天然气水合物研究中的几个重要问题

综述了当前关于天然气水合物研究中的几个重要问题，提出了今后的主要研究方向，全球大约有10^19g碳以天然气水合物的形式储存在沉积物中，大约是其它所有化石燃料沉积物形式储存量的2倍多，因此，天然气水合物被认为是21世纪具有商业开发无景的潜在的战略资源，天然气水合物是一种亚稳态物质，极易受到温度和压力条件的影响，海底天然气水合物的分解将会影响沉积物的物理化学性质（如剪切强度和流变性等），地球物理性质（如地震波速和电导性），以及地球化学性质（如孔隙流体成分）的明显变化，导致诸如海底滑塌等地质灾害的发生，天然气水合物的分解会产生导致“温室效应”的甲烷气体，该气体进入大气圈中会引起全球气候和环境的变化。     

天然气水合物分解的甲烷对海洋生物的影响

随着海底环境的变化以及全球变暖的加剧,天然气水合物分解释放出大量甲烷到海洋中,其中一部分甲烷会穿过海水释放到大气中,导致大气中的温室气体增加,从而加剧了全球暖化。本文从甲烷的释放和运移路径角度梳理和总结了甲烷对海洋生物的直接和间接影响。首先,水合物分解释放甲烷,在海底形成冷泉渗漏区,滋养了一批特殊的生物群落,而甲烷是其形成生命元素中不可或缺的要素,由此繁衍形成了冷泉生态系统。其次,甲烷释放到海水中会引起海水酸化,海水酸化不仅会导致钙化生物合成碳酸钙外壳受阻,还会加速已生成外壳的溶解。最后,甲烷作为强温室气体释放到大气中还会加剧全球变暖;此外,极地冻土层的融化也会使得冻土区天然气水合物分解,导致大量甲烷进入大气中,从而致使海水暖化,海水的暖化又会对海洋生物的生存、代谢、繁殖、发育和免疫应答等多种生命活动造成影响。以上认识为进一步研究甲烷对未来海洋生态系统的影响提供重要参考信息。     

天然气水合物与全球变化研究

天然气水合物含碳量超过全球所有其他来源有机碳的总和,是地圈浅部的极重要碳库。自然界中温压条件的微小变化都会引起天然气水合物的形成或分解,从而吸收或释放甲烷,对全球碳循环和温室效应产生重要影响。天然气水合物对全球气候变化、冰期和间冰期的交替的反馈在极地和中低纬度不同,在中低纬度
也有两种相反的过程,因而对其总效应的方向和强度尚需详细研究和估计。我国许多海区有天然气水合物存在的条件,在南海已有报道;可通过地震剖面的重新判读及数值模拟估计天然气水合物的储藏量和它对海平面变化的反馈,以提供边缘海这类研究的范例。     

天然气水合物与全球气候变化

天然气水合物作为21世纪的重要能源已受到广泛认可和高度关注。与此同时,作为一个重要的气候致变因素,在地质历史时期中天然气水合物在自然条件下的突然分解释放甲烷气体可能造成全球气候变暖、地质灾害和生物灭绝等负面影响仍不容忽视。本文通过分析天然气水合物的稳定性与分解释放甲烷气体、天然气水合物对气候的反馈机制以及天然气水合物的分解在地质历史时期中对全球气候变化的可能影响,如新元古代“雪球”地球的终结、古新世一始新世极热事件和第四纪冰期后气候快速变暖等,对天然气水合物在全球气候变化过程中的作用进行了探讨。     

关于开展中国天然气水合物研究的建议

跨入 2 1世纪 ,随着世界经济的快速发展 ,能源供需矛盾日趋紧张 ,寻找新的后续能源成为各国政府和科学界关注的重要议题。天然气水合物的发现给人类解决未来能源问题带来了新的希望。天然气水合物 (ｇａｓｈｙｄｔｒａｔｅｓ)是由天然气和水在低温高压下形成的似冰状的白色固体物质 ,广泛分布于海洋陆棚及斜坡的沉积物中和陆地永久冻土地带。因其天然气组分多以甲烷为主 ,故又称甲烷水合物。据科学家初步预测 ,全球天然气水合物所含天然气中的有机碳为石油、天然气和煤等化石燃料所含有机碳总量的 2倍 ,被认为是 2 1世纪的重要后续能源。同…     

天然气水合物--石油天然气的未来替代能源

天然气水合物是甲烷等天然气在高压、低温条件下形成的冰状固体物质。据估算,全球天然气水合物中碳的含量等于石油、煤等化石能源中碳含量的两倍,这是一个非常诱人的数字。在人类面临化石能源即将枯竭的时候,科学家和各国政府都把眼光投向这一未来能替代化石能源的新能源。南海在新生代构造演化历史、沉积条件、沉积环境等方面都显示这里具有生成和蕴藏巨大天然气水合物资源的条件,因此,这里可能成为中国在不远的将来之新能源基地。     

南海北部天然气水合物远景区末次冰期以来底栖有孔虫稳定同位素特征及其影响因素

底栖有孔虫碳同位素负偏移是地质记录中天然气水合物释放的重要证据之一.对南海北部西沙海槽和东沙陆坡等天然气水合物远景区XH-27PC和DS-4PC柱状样分别进行顶空气甲烷含量分析、有机碳含量分析、粒度分析和有孔虫氧碳同位素分析.结合碳酸盐含量及AMS 14C测年,揭示研究区末次冰期以来底栖有孔虫的稳定同位素特征.结果显示:西沙海槽BSR区沉积物中甲烷含量较低;底栖有孔虫碳同位素负偏不明显,与顶空气甲烷含量呈弱正相关(R=0.32),与有机碳含量有强负相关(R=-0.82),说明低通量甲烷不足以引起底栖有孔虫碳同位素显著偏移,在无甲烷或甲烷轻微渗漏的环境中有机碳的厌氧氧化是影响底栖有孔虫碳同位素组成的主要因素.东沙陆坡BSR区沉积物中含有大量的甲烷气体;底栖有孔虫氧同位素记录在末次冰期异常偏重,可能与天然气水合物的分解释放有关;同时可识别出多期碳同位素快速负偏事件,其成因很可能是末次冰期海平面下降导致海底沉积物的温度、压力条件发生变化,从而引发水合物甲烷失稳分解,底栖有孔虫吸收富12C的甲烷源碳致使壳体碳同位素负偏移.     

祁连山冻土区天然气水合物游离气测量技术试验

在青海木里已知水合物发现区,利用west便携式土壤通量测量仪和Picarro公司的G2132-iAnalyzer甲烷碳同位素分析仪开展游离气甲烷现场测量技术试验。游离气甲烷含量特征值和地球化学异常空间分布特征显示,研究区已知水合物矿藏上方存在良好的游离气甲烷地球化学异常,异常展布受到控矿断裂和地下水合物矿藏的影响,具有对应关系。有机地化和甲烷碳同位素证实祁连山冻土区天然气水合物属于热解成因。研究区游离气甲烷地球化学异常成因主要为热解成因与微生物成因,冬季开展游离气甲烷试验能减少地表微生物作用的干扰。试验结果表明,游离气甲烷现场测量技术适用于木里地区天然气水合物地球化学勘查,能够指示水合物矿藏,其最佳采样时间为冬季,是天然气水合物勘查的有效补充技术。     

中国首次试采天然气水合物成功

<正>天然气水合物是甲烷和水分子在低温高压下结合的化合物,1 m3的天然气水合物分解后,可释放出约0.8 m3的水和164 m3的天然气,能量密度高,资源潜力巨大。据估算其资源量相当于全球已探明传统化石燃料碳总量的两倍,甚至认为它是能够满足人类使用1000年的新能源,是今后替代石油、煤等传统能源的首选。2017年5月10—18日,中国地质调查局在中国南海北部神狐海域首次对天然气水合物(可燃冰)     

水合物生成过程中碳同位素组成变化的实验研究

天然气水合物是一种新型的洁净能源。甲烷天然气水合物是储量最丰富的一种类型,常出现在深海中或极地大陆上,其生成的过程中会发生同位素的分馏效应。通过实验室模拟水合物生成的过程,利用天然海水与甲烷或二氧化碳气体反应,以及更接近实际生成环境的甲烷-海水-沉积物动态聚散实验,对甲烷水合物和二氧化碳水合物生成前后δ13C值进行测定,研究水合物生成过程中δ13C的变化情况。实验证明,水合物反应中碳同位素分馏是存在的,其变化程度明显小于氧同位素和氢同位素。甲烷水合物碳同位素的分馏系数αC的值为1000 3~1000 9。二氧化碳水合物生成反应后气相的碳、氧同位素变轻,重同位素趋向于进入水合物中,二氧化碳水合物碳同位素的分馏系数αC的值为1000 7~1001 2。海水中溶解的CO2气体在甲烷水合物形成过程中会被水合物捕获,从而使得δ13CDIC值变小,重的碳同位素趋于进入水合物中,而较轻的碳同位素留在海水中。但由于海水中含有的溶解CO2气体有限,经过多轮水合物动态聚散后δ13CDIC值的变化幅度会越来越小。     

陆域天然气水合物取样关键因素探讨

温度和压力是保持天然气水合物不分解的2个重要参数。依据热物理力学理论和理想气体特性,通过计算机模拟0℃以上甲烷水合物和二氧化碳水合物在不同温度-压力条件下的分解,得到甲烷水合物分解P-T平衡相图,探讨了钻探获取陆域天然气水合物取样温压关系。     

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.     

Origin of the Gas Hydrate and Free Gas in the Qilian Permafrost,Northwest China: Evidence from Molecular Composition and Carbon Isotopes

The Qilian permafrost of the South Qilian Basin (SQB) has become a research focus since gas hydrates were discovered in 2009.Although many works from different perspectives have been conducted in this area,the origin of gas from gas hydrate is still controversial.Molecular composition and carbon isotope of 190 samples related to gas hydrates collected from 11 boreholes allowed exploration of genetic type,thermal maturity, biodegradation,as well as gas-source correlation of alkane gases from gas hydrates and free gases.Results indicate that alkane gases biodegraded after the formation of natural gas.According to differences in carbon isotopes of methane and their congeners (CH4,C2H6,C3H8),the thermal maturity (vitrinite reflectance,VRo) of most alkane gases ranges from 0.6% to 1.5%,indicating a mature to high mature stage.The thermal maturity VRo of a small part of alkane gas (in boreholes DK5 and DK6) is higher than 1.3%,indicating a high mature stage.Alkane gases were mainly produced by secondary cracking,consisting of crude oil-cracking gases and wet gases cracking to dry gases.Genetic types of alkane gases are primarily oil-type gases generated from shales and mudstones in the upper Yaojie Formation of Jurassic,with less coal-type gases originated from the mudstones in the Triassic Galedesi Formation and the lower Yaojie Formation of Jurassic.Carbon dioxides associated with alkanes from gas hydrates and free gases indicate the thermal decomposition and biodegradation of organic matter.The origins of natural gases from gas hydrates and free gases shed light on the evaluation of petroleum resource potential,deeply buried sediments,and petroleum resource exploration in the SQB.     

青海木里煤田天然气水合物特征与成因

青海木里煤田成功钻获天然气水合物实物样品,使我国成为世界上首次在中低纬度冻土区发现天然气水合物的国家。通过对钻获天然气水合物样品的分析,以及对以往异常可燃气体涌出钻孔的测井曲线的重新解释和对比分析,初步确定天然气水合物赋存于中侏罗统江仓组油页岩段的细粉砂岩夹层内的孔隙和裂隙中。研究结果显示,天然气水合物中的气体以重烃类为主,甲烷达52%~68%;其δ13C值为-50.5‰(PDB标准),并具有δl3C_l<δ13C₂<δ13C₃<δ13iC₄<δl3nC₄的特征,其δD值分别为-266‰和-262‰(VSMOW标准),显示出明显的深部热解气特征。结合木里煤田煤层气地质特征,认为煤层气是木里煤田天然气水合物的主要来源,并将其命名为“煤型气源”天然气水合物。      

不同类型天然气水合物真空分解过程实验研究

在放置于恒温室内的真空装置内,对合成的冰粉-气体水合物(包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷-氮气、异丁烷、混合气水合物)、冰粉-不同粒度多孔介质甲烷水合物和祁连山冻土区及南海神狐海域天然气水合物进行了分解实验研究,初步探讨了不同气体水合物分解动力学特征和分解规律。实验结果表明,合成的冰粉-气体水合物的分解过程相似,除丙烷水合物和异丁烷水合物外,分解压力基本呈单调增长,均未出现明显的自保护效应;不同粒度多孔介质中甲烷水合物分解过程,压力增长呈现“快→慢→快”的特点,主要原因可能是多孔介质中的水合物尺寸较大,分解时更易产生自保护效应;祁连山冻土区天然气水合物的分解压力曲线与不同粒度多孔介质中甲烷水合物的相似,总体呈现“快→慢→快”的特点,水合物自保护效应明显;南海神狐海域天然气水合物分解气体压力变化虽然总体与祁连山冻土区天然气水合物压力增长过程相似,但同时呈现“阶梯状”增长,这可能与两种不同水合物岩心的岩性和水合物在岩心中的分布模式和赋存状态有关。     

美国天然气水合物研究计划介绍

以美国近年来提出的天然气水合物研究计划和项目申请书为基础,介绍美国科学家在天然气水合物研究领域中所关心的关键科学与技术问题和研究焦点,供我国天然气水合物研究者在项目设计和开展研究工作时参考。美国天然气水合物研究关注的重点科学问题主要集中在 4个方面：天然气水合物的物理与化学特性研究;天然气水合物开采技术研究;天然气水合物灾害-安全性与海底稳定性研究;天然气水合物在全球碳循环中的作用研究。在研究方法上主要采取天然气水合物区的现场地质地球化学观测、实验室合成和测定及计算模拟,特别关注与水合物和油气冷泉相关的生命过程及与水合物的相互作用研究。     

Characteristic features of the occurrence of gas-fluid emanations on the northeastern slope of Sakhalin Island, Sea of Okhotsk

This paper summarizes the results of combined studies in the areas of the occurrence of gas-fluid emanations in the water column, on the seafloor, and in the upper part of the sedimentary section on the northeastern slope of Sakhalin Island (Sea of Okhotsk). The phenomena typical of methane seeps were characterized in detail: the presence of acoustic anomalies, high concentrations of methane in the water and sediments, and the specific features of the sedimentary section (the textural and structural features, the character of the mineral inclusions and gas hydrates, and the chemical composition). The component composition of the gases (including the accompanying gas hydrates), which is almost free of heavy hydrocarbon homologues of methane; the light carbon isotopic compositions of the methane and carbonate concretions; and the low temperatures of the near-bottom water and sediments suggest that the occurrence of numerous methane emanations is related to gas generation in the upper part of the sedimentary sequence. No evidence was found for the existence of a deep center of gas formation within the seafloor area considered. Typical submarine mud volcanic edifices were also not found.