青藏高原多年冻土区天然气水合物形成条件模拟研究

基于野外气体地球化学调查研究,以及前人有关冻土表层温度、冻土层内地温梯度、冻土层下地温梯度等的资料,对青藏高原多年冻土区天然气水合物的形成条件开展了模拟研究. 结果显示：研究区冻土条件能够满足天然气水合物形成的基本要求;气体组成、冻土特征（如冻土厚度或冻土表层温度、冻土层内地温梯度、冻土层下地温梯度等）是影响研究区天然气水合物稳定带厚度的最重要因素,其在不同点位上的差异性可能导致天然气水合物分布的不均匀性的主要原因;研究区最可能的天然气水合物为甲烷与重烃（乙烷和丙烷）的混合气体型天然气水合物;在天然气水合物分布的区域,其产出的上临界点深度在几十至一百多米间,下临界点深度在几百至近一千米间,厚度可达到几百米. 与Canadian Mallik三角洲多年冻土区相比,青藏高原多年冻土区除了冻土厚度小些外,其他条件,如冻土层内地温梯度、冻土层下地温梯度、气体组成等条件较为相近,具有一定的可比性,预示着良好的天然气水合物潜力.     

青藏高原冻土带天然气水合物的形成条件与分布预测

冻土带是天然气水合物发育的两个重要地质环境之一.青藏高原平均海拔在4000m以上,多年冻土面积约1.4×106km2.本文根据青藏高原冻土层厚度和地温梯度特征,运用天然气水合物的热力学稳定域预测方法,确定中低纬度高海拔区冻土带天然气水合物的产出特征.青藏高原多年冻土带热成因天然气水合物形成的热力学相平衡反映,水合物顶界埋深约27~560m,底界埋深约77~2070m.初步计算表明,青藏高原冻土带水合物天然气资源约1.2×1011~2.4×1014m3.在冻土层越厚、冻土层及冻土层之下沉积层的地温梯度越小的地区,最有利于天然气水合物的发育.气温的季节性变化对天然气水合物影响不大.在全球气温快速上升的背景下,青藏高原天然气水合物将处于失稳状态,天然气水合物顶界下降、底界上升,与冻土带的退化相似,分布区逐渐缩小,最终将完全消失.     

天然气水合物和游离气饱和度估算的影响因素

讨论了不同水合物胶结类型的流体饱和多孔隙固体中地震波的衰减情况,分析了估算天然气水合物和游离气饱和度影响因素.结果表明, 地层孔隙度、纵波速度模型和弹性模量的计算方法是影响反演水合物和游离气饱和度的关键因素.含水合物地层的吸收与水合物胶结类型密切相关,当水合物远离固体颗粒,像流体一样充填在孔隙时,品质因子出现负异常,而当水合物胶结固体颗粒影响骨架的弹性性质,其品质因子出现正异常.根据布莱克海台地区164航次995井的测井资料,分别应用低频和高频速度模型估算了水合物和游离气饱和度.由低频速度模型得到的水合物饱和度(占孔隙空间的)10%～20%,游离气饱和度(占孔隙空间的)0.5%～1%;而由高频速度模型得到的水合物饱和度(占孔隙空间的)5%～10%,游离气饱和度(占孔隙空间的)1%～2%.     

海域天然气水合物的地震研究进展

海域天然气水合物的地震研究是在岩石物性分析成果的指导下,用地震技术进行真假BSR的识别和含水合物沉积层物性预测.海域天然气水合物地震研究的进展主要表现在：物性分析理论模型由简单模型发展到最大程度模拟实际情况的复杂模型;地震勘探方法已由常规的单道、多道地震发展到多频地震、高分辨率二维、三维地震和海底多分量地震;地震资料处理由常规处理发展到突出BSR特征的“三高”和叠前时间偏移处理;从利用速度、振幅结构研究识别天然气水合物发展到AVO、多属性判别、多弹性参数和多物性参数反演识别天然气水合物、预测其物性参数.这些新技术、新方法的应用,加快了海域天然气水合物调查进度,提高了天然气水合物地球物理识别的可靠性.     

湖泊沉积物碳酸盐含量的XRD半定量分析

湖泊沉积中的碳酸盐对于气候环境具有很好的指示意义.利用化学分析方法(气量法)和X衍射(XRD)方法,对青藏高原可可西里库赛湖KS-2006孔沉积物中的碳酸盐含量进行了半定量分析.结果表明:虽然KS-2006孔沉积物中的矿物种类达9种之多,且XRD的测量误差(±5%)高于气量法的测量误差(±0.8%);但XRD法获得的KS-2006孔沉积物碳酸盐总含量的平均值(18.9%)以及波动范围(7%~39%),同气量法所获得的碳酸盐含量的平均值(19.4%)和波动范围(5.0%~30.7%)基本一致,而且二者具有很好的正相关关系(相关系数R²为0.3940),随深度的波动趋势一致,说明XRD方法在半定量分析湖泊沉积物碳酸盐矿物种类及其含量方面,具有很高的可靠性.     

全球与区域天然气水合物中天然气资源量估算

天然气水合物作为未来的一种替代能源引起了国内外很多研究者的关注,他们从不同的方面对天然气水合物进行了研究.随着研究的深入,许多研究者发现,全球天然气水合物中天然气资源量并没有最初认为的那么多,而且相差了几个数量级,这就大大降低了天然气水合物在未来能源中的地位.本文的研究目的是通过分析全球天然气水合物中天然气资源量的估算方法,归纳总结有关全球及区域估算天然气水合物中天然气资源量的文献,使人们对天然气水合物有个重新的认识,同时为未来的能源勘探开发提供一定的参考.通过分析我们发现全球天然气水合物中天然气资源量的估算值随着人们对天然气水合物认识程度的增加而降低;而且目前能够较准确反映全球海洋天然气水合物中天然气资源量的估算值是（1~5）×1015m3（大约500~2 500 Gt甲烷碳）.我们通过总结国外及国内几个典型区域的天然气资源量估算值还发现,国外研究者主要是根据钻孔及BSR资料确定用于计算天然气资源量的参数,使得计算结果较符合实际;而国内的学者基本是使用模拟计算及假设的方法确定各种参数,估算值仍存在很大差异,因此,我们认为只有获得实测数据才能使国内的估算结果更加接近实际.     

南海天然气水合物潜在海域自然铝的发现及其特征与形成机理

Al是非常活泼的两性元素, 但单质形式的自然铝也可形成和保存在特殊环境中, 具有特征的地质意义. 对南海269个表层样、4个柱样(165个层位)的样品进行了碎屑颗粒鉴定和统计, 在5个表层样和2个柱样(3个层位)的样品中发现自然铝颗粒. 自然铝颗粒为灰白色至银白色, 具有强金属光泽和延展性, 其形状呈不规则片状、长条状和球状. 测定的自然铝为等轴晶系, Fm3m空间群, 晶胞参数a值为(4.028~4.059)×10^-1 nm, 主要由Al元素组成(95.07%~99.84%). 研究揭示, 自然铝是海底冷泉环境原地形成的自生矿物, 是一种尚未报道的产出形式, 其形成成因可能是: 在冷泉区强还原和碱性的微环境下, 由于微生物活动和生化酶的作用, 沉积物中的Al³⁺被H₂还原成其单质形式. 因此, 南海自然铝是冷泉环境中的特殊产物, 填补了在冷泉区尚未发现自然铝的空白, 提出的自然铝形成机理为进一步研究冷泉区特殊环境下微生物生物地球化学过程提供了基础.     

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.     

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．     

气体水合物密闭采样原位饱和度评估技术研究

海底天然气水合物采集样品的饱和度确定通常是通过密闭保压采样技术来实现,但采样器的温度压力控制非常困难.本文用热力学模型来模拟密闭体系下温度压力变化过程中甲烷在各相态中饱和度的变化过程,并在海洋水合物热力学系统基础上,完成了一项分析水合物原位饱和度的技术,其只要求采集器密闭,不需要进行严格的温度和压力控制,降低了对采样器的要求.实例分析显示,完全可以利用密闭样品在地表下气体和液体成分的测量,包括盐度的测量来估计出甲烷水合物原位饱和度.     

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.     

水合物层下伏游离气渗漏过程的数值模拟及实例分析

海洋环境中天然气水合物层是理想的毛细管封闭层,游离气被抑制在水合物层下,游离气层的气体压力随气体聚集和气层厚度的增加而升高,当气压超过封闭层的毛细管力时,游离气会克服毛细管进入压力、刺入上伏封闭层孔隙空间,毛细管封闭作用随之消失,从而形成水合物下伏游离气向海底的渗漏.通过对该过程进行的数值模拟计算表明：渗漏气体是以活塞式驱动上伏沉积层中的孔隙水向海底排出,水合物稳定带内流体渗漏速度随水流柱高度的减小而增加,当水流阻抗大于相应沉积层段的静岩压力时,沉积层将转变为流沙,流沙沉积被海流移除后便在海底留下凹陷麻坑.麻坑形成后流体运移通道演化为气体通道,气体快速排放.麻坑深度主要取决于游离气层的厚度和水合物封闭层（底界）的深度,而与沉积层的渗透率无关.麻坑深度一定程度上指示了渗漏前水合物层下伏游离气层的资源量.对布莱克海台海底麻坑深度的数值模拟计算表明,形成4 m深的海底麻坑需要至少22 m厚的游离气层.     

南海北部陆坡气源条件对水合物成藏影响的模拟研究

南海北部陆坡包括神狐海域在内无论在横向上还是纵向上影响水合物形成与分布的地质因素差异较大,其气源条件的变化是否为一种重要因素值得探索.本文将前人南海北部陆坡气源类型和气体组成概括为14种情况,分别运用模拟手段定量-半定量地分析它们对水合物成藏可能带来的影响.模拟结果显示,与神狐海域已知水合物相比,不同气体组成形成水合物所需温度条件增大0.49~5.44℃,多数增大2℃以上.可以看出,不同气体组成明显改变水合物的形成条件,暗示着不同类型气源可能是影响南海北部陆坡水合物形成与分布的重要因素.     

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。     

外界条件变化对天然气水合物相平衡曲线及稳定带厚度的影响

目前，有关天然气水合物的相关研究越来越多，而天然气水合物相平衡曲线和稳定带厚度的研究也变得越来越重要.本文利用Sloan的CSMHYD程序研究了外界条件变化对天然气水合物相平衡曲线及稳定带厚度的影响.研究结果表明：当天然气水合物中含有其他气体时，除了氮气会使水合物稳定存在的区域变小外；其他气体都会使稳定区域变大，且甲烷含量越少，水合物越容易形成；对于本文中所提到的几种气体，丙烷和硫化氢对相平衡曲线的影响最大；另外，水合物稳定存在的区域会随着盐度增加而变小.地温梯度、水深、海底温度、气体组成和孔隙水盐度对稳定带厚度的影响不同，其中稳定带厚度与地温梯度呈指数相关关系，与水深呈对数相关关系，与海底温度、水合物中甲烷含量及气体组成呈线性相关关系.水深从1 000 m增加到4 000 m时，稳定带厚度增加了大约400 m；水深2 000 m情况下，地温梯度从0.02℃/m到0.1℃/m变化时，稳定带厚度减薄了大约660 m；底水温度从0~17℃的变化过程中，稳定带厚度减薄了大约1000m；在水合物中气体组成从纯甲烷到含20%乙烷时，稳定带厚度增加了大约170m；盐度在0~4.5 wt％的变化中，稳定带厚度减薄了大约130 m.由此可见，在这几种因素中，地温梯度和底水温度对稳定带厚度的影响较大.     

水合物合成及导热系数测定

设计了一套实验装置,结合瞬态面热源法来测量混合气水合物导热系数及含混气水合物的沙子多孔介质的有效导热系数.在-10℃～5℃,压力6.6MPa下,含体积比甲烷90.01%,乙烷5.03%,丙烷4.96%的混合气与0.971mol/m3十二烷基磺酸钠水溶液生成的水合物的导热系数约为0.55W/(m·K),并且其值随温度的上升而增高,呈玻璃体导热特性.由于“爬壁”效应的存在,混合气与饱含SDS水溶液的沙子多孔介质反应生成含混合气水合物的沙子多孔介质的有效导热系数（约1.2W/(m·K)）显著低于含四氢呋喃水合物的沙子多孔介质的值（约1.9W/(m·K)）.虽然本实验使用了SDS来加速和促进水合反应的进行,但是水合物样品中依然存在游离水,因此本研究采用了温度振荡法来进一步促进含SDS水溶液的水合反应进行,研究发现当浴槽温度在-10℃～4℃间周期变化时,游离水在水的相变温度区附近转变为水合物,通过几个周期的温度振荡,样品中的游离水被完全消耗掉.最后通过对含不同浓度SDS的四氢呋喃水合物导热系数测试,讨论了实验中加入SDS对水合物导热系数的影响,结果认为本实验中加入的SDS量对测试结果影响很小（±1.5%）.