南海北部陆坡天然气水合物区地质灾害类型及其分布特征

南海北部陆坡区存在着有利天然气水合物的成藏条件,综合调查及钻探结果揭示南海北部陆坡区蕴藏着丰富的天然气水合物资源,天然气水合物多发育在构造活动复杂地区,同时也是灾害地质因素高发区,潜在的灾害地质因素对水合物的赋存及商业开发是极大的威胁。本文基于广州海洋地质调查局多年来在南海北部天然气水合物发育区采集的大量2D、3D、浅地层剖面及多波束测深资料对南海北部水合物发育区进行海底灾害地质研究,对研究区地形地貌特征、灾害地质因素类型、特征、成因及分布特征进行了综合分析,同时阐述了灾害地质因素与水合物的形成与分解之间的关系,研究结果对南海北部陆坡区天然气水合物区成矿预测、试采井布置及未来灾害风险评价提供了基础数据和决策依据。     

天然气水合物的特征及环境意义

天然气水合物是由甲烷等气体和水分子组成的类冰状的固态物质,主要分布在极地永冻层和外大陆架边缘的海洋沉积物中,赋存在天然气水合物中的碳约为１０＾１３吨,相当于全球其他化石燃料中碳含量的两倍,由于天然气水合物处于亚稳定状态。因此天然气水合物既可作为２１世纪潜在能源资源,又可以非稳定状态导致海底滑塌和滑坡等地质灾害,并可通过释放甲烷影响全球气候。     

海洋天然气水合物钻井的硅酸盐钻井液研究

在海洋含天然气水合物地层中钻进时,遇到的问题有水合物在井底的分解和管线内的再生成,以及井壁稳定和井涌的问题。配制合适的钻井液是解决上述问题的关键。通过大量实验,得到一种加入无机盐和动力学抑制剂的稀硅酸盐钻井液,并通过实验对其性能进行评价。结果表明:配制的硅酸盐钻井液不仅能满足常规钻井液携带岩屑和清洁井眼的要求,还能有效抑制井壁岩层的水化,抑制水合物地层的分解,以及控制水合物在管线内的再生成;因此可以满足深水含水合物地层钻进的要求,确保水合物地层钻探安全高效地进行。     

大陆边缘深水区海底滑坡及其不稳定性风险评估

海底滑坡是大陆坡一种常见的沉积作用过程。这种沉积作用包括滑塌和碎屑流等重力流作用过程,它能将沉积物运移数百公里,严重危害深水油气开发平台、油气管线、海底电缆等设施;同时,还可能导致巨大破坏性的海啸。虽然导致海底滑坡的因素很多,但近年来发现海底滑坡的触发机制可能与地震作用和海底天然气水合物的分解关系密切。随着深水油田的开发和深海工程的日益增多,这种地质作用越来越引起学术界和工业界的重视。在介绍大陆边缘深水区海底滑坡的构成、识别和触发机制的基础上,提出海底滑坡的地质风险评估方法。     

海洋天然气水合物的模拟实验研究现状

综述了国内外海洋天然气水合物的模拟实验研究成果及进展，介绍了海洋天然气水合物生成过程中除温度和压力外的各种影响因素及其实验技术，重点讨论了海洋天然气水合物模拟实验研究的实验装置和各种探测技术。引用文献27篇。     

孔隙水中NH_4~+和HPO_4~(2-)浓度异常:一种潜在的天然气水合物地球化学勘查新指标

在海洋天然气水合物的勘查与研究中地球化学方法发挥了重大作用。利用海洋沉积物孔隙水中各种离子含量和同位素异常可以有效示踪天然气水合物的存在, 其中Cl-浓度异常、SO42-浓度梯度和氧同位素组成异常已成为指示天然气水合物存在的灵敏示踪剂。通过对比有和没有天然气水合物存在的海域浅表层沉积物中孔隙水的NH4+和HPO42-含量, 发现有天然气水合物区的孔隙水中NH4+和HPO42-浓度明显偏高, 且存在与SO42-类似的浓度梯度曲线, 认为孔隙水中NH4+和HPO42-浓度异常有可能成为一种新的地球化学示踪剂, 指示天然气水合物的存在; 探讨了引起孔隙水中NH +和HPO 2-浓度异常的可能机理及精确测定这些离子含量的方法。     

考虑天然气水合物上覆层不排水抗剪强度深度变化的海底斜坡稳定性影响分析

天然气水合物分解可以诱发海底斜坡失稳对海底工程设施产生造成破坏影响。因此,海底斜坡稳定性状态评价对海底工程设施选址、安全运行具有重要意义。文章根据南海北部神狐海域水合物富集区工程地质特征,采用有限元强度折减法分析了斜坡几何参数、土层强度变化,以及水合物储层特征等因素对水合物分解前后海底斜坡稳定性的影响规律。结果表明,未考虑水合物分解时,海底斜坡稳定性主要受控于斜坡坡度和土体强度,且主要表现为浅层滑坡。考虑水合物的分解时,水合物层强度降低会对斜坡的整体稳定性产生影响,但同等上覆层条件下最危险滑动面位置受水合物层埋深影响较大,且存在受地形几何特征与上覆土层强度控制的临界埋深。埋深大于临界埋深时,水合物分解对斜坡稳定性的影响较小,最危险滑动面位置位于上部浅层,表现为浅表层破坏。小于临界埋深时,最危险滑动面位置则经过水合物层,表现为深层滑坡。根据目前模型中的水合物层埋深条件,水合物分解后的深层滑动面安全系数仍高于浅部地层,意味该海域水合物开采仍需要关注浅层海底滑坡灾害的影响。     

海底天然气渗漏形成水合物量的线性动力学模型:以墨西哥湾GC185区块Bush高地为例

世界许多地区如墨西哥湾，存在着大量天然气渗漏并形成水合物的现象，出于科学，生态，气候和安全的需要。人类有必要弄清存在于海底以水合成形式存在的天然气的比例。因此，构建了水合物形成量的线性动力学模型，以分析墨西哥湾GC185块区Bush高地海底渗漏天然气的地质过程和行为。Bush高地渗漏的天然气来源于附近的Jolliet气藏，结果表明，渗漏天然气中约有9％的海底形成了水合物。     

海域天然气水合物试采目标优选定量评价方法初探

水合物试采的先决条件是目标是否符合地质与工程的可采条件.然而,由于前期无经验可循,尚无可定量化评价目标的方法.为克服水合物试采目标优选难题,从地质与工程两个角度建立了试采目标综合评价指标体系,在以储层孔隙度、水合物层厚度、水合物饱和度、储层固有渗透率、储层原位温度与压力作为6个地质因素,以储层水深、海底坡度、强度与上覆...     

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。     

天然气水合物分解的甲烷对海洋生物的影响

随着海底环境的变化以及全球变暖的加剧,天然气水合物分解释放出大量甲烷到海洋中,其中一部分甲烷会穿过海水释放到大气中,导致大气中的温室气体增加,从而加剧了全球暖化。本文从甲烷的释放和运移路径角度梳理和总结了甲烷对海洋生物的直接和间接影响。首先,水合物分解释放甲烷,在海底形成冷泉渗漏区,滋养了一批特殊的生物群落,而甲烷是其形成生命元素中不可或缺的要素,由此繁衍形成了冷泉生态系统。其次,甲烷释放到海水中会引起海水酸化,海水酸化不仅会导致钙化生物合成碳酸钙外壳受阻,还会加速已生成外壳的溶解。最后,甲烷作为强温室气体释放到大气中还会加剧全球变暖;此外,极地冻土层的融化也会使得冻土区天然气水合物分解,导致大量甲烷进入大气中,从而致使海水暖化,海水的暖化又会对海洋生物的生存、代谢、繁殖、发育和免疫应答等多种生命活动造成影响。以上认识为进一步研究甲烷对未来海洋生态系统的影响提供重要参考信息。     

海底天然气水合物地层钻探甲酸盐钻井液实验

在海底含天然气水合物地层钻进时, 水合物的分解和进入泥浆循环系统的天然气重新生成水合物是影响钻井安全的主要因素.为获得确保在水合物地层安全钻进的钻井液, 利用“天然气水合物模拟实验系统”研究评价: 粘土对甲酸盐钻井液低温流变性的影响、甲酸盐无土钻井液的低温流变性和动力学抑制剂PVPK-30、PVPK-90的水合物抑制效果.表明: 加入粘土的甲酸盐钻井液在低温条件下粘、切增长较快; 甲酸盐无土钻井液在低温条件下, 流变参数变化不大; 在-4℃和18MPa附近压力的实验条件下, PVPK-90抑制性能优于PVPK-30;加入1%PVPK-90的甲酸盐无土钻井液抑制效果良好.      

我国海洋地质分析测试技术

21世纪是海洋开发和利用的新世纪,随着国家对海洋地质调查工作的日益重视,海洋地质分析测试技术迎来了快速发展时期。本文对我国海洋地质分析测试技术的最新进展进行了简要评述:为满足海洋区域调查、海岸带地质调查的需要,建立了以大型分析仪器为主的多元素同时分析海洋地质样品的快速高效分析方法体系;针对新能源天然气水合物样品,开展了异常识别测试技术和应用测试技术研究,建立了用离子色谱法快速测定孔隙水中阴离子Cl^-、Br^-、SO₄^2-和阳离子Na⁺、NH₄⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺ 的方法,开发出了以声学、电阻、时域反射(Time Domain Reflectometry, 简称为TDR)三种探测技术为主的适用于天然气水合物模拟实验的探测新技术;对于海洋沉积物中有机污染物样品,采用复合固相萃取净化柱,对海洋沉积物萃取液样品进行净化分离,依次选用正己烷和正己烷－二氯甲烷混合液淋洗固相萃取净化柱,可有效保留基体杂质,实现了海洋环境地质调查中基质复杂沉积物样品的同时净化、分离与测试,可显著提高实验效率;同时在大洋矿产样品分析技术、海洋地质标准物质研制、船载与原位化学探测技术等方面也取得了重要进展。本文还提出在海洋调查和监测的应用中,船载及原位测试技术将愈趋重要,加强海洋化学传感器的性能和检测集成化技术是今后的一个重要发展方向。     

海洋天然气水合物勘查和识别新技术:地质微生物技术

当前国内外海洋天然气水合物勘查和评价发展趋势要求有更多具有精细探测和评价功能的技术,这给地质微生物水合物探测技术的研发和应用提出了需求和挑战。简要介绍了当前水合物成藏或沉积环境研究中所涉及的主要微生物类别及其主要关系,它们绝大多数是适应海底深部低温高压环境的厌氧极端生物。其中重要类群是为天然气提供气源的产甲烷古生菌、参与甲烷厌氧氧化过程的甲烷氧化古生菌和硫酸盐还原细菌。介绍了国内外几个地质微生物探测技术的实例,包括历史悠久的"微生物油气勘探"技术、近十年来发展起来的微生物计数法、群落结构和标志类别法;另外,对新露头角的微生物生物标志物法等其他方法也给予简要介绍。     

复杂深海工程地质原位长期监测系统研发与应用

海底滑坡、浊流等深海底地质灾害严重威胁海洋工程安全,是国家深海开发亟待解决的风险问题。为避免深海海底地质灾害对海底工程造成危害,解决深海海底地质灾害监测预警的难题,我们研发了一套复杂深海工程地质原位长期监测系统。该系统通过声学、电阻率、超孔隙水压力等方法监测深海海底沉积物的物理力学性质变化,实现了对深海海底地质灾害的监测和预警。该系统主要包括海床基搭载平台、监测系统、通信控制系统、供电系统等。其中监测系统主要通过原位长期监测海底沉积物的电阻率、声学、超孔隙水压力等的变化来获取海底沉积物的物理力学性质变化;通信控制系统可以实现海底到海面,再到陆地的双向通信和数据传输。其中供电系统通过独特设计的海水电池工艺,可以满足该系统在海底长期工作一年的电量需求。复杂深海工程地质原位长期监测系统已完成了近海测试,并搭载“海洋地质六号”“东方红三号” “张謇号”等科考船在南海进行了多次远海海试,获取了丰富的实测数据。电阻率监测系统采用温纳法滚动测量,测得的水土界面位置平均电阻率为0.207 Ω·m。超孔隙水压力监测系统采用开放式结构的压差式光纤光栅孔压测量方法,监测到孔压观测的4个标志性阶段:(1)贯入过程引起的超孔隙水压力累计,峰值为34.942 kPa,历时0.182 h;(2)贯入完成后累积的超孔隙水压力衰减,衰减到9.973 kPa,历时为0.810 h;(3)环境应力引起的超孔隙水压力实时响应,超孔隙水压力的变化范围为8.327~14.384 kPa;(4)残余孔隙水压力平均值为11.150 kPa。声学监测系统采用两个一发三收模式,测量的海水平均声速为1 533 m/s,测量的海底沉积物自上而下的平均声速依次为1 586、1 587、1 784、1 735、1 831 m/s。复杂深海工程地质原位长期监测系统的成功研制将显著提升目前海洋工程地质原位长期观测的技术能力,解决复杂深海工程地质评价及地质灾害监测预警的技术难题。     

海底天然气渗漏系统演化特征及对形成水合物的影响

通过天然气沉淀水合物的动力学模拟计算,研究了墨西哥湾GC185区BushHill海底天然气渗漏系统的演化特征及对水合物沉淀的影响。渗漏早期,天然气渗漏速度大(q>18.4kg/m2-a),海底沉积以泥火山为主,渗漏天然气具有与气源天然气几乎一致的组成,形成的水合物具有最重的天然气成分。渗漏晚期,天然气渗漏速度很慢(q<0.55kg/m2-a),在海底附近没有水合物沉淀,主要以冷泉碳酸盐岩发育为主,水合物产于海底之下一定深度的沉积层中。介于二者间的渗漏中期(q:0.55～18.4kg/m2-a),海底发育水合物、自养生物群为特征,渗漏速度控制了水合物和渗漏天然气的组成及沉淀水合物的天然气比例。BushHill渗漏系统近10年的深潜重复采样显示,渗漏天然气和水合物天然气的化学组成在时空上是多变的,相对应的渗漏速度在时间上的变化约为3倍,在空间上的变化近2个数量级。     

我国区域地质灾害评价的现状及问题

滑坡等地质灾害的区域评价对制定区域地质灾害防治规划、指导国土资源的合理开发和地质环境的妥善保护具有重要意义,也是地质灾害风险评价与风险管理的基础。本文以滑坡灾种为典型,总结了近10年来中国在这一领域所开展的工作和所取得的进展。在此基础上,重点指出了工作中所暴露出来的一些问题和这些问题产生的原因。针对这些问题,提出了应该注意的方面和有关的对策措施。     

南海北部孔隙水碘与天然气水合物成藏关系研究

天然气水合物是一种重要的新型能源。然而,深海水合物具有埋藏深、作业难度大等特点,水合物难以被高效准确地识别,这已成为制约南海水合物地质调查的瓶颈之一。针对这一问题,本文结合近年来国际上新兴的碘及碘同位素方法,对南海北部台西南盆地两个站位的柱状沉积物(HD-86V和HD-109)开展了水合物成藏识别的研究。该沉积物孔隙水中碘离子含量分别介于8.3~132.0μmol/L和7.4~118.1μmol/L之间,远高于正常海水值(0.44μmol/L)。结合区域水合物勘查结果及甲烷含量特征,发现孔隙水碘离子含量与甲烷含量表现为显著的正相关关系。对比琼东南盆地及神狐工区等区域数据,均表明沉积物孔隙水碘离子含量在南海水合物成藏示踪方面具有良好的应用前景和推广价值。     

深海甲烷电化学原位长期监测技术及其在海洋环境调查和天然气水合物勘探中的意义

深海溶解甲烷浓度数据连续获取的方法技术,对于海洋环境和天然气水合物开发过程中甲烷扩散作用及通量的动态监测,具有重要的科学意义和实际应用价值。本文较详细地介绍了依据"海水脱气、气体样品定量输入、电化学高精度检测"技术思路,采用"增压排液整机系统控制的海水循环、减压稳流、气液分离、烃类组分高精度检测技术改进"方法,研发"深海甲烷电化学原位长期监测技术"的关键环节和技术方法。结合原位传感器在胶州湾港口为期94天底水长期监测实验获取的数据成果,对原位传感器的技术性能、数据质量、地质效果进行了研究评价。结果表明:(1)原位传感器量程甲烷指标达到0.01～10 000 nmol/L,灵敏度达到0.01 nmol/L,对烃类组分检测具有较好的稳定性和选择性;(2)监测水域溶解甲烷数值范围19.01～106.87 nmol/L,正常甲烷背景32.41 nmol/L,局部异常甲烷背景80.60 nmol/L,资料显示异常与污水排放过程对海水环境污染有关;(3)实测甲烷数据成果地球化学特征与胶州湾海域海水环境以往调查研究成果符合,证明了实测数据的客观性和科学性;(4)海试监测试验成果证明,原位传感器测试性能可靠、结构设计合理、设计思路科学,基本具备了海洋科学调查中对海水甲烷浓度数据获取的能力,在未来海洋天然气水合物开发过程中对甲烷扩散作用的动态监测及深海甲烷浓度通量的长期监测中,具有实际应用价值和科学意义。     

天然气水合物分解和开采的机理及数学模型研究综述

回顾了25年来国内外水合物开采数值模拟研究的进展,分析了影响水合物开采过程的主要机理,即传热、气液流动和水合物分解。将已有的模型分为热力开采、降压开采和综合3种模型,并对各种模型所具有的特点进行了讨论。综合分析认为,TOUGH Fx/HYDRATE模型充分考虑了多相多组分并借鉴上述3类开采方式,可模拟开采过程中气液流动和相态变化,具有较高的应用价值。最后探讨了目前模型的主要问题以及发展方向,认为水合物矿藏岩石的绝对渗透率、相对渗透率、热传导系数等关键参数的测量及确定是精确模拟水合物开采过程的重要因素。