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天然气水合物矿产姓名：张航飞学号：20081004218指导老师：张成、庄新国目录第一章天然气水合物的基本性质第二章天然气水合物的成因类型及主控因素第三章天然气水合物成藏系统第四章天然气水合物的形成机理第五章天然气水合物的识别标志附录参考文献第一章天然气水合物的基本性质一、天然气水合物的基本性质天然气水合物是一种由水分子和气体分子组成的似冰状笼形化合物, 其外形如冰晶状, 通常呈白色,它广泛分布于大陆边缘海底沉积物和永久冻土层中.它的分子式可以用M·nH2O 来表示, 式中M表示“客体”分子, n 表示水合系数. 在这种冰状的结晶体中, 甲烷( CH4) 、乙烷( C2H6) 、丙烷( C3H8) 、异丁烷、常态丁烷、氮( N2) 、二氧化碳( CO2) 和硫化氢( H2S) 等“客体”分子充填于水分子结晶骨架结构的孔穴中, 它们在低温高压( 0℃<T<10℃, P >10 MPa) 条件下通过范德华力稳定地相互结合在一起. 由于天然气水合物中通常含有大量的甲烷或其他碳氢气体分子, 因此极易燃烧, 所以有人称之为“可燃冰”. 它在燃烧后几乎不产生任何残渣和废弃物, 是一种非常洁净的能源.自然界的天然气水合物并非都是白色的, 它还有许多其他的颜色. 如从墨西哥湾海底获取的天然气水合物, 它们呈现绚丽的橙色、黄色, 甚至红色等多种很鲜艳的颜色; 而从大西洋海底Blake Ridge 取得的天然气水合物则呈灰色或蓝色. 赋存于天然气水合物中的一些其他物质( 如油类、细菌和矿物等) 都可能对这些色彩的产生起关键作用 .天然气水合物按产出环境可以分为海底天然气水合物和极地天然气水合物; 按结构类型可分为4类( 表1, 图1) , 即I 型、Ⅱ型、H 型和一种新型的水合物( 它是由生物分子和水分子生成的) . I 型结构的水合物为立方晶体结构, 其笼状格架中只能容纳一些较小分子的碳氢化合物, 如甲烷( C1) 和乙烷( C2) , 以及一些非碳氢气体, 如N2、CO2 和H2S. I 型结构的水合物是由46 个水分子构成2 个小的十二面体“笼子”以容纳气体分子[ 11] , I 型水合物中的甲烷主要是生物成因气. Ⅱ型结构的水合物为菱形晶体结构, 其笼状格架较大, 不但可以容纳甲烷( C1) 和乙烷( C2) , 而且可以容纳较大的丙烷( C3) 和异丁烷( iC4) 分子. H 型结构的水合物, 为六方晶体结构, 具有最大的笼状格架, 可以容纳分子直径大于iC4 的有机气体分子. Ⅱ型水合物和H 型水合物中的烃类主要来源于热成因, 常与油气藏的渗漏有关. Ⅱ型和H 型结构的天然气水合物比I 型的要稳定得多, 它们可以在较高温度和较低压力下保持稳定, 但自然界天然气水合物以I 型为主.图1 天然气水合物晶体结构类型第二章天然气水合物的成因类型及主控因素一、天然气水合物的成因类型依据气体水合物的物理化学特征,充足的水和气体供应是形成自然界天然气水合物的两个基本因素。
项目名称：高丰度煤层气富集机制及提高开采效率基础研究首席科学家：宋岩中国石油集团科学技术研究院起止年限：2009.1至2013.8依托部门：中国石油天然气集团公司一、研究内容本项目拟解决三个科学问题：高丰度煤层气富集区形成机理及分布预测；煤层气开采过程中地质效应及机理；煤层气不同开发方式及压裂增产机理。
1．科学问题科学问题1：高丰度煤层气富集区形成机理及分布预测煤层气勘探是以寻找高丰度富集区为目标。
高丰度煤层气富集区形成机制的研究和分布预测，是煤层气地质研究的关键问题，也是煤层气地质理论中的重要问题。
高丰度煤层气富集指位于含煤盆地中煤层气每平方千米资源量大于 1.0亿立方米的煤层气富集区，具有较好的煤层气开发前景，其形成受沉积、构造、水文地质、盖层、煤储层等因素综合控制。
针对高丰度煤层气富集区，目前国内尚未从机理和规律的理论高度进行系统研究，因此项目需要利用地质学的基本理论和方法，根据煤层气储存和聚集的特点，研究高丰度煤层气富集区的形成与主要控制因素、高丰度煤层气富集区的分布规律及预测方法。
科学问题2：煤层气开采过程中地质效应及机理在排水降压开发煤层气的过程中，煤储层空间结构、流体系统、应力场随流体介质的采出呈现出连续变化，导致煤储层不同尺度孔裂隙结构中煤层气的压力、浓度及解吸、扩散、渗流的协同变化。
煤层气开采过程中煤层气的解吸、渗流特征是选择煤层气开发工艺和控制煤层气井产能的关键因素。
目前不同煤级储层有效应力、煤基质收缩对渗透率的综合作用及其在井网中的叠加效应尚不明了，大面积排水降压、解吸效果还不十分明显，必须从煤储层空间结构、流体系统的相互作用过程来研究单井、井组排采条件下煤层气解吸、渗流的动态变化规律，建立流体在煤储层这一变形介质中的扩散、渗流耦合模型，数值模拟不同压力控制下的煤层气排采效应，为煤层气平衡开发提供理论基础。
科学问题3：煤层气不同开发方式及压裂增产机理在煤层气开发过程中，煤层气开发方式优化和增产改造措施可以人为地改变煤储层空间结构、流体系统、应力场，增强井间干扰效应，改善煤层气渗流通道，提高单井产量。
天然气水合物的开采与应用天然气水合物，简称天然气冰，是固态的天然气和水混合体，主要由甲烷组成。
在高压低温的环境下形成，通常存在于海底深处。
天然气水合物是一种崭新的能源来源，被誉为能源领域的“黑马”。
不仅具有较高的能量密度和广泛应用前景，而且储量巨大。
据国际能源署预计，全球天然气水合物储量为气体当量2.5万亿至3万亿立方米，约为全球天然气储量的2000倍。
因此，开采与应用天然气水合物具有重要的战略意义和深远的经济意义。
一、天然气水合物的开采目前，天然气水合物的开采技术还处于起步阶段。
其开采方式主要分为两种：海洋开采和陆地开采。
海洋开采是目前天然气水合物开采的主要方式。
目前被认为最有潜力的区域是东海、南海和北极地区。
这些地区都是高压低温的海底环境，适合天然气水合物的形成和储存。
目前，日本、韩国、美国等国家已进行了国内水合物沉积规模和分布的调研和评估。
陆地开采主要是指天然气水合物的煤层气开采。
这种开采方式目前在中国较为流行，主要选择煤层气富集区域。
在我国，这种方式的开发具有较高的经济、环保和社会效益。
二、天然气水合物的应用天然气水合物具有很高的能量含量和广泛的应用前景，可以替代传统燃料，实现能源结构的转型。
其应用领域主要包括燃料、化工、热电联产等。
1.燃料领域天然气水合物可以清洁高效地燃烧，是替代煤炭和油类燃料的一种重要选择。
它的主要优点是燃烧后不会产生大气污染物和温室气体，且能够降低车载和船舶的运输成本。
目前，日本和韩国等国家已将天然气水合物列为稳定的燃料资源，是实现低碳经济、环保经济的一个良好选择。
2.化工领域天然气水合物可以通过裂解甲烷等方式，生产出丰富的化学原料，如丙烯、丁烯等。
这些物质广泛应用于塑料、橡胶、合成纤维、服装、医疗等行业，对提高我国化学工业的核心竞争力和推动经济发展具有重要意义。
3.热电联产利用天然气水合物进行热电联产，可以有效解决城市和工业部门的供热和供电需求。
特别是在冷地区，天然气水合物具有广阔的应用前景。
尊敬的评审专家：您好！感谢您在百忙之中阅读我的科研项目申报申请书。
为了更好地推进我国科技创新，提高科研水平，培养高素质的科研人才，我谨向您提交本次科研项目申请。
现将项目的基本情况及研究内容向您汇报如下：一、项目背景与意义随着我国经济的快速发展，科技创新在经济社会发展中的地位日益凸显。
为了满足国家对科技创新的迫切需求，我们必须加大科研投入，提高科研能力，培养一批具有国际竞争力的科研团队。
本项目立足于解决当前领域内的关键科学问题，有助于推动我国在该领域的科技进步，提升国际地位。
二、研究目标与内容本项目旨在研究（研究领域）的关键科学问题，探索（研究内容）的新方法、新技术，为解决（行业/领域）的难题提供理论依据和技术支持。
具体研究目标如下：1. 深入分析（研究领域）的现状和趋势，梳理关键科学问题，为研究提供明确的方向。
2. 开展（研究内容）的实验研究，探索新技术、新方法，验证其可行性和有效性。
3. 结合理论分析和实验结果，建立（研究领域）的数学模型，为实际应用提供理论指导。
4. 发表高水平学术论文，提升我国在（研究领域）的国际影响力。
5. 培养一批高素质的科研人才，助力我国科技创新。
三、研究方法与技术路线本项目采用以下研究方法与技术路线：1. 文献综述：收集国内外相关领域的研究资料，分析现有研究成果，梳理研究进展，为后续研究提供理论依据。
2. 实验研究：设计并开展（研究内容）的实验，收集实验数据，分析实验结果，验证新技术、新方法的可行性和有效性。
3. 数学建模：结合实验数据和理论分析，建立（研究领域）的数学模型，为实际应用提供理论指导。
4. 结果分析与评价：对实验结果进行深入分析，评估新技术、新方法的实际应用价值，为后续研究提供参考。
5. 论文撰写与发表：撰写高水平学术论文，提升我国在（研究领域）的国际影响力。
四、研究基础与条件1. 人才队伍：本项目团队具有丰富的研究经验，成员均为博士学位，具备扎实的理论基础和实践能力。
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： 起止年限： 依托部门： 1
一、研究内容 1．拟解决的关键科学问题 尽管我国南海北部陆坡具有天然气渗漏发育的地质背景，并且已发现四个天然气渗漏活动形成的冷泉碳酸盐岩和特异自养生物群的发育区，这些海区具有水合物形成的地质环境和温度-压力条件。但这些天然气水合物成藏条件，成藏动力学过程和机制及富集规律等是需要深入研究的关键科学问题。因此，本项目拟解决的关键科学问题有： 1）南海北部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）高品位（渗漏型）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 （1）南海北部天然气水合物成藏的基础条件
烃类热解气、浅层生物气对渗漏型水合物成藏的贡献 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渗漏型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。 非烃气体对渗漏型水合物成藏的影响 南海北部含油气盆地的非烃气体CO2、N2十分丰富，许多天然气气藏中的
CO2和N2含量非常高，甚至形成90%以上的CO2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件，及对渗漏型天然气水合物成藏的可能影响。 地质条件对渗漏型天然气水合物成藏的控制 构造环境和沉积特征是控制天然气水合物成藏的两个重要地质条件。区域构造环境决定了天然气水合物形成与富集的沉积场所，各种断裂、底辟、泥火山直接制约着气源的强弱和天然气水合物的形成。含天然气水合物层的主要沉积特征 2
决定了天然气水合物成藏的微观规律。南海北部新生代发生了多期强烈构造活动，构造升降幅度大，沉积速率高。这些特征影响油气的形成、分布和运移，进而控制渗漏型水合物的气源、运移通道和赋存空间。因此，重点研究南海北部的构造演化过程和沉积环境变化，特别是研究第四纪区域构造环境、新构造运动和沉积特征、岩浆活动的时间和空间及高热流区的分布特征等。从宏观和微观几个方面来研究。从宏观上，有沉积环境包括古海洋环境的分析，对沉积物中较宏观的断裂通道体系（气水合物气源运移的断裂通道体系）确定天然气水合物的发育空间（如泥底辟、泥火山等特殊构造体）等。从微观上, 对沉积物组分、物质来源、沉积物微结构的研究，因为这些沉积物的属性对渗漏性气泡在沉积物中的迁移过程中起着重要的作用。 温压条件对渗漏型水合物成藏的制约 尽管简单气-水体系水合物形成的相平衡理论已比较成熟，但天然气水合物形成不仅强烈地依赖于温度压力等热力学条件，同时气体组分、盐度等多种因素也会影响天然气水合物成藏的温压场条件，相关的热力学理论还很不成熟。南海北部新生代构造运动强烈，并伴有程度不同的岩浆活动，导致局部热流高，强烈影响了温度和压力，从而改变天然气水合物稳定条件，造成水合物在沉积物中纵、横向分布不均一性。因此，项目在开展南海北部热流背景、晚新生代以来热演化史及其与天然气水合物之间的内在联系研究的同时，将测定南海北部多种气源类型（浅层生物甲烷气、深部热解成因C1-C5烃类气及CO2和N2非烃气）复杂气
体组成的水合物体系形成温压条件，研究多种海底沉积物类型对水合物生成温度和压力的影响，测定游离甲烷-水-水合物平衡体系的甲烷溶解度，建立南海北部地质环境条件下多相体系的热力学模型。 （2）南海北部水合物成藏演化的动力学过程 天然气水合物成藏演化过程是一个极其复杂过程，受多种因素或诱导机理的影响。实验和计算机模拟是了解天然气水合物形成热动力学机理的重要手段。通过实验可以观察到包括多孔介质在内的不同体系下天然气水合物生成的动力学过程及其对周围环境介质的作用；通过计算机模拟可以更加有效地描述多孔介质中水合物生成与分解动力学特征，并提升为一种可预测的数学模型。南海北部气源组成多样。因此，有必要模拟南海北部海底渗漏系统的地质环境和气源条件，在天然气-水-固（人工和天然多孔介质及海底沉积物）三相介质中，进行渗漏游离天然气生成水合物的可视化研究，观测天然气向水合物转化过程中的成核、生长、聚集等特征，描述天然气水合物生成过程的热、质传递规律，测定沉积物中水合物生成速度及转化率，研究导热系数、声速、电导率等水合物物性参数的变化特征，建立组成复杂的天然气-水-沉积物-水合物的多相体系中水合物生成动力 3
学理论，探讨影响因素，并建立相关的计算模型，为渗漏型水合物成藏机制、富集规律研究及开发利用提供理论基础。 （3）南海北部天然气水合物的地球物理、地球化学异常机理 渗漏型水合物的地球物理异常机理和识别标志 海底渗漏型水合物在地震剖面上似海底反射层（BSR）不发育，主要是由于水合物带存在游离气，改变了水合物层的物性。因此，重点开展研究天然气渗漏区（含水合物和游离气）沉积体的物性参数、含气水体（羽状体）的物性特征，及其地球物理异常机理和识别方法，建立一套有效识别海底渗漏型天然气水合物的地球物理方法体系。 渗漏型水合物的地球化学异常特征和识别标志 海底天然气渗漏活动引起了海底沉积、有机质和孔隙水化学等组成异常，这些异常对海底浅表层天然气水合物的形成和产出具有直接或间接的指示作用。因此，研究具有指示海底天然气渗漏作用的特殊沉积构造（泥火山、泥底辟）的发育状况和分布特征，分析沉积物和有机质的组成，特别是天然气渗漏作用形成的自生沉积和矿物（冷泉碳酸盐岩、重晶石、黄铁矿等）特征，与渗漏甲烷厌氧氧化有关的特殊生物标记物特征、孔隙水化学组成，烃类气体组成等异常特征，建立渗漏型天然气水合物矿藏的地质、地球化学判识方法和找矿标志。 （4）天然气水合物开采中的多相流动机理和相关基础理论 渗漏型天然气水合物品位高，厚度大，经济价值高，具有巨大的开发前景，而且开采技术要求相对于埋藏深（BSR发育）水合物要低，更易实现水合物的开发应用。因此，有必要根据南海北部渗漏型天然气水合物成藏的地质特征，开展南海北部典型水合物区域沉积物基础物性、分解过程中结构形态的变化规律、分解后所形成的气、水、冰、砂等多相流动、传热和传质机理、基础实验方法和分析方法研究，初步建立天然气水合物分解过程的多相流动、传热和传质控制模型，为天然气水合物开采过程物理模拟和数值模拟提供理论指导。同时，开展开发过程水合物分解的环境风险评价研究，为水合物开采技术方案的选择提供理论基础。 （5）南海北部天然气水合物成藏机制及富集规律 这是项目综合研究的集成。分析南海北部渗漏型天然气水合物成藏的沉积、构造、气源等特征，研究不同构造、沉积背景下天然气水合物成藏地质模式和成藏系统；确定渗漏型天然气水合物形成的温度-压力条件和形成过程，研究天然气水合物烃类气体供应、流体运移通道、构造和岩性控制因素等时空演化及相互耦合关系，建立南海北部渗漏型天然气水合物的成藏理论；研究天然气渗漏活动和水合物形成的地质、地球物理和地球化学异常特征，建立南海渗漏型天然气水 4
合物的综合识别方法，确定南海北部水合物的富集规律。 5
二、预期目标 1．总体目标 建立南海北部陆坡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. 渗漏型天然气水合物成藏控制条件和机制； 2. 渗漏型天然气水合物的识别方法； 3. 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）。 6
三、研究方案 1．学术思路 综合运用地质、地球物理、地球化学和室内模拟实验等技术方法，针对我国南海北部新生代构造强、岩浆活动频繁、热流高、气源类型复杂的地域特色，发挥项目组的海洋地质学、地球物理学、地球化学、油气地质学、化学、工程热物理、能源工程等多学科综合交叉的优势，科研和产业部门的优势互补和结合，开展南海渗漏型天然气水合物形成条件和判识指标体系的研究，重点探讨南海北部渗漏区内天然气水合物的成藏机制和赋存特征及分布规律，建立渗漏型天然气水合物的成藏理论和综合识别方法，探索渗漏型天然气水合物开采的理论基础。
2．技术途径 本项目将在已有工作积累的基础上，在南海天然气渗漏海域，针对性地开展渗漏型天然气水合物的三个海上航次（60天）的地质、地球物理和地球化学调查和采样，通过系统的资料处理和样品分析、及水合物形成条件和动力学过程的实验模拟，深入研究渗漏型天然气水合物产出区域构造背景、沉积构造特征、热流和气源条件、水合物气源特征、地球化学环境、地球物理特征，判断渗漏区水合物大规模成藏的可能性，结合与国际典型渗漏型天然气水合物发育区的对比研究，建立渗漏型天然气水合物成藏理论、产出的综合识别标志及分布规律。具体的技术途径如下： （1）基础资料综合分析研究：对南海已有的地质、地球物理调查资料和样品进行针对性的重新处理、分析、测试和研究，结合遥感分析，圈定有利海底天然气渗漏作用的重点海域。 （2）航次地球物理调查及水合物样品采集：在重点海域开展海上航次补充调查，利用地震、浅剖、电火花、重力、磁力、热流等地球物理探测技术，研究其局部地质环境和地球物理异常特征，建立渗漏型天然气水合物识别的地球物理标志，确定渗漏构造及水合物产出的有利位置。 对典型渗漏异常的水合物发育地点（喷口）或有利位置进行重力活塞取样和保真取样。重力活塞采集渗漏型水合物表层样品的方法是简易可行的高效技术，2006年中科院栾锡武研究员参加了俄-韩-中联合航次，对Okhotsk海渗漏型水合物进行了调查和采样，成功采集到了渗漏型水合物的高品质样品；其次，在墨西哥湾、地中海、黑海等水合物采样中，重力活塞也是最常用的一种方法。因此，我们目前的现有技术设备完成能顺利完成海底渗漏型水合物样品的采集。 （3）地质地球化学综合分析：对确定的渗漏构造及水合物产出的有利位置，开展海上航次调查和海底采样，研究渗漏区海底地质、地球化学、生物地球化学
