海洋中天然气水合物的成矿机理与资源评价概述

本文综述了近年来国内外关于天然气水合物成矿机理研究的新进展，阐明了作为一种非常规的天然气矿藏，其形成和稳定存在除了需要特定的温、压条件外，更需要合适的成矿地质条件，包括沉积构造环境、充足的气源、有效的运移通道、有效的储集层和保存条件等．文中还介绍了天然气水合物资源评价方法及国外研究者对全球气体水合物中甲烷量的估算值，由于其结果相差几个数量级，表明目前还没有成熟的天然气水合物资源定量评价方法．     

南沙海域天然气水合物地震特征

南沙海域水深为200∽2500m，其中大于500m的水域约50万km^2，该区大部分区域发育沉积盆地，构造类型多样，具有形成天然气水合物的气源、温度及压力条件。根据地质及地球物理调查资料，分析了南沙海域天然气水合物成藏的地质条件及地球物理标志特征，认为南沙海域具备形成天然气水合物矿藏的条件，南沙海槽和南沙中部海域是天然气水合物形成的有利地区。     

ODP204航次科学报告：南部水合物脊天然气水合物分布及动力学

天然气水合物是在水深大于300—500m的沉积中，在高压低温条件下，当甲烷和其它碳氢化合物气体富集时形成的冰状物质。目前，科学家估算世界上天然气水合物中甲烷的碳含量之差距是很大的(Kvenvolden和Lorenson，2001；Milkov等，2003)。海     

南海北部神狐海域天然气水合物形成及分布的地质因素

从天然气水合物发育的地质构造条件、沉积条件、气源条件、温压条件等分析了神狐海域影响水合物形成及分布的地质因素.指出神狐海域处在洋陆壳的过渡带上,断裂-褶皱构造及流体底辟构造发育,对水合物的形成具有重要的控制作用.受等深流和海底滑塌双重作用,研究区沉积异常体发育,沉积厚度大、沉积速率高,有利于水合物发育.通过对神狐海域附近钻探结果及区内地质调查站位资料的分析表明:目标区具有含巨量的生物气和热成因气资源潜力,具备形成天然气水合物的气源条件,气源为文昌-恩平组烃源岩.此外,受热流值北高南低的分布格局的影响,神狐海域BSR埋深也表现为北部浅南部深,且BSR分布区整体处在天然气水合物稳定存在的温压范围内,满足水合物形成及保存所需的温压条件.神狐海域的地质构造条件、沉积特征、气源条件、温压条件等都非常有利于天然气水合物发育.     

海洋天然气水合物的沉积学识别标志

海洋天然气水合物的沉积学识别标志是指在海洋天然气水合物沉积层形成过程中形成的与沉积作用密切相关的特征性标志,它是海洋天然气水合物基本的和重要的识别标志。这些标志包括沉积学背景、沉积物类型、沉积速率、有机质含量、沉积相类型、自生矿物、沉积热环境和特殊沉积地质体等。     

世界热点地区高饱和度天然气水合物有利沉积储集条件

天然气水合物是全球未来能源的接替资源，高饱和度(S_h>50%)水合物储层是未来面向工业化开采的首要选择。截止到目前，高饱和度天然气水合物有利沉积相带与储层条件之间的关系仍缺乏系统研究。根据公开发表的文献资料，系统总结了墨西哥湾、日本南海海槽、韩国郁陵盆地、印度Krishna-Godavari盆地以及南海神狐海域等全球5个天然气水合物热点钻探区64口井取芯及井-震联合资料，对含水合物储层岩性、沉积环境、水合物饱和度等参数进行的详细总结分析表明：在必要的温压环境和气源条件下，深海平原区块体搬运沉积和浊流等高沉积速率的深水砂质沉积物赋存孔隙型水合物，水合物可分布在砂岩、极细砂岩、粉砂岩、粉砂质黏土和泥等粒级沉积物中，但高饱和度水合物主要赋存于粉砂-细砂岩中，储层孔隙度与饱和度具有一定的正相关性。中国南海神狐海域发现含有孔虫黏土质粉砂或粉砂质黏土这种特殊的细粒沉积物，其水合物饱和度可达到中高水平(20%～76%)。上述研究成果及认识奠定了下一步寻找优质天然气水合物储层的地质基础，也可为高饱和度水合物商业化勘探开发提供理论依据。     

鄂霍次克海天然气水合物成藏条件分析

2006年5月由俄、韩、日、中四国共同组织的“海底冷泉与生命过程”联合调查航次,在鄂霍次克海域成功采获天然气水合物样品。从水合物发育的气源条件、温度压力条件、构造控制条件等方面,分析了该地区天然气水合物发育所具备的基本成藏条件。指出鄂霍次克海周边的高大山系为其提供了丰富的沉积物来源,并在鄂霍次克海中形成了宽广而深厚的陆架体系。陆架区沉积地层厚度一般超过10 km,且以新生代沉积为主。根据对重力柱状样品的观察和分析,并参照沉积物捕获器样品的测量结果,认为本区域沉积物总有机碳含量普遍较高。根据地震剖面解释和重力柱状样品的14C测年结果得出,本区沉积速率较高,并与目前已知水合物区的沉积速率相当。鄂霍次克海地处高纬度地区,冬季海面大部分被海冰覆盖。海面以下50~120 m之间常年存在一个低温盖层。这个低温盖层使得海底温度一直保持在2℃左右。在这样的温度条件下,鄂霍次克海350 m以深的区域都满足水合物赋存的压力条件。海底以下满足水合物温度、压力条件的沉积地层厚度为450~800 m。鄂霍次克板块位于四大板块之间,并受到四大板块的挤压。由于挤压作用,在萨哈林岛东侧陆坡地区形成一系列的海底泥火山构造,从而使该区域成为天然气水合物调查研究的主要目标区。鄂霍次克海域的沉积物源、沉积厚度、沉积速率、有机碳含量等构成该区域水合物发育良好的气源条件,而温度、压力和构造控制条件等也都非常有利于天然气水合物在该地区的发育。     

沉积物粒度与天然气水合物的依存关系

天然气水合物矿藏的形成与分布除了需要特定的温压条件外,更需要合适的沉积条件。总体来说,粗粒的沉积物易于天然气水合物的储集;但是,在气源非常充足的情况下,细粒的沉积物也可作为天然气水合物的储集体。     

天然气水合物的聚集和形成及南海地质条件分析

天然气水合物目前已经成为世界范围的一个研究热点，而我国的天然气水合物研究起步则相对较晚，通过阅读国内外有关文献，总结了天然气水合物在海底的分布特征，聚集和形成机制，产状及其形成机理，甲烷羽的形成过程，天然气水合物在沉积物中的聚集位置通常有两种情况：一是较浅的沉积物（海底以下几米）中，受控于泥底辟，泥火山，断层等；二是较深的沉积物（海底以下几十米，甚至更深）中，受控于流体，当断层延伸至海底时，通常在水合物聚集处的上部发现甲烷羽，天然气以溶解气，游离气或分子扩散的形式运移，在温，压适宜的沉积物中，即水合物稳定带内聚集并形成水合物，水合物的形成过程是：最初形成晶体，呈分散状分布于沉积物中，之后逐渐聚集，生长成结核状，层状，最后形成块状，在细粒的浅层沉积物中，通常以较慢的速度生长，形成分散状的水合物；而在粗粒沉积物中，水合物通常呈填隙状，并且这种产状可能位于较深层位中，我国南海在温度，压力，构造条件，天然气来源等方面都能满足天然气水合物的形成条件，并且在南海也发现了一些水合物存在的标志，如似海底反射层（BSR）以及孔隙水中氯离子浓度的降低。因此，天然气水合物在我国南海海域可能有很好的前景。     

海底天然气水合物稳定的热力学条件

在几乎所有的海底都有适合于天然气水合物的温度和压力，但是热力学平衡提出了形成水合物需要另一个涉及到溶解气浓度的条件。通过一种模拟退火算法--这种算法使得甲烷气体与海水混合物的自由能最小-我们量化了水合物的热力学条件。平衡相用一个压力、温度和盐度的函数来描述各稳定相的成分。我们发现溶解气的浓度（溶解度）随着温度的增加而迅速下降。在海水中，气体溶解度在特定的盐度时也是降低的。由于低溶解度会减少形成水合物所需要的气体量，所以海水中的盐实际上促进了水合物的形成。盐度的变化（常常引起水合物形成情况的变化）增加了一个热力学自由度，这就形成了一个三相区，此区域中水合物、海水和自由气体在恒压下的一个温度范围内共存。我们把该计算用于确定海底稳定相的分布。气体溶解度的计算结果表明水合物可以直接由海底的溶解气结晶而成。气体沿着平衡浓度梯度的扩散表明气体被连续不断地由水合物层运送到所覆盖的海水中。为了在海底沉积的过程中保持水合物，需要有一个持续的甲烷气源以弥补扩散所引起的损失。通过简单的近海沉积的物理条件模型就可以估算水合物的生长和消耗。     

冲绳海槽天然气水合物与地质构造的关系

海底天然气水合物大多与通过切穿沉积盖层的断裂的上升烃类流体相关,这些高渗透带包括底辟和泥火山等侵入构造,所以海底断裂、底辟和泥火山等构造周围可能赋存天然气水合物;其次,高沉积速率和巨厚沉积层可使有机质迅速掩埋而保存起来,为天然气水合物的生成提供充足物源,因此,邻近陆坡河谷口的海底沉积扇也是天然气水合物赋存的有利地区;另外,由于陆坡区的水合物沉积层比海盆更容易受外界温压变化的影响发生失稳分解,诱发海底滑坡,所以滑坡与天然气水合物赋存之间的关系也非常密切。冲绳海槽邻近海域具有覆水深、沉积厚度大、沉积速率高和有机质丰富等有利赋存条件,目前的研究已经在该海域发现了天然气水合物赋存的地球物理证据BSR,因此,在现有研究基础上开展断裂、泥火山、海底扇、海底滑坡等与天然气水合物相关的构造研究,可以深入了解天然气水合物在不同地质构造中的分布特征与演化,为更精确地评估其资源潜力提供参考。     

南海天然气水合物的形成和分布

从物理海洋、古气候、沉积环境和构造环境分析入手，研究了南海天然气水合物的形成条件。研究结果表明，在整个南海海域，天然气水合物生成的条件是存在差别的。南海，东北部，在氧同位素2、4、6期，由于菲律宾海的高盐度海水的注入，使这里的生物生产率特别高，陆坡上沉积了丰富的有机物质，加上此期间该处的沉积速率高，为天然气水合物的生成提供了物质条件；另外，自中新世末以来，由于菲律宾海板块与欧亚板块在台湾地区发生碰撞，对南海北部产生北西向挤压，加快了流体在沉积物中的活动，为天然气水合物的生成提供了良好的构造环境。因此认为南海东北部陆坡应是南海天然气水合物最丰富的地区。     

天然气水合物及其实测的地球物理测井特征

沉积盆地内能够形成天然气水合物的先决条件包括：富含分散有机质的沉积物中充有地下水、深水区的水动力处于滞流状态、存在生物成因的气体、压力与温度具有特定的相关关系等。许多科学家提出天然气水合物主要有两种成因机制：（1）先存天然气田因温度或孔隙压力的有利变化而转变为天然气水合物；（2）微生物成因气或热成因气从下部运移至天然气水合物稳定带。     

Gas hydrate within the Winona Basin, offshore western Canada

In western Canada gas hydrates have been thought to exist primarily in the Cascadia accretionary prism off southern Vancouver Island, British Columbia (BC). We present evidence for the existence of gas hydrate in folds and ridges of the Winona Basin up to 40 km seaward from the foot of the continental slope off northern Vancouver Island. The occurrence of a bottom-simulating reflector (BSR) observed in a number of vintage seismic reflection profiles is strongly correlated to faulted, and folded sedimentary ridges and buried folds. The observed tectonic structures of the Winona Basin are within the rapidly evolving Juan de Fuca - Cascadia - Queen Charlotte triple junction off BC. Re-processing of multi-channel data imaged mildly to strongly deformed sediments; the BSR is confined to sediments with stronger deformation. Changes in the amplitude character of sediment-reflections above and below the depth of the base of gas hydrate stability zone were also used as an indicator for the presence of gas hydrate. Additionally, regional amplitude and frequency reduction below some strong BSR occurrences may indicate free gas accumulations. Gas hydrate formation in the Winona Basin appears strongly constrained to folds and ridges and thus correlated to deeper-routed fluid-advection regimes. Methane production from in situ microbial activities as a source of gas to form gas hydrates, as proposed to be a major contributor for gas hydrates within the accretionary prism to the south, appears to be insufficient to produce the widespread gas hydrate occurrences in the Winona Basin. Potential reasons for the lack of sufficient in situ gas production may be that sedimentation rates are 5-100 times higher than those in the accretionary prism so that available organic carbon moves too quickly through the gas hydrate stability field. The confinement of BSRs to ridges and folds within the Winona Basin results in an areal extent of gas hydrate occurrences that is a factor of five less than what is expected from regional gas hydrate stability field mapping using water-depth (pressure) as the only controlling factor only.     

Gas hydrate identified in sand-rich inferred sedimentary section using downhole logging and seismic data in Shenhu area,South China Sea

Downhole wireline log (DWL) data was acquired from eight drill sites during China's first gas hydrate drilling expedition (GMGS-1) in 2007. Initial analyses of the acquired well log data suggested that there were no significant gas hydrate occurrences at Site SH4. However, the re-examination of the DWL data from Site SH4 indicated that there are two intervals of high resistivity, which could be indicative of gas hydrate. One interval of high resistivity at depth of 171–175 m below seafloor (mbsf) is associated with a high compressional- wave (P-wave) velocities and low gamma ray log values, which suggests the presence of gas hydrate in a potentially sand-rich (low clay content) sedimentary section. The second high resistivity interval at depth of 175–180 mbsf is associated with low P-wave velocities and low gamma values, which suggests the presence of free gas in a potentially sand-rich (low clay content) sedimentary section. Because the occurrence of free gas is much shallower than the expected from the regional depth of the bottom simulating reflector (BSR), the free gas could be from the dissociation of gas hydrate during drilling or there may be a local anomaly in the depth to the base of the gas hydrate stability zone. In order to determine whether the low P-wave velocity with high resistivity is caused by in-situ free gas or dissociated free gas from the gas hydrate, the surface seismic data were also used in this analysis. The log analysis incorporating the surface seismic data through the construction of synthetic seismograms using various models indicated the presence of free gas directly in contact with an overlying gas hydrate-bearing section. The occurrence of the anomalous base of gas hydrate stability at Site SH4 could be caused by a local heat flow conditions. This paper documents the first observation of gas hydrate in what is believed to be a sand-rich sediment in Shenhu area of the South China Sea.     

南海北部荔湾3区块天然气水合物分布特征及目标识别

针对天然气水合物钻探与取样难以解决的水合物矿体空间展布等问题,利用白云-荔湾凹陷高密度分析重新处理的三维地震资料,首先基于模糊数学的多属性融合技术对水合物分布进行刻画;再通过高分辨率速度场对浅层开展高分辨率宽频无井反演技术,提高了水合物层分辨率;最后,利用岩石物理方法及多种模型对水合物饱和度进行定量预测,实现了对5～6m厚水合物层的有效辨别,进而形成了一套适合于孔隙充填型的水合物矿藏目标识别评方法。结果表明:应用该技术可有效对荔湾3水合物富集区第四条带水合物空间刻画,揭示出该区水合物饱和度最高可超40%,同时薄层与厚层水合物具有明显互层分布特征,在水合物矿体刻画及饱和度预测基础上,进一步对该区实施了井位优选,该方法预测的水合物层与实际钻探H1和H2站位吻合较好。这些结果说明常规三维油气地震数据在经过宽频处理后可应用于高分辨率水合物勘探,节约经济成本,同时提高了常规地震在水合物勘探中精度与实用性。     

天然气水合物的识别标志及研究进展

天然气水合物是天然气和水在特定条件下形成的一种透明的冰状结晶体。天然气水合物的发现为寻找清洁高效的新型能源,以取代日益枯竭的传统能源提供了一个广阔的领域和新的思维方式。我国天然气水合物具有广阔的勘探领域和良好的勘探前景。本文对天然气水合物的研究现状进行了综述。在总结前人关于天然气水合物研究的基础上,总结归纳了天然气水合物的地震、地球物理测井、沉积岩石、地球化学、地形地貌等识别标志。企望对加速天然气水合物的勘探提供一些有益的线索。