非饱和介质中甲烷水合物形成与分解的水分变化特征

多孔介质中甲烷水合物形成与分解过程的水分变化研究对了解自然件下沉积物中天然气水合物的形成与分解机制具有重要意义.本研究中,我们首次利用可探测土壤内部水分及温度变化的pF-meter探头,对甲烷水合物形成与分解过程中非饱和粗砂和粉砂质粘土内的水分变化特征进行了研究.结果表明:甲烷水合物的形成与分解过程可仅引起非饱和粗砂内水分的重新分布;甲烷水合物在非饱和粉砂质粘土中容易形成也容易分解.     

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.     

多孔介质中甲烷水合物边界的CT图像识别技术

采用X射线计算机断层扫描(X-CT)技术观测多孔介质中天然气水合物的生成和分解过程,具有实时、直观和无损等优点。由于颗粒物边缘图像容积效应和X-CT分辨率的限制,多孔介质体系中不同物质的边界域难以确定,从而影响对多孔介质中水合物赋存状态的准确判断。利用Matlab平台图像处理软件中的开闭运算、多值化、梯度图像提取和边缘检测等方法,对实验获得的多孔介质中甲烷水合物的CT图像进行优化处理,获得了更清晰的图像,可有效地提高多孔介质中不同物质边界域的识别效果,有利于准确判断甲烷水合物在多孔介质中的赋存状态。      

水合物脊ODP1247站位天然气水合物藏的甲烷来源和成藏过程模拟

海洋天然气水合物体系天然气水合物成藏受甲烷供给及埋藏的控制.根据海洋天然气水合物体系甲烷的质量守恒,建立了海洋环境沉积物孔隙水溶解甲烷对流和扩散作用及微生物原位产甲烷作用供给甲烷形成天然气水合物的数值模型,对水合物脊ODP1247站位天然气水合物成藏过程进行了模拟研究,结果表明该站位孔隙水溶解甲烷的对流和扩散作用是天然气水合物成藏过程中最主要的甲烷供给方式,微生物原位生成甲烷供给的比例很小,并且在1.67 Ma以来天然气水合物藏受沉积速率变化而动态变化,但幅度不大,至今形成的水合物饱和度约0~3%,与钻探确定的饱和度接近.     

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.     

天然气水合物降压开采数值模拟研究

为揭示天然气水合物降压开采过程中水合物分解规律,建立了柱坐标系下水合物降压开采的物理模型和数学模型,应用有限差分法进行求解,并应用神狐海域试采数据进行了验证,进而分析了降压开采过程中压力、水合物饱和度、渗透率的变化规律以及多种边界条件下分解过渡带的移动规律,研究了不同降压开采参数对水合物分解过程的影响.结果表明:降压开始后,井眼周围迅速形成压降漏斗,随着开采时间的增加,压降漏斗向储层远处扩散;井眼处的水合物最先分解,随着开采时间的推进,水合物饱和度逐渐降低,储层渗透率逐渐增大;水合物饱和度降低的区域沿径向向外扩散,渗透率增大的区域也与之相应;过渡带外沿、内沿移动速度不同步,开采后期移动速度都变慢,分解过渡带宽度随着开采时间逐渐增大,到一定天数后趋于稳定;水合物降压开采的主要控制参数包括开采井压力、水合物初始饱和度、储层绝对渗透率、水合物分解动力学常数等;模拟水合物降压开采时,如果选择封闭型边界且半径较小,则所得出的模拟结果与实际开采情况会有较大的差别,甚至相悖.     

海底天然气水合物中甲烷逸出对全球气候的影响

全球气候变化会降低海底天然气水合物的稳定性导致水舍物失稳分解,反过来天然气水合物分解释放出的大量甲烷气,又会对全球气候变化产生巨大的影响,地质历史上许多重大地质事件(如LPTM事件)都可能与天然气水合物的分解释气作用有关．除了地质历史上强烈的甲烷突然释放事件,现代海底的渗漏或喷口也连续不断地向海水甚至大气输入甲烷,从而影响着全球气候变化．由于天然气水合物中甲烷逸出对全球气候影响的研究刚刚起步,还缺乏海洋沉积物和海水中甲烷传输的恰当模式,甲烷在海水中的溶解度、甲烷的氧化作用及上升流等因素对其的影响程度,以及它对大气甲炕和二氧化碳浓度变化的具体贡献等目前还很不清楚,亟需深化研究．     

鄂霍次克海浅表层天然气水合物的勘查识别和基本特征

介绍了天然气水合物的勘查识别方法和浅表层天然气水合物的一些基本特征．水体回声系统观测到的水体火焰是海底甲烷气体喷溢的标志．在旁扫声呐图像上,海底甲烷气体喷溢位置表现为近似圆形的亮点异常,在海底剖面系统上表现为凸起地形,这些陆坡上的凸起一般几百米宽,几十米高．所有重力采样站位都是围绕这些海底气体喷溢位置布设的．岩心样品揭示,柱状样品大都含气．含气层段的沉积物分切面表现为特有的脱气构造．在两个重力取样站位采获天然气水合物样品．水合物呈薄层状与沉积物互层,薄层的厚度从几毫米到3cm不等,出现水合物的层段,肉眼可见的水合物约占柱样体积的5％～30％不等．在出现水合物的层段,仔细观察可以发现,在没有水合物的区域,微小的水合物颗粒存在于沉积颗粒之间．重力取样管中含有的气体并不完全是重力取样管上升过程中水合物发生分解形成的．在水合物的稳定域内,当气体含量不足时,地层中的气体仍可能以游离态的形式存在．一些特殊构造如泥火山、泥底劈等成为海底浅表层天然气水合物形成的中心．地层中的气体在沿这些特殊构造向上迁移的过程中部分气体在合适的温度压力条件下,在地层裂隙和孔隙度较大的地层中,和孔隙水结合形成天然气水合物．在这些构造以外的区域,由于沉积地层中的气体含量有限,其中的气体仍可能以游离气的形式存在,而不是以水合物的形式存在．     

天然气水合物体系动态演化研究(Ⅱ):海底滑坡

天然气水合物被认为是大陆边缘沉积物强度变弱的一个因子，从而能解释大陆边缘海底滑坡的一些观测现象。天然气水合物的形成使沉积物强度增加，而其分解则使沉积物强度变弱。虽然无法直接观测沉积物中天然气水合物的活动过程与相应的海底滑坡，大量的背景资料表明，天然气水合物崩解常常有助于触发海底沉积物块体的运动。此外，大型滑塌可以释放大量的固态天然气水合物，水合物在水柱中上浮。大块天然气水合物可以在分解前到达海洋的上部层，一些甲烷可以直接进入大气中。本文综述与天然气水合物体系演化有关的海底滑坡的研究现状。     

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.     

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.     

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.     

钻井液侵入海洋含水合物地层的一维数值模拟研究

本文以墨西哥湾水合物区域为背景,利用数值模拟方法研究了过平衡钻井条件下,当钻井液温度高于地层中水合物稳定温度时,水基钻井液侵入海洋含水合物地层的动态过程及其一般性规律.与侵入常规油气地层相比,耦合水合物分解和再形成是钻井液侵入海洋含水合物地层的主要特征.模拟结果表明,钻井液密度、温度和盐度都对侵入过程有影响.在一定条件下,钻井液密度越大,温度和含盐量越高,则钻井液侵入程度越深,热量传递越远,水合物分解程度越大.分解的水气在合适条件下又会重新形成水合物,影响了钻井液进一步侵入.而重新形成的水合物的饱和度甚至可能高于原位水合物饱和度,在井周形成一个"高饱水合物"环带.这一现象归因于钻井液侵入的驱替推挤、水合物分解的吸热以及地层传热的滞后等因素共同作用.在地层物性一定的条件下,高饱水合物环带的出现与否主要受钻井液温度和盐度控制.水合物分解以及高饱水合物环带的出现对井壁稳定和电阻率测井解释有很大影响.因此,为维护井壁稳定、确保测井准确和减少水合物储层伤害,就必须对钻井液密度、温度和滤失量进行严格控制,防止地层中的水合物大量分解.最好采用控制压力钻井(MPD)和深侧向测井方式,同时尽量选用低矿化度的含水合物动力学抑制剂的钻井液体系,采取低温快速循环方式.     

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.     

天然气水合物体系动态演化研究(Ⅲ):水合物的产生、聚集和分解

从天然气水合物的产生、聚集和分解，分析天然气水合物的动态演化过程，沉积压实、地温梯度、构造运动以及深部流体对水合物产生的效率起决定作用，根据流体的运移和天然气水合物在水合物稳定带中的分布状况，天然气水合物的聚集可以分为构造聚集、地层聚集和混合聚集三种模式，当由于各种原因引起海底温压条件变化时，天然气水合物会发生分解，水合物也会在水体中上浮，在这个过程中，水合物的分解速率能高出其溶解速率二至三个数量级，海底泥火山、甲烷气柱、甲烷气裂缝、双似海底反射等大量的证据，都有助于揭示天然气水合物体系的动态演化的特征，弄清楚天然气水合物的动态演化过程对于我们未来对这种潜在能源的开发利用，并分析其在全球变化、碳循环以及海底滑坡中所起的作用有着相当重要的意义。