天然气水合物的钻进过程控制和取样技术

分析了天然气水合物的稳定主钻进过程的影响,讨论了天然气水合物的钻进泥浆控制策略和取样（心）技术,同时介绍了大洋钻探（ODP）使用的保压取样器PCS。     

科学大洋钻探与天然气水合物

天然气水合物是由水和甲烷等气体水分子组成的冰状物,主要分布于海洋陆坡区和陆地永久冻土带,是21世纪理想的替代能源。科学家已对天然气水合物的物理化学性质、产出条件、分布规律、勘查技术、开采工艺、经济评价及开采可能造成的环境影响等进行了广泛而深入的研究。大洋钻探计划（ODP）是获得深部含天然气水合物和游离气沉积物的唯一途径,已成功实施了164和 204两个以天然气水合物为主要目标的航次,分析研究了含天然气水合物沉积物的原位物理化学特性和地球物理性质,探讨了气体-水-沉积物-水合物间的相互作用机理,为气体储量计算提供了依据,对推动水合物研究作出了重大贡献。综合大洋钻探计划（IODP）的启动,将为人们深刻理解地球历史和地球系统过程（ESP）,特别是认识天然气水合物在地质过程中的作用,提供前所未有的机会。     

日本南海海槽天然气水合物取样调查与成功试采

日本在实施天然气水合物研发计划（MH21）的第一阶段（2001—2008）及之后,作为合作伙伴,参加了加拿大Mallik和美国阿拉斯加陆域永冻层的水合物试采工程项目,并在本国南海海槽分别于2000年和2004年实施了水合物探井施工和多井钻探取样调查。从MH21第二阶段（2009—2015）开始,日本加强了对南海海槽东部的钻探、取样调查,运用新研发的CDEX hybrid PCS系统采取保压岩心;运用PCCT压力岩心测试鉴定仪器,对含水合物沉积地层的岩样作精密测试分析;提出水合物开采环境效应评估（EIA）研究战略,运用综合方法认真实施EIA调查,以及对海域水合物生产环境监测系统,包括海底甲烷泄漏监测仪（MLMS）、海底变形测量仪（SDMS）等予以布署。2013年3月12—18日,日本在南海海槽东部深水水合物储层实施了第一次天然气水合物的试采。六日内累积生产气量约120000 m3,平均日产气量20000 m3。这是世界上第一次海域天然气水合物成功的试采工程,是国际天然气水合物开发史上的一座里程碑。但是,天然气水合物的商业化开采在国际上将是一个艰难、漫长的过程。     

q祁连山永久冻土带天然气水合物钻探工艺与应用

大量的研究和钻探取样证明,不仅海洋深处存在着天然气水合物,陆地永久冻土带也存在天然气水合物。从目前的地质探测技术发展现状看,确定冻土层水合物的储藏深度、含量等物理化学特性还必须靠取样钻探技术。论述了全球陆地永久冻土带天然气水合物的钻探现状,介绍了陆地永久冻土带天然气水合物取心钻具的结构设计、试制过程和在海拔4200m的青海祁连山地区进行永久冻土带天然气水合物钻探技术研究过程中取得的成果。     

祁连山永久冻土带天然气水合物钻探工艺与应用

大量的研究和钻探取样证明,不仅海洋深处存在着天然气水合物,陆地永久冻土带也存在天然气水合物。从目前的地质探测技术发展现状看,确定冻土层水合物的储藏深度、含量等物理化学特性还必须靠取样钻探技术。论述了全球陆地永久冻土带天然气水合物的钻探现状,介绍了陆地永久冻土带天然气水合物取心钻具的结构设计、试制过程和在海拔4200m的青海祁连山地区进行永久冻土带天然气水合物钻探技术研究过程中取得的成果。     

天然气水合物保真取样钻具的试验研究

由于天然气水合物生存环境及特性特殊,所以了解其物化特性最有效的方法是通过钻探取样。天然气水合物钻探取样的关键是要有满足要求的钻探设备、钻探工具、钻探工艺及特殊的冲洗液。介绍了天然气水合物取样钻具的结构、原理、特点、钻进工艺及试验结果。根据海洋钻井的特点,提出了中国实施天然气水合物钻探经济实用的施工方案。     

天然气水合物钻探钻井液低温特性的研究

天然气水合物是一种赋存于低温条件和较高压力的新型清洁能源，勘探开发中必须保持天然气水合物的稳定才能钻取实物岩心。从维持天然气水合物相态平衡着手，介绍了国外用于抑制天然气水合物相态平衡的低温钻井液体系，分析了低温环境下钻井液流变特性和密度特性，提出了天然气水合物钻探钻井液体系研究的建议。     

海底天然气水合物取样器冷却技术研究现状

天然气水合物是一种潜力巨大的替代性能源,其可以稳定地存在于一定的低温高压条件之下。在天然气水合物钻探作业中,冷却保温技术是天然气水合物钻探的关键技术之一。低温可以抑制天然气水合物分解,这对获取水合物样品有着十分重要的作用。本文首先概述了海底天然气水合物取样器保温冷却技术研究现状,并对取样器冷却保温技术进行深入的调查研究和分析。然后对日本的PTCS取样器中的冷却保温技术和国内具有冷却保温功能的取样器进行了详细介绍,并对相关技术进行分析和总结,最后对海底天然气水合物取样器冷却保温技术的发展做了总结与展望。     

珠江口盆地东部海域天然气水合物钻探结果及其成藏要素研究

天然气水合物被普遍认为将是21世纪最具潜力的接替煤炭、石油和天然气的新型洁净能源之一,同时也是目前尚未开发的储量巨大的一种新能源。广州海洋地质调查局从1999年起,在南海北部陆坡进行了多年的地球物理、地球化学以及地质综合调查,获取了大量与天然气水合物赋存有关的各种地质信息,并分别于2007年在神狐海域和2013年在珠江口盆地东部海域实施钻探,均成功获取了天然气水合物样品,特别是2013年度在珠江口盆地东部海域的钻探航次中,获取了高纯度、多种产状类型的天然气水合物实物样品。以上调查及钻探成果,证实了我国南海存在巨大的天然气水合物(简称水合物)资源前景。本文简要介绍了我国珠江口盆地东部海域2013年的主要钻探结果。本研究在钻前,将2013年钻区的水合物成藏条件与对世界上多个天然气水合物钻探区进行综合对比分析。结果表明,气源条件、稳定条件、气体运移条件和储集条件是该钻区水合物成藏的最重要控制因素(成藏要素)。经过分析该区这些要素的特征,预测本区应发育渗漏型水合物。2013年钻探结果揭示该区同时存在分散型和渗漏型水合物,说明控制该区水合物形成和分布的因素更为复杂。     

天然气水合物泥浆制冷系统的野外试验研究

天然气水合物钻探取样过程中,泥浆制冷系统具有十分重要的作用。介绍了吉林大学研制的天然气水合物泥浆制冷系统的结构及工作原理。通过在西藏羌塘盆地、祁连山木里盆地和东北漠河盆地大兴安岭地区的野外应用试验,表明该套系统应用范围广,工作性能稳定可靠,可用于高海拔、高纬度的冻土带等特殊地区的水合物钻探。     

测井在天然气水合物勘探与评价中的应用

测井是水合物深入勘探阶段一钻探阶段的必要手段，已得到较好应用。文章综合介绍和分析了ODP204航次、加拿大西北马更些河三角洲地区Mallik5L-38井、IODP311航次及日本南海海槽等较新的水合物钻探调查的测井方法与技术，重点分析了核磁测井、电磁波测井及偶极横波测井等测井新技术在水合物勘探与评价中的应用，对测井方法在水合物勘探中存在的问题进行了讨论。     

西藏羌塘盆地天然气水合物地球物理特征识别与预测

天然气水合物是21世纪的新能源，对它的研究受到世界上许多国家的高度重视。青藏高原北部的羌塘盆地分布着一套我国唯一的海相侏罗系，油气资源潜力巨大，具有丰富的天然气来源和圈闭构造及永久冻土层。在详细论述天然气水合物形成条件、羌塘盆地构造及永久冻土特征的基础上，重点讨论了羌塘盆地天然气水合物地球物理特征的识别与预测。得出羌塘盆地地质条件较好，是寻找永久冻土带天然气水合物的有利地区的结论。并指出应尽快全方位的开展羌塘盆地及青藏高原其他地区天然气水合物的研究。     

青海木里三露天天然气水合物野外现场识别方法研究

天然气水合物的野外识别是其勘查工作和分析研究的工作基础。我国陆域冻土区天然气水合物勘查工作程度低,且其赋存环境、产出形态和成藏机理等特 征与海域天然气水合物存在显著差异,由此也决定并急需寻找一套新的、系统的陆域冻土区天然气水合物的野外识别方法。通过对近两年青海煤炭地质局一0五勘探队在青海木里三露天地区实 施系列钻井中天然气水合物识别方法的不断分析和总结,建立了以天然气水合物冰状、沸腾、渗水现象为直接识别标志和以气测录井、岩心解析为有效鉴别方法等为主的天然气水合物野外现 场识别方法。经过进一步验证表明,以天然气水合物典型物理化学特征为支撑,以研究区零星、分散产出和连续性、对比性差等对识别水合物不利特征为客观前提建立的天然气水合物野外现 场系统识别方法可靠性高、适用性更强更广。最后,对诸多围绕天然气水合物的异常标识、直接标志和技术方法以流程的方式梳理和总结了其识别工作方法。     

Progress in Global Gas Hydrate Development and Production as a New Energy Resource

Natural gas hydrates have been hailed as a new and promising unconventional alternative energy, especially as fossil fuels approach depletion, energy consumption soars, and fossil fuel prices rise, owing to their extensive distribution, abundance, and high fuel efficiency. Gas hydrate reservoirs are similar to a storage cupboard in the global carbon cycle, containing most of the world’s methane and accounting for a third of Earth’s mobile organic carbon. We investigated gas hydrate stability zone burial depths from the viewpoint of conditions associated with stable existence of gas hydrates, such as temperature, pressure, and heat flow, based on related data collected by the global drilling programs. Hydrate-related areas are estimated using various biological, geochemical and geophysical tools. Based on a series of previous investigations, we cover the history and status of gas hydrate exploration in the USA, Japan, South Korea, India, Germany, the polar areas, and China. Then, we review the current techniques for hydrate exploration in a global scale. Additionally, we briefly review existing techniques for recovering methane from gas hydrates, including thermal stimulation, depressurization, chemical injection, and CH4–CO2 exchange, as well as corresponding global field trials in Russia, Japan, United States, Canada and China. In particular, unlike diagenetic gas hydrates in coarse sandy sediments in Japan and gravel sediments in the United States and Canada, most gas hydrates in the northern South China Sea are non-diagenetic and exist in fine-grained sediments with a vein-like morphology. Therefore, especially in terms of the offshore production test in gas hydrate reservoirs in the Shenhu area in the north slope of the South China Sea, Chinese scientists have proposed two unprecedented techniques that have been verified during the field trials: solid fluidization and formation fluid extraction. Herein, we introduce the two production techniques, as well as the so-called “four-in-one” environmental monitoring system employed during the Shenhu production test. Methane is not currently commercially produced from gas hydrates anywhere in the world; therefore, the objective of field trials is to prove whether existing techniques could be applied as feasible and economic production methods for gas hydrates in deep-water sediments and permafrost zones. Before achieving commercial methane recovery from gas hydrates, it should be necessary to measure the geologic properties of gas hydrate reservoirs to optimize and improve existing production techniques. Herein, we propose horizontal wells, multilateral wells, and cluster wells improved by the vertical and individual wells applied during existing field trials. It is noteworthy that relatively pure gas hydrates occur in seafloor mounds, within near-surface sediments, and in gas migration conduits. Their extensive distribution, high saturation, and easy access mean that these types of gas hydrate may attract considerable attention from academia and industry in the future. Herein, we also review the occurrence and development of concentrated shallow hydrate accumulations and briefly introduce exploration and production techniques. In the closing section, we discuss future research needs, key issues, and major challenges related to gas hydrate exploration and production. We believe this review article provides insight on past, present, and future gas hydrate exploration and production to provide guidelines and stimulate new work into the field of gas hydrates.     

海底天然气水合物地球化学勘探新技术

天然气水合物是目前寻找新型替代能源的热点之一，其勘探、开发和利用的科学与技术是当前面临的重大课题。除地球物理方法可对天然气水合物定位外，地球化学勘探也是寻找它的重要手段。天然气水合物的几种地球化学勘探方法分别利用其直接标志和间接标志。直接标志包括烃类气体含量测定等；间接标志包括孔隙水离子浓度异常、同位素地球化学异常、标志性矿物(标型矿物)及沉积物热释光分析等方法。     

海洋天然气水合物勘查和识别新技术:地质微生物技术

当前国内外海洋天然气水合物勘查和评价发展趋势要求有更多具有精细探测和评价功能的技术,这给地质微生物水合物探测技术的研发和应用提出了需求和挑战。简要介绍了当前水合物成藏或沉积环境研究中所涉及的主要微生物类别及其主要关系,它们绝大多数是适应海底深部低温高压环境的厌氧极端生物。其中重要类群是为天然气提供气源的产甲烷古生菌、参与甲烷厌氧氧化过程的甲烷氧化古生菌和硫酸盐还原细菌。介绍了国内外几个地质微生物探测技术的实例,包括历史悠久的"微生物油气勘探"技术、近十年来发展起来的微生物计数法、群落结构和标志类别法;另外,对新露头角的微生物生物标志物法等其他方法也给予简要介绍。     

祁连山木里冻土区天然气水合物矿区稀有气体氦、氖地球化学特征及其指示意义

稀有气体氦(He)、氖(Ne)是天然气水合物中的痕量组分,其化学性质稳定,在地质作用过程中其丰度变化几乎不受复杂化学反应和近地表微生物的影响。顶空气He、Ne地球化学勘查方法可以排除沼泽区微生物的强烈干扰,提高包括天然气水合物在内的油气近地表地球化学勘查的效用及精度。选择祁连山木里冻土区天然气水合物矿区进行试验研究,获得近地表土壤顶空气He平均含量为799×10-6,Ne平均含量208×10-6,均高于其在大气中的丰度。稀有气体He、Ne具有很强的穿透能力,平面上,在已知水合物矿藏和水合物远景区上方具有明显的地球化学顶部异常特征;钻井地球化学垂向剖面上,水合物富集层位上方具有明显的上置气异常特征。顶空气He、Ne近地表平面异常和钻井岩屑剖面异常特征证实,祁连山水合物形成过程中烃类气体发生了分异和垂向微渗漏,其携带笼中的稀有气体He、Ne以“类气相”地气流形式垂向迁移。试验证明,顶空气He、Ne异常对木里天然气水合物矿藏具有良好的指示作用。顶空气He、Ne勘查方法是冻土区水合物地球化学勘查技术的有效补充。     

BP神经网络在天然气水合物化探中的应用

地球化学方法在天然气水合物勘探评价过程中的参数存在不确定性,且误差传递易导致结果不可信。运用BP神经网络技术,在天然气水合物勘探区域选取相关的应用切入点,通过训练建立神经网络模型,利用其非线性映射技术,揭示天然气水合物勘探评价中涉及的多个属性之间的非线性关系。计算结果显示,神经网络的分类方案有效弥补了当前地球化学评价方法存在的多解性等缺点,运用在地球化学数据的基础上建立的BP神经网络模型,对研究区块进行仿真预测,可以实现水合物矿藏的分等级评价。     

南海天然气水合物地震资料处理及其特征

以中国首次在南海北部某海区采集的以探测天然气水合物为目的的超过500km的多道高分辨率地震调查数据为基础，利用真振幅处理，子波处理，速度分析，叠前偏移处理以及地震属性道处理等多种针对天然气水合物的先进处理技术和方法，有效地寻找天然气水合物的存在标地，如似海底反射（BSR），振幅空白，极性反转，异常速度等，证实南海北部存在天然气水合物，并具有独特的地震反射特征。     

青海聚乎更钻探区天然气水合物拉曼光谱特征

了解天然气水合物的微观结构特征对水合物资源勘探和评价具有重要意义。采用显微激光拉曼光谱技术,对青海聚乎更钻探区内DK8-19、DK11-14 和DK12-13等3个站位共9个天然气水合物岩心样品进行了分析测试,探讨了钻探区天然气水合物的拉曼光谱特征。结果表明,青海聚乎更钻探区天然气水合物广泛分布,垂直方向在126.1~322.2 m范围内不连续分布,不同钻孔、不同埋深水合物样品的拉曼光谱特征基本一致,初步判断为Ⅱ型结构水合物,且为多元气体水合物。水合物客体除甲烷、乙烷、丙烷及丁烷等 烷烃外,普遍含有氮气组分。此外,在DK8-19站位埋深为126.1 m样品中发现水合物相中硫化氢组分的拉曼信号,这说明特定区域内可能存在硫化氢气体且形成了水合物。聚乎更钻探区水合 物样品拉曼光谱特征为冻土区天然气水合物成藏与分布规律研究提供了新的启示。