深水条件下海底天然气水合物稳定带内的甲烷迁移

１引言海底天然气水合物温压稳定带 (下称水合物带 )这个术语被用来说明某地质剖面的一部分 ,将现有条件下能够存有天然气水合物的海底与上面的水体界定开。事实上 ,由于现有条件复杂多变 ,所以很难精确地估计该带的厚度。这些变化主要指气体成分、水体盐度、海底温度、地热及水压梯度。通常是用深度 (压力 )、温度图来确定该带底部 ,其数值在地热曲线和纯水或海水为均衡状态的甲烷水合物稳定曲线的交会点上。的确 ,甲烷是海底天然气水合物中主要的烃类成分 ,其浓度要百倍于其它的碳氢化合物气体 ,在其它因素相同的情况下 ,水合物带的厚度随…     

海底天然气水合物稳定的热力学条件

在几乎所有的海底都有适合于天然气水合物的温度和压力，但是热力学平衡提出了形成水合物需要另一个涉及到溶解气浓度的条件。通过一种模拟退火算法--这种算法使得甲烷气体与海水混合物的自由能最小-我们量化了水合物的热力学条件。平衡相用一个压力、温度和盐度的函数来描述各稳定相的成分。我们发现溶解气的浓度（溶解度）随着温度的增加而迅速下降。在海水中，气体溶解度在特定的盐度时也是降低的。由于低溶解度会减少形成水合物所需要的气体量，所以海水中的盐实际上促进了水合物的形成。盐度的变化（常常引起水合物形成情况的变化）增加了一个热力学自由度，这就形成了一个三相区，此区域中水合物、海水和自由气体在恒压下的一个温度范围内共存。我们把该计算用于确定海底稳定相的分布。气体溶解度的计算结果表明水合物可以直接由海底的溶解气结晶而成。气体沿着平衡浓度梯度的扩散表明气体被连续不断地由水合物层运送到所覆盖的海水中。为了在海底沉积的过程中保持水合物，需要有一个持续的甲烷气源以弥补扩散所引起的损失。通过简单的近海沉积的物理条件模型就可以估算水合物的生长和消耗。     

海洋沉积物中天然气水合物的形成、分布与演化预测

我们运用一个新的分析公式，解出了动量，质量和能量联立方程。这个方程控制着海洋沉积物中天然气水合物的聚集和演化，而且可以推导出水合物稳定区的顶底位置，水合物实际产生区的顶底位置，沉积物中水合物聚集速率的时间，以及在扩散和平流两端元系统中聚集速度与深度的关系。得出的主要结论如下：（1）天然气水合物在海洋沉积物中实际出现的底界通常并不与天在气水合物稳定带底一致，比稳定带底要浅。同样，有确切的物理解释来说明天然气水合物稳定带底界一致，比稳定底界要浅。同样，有确切的物理解释来说明天然气水合物稳定带顶界（通常在海底）和天然气水合物生成带顶界的不一致。（2）如果似海底反射界面（BSR）标志着游离气带的顶界，那么在某些地背景下BSR实际上应当发生在比稳定带底更深的地方。（3）甲烷天然气水合物温压稳定域内存在的甲烷甲对于天然气水合物的生成是不够的。只有甲烷溶解在流体中的质量分数超过甲烷在海水中甲烷的溶解度，或者甲烷通量超过了对应于甲烷扩散运移率的临界值时天然气水合物才能生成。可以利用这些临界通量综合地球物理或地球化学资料限定生物成因和热成因的甲烷最小产生率。（4）对于大多数扩散－分散系数值，以扩散为主的天然气水合物体系是以在稳定带底界附近的天然气水合物薄层为特征的，以扩散为主的天然气水合物体系是以在稳定带底附近的天然气水合物薄层为特征的。以平流为主的系统有厚的天然气水合物层，而且对于高的流体通量，在层底比在沉积序列浅层有更大规模的聚集。基于以上结果以及在某些以扩散为主的体系中生成最小的天然气水合物区也需要很高的甲烷通量，我们推测所有的自然界的天然气水合物系统，甚至那么如被动边缘的相对低通量的环境都可能以平流占主导地位。     

冲绳海槽天然气水合物稳定带特征和资源量评价

根据冲绳海槽多道地震资料的处理解释,在16条地震剖面上发现了水合物拟海底反射层BSR,经过AVO、波形反演等特殊的处理技术,首次直接利用BSR圈定了冲绳海槽天然气水合物具体分布范围,直接利用数据得出了天然气水合物稳定带厚度在冲绳海槽的分布趋势,认为海槽南部最厚,中部次之,北部最薄,并通过计算得出了冲绳海槽水合物稳定带的厚度和水合物资源量,对今后海槽水合物勘查和资源量评价具有一定的指导意义。     

天然气水合物稳定带顶底界线及厚度预测

天然气水合物稳定带顶底界线和厚度以及分布范围预测是天然气水合物资源评价的基础，对了解天然气水合物的成藏规律和指导天然气水合物的勘探开发具有重要的指导意义，因此，准确预测天然气水合稳定带顶底界线和厚度非常重要。     

海底天然气水合物稳定带厚度的影响因素

天然气水合物在未来能源、环境及海洋地质灾害等方面有重要意义,是当前研究的热点。海底沉积物中含有大量的天然气水合物资源。天然气水合物稳定带厚度可用于水合物资源量的预测,在水合物资源评估中有重要意义。研究了不同因素对海底天然气水合物稳定带厚度的影响,结果表明:海水深度、地温梯度、孔隙水盐度及组成和气体组分对水合物稳定带厚度的影响不同。水合物稳定带厚度随着海水深度的增加而增大,与地温梯度呈指数递减关系;随着孔隙水盐度的增加水合物稳定带厚度减小并呈良好的线性关系,不同盐类对水合物稳定带厚度的影响程度不同;混合气体中的C2H6、CO2及H2S会使水合物稳定带厚度增加,而N2使水合物稳定带厚度减小,并且含量越大对稳定带厚度的影响越明显。     

ODP204航次科学报告：南部水合物脊天然气水合物分布及动力学

天然气水合物是在水深大于300—500m的沉积中，在高压低温条件下，当甲烷和其它碳氢化合物气体富集时形成的冰状物质。目前，科学家估算世界上天然气水合物中甲烷的碳含量之差距是很大的(Kvenvolden和Lorenson，2001；Milkov等，2003)。海     

海洋潜在的能源一天然气水合物

天然气水合物广泛分布在海洋和极地沉积物中。在这种沉积物中具备足够低的温度和足够高的压力使得甲烷气结晶变成水合物。由于水合物的广泛分布和其潜在的能源潜力—据估计其约为地球上所有化石燃料能源的两倍．引起了全世界科学界的关注。然而。至今为止对水合物的性质和分布还了解不够，还没有合适的技术能对水合物进行定量的评价。根据地形、海底温度、沉积条件以及有机碳等资料指出在印度近海具备天然气水合物形成的条件。因此有必要在印度大陆边缘系统开展地质、地球化学和地球物理分析，以识别和估算天然气水合物的储量，评价其资源潜力。类似“气烟囱”或气体溢出持征、地震剖面上的BSR、氯化物或硫化物异常都是识别水合物的有用标志。层析成像、AVO、波形反演是定量分析水合物和游离气含量的重要手段。此外，在地震方法无法识别的地方，电阻率异常也有助干天然气水合物的识别。本文给出一些划出水合物赋存区边界和定量分析水合物及其下伏游离气含量的重要研究成果和技术。     

冲绳海槽天然气水合物稳定带特征及资源量评价

根据冲绳海槽多道地震资料的处理解释,在16条地震剖面上发现了水合物似海底反射层BSR,经过AVO、波形反演等特殊的处理技术,首次直接利用BSR圈定了冲绳海槽天然气水合物的具体分布范围,直接利用数据得出了天然气水合物稳定带厚度在冲绳海槽的分布趋势,认为海槽南部最厚,中部次之,北部最薄,并通过计算得出了冲绳海槽水合物稳定带的厚度和水合物资源量,对今后海槽水合物勘查和资源量评价具有一定的指导意义.     

海底天然气水合物形成的数学模型

我们建立了一个预测海洋沉积物中天然气水合物的数量和分布的数学模型，认为大陆边缘有机质沉积积累的环境是天然气水合物稳定存在的区域。由于细菌的作用。有机质向甲烷转变有利于形成水合物并消耗了有机碳。我们得到了沉积物中水合物和气体数量的质量平衡方程，并解释了孔隙流体中溶解甲烷和盐类浓度的变化。沉积压实及相关流体的影响明确模型化。尽管我们主要关注仅由沉积输入碳的理想化的被动大陆边缘。我们也提及了深源流体的供应。数学计算显示．沉积速率、有机质的质量和数量、以及表征生物生产力效率的速率常数为该模型的关键参数。应用该模型预测了布莱克海台代表的环境，并将其与ODP164航次的观测结果进行了比较。我们得到，没有任何外来淡水的条件下，包括稳定带以下的区域在内，预测结果与实测的氯离子剖面十分吻合。我们同样预测，水合物不可能占据7％的孔隙体积，这也与观测的结果一致。     

琼东南盆地深水区天然气水合物稳定域分布特征与预测

天然气水合物的形成与温度和压力密切相关,低温高压稳定域直接决定了水合物的分布特征及展布规模。根据波诺马列夫经验公式,依据琼东南盆地水合物稳定域形成的关键参数（天然气组分、地温梯度及水深等）,计算了琼东南盆地深水区水合物稳定域厚度,并初步分析了水合物稳定域分布特征。研究表明：水深（压力）越大、地温梯度越小,水合物稳定域厚度越大,当研究区水深达334.1 m时,深水海底浅层即具备了形成甲烷水合物稳定域条件;同时,水合物稳定域分布整体上具有南北薄、中间厚,自西向东逐渐变厚的趋势,主体厚度分布介于200～300 m,最大厚度可达400 m。     

琼东南盆地深水区上新世以来天然气水合物稳定域时空迁移及其分布特征

琼东南盆地深水区天然气水合物富集条件优越,具有巨大的勘探开发前景。基于近年来新获取的海洋地质地球物理关键参数,反演了琼东南盆地深水区上新世（约5 Ma）以来的天然气水合物稳定域迁移过程。研究表明：琼东南盆地现今天然气水合物稳定域主要存在于水深>600 m的海底,约在水深1 800～2 400 m处水合物稳定域厚度达到最大值,约190 m;冰期海平面下降导致水合物稳定域向深海平原迁移,而陆坡-深海平原转换带的水合物稳定域厚度则相对于现今减薄约80 m;岩浆热事件导致深海平原水合物稳定域厚度减薄约50 m,天然气水合物随之分解后释放大量气体导致多边形断层形成。     

海洋天然气水合物勘探与开采研究进展

海底水合物是一种重要的新型能源矿产,曾认为在未来20~30年内不具开采价值,但是现在这种看法已经改变,美国和日本政府现正筹划进行试验性开采。近年科技界已经研究出适合于从深海水合物中开采甲烷气体的工艺技术和方法。目前,降压法已被证明是一种较为经济有效的方法。引述了日本天然气水合物勘探和开采纲要MH21,详细说明其开采试验的计划和设计。     

天然气水合物的上界面——硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化界面

定义了海域天然气水合物成矿带的上界面。指出在地球深部存在最原始的、从根本上不依靠光合作用来生存的生命系统。根据对ODP岩心样品中微生物数量的统计,海底以下沉积层中的生物数量可能占据全球原核生物总量的70%,其生物总碳量和地球表面所有植物的碳总量相当。地球内部如此巨大的生物总量应该在地壳中的气体分布等方面起着重要作用。甲烷在地壳层中广泛存在,并主要是微生物成因的。微生物产甲烷的途径主要有两个,一是二氧化碳还原,另一个是醋酸盐发酵。相应地,参与产甲烷的微生物菌群主要是产甲烷菌和食醋酸菌。甲烷在沉积层中的厌氧氧化是一个不争的事实。该过程发生在海底以下一个非常局限的区带,称为硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化区带。通常,这个区带很窄,仅为一个面,因此,硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化区带又称硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化界面。这是一个基本的生物地球化学界面,在功能上它起到屏蔽甲烷向海底和大气逸散的作用,是一个巨大的甲烷汇。甲烷的厌氧氧化同样是一个由微生物介导的过程,参与此过程的微生物主要是食甲烷古菌和硫酸盐还原菌。硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化界面在海洋沉积层中一般深可达海底以下上百米,浅可至海底。此界面为天然气水合物的上界面,该界面以上没有甲烷水合物存在。     

海洋磁力梯度测量技术在水合物勘探中的应用

在天然气水合物勘探中,海底的泥底辟和泥火山构造是重要的研究对象。在高分辨率地震剖面解释中,直接识别泥底辟构造存在一定困难,主要因为泥底辟构造和火成岩侵入体在形态上十分相似,容易造成解释的多解性。本文就目前天然气水合物调查中存在的这些特殊技术问题。通过对海上高精度磁力测量技术方法研究、广州海洋地质调查局“海洋四号”船在南海北部东沙海域的海上试验、对试验结果的系统研究分析以及磁测和地震剖面两种手段的综合解释,成功地尝试了用高精度海洋磁测成果中的磁力总场和梯度变化特征来识别水合物勘探中高分辨率地震剖面上的泥底辟构造真伪的技术方法。     

海洋天然气水合物生成机制的实验研究

天然气水合物在海洋环境中与在纯水溶液中的生成条件有很大的不同。海洋天然气水合物的生成除了受温度和压力的影响外,还要受到孔隙水的化学组成、流体中气体的浓度及沉积物类型的影响。本文综述了国外海洋天然气水合物的实验研究成果及其进展,重点介绍了海洋天然气水合物生成与分解的热力学条件及各种影响因素,并探讨了今后该领域的研究方向和问题。     

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。     

海洋天然气水合物分解过程中其上部地层稳定性分析

在有覆盖层的海洋天然气水合物开采过程中,由于水合物分解引起上部地层应力重新分布可能导致上部地层蠕变、坍塌、滑坡、套管变形及井口安全等事故。以海洋天然气水合物沉积层具有覆盖地层为例,利用静力学理论建立了采用控压法开采海洋天然气水合物时上部地层物性参数、井筒压力及天然气水合物分解后地层剩余支撑力之间的力学稳定性模型。从理论上讲:当K>1时,上部地层稳定;当K<1时,上部地层失稳。该力学模型可对海洋天然气水合物开采井设计及安全开采具有一定的借鉴意义。