天然氣水合物的識別標(biāo)志

1、1.天然氣水合物識別標(biāo)志天然氣水合物可以通過海底沉積物取樣、鉆探取樣和深潛考察等方式直接識別,也可以通過似海底反射層(BSR、速度-振幅異常結(jié)構(gòu)、地球化學(xué)異常、多波速測深以及海底電視攝像等方式間接識別。下面介紹一些間接識別標(biāo)志。1、地震標(biāo)志海洋天然氣水合物存在的主要地震標(biāo)志有:似海底反射層(BSR、振幅變形(空白反射、速度倒置、速度-振幅異常結(jié)構(gòu)(VAMP。大規(guī)模的天然氣水合物聚集可以通過高電阻率(大于100歐·米聲波速度、低體積密度等參數(shù)進(jìn)行直接判讀。似海底反射層BSR是地震反射剖面上的一個(gè)平行或基本平行于海底、可切過一切層面或斷層面的聲波反射界面。天然氣水合物礦層之下,還常常圈閉

2、有大量的游離甲烷氣體(游離天然氣,從而導(dǎo)致在地震反射剖面上產(chǎn)生BSR?，F(xiàn)已證實(shí),BSR代表的是天然氣水合物礦層的底界面或基底,其上為固態(tài)的天然氣水合物礦層,聲波速率高,其下為游離甲烷氣體或僅僅為孔隙水充填的沉積物,聲波速率低,因而在地震反射剖面上形成強(qiáng)的負(fù)阻抗反射界面。因此,BSR是由于低滲透率的天然氣水合物礦層與其下大量游離天然氣及飽和水沉積物之間、在聲阻抗(或聲波傳播速度上存在較大差異而形成的。由于天然氣水合物礦層的底界面主要受所在海域的地溫梯度控制,往往位于海底以下一定的深度,因而BSR基本平行于海底,所以被稱為“似海底反射層”。BSR除了被用來識別天然氣水合物的存在和編制天然氣水合物分

3、布圖以外,還被用來判明天然氣水合物礦層的頂?shù)捉缑婕捌洚a(chǎn)狀,計(jì)算天然氣水合物礦層的深度、厚度和體積。然而,并不是所有的天然氣水合物都存在BSR。在平緩的海底,即使有天然氣水合物存在,也不易識別出BSR。BSR常常出現(xiàn)在斜坡或地形起伏的海域。另外,也并不是所有的BSR都對應(yīng)有天然氣水合物的存在。在極少數(shù)情況下,其它因素也可能導(dǎo)致BSR的形成。還應(yīng)注意的是,盡管絕大部分天然氣水合物礦層都位于BSR之上,但是并不是所有的天然氣水合物礦層都位于BSR之上。這已經(jīng)被深海鉆探所證明。因此,BSR不能被作為天然氣水合物存在的唯一標(biāo)志,應(yīng)結(jié)合其它勘查方法綜合判斷。近幾年來,分析和研究地震的速度結(jié)構(gòu),已成為該學(xué)科

4、領(lǐng)域的前沿。天然氣水合物層是高速層,其下的飽氣層或飽水層是低速層。在速度曲線上,BSR界面處的速度會出現(xiàn)突然降低,表現(xiàn)出明顯的速度異常結(jié)構(gòu)。此外,分析地震的振幅結(jié)構(gòu)也可識別天然氣水合物。相對而言,天然氣水合物層是剛性層,其下的飽氣層或飽水層是塑性層。因此,在振幅曲線上,BSR界面處的振幅會出現(xiàn)突然減小,表現(xiàn)出明顯的振幅異常結(jié)構(gòu)。這種識別標(biāo)志對海底平緩的海域來說,尤其顯得重要。2、地球化學(xué)標(biāo)志淺層沉積物和底層海水的甲烷濃度異常高,淺層沉積物孔隙水的氯Cl含量(或礦化度和氧同位素18O 異常高,出現(xiàn)富含重氧的菱鐵礦等,均可作為識別天然氣水合物存在的地球化學(xué)標(biāo)志。3、海底地形地貌標(biāo)志在海洋環(huán)境中,天

5、然氣水合物富集區(qū)烴類氣體的滲逸,可以在海底形成特殊的環(huán)境和特殊的微地形地貌。天然氣水合物存在的地貌標(biāo)志主要有:泄氣窗、甲烷氣苗、泥火山、麻點(diǎn)狀地形、碳酸鹽殼、化學(xué)合成生物群等。最近幾年,德國基爾大學(xué)Geomar研究所,通過海底觀測,在美國俄勒岡州西部大陸邊緣Cascadia 天然氣水合物海臺,就發(fā)現(xiàn)了許多不連續(xù)分布、大小在5cm2左右的天然氣水合物泄氣窗。在這種泄氣窗中,甲烷氣苗一股一股地滲逸出來,滲氣速度為每分鐘達(dá)5公升。在這種滲逸氣流的周圍有微生物、蛤和碳酸鹽殼出現(xiàn)。4、海底“冷泉”生物群標(biāo)志深?！昂诎凳澄镦湣辈⒉灰詿嵋簽橄?。在大陸坡、深海區(qū)分布著天然氣水合物。一旦海底升溫或減壓,它就會釋

6、放出大量甲烷,可以在海水中形成甲烷柱,被科學(xué)家稱為“冷泉”。在冷泉附近可以形成特殊的生物群落。冷泉是海底天然氣水合物的產(chǎn)物之一。在冷泉附近往往發(fā)育著依賴這些流體生存的冷泉生物群,又稱為“碳?xì)浠衔锷锶郝洹?。它是一種獨(dú)特的黑暗生物群,最常見的有管狀蠕蟲、雙殼類、腹足類和微生物菌等。海底冷泉及其伴生的黑暗生物群,是確認(rèn)天然氣水合物存在的有力證據(jù)。天然氣水合物釋放區(qū)的生物群,也是類似于熱液生物群的獨(dú)立生態(tài)系統(tǒng)。其食物鏈低層生物也是一種管狀蠕蟲,依靠甲烷細(xì)菌提供能量2 海洋天然氣水合物形成機(jī)理探討自然界的天然氣水合物只分布于兩類地區(qū):多年凍土帶和海洋。而海洋沉積物中天然氣水合物的資源量占全球總量的9

7、9% 以上, 因此, 海洋天然氣水合物的成因機(jī)理是目前研究的重點(diǎn)和熱。天然氣水合物的形成需具備幾個(gè)基本條件: 充足的天然氣和水, 天然氣的來源包括無機(jī)成因和有機(jī)成因的氣體, 如甲烷、乙烷、丙烷、CO2等; 足夠低的溫度和較高的壓力, 與海底深度和地?zé)崽荻汝P(guān)系也較大; 可使氣和水充分聚集的有利的儲集空間。下面分別加以討論。圍繞“水合物源控論”的思想, 水合物中氣體的來源在很大程度上影響水合物的形成模式。理論研究認(rèn)為海洋天然氣水合物的氣源具有4 種可能的來源: 海水溶解的甲烷(來自海水溶解或懸浮有機(jī)質(zhì)生成的甲烷以及由大氣或海底進(jìn)入海水的甲烷;海底之下氣水合物層有機(jī)質(zhì)自生自儲的甲烷; 海底之下水合物

8、層下伏的沉積物或沉積巖中有機(jī)質(zhì)生成的甲烷; 深部非生物成因(無機(jī)成因的甲烷27 。在的情形下比較難以生成水合物, 因?yàn)?海水溶解甲烷的濃度很低, 目前積累的資料表明海水溶解甲烷的濃一般在10-8 cm 3g 數(shù)量級, 遠(yuǎn)不能從海水中析出28。在和的情況下, 甲烷具備原地生成水合物的可能性。這兩種天然氣極有可能因?yàn)橹車鷾囟然蚩紫秹毫Φ挠欣兓D(zhuǎn)變?yōu)樗衔? 盡管也會因上述條件的不利變化而不斷分解,或者水合物分解后, 遇到有利的條件二次生成, 但孔隙流體的活動(dòng)范圍基本上不大。微生物成因的水合物氣源多來自原地, 如布萊克海臺是典型的微生物成因, 甲烷基本上由原地產(chǎn)生。但Egeberg 29 等應(yīng)用

9、沉積物孔隙水化學(xué)組成對布萊克海臺天然氣水合物氣體來源進(jìn)行了研究, 依據(jù)測定結(jié)果, 推測布萊克海臺有隨其它地區(qū)流體運(yùn)移而來的甲烷。這看起來有矛盾之處, 尚需進(jìn)一步探究。在的情況下, 甲烷更可能通過運(yùn)移生成水合物。深部的無機(jī)成因甲烷, 還包括部分來自深部的熱成因甲烷氣會從海底深部上移至穩(wěn)定帶而形成天然氣水合物。墨西哥灣和里海的天然氣水合物主要是熱成因。筆者認(rèn)為, 它們是由來自深部的熱成因甲烷氣運(yùn)移到有利的環(huán)境生成的。盡管目前沒有找到無機(jī)成因氣的水合物礦點(diǎn),但并不妨礙人們對無機(jī)成因氣的水合物存在保持樂觀的看法。筆者認(rèn)為, 隨著認(rèn)識和調(diào)查的深入, 無機(jī)成因氣的水合物將會被發(fā)現(xiàn)。在水合物形成的地質(zhì)歷史過

10、程中, 海平面的高度、海底溫度以及全球性的氣候變化都會對水合物的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。溫壓條件不僅影響水合物生成,也是導(dǎo)致沉積物中水合物分解的主要因素。海洋沉積物中天然氣水合物穩(wěn)定帶的厚度明顯受地溫梯度和穩(wěn)定帶水深的影響, 一般的趨勢是: 隨地溫梯度的增高水合物穩(wěn)定帶相對變薄, 而隨水深增大而增厚。當(dāng)沉積物不斷堆積移動(dòng)通過水合物帶時(shí), 隨著新的沉積物沉積于氣體水合物的頂部,由于側(cè)向擠壓作用, 氣體水合物帶的底部有可能會發(fā)生分解,釋放出大量天然氣。在可滲透的沉積物中, 這些天然氣會向上運(yùn)移并逸散, 而水合物帶的存在猶如游離氣上方的密封蓋層, 會將這些氣體圈閉于水合物層下,或者由于其它因素, 這些氣體(

11、以甲烷形式為主向下部運(yùn)移, 以游離態(tài)形式儲存于地殼深部。這可以解釋天然氣水合物和游離態(tài)天然氣往往共存這一現(xiàn)象。假設(shè)具有充足的烴類氣體和水分子供應(yīng),并且具備合適的溫壓條件, 那么天然氣水合物是否一定就可以在海底之下沉積物中生成呢? 理論上看來可行。但在實(shí)際的自然狀況下, 除前述兩種基本要素外, 天然氣水合物的形成還必須有充足的流體載體的供應(yīng)以及流體載體的輸導(dǎo)系統(tǒng)。該輸導(dǎo)系統(tǒng)必須為流體載體提供一定的動(dòng)力來源、運(yùn)移通道空間等。可見地質(zhì)環(huán)境是氣體水合物形成的重要控制條件,也正是由于地質(zhì)條件的不同, 導(dǎo)致天然氣水合物的形成模式和分布上的巨大差異。筆者從天然氣水合物形成特征的角度將海洋天然氣水合物的形成模

12、式分為強(qiáng)滲漏系統(tǒng)和弱滲透系統(tǒng)。2.1強(qiáng)滲漏系統(tǒng)所謂強(qiáng)滲漏系統(tǒng)是指海洋底部由于地殼構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的擠壓或拉伸等變形作用或者由于海洋沉積物的側(cè)向擠壓變形作用而出現(xiàn)斷層, 許多圈閉的烴類氣體由此向上滲流并大量漏出, 形成較穩(wěn)定的水合物形成所需的氣源。以甲烷為主的烴類氣體(可以是生物成因, 也可以是非生物成因 , 與流體載體一起形成孔隙流體團(tuán), 無論其是否達(dá)到飽和狀態(tài)(相對于游離氣體,在縱向和側(cè)向上的壓力梯度、溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下,將會沿著斷層的孔、縫等多種通道系統(tǒng)運(yùn)移, 最后聚集在主通道內(nèi)繼續(xù)向上運(yùn)移, 基本上達(dá)到過飽和狀態(tài)。同時(shí), 在原地微生物烴類氣體的參與下, 大量的烴類氣體難以繼續(xù)溶解在流體之中,

13、于是它們在合適的溫度、壓力下, 即在天然氣水合物穩(wěn)定帶內(nèi),與水分子相結(jié)合, 成為固態(tài)結(jié)晶體的天然氣水合物。產(chǎn)狀上可認(rèn)為在BSR 之上積聚形成富水合物區(qū), 大多數(shù)水合物聚集在BSR 之上一個(gè)相對狹窄空間帶。水合物穩(wěn)定帶的底界呈不連續(xù)狀, 表現(xiàn)出穩(wěn)定帶形成之前具有突變過程。其上界則是擴(kuò)散和漸變的, 反映出水合物在橫向和縱向上不斷生長、并向外延伸和擴(kuò)張的狀態(tài)。強(qiáng)滲漏系統(tǒng)極具成藏的可能性。一是因?yàn)榈貧?gòu)造活動(dòng)的變形作用可形成許多流體運(yùn)移的通道, 同時(shí)也可產(chǎn)生大量的向上運(yùn)移的孔隙流體。二是這種活動(dòng)可帶來有利的儲集空間, 特別是快速巨厚沉積的裂陷區(qū)或擴(kuò)張區(qū), 是強(qiáng)滲漏系統(tǒng)易形成水合物的地方。強(qiáng)滲漏系統(tǒng)的水

14、合物形成模式也適于海底之下陸坡和陸基地帶, 所形成的天然氣水合物分布集中, 儲量密度大, 成藏物化條件優(yōu)越,具有實(shí)際開采價(jià)值, 其資源意義十分重要。根據(jù)Kvenvo lden等30對世界各地的天然氣水合物樣品的調(diào)查資料以及有關(guān)的地質(zhì)資料分析, 筆者認(rèn)為墨西哥灣、中國南海、挪威外海有此類水合物藏存在的條件。2.2 弱滲透系統(tǒng)相對于強(qiáng)滲漏系統(tǒng), 弱滲透系統(tǒng)中天然氣水合物的形成過程則細(xì)微與緩慢, 但其作用的范圍也更加廣泛。以甲烷為主的烴類氣體由微生物或熱作用生成后,散布于海底之下較為松散的多孔沉積物層中,這些孔隙被氣體充滿的沉積物層,或者因?yàn)闇囟认陆?或者通過擠壓作用使孔隙壓力增大而向有利于天然氣水

15、合物形成的狀態(tài)變化,氣體在原地合適的溫壓條件下從沉積物中原地淬取水, 在沉積物孔隙內(nèi)形成天然氣水合物。另外,由于在地下成巖和微生物降解這類作用的緩慢過程中, 氣體量相對會越來越大,所以在允許水合物穩(wěn)定存在的海底之下溫壓條件下,溶于孔隙水中的自生生物烴類氣體的數(shù)量可增加到保持水合物形成的平衡壓力的程度, 使部分富含孔隙水的流體轉(zhuǎn)化成水合物。這一作用過程相對緩慢,天然氣水合物形成的動(dòng)力特性、成量大小也要受海洋沉積物中所能獲得的有機(jī)碳量、海底沉積物中有機(jī)碳的保存能力、沉積速率等因素控制。水合物理論上可在其穩(wěn)定帶內(nèi)的任何位置形成,可貫穿整個(gè)水合物穩(wěn)定帶, 但形成的此類水合物通?？臻g分布相對分散,不利于

16、經(jīng)濟(jì)性開采。但是,由弱滲透系統(tǒng)形成的水合物也并非不能聚集,當(dāng)具備合適的條件時(shí),也可以成藏如果由于周圍地質(zhì)環(huán)境的變化, 例如海底沉積物的擠壓變形作用可形成許多供氣體運(yùn)移的斷裂通道以及聚集的空間, 這些空間可以產(chǎn)生抽吸作用,在一定條件下表現(xiàn)出吸引氣體聚集的趨勢,使得氣體通過各種細(xì)微的斷裂通道運(yùn)移到這些有利的儲集空間聚集。這些空間的氣體會以擴(kuò)散、滲透等方式運(yùn)移到水合物層上方與水充分化合,在溫壓條件均比較有利的地帶形成水合物藏。這樣的變化過程也同樣相當(dāng)緩慢, 但筆者認(rèn)為, 這是由弱滲透系統(tǒng)形成的水合物成藏的最廣泛的途徑。3 我國南海天然氣水合物的形成條件我國擁有漫長的海岸和廣闊大陸架斜坡帶、海嶺、海溝

17、和海槽, 具備形成天然氣水合物的有利地理環(huán)境。在我國的南沙海槽、西沙海槽、東海沖繩海槽、臺灣東南部均發(fā)現(xiàn)了與海洋氣水合物有關(guān)的BSR證據(jù)13 15。我國南海廣闊的陸坡區(qū)最具形成天然氣水合物的地質(zhì)條件。首先這一地區(qū)蘊(yùn)藏著大量的常規(guī)油氣資源, 表明該地區(qū)具有豐富的有機(jī)質(zhì)物源。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料, 這一地區(qū)在晚中新世之后已進(jìn)入?yún)^(qū)域沉降階段, 沉積了厚達(dá)1 000 5 000 m 的地層,由于有機(jī)質(zhì)比較豐富, 可為天然氣水合物的形成提供大量氣源。樣品分析表明該地區(qū)甲烷氣為微生物成因。其次晚中新世之后的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)在下伏沉積層中形成許多斷裂, 有利于下伏沉積層中的有機(jī)氣體沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移, 從而為形成天然氣水合

18、物提供充足的氣源, 構(gòu)成了以強(qiáng)滲漏模式成藏的必要條件。從天然氣水合物成藏的區(qū)域構(gòu)造條件來看, 南海北部的沉積速率和美國東海岸外的布萊克海臺類似。南海東沙群島地區(qū)是在基底高地上發(fā)育起來的。布萊克海臺在被動(dòng)大陸邊緣發(fā)育初期也是基底高地, 這兩地的構(gòu)造環(huán)境和構(gòu)造發(fā)育史基本相似, 都是水合物發(fā)育的優(yōu)越地區(qū)。南海北部陸坡區(qū)具有良好的天然氣水合物成礦的物化條件和地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境, 可與東太平洋海域及大西洋邊緣的天然氣水合物成礦遠(yuǎn)景區(qū)相媲美。盡管目前我國在南海海域還沒有實(shí)際勘探到天然氣水合物的樣品, 但筆者樂觀認(rèn)為, 南海海域可能存在多處具備實(shí)際工業(yè)開采價(jià)值的天然氣水合物藏。目前應(yīng)當(dāng)充分利用過去所積累的中國海域

19、的大量地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)資料, 圈劃出中國海域的天然氣水合物藏穩(wěn)定帶范圍及開采靶區(qū),為中國海域的天然氣水合物資源前景評價(jià)和開采提供基礎(chǔ)資料。因此, 加強(qiáng)我國天然氣水合物資源的勘查和開發(fā)技術(shù)研究具有重要的戰(zhàn)略意義。4.天然氣水合物的抑制漫談天然氣水合物的抑制天然氣水合物引起人們的重視,起源于上個(gè)世紀(jì)30年代天然氣輸送管道里天然氣水合物堵塞物的發(fā)現(xiàn)。這幾十年來雖然人們已經(jīng)把很大的注意力投向天然氣水合物礦產(chǎn)資源的勘探和開發(fā),但是對于石油和天然氣行業(yè)來講,水合物的抑制還是一個(gè)大問題,按照國外的統(tǒng)計(jì),每年花在這個(gè)方面的錢有幾十億,美元。氣體水合物的危害主要體現(xiàn)在水合物一旦形成就很難除去。一般的去除

20、方法包括減壓,加熱,注入甲醇或乙二醇等等。這次方法見效都不快,而停工造成的經(jīng)濟(jì)利益損失是可想而知的。石油和天然氣行業(yè)里面最常用的抑制天然氣水合物的方法就是把操作條件(溫度,壓力等等控制在水合物的穩(wěn)定條件以外。一般來講,這就需要通過計(jì)算才能得出適當(dāng)?shù)臄?shù)字了。目前業(yè)界并沒有通用的程序,但大公司愿意出大錢購買好的計(jì)算軟件。我覺得這是國內(nèi)的相關(guān)研究人員注意的一個(gè)突破口,畢竟這花錢不多,但需要相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)和一定的實(shí)驗(yàn)條件(進(jìn)行驗(yàn)證。除了保溫以外,控制產(chǎn)品里面的水含量顯然也很重要。脫水雖然簡單,但是對于海上作業(yè)就不是那么容易操作了。除了控制水含量,控溫,控壓這些物理方法,添加適當(dāng)?shù)囊种苿┮彩欠浅Ｖ匾姆椒?這在海上作業(yè)的條件下有時(shí)是唯一的方法。目前的抑制劑可以分成兩大類,一個(gè)是所謂熱力學(xué)抑制劑,一個(gè)是所謂動(dòng)力學(xué)抑制劑。熱力學(xué)抑制劑,是一些可以改變水合物穩(wěn)定條件的試劑,最常見的就是甲醇和乙二醇。前者的效果比后者差一點(diǎn),但是便宜多了,所以用得最多。但是,由于使用的量非常大(最高能到水相的60%,所以成本還是很高,而且劇毒。另外一個(gè)缺點(diǎn)就是一般無法回收。甲醇最大的優(yōu)點(diǎn)是研究的比較透徹,各種條件下的穩(wěn)定條件基本都有數(shù)據(jù),所以對業(yè)界來講操作性很強(qiáng)。業(yè)界是不太關(guān)心環(huán)保問題的,呵呵。動(dòng)力學(xué)抑制劑,顧名思義,就是能夠放慢水合物形