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.     

气体水合物密闭采样原位饱和度评估技术研究

海底天然气水合物采集样品的饱和度确定通常是通过密闭保压采样技术来实现,但采样器的温度压力控制非常困难.本文用热力学模型来模拟密闭体系下温度压力变化过程中甲烷在各相态中饱和度的变化过程,并在海洋水合物热力学系统基础上,完成了一项分析水合物原位饱和度的技术,其只要求采集器密闭,不需要进行严格的温度和压力控制,降低了对采样器的要求.实例分析显示,完全可以利用密闭样品在地表下气体和液体成分的测量,包括盐度的测量来估计出甲烷水合物原位饱和度.     

盐度对甲烷气水合物系统的影响

从描述天然气水合物系统的动力学模型出发, 利用拟解析方法将纯甲烷气水合物系统的稳态模型推广到包含盐度的情况. 基于包含盐度的这种新稳态模型, 通过数值方法来确定甲烷气水合物稳定带(MHSZ)和甲烷气水合物实际存在区(MHZ)的顶界和底界、以及游离气存在区的顶界. 数值结果表明, 甲烷气水合物实际存在区的厚度随盐度的增大而变薄; 盐的存在降低了气体水合物的稳定性, 引起MHSZ的底界上移, 进而导致水合物稳定带的厚度比纯水情况下的厚度变薄. 另一方面, 由于降低溶解度会减少形成水合物所需气体的数量, 所以海水中盐的存在可能会促进更多天然气水合物在稳定带的形成. 数值模拟结果也表明, 对于盐水情况, 在天然气水合物稳定区甲烷气的存在并不能充分保证气体水合物的生成, 只有当溶解于盐溶液中的甲烷气浓度大于盐水中的甲烷气溶解度, 并且甲烷气通量大于相应的甲烷气扩散传输率的临界值时, 甲烷气水合物才会生成. 为了保持海洋沉积物中气水合物的存在或形成甲烷气水合物, 甲烷气源源不断的供给是必需的, 只有这样, 才能补偿因甲烷气扩散和对流所引起的损失, 这些源源不断的甲烷气可能是源于微生物或者地热过程.     

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.     

天然气水合物形成条件与含量影响因素的半定量分析

天然气水合物形成条件及其含量的研究是天然气水合物调查研究中最为关心的两个问题.从天然气水合物形成过程的热动力学理论模型出发,半定量地探讨了不同因素（温度、压力、气体组成、孔隙水盐度、沉积物孔隙大小等）对天然气水合物形成作用及含量的影响程度.结果显示,气体组成特别是丙烷的加入对天然气水合物形成的温度和压力条件影响最大,孔隙水盐度也会对天然气水合物形成的温度和压力条件产生重要影响,沉积物孔隙在一定范围内（1×10^-6m～4×10^-8m）对天然气水合物形成的温度和压力条件影响有限.天然气水合物含量受孔隙大小和盐度影响较小,主要只与气体的供应大小有关.     

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.     

沉积物孔隙空间天然气水合物微观分布观测

在高分辨率工业型X射线层析扫描仪上（X-CT,X-Ray Computerized Tomography）,研制了适用于沉积物中水合物微观赋存状态研究的CT原位探测装置,可通过模拟天然气水合物生成/分解过程,直接观测水合物在沉积孔隙中的微观分布特征.对粒径为0.425~0.85 mm沉积物中水合物形成过程进行了CT观测研究,结果表明,沉积孔隙中水合物呈混合分布模式,但在水合物不同形成阶段,以某种分布模式为主导：在水合物形成初期,仅有极少量水合物悬浮在流体中,水合物主要以接触或胶结模式为主;在水合物形成中期（如饱和度为24.6%、35.0%时）,水合物倾向于在孔隙流体中以悬浮状形态生成;在水合物形成后期（如饱和度为51.4%之后）,悬浮状的水合物慢慢生长聚拢在一起,水合物又重新胶结沉积物颗粒.     

降温过程对粗砂土中甲烷水合物形成的影响

多孔介质中甲烷水合物的形成和分解研究对于了解自然界多年冻土中的天然气水合物具有重要意义.本文通过3组10次甲烷水合物形成实验,研究了降温过程对粗砂土中甲烷水合物形成的影响.实验结果表明,降温过程对粗砂土中甲烷水合物的形成过程有较大的影响,在反应釜内温度降到0 ℃之前约90%的甲烷水合物已经形成,且降温速率越慢,水转化为甲烷水合物的转化率越高.0 ℃以下冻结过程对甲烷水合物的形成基本没有影响,但在冻结土体开始融化时发现有水合物二次生成的现象.     

Effects of salinity on methane gas hydrate system

Using an approximately analytical formation, we extend the steady state model of the pure methane hydrate system to include the salinity based on the dynamic model of the methane hydrate system. The top and bottom boundaries of the methane hydrate stability zone (MHSZ) and the actual methane hy-drate zone (MHZ), and the top of free gas occurrence are determined by using numerical methods and the new steady state model developed in this paper. Numerical results show that the MHZ thickness becomes thinner with increasing the salinity, and the stability is lowered and the base of the MHSZ is shifted toward the seafloor in the presence of salts. As a result, the thickness of actual hydrate occur-rence becomes thinner compared with that of the pure water case. On the other hand, since lower solubility reduces the amount of gas needed to form methane hydrate, the existence of salts in sea-water can actually promote methane gas hydrate formation in the hydrate stability zone. Numerical modeling also demonstrates that for the salt-water case the presence of methane within the field of methane hydrate stability is not sufficient to ensure the occurrence of gas hydrate, which can only form when the methane concentration dissolved in solution with salts exceeds the local methane solubility in salt water and if the methane flux exceeds a critical value corresponding to the rate of diffusive methane transport. In order to maintain gas hydrate or to form methane gas hydrate in marine sedi-ments, a persistent supplied methane probably from biogenic or thermogenic processes, is required to overcome losses due to diffusion and advection.     

南海北部神狐海域天然气水合物形成聚集的数值模拟研究

利用2D数值方法对南海北部陆坡神狐海域水合物形成聚集过程进行了模拟,对气烟囱、泥底辟与水合物成藏间的关系进行研究.模拟结果表明,来自深部的甲烷热解气在向上运移过程中以垂向运动为主,且局限在某一狭窄的范围内,故在地震剖面上显示为气烟囱及顶部BSR.只有当其越过水合物稳定带底界,才能形成水合物,此时BSR等于水合物稳定带底...     

天然气水合物体系的相平衡及甲烷溶解度计算

海洋环境中天然气水合物的形成除了合适的温压条件外，还必须有充分的甲烷供给.本文介绍了甲烷-水体系的甲烷饱和溶解度、水合物体系中甲烷水合物溶解度计算方法.在气-液二相平衡甲烷饱和溶解度计算中，关键在于状态方程的选择和合适的混合规则的运用，Duan的计算模型在温度、压力和盐度变化上都具有很大的适用性，且易于应用.在含水合物的相平衡体系中，在已知组分和假定可能存在相的前提下，可利用模拟退火算法优化总吉布斯自由能，确定是二相还是三相体系，并求解甲烷水合物溶解度.在海水环境下盐的存在使平衡发生移动，利用德拜—休克尔理论或Pitzer电解质溶液理论校正盐度对于海水活度的影响，求解海水环境中甲烷水合物溶解度.基于气-液二相平衡理论的K-K方程，在临近水合物生成条件下实验或计算确定亨利常数等参数后，可计算三相平衡甲烷水合物溶解度，且简单易用.     

Simulation experiments on gas production from hydrate-bearing sediments

Experiments were made on 58 sediment samples from four sites(1244,1245,1250 and 1251) of ODP204 at five temperature points(25,35,45,55 and 65℃) to simulate methane production from hydrate-bearing sediments.Simulation results from site 1244 show that the gas components consist mainly of methane and carbon dioxide,and heavy hydrocarbons more than C2+ cannot be detected.This site also gives results,similar to those from the other three,that the methane production is controlled by experimental temperatures,gene...     

Passing gas through the hydrate stability zone at southern Hydrate Ridge,offshore Oregon

We present an equilibrium model of methane venting through the hydrate stability zone at southern Hydrate Ridge, offshore Oregon. Free gas supplied from below forms hydrate, depletes water, and elevates salinity until pore water is too saline for further hydrate formation. This system self-generates local three-phase equilibrium and allows free gas migration to the seafloor. Log and core data from Ocean Drilling Program (ODP) Site 1249 show that from the seafloor to 50 m below seafloor (mbsf), pore water salinity is elevated to the point where liquid water, hydrate and free gas coexist. The elevated pore water salinity provides a mechanism for vertical migration of free gas through the regional hydrate stability zone (RHSZ). This process may drive gas venting through hydrate stability zones around the world. Significant amount of gaseous methane can bypass the RHSZ by shifting local thermodynamic conditions.     

南海琼东南盆地渗漏系统甲烷水合物生长速度

南海琼东南盆地发现的高压泥底辟构造、海底“气烟囱”和天然气冷泉表明该地区可能存在着渗漏系统天然气水合物藏.假定在该区直径为1500 m的甲烷渗漏区内,甲烷渗漏通量为1000 kmol/a,甲烷水合物沉积层的温度范围为3~20 ℃,根据水合物条形移动界面理论建立传热模型,选取0 mbsf、100 mbsf、200 mbsf和425 mbsf分别计算在渗漏和扩散情况下的温度和生长速度变化曲线.结果表明甲烷水合物在沉积层骨架里的固结速度约为0.2 nm/s,经过约35000年后渗漏系统将演变成扩散系统.同时,甲烷水合物在渗漏系统里比在扩散系统里的生长速度快约20～40倍.