海洋天然气水合物分布与“气-水-沉积物”动态体系

海洋天然气水合物是潜在的天然气资源, 研究海洋天然气水合物分布及其影响机制是当前国内外相关领域十分重要的一个方面. 大洋钻探204航次对东太平洋水合物海岭的钻探发现, 水合物海岭南峰地区不同构造部位中天然气水合物在天然气水合物稳定带中的分布、富集和产状是十分不均匀的. 以该航次初步成果为例, 分析和探讨天然气水合物的不均匀分布与它所赋存的“气-水-沉积物”动态体系中的几种主要因素的关系, 指出主要受到气、流体来源与流量变化、岩石学属性和特征、地质构造和古海洋环境变化、微生物活动等因素和营力的控制和影响. 有关分析是基于204航次对会聚板块边缘增生体钻探得到的启示, 当未来在世界各海域有更多钻探实际资料后, 有必要深入分析和探讨各海域不同构造环境下, 如我国海域天然气水合物分布与“气-水-沉积物”动态体系这类问题.     

水合物脊ODP1247站位天然气水合物藏的甲烷来源和成藏过程模拟

海洋天然气水合物体系天然气水合物成藏受甲烷供给及埋藏的控制.根据海洋天然气水合物体系甲烷的质量守恒,建立了海洋环境沉积物孔隙水溶解甲烷对流和扩散作用及微生物原位产甲烷作用供给甲烷形成天然气水合物的数值模型,对水合物脊ODP1247站位天然气水合物成藏过程进行了模拟研究,结果表明该站位孔隙水溶解甲烷的对流和扩散作用是天然气水合物成藏过程中最主要的甲烷供给方式,微生物原位生成甲烷供给的比例很小,并且在1.67 Ma以来天然气水合物藏受沉积速率变化而动态变化,但幅度不大,至今形成的水合物饱和度约0~3%,与钻探确定的饱和度接近.     

含天然气水合物的海底沉积物的电学特性实验

电阻率法是估算含水合物储层饱和度的常用方法之一.为了解海底沉积物中天然气水合物的电学特性,利用搭建的天然气水合物电阻率测量系统,以天然气水合物-南海沉积物-3.5％的盐水为研究体系,测量了天然气水合物在沉积物中形成过程中温度、压力、电阻率的变化.天然气水合物在水饱和的沉积物中由溶解气与水形成.实验中通过液压系统对沉积物压实以及采用较薄的样品来保证水合物在筒状的沉积物的均匀分布.当实验结束时,样品中水合物的饱和度达到39.8％时,样品的电阻率从水饱和时的2.024 Ωm增大到水合物饱和度为39.8％时的2.878 Ωm,增加到了1.4倍.电阻率法可以有效的识别含水合物的沉积物.实验测试结果表明,该实验装置工作稳定可靠,可为研究含天然气水合物的电学特性与饱和度的定量关系提供实验模拟技术支持.     

Cascadia边缘与天然气水合物共生沉积物中有机质碳、氮同位素组成及意义

Hydrate Ridge南高点ODP204航次5个站位54个沉积物样品中有机碳C, N同位素组成及C/N比值表明沉积物中的有机质主要来自海洋. 对1245B孔的系统分析表明天然气水合物的发育改变了沉积物中有机碳和氮同位素的成岩演化轨迹, 水合物发育处δ¹⁵N值和C/N比值同时变低, 且δ¹³C值相对较重; 在水合物稳定带内δ¹⁵N值的亏损将近2‰. 水合物发育处沉积物中氮含量的增加和δ¹⁵N值的亏损, 推断可能与天然气水合物发育处沉积物中细菌(包括古细菌)的固氮作用有关. 沉积物中有机质中碳、氮同位素的分布与沉积环境的变化同步响应, 同时亦反映流体活动的变化.     

南海北部神狐海域天然气水合物钻探区第四纪以来的沉积演化特征

南海北部神狐海域是我国首次获取海洋天然气水合物实物样品的海域.然而,陆坡区深水水道和海底峡谷的侵蚀以及频发的沉积物失稳,将会加剧地层对比和沉积相识别的难度,导致目前该区域典型地震相-沉积相特征、沉积体类型、成因机制和空间匹配关系等方面还缺少精细的研究,特别是第四纪以来的沉积演化涉及较少,区域内水合物形成和分布的沉积地质条件尚不清晰.基于海底地形特征的描述、层序地层格架的对比和地震资料的综合解释,本次研究在第四纪以来的沉积充填序列中识别出5种典型的地震相类型,并分析了对应的沉积体类型:进积型的陆坡、第四纪早期发育的小型浊积水道、沉积物失稳(滑移和滑塌)、海底峡谷和伴生的沉积物变形、以及深海沉积-块体流沉积的复合体.通过沉积单元的空间匹配关系,将沉积演化划分为3个阶段:浊积水道侵蚀-沉积物再沉积阶段、陆坡进积-沉积物失稳阶段、海底峡谷的侵蚀-充填阶段.研究结果表明,受第四纪早期小型浊积水道的侵蚀,再沉积的沉积物将在中-下陆坡以"近源"的方式堆积下来,可能具有相对较好的物性条件,从而可被视为适于水合物赋存的有利沉积体.进积型陆坡带来的沉积物易于发生失稳,在研究区内广泛分布,因其具有较小的沉积物颗粒粒度和较好的垂向连续性,可被认为是水合物的区域盖层.大量发育的海底峡谷及伴生的沉积物变形,将会侵蚀和破坏先前沉积的有利沉积体,使其呈现为"斑状/补丁状"的平面展布特征,进而影响了神狐海域水合物的分布.因此,神狐海域第四纪以来的沉积演化是钻探区水合物不均匀性分布的关键控制因素之一.     

南中国海神狐海域天然气水合物 地震识别及分布特征

南中国海北部陆坡神狐海域是天然气水合物发育的有利地区,钻井取芯表明此区域的天然气水合物以细颗粒状分布于水合物稳定带内.以三维地震数据为基础,讨论海洋天然气水合物调查的高分辨率地震成像关键技术,综合利用不同的地球物理方法(阻抗反演、属性聚类分析及神经网络方法等),以钻井结果为约束分析不同方法对天然气水合物识别的适用性,确定利用属性聚类方法来获得神狐海域天然气水合物与游离气的三维空间展布特征.将钻井取芯结果与地质条件相结合,综合多方面地球物理信息,分析产生这一分布特征的地质原因,指出断层与裂缝是南海北部陆坡神狐海域水合物、游离气的分布模式及天然气水合物形成的主要地质控制因素.     

地球系统中的天然气水合物-天然气体系研究展望

虽然目前国外已有很多学者研究了天然气水合物及其分解产生的气体在地球系统各圈层中的循环转化过程,但国内基本上还没有开展相关方面的研究,况且其中的很多问题尚不清楚.本文的目的是通过分析国内外相关的研究进展,提出天然气水合物-天然气体系这个概念,并归纳总结天然气水合物-天然气体系在地球系统各圈层中的循环转化问题,希望能为研究天然气水合物在全球碳循环和气候变化中的作用提供一定的参考.通过分析发现,天然气水合物-天然气体系在地球系统各圈层中的循环转化过程是非常复杂的,而各个圈层对于天然气水合物-天然气体系在地球系统中的循环转化过程都十分重要,这个体系可能是影响全球碳循环和气候变化的一个重要组成部分.     

南海北部陆坡细粒沉积物天然气水合物系统的形成模式初探

我国在南海北部陆坡的细粒沉积物中首次钻获水合物样品,为深入了解这一特殊成藏体系的形成机制,本研究以钻探区域高精度的二维和三维多道地震资料为基础,通过精细的地球物理解释和地质分析,探讨了该天然气水合物系统的成藏控制因素.细粒沉积物天然气水合物系统中水合物的富集过程存在着三个特殊的控制因素：（1）大面积丰富的含甲烷流体的参与.南海北部深水盆地广泛存在的异常热流体活动促使深部的热解成因天然气或浅层的生物成因气运移到水合物稳定带,有利于水合物的发育.热流体活动表现为底辟和气烟囱构造,在地震剖面上,表现为地震声学模糊带、同相轴下拉或中断、顶部出现反射亮点,这些构造直抵水合物稳定带.在气烟囱或底辟构造顶部通常有BSR伴生,说明热流体活动与水合物成藏具有密切关系;（2）断裂构造的发育在水合物稳定带中细粒沉积物的成核和生长过程中具有重要的作用,一方面促进稳定带流体的垂向和侧向运移,另一方面,构造裂缝可能成为成核和生长过程的空间;（3)大型海底滑坡导致了地层中超压流体活动和构造裂缝的发育,从而促进了水合物富集.在上述研究基础上,提出了南海北部水合物钻探区高饱和度水合物成藏模式.     

南海北部神狐海域天然气水合物成藏演化分析研究

南海北部陆坡具备天然气水合物成藏的基本地质条件,神狐海域天然气水合物是当前我国海洋天然气水合物勘探开发研究的重点靶区.然而,神狐海域水合物集中分布在水合物稳定带的底部薄层中,饱和度高,其水合物特征与典型的低甲烷通量控制的水合物分布有很大差异,对其成藏机理和控制因素尚不明确.本文构建了针对神狐水合物成藏过程的一维动力学模型,模型包括沉积压实作用、甲烷溶解度、以及水合物生成和沉积体渗透率,模拟计算的主控参量为海底沉积速率和水流通量,在孔隙水中甲烷浓度一定的情况下,水流速率决定了溶解甲烷的迁移速率和稳定带中甲烷的供给速率,并以此模型计算了神狐海域水合物聚集成藏的动力学过程.模型讨论了特定沉积速率和水流通量条件下水合物成藏与分布特征,并与实际观测数据进行比较研究.研究发现,基于当前沉积速率和水流通量条件模拟的水合物形成演化过程,与神狐海域实际水合物分布特征存在很大差异,但在假定系统中水合物饱和度初值达16~20%时,模拟的水合物饱和度分布特征与观测数据吻合,并因此推测在早期地质历史上,神狐海域存在更加丰富的甲烷水合物,当前的水合物分布特征是在对早期水合物继承基础上发展而成的,而且神狐海域水合物含量正逐渐减少.     

南海北部神狐海域天然气水合物成藏模式研究

南海北部陆坡神狐海域是我国海洋天然气水合物勘探开发研究的重点靶区,独特的水合物成藏特征,难以利用当前观测到的沉积速率和流体流动条件对其成藏机理进行解释和量化说明,对其形成演化模式和控制因素尚不明确.本文构建了海洋天然气水合物形成演化过程的动力学模型,模型的主控参量为海底沉积速率和水流速率,以此计算了神狐海域天然气水合物聚集演化过程,并与饱和度的盐度测试值进行对比.最后,在研究神狐海域地质构造活动和水合物成藏动力学基础上建立了神狐天然气水合物形成演化模式.认为神狐海域当前的天然气水合物是在上新世末—更新世早期断裂体系水合物基础上继承演化而来的,神狐海域天然气水合物形成演化具有典型的二元模式.第一阶段水合物形成发生在距今1.5 Ma之前构造活动形成的断裂体系中,高达50 m/ka的孔隙水流动携带了大量的甲烷进入水合物稳定带,导致了水合物的快速生成,在4万年内形成了饱和度达20%的甲烷水合物;第二阶段发生在1.5 Ma以来,泥质粉砂沉积使沉积体渗透率骤减,0.7 m/ka的低速率水流使甲烷供给不足,在海底浅层新沉积体中无法生成水合物,仅在水合物稳定带底部有缓慢的水合物继承增长,并因此形成了神狐海域当前观测到的水合物产出特征,而且水合物资源量仍在减少.     

天然气水合物体系动态演化研究(Ⅲ):水合物的产生、聚集和分解

从天然气水合物的产生、聚集和分解，分析天然气水合物的动态演化过程，沉积压实、地温梯度、构造运动以及深部流体对水合物产生的效率起决定作用，根据流体的运移和天然气水合物在水合物稳定带中的分布状况，天然气水合物的聚集可以分为构造聚集、地层聚集和混合聚集三种模式，当由于各种原因引起海底温压条件变化时，天然气水合物会发生分解，水合物也会在水体中上浮，在这个过程中，水合物的分解速率能高出其溶解速率二至三个数量级，海底泥火山、甲烷气柱、甲烷气裂缝、双似海底反射等大量的证据，都有助于揭示天然气水合物体系的动态演化的特征，弄清楚天然气水合物的动态演化过程对于我们未来对这种潜在能源的开发利用，并分析其在全球变化、碳循环以及海底滑坡中所起的作用有着相当重要的意义。     

我国南海天然气水合物资源潜力分析

天然气水合物是一种潜在能源,资源量大,我国天然气水合物以南海分布居多.本文分析了影响天然气水合物形成的构造沉积、烃源、温度与压力等因素,并以墨西哥湾和布莱克海台天然气水合物藏为例进行了分析.基于天然气水合物形成的影响因素,综合考虑南海海域的构造演化及油气地质条件,认为南海的构造及气源条件有利于天然气水合物的形成,同时进一步认为南海地区水合物成藏一级远景区包括台西南盆地、东沙群岛、西沙海槽—琼东南盆地和北康盆地,次级远景区包括中建南盆地和万安盆地等.并针对南海天然气水合物勘探及研究面临的挑战,提出了建议.     

海洋天然气水合物发育顶界的模拟计算

天然气水合物顶界的确定对于其资源评价十分重要,但目前还没有很好的方法来确定.本文利用在甲烷-硫酸根（SMI）界面硫酸根与甲烷所消耗的量相等和水-天然气水合物二相体系甲烷溶解度模型,建立了水合物顶界埋深计算的数学模型,并考虑硫酸根氧化有机质和微生物原位甲烷生成的影响.计算的ODP1245和IODP1327站位水合物顶界埋深分别为53 mbsf和83 mbsf,与钻探获得的水合物顶界埋深相吻合.     

井震联合分析预测神狐海域天然气水合物可能的垂向分布

已有的地质与地球物理信息表明南中国海北部陆坡神狐海域存在天然气水合物,2007年钻井和取样结果证实其以细颗粒均匀存在于水合物稳定带内,但区域分布范围极不规则.由于测井记录长度和取样深度的范围有限,天然气水合物垂向分布特征难以确定.为了深入了解此区域天然气水合物深度上的分布规律,对SH7井的多种测井数据进行综合分析并与地震反射特征建立联系,得到三个主要的沉积物性变化层位并以此为基础进行叠后数据的伪井约束反演,结果表明在已证实的含水合物层之下还存在高速层.而AVO叠前正演模拟分析结果与实际地震数据对比表明,研究区的天然气水合物稳定带可能由含水合物沉积物与饱水沉积物的薄互层组成,这就意味着在取样获得天然气水合物样品的深度之下,很可能存在另一个含水合物层.     

海洋环境甲烷水合物溶解度及其对水合物发育特征的控制

除合适的温度和压力条件外，甲烷水合物的形成还需要有充足的甲烷供给，沉积物孔隙水中的甲烷浓度必须大于甲烷水合物的溶解度.本文建立了水合物－水－游离气三相体系、水合物－水二相体系、气－水二相体系的甲烷溶解度计算优选方法，计算确定了水合物系统的甲烷溶解度-深度相图，依此划分出游离气、溶解气、水-水合物、水-水合物-游离气四个甲烷不同相态分布区.对水合物脊ODP1249和1250钻位、布莱克海台ODP997钻位稳定带甲烷水合物含量和稳定带之下游离气含量进行了计算.ODP1249浅部13.5～72.4 mbsf(mbsf表示海底以下深度)的甲烷水合物是沉积物孔隙体积的10%～61%，ODP1250钻位35～1065 mbsf的甲烷水合物约为孔隙体积的0.7%～1.9%，水合物层之下游离气层厚约22 m，游离气含量约占孔隙的4%.布莱克海台ODP997钻位的浅部146.9 mbsf处无水合物发育，202.4～433.3 mbsf之间水合物占孔隙体积的约5%～7%，水合物层之下游离气层厚约80 m，游离甲烷含量为孔隙的0.2%～28%.     

海底天然气水合物中甲烷逸出对全球气候的影响

全球气候变化会降低海底天然气水合物的稳定性导致水舍物失稳分解,反过来天然气水合物分解释放出的大量甲烷气,又会对全球气候变化产生巨大的影响,地质历史上许多重大地质事件(如LPTM事件)都可能与天然气水合物的分解释气作用有关．除了地质历史上强烈的甲烷突然释放事件,现代海底的渗漏或喷口也连续不断地向海水甚至大气输入甲烷,从而影响着全球气候变化．由于天然气水合物中甲烷逸出对全球气候影响的研究刚刚起步,还缺乏海洋沉积物和海水中甲烷传输的恰当模式,甲烷在海水中的溶解度、甲烷的氧化作用及上升流等因素对其的影响程度,以及它对大气甲炕和二氧化碳浓度变化的具体贡献等目前还很不清楚,亟需深化研究．     

海底冷泉羽状流及其资源效应探讨

海底冷泉羽状流是海底冷泉活动最直接的表现形式,与天然气水合物动态成藏和动态油气系统密切相关.近年来,因其对全球气候变化的影响和潜在的资源前景,冷泉流体活动受到越来越多重视.本文对全球重要海域海底冷泉羽状流的分布和通量相关研究进行总结分析,发现冷泉羽状流广泛分布在主动和被动大陆边缘,而在弧后地质背景和走滑大陆边缘发现较少,研究不够深入.在构造活动活跃、沉积速率和运移通道渗透率高的地质背景下,冷泉羽状流一般呈区域性聚集发育,规模与通量较大.目前研究发现,通常单个羽状流渗漏孔的通量一般介于3.5 mL/min～ 13.9 L/min之间,但受制于观测技术和成本,羽状流的通量估算具有不确定性,且易受到不同地质和海洋控制因素的影响.另外,冷泉羽状流发育区往往对应或指示重要海洋油气富集区,通过与海域天然气水合物试采结果和天然气水合物工业生产指标进行对比分析,认为大型单体冷泉羽状流以及与水合物赋存或深部油气藏相关的区域性羽状流群具有重大资源效应,主要体现在羽状流本身的气体通量资源效应、与天然气水合物的密切联系以及对于海洋深部动态油气藏的指示三个方面.建议重视对海底冷泉羽状流发育区的调查与探测,尤其针对大型单体冷泉羽状流,加强对其活动特征的长期观测,从而明确其时序渗漏特性、活动机制以及海洋与地质因素的控制作用.通过研究有效的通量测量技术和方法,建立冷泉羽状流资源评价技术标准,从而推进其进一步开发与利用.     

海域天然气水合物勘测的地球物理方法

到目前为止,已经探明的天然气水合物储量要远小于预测的水合物储量.这种现状不同程度地反映出我们对天然气水合物赋存规律认识不足,和对天然气水合物勘探方法认识不足.本文根据作者多次参加水合物地球物理调查国际航次的认识及文献资料,综述了海域天然气水合物勘探方面一些有效的地球物理技术方法,以利于我国海域天然气水合物的勘探工作以及勘探方法的创新.本文指出,地震勘探是目前进行天然气水合物勘探最常用、也是最重要的方法.地震方法主要包括传统的单道、多道地震方法、高分辨地震方法、深拖多道地震探测方法、海底地震仪方法、多道-多分量海底地震电缆方法、海底地震检波器方法等.此外,根据水合物发育区特有的海底地形地貌特征和水体异常特征,根据水合物发育所需要的温度-压力场特征、电磁特征和含水合物地层的剪切模量特征发展的多波束方法、旁扫声纳方法、海底热流探测方法、海底电磁方法以及海底重力测量方法等都在海域天然气水合物勘探中有着很好的效果.     

祁连山冻土区天然气水合物成藏体系中自生黄铁矿地球化学特征与成因探讨

在祁连山冻土区含天然气水合物或存在水合物异常的钻孔岩芯中发育一种半充填或者全充填岩石裂隙的自生黄铁矿,即"裂隙型"黄铁矿,其产状与在该地区发现的水合物产状具有一定的相似性,并且其分布主要集中于水合物层或异常层的下方区域.通过对祁连山冻土区天然气水合物钻探试验井DK-6孔含"裂隙型"黄铁矿岩芯样品开展黄铁矿形态学、微量、稀土元素和硫同位素组成研究发现,"裂隙型"黄铁矿具有沿岩石裂隙面呈台阶状定向排列的立方体形态黄铁矿为主并伴生"圆形"构造、较低的Co/Ni和Sr/Ba值、较低的ΣREE含量、LREE较HREE相对富集和明显的Eu负异常以及?34SCDT值正偏等特征,这种独特的晶体形态和地球化学特征以及在空间上与水合物层或异常层间的分布关系均与祁连山冻土区天然气水合物成藏体系密切相关.由于气候变化是影响冻土区天然气水合物稳定性的一个重要因素,"裂隙型"黄铁矿可能是区域气候变暖背景下水合物发生次生变化的产物,其分布的密集程度反映了当水合物稳定带缩小时,底界处水合物分解最为强烈,而稳定带内水合物分解相对较弱,其分布的顶底界记录了天然气水合物稳定带曾存在的最大范围.     

水平井开采南海神狐海域天然气水合物数值模拟

2007年5月,南海北部神狐海域的实地钻探结果表明该区域海底存在大量天然气水合物,其作为未来我国潜在的可开发能源的调查和资源评价工作正在展开.本文以SH7站位的钻探、测井数据为基础,建立了实际水合物藏分层地质模型,主要包括上盖层、水合物层和下盖层,其中上下盖层均为可渗透的沉积物.本文利用新型的开采井设计方式,进行了单一...