从天然气水合物赋存状态和成藏类型探讨天然气水合物的开采方法

在收集整理有关天然气水合物开采研究资料的基础上,总结了水合物在储层中的赋存状态和水合物藏的类型,对比了当前使用的水合物开采方法的优缺点.按水合物是否储存在圈闭内,将水合物藏分为圈闭内的水合物藏和圈闭外的水合物藏,并讨论了不同类型水合物藏的开采方法.     

陆缘地区天然气水合物成藏地质模式

天然气水合物的成藏与其所处地质构造环境密切相关,陆缘地区天然气水合物成藏地质模式可分为成岩型、构造型和复合型三类。成岩型水合物主要受沉积因素控制,成藏气体以浅层生物成因气为主,水合物大多呈分散状存在于相对渗透层中,丰度较低。构造型水合物主要受构造因素控制,由热成因气或者混合气从较深部位沿断裂、泥火山或其他通道快速运移至水合物稳定域而形成,水合物主要分布在构造活动带周围,丰度较高。复合型水合物同时受到成岩作用和构造作用控制,水合物主要分布在构造活动带周围的相对渗透层中。     

海底天然气渗漏系统水合物成藏过程及控制因素

在海底天然气渗漏系统沉淀水合物的动力学基础上,建立了水合物沉淀与分解的化学动力学模型。应用该模型分析了美国墨西哥湾布什山天然气渗漏系统水合物的成藏过程,探讨了水合物沉淀、稳定性影响因素。在渗漏通量为每年400kg·m-2的单个通道中,约需425a才能导致水合物稳定带沉积层约30%孔隙完全被水合物充填,渗漏通道被堵塞,沉淀的水合物在剖面上从稳定带底部向海底趋于富C3+C4。在渗漏通道天然气流量由弱到强再到弱的演化过程中,渗漏速度增大过程中形成的水合物在渗漏速度减小过程中将分解,总量约10%的水合物将被分解。如果分解产生的天然气可快速迁移出渗漏系统,海底温度的升高可引起约40%的水合物在20d内分解,并导致海底渗漏速度的急剧增大。     

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。     

北极波弗特—马更些三角洲盆地天然气水合物成藏模式

北极波弗特—马更些三角洲盆地常规油气和水合物资源十分丰富,是全球开展天然气水合物调查研究最早的地区之一。对该盆地水合物和常规油气的共生共藏关系的研究,不但对能源资源的勘探具有直接价值,而且对海域工程施工中海底稳定性评价以及全球气候变化和碳循环研究具有重要的理论和实际意义。在大量文献资料综合分析的基础上,系统总结了影响水合物成藏的地质和稳定条件,结合极地冰川演化特征,提出水合物与下伏油气藏渗漏共生并受冻土调节的成藏模式。认为波弗特—马更些三角洲盆地天然气水合物气源主要为下伏含油气系统中的热成因烃气;构造要素(断裂、背斜)密度与水合物富集丰度呈正相关,水合物赋存主要与Iperk、Kugmallit和Richards组的三角洲平原相砂体有关;水合物稳定带之上的冻土带对天然气水合物的成藏起着关键性调节作用。     

南海北部陆坡区沉积与天然气水合物成藏关系

截止2007年底,世界上已直接或间接发现水合物的矿点共有132处。另外,许多地方见有生物及碳酸盐结壳标志。世界上取得天然气水合物样品的地区表明,其形成与分布除了需要特定的温压条件外,还与沉积条件有较为密切的关系。2007年5月,我国在南海北部海域成功钻获天然气水合物实物样品,证实了南海北部蕴藏有丰富的水合物资源。通过对南海中北部陆坡区地层的地震相和沉积相分布特征、层序地层和沉积体系的综合分析,总结其沉积层序的特征,并对该区域沉积条件与水合物聚集成藏的关系进行了探讨。     

天然气水合物的成因类型初探

根据沉积物中天然气的4种成因类型，我们把天然气水合物的成因类型划分为2类：无机成因和有机成因。在对这两种不同的成因类型进行分析之后发现，海洋天然气水合物的成因类型与大地构造位置有关，其中主要为有机成因类型，无机成因类型的天然气水合物较少，主要分布在仍处于拉张状态下的弧后海盆，例如冲绳海槽盆地。     

浅表层泥火山型天然气水合物成藏地质模型

深海环境泥火山活动为甲烷从深部向浅部迁移提供了搬运介质和通道,泥火山附近天然气水合物成藏具有独特的形成过程和富集规律。泥火山型水合物资源潜力和环境影响的理论假设已被提出,而在工程实施阶段的论述相对较少。本次研究通过调研世界范围内典型海域泥火山-天然气水合物系统研究进展和赋存规律,结合我国海域泥火山的调查成果,归纳出泥火山型天然气水合物赋存地质模型。之后分析该模型组成要素的地质记录,获得识别泥火山型天然气水合物的3G异常标志,总结出该类型水合物实用的勘探思路。     

青藏高原乌丽冻土区天然气水合物成藏条件

为了探讨青藏高原乌丽冻土区水合物试验孔未钻获天然气水合物的原因,对该区第一口天然气水合物试验孔的岩心样品和周边露头样品进行了测试,结果显示,该区烃源岩有机质丰度中等,有机质类型Ⅲ型,有机质已过成熟,有利于烃类气体的生成;然而,试验孔岩心顶空气测试结果却显示,天然气组分中98%为无机成因的二氧化碳(13C-CO2,-4‰~-6‰)。结合区域地质、温压场条件等综合分析认为,该区天然气水合物气源以无机成因的二氧化碳为主,有机成因的烃类气体为辅。但是,研究区构造活动强烈且一直持续至今、深大断裂发育等因素却不利于天然气(包括无机和有机)及其水合物的保存,这可能是试验孔未钻获水合物的主要原因。另外,二氧化碳特殊的升华现象以及取样技术的不完善则可能是试验孔未钻获水合物的次要原因。     

海洋天然气水合物储层蠕变行为的主控因素与研究展望

蠕变是指沉积物在特定应力状态下变形与时间的关系,属于沉积物的固有力学属性。厘清海洋天然气水合物开采过程中储层蠕变的主控因素及其控制机理,对量化评价潜在工程地质风险的发生和演变规律具有重要意义。本文将在综述海洋天然气水合物储层破坏特征的基础上,梳理海洋天然气水合物储层蠕变特征及主控因素,厘清关键科学问题;结合最新研究成果,阐述天然气水合物储层蠕变特征多尺度表征与探测技术体系的基本内涵,简要探讨该领域的未来研究方向。初步分析认为,海洋天然气水合物开采过程中储层蠕变行为是水合物本身及其分解产出过程中的应力、温度、渗流等动态因素综合作用的结果,现有蠕变本构模型无法完全反映上述相变-传热-渗流-应力多场多相多组分耦合过程。为建立适合南海北部水合物储层的蠕变本构,进而为后续开采工程安全设计提供理论支撑,建议从天然气水合物储层的力学性能弱化特征及蠕变各阶段的时效参数两方面入手,从分子尺度、纳微尺度、岩心尺度、中试尺度、矿藏尺度5个层面,建立天然气水合物储层蠕变行为的跨尺度研究方法体系;以南海实际储层样品为研究对象,剖析天然气水合物开采过程中储层蠕变行为的主控因素。     

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（Sh＞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。     

海洋天然气水合物开采方法及产量分析

海洋天然气水合物的巨大储量刺激了世界各国能源部门努力研究如何从天然气水合物储层生产天然气。根据水合物形成的条件,只有当水合物处在其相平衡条件以外,水合物才能分解。因此,水合物的开采方法只能为热熔法、抑制剂刺激法、减压法和地面分解法。为了对天然气水合物储层中气体的生产有个定量的评估,本文以水合物开采井为例,运用数学方法推导了水合物井中气体的产生量。结果表明,在天然气水合物储层中,天然气释放量是井内水合物分解温度、压力及水合物层气体渗透性的敏感函数。该函数可以用于天然气水合物井气体开采量的计算及对水合物储层可开采性评价。     

天然气水合物降压开采过程中储层应力规律分析

为了研究天然气水合物降压开采过程的储层应力及其稳定性,运用线性多孔弹性力学和岩石力学知识,考虑水合物储层原始应力、孔隙压力、渗流附加应力及降压开采水合物过程中水合物饱和度的变化,建立了降压开采天然气水合物储层的力学模型,结合墨西哥湾某处水合物藏的基本参数,对降压开采水合物储层应力变化和开采过程的储层稳定性进行研究。结果表明:井底压力是影响水合物储层应力变化的关键因素之一;渗流附加应力在一定程度上减小了储层的应力;水合物分解储层应力发生变化,储层应力在井壁处的波动最大,井壁处是整个储层所受轴向偏应力最大的位置,因此井壁处是优先发生剪切破坏的位置;为了储层的稳定性,降压开采水合物生产压差应小于2.19 MPa。     

天然气水合物的形成与识别

探讨了天然气水合物矿藏的形成条件和机理、水合物矿藏的聚集方式。天然气水合物的形成除了必要的气体和水,还需要一定的温压和地质条件;其形成机理可用高渗漏系统和弱渗漏系统来解释;天然气水合物在沉积物中主要以构造聚集和地层聚集的方式存在。综述了天然气水合物矿藏的识别方法。     

多孔介质中不同饱和度天然气水合物的分解特性研究

开采天然气水合物对缓解世界能源危机、解决中国天然气资源短缺问题具有重要现实意义。降压法是开采天然气水合物一种较为简单、安全、有效的方法,但是目前对水合物饱和度较高条件下的降压分解特性缺乏深入认识。在多孔介质（石英砂）体系开展了天然气水合物的生成与分解实验,研究了3种不同水合物饱和度（38.1%、42.1%、46.4%）条件下的水合物降压分解特性,分解压力分别为2 MPa和3 MPa。实验结果表明：2 MPa对应的产气速率较高,但是模拟储层温度会降至冰点以下,在实际水合物开采中会引起冰堵,阻碍水合物进一步分解。当分解压力为3 MPa时,在0～2 h内,随着水合物饱和度增加,产气速率减小;从2 h到水合物分解结束,水合物饱和度越高,产气速率越高;在降压阶段,不同饱和度水合物的储层温度（T1、T2、T3）快速下降且最低温度相似;在恒压阶段,不同饱和度水合物的储层温度开始回升,水合物饱和度越高,储层温度波动越大,并且恢复至实验设定温度需要的时间越长。研究结果将为水合物试采过程防止冰堵现象发生、提高气体回收率提供重要的理论参考。     

海底水合物丘与泥火山的演化特征及其对天然气水合物聚集的影响

海底水合物丘与泥火山均属于不同相态流体向上运移排出至地表过程中的产物,与这2种特殊地质体相关的浅表层天然气水合物具有独特的成藏过程和赋存规律,同时,它们也都是富碳流体排放的重要途径。然而,由于对这2种地质体缺少系统的调查,加之对浅表层天然气水合物资源和碳泄漏过程的研究程度不高,当前在海底水合物丘与泥火山特征刻画及准确甄别上还存在障碍,导致难以科学地评价与其伴生的水合物资源的聚集过程及环境效应。通过总结已有海底水合物丘与泥火山的阶段性研究工作,对该2种特殊地质体从地貌特征、内部结构、形成机制等方面开展比较研究,系统分析了二者的演化过程以及对与之相关的天然气水合物聚集过程的影响,并讨论了2种地质体的区别与联系。本研究可为理解全球海底富碳流体的排放及其对海洋碳循环的贡献以及海底浅表层天然气水合物资源量的评价提供参考。     

储层和开采参数对天然气水合物开采产能的影响分析

开展储层参数和开采参数对天然气水合物开采产能影响的研究有助于其实际开采场址和开采方法的选择。以中国南海神狐海域SH7站位的地质参数为背景,采用TOUGH+HYDRATE软件系统地分析了储层压力、温度、孔隙度、水合物饱和度、渗透率、上覆层和下伏层渗透率等储层参数,以及降压幅度、降压井长度和出砂堵塞（通过改变井周网格渗透率反映出砂堵塞）等开采参数对天然气水合物降压开采产能的影响。数值模拟结果表明：①随着储层渗透率的增大,产气量有明显的增加;随着储层压力、孔隙度的增大以及上覆层和下伏层渗透率的减小,产气量有较大的增加;随着储层温度的增大,产气量有一定的增加;产气量随饱和度的增大先增大后减小。因此,实际开采时可优先选择渗透率大、上覆层和下伏层渗透率小、孔隙度大、温度较高、水合物饱和度适中的储层。②随着降压幅度的增大以及降压井长度增大,产气量有明显的增加;而随着出砂堵塞程度的加剧,产气量有非常明显的减少。因此,实际开采时可以通过增大降压幅度和降压井长度以及采取减轻出砂堵塞的措施来提高产气量。研究结果可以为我国将来天然气水合物开采区域及开采方式的选择和确定提供参考。     

海洋浅表层天然气水合物地质取样技术及样品现场处置方法

天然气水合物地质调查中通常采用地质、地球物理、地球化学等多种调查方法获得各类地质资料,而海洋地质取样可直接获得海底实物样品,是海洋地质调查中的重要手段。浅表层天然气水合物赋存于近海底沉积物中,利用合适的地质取样方法,在勘探目标区可以直接获得水合物样品及其存在的标志。基于浅表层水合物的存在指示标志和赋存特征,结合前期调查的成功经验,总结了适用于浅表层水合物的地质取样技术方法,主要有海底表层取样、重力柱状取样、海底钻探和保温保压取芯等,不同的取样方法所取的样品类型也有差异,应根据实际地质特征做出优选。针对浅表层天然气水合物的赋存特征,建立了一套海洋天然气水合物取芯样品现场处理和分析方法。水合物采集样品回收到甲板后快速处置分析是水合物调查的重要环节,而正确的现场处理方法是保证样品测试准确的关键。     

东海盆地西湖凹陷构造圈闭特征及其油气藏类型

基于三维地震资料连片解释成果,对东海盆地西湖凹陷构造圈闭分布规律、形成时期和成因机制进行系统梳理,并结合油气成藏条件分析得出构造圈闭的主要油气藏类型及特征。研究表明,西湖凹陷主要发育断层型和背斜型两大类构造圈闭,其中断层型圈闭主要分布于西部斜坡带,背斜型圈闭主要分布于中央洼陷反转带。断层型圈闭主要形成于盆地断-拗转换阶段,受控于斜向伸展背景下的断裂组合,定型于始新世末玉泉运动;背斜型圈闭主要形成于盆地拗陷-反转阶段,受花港、龙井运动区域挤压作用控制。西湖凹陷构造圈闭油气藏类型主要有断鼻、断块、断背斜及背斜等,受通源断裂控制各类油气藏具有纵向叠置的特点,导致各区带油气成藏具有“深大浅小、近源近断”特征;中新世末龙井运动期通源活化断裂在控制断层型、背斜型圈闭发育的同时,也决定了各类构造圈闭的油气富集。     

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。