东太平洋水合物海岭BSR以上沉积物粒度变化与气体水合物分布

文中对国际大洋钻探204航次在太平洋水合物海岭8 个站位BSR深度以上气体水合物稳定带的沉积物进行了粒度分析和对比研究。结果表明,该稳定带内沉积物总体粒径变化特征为:粉砂质量分数在60%~75%之间,为气体水合物稳定带内沉积组分的主体组分。粘土质量分数一般小于35%,砂质量分数小于5%。该结果获得的粒径变化范围,与204 航次中沉积学研究所确定的粘土质粉砂、粉砂质粘土夹含砂质粉砂、含砂质粘土岩性特征一致。各站位沉积粒径变化和代表气体水合物存在的岩心红外照相IR异常低温记录之间的初步对比说明,气体水合物主要富集在沉积组分较粗,相当于粉砂或者砂级质量分数较高的粒度层。统计学的相关性研究结果定量地揭示了各个站位沉积物粒径变粗与气体水合物的存在有不同的相关关系。归纳起来发现,不同构造部位沉积物中气体水合物赋存层段的粒径范围不同。坡后盆地由于当地总体沉积物颗粒细,气体水合物赋存在极细粉砂粒级(8~26μm)的沉积物中。水合物海岭南峰顶部附近站位气体水合物主要赋存在粗粉砂和细砂(50~148μm)之间。     

ODP/IODP典型水合物站位稳定带界限和水合物分布的地球化学识别标志

本文采用ODP/IODP典型站位样品实测和相关数据搜集对比研究的方法,进行了多种游离烃甲烷及相关指标在水合物形成过程中的地质作用和地球化学特征研究,以及酸解烃甲烷与围岩组分和沉积中自生碳酸盐、浊积岩的关系及地球化学特征的研究,据此筛选出判识水合物稳定带(GHSZ)的地球化学标志。结果显示:(1)下伏地层中游离甲烷异常是天然气水合物稳定带孔隙中赋存动态甲烷的反映,由于指标测试方法和沉积物状态的差异,深部水合物稳定带上呈现出特定的两种游离烃甲烷指标HS和VAC正负拆离分隔的异常模式;(2)酸解烃与地层吸附甲烷能力和围岩组分性质密切相关,对应于水合物最佳赋存条件的自生碳酸盐和浊流岩,酸解烃甲烷具有显著的量化异常特征;(3)水合物形成过程中甲烷通量促进了甲烷厌氧氧化反应(AMO)和自生碳酸盐的生成。酸解烃甲烷与浅层自生碳酸盐具有显著的对应关系,弥补了浅部沉积中游离烃甲烷异常具多源和多解性的不足;(4)游离烃甲烷异常组合模式和酸解烃甲烷量化异常分布是GHSZ和有利水合物赋存条件的综合反映,能够为水合物稳定带和带内水合物聚集的判识提供依据。     

天然气水合物储层岩心保压转移与测试进展

掌握天然气水合物储层基础物性演化特征对提升天然气水合物资源勘查与试采综合实力具有重要意义。目前,天然气水合物储层基础物性模拟实验和测试仍然以人工制备的天然气水合物岩心样品为主,导致测试结果和模拟实验认识与天然气水合物资源勘查试采工程需求仍有一定的差距,亟需原位准原位物性测试数据进行对比校正。天然气水合物储层保压取心及其后续岩心保压转移与测试是积累准原位物性测试数据的有力手段。聚焦天然气水合物储层保压取心之后的岩心保压转移与测试,全面综述了国内外现有的天然气水合物储层岩心保压转移与测试系统的优缺点,深入分析了天然气水合物储层岩心保压转移与测试获得的基础性认识;综述国内天然气水合物储层保压取心系统研发现状,梳理与之配套的岩心保压转移与测试系统研发现状及其面临的挑战;针对面临的挑战,为发展中国海域天然气水合物储层保压转移与测试技术装备研发自主能力提出了建议。     

分散型天然气水合物对储层的物性影响特征分析

天然气水合物以不同的赋存形态存在于温压条件适合的海底沉积物及永久冻土带中。目前对于天然气水合物的勘探以地震方法为主,而随着天然气水合物钻探工作的不断开展,地球物理测井成为必不可少的工作,测井通过不同的方法采集储集层的地球物理参数,由于天然气水合物的存在对储层物性的特殊影响,在利用测井方法评价储集层时需要综合考虑这些影响因素,才能获得准确的储层参数。本文详细阐述了由于天然气水合物的存在对地层的声学、电学及密度特性的影响及其在利用这些参数评价储层时需注意的问题。     

天然气水合物分解对海床中管道稳定性的影响

利用ABAQUS有限元程序,含天然气水合物的沉积层采用Mohr-Columb本构模型,并根据天然气水合物分解前后的物性和强度参数,对海床中输气管道及附近沉积层在天然气水合物不同分解条件下的应力和应变场进行了计算,对天然气水合物分解对海床中管道及地基稳定性的影响进行了分析和评价。     

含天然气水合物沉积物分解过程的有限元模拟

温度和压力的变化会引起含天然气水合物沉积物的分解,其过程伴随着相态转换、孔隙水压力和气压力耗散、热传导、骨架变形等过程的相互耦合作用。基于多孔介质理论建立了描述含天然气水合物沉积物分解过程的数学模型,考虑了水合物分解产生的水、气流动、水合物相变和分解动力学过程、热传导、骨架变形等过程的耦合作用。基于有限元法,建立了模拟水合物分解过程的数值模型,并编制了计算机分析程序。通过对降压法和升温法开采过程的数值模拟,揭示了在水合物分解过程中沉积物储层的变形、压力、温度等因素的变化规律。结果表明：降压法和升温法都会导致储层变形以及产生超孔隙压力,但两种方法作用效果不同;同时,水合物分解过程包含渗流及热传导作用。     

东沙海域浅层沉积物硫化物分布特征及其与天然气水合物的关系

对南海东沙海域浅层沉积物中硫化物的含量进行了分析,结果表明,沉积物中硫化物的含量与沉积物顶空气甲烷含量有密切的关系,在存在顶空气甲烷高异常的沉积物岩心中,沉积物中硫化物含量明显高于无甲烷异常的沉积物岩心,且随层位深度的增加,其含量明显增大,存在显著的变化梯度带。碎屑矿物鉴定结果表明,沉积物中硫化物主要以黄铁矿的形式存在。浅层沉积物中高含量的硫化物与天然气水合物分解形成的甲烷流有直接的关系,反映了下部沉积物中可能存在天然气水合物。     

天然气水合物储集类型的测井响应特征

通过木里煤田聚乎更煤矿区四井田、哆嗦公马、雪霍立三个矿区（井田）大量测井资料的分析和研究,并结合祁连山冻土区天然气水合物DK-1科学试验孔测井资料的综合对比和解释,对煤田常规测井参数在天然气水合物储集层上的响应特征进行了分析。根据该区常年冻土（岩）的勘探成果及测井曲线响应特征,将陆源天然气水合物储集层分为生气层与储集层的相对位置、纵向位置、空间位置、储集介质等四大类,上生下储、下生上储、自生自储、冻土（岩）带内、增温带内等11个亚类。在此基础上建立了与富冰型、煤层自储型、孔隙型、裂隙型等多种储集模式对应的典型测井曲线响应特征。利用测井方法识别天然气水合物储集层的方法,可为青藏高原研究、评价、勘查、开发天然气水合物提供可靠的解释依据。     

未来接替能源——天然气水合物面临的挑战与前景

天然气水合物作为新型化石燃料展现出巨大的资源潜力,如何科学地估算全球天然气水合物资源量与安全而经济地开采天然气水合物是全世界关注的焦点。文章在系统地分析了全球气水合物研究4个发展阶段认识的基础上,结合笔者对中国南海天然气水合物近20年的研究经历,明确了中国南海天然气水合物赋存的构造背景复杂、沉积过程与类型多样、表征难度大等多种难题。指出了天然气水合物研究面临的6个地质问题与瓶颈:新近系层序地层划分的成因性对比、稳定带厚度与水合物赋存机理、陆缘水动力背景复杂且沉积类型多样、水合物分布与沉积响应间的关系、构造运动对水合物的聚散控制以及水合物成藏模式与判识评价体系;探讨了目前天然气水合物资源量估算过程中存在的优缺点以及试采仍需要攻关的关键理论与技术问题。从地质角度回答了油峰到来的预期与天然气水合物作为接替能源的可能性与前景,指出中国南海的地质特点与天然气水合物的分布规律,明确提出了天然气水合物研究既不可盲目性乐观、也不可强制性悲观的学术观点。     

松散沉积物中天然气水合物生成、分解过程与声学特性的实验研究

为了解松散沉积物中天然气水合物的生成和分解规律以及水合物对沉积物声学特性的影响,在粒径为0.18~0.28mm天然沙中进行了甲烷水合物的生成和分解实验,并利用超声波探测技术和时域反射技术实时测量了反应体系的声学参数与含水量。结果表明:根据水合物的生成和分解速率,可将水合物的生成过程分为初始生长期、快速生长期和稳定期3个阶段,分解过程可分为初始分解期和样品表层水合物快速分解期以及样品内、外层水合物均快速分解期3个阶段;由温度和压力数据的分析,得出水合物先在沉积物表层生长,然后在沉积物内、外层迅速生成;由水合物分解过程3个阶段的平均分解率,得出水合物的分解是一个由慢到快的过程。对声学参数的研究表明:水合物在松散沉积物中先胶结骨架颗粒而生成,使纵波速度和声波衰减在饱和度0~1%之间陡然增大;随后水合物开始在沉积物孔隙中形成悬浮粒子,造成超声波信号在饱和度1%~90%间淬熄,声波速度无法获取。研究结果在揭示沉积物中水合物与颗粒间接触机制的同时,为海上地球物理勘探中地震信号的解释提供了新的思路。     

东太平洋水合物海岭沉积物中黏土矿物与水合物饱和度相关性研究

为了探讨水合物储层中不同黏土矿物与水合物饱和度的关系,选取位于东太平洋水合物海岭国际大洋钻探计划204航次中的3个钻孔(1245B孔、1244C孔和1251B),开展储层沉积物黏土矿物的测试和综合分析。结果表明,蒙脱石、伊利石、绿泥石为主要黏土矿物(平均含量分别为40.3%、33.4%、21.4%);高岭石为次要黏土矿物(平均4.9%)。伊利石、绿泥石、高岭石三种矿物含量的垂向变化规律相似,但它们与蒙脱石的垂向变化趋势相反。该区水合物饱和度与蒙脱石含量呈正相关,且正相关程度在“细粒岩性”层段较高(R=0.55~0.97);水合物饱和度与伊利石、绿泥石、高岭石则显示负相关。3个钻孔中水合物储层厚度、水合物饱和度在各钻孔中分布的差异性表明水合物饱和度的受控因素复杂,首先是气源和流体迁移与供给,其次为沉积物岩性;而“细粒岩性”层段较高含量蒙脱石与水合物饱和度正相关关系可能代表了更次一级的沉积影响因素。为检验其它海区是否也存在黏土矿物对水合物饱和度的影响,将上述3个钻孔与印度外海Krishna-Godavari盆地17-07P钻孔记录进行对比。结果显示,17-07P孔的砂含量高,在粗砂层蒙脱石含量与水合物饱和度呈正相关,反映两个海域岩性对水合物饱和度控制机理不同。上述“细粒岩性”层段蒙脱石含量和伊利石、绿泥石、高岭石3种黏土矿物含量与水合物饱和度之间相关性的差异,可能因为蒙脱石具有特殊层状结构和表面化学性质(层间表面带负电荷、具有可交换的层间水合阳离子等),有利于促进水合物的形成和富集,因而表现为正相关;而伊利石、绿泥石、高岭石自身属性与蒙脱石不同(吸水膨胀能力、对甲烷的吸附能力较蒙脱石弱),不利于水合物的聚集,表现为负相关。     

天然气水合物发现区和潜在区气源成因

为探讨天然气水合物发现区的气源成因,对ODP 204航次4个站位58个沉积物样品进行5个温度点的生气量模拟实验,对各温度点产生的气体进行同位素测定。测试结果显示,在低温阶段（25 ℃、35 ℃、45 ℃）,甲烷的δ¹³C明显偏大,一般大于-40‰,显示出热解成因气的特征;而高温阶段（55 ℃）甲烷的δ¹³C为-75.5‰,显示出明显的生物成因气的特征。结合东沙海域天然气水合物潜在区气源成因的讨论,可以得出如下结论：天然气水合物的气源成因受控因素多,需要综合多种指标进行判别。     

Subsurface Occurrence of Natural Gas Hydrate in the Nankai Trough Area: Implication for Gas Hydrate Concentration

Abstract. The Nankai Trough runs along the Japanese Islands, where extensive BSRs have been recognized in its forearc basins. High resolution seismic surveys and site-survey wells undertaken by the MITI have revealed the gas hydrate distribution at a depth of about 290 mbsf. The MITI Nankai Trough wells were drilled in late 1999 and early 2000. The highlights were successful retrievals of abundant gas hydrate-bearing cores in a variety of sediments from the main hole and the post survey well-2, keeping the cored gas hydrate stable, and the obtaining of continuous well log data in the gas hydrate-dominant intervals from the main hole, the post survey well-1 and the post survey well-3. Gas-hydrate dominant layers were identified at the depth interval from 205 to 268 mbsf. Pore-space hydrate, very small in size, was recognized mostly filling intergranular pores of sandy sediments. Anomalous chloride contents in extracted pore water, core temperature depression, core observations as well as visible gas hydrates confirmed the presence of pore-space hydrates within moderate to thick sand layers. Gas hydrate-bearing sandy strata typically were 10 cm to a meter thick with porosities of about 40 %. Gas hydrate saturations in most hydrate-dominant layers were quite high, up to 90 % pore saturation.
All the gas hydrate-bearing cores were subjected to X-ray CT imagery measurements for observation of undisturbed sedimentary textures and gas-hydrate occurrences before being subjected to other analyses, such as (1) petrophysical properties, (2) biostratigraphy, (3) geochemistry, (4) microbiology and (5) gas hydrate characteristics.     

祁连山冻土区DK-9孔温度监测及天然气水合物稳定带厚度

祁连山冻土区木里盆地三露天井田自2008年首次钻采到天然气水合物实物样品以来,实现了中低纬度高山冻土区天然气水合物勘探的重大突破。天然气水合物钻孔DK-9于2013年发现水合物,通过对该孔长期地温实时监测,获得了稳态的地温数据。结果表明,祁连山多年冻土区聚乎更矿区三露天井田冻土层底界为约163 m,冻土层的厚度达约160 m,冻土层内的地温梯度为138 ℃ /100 m,冻土层以下的地温梯度达485 ℃/100 m。根据天然气水合物形成的温-压条件分析,聚乎更矿区具备较好的天然气水合物形成条件,天然气水合物稳定带底界深度处于510~617 m之间。     

海洋天然气水合物钻井的硅酸盐钻井液研究

在海洋含天然气水合物地层中钻进时,遇到的问题有水合物在井底的分解和管线内的再生成,以及井壁稳定和井涌的问题。配制合适的钻井液是解决上述问题的关键。通过大量实验,得到一种加入无机盐和动力学抑制剂的稀硅酸盐钻井液,并通过实验对其性能进行评价。结果表明:配制的硅酸盐钻井液不仅能满足常规钻井液携带岩屑和清洁井眼的要求,还能有效抑制井壁岩层的水化,抑制水合物地层的分解,以及控制水合物在管线内的再生成;因此可以满足深水含水合物地层钻进的要求,确保水合物地层钻探安全高效地进行。     

天然气水合物资源量研究进展

综述了三十多年来各国学者对全球天然气水合物资源量的研究进展,总体上可分为三个阶段:(1)20世纪70年代—80年代早期(1017～1018m3量级);(2)80年代晚期—90年代早期(1016m3量级)和(3)90年代晚期至今(1014～1015m3量级)。分析发现,最早的估算结果比现今的偏大2～3个数量级。随着人们对水合物认识的加深,在资源量评估方面会显得更加理性。     

天然气水合物钻井液研究进展

随着世界能源问题日渐突出,天然气水合物作为一种新型能源备受关注。由于天然气水合物的特殊性质,在冻土层或海洋环境下都对勘探和开采提出了极其严格的要求。钻井液对保障天然气水合物安全钻探发挥着重要的作用,因此对水合物钻井液的研究一直是天然气水合物勘探技术研究中的重要内容。本文重点介绍了水合物抑制剂和钻井液体系研究进展情况,并分析了天然气水合物钻井液研究发展趋势。     

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。