多年冻土区天然气水合物研究综述

由于多年冻土区天然气水合物的潜在资源价值和对气候、环境的影响,各国纷纷开展了大量的研究,取得了很好的研究进展。本文主要分析了天然气水合物与多年冻土间的关系、多年冻土区天然气水合物的蕴藏情况以及典型多年冻土区天然气水合物研究现状。其结果表明多年冻土控制了天然气水合物形成的温压条件,且在多年冻土层间发现具自保护效应的天然气水合物。同时多年冻土可影响分散性土体中游离气体的聚集和迁移,多年冻土融化可提高孔隙水压力。目前多年冻土区天然气水合物的蕴藏情况的估算并不完整,各国仅对典型多年冻土区天然气水合物储量进行了初步的估算。天然气水合物储量估算结果表明,在美国阿拉斯加地区大约为1.0~1.2×1012 m3,加拿大马更些三角洲Beaufort海地区大约为1.6×1013 m3,俄罗斯西西伯利亚盆地250 m深度范围内可达1.7×1013 m3。我国青藏高原多年冻土区亟待搞清天然气水合物存在与否的直接证据和储量估算等关键问题。     

多年冻土区天然气管道建设关键技术

多年冻土地区天然气资源丰富,资源勘探开发和天然气外输管道建设日益受到重视。温带地区传统、常规的天然气管道设计、施工、运维方法、技术在多年冻土区遇到很大的挑战。因此,以管道工程设计者的角度,总结多年冻土区天然气管道的设计、施工和项目风险管理3个大项14个子项关键技术,主要包括管土水、热、力耦合系列的管输气冷却技术和传热计算技术,材料、应力系列的管道断裂控制技术和基于应变的管道设计技术,公用配套系列的连续多年冻土接地技术、不连续冻土区阴极保护技术、冻土区站场基础、管道支撑设计技术和建筑物模块化和设备撬装化技术,施工系列的特殊施工装备、冰雪公路修建、低温焊接和焊缝100%检测技术,以及自然环境、社会人文和技术等风险管理技术。希望能够为北极、高山和高原多年冻土区天然气管道建设提供新思路。     

中国多年冻土区天然气水合物地球化学勘探技术研究进展

我国多年冻土区多位于中纬度高原地区,与环北冰洋极地地区多年冻土的状态不完全相同,天然气水合物成因机理、赋存环境和基本特征更为复杂.近10年来,在自然资源部行业专项和中国地质调查局水合物试采专项的资助下,先后在青藏高原和东北多年冻土区开展了天然气水合物地球化学勘探技术攻关,总结了多年冻土区天然气水合物地球化学指标组合和识别标志,探讨了多年冻土区天然气水合物地球化学成藏机制,研发了多年冻土区天然气水合物地球化学勘查模型,初步建立了多年冻土区天然气水合物调查地球化学方法技术体系,在勘探实践中发挥了重要的作用,地球化学方法技术对天然气水合物的有效性得到了初步检验和应用,具有广阔的应用前景.     

青藏高原多年冻土区天然气水合物的研究前景和建议

天然气将是２１世纪的主要能源品种,作为非常规天然气水合物被誉为２１世纪的新能源。它的研究受到世界上许多国家的高度重视。青藏高原羌塘多年冻土区具备形成重烃类天然气水合物的温度和压力条件,同时可以存在由“自保护效应”引起民的轻烃类天然怕事物。开展青藏高原多年冻土区天然气水合物研究,对我国宏观能源战略决策、开拓新学科 领域和保持人类社会可持续发展的均有重要理论意义和广阔的应用前景。从目前人才结构、资料积     

祁连山多年冻土区天然气水合物的形成条件

祁连山多年冻土区面积约10×104km2,年平均地表地温为-1.5～-2.4℃,冻土层厚度为50～139m。区内侏罗纪小型含煤盆地广布,产有丰富的煤层气。南祁连盆地是一潜在的油气盆地,存在下石炭统臭牛沟组、下二叠统草地沟组、中三叠统大加连组、上三叠统尕勒得寺组4套烃源岩,具有良好的生油生气潜力。在木里煤田33号钻孔的冻土层内发现有连续逸出的高含量烃类气体,井口点燃即可燃烧,简易采气分析结果表明甲烷含量高达38.07%～75.9%。根据该钻孔的气体组分、年平均地表地温、冻土层厚度、地温梯度等数据分析,这里基本具备形成天然气水合物的温压条件,计算结果显示水合物稳定带的顶界和底界埋深分别为171m和574m,稳定带厚度为403m。     

祁连山多年冻土区天然气水合物的形成条件

祁连山多年冻土区面积约10×104km2,年平均地表地温为-1.5～-2.4℃,冻土层厚度为50～139m.区内侏罗纪小型含煤盆地广布,产有丰富的煤层气.南祁连盆地是一潜在的油气盆地,存在下石炭统臭牛沟组、下二叠统草地沟组、中三叠统大加连组、上三叠统尕勒得寺组4套烃源岩,具有良好的生油生气潜力.在木里煤田33号钻孔的冻土层内发现有连续逸出的高含量烃类气体,井口点燃即可燃烧,简易采气分析结果表明甲烷含量高达38.07%～75.9%.根据该钻孔的气体组分、年平均地表地温、冻土层厚度、地温梯度等数据分析,这里基本具备形成天然气水合物的温压条件,计算结果显示水合物稳定带的顶界和底界埋深分别为171 m和574m,稳定带厚度为403m.     

青藏高原多年冻土区天然气水合物形成潜力及远景

在详细论述天然气水合物研究历史和研究现状的基础上，重点讨论了东土区天然气水合物赋存状态，气体来源、地质环境，总结出冻土区天然气水合物形成模式。根据青藏高原现有资料分析，认为藏北高原羌塘盆地地质条件最好，是寻找多年冻土区天然气水合物矿藏的有利地区，预测该区天然气水合物矿藏可能有两种类型：一是煤成气型，二是油气型，煤成气型天然气水合物以二叠系乌丽群和上三叠统巴贡组聚煤中心为远景目标区，油气型天然气水合物以双潮－比洛错和玛尔果茶卡地区为最佳远景目标，并指出目前进行青藏高原天然气水合物研究宜首先开展工作的地区和研究方法。     

漠河盆地多年冻土区天然气水合物地球化学调查及远景评价

漠河盆地是我国冻土发育的主要地区之一,发育良好的天然气水合物成藏系统,具有天然气水合物形成的良好条件。为了圈定天然气水合物远景区,识别油气聚集体,判别天然气水合物成因,在漠河盆地冻土较发育地区开展了1∶5万天然气水合物地球化学资源调查。结果表明：(1)在森林沼泽景观区,顶空气和荧光光谱指标是天然气水合物勘查的主要指标,借鉴青海木里冻土区天然气水合物地球化学勘查成功的经验,结合AMT、地质等资料分析,元宝山凹陷是天然气水合物较为有利的远景区;(2)岩心样品甲烷碳同位素分析显示,烃类气体分异明显,浅层烃类气体基本为生物气,深部烃类气源主要为混合成因气,个别解吸气为微生物气和热解气;(3)试验性应用了分形-GIS技术,可以细致可靠地进行异常区范围划定,消除干扰因素,有效地圈定水合物远景区。     

青藏高原多年冻土区天然气水合物的形成及地球化学勘查

高原冻土带是天然气水合物生成和保存的潜在源区.对青藏高原西大滩-安多长达556 km的多年冻土区烃类有机地球化学剖面的测量结果表明,土壤样品的酸解氢、酸解甲烷、酸解乙烷、酸解丙烷和热释汞异常明显,其异常下限远高于背景值,其中酸解甲烷的背景值为395.54 μL/kg,异常下限为883.84 μL/kg,可见该区天然气水合物成藏具有很好的远景.通过统计学分析和综合地球化学对比分析,指出烃类"负异常"是地下赋存天然气水合物的重要标志.据此初步建立了多年冻土区天然气水合物的形成及地球化学勘查模式.     

青藏铁路沿线多年冻土区天然气水合物的地质、地球化学异常

通过对青藏铁路沿线多年冻土区重点地段野外冻胀、坍塌、冷泉冒气现象的观测及对低空大气、冷泉气体、表层冻土沉积物、地下冰等不同介质中气体的地球化学分析,发现部分冻土区如托纠山、昆仑山口、雁石坪等地区存在着明显的地质地球化学异常。这些气体地球化学异常可能主要是由青藏高原多年冻土区不同类型的断裂作用把深部气体带至浅部冻土沉积物中形成的,另一部分可能与浅部有机质转化成烃的作用相关,还有一部分可能与冰川发生位移造成的烃类气体聚集体重新分配有关;地质异常现象可能与该区构造热活动或天然气水合物形成的演化有关。对比前人的模拟计算结果,本次地质地球化学异常区的冻土厚度基本能满足天然气水合物形成的温压条件,这些异常可能与天然气水合物有关。     

青藏铁路多年冻土区热棒的施工技术

青藏铁路要穿越550 km长的多年冻土区,其中年平均地温>-1.0℃的高温多年冻土路段275 km,高含冰量冻土类型路段长221 km.为确保路基工程的整体稳定,部分地段采用了热棒处理措施.热棒路基利用自然能源,在温差作用下驱动内部制冷工质的汽液两相对流循环,通过蒸发段蒸发吸热作用降低周围冻土温度,增加冻土本身的冷储量,提高热稳定性,保护多年冻土.热棒技术是一种有着广阔应用前景的新技术,尤其是在全球气温升高大环境下,其作用更为明显.针对热棒的工作原理和施工技术进行了系统的总结分析,实践证明,热棒能够很好的防止多年冻土的融沉、冻胀病害,已在青藏铁路、公路多年冻土区路基试验段取得重要的阶段成果,以后将会在多年冻土区施工中逐步推广应用.     

高原高寒多年冻土区的桥梁施工技术

针对青藏高原高寒、缺氧等特点,以及青藏铁路多年冻土的特殊性与复杂性,通过实践与理论讨论,详细地制订出了在高原高寒多年冻土区桥梁工程施工中的技术措施和施工工艺.在青藏高原的多年冻土区,由于桥梁及工程建筑物的修建,将改变原有的温度场、应力场、以及冻土层的水热交换.因此,选择合理的施工季节、施工方法和采取必要的施工措施,是减少施工对多年冻土热扰动的必要措施.     

青藏铁路高原高寒多年冻土区桥梁施工技术

针对青藏铁路高原高寒多年冻土区桥梁工程的施工特点,较详细地探讨了高原高寒多年冻土区桥梁工程施工的技术措施和施工工艺.     

青藏铁路多年冻土区片石通风路堤施工技术

结合工程实例详细介绍青藏铁路高原多年冻土地段片石通风路堤的参数选择、施工方法以及保证措施.通过以上的施工技术,取得了相应的阶段性成果:片石路基片石层顶面、底面与路基基底位置处地温分别低于普通路基相同位置处地温,片石路基有利于降低路基地温,是一种有效的主动保护多年冻土工程措施;片石路基在调节路基阴阳坡地温起到了积极的作用,减轻了路基地温不对称性的发生;对比片石路基和普通路基的路基变形量,片石路基的变形量相对较小.     

青藏公路沿线多年冻土区土壤热通量参数化方案的优化和检验

土壤热通量是地表能量平衡的重要分量,其估算方案在研究地表能量平衡研究中必不可少。利用青藏公路沿线5个站点0~20 cm的实测土壤层温、湿度及5 cm土壤热通量资料,以翁笃鸣气候学计算方案为基础建立了优化的5 cm土壤热通量计算方案。通过唐古拉和西大滩两个独立站点的检验结果表明,优化方案的结果相对于原方案有较大的改善,唐古拉和西大滩5 cm土壤热通量均方根误差值分别减小了3.2 W·m^-2和4.8 W·m^-2,而相对误差分别减小了61.9%和36.1%,即新方案能够较好地估算出青藏公路沿线多年冻土区5 cm土壤热通量。使用优化方案模拟了青藏公路沿线11个站点5 cm土壤热通量变化,结果显示,近十年青藏公路沿线土壤热通量呈现出增大的趋势,其中,5 cm土壤热通量增大了近1.0 W·m^-2,而且各观测场的年平均土壤热通量值均大于0.0 W·m^-2,表明就年尺度而言,热量有盈余,盈余热量用于加热下层土壤,引起活动层厚度增加,平均状况下土壤热通量每增大1.0 W·m^-2,活动层厚度增大约21.0 cm。     

高原多年冻土区找水特点和规律探悉

高原多年冻土层受下伏稳定的冻土层隔水影响,寻找可利用的地下水资源长期围绕着水文地质工作者。在青藏高原腹地,广泛发育的多年冻土区,通过对当地地形、地貌自然条件分析,选择两河交汇处,且存在冻土层的＂天窗＂的河谷作为研究区域,通过物探、钻探等勘察手段吗,成功地解决了水源问题,为在高原与多年冻土区找水提供了成功案例。     

藏北高原典型季节冻土区和多年冻土区小气候特征对比研究

利用藏北高原位于季节冻土区的那曲BJ站和多年冻土区的唐古拉站2008年气象要素观测资料,对两站点的小气候特征进行了分析和对比,得到以下结论：那曲BJ站最大冻结深度可达1.5m左右;唐古拉站活动层最大融化深度超过了3.0m。两站的气温、比湿、降雨和积雪均有明显的季节变化;降雨和比湿均是5-10月较大,其他时段较小;积雪均基本集中在1-3月和10-12月。各层土壤温度及日变幅、温度的月均值和月最高/低值及月较差、比湿的月均值和瞬时最大值、风速瞬时最大值均是那曲BJ站大于唐古拉站。那曲BJ站与唐古拉站的风速、气温、比湿的年平均值分别是4.73m·s^-1、-1.34℃、3.96g·kg^-1和4.02m·s^-1、-5.80℃、3.25g·kg^-1,年降雨量和积雪日数分别为590.50mm、114d和405.27mm、135d,两站5-10月的降雨量分别占全年降雨量的96.20%和86.55%。两站在2月初和11月初由于较大降雪均出现了气温陡降的现象,最大积雪日均出现在11月,日最大积雪深度BJ站小于唐古拉站。典型晴天日,那曲BJ站在冬季而唐古拉站在冬春季节风速日变化明显;比湿日变化夏秋季节较冬春季节明显。     

InSAR技术在多年冻土区形变监测的应用

作为大地测量的一种新兴空间技术,合成孔径雷达干涉（synthetic aperture radar interferometry, InSAR）具有全天时、高精度、大范围和速度快的优点,逐渐被应用于多年冻土区地表形变监测中。通过综述多年冻土形变原理及InSAR监测多年冻土形变的应用实例,研究表明：在气候变暖的背景下,多年冻土区地表年际形变以下沉为主,多年冻土上限附近地下冰含量的大小是影响年际形变量的主要因素;活动层内土壤含水量影响着地表季节形变量的大小,不同类型多年冻土区的地表年际形变量和季节形变量存在着较大的差异。研究还表明,不同波长的SAR产品在不同类型多年冻土区的适用性不同,下垫面特征对利用InSAR获取地表形变量有较大影响,L波段的SAR数据在植被覆盖度较好的区域有更好的效果。由于InSAR的失相干问题,加之目前还缺少长时间、多类型、高频率的实测形变结果作为验证和标校数据,获取准确且连续的大范围形变数据较为困难。针对目前寒区研究需求,布设野外长期观测站点,建立适用于不同多年冻土区的地表形变反演算法,构建具有较高精度和较高时空分辨率的地表形变数据集具有重要的实践和科学意义。