天然气水合物研究现状及我国对策160次学术讨论会观点摘要

天然气水合物(gas hydrates)是一种由气体和水形成的冰状白色固态晶体,常在一种特定的高压低温条件下形成并稳定存在,广泛发育在浅海底层沉积物和深海大陆斜坡沉积地层以及极地地区的永久冻土层中.现有研究表明,天然气水合物是一种未来的优质、洁净能源,其蕴藏量约是现有地球化石燃料(石油、天然气和煤)总碳量的2倍;它作为温室气体甲烷的最大载体,又可能是影响全球气候变化和引发海底地质灾害的重要因素.     

天然气水合物的晶体结构及水合系数和比重

天然气水合物具有巨大的资源前景和极强的环境和灾害效应，是目前地学研究中的热点，天然气水合物存在三种基本晶体结构，五种大小不同的气体占据空间，不同大小的气体分子进入大小相近的气体占据空间，形成稳定的天然气水合物，分子太大和太小的气体则不能形成水合物，天然气水合物的气体充填率常小于1.0，水合系数大于理想水合系数，而且受气体类型、组成、温度和压力等条件影响，气体类型明显影响天然气水合物的比重，烃类气体可形成比重小于海水的天然气水合物，CO2的水合物比重可明显高于海水比重。     

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。     

南海北部海底滑坡与天然气水合物形成与分解的时序性

海底滑坡广泛发育于海底陆坡,是一种常见的沉积作用过程。滑坡的存在与天然气水合物的形成和赋存具有紧密的联系。国内外对海底滑坡及其与天然气水合物关系的研究尚处于起步阶段,且主要集中在滑坡体的构成、识别和触发机制及与天然气水合物的空间关系上,但对于时序性的研究尚处于空白。根据现有研究的深度和有限的资料,本文对此进行了定性探讨。研究表明,天然气水合物与海底滑坡在时序性上可分为三种类型:后水合物滑坡(post-gas hydrate landslide)、前水合物滑坡(pre-gas hydrate landslide)和同水合物滑坡(syn-gas hydrate landslide)。不同的类型对于天然气水合物的赋存与开采会产生不同的影响。三种类型中以前水合物滑坡对于天然气水合物的赋存和开采最为有利,同水合物滑坡次之。     

中国不同区域30000aB.P.以来湖泊水量变化特征

天然气水合物是白色似冰状晶体物质 ,由水分子构成晶体格架将气体 (通常为甲烷—ＣＨ4 )分子捕获其中的笼型化合物。其形成需要特定的低温、高压条件和充足的ＣＨ4 (天然气 )供给。地球上满足以上条件的地区有永久冻土带和水深大于 3 0 0～ 5 0 0ｍ的水体 (包括海洋和深湖 )。天然气水合物是一种处于亚稳状态下的物质 ,当温度升高或压力降低时会造成其分解释放ＣＨ4 气体 ,标准条件下 1ｍ3 水合物可释放出 1 6 4ｍ3 ＣＨ4 气体。ＣＨ4 是大气中含量仅次于二氧化碳 (ＣＯ2 )的温室气体 ,其温室效应潜力是同等重量ＣＯ2 的 2 0倍 ;天然气水合物中所含ＣＨ4 是大气中所含ＣＨ4     

海底泥底辟(泥火山)对天然气水合物成藏的影响

海底泥底辟(泥火山)与周缘发育的天然气水合物存在着密切的关联,表现在静态要素和动态成藏2个方面。作为一种重要而有效的运移通道类型,泥底辟(泥火山)携带的气体将是天然气水合物的重要气体来源。同时,含气流体沿着泥底辟(泥火山)的上侵,可能会导致上覆地层中温压场和地球化学组分的改变,进而引起天然气水合物稳定带厚度的变化。因此,泥底辟(泥火山)将控制天然气水合物的成藏,如位于构造中心部位的矿物低温热液成藏模式和位于构造边缘的矿物交代成藏模式。另一方面,泥底辟(泥火山)的不同演化阶段将对天然气水合物的形成和富集产生不同的影响。早期阶段,泥底辟(泥火山)形成的运移通道可能并未延伸到天然气水合物稳定带,导致气源供给不够充分;中期阶段,天然气水合物成藏条件匹配良好,利于天然气水合物的生成;晚期阶段,泥火山喷发带来的高热量含气流体引起天然气水合物稳定带的热异常,可能导致天然气水合物的分解,直至泥火山活动平静期,天然气水合物再次成藏。     

天然气水合物藏开采数值模拟研究

TOUGH2是美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的一套渗流模拟软件,其研究内容与水合物藏的开采在气液渗流、质量和热量的传递等方面有很多的共同之处,但水合物的开采又涉及到固态水合物分解产生气体和液态水或固体冰的,与TOUGH2现有内容有一定区别。为了将TOUGH2软件应用于天然气水合物藏开采模拟,在对TOUGH2的功能进行充分解读后,进行了以下三个主要修改:1针对天然气水合物三相变化的状态方程模块;2添加天然气水合物分解速率和相平衡计算模块;3在TOUGH2程序的主体控制方程中,添加由天然气水合物分解引起的变化量。通过上述修改和程序调试,形成了一套基于TOUGH2的水合物藏开采数值模拟软件。利用该软件对神狐海域的水合物藏参数进行计算,其结果与劳伦斯伯克利国家实验室开发的水合物藏开采模拟软件(TOUGH+HYDRATE)的计算结果进行对比,结果表明两者吻合很好,验证了软件的正确性。     

天然气水合物分解与全球变暖

天然气水合物是白色似冰状晶体物质 ,由水分子构成晶体格架将气体 (通常为甲烷—ＣＨ4 )分子捕获其中的笼型化合物。其形成需要特定的低温、高压条件和充足的ＣＨ4 (天然气 )供给。地球上满足以上条件的地区有永久冻土带和水深大于 3 0 0～ 5 0 0ｍ的水体 (包括海洋和深湖 )。天然气水合物是一种处于亚稳状态下的物质 ,当温度升高或压力降低时会造成其分解释放ＣＨ4 气体 ,标准条件下 1ｍ3 水合物可释放出 1 6 4ｍ3 ＣＨ4 气体。ＣＨ4 是大气中含量仅次于二氧化碳 (ＣＯ2 )的温室气体 ,其温室效应潜力是同等重量ＣＯ2 的 2 0倍 ;天然气水合…     

烃类成因对天然气水合物成藏的控制

天然气水合物具有能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅、成藏物化条件优越等特点,是未来的新型海洋能源。模拟实验显示,在烃类气体供给充分,温度低于平衡温度、压力大于平衡压力的条件下,天然气水合物的形成对于烃类气体的来源没有选择性。然而,已经获取的天然气水合物样品的分析显示,形成水合物的气体大多数为微生物成因气体,只有少量为热解气。最新的研究显示,形成生物气的营养源丰富,适合微生物的地质条件宽泛,生物气能够为形成天然气水合物提供充足的气源。通过对热解气和生物气形成天然气水合物条件的研究,以及对天然气水合物的地质分布特征的分析,笔者强调指出,与热解气相比,生物气更易于形成天然气水合物,而热解气形成的天然气水合物实际上意味着资源的严重破坏,并进一步认为,南海天然气水合物勘探方向,应集中在有利生物气形成富集以及有利于水合物形成的地质条件的分析和地质体的调查上,而不是在常规的深部油气藏附近展开。     

X射线衍射法在天然气水合物研究中的应用

天然气水合物是一种由气体分子(包括烃类和CO2、H2S等非烃类气体)和水分子在高压低温环境中形成的笼型水合物,主要有Ⅰ型(立方晶体结构)、Ⅱ型(菱形晶体结构)和H型(六方晶体结构)三种晶体结构。研究水合物的结构特征及变化规律,对于认识水合物形成机理、微观动力学、相态转化及水合物样品鉴定等具有重要意义。X射线衍射(XRD)是一种利用X射线照射晶体(或某些非晶态物质)时产生的衍射来研究晶体内部结构(即内部原子排布)的分析技术。该技术应用于天然气水合物研究,不仅能准确获取水合物的结构类型及晶格参数等重要信息,还能观测水合物生成分解的微观动力学过程。本文阐述了XRD技术应用于水合物结构特征研究、水合物生成/分解动力学过程原位观测以及野外水合物样品鉴定等方面的研究进展。已知结构Ⅰ型和Ⅱ型水合物立方晶体的边长分别约为12.0×10-10m和17.3×10-10m,而结构H型水合物六方晶体a轴和c轴的边长分别约为12.2×10-10m和10.0×10-10m,因此,通过XRD技术准确测量水合物晶体的晶格参数,即可判定水合物晶体的结构类型,该技术在国外已应用于海洋和冻土区钻获的天然气水合物样品鉴定并获得结构信息。此外,通过测定不同条件下生成的水合物晶体参数的变化,可研究水合物的结构转换及其影响规律,研究表明混合气体的组成、客体分子体积及直径大小、温度等都对水合物晶体参数及结构产生影响。通过在高压环境下的XRD原位技术,可测定水合物的生成与分解过程中衍射峰的变化,研究水合物生成/分解动力学过程,研究表明水合物生成/分解主要分两个阶段,即在气液(固)表面的快速生成/分解过程及气体分子在液(固)体内部的扩散过程,后一个阶段控制着反应速度。目前,国外在水合物研究中应用XRD技术已相对成熟,而我国才刚刚起步。本文认为,将XRD技术应用到天然气水合物的研究中,可解决水合物的结构类型鉴别及晶格参数测量等基本的科学问题,而且XRD技术与核磁共振、红外光谱、X-CT等分析技术的联用,尚有很大的发展空间,将为天然气水合物相关的理论研究提供强有力的技术支撑。     

天然气水合物粉晶X射线衍射测试参数优化及分析方法

天然气水合物是由烃类气体和水在低温高压下形成的一种非化学计量的笼型晶体水合物,在常温常压下极易分解,需要在低温条件下对其进行测试。本文针对天然气水合物这一特殊样品,重点研究其粉晶X射线衍射测试条件,系统地探讨了步长、扫描速度、累加次数及测试温度等因素对测试结果的影响,优化了仪器参数,建立了粉晶X射线衍射测试天然气水合物晶体结构的方法,并应用到实验合成的甲烷水合物和我国南海珠江口盆地钻获的天然气水合物样品的晶体结构测试中。结果表明,我国南海珠江口盆地的天然气水合物样品与实验合成的甲烷水合物结构相同,均属立方晶系,为典型的Ⅰ型水合物,晶胞参数分别为11.9309×10~(-10)m和11.9135×10~(-10)m。该技术可准确获得天然气水合物的结构信息,为我国天然气水合物的深入研究提供技术支撑。     

海底扩散体系含天然气水合物沉积物制样方法与装置

天然气水合物是分布在海洋和大陆多年冻土中的一种具有巨大商业开发价值的新型战略性替代能源。同时,含天然气水合物地层中水合物的分解将带来严重的地质灾害和气候问题的关注。试验室内开展含天然气水合物沉积物物理力学性质研究需要首先解决的是制样问题,即在试验室内快速形成符合现场原位形成模式的试样,并且水合物均匀分布于土样孔隙中。海洋天然气水合物主要是在扩散体系中形成的,即溶解在水中的气体以扩散迁移的方式进入温压条件适合的地层内与水结合生成天然气水合物。文中试验方法与装置利用高压恒流泵驱动溶有气体的去离子水在土样中循环,采用磁力搅拌装置加速和增大气体在水中的溶解,使土样在较短时间内被溶气水饱和,然后将土样温度降低至与气体压力相对应的相变温度以下后,溶于水中的气体与水结合生成水合物析出,且均匀地填充土样孔隙中。采用粉土和CO2气体试验表明,制得含水合物沉积物大约需1 d的时间,通过观察和测试含水率证明,所制得试样具有良好的均匀性,解决了目前在试验中采用的制样方法所制得的试样中水合物分布不均匀以及水合物形成时间过长的问题,为进一步开展含天然气水合物沉积物物理力学试验提供了技术保证     

青海祁连山冻土区天然气水合物的气体成因研究

在祁连山冻土区发现天然气水合物之后,其气体成因或来源便成为一个重要的科学问题。开展了气体组成和同位素特征及δ13C1-1/n、C1/(C2+C3)-δ13C1、δDCH4-δ13CCH4、(δ13C2-δ13C3)-ln(C2/C3)、ln(C2/C3)-ln(C1/C2)等关系图解的综合研究,结果显示:祁连山冻土区天然气水合物的气体以轻烃为主,具湿气特征,其同位素表现为正碳同位素系列特征。研究区天然气水合物的气体为有机成因,且以热解成因为主,夹少量微生物成因(醋酸根发酵),其中,热解成因气主要与原油裂解气、原油伴生气有关,少部分与凝析油伴生气、煤成气、干酪根裂解气有关。这一分析结果可能意味着研究区天然气水合物的气体来源与油型气密切相关,而与煤型气关系不大。     

天然气水合物系统特征及其对我国水合物勘查的启示

油气资源在能源结构中具有举足轻重的作用,其成因机制及勘探思路已发展出了完善的系统理论——含油气系统理论,而天然气水合物作为潜在替代清洁能源,其勘探理论尚处于探索阶段。借鉴含油气系统理论,注重与常规油气成藏的差异性分析,在系统分析全球已发现天然气水合物主要研究区的天然气水合物特征基础上,从气体来源、气体运移通道、有利储层等方面对天然气水合物成藏机理进行了系统梳理,以探究天然气水合物系统特征。提出天然气水合物系统应包括气源、储层和天然气水合物稳定带3个基本要素以及气体生成-运移过程和天然气水合物形成过程2个基本作用;冻土带内气体来源以热解气为主,海洋环境中则以生物气或热解气和生物气的混合气为主;气体运移通道主要为流体底辟、气烟囱、大尺度断层、裂缝、滑塌构造及高渗透性地层等;天然气水合物储层在冻土带以砂岩为主,在海域则以黏土质粉沙及粉沙质黏土为主;综合全球各区域天然气水合物成藏特征,提出了9种类型天然气水合物系统,同时以我国神狐海域天然气水合物系统为例总结出了天然气水合物系统成藏事件表。     

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。     

关于天然气水合物钻探的思考

天然气水合物是一种固态的化合物,烃类气体源。固态的天然气水合物只能稳定存在于较低的温度（０￣１０℃）和较高的压力（１０ＭＰａ以上）,这些均给天然气水合物的钻采带来了一定的难度。简要介绍了天然气水合物的形成、稳定条件,分布情况以及国内外勘查研究新动向,着重阐述了天然气水合物钻探的作用及有关技术问题,提出了我国开展天然气水合物钻探的工作思路。     

关于开展中国天然气水合物研究的建议

跨入 2 1世纪 ,随着世界经济的快速发展 ,能源供需矛盾日趋紧张 ,寻找新的后续能源成为各国政府和科学界关注的重要议题。天然气水合物的发现给人类解决未来能源问题带来了新的希望。天然气水合物 (ｇａｓｈｙｄｔｒａｔｅｓ)是由天然气和水在低温高压下形成的似冰状的白色固体物质 ,广泛分布于海洋陆棚及斜坡的沉积物中和陆地永久冻土地带。因其天然气组分多以甲烷为主 ,故又称甲烷水合物。据科学家初步预测 ,全球天然气水合物所含天然气中的有机碳为石油、天然气和煤等化石燃料所含有机碳总量的 2倍 ,被认为是 2 1世纪的重要后续能源。同…     

祁连山冻土区天然气水合物分解气碳氢同位素组成特征

开展祁连山冻土区天然气水合物气体同位素研究,是解决其气体成因、来源等科学问题的一个重要手段。本研究采集祁连山南麓多年冻土区水合物科学钻探DK2和DK3孔共8个含水合物的岩芯样品,采用真空顶空法收集样品中水合物的分解气,分别用气相色谱(GC)、气相色谱同位素比值质谱(GC-IRMS)测定其气体成分和同位素组成,测试结果表明:祁连山冻土区天然气水合物样品的气体碳氢同位素变化较大,甲烷、乙烷和丙烷的碳同位素(δ13C)变化范围分别为-52.6‰～-48.1‰、-38.6‰～-30.7‰和-34.7‰～-21.2‰,而二氧化碳的碳同位素(δ13C)最低为-27.9‰,最高为16.7‰;甲烷、乙烷和丙烷的氢同位素(δD)变化范围分别为-285‰～-227‰、-276‰～-236‰和-247‰～-198‰。通过对这些碳氢同位素进行综合研究,包括气体分子组成与同位素的关系分析、甲烷的碳氢同位素之间的关系判断等,结果表明研究区天然气水合物的气体主要来源于热解气,而且是在淡水环境中形成的有机成因气。     

海底可视技术在天然气水合物勘查中的应用

海底可视技术是一种可以直观地对海底地形地貌、表层沉积物类型、生物群落等进行实时观察的调查手段。本文介绍了海底摄像、电视抓斗、深拖系统和ROV四种海底可视技术，并对海底可视技术在南海北部陆坡天然气水合物勘查中的应用进行阐述。利用海底可视技术，在南海北部陆坡发现了天然气水合物气体“冷泉”喷溢形成的自生碳酸盐岩和活动于天然气水合物冷喷溢口或渗流口周围的菌席、双壳类、管状蠕虫等化能自养生物群，圈定出该陆坡由天然气水合物气体“冷泉”喷溢形成的巨型碳酸盐岩面积达430km^2。     

唐古拉冻土区气水合物地球化学异常及成藏条件

对唐古拉山北侧温泉盆地多年冻土区冷泉气体样品的化学分析表明,CH4平均含量为370×10-6,是青藏铁路沿线(昆仑山口—安多)多年冻土区冷泉气体中CH4平均含量的近113倍,表现出极高的地球化学异常。与国内外多年冻土区天然气水合物的形成条件相比,温泉盆地地区具有天然气水合物形成的冻土厚度与温压、烃类气体与水源、流体运移与储集的良好条件,预示该区可能具有天然气水合物的存在,是今后值得重视的天然气水合物调查评价区。