气速度由于毗邻沉积层油气田的远近及地质条件不同导致水合物气田产气量和速度不同
可以分为3类
按生成产状分类
各学者划分不一
根据岩心取样观察到的水合物产状, 或者根据水合物的聚集程度等等
主要是水合物在沉积层骨架中的胶结类型不同
况在西伯利亚的含天然气水合物沉积层的Yam burg 油气田和Yamal 半岛的Bavanenkov o 油气田、北部加拿大的92GSC T ag lu 井、Mallik 2L 38井以及阿拉斯加的H ot Ice No 2井里都存在[21]。以上的事实表明, 水合物成藏处在水合物不断分解和生成的过程, 此过程直接决定了水合物藏的资源量和未来对其开采的经济性评价, 因此, 必须根据水合物的生长与分解过程来划分水合物的储量情况。据此, 我们提出了一种新的分类依据:天然气水合物的动态成藏理论。
2. 1 天然气水合物动态成藏原理
天然气水合物的动态成藏是指当水合物在沉积层中生成的同时, 由于气液界面的传质和传热的变动, 必然也同时存在着水合物的分解过程, 这种水合物生成和分解的共同作用决定了水合物的储集性质。天然气水合物在多孔隙沉积层里的生成由许多不同的参数共同作用, 除了温度、压力、孔隙率、孔隙水盐度等外, 气体的运移也是个很重要的因素。Xu and Ruppel
[23]
认为天然气水合物在海洋沉积层中
形成时, 甲烷气的运移加快了其在海水里的溶解和扩散, 运移速度的大小关系到水合物在多孔介质里的形成。同时, 在海底含水合物沉积层里, 水合物在毛孔里形成是一种典型的多相流动现象, 毛孔里的游离气、水、水合物及盐处于热力学平衡状态, 而随着水合物的不断形成, 毛孔里盐度增加, 同时气相和液相之间产生压力差, 这些都导致水合物-水-气-盐的相平衡条件发生改变, 促使孔隙中进一步的[24 26]里天然气水合物的生成和分解必然始终是共同存在的过程。
在生成和分解共同作用下, 水合物在微观上的生长速度与其分解速度的相对大小决定着其宏观上
的含水合物沉积层(或水合物藏的增厚或变薄。若生长速度大于分解速度, 则
此水合物藏仍处于增长状态, 其资源量还在不断的变大, 这种可称为成长型水合物储层, 包括天然气从地壳往海底沉积层快速上移渗漏而形成的渗漏型水合物和天然气在合适的热力学条件下缓慢演变形成的扩散型水合物; 若生长速度小于分解速度,
则此水合物藏是处于减小状态, 其资源量在逐渐的变少, 甚至最后水合物藏完全消失, 这种可称为消退型水合物层; 若生成和分解速度大小基本一致, 宏观表现为水合物
藏的异常稳定, 这种可称为成熟型水合物层。天然气水合物生成和分解速度的相对大小决定着动态成藏的演变程度, 而生成和分解的速度又是随着地质地理条件、热力学环境和气体运移量等的变动而时时变动, 这样的分类能更准确地反映水合物的赋存状态。2. 2 天然气水合物动态成藏的意义
天然气水合物的动态成藏机理表明, 除了生成速度和分解速度相平衡的稳定型水合物层外, H SZ 和H M Z 的厚度始终还是处于变动状态, 这样在开采或钻探时必须考虑到这种储层厚度的变化。更重要的是, 水合物的动态成藏预示着全球天然气水合物资源量并不是始终不变的, 不同地质条件和地理位置的水合物层的变动并不相同。对于生长速度大,
布什山高地发现的渗透型水合物藏, 其资源含量仍在不停的增加, 有资料表明此地区的天然气渗透速率越来越大
[27]
, 这种成长型的气体水合物藏在当前情况下显然是不适于开采的, 必须研究相应的耦合有时间和地质因素的动力学模型, 确定最优的开采方案。对于生长速度小于分解速度的消退型水合物层, 目前的任务是正确的评估其经济价值和开展可
行性分析, 例如早在20世纪90年代就已停产的麦索亚哈油气田的水合物层, 由于油气产量的急剧减少直接导致水合物层的不断变薄
[28]
, 最后已不具有
任何的开采价值。对这种消退型水合物层必须采取必要的技术措施使得其经济效益最大化。而对于稳定型水合物层, 则必须对其采取经济性评估来确定是否具备开采价值(表2 。
表2 天然气水合物动态成藏类型及特征
名称类型特征
实例
技术措施
天然气水合物的动态成藏
成长型在沉积层里天然气水合物的生成速度大于分解速度, 水合物处于不断的生长阶段; 又可分为水合物快速生成的渗漏型和缓慢生成的扩散型2种
可以认为有海底气体渗漏的地点如墨西哥湾、Cascadia 地区的水合物脊等是处于成长中的天然气水合物藏由于天然气水合物资源量仍处于不断增长状态, 可以暂缓开采, 应研究耦合时间和地质因素的相应动力学模型, 确定最优开采时间
成熟型在沉积层里天然气水合物的生长速度与分解速度相平衡, 水合物层表现稳定
目前并不能断定稳定型水合物层的地点, 但由于水合物的自保护效应, 我们可以将冻土层残余水合物视为稳定型水合物
由于天然气水合物资源量异常稳定, 必须结合经济性评估来确定是否开采
消退型
在沉积层里天然气水合物的生长速度小于分解速度, 水合物层处于消退状态
比较典型的是前苏联麦索亚哈油气田, 目前已停止开发, 资料表明我国的青藏高原有消亡型水合物层
由于天然气水合物资源量在不断减少, 必须结合经济性评估, 尽快研究适当的开采技术方案
3 重要实例
天然气水合物的动态成藏表明天然气水合物层的变动状况可以被预测, 而这种变动现象在世界各地的海洋和大陆永冻区含水合物沉积层中都有发现。3. 1 冻土层钻井
冻土层内及其下的气喷或气体漏泄现象广泛出现于俄罗斯的西西伯利亚和东西伯利亚、加拿大麦肯茨三角洲和美国阿拉斯加的Kjlmne 湾地区, 这些地区往往都是天然气水合物或天然气田分布区
[29]
。冻土层内的气喷多来自于浅层的微生物气,
也有部分是由深部的热解气或天然气经活动断层运移上来的, 组分以甲烷为主。气喷的流量随时间的推移而逐渐降低, 一般持续数天至数月, 最长达7个月。这些气体在水合物稳定带内聚集时有可能形成天然气水合物, 甚至有部分气喷气就是由天然气水
合物分解后所释放的, 特别是那些持续时间较长的气喷往往就是水合物分解后的气体的喷发。
最先发现并开展这方面研究的是在麦索亚哈油气田[7 8, 28], 在钻进操作过程中发现有大量气体从解冻的冻土带岩芯释放出来。研究表明, 残余的气体水合物是这些气体的来源, 而水合物的自保护效应被用于解释残余气体水合物的存在。这种现象也存在于西西伯利亚的Yamburg 油气田、M allik 5L 国o t 3. 2 海底水合物露头
天然气水合物出露海底面形成水合物丘的现象
在墨西哥湾和Cascadia 水合物脊广泛存在。天然气水合物在自然界中极不稳定, 温压条件的微小变化就会引起它的分解或生成。在墨西哥湾水合物研究区域的水深500m 以下拍摄到了天然气水合物小丘和丘群, 350d 的观察和摄像可以看出其明显的改变[30]。ODP204航次在Cascadia 南北水合物脊也发现多处海底水合物出露情况。这些水合物丘充分说明海底沉积层的水合物生成和分解的情况。MBARI 溶解实验也说明了此区域水合物的生成速度大于分解速度, 水合物层是处于不断增加的阶段。3. 3 海底气泡羽状流
在地壳动力作用下, 天然气(主要为热成因气从地壳内部往上运移, 穿过海底沉积层泄漏进入海水, 形成海底气泡羽状流。形成这种海底气泡羽状流的地区常发现富含天然气水合物的海底沉积层, 比如墨西哥湾、Cascadia 的南北水合物脊、南海海槽和鄂霍次克海等地
[31 33]
。这种现象表明这些地区不
仅海底气体运移量巨大, 而且气体的运移速度相当快。这些巨大量的高速运移气体一方面给海底沉积
层带来了充足的气源(这些气体在合适的温度、压力和地质条件下在沉积层里生成天然气水合物 ; 另一方面气体运移又会不断破坏孔隙里的热力学平衡,
824 天然气地球科学 Vo l. 18 平衡点再次形成天然气水合物, 而一部分分解气甚至少部分水合物则被向上运移的气体所携带。羽状气泡携载水合物喷溢出海底, 形成海底火焰现象, 这些火焰高度从几十毫米到几十米不等, 在黑海观察到从海底泥火山口溢出的海底羽状流气泡高达 1 300 m [ 34] , 表明在该地区海底沉积层里水合物的生成和分解过程受剧烈的气体运移影响而处于旺盛发育状态。以天然气泄漏为标志的渗漏体系水合物, 目前已在南海采集到了冷碳酸盐岩, 在临近东海的冲绳海槽发现了海底天然气火焰柱 [ 38] , 这说明这些地区极有可能存在处于发
育型的天然气水合物藏, 由于其水合物资源仍在不断增加, 现今应该继续让其发育, 直到其慢慢成长为成熟型的水合物层, 同时还要研究符合其特征的动力学模型。而全球气温的增高导致青藏高原年均气温上升了 0. 3~ 0. 4 ! , 其冻土区将逐年退化[ 39] , 这说明青藏高原的水合物层是属于消退型储层; 由于其资源量在不断减少, 目前必须尽快对其评估, 研究相应的开采方案。我国东北和西北地区冻土带是另一块潜在的天然气水合物成藏区。在祁连山地区的钻探出现了明显的烃类气体泄漏现象 ( 图 5 。尽管对该地区木里煤田 33 号钻孔喷出的气体成因尚不清楚, 但持续时间将近 1 a( 有可能还将继续延续下去的冻土层内气体漏泄说明有源源不断的气源补给, 很有可能是深部的煤层气沿活动断层运移上来的( 因冻土层本身的渗透性很差。若这里具备适宜的温压条件就有可能形成天然气水合物, 甚至这些气体有部分可能就是天然气水合物分解所释放的气体。根据天然气水合物的动态成藏理论, 应对该地区可能形成水合物的地点进行进一步的调查, 确定其所属的成藏类型, 以便采取相应的开采措施。 [ 40] 4 天然气水合物赋存状态分类研究对我国天然气水合物研究的指导意义我国南海、东海、台湾西南海域都发现了天然气水合物存在的明显的地震波证据, 研究表明南海北部陆坡区的西沙海槽、东沙群岛东南坡、台西南盆地、笔架南盆地等海区极有可能存在着大量的天然气水合物资源 , 而青藏高原羌塘盆地烃源岩广泛分布, 有机质含量和演化程度高, 盆地内生烃潜力巨大, 完全具备天然气水合物形成需要的天然气来源 [ 37] [ 35 36] 条件。对天然气水合物赋存状态的研究首先必须明确其存在类型, 接着才能采取相应的开采措施。我国南海琼东南盆地、南沙海槽和东海陆坡等地的地质条件与美国墨西哥湾类似, 在这些区域内可能存在图 5 残余水合物被点燃后燃烧对比 ( 左图为东北西伯利亚Yamburg 油气田浅层钻井被点燃产生的火焰[ 22] , 右图为祈连山木里煤田 33 号井气体溢出及燃烧 [ 40] 5 结论必须进行经济评估, 研究相应的技术措施, 争取尽快开发。对于稳定型水合物层, 其含水合物资源量基本不改变, 则可以根据天然气市场上的需求变化和国家的相应政策, 对其进行经济性评估, 在适当的时机开采。 ( 2 在我国南海琼东南盆地、南沙海槽和东海陆坡等地区, 很有可能存在快速发育的渗漏型天然气水合物层, 应该研究其成藏特点, 建立相应的耦合时间和地质因素的动力学模型来预测其资源量和最优 ( 1 根据天然气水合物的生成和分解速度的相对变
化即天然气水合物的动态成藏理论, 提出了一种新的分类方法: 即水合物层有成长型( 渗漏型和扩散型、成熟型和消退型 3 种类型。对于成长型水合物层, 由于其
天然气水合物含量仍在增加, 所以可以等待其进一步演变成稳定的成熟型水合物藏后再行开采。对于消亡型水合物层, 其资源量在减少, 所以
No. 6 樊栓狮等: 天然气水合物动态成藏理论 825 开采方案。青藏高原冻土区羌塘盆地的热力学条件表明该区应该属于消退型天然气水合物层, 目前必须尽快对其进行评估, 研究相应开采方案和配套设备, 争取早日开采利用。我国东北和西北部的冻土带毗邻大型油气藏, 也很有可能存在着天然气水合物层, 对于这两地区还需要进一步确定其水合物成藏类型和特点。致谢: 感谢中国地质大学( 武汉工程学院蒋国盛教授和吴翔副教授在论文写作过程中提出的宝贵意见和建议。参考文献: [ 1] S loan E D. Cl at hrat e H ydrat es of N at ural G ases[ M ] . 2nd ed. N ew Y ork : M ar cel D ekk er, 1998. [ 2] T r hu A M , R uppel C, H ol lan d M , et al . G as Hyd rat es in M arin e Sediment s: L ess on s from Scient if ic O cean Dril ling [ J ] . Oceanography, 2006, 19( 4 : 124 142. [ 3] K l auda J B, Sandler S I. G lobal dist ribu ti on of m et hane hy drat e in ocean sedim ent [ J] . Energy & Fu els , 2005, 19( 2 : 459 470. [ 4] M alon e R D . O verview G as Hydrat e G eol ogy and G eography [ C ] / / A nnals of t he N ew Y ork A cademy of Sciences. N ew Y ork: [ s . n. ] 1994, 225 231. [ 5] U chida T, Dallimore S, M ikami J . Occurrences of nat ural gas h ydrat es b eneat h th e p ermaf rost zone in mach enzi e delt a vi su al and X ray C T imagery[ C] / / H older G D, Bis hnoi P R. G as H ydrat es Challenges f or t he Fu tu re. N ew Y ork: T he N ew Y ork A cadem y of S cien ces: 2000: 1020 1033. [ 6] [ 7] 樊栓狮, 刘峰, 陈多福. 海洋天然气水合物的形
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Guangz hou 511640, China; 3. Guangz ho u Center f or Gas H y dr ate Resear ch, Guangz hou 541640, China; 4. Gr aduate School of the Chinese A cademy of Sciences, Beij ing 100039, China; 5. Faculty of Eng ineer ing , China Univ er sity of Geosciences , Wuhan 430074, China Abstract: Classif icat io n on nat ural g as hy drat e depo sit s occurrence is summarized, and a dynamic theory of gas hydr at e reserv oir f orm at ion is put f orw ard. According to t his theory, t here are three ty pes of r eser v oirs: gr ow ing t ype ( including seeping t ype and dif f using t ype , mature t ype and regr essive t ype. T his theory is demo nstr at ed by t hree ex am ples: t he natural g as blow out w hen drilling in t he permaf rost , the hy drat e cropo ut s in t he seaf loor and t he gas bubbles in aby ssal plum es. T hen, sever al conclusions are draw n: t her e maybe exist t he seeping and dif fusing t ypes of g as hydr at e reservoirs which may st ill be grow ing in t he Xisha t ro ug h, Dongsha cont inent al slope of the Sout h China Sea, w est and sout h of T aiw an basin, and Bijianan basin; w hereas in t he Qiang t ang basin o f t he Qinghai T ibet plat eau m ay ex ist the re g ressiv e t ype gas hy drat e deposit . Furt herm ore, the phenomenon of hydr ocarbon gas leaking in t he Q ilian mountain areas and Jung er basin indicates t hat these areas may ensconce g as hy drat e reservoirs. Key words: Gas hydrat e; Reservoir; Classificat ion; Dynam ic accumulation; T heory.
Open Journal of Nature Science 自然科学, 2019, 7(5), 398-405 Published Online September 2019 in Hans. https://www.doczj.com/doc/b27295745.html,/journal/ojns https://https://www.doczj.com/doc/b27295745.html,/10.12677/ojns.2019.75049 Comparison and Prospect of Natural Gas Hydrate Exploitation Technology Tong Jia, Xinyan Wang, Yijie Shang Department of Roommate Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei Received: Aug. 26th, 2019; accepted: Sep. 10th, 2019; published: Sep. 17th, 2019 Abstract Natural gas hydrate is a new type of clean energy, and has huge reserves in the seabed permafrost. It is of great significance to alleviate the energy crisis facing mankind and comply with the trend of world green development. Therefore, the formation and exploitation mechanism of natural gas hydrate have attracted worldwide attention. Up to now, only Mesoyaha gas field in Russia has been commercially exploited for gas hydrate, which indicates that the exploitation technology of gas hydrate still needs further development. In this paper, the advantages and disadvantages of several successful small-scale trial production methods are introduced and compared. Keywords Natural Gas Hydrate, Mining Technology, Comparison of Mining Methods 天然气水合物开采技术对比与展望 贾童，王鑫炎，商一杰 燕山大学石油工程系，河北秦皇岛 收稿日期：2019年8月26日；录用日期：2019年9月10日；发布日期：2019年9月17日 摘要 天然气水合物是一种新型清洁能源，且在海底冻土层储量巨大，对于缓解人类面临的能源危机以及顺应世界绿色发展潮流有重要意义，因此其形成和开采机理受世界广泛关注。截止到现在天然气水合物实现商采仅有俄罗斯麦索亚哈气田，这说明天然气水合物的开采技术仍需进一步发展。本文介绍了目前小规模试采成功的几种方法的优缺点及对比，以及对未来技术的发展做出展望。
基金项目:中国石油天然气股份有限公司项目 徐深气田开发技术研究 (040144)部分成果。 作者简介:徐正顺,1953年生,教授级高级工程师;现任中国石油大庆油田有限责任公司副总地质师兼勘探开发研究院院长,主要从事油气田开发工作。地址:(163712)黑龙江省大庆市让胡路区勘探开发研究院。E mail:x uzhsh@petro china.co https://www.doczj.com/doc/b27295745.html, 徐深气田火山岩气藏特征与开发对策 徐正顺 房宝财 中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院 徐正顺等.徐深气田火山岩气藏特征与开发对策.天然气工业,2010,30(12):1 4. 摘 要 松辽盆地徐深气田是中国石油大庆油田有限责任公司2002年发现、2005年探明的,主要气藏类型属于火山岩气藏。为了有效开发该类气藏,先后开展了露头勘测、密井网解剖以及长井段取心等研究,研究成果证实:大庆地区火山岩气藏在地质上具有储层岩性、岩相类型多样,平面和纵向变化快,非均质性强,气藏受构造和岩性双重控制,气水关系复杂等特征。对徐深气田试气、试采和试验区开发动态跟踪研究的结果显示:该类火山岩气藏在开发动态方面具有气井早期产能差异大、平面分布不均衡,单井控制的动态储量差异大,出水类型复杂多样等特征。通过综合地质、气藏工程、压裂工艺等多学科研究成果,结合火山岩气藏储层描述、地质建模、产能评价、水平井开发优化设计以及压裂增产等方面的实践成果,形成了一套适用于该区火山岩气藏的开发对策: 深化火山岩气藏地质规律认识; 开展产能评价技术研究,完善技术手段; 优化直井设计,实现 、 类储层区块有效开发; 整体考虑,分类治理 ,实现有效控水; 开展水平井开发技术攻关,探索火山岩气藏开发新模式。 关键词 松辽盆地 徐深气田 火山岩气藏 地质特征 开发特征 开发对策 优化直井设计 水平井开发技术 DO I:10.3787/j.issn.1000 0976.2010.12.001 1 徐深气田火山岩气藏地质及开发动态特征 基于松辽盆地徐深气田主体区块的开发资料,结合火山岩露头勘测、密井网解剖、重点评价井长井段取心等工作的认识,以及大量核磁共振、相渗透率、恒速压汞等常规和特殊分析成果,总结了该区的火山岩气藏储层地质特征;同时通过对试气、试采和试验区开发动态的跟踪研究,逐步认识了该区火山岩气藏的开发动态特征[1 7] 。主要表现在以下6个方面:1.1 火山岩储层岩性、岩相类型多样,变化快 徐深气田火山岩经历了多旋回多期次喷发,岩性变化频繁,火山岩岩性可分为2大类8亚类17种。其中,火山熔岩中的球粒流纹岩、气孔流纹岩,以及火山碎屑岩中的熔结凝灰岩、晶屑凝灰岩为有利的储层岩性。火山岩相可分为5类沉积相15种亚相。其中,爆发相热碎屑流亚相,喷溢相上部亚相,侵出相内带亚相,火山通道相的隐爆角砾岩亚相、火山颈亚相为有利 的储层岩相。 从徐深气田营城组火山岩 气层组岩性、岩相平 面分布看,火山岩岩性以酸性为主,中基性仅在汪深1区块及徐深气田南部个别井点处发育;火山岩相主要为喷溢相和爆发相,不同井区差异较大。 1.2 火山岩储层非均质性强 火山岩储层类型的平面分布预测显示,徐深气田火山岩储层总体以低产储层为主,较高产的储层仅在局部少量发育,不同区块间储层平面分布连续性差;储层横向连续性差、变化快,火山岩储层物性纵向变化快,有利储层仅在部分井段发育。 1.3 气藏受构造和岩性双重控制,属于岩性 构造气藏 总体上营城组火山岩气藏气水关系相当复杂。平面上气水系统的分布主要受火山岩体控制,不同的火山岩体相互之间不连通,属于不同的气水系统;而纵向上,在同一个火山岩体内,又发育多个气水系统。处于构造高部位、物性好、裂缝发育的储层则富气高产;在 1 第30卷第12期 本 期 视 点
天然气水合物的开采方法
天然气水合物的开采方法 天然气水合物的开采是很大的难题。通用的方法是先用各种方法将水合物分解再回收游离的气体。前苏联的麦索亚哈水合物气藏最早进入了试验性工业开采。2001年10月～2002年3月，在加拿大的Mallik气藏钻了一口生产试验井和两口观察井，成功地进行了为期79d的降压开采和加热开采试验。目前提出的天然气水合物的开采方法基本上还是概念性的，这方面的研究尚处于试验阶段。 1 热力开采法 热力开采法又称热激法。是研究最多、最深入的天然气水合物开采技术。其利用钻探技术在天然气水合物稳定层中安装管道，对含天然气水合物的地层进行加热，提高局部储层温度，破坏水合物中的氢链，从而促成天然气水合物分解，再用管道收集析出的天然气f见图1。对含天然气水合物的地层加热有两种途径：一是将蒸汽、热水、热盐水或其他热流体通过地面泵注入水合物地层：二是采用开采重油时使用的火驱法或利用钻柱加热器。
热开采技术的主要缺陷是会造成大量热损失，效率很低，特别是在永久冻土区，即使利用绝热管道．永冻层也会降低传递给储集层的有效热量。蒸汽注入和火驱技术在薄水合物气层的热损失很大，只有在厚段(大于15m)水合物气层热效率较高。注入热水的热损失较蒸汽注人和火驱小，但水合物气层内水的注入率限制了该方法的使用。采用水力压裂工艺可改善水的注入率，但由于连通效应，又要产生较低的传质效率。 研究表明，电磁加热法是一种比常规加热方法更为有效的方法 1，其有效性已在开采重油方面得到了显示。此法是在垂直(或水平)井中沿井的延伸方向，在紧邻水合物带的上下(或水合物层内)放入不同的电极，再通以交变电流使其生热并直接对储层进行加热。储层受热后压力低．通过膨胀产生气体。此外，电磁热还很好地降低了流体的黏度．促进了气体的流动。其中，最有效的电磁加热法当属微波加热。因为天然气水合物对微波有一定的吸收作用。在微波的辐射下会产生热效应而加快天然气水合物的分解。使用微波加热法时可直接将微波发生器置于井下，利用仪器自身重力使发生器紧贴水合物层。同时发生器可附加驱动装置，使其在井下自由移动。此方法适于各类天然气水合物的开采。 2 降压法 降压法是通过降低压力破坏天然气水合物稳定状态，促使其分解。其最大的特点是不需要昂贵的连续激发，仅通过调节天然气的提取速度就可控制储层压力，进而控制水合物分解的效果。降压法一般是通过降低水合物层之下的游离得不稳定而分解见图2。也可以通过采取矿层中流体的方法来降低水合物矿层的层压。实际上，如果天然气水合物气藏与常规天然气藏相邻，开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一
附件： 2019年国家科学技术奖提名项目公示内容 （自然科学奖） 项目名称: 海洋天然气水合物分解演化理论与调控方法 提名者:谈和平，哈尔滨工业大学，教授，工程热物理 一、提名意见
二、项目简介（限1页） 天然气水合物是最具开采价值的新型清洁能源，我国南海储量达800亿吨油当量，是我国石油与天然气已探明储量的总和，实现天然气水合物资源开发是我国重大战略需求。天然气水合物开发过程存在水合物分解相变复杂、热质传递困难、储层胶结强度弱化显著等问题，导致水合物分解产气效率低、持续性差，甚至引起储层失稳等重大安全风险，因此实现其安全高效开采是世界性难题。该项目在国家自然基金重点项目、973计划、国家科技重大专项等项目支持下，针对水合物分解多孔介质内复杂相态转化理论、含相变过程多相多组分运移机制、储层胶结强度弱化及其与海底结构物（井筒、桩基础等）相互作用机理等关键科学问题，开展了十余年的研究，取得了以下主要突破和科学发现： 1. 发现了海洋天然气水合物分解相态转化-多相渗流-胶结弱化规律，建立了水合物分解运移与储层变形演化理论。建立了海洋多组分体系水合物相平衡方程，突破了传统热力学模型的理论局限；首次发现了水合物分解亚稳态纳米气泡富集现象，认识了分解过程水合物再生成逆反应的内在本质；发现了微孔隙内水合物赋存形态转化特性，提出了水合物相变多相渗流模型，构建了水合物分解气、水运移理论框架；发现了水合物储层粘聚力随水合物分解的衰减规律，揭示了水合物储层变形过程中胶结结构的演化机制。 2. 揭示了海洋天然气水合物分解驱动与失稳机理，提出了水合物分解强化与储层安全调控方法。发现了天然气水合物分解存在压差驱动-显热主导-传热控制表观动力学演化三历程，提出了压-热联调强化水合物分解方法；首次发现了二氧化碳水合物具有更高的抗变形能力，创造性地提出注二氧化碳强化储层结构强度方法；建立了水合物储层与结构物相互作用模型，确定了水合物分解对海底结构物的影响边界。 3. 构建并验证了海洋天然气水合物模拟开采系统，成功应用于我国南海天然气水合物试采。发现了水合物分解过程压力传递、流体输运及储层失稳的主控因素，建立了具有自主知识产权的海洋天然气水合物“开采模拟系统”与“安全评价系统”，为试采工程提供了理论方法；首次自主完成了南海水合物储层保温保压岩芯现场在线分析、评价，提出了适用于南海储层特征的试采方案，成功应用于南海天然气水合物试采。 8篇代表性论文SCI他引429次，3篇入选ESI高被引，出版专著3部，受邀在国际学术会议作特邀报告与大会报告21次，成果获多国院士及学会Fellow在Nature子刊等期刊引用。项目水合物相态研究引起加拿大Englezos和Ripmeester 两位院士高度关注，在论文中10处对比引证，开展后续拓展研究；美国Castaldi 教授评价项目压-热联调方法“效率最高”；英国Soga院士认为该项目成果对储层稳定性评价“具有重要价值”。我国11位院士组成的专家组认定项目成功应用于“全球首次”“天然气水合物固态流化试采工程”。获海洋工程科学技术奖特等奖、一等奖各1项，教育部自然科学奖一等奖1项。
第28卷增 刊 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2009年4月 V ol.28 Suppl Journal of Liaoning Technical University （Natural Science ） Apr. 2009 收稿日期：2008-11-20 作者简介：杨正明 （1969-），男，河北 廊坊人 ，博士，高级工程师，主要从事渗流力学方面研究。 本文编校：杨瑞华 文章编号：1008-0562(2009)增刊Ⅰ-0286-04 火山岩气藏微观孔隙结构特征参数 杨正明1,2，郭和坤1，姜汉桥2，刘 莉1，张玉娟1 （1.中国科学院 渗流流体力学研究所，河北 廊坊 065007; 2.中国石油大学 石油工程学院，北京 102249） 摘 要：针对火山岩气藏已成为中国石油重要的天然气勘探和开发的主要领域之一，利用恒速压汞技术研究了大庆徐深火山岩气藏岩芯的微观孔隙结构及其分布规律。研究表明：不同渗透率的低渗气藏岩心，其孔道半径基本相同，而喉道半径不同，对于所测得的不同渗透率的火山岩气藏岩芯来说，大约60%的喉道半径小于0.8μm 。这与低渗透砂岩油藏岩芯的恒速压汞测试结果不同。平均喉道半径与渗透率有很好的相关关系。提出用平均喉道半径作为低渗气藏储层评价指标参数，来表征气体通过储层的难易程度。该研究成果对低渗气藏的分类评价和合理高效开发提供科学的决策依据 关键词：火山岩气藏；孔隙结构；储层评价；参数；气田开发 中图分类号： 文献标识码：A Characteristic parameters of microcosmic pore configuration in volcanic gas reservoir YANG Zhengming 1,2，GUO Hekun 1，JIANG Hanqiao 2，LIU Li 1，ZHANG Yujuan 1 （1.Institute of Porous Flow & Fluid Mechanics,Chinese Academy of Sciences, Langfang 065007,China ； 2.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China ） Abstract ：The volcanic gas reservoir has become one of the main fields of gas prospecting and development in China. The volcanic gas reservoir exceeds 3,000 billion m3.It is discovered in Songliao Basin, Zhunger Basin and Bohai Bay Basin recently, and is the point of recent prospecting and development. This paper studied the microcosmic pore configuration and distribution of Xushen volcanic gas reservoir by using constant rate mercury penetration technology. The research indicates pore radius is basically the same and throat radius is different for cores of different permeability.Sixty percent of throat radius are lower than 0.8m μ in different permeability samples from volcanic gas reservoir. The result is different from low penetration sandstone reservoir core tested by constant rare mercury penetration technique. There sixsts a very good correlation between the average throat radius and the permeability. On this basis, the average throat radius is used as a volcanic gas reservoir evaluation parameter to characterize difficulty of gas through the reservoir. The study results offer the scientific decision making for classification evaluation and rational and efficient development of volcanic gas reservoir. Key words ：volcanic gas reservoir ；reservoir evaluation ；parameter ；pore structure ；development 0 引 言 火山岩气藏已成为中国石油重要的天然气勘探和开发的主要领域之一。目前在松辽、准噶尔、渤海湾等地都有所新发现，火山岩气藏资源量已超过3万亿方，是当前勘探和开发关注的热点之一[1-2]。火山岩气藏储层复杂，存在不同的岩性，有流纹岩、角砾熔岩、熔结凝灰岩、晶屑凝灰岩和火山角砾岩等岩性，储集空间复杂多样，发育气孔、裂缝和溶洞。火山岩储层物性变化也比较大，储层非均质性 强，孔隙度一般为3 %～20 %，渗透率一般为0.01×10-3 μm 2～10×10-3 μm 2，开发难度大。今后将较多地面临火山岩气藏。如何经济有效地开发好火山岩气藏，不但关系到中国天然气工业快速发展急需解决的重大课题，更是中国21世纪能源得以持续发展的战略问题。大量的勘探开发实践表明, 储层的微观孔隙结构直接影响着储层的储集渗流能力, 并最终决定着气藏产能的大小。因此，研究火山岩气藏的微观孔隙结构具有重要的现实意义。 孔隙在结构上可划分为孔道和喉道。油层物理中压汞法是专门用于探测孔隙结构的实验技术[3-6]。
附件4 一、项目名称 南海天然气水合物技术理论创新与找矿重大突破 二、提名意见 该项目自1999年以来开展了南海北部陆坡天然气水合物勘查评价及相应的成藏富集规律、勘查技术方法研究，建立了天然气水合物从微观成核-宏观成藏-区域成矿分布的我国海域天然气水合物成藏系统理论，初步形成了从水体—海底表层—浅层—目标层段的综合立体探测和评价技术体系；首次在我国海域调查圈定了水合物存在的地质地球物理证据，首次在海域钻探获取到含水合物实物样品，使我国成为世界上第4个通过国家计划获取到水合物样品的国家；在南海北部陆坡圈定了6个水合物成矿远景区、19个成矿区带、25个有利区块及24个钻探目标；预测远景区总面积14.84×104km2，资源量为744亿吨油当量。部分理论成果属世界首次提出，实现海域天然气水合物资源勘查评价与技术理论研究的跨越式发展。 项目研究成果已经成功应用于2017年南海天然气水合物试验性开采，支撑了国务院2017年11月批准将天然气水合物作为我国第173种矿种，成果不仅填补了我国在该领域的空白，也将助推相关领域及相关产业经济发展，对推动我国海域天然气水合物的产业化进程具有里程碑式意义。同时，项目在南海获得的海量实测数据为维护国家海洋权益、服务国家外交大局和海军战场环境建设等方面提供支撑。 本项目已获专利19项、软件著作权登记证书10项、形成行业规范（规程）3部、发表论文400余篇、出版专著10部、获得省部级科学技术奖一等奖3项、二等奖4项。培养了一大批优秀人才，形成了以国土资源部科技创新团队?天然气水合物研究团队?为核心的产学研用科技创新团队。 提名该项目为国家科技进步奖一等奖。 三、项目简介 天然气水合物是天然气在低温、高压条件下与水结合形成的似冰状固体，世界各大洋中已发现的水合物总资源碳总量约相当于全世界已知煤、石油和天然气总储量的两倍，其总量之大足以取代日益枯竭的传统油气能源，是世界各国瞩目的21世纪具有商业开发前景的战略资源。 我国于1999年开始南海天然气水合物资源勘查与评价，2000年863计划启动勘查技术研发、2009年973计划支持开展南海天然气水合物富集规律与开采基础研究，同时国家基金委、各科研及产业部门支持开展了相应的探索性研究。16年
天然气水合物的研究与开发的论文 【摘要】人类的生存发展离不开能源。当人类学会使用第一个火种时便开始了能源应用的漫长历史。几千年来，人类所使用的能源已经历了三代，正在向第四代能源时代迈进。主体能源的更替充分反映出人类社会和经济的进步与发展。第一代能源为生物质材，以薪柴为代表；第二代能源以煤为代表；第三代能源则是石油、天然气和部分核裂变能源。实际上，第二代和第三代能源是以化石燃料为主体，第四代能源的构成将可能是核聚变能、氢能和天然气水合物。 一、天然气水合物是人类未来能源的希望 人类的生存发展离不开能源。当人类学会使用第一个火种时便开始了能源应用的漫长历史。几千年来，人类所使用的能源已经历了三代，正在向第四代能源时代迈进。主体能源的更替充分反映出人类社会和经济的进步与发展。第一代能源为生物质材，以薪柴为代表；第二代能源以煤为代表；第三代能源则是石油、天然气和部分核裂变能源。实际上，第二代和第三代能源是以化石燃料为主体，第四代能源的构成将可能是核聚变能、氢能和天然气水合物。 核聚变能主要寄希望于3he，它的资源量虽然在地球上有限（10~15t），但在月球的月壤中却极为丰富（100-500万t）。氢能是清洁、高效的理想能源，燃烧耐仅产生水（h2o），并可再生，氢能主要的载体是水，水体占据着地球表面的2/3以上，蕴藏量大。天然气水合物的主要成分是甲烷（c4h）和水，甲烷气燃烧十分干净，为清洁的绿色能源，其资源量特别巨大，开发技术较为现实，有可能成为21世纪的主体能源，是人类第四代能撅的最佳候选。 天然气水合物（gas hydrate）是一种白色固体结晶物质，外形像冰，有极强的燃烧力，可作为上等能源，俗称为”可燃冰”。天然气水合物由水分子和燃气分子构戚，外层是水分子格架，核心是燃气分子（图1）。燃气分子可以是低烃分子、二氧化碳或硫化氢，但绝大多数是低烃类的甲烷分子（c4h），所以天然气水合物往往称之为甲烷水合物（methane hydrate）。据理论计算，1ｍ3的天然气水合物可释放出164ｍ3的甲烷气和ｍ3的水。这种固体水合物只能存在于一定的温度和压力条件下，一般它要求温度低于0~10℃，压力高于10mpa，一旦温度升高或压力降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。 天然气水合物往往分布于深水的海底沉积物中或寒冷的永冻±中。埋藏在海底沉积物中的天然气水合物要求该处海底的水深大于300-500ｍ，依赖巨厚水层的压力来维持其固体状态。但它只可存在于海底之下500ｍ或1000ｍ的范围以内，再往深处则由于地热升温其固体状态易遭破坏。储藏在寒冷永冻土中的天然气水合物大多分布在四季冰封的极圈范围以内。煤、石油以及与石油有关的天然气（高烃天然气）等含碳能源是地质时代生物遗体演变而成的，因此被称为化石燃料。从含碳量估算，全球天然气水合物中的含碳总量大约是地球上全部化石燃料的两倍。因此，据最保守的统计，全世界海底天然气水合物中贮存的甲烷总量约为×108亿ｍ3，约合11万亿t（11×1012t）。数冀如此巨大的矿物能源是人类未来动力的希望。 二、天然气冰合物的研究现状 1.分布与环境效应 世界上绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，储存在深水的海底沉积物中，只有极其少数的天然气水合物是分布在常年冰冻的陆地上。世界海洋里天然气水合物的资源量是陆地上的100倍以上。到目前为止，世界上已发现的海底天然气水合物主要分布区有大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东岸外的布莱克海台等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、日本海、四国海槽、日本南海海槽、冲绳海槽、南
天然气水合物资源开发现状及最新进展 中国新能源网| 2009-3-3 9:57:00 | 新能源论坛| 我要供稿 特别推荐：《中国新能源与可再生能源年鉴》(2009)征订 摘要：天然气水合物是20世纪发现的一种新型后备能源，被喻为21世纪石油天然气的理想替代资源，是目前地球上尚未开发的最大未知能源库。本文介绍了天然气水合物的开发历程、资源状况、现有的开发技术方法与发展趋势，同时也总结了天然气水合物开发领域取得最新成果和认识。最后得出天然气水合物的研究方向，并建议广泛的参与国际合作。 关键词：开发天然气水合物资源现状开发技术最新进展 一、天然气水合物开发历程 天然气水合物是以甲烷CH4为主的气态烃类物质（含少量CO2、H2S等非烃分子）充填或被束缚在笼状水分子结构中形成的冰晶状化合物，是在高压、低温条件下形成的。它是继煤、石油和天然气等能源之后的一种潜在的新型能源,广泛存在于沟盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘和北极地区的永久冻土区。 20世纪60年代初，前苏联借助地球物理方法首次在西伯利亚永冻层中发现了天然气水合物，随后美、加在加拉斯加北坡、马更些三角洲冻土带相继发现了大规模的水合物矿藏。70年代初英国地调所科学家在美国东海岸大陆边缘所进行的地震探测中发现了“似海底反射层”(Bottom Similating Reflector,英文称BSR)。紧接着于1974年又在深海钻探岩芯中获取天然气水合物样品并释放出大量甲烷,证实了“似海底反射”与天然气水含物有关。70年代和80年代，深海钻探计划(DSI)和大洋钻探计划(ODP)陆续实施，在全球多处海底发现了天然气水合物，大规模的国际合作相继开展，天然气水合物研究以及综合普查勘探工作进人全面发展阶段。1991年美国能源部组织召开“美国国家天然气水合物学术讨论会”。1995年冬ODP64航次在大西洋西部布莱克海台组织了专门的天然气水合物调查,打了一系列深海钻孔,首次证明天然气水会物广泛分布,肯定其具有商业开发的价值。同时指出天然气水会物矿层之下的游离气也具有经济意义。如今，新技术、新方法的大量应用使天然气水合物的研究朝着更全面、更精深的方向发展。 二、天然气水合物资源现状 1.天然气水合物储量 图1 世界有机碳分布（单位：1015吨） 天然气水合物资源总估算值的差别非常大,从标准温度压力下的1×1015立方米到5×1015立方米,再到21×1015立方米。这远比常规天然气资源的总估算值(57×1013立方米)大得多。天然气水合物估算值为天然气地质储量值，实际产量仅仅是这一数量的百分之几。但是,天然气的可能生产量仍然会高于常规天然气资源的产量（如图1）。目前各国科学家对全球天然气水合物资源量较为一致的评价为2×1016,是剩余天然气储量(156×1014m3)的136倍。 2.天然气水合物产量
天然气水合物研究历程及现状 1.世界天然气水合物研究历程回顾 从1810 年英国Davy在实验室首次发现气水合物和1888 年Villard人工合成天然气水合物后, 人类就再没有停止过对气水合物的研究和探索。在这将近2 的时间内, 全世界对天然气水合物的研究大致经历了 3 个阶段, 如表1-1[2]所示。 第一阶段是从1810 年到20 世纪30 年代初。( 18 , Davy 合成氯气水合物并于次年发表文章正式提出水合物一词。) 在这120 年中, 对气水合物的研究仅停留在实验室, 且争议颇多。 第二阶段是大致可看作是自1934年起始的。当年美国Hammerschmidt发表文章, 提出天然气输气管道堵塞与水合物有关, 从负面加深了对气水合物及其性质的研究。在这个阶段, 研究主题是工业条件下水合物的预报和清除、水合物生成阻化剂的研究和应用。 第三阶段是从上世纪60年代至今, 全球天然气水合物进入大范围勘探普查开发的格局。上世纪60 年代特罗费姆克等发现了天然气能够以固态形式存在于地壳中。特罗费姆克等的研究工作为世界上第一座天然气水合物矿田——麦索雅哈气田的发现、勘探与开发前期的准备工作提供了重要的理论依据, 从而大大拓宽了天然气地质学的研究领域。美国学者在上世纪70年代也开始重视气水合物研究, 并于1972年在阿拉斯加获得世界上首次确认的冰胶结永冻层中的气水合物实物。天然气水合物成藏理论预测的成功、测得成藏理论区气水合物地球物理, 地球化学异常, 以及经过钻探取得水合物实样, 这一系列的成果被认为是上世纪能源问题的重大发现。能够说, 从上世纪60 年代至今, 全球气水合物研究跨入了一个崭新的阶段——第三个阶段(把气水合物作为一种能源进行全面研究和实践开发的阶段) , 世界各地科学家对气水合物的类型及物化性质、自然赋存和成藏条件、资源评价、勘探开发手段以及气水合物与全球变化和海洋
项目名称：南海天然气水合物富集规律与开采基础 研究 首席科学家：杨胜雄广州海洋地质调查局起止年限：2011.1至2013.8 依托部门：国土资源部
一、研究目标的调整 1．总体目标调整为 建立南海北部陆坡扩散型和渗漏型天然气水合物成藏理论及更深层次的综合识别方法，研究其富集规律，探索开发相关的技术机理，为我国天然气水合物资源勘查、评价提供深入有效的基础理论指导，为水合物资源的最终开发利用做出重要贡献，促进国家能源战略目标的实现。培养和建立一支具有国际地位的天然气水合物研究团队。 2．五年预期目标 ●科学目标： 1.扩散-渗漏型天然气水合物成藏控制条件和机制； 2.扩散-渗漏型天然气水合物的识别方法； 3.扩散-渗漏型天然气水合物在南海北部的富集规律； 4.天然气水合物开采的理论基础。 ●形成一支进入国际前沿领域的优秀青年科学家群体，培养10名左右中青年 学术带头人，培养40名左右的博士、40名左右的硕士研究生； ●发表学术论文150篇以上（其中，SCI收录学术论文70篇以上）；出版学术 专著2部以上；争取主办高规格的国际学术会议（如国际天然气水合物大会）。
二、研究内容和课题设置的调整 1．拟解决的关键科学问题调整为： 1) 南海北部扩散、渗漏型天然气水合物成藏的气源、地质和温压条件及其地球物理、地球化学异常机理； 2) 南海北部沉积物孔隙中游离天然气气泡形成水合物过程的热力学控制因素和生成动力学规律； 3) 南海北部扩散、渗漏型天然气水合物大规模成藏的机制及其发育特征和富集规律； 4) 天然气水合物开采过程的多相流动机理和渗流控制模式。 2．主要研究内容调整为： 1）南海北部天然气水合物成藏的基础条件 a. 烃类热解气、浅层生物气对水合物成藏的贡献 天然气水合物的成藏气体主要包括微生物气、热解气及其混合气，不同类型的成藏气体具有不同的成气作用、运移途径和富集过程，并影响到天然气水合物的形成机理。南海北部含油气盆地发育，气源丰富，类型众多，深部烃类热解气、浅层生物气均可能作为天然气水合物的气源。并且，不同类型的气源具有不同的成气作用、运移途径和富集过程，并影响到天然气水合物的形成机理。因此有必要深入研究不同成因的气源类型和运移特征及其对南海北部天然气水合物成藏的贡献。 b. 非烃气体对水合物成藏的影响 南海北部含油气盆地的非烃气体CO 2、N 2 十分丰富，许多天然气气藏中的CO 2 和N 2含量非常高，甚至形成90%以上的CO 2 气藏。如果这些非烃气体或随烃类气 向海底渗漏，进入水合物稳定带将对天然气水合物的成藏产生影响。因此，必须深入研究南海北部这些非烃气体来源和组成特征、水合物形成的温度和压力条
化学选修3《物质结构与性质》P85选题2 天然气水合物 （一种潜在的能源） 天然气水合物——可燃冰 一、可燃冰相关概念 可燃冰：天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。（又称笼形化合物）甲烷水合物（Methane Hydrate）：用M·nH2O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。 又因外形像冰，而且在常温下会迅速分解放出可燃的甲烷，因而又称“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”）。 因为可燃冰的主要成分为甲烷，为甲烷水合物，而甲烷在常温中为气体，熔、沸点低，所以甲烷为分子晶体，因而可燃冰也为分子晶体。 可燃冰存在之处：天然气水合物在自然界广泛分布在大可燃冰 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。 天然气水合物在全球的分布图 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。 笼状化合物（Clathrate）：在天然气水合物晶体中，有甲烷、乙烷、氮气、氧气二氧化碳、硫化氢、稀有气体等，它们在水合物晶体里是装在以氢键相连的几个水分子构成的笼内，因而又称为笼状化合物。 天然气分子藏在水分子中 水分子笼是多种多样的 二、可燃冰的性质 可燃冰的物理性质： （1）在自然界发现的天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色亚等轴状、层状、小针状结晶体或分散状。 （2）它可存在于零下，又可存在于零上温度环境。 （3）从所取得的岩心样品来看，气水合物可以以多种方式存在： ①占据大的岩石粒间孔隙； ②以球粒状散布于细粒岩石中； ③以固体形式填充在裂缝中；或者为大块固态水合物伴随少量沉积物。 可燃冰的化学性质： 1、在冰的空隙（“笼”）中可以笼合天然气中的分子的原因： (1)气水合物与冰、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性： ①相同的组合状态的变化——流体转化为固体； ②均属放热过程，并产生很大的热效应——0℃融冰时需用的热量，0～20℃分解天然气 水合物时每克水需要～的热量； ③结冰或形成水合物时水体积均增大——前者增大9％，后者增大26％～32％； ④水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或水合物； ⑤冰与气水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小于同类的水层； ⑥含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层； ⑦含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。 (2)天然气水合物中，水分子（主体分子）形成一种空间点阵结构，气体分子（客体分子） 则充填于点阵间的空穴中，气体和水之间没有化学计量关系。形成点阵的水分子之间靠较强的氢健结合，而气体分子和水分子之间的作用力为范德华力。 2、经发现的天然气水合物结构有三种： 即结构 I 型、结构 II 型和结构H型。结构 I 型气水合物为立方晶体结构，其在自然界分布最为广泛，仅能容纳甲烷（C1）、乙烷这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S 等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的形式是构成CH4·的几何格架；结构 II 型气水合物为菱型晶体结构，除包容C1、C2等小分子外，较大的“笼子”（水合物晶体中水分子间的空穴）还可容纳丙烷（C3）及异丁烷（i-C4）等烃类；结构H型气水合物为
天然气水合物开采研究现状* 吴传芝1,赵克斌1,孙长青1,孙冬胜2,徐旭辉2,陈昕华3,宣玲1 (1.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所,江苏无锡214151; 2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京100083; 3.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院西部分院,乌鲁木齐830011) 摘要:随着天然气水合物基础研究的不断深入,天然气水合物开采研究空前活跃。在技术方法方面,传统的热激发开采法、减压开采法与化学抑制剂注入开采法获得了不断的发展与改进;新型开采技术如CO2置换法与固体开采法引起了学者们的极大关注;最近我国还研制出适合于海洋天然气水合物开采的水力提升法。在开采研究实践方面,全世界已在3处冻土区进行了天然气水合物试采研究。介绍了天然气水合物开采技术的研究进展与冻土区天然气水合物试采研究结果,分析了天然气水合物开采研究中可能涉及的环境问题,展现了现阶段天然气水合物开采研究领域的最新成果,总结了这一领域取得的经验与认识,强调了国际天然气水合物开采研究对我国天然气水合物研究的启示。 关键词:天然气水合物;开采技术;开采试验;麦索亚哈气田;M allik地区 中图分类号:T E31文献标识码:A文章编号:1000-7849(2008)01-0047-06 天然气水合物具有巨大的资源潜能,但只有解决了其开采问题,天然气水合物才能成为一种真正的能源。近10年来,对天然气水合物研究起步较早的一些国家,明显加速了天然气水合物开采研究的步伐,在开采技术、开采工艺、开采面临的环境问题等方面做了大量工作,并在冻土区进行了天然气水合物开采试验。 我国近年来也已介入天然气水合物开采研究领域,但总体上,国内天然气水合物开采研究才刚刚开始,尚没有进行试采研究。 笔者拟介绍天然气水合物开采技术的发展、试采研究结果与开采涉及的环境问题等内容,展现现阶段世界天然气水合物开采研究领域的最新成果,总结这一研究领域已取得的经验与认识,强调国际天然气水合物开采研究对我国天然气水合物开采研究的启示。 1开采方法的改进与发展 天然气水合物是一种由天然气和水组成的亚稳定态矿物,存在于特定的温压条件下。一旦赋存条件发生变化,天然气水合物藏的相平衡就会被破坏,引起天然气水合物分解。传统的天然气水合物开采技术就是根据天然气水合物的这种性质而设计的,主要包括热激发开采法、减压开采法与化学试剂注入开采法[1-15]。随着天然气水合物基础研究的不断深入,近些年又涌现出一些新的开采技术,如CO2置换法与固体开采法等[8,12-13,16-20]。 1.1传统开采方法的改进与技术缺陷 (1)热激发开采法热激发开采法是直接对天然气水合物层进行加热,使天然气水合物层的温度超过其平衡温度,从而促使天然气水合物分解为水与天然气的开采方法。这种方法经历了直接向天然气水合物层中注入热流体加热、火驱法加热、井下电磁加热以及微波加热等发展历程[4-6,8-15]。热激发开采法可实现循环注热,且作用方式较快。加热方式的不断改进,促进了热激发开采法的发展。但这种方法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题,而且只能进行局部加热,因此该方法尚有待进一步完善。 (2)减压开采法减压开采法是一种通过降低压力促使天然气水合物分解的开采方法。减压途径主要有两种:1采用低密度泥浆钻井达到减压目的;o当天然气水合物层下方存在游离气或其他流体时,通过泵出天然气水合物层下方的游离气或其他流体来降低天然气水合物层的压力[4,6,8-10,12-13,15]。减压开采法不需要连续激发,成本较低,适合大面积开采,尤其适用于存在下伏游离气层的天然气水合物藏的开采,是天然气水合物传统开采方法中最有前景的一种技术。但它对天然气水合物藏的性质有 第27卷第1期2008年1月 地质科技情报 Geolog ical Science and Technolog y Information Vol.27No.1 Jan.2008 *收稿日期:2007-04-28编辑:禹华珍 基金项目:中国石油化工股份有限公司项目/天然气水合物勘探与开发现状调研0(P05072)作者简介:吴传芝(1966)),女,工程师,主要从事油气地球化学勘探领域的科技情报工作。
火山岩油气藏研究现状综述 【摘要】随着能源供求关系的日益紧张与石油工程技术提高，火山 岩油气藏研究的深入已成为了势在必行的趋势，各方面的勘探开发研 究水平也在不断提高。本文对火山岩油气藏的勘探历史沿革、储层机 制、成藏机理、类型研究及勘探技术现状都予以了较为全面的归纳， 并在最后对于各方面的研究现状及发展趋势予以了汇总，对于火山岩 油气藏研究的系统化有着一定的现实意义。 【关键词】火山岩油气藏 储层机制 成藏机理 勘探技术 引言 随着能源需求的不断攀升与石油工程技术的提高，火山岩油气藏 研究受重视程度不断提高，正已日益成为全球油气资源勘探开发的重 要新领域。近年来, 火山岩油气藏已在世界20多个国家300多个盆 地或区块中发现。如日本新泻盆地吉井- 东帕崎气藏、印度尼西亚Jaw a 盆地Jatibarang 油气藏、阿根廷帕姆帕- 帕拉乌卡油气藏、墨西哥富 贝罗油气藏等典型的大型火山岩油气藏]9~1[ 。二十世纪60- 80 年代, 我国在大规模油气勘探、开发中, 先后在克拉玛依、四川、渤海湾、 辽河和松辽等盆地中, 发现了一批火山岩油气藏]13~10[，尽管取得了 巨大的成就，然而由于火山岩油气藏具有分布广但规模较小、初始产 量高但递减快、储集类型和成藏条件复杂等特点, 且目前对该类油气
藏的系统研究方法相对缺乏, 勘探开发技术尚不够完善，火山岩油气勘探储量仅占全球油气储量的1%，勘探潜力巨大。本文参阅了大量国内外火山岩油气藏研究的文献资料, 系统总结了火山岩储层、火山岩成藏条件及油气藏类型等研究现状, 旨在推动我国火山岩油气勘探与更深化研究。 1.国内外火山岩油气藏勘探历史沿革 自1887 年在美国加利福尼亚州的圣华金盆地首次发现火山岩油气藏以来, 目前在世界范围内已发现300 余个与火山岩有关的油气藏或油气显示, 其中有探明储量的火山岩油气藏共169 个]14[。国外火山岩油气勘探研究和认识大致可概括为3 个阶段: 早期阶段( 20 世纪50 年代前) : 大多数火山岩油气藏都是在勘探浅层其他油藏时偶然发现的, 认为其不会有任何经济价值, 因此未进行评价研究和关注。例如, 早在1939 年美国就发现了一个重要 的变质岩油气田( 埃尔西刚多油田) , 单井日产高达7154m3,但仍有人持否定态度。 第二阶段( 20 世纪50 年代初至60 年代末) : 认识到火山岩中聚集油气并非偶然现象, 开始给予一定重视, 并在局部地区有目的地进行了针对性勘探。1953年, 委内瑞拉发现了拉帕斯油田, 其单井最高产量达到1 828 m3 / d, 这是世界上第一个有目的地勘探并获得成功的火山岩油田, 这一发现标志着对火山岩油藏的认识上升到一个新的水平。 第三阶段( 20 世纪70 年代以来) : 世界范围内广泛开展了火山岩