高压环境下流体非饱和渗流对含水合物沉积物的影响

沉积物与流体流动的性质是影响水合物形成和聚集的两个重要因素,为研究水合物在沉积地层中的赋存机制必须探明高压环境下含水合物沉积物在非饱和渗流条件下的相互影响关系。以逸度差为水合物反应驱动力,反应动力学常数为Arrhenius类型,建立了包括非饱和流体流动-沉积物特征-水合物形成动力学耦合的二维模型,从理论上研究了多孔介质内流体与沉积物参数如含水率、去饱和系数、水力分布和水合物饱和度等在孔隙内的相互影响规律。结果表明,在设定的条件下,随着反应的进行孔隙水压力随时间逐渐大,在相同条件下水合物饱和度与温度增加导致孔隙水压力变大,其中水合物饱和度的影响较小,而沉积物基质吸力、去饱和系数与本征动力学常数则与孔隙水压力成反向变化,其中本征动力学常数的影响较大。     

增强型地热系统开发技术研究进展

增强型(或工程型)地热系统(简称EGS)是指从地下3～10km低渗透岩体中经济开采深层地热的人工热能系统,主要用于发电.作为目前地热领域的重要发展方向,其研究受到发达国家的高度重视,但我国对增强型地热系统的研究还基本处于空白.本文从增强型地热系统的概念和开发思路入手,总结资源勘查、人工储层建造、地热田生产以及监测等阶段需要的科学与工程方面的关键技术及研究现状,对于提高深层地热认识,明确未来的技术发展方向具有重要意义.     

增强型地热系统开发过程中的多场耦合问题

增强型（或工程型）地热系统（简称EGS）是指从地下3~10km低渗透岩体中经济开采深层地热的人工热能系统,作为目前地热领域的重要发展方向,其研究受到发达国家的高度重视,但我国还基本处于空白。在EGS运行过程中,高温岩体及裂隙受到温度场（T）、渗流场（H）、应力场（M）、化学场（C）的耦合作用,其结果直接影响整个系统的设计和运行。本文根据对EGS最基本的物理—化学过程分析,讨论了任意两场之间的相互作用,指出了三场耦合应考虑的重点及四场耦合现阶段研究的不完善性,最后综述了目前国际上用于解决EGS多场耦合问题的模拟软件研究进展。     

我国增强型地热系统选址问题探讨

增强型地热系统(简称EGS)是目前地热领域的重要发展方向,EGS研究受到了发达国家的普遍重视.本文考察了EGS的勘查选址原则和国际典型案例,并结合我国地热资源分布特征,评估各地热资源分布区的开发潜力,探讨不同地热带EGS选址的可能性.最终将我国进行EGS项目的选址地区分为三类:优先开发利用区、勘探开发区、综合调查区.为我国EGS开发可行性评价等基础研究及项目实施提供参考.     

南海北部海马冷泉区表层沉积物的AOM生物标志化合物特征及意义

选取采自南海天然气水合物赋存区海马冷泉,管状蠕虫区（ROV06站位）和贻贝区（HM101站位）的2个表层沉积物柱状样品,提取其中的生物标志化合物,对其种类和稳定碳同位素进行了测定,用以探讨海底表层沉积物中的有机质来源、微生物种群分布及其对冷泉渗漏活动的响应特征. 两个站位的沉积物中均发现了大量与甲烷厌氧氧化古菌（ANME）有关的生物标志物,如2,6,11,15?四甲基十六烷（crocetane）、2,6,10,15,19?五甲基二十烷（PMI）等类异戊二烯烃,古醇（archaeol）、sn2?羟基古醇（sn2?OH?Ar）等,以及来源于硫酸盐还原菌（SRB）的异构/反异构脂肪酸iso?C₁₅和ai?C₁₅等. 这些生物标志物均具有极低的碳同位素特征（古菌生标δ13C值低至-126‰,硫酸盐还原菌生标δ13C值低至?89‰）,表明沉积物中发生了甲烷厌氧氧化作用（AOM）. ROV06和HM101站位沉积物中均检测到了crocetane,大多数sn2?羟基古醇/古醇大于1,同时ai?C₁₅/iso?C₁₅脂肪酸比值小于2,这说明两个站位沉积物中的甲烷厌氧氧化古菌主要以ANME?2/DSS为主,指示甲烷渗漏强度较强. ROV06站位的表层沉积物含有crocetane,但sn2?羟基古醇/古醇小于1,且ai?C_15/iso?C₁₅脂肪酸比值大于2.1,指示了ANME?1/DSS和ANME?2/DSS混合存在的种群特征,说明ROV06站位顶部甲烷渗漏强度有减小的趋势. 根据古菌种群ANME?2化合物对甲烷的碳同位素分馏（Δ:-50‰）及古菌生物标志物（PMI、古醇、sn2?羟基古醇）的平均δ13C值,计算得到甲烷δ13C值（-58‰~-53‰）,显示甲烷为热成因和生物成因混合气. 虽然ROV06和HM101站位的甲烷具有相近的δ13C值,但ROV06站位的SRB生物标志物比HM101站位要更加亏损13C（Δδ13C:18‰）,这可能与管状蠕虫的共生菌（硫氧化菌）吸收硫化物并释放出硫酸盐有关,因为其不断释放出的硫酸盐很可能极大地增强了甲烷厌氧氧化作用,使沉积物中含有更多13C亏损的无机碳.      

海底甲烷缺氧氧化与冷泉碳酸盐岩沉淀动力学研究进展

海底缺氧带甲烷氧化作用是一个重要的甲烷生物地球化学过程,已被许多地球化学现象所证实。甲烷缺氧氧化有效地减少了渗漏到海水和大气中的甲烷通量,但目前仅有的数据还不能很好地限定甲烷缺氧氧化在全球甲烷循环和全球碳循环中的作用。甲烷缺氧氧化的机理还存在争议,很可能是一个“反甲烷生成”过程。在许多天然气渗漏发育区域,由于甲烷缺氧氧化作用引起环境碱度的增加而沉淀冷泉碳酸盐岩,在海底表层沉积物中形成块状碳酸盐岩结壳。但冷泉碳酸盐岩生成所需的物理化学和生物地球化学条件在很大程度上还不清楚。数值计算表明,孔隙水中溶解足够量的甲烷、冷泉渗漏强度适中、较小的生物扰动作用有利于冷泉碳酸盐岩的生成,而过高的沉积速率则抑制冷泉碳酸盐岩结壳的生成。因此,海底发育冷泉碳酸盐岩可以指示天然气渗漏系统的演化特征。     

考虑热传导开采天然气水合物藏的可行性研究:以南海神狐海域为例

天然气水合物作为一种新型替代能源,如何有效开发成为当前研究的热点,热激发被认为是除降压法外天然气水合物开采的另一重要途径;然而,目前对于天然气水合物热开采效率及其经济可行性仍没有清楚的认识。本项研究构建了天然气水合物注热开采的模型,该模型经过理想简化,忽略了开采过程中热对流和压力差的影响,只考虑热作用对水合物分解的影响;进一步计算了水合物注热开采的热消耗效率和天然气的能量效益、可研究水合物开采的最大产出效率。通过对南海北部神狐海域天然气水合物藏特征以及钻井取心相关重要参数的研究,计算了天然气水合物的注热开发潜力,并通过相关参数的敏感性计算和分析研究,论证了神狐海域天然气水合物注热开采效率和可行性。研究结果显示,神狐海域水合物藏的单位长度生产井段3 a的最大累积产气量为509 m3,远低于工业开发标准。水合物热激发分解速度缓慢,注热开采水合物生产成本较高,经济效益低下;因此,基于热传导开采南海神狐海域天然气水合物不具备工业应用的可行性。     

海底天然气渗漏系统微生物作用及冷泉碳酸盐岩的特征

海底天然气渗漏系统是全球海洋环境中广泛分布的自然现象。部分渗漏天然气通过细菌作用转变为二氧化碳,同时海水硫酸盐被还原为硫化氢, 与孔隙水中的钙和铁结合而沉淀冷泉碳酸盐岩。冷泉碳酸盐岩的常见矿物有微晶方解石、文石、白云石和黄铁矿。冷泉碳酸盐岩常发育一些特殊的组构, 如黄铁矿环带结核、溶蚀面、平底晶洞、凝块和向下生长的叠层石组构等。碳酸盐岩特别负的δ13C值指示碳来源于生物成因的甲烷, 而18O富集可能与天然气水合物的分解有关。冷泉碳酸盐岩中黄铁矿的δ34S值低于海水的, 这指示硫来源于微生物还原的海水硫。冷泉碳酸盐岩中的生物标志化合物及其极负的δ13C值指示微生物的生命代谢活动。     

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%.     

海洋天然气水合物的类型及特征

根据天然气水合物的产出条件,海洋环境水合物可以分为二类扩散系统水合物和渗漏系统水合物。扩散系统水合物分布广泛,在水合物稳定带内是水-水合物两相共存的热力学平衡体系,游离气仅发育于稳定带之下,在地震剖面上发育有指示水合物底界的强反射面(BSR)。该类水合物含量低,埋藏深。除温度和压力外,水合物的沉淀受甲烷溶解度和扩散速度的控制,并与气体组分、孔隙水盐度、天然气供应和有机碳转化等有关。渗漏系统与断层等通道相伴生,水合物发育于渗漏系统整个水合物稳定带,是水-水合物-游离气三相共存的热力学非平衡体系,水合物的沉淀受动力学控制。该类水合物含量高,埋藏浅,但一般不发育BSR。而且,天然气渗漏活动在海底沉积物和上覆水体中形成了一系列特殊的地质、地球物理、地球化学和特异生物群异常。