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.     

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.     

多组分天然气水合物在海底沉积层中稳定区及存在区的预测

本文研究了多组分天然气在海底沉积层中稳定区和存在区的一些特点. 首先,考虑盐的浓度的影响,建立了天然气含有甲烷和丙烷两种组分的水合物形成的相变曲线,即温度和压力关系曲线,同时也建立了甲烷和丙烷两种组分天然气溶解度的加权关系. 运用水合物预测模型,计算了多组分天然气水合物在海底沉积层中的稳定区及存在区,并同单组分的甲烷水合物的结果进行了对比.计算表明：两种组分的天然气水合物的稳定区与单组分甲烷水合物的稳定区有较大差别,这归因于丙烷对相变曲线大的影响;当天然气浓度大于对应的溶解度时,水合物将形成,由此决定了存在区域;稳定区和存在区范围都受到丙烷含量的较大影响,盐度的增大则减少了稳定区范围. 最后对甲烷分别与其他气体（例如二氧化碳,乙烷和硫化氢等）组合的天然气水合物形成的稳定区范围进行了简要的分析.     

天然气水合物似海底反射层的全波形反演

建立了天然气水合物似海底反射层(BSR)研究的全波形反演方法. 这是一种将 水平层状弹性介质的反射共中心点道集转换为截距时间-水平慢度域的反演方法. 反演过程 中采用了全局搜索方法与非线性局部搜索方法. 分两步进行. 第一步是根据走时数据应用非 常快速模拟算法求得速度结构的长波长分量. 第二步,利用波形资料用共轭梯度法求得速度 的短波长扰动分量. 这样,最后反演得到的速度结构模型包含了长波长与短波长分量. 反演 中利用了多网格参数化技术. 日本东南海海槽双BSR的速度结构的反演表明,全波形反演是 天然气水合物BSR研究的重要手段之一.     

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。     

海洋天然气水合物的地球物理研究(Ⅲ):似海底反射

对天然气水合物研究中与似海底反射有关的一些观点进行讨论，以推动天然气水合物地震研究的认识．30年的似海底反射研究表明，似海底反射仍然是指示天然气水合物沉积存在的最好手段之一．有似海底反射，是可以认为存在天然气水合物的．虽然存在“游离气带速度模型”与“水合物楔速度模型”，但似海底反射主要由天然气水合物稳定带底界下方的游离气引起．BSR上方的天然气水合物、下方的游离气与天然气再循环和含甲烷的流体流有关．由于天然气水合物稳定带计算控制因素难以准确确定等因素，似海底反射与天然气水合物稳定带底界只是近似的对应关系．需从动态的观点考虑天然气水合物．天然气体系及其与似海底反射的关系．     

海洋天然气水合物的地球物理研究(Ⅳ):双似海底反射

由于双似海底反射可望指示一个动态演化的天然气水合物-游离气体系特征，这一重要问题的研究非常有意义。目前在世界上有两个双似海底反射分布区最为典型，一是挪威西部大陆边缘，另一个为东南海海槽大陆边缘，对双BSR的解释，主要有两种，一种是残留BSR，对应古温压条件下天然气水合物稳定带底界的反射，另一种是混合气体水合物沉积的底界反射。阐明双似海底反射层空间分布特征与其成因，建立动态演化的天然气水合物-天然气体系模型，可为深入了解天然气水合物形成机制、分布规律及其地质历史中的演变提供重要的科学基础。     

盐度对甲烷气水合物系统的影响

从描述天然气水合物系统的动力学模型出发, 利用拟解析方法将纯甲烷气水合物系统的稳态模型推广到包含盐度的情况. 基于包含盐度的这种新稳态模型, 通过数值方法来确定甲烷气水合物稳定带(MHSZ)和甲烷气水合物实际存在区(MHZ)的顶界和底界、以及游离气存在区的顶界. 数值结果表明, 甲烷气水合物实际存在区的厚度随盐度的增大而变薄; 盐的存在降低了气体水合物的稳定性, 引起MHSZ的底界上移, 进而导致水合物稳定带的厚度比纯水情况下的厚度变薄. 另一方面, 由于降低溶解度会减少形成水合物所需气体的数量, 所以海水中盐的存在可能会促进更多天然气水合物在稳定带的形成. 数值模拟结果也表明, 对于盐水情况, 在天然气水合物稳定区甲烷气的存在并不能充分保证气体水合物的生成, 只有当溶解于盐溶液中的甲烷气浓度大于盐水中的甲烷气溶解度, 并且甲烷气通量大于相应的甲烷气扩散传输率的临界值时, 甲烷气水合物才会生成. 为了保持海洋沉积物中气水合物的存在或形成甲烷气水合物, 甲烷气源源不断的供给是必需的, 只有这样, 才能补偿因甲烷气扩散和对流所引起的损失, 这些源源不断的甲烷气可能是源于微生物或者地热过程.     

南海北部陆坡水合物分解引起海底不稳定性的定量分析

分析了天然气水合物分解引起海底斜坡不稳定性的原因,探讨了水合物分解引起沉积物层孔隙压力变化规律.以南海北部神狐海域水合物样品钻获区为研究对象,应用极限平衡法探讨了海底无限斜坡的稳定性问题,计算了设定的不同滑动面的安全系数,建立了目标不稳定区相关参数条件下的水合物分解与海底斜坡不稳定的模式图,模拟计算了不同程度的水合物分解对海底斜坡失稳的影响作用.结果表明：在假设条件下,南海神狐海域当水深为1200 m,沉积物层厚度为200 m,对于20°的较大坡角,沉积物层中5%水合物分解将引起海底斜坡失稳;斜坡坡角为5°时,沉积物层中15%水合物分解后,将会引起海底斜坡失稳;当斜坡坡角为3°或更小时,沉积物层中25%水合物分解后,将会引起海底斜坡失稳.     

海洋环境甲烷水合物溶解度及其对水合物发育特征的控制

除合适的温度和压力条件外,甲烷水合物的形成还需要有充足的甲烷供给,沉积物孔隙水中的甲烷浓度必须大于甲烷水合物的溶解度.本文建立了水合物－水－游离气三相体系、水合物－水二相体系、气－水二相体系的甲烷溶解度计算优选方法,计算确定了水合物系统的甲烷溶解度-深度相图,依此划分出游离气、溶解气、水-水合物、水-水合物-游离气四个甲烷不同相态分布区.对水合物脊ODP1249和1250钻位、布莱克海台ODP997钻位稳定带甲烷水合物含量和稳定带之下游离气含量进行了计算.ODP1249浅部13.5～72.4 mbsf(mbsf表示海底以下深度)的甲烷水合物是沉积物孔隙体积的10%～61%,ODP1250钻位35～106.5 mbsf的甲烷水合物约为孔隙体积的0.7%～1.9%,水合物层之下游离气层厚约22 m,游离气含量约占孔隙的4%.布莱克海台ODP997钻位的浅部146.9 mbsf处无水合物发育,202.4～433.3 mbsf之间水合物占孔隙体积的约5%～7%,水合物层之下游离气层厚约80 m,游离甲烷含量为孔隙的0.2%～28%.     

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.     

南海北部神狐海域甲烷水合物BHSZ与BSR的比较研究

天然气水合物(主要是甲烷水合物)因其重要的资源、环境意义越来越受人们关注.其在海底沉积物中的稳定存在及分布受温度、压力、甲烷供应量等因素的控制,勘探工作中,经常把似海底反射层(BSR)对应于甲烷水合物的稳定带底界(BHSZ).通过对南海北部地区甲烷水合物BHSZ与BSR的对比研究,我们发现在南海北部部分地区二者并不一致,二者之间的误差较大且呈一定的规律性分布,在神狐地区北部,水深较浅、沉积速率较快,BHSZ与BSR的误差为负,绝对值达192%;而在水深较深、基底为隆起的、沉积速率相对慢的神狐东南部,BHSZ与BSR的误差逐渐过渡到为正值,误差约为45%,我们综合分析了由速度-深度关系、BSR深度处反射时间、海底温度、平均热导率、静水/静岩压力模型、水合物稳定P-T方程等参数、流体活动性等计算参数可导致的的误差范围,最后认为导致BHSZ与BSR之间误差的主要因素可能是对BSR的理论认识上,在南海北部地区地震反射识别的部分BSR对应的可能是游离气带顶界(TFGZ)或古BSR或仅仅是由近水平地层或不整合面封存的含气层,而非传统意义上对应于BHSZ的BSR.而造成BHSZ与BSR规律性分布的基础地质因素则可能为在张裂基底上不同构造部位发育的不同的沉降、沉积过程及其热响应,进而造成不同的甲烷生成量、聚集量以及不同的水合物系统相对沉积物的迁移速率,最后产生不同深度的游离气顶界或不同深度的残留异常"古BSR"或含气层.     

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.     

GPS大气掩星技术在全球气候变化研究中的应用

人类活动引起全球变暖,衡量全球气候变化的指标有陆地、大气和海洋温度,水汽含量等等.研究对流层底层大气温度和水汽含量变化的传统方法是用数值天气预报模型和微波声纳,尚未实现用全球均匀覆盖的数据来做精确的定量研究.和GNSS系列卫星计划比较,最近发射的COSMIC卫星气象探测数据的空间、时间以及垂直分辨率都大大提高.采用COSMIC数据可以改进和量化南极洲的大气压力模型,并综合GNSS系列卫星测量的水汽和温度剖面研究全球气候变化.用一维协方差算法估计南极洲及附近海洋的大气压、温度和湿度剖面.把COSMIC卫星密集测量期间演算得到的大气折射率和GNSS系列卫星的结果进行比较.再和独立测量数据进行比较,包括南极洲自动气象观测站资料,数值天气预报模型资料,多种测高卫星水汽资料和海洋表面温度资料以及区域GPS水汽图.上述工作将改进发展中的气象遥感技术并应用于天气预报和空间天气预报及全球气候变化研究.     

海底滑坡对天然气水合物和游离气分布及富集的影响

三维地震和随钻测井数据表明在珠江口盆地南部发育了海底滑坡、天然气水合物和游离气,是研究海底滑坡对天然气水合物和游离气分布与富集影响的典型区域.本文基于有效介质模型与阿尔奇方程计算了饱和水层的纵波速度和电阻率,并与实测的纵波速度和电阻率对比,识别了天然气水合物层和多个游离气层.结合三维地震数据的相干、振幅等属性变化,发现海底滑坡不同位置天然气水合物、游离气和断层的空间分布存在差异.由于海底滑坡侵蚀作用导致天然气水合物稳定带底界下移,当相对富砂储层位于新调整的稳定带底界之上,并且局部发育的断层连通了游离气层时,水合物广泛分布;而稳定带底界下方缺乏断层的区域,游离气缺乏向上运移的有利通道,被圈闭在相对较深的地层,水合物并不发育.该研究为进一步探讨水合物和游离气的分布与海底滑坡作用的关系提供了直接证据,并为水合物与游离气合采目标的探寻提供思路.

     

天然气水合物体系动态演化研究（I）：地质历史演变

1995年Dickens对55．5Ma前古新世末增温事件进行了研究，提出天然气水合物作为全球环境变化重要因子的假说．认为古新世末增温事件溶解无机碳-2～-3‰的^13δC位移可以用水合物所含甲烷的释放与随后氧化成二氧化碳来解释．此后，地质历史演变中的天然气水合物演化研究蓬勃发展，本文总结古新世末增温事件、新元古代末期雪球事件、第四纪千年尺度事件等最新进展，为天然气水合物动态演化研究提供基础．开展天然气水合物-天然气体系动态演化过程数值模拟与特征分析，可望促进天然气水合物在全球变化与碳循环中作用的深入认识．     

Foldback reflectors near methane hydrate bottom‐simulating reflectors: Indicators of gas distribution from 3D seismic images in the eastern Nankai Trough

Understanding of fluid behavior and gas distribution in the shallow subsurface are important considerations in gas hydrate formation and the global carbon cycle. Estimation of gas distribution based on reflection seismic surveys, however, is difficult because the boundary of a gas‐bearing zone is indistinct and not systematically defined. This study reports distinctive features related to gas‐hydrate distribution and possible fluid migration in high‐resolution 3D seismic‐reflection data from sediments of the eastern Nankai Trough. These features, here termed foldback reflectors (FBRs), descend in accordion shaped reflectors near the edges of bottom‐simulating reflectors (BSRs). FBRs generally correspond to lateral boundaries between two seismic facies, a ‘dimmed’ facies with relatively low amplitude and subdued high‐frequency components beneath the BSR and the contrasting facies around the BSR. The dimmed facies corresponds to areas of anomalously low velocity consistent with a small amount of free gas. FBR is mostly developed in well‐stratified formations in uplifted regions. Dip directions of the FBR appear to be restricted by orientation of the host formations. Edges of the FBR often correspond to high‐amplitude layers. Such occurrences of FBR suggest that regional uplift and layer‐parallel fluid migration are related to the formation of FBR as well as BSR.