天然气水合物及其勘查研究Word格式.docx

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1、天然气水合物及其产出状态

天然气水合物，也叫做气体水合物（gashydrate），是由天然气与水分子在高压（大于100个大气压或大于10MPa）和低温（0℃～10℃）条件下混合而成的一种固态结晶物质。

由于天然气水合物中80%～90%或其以上的成分是甲烷，因而也有人把天然气水合物叫做甲烷水合物（MethaneHydrate或MethaneGasHydrate）。

另外，由于天然气水合物多呈白色或浅灰色晶体产出，外貌类似冰雪，可以像固体酒精块一样被火点燃，因而一般俗称“可燃冰”。

天然气水合物所赋存的沉积物多数是新生代沉积。

在沉积层中，天然气水合物可以呈分散状或分散浸染状（如中国获得的样品）赋存于沉积物中；

也可以以胶结方式充填于沉积物的孔隙中（如中国获得的样品）；

也可以呈结核状、团块状（如美国获得的样品）和薄层状（如中国获得的样品）等集合体形式赋存于沉积物中；

还可以呈细脉状、网脉状等脉状（如美国获得的样品）充填于沉积物裂隙中产出。

2、天然气水合物理化特性

从结晶化学结构看，天然气水合物是由水分子搭接成为像笼子一样的多面体结晶格架，以甲烷为主的气体分子被包含在水分子笼子格架中而形成的。

在不同的温度、压力条件下，天然气水合物具有不同的多面体结晶格架。

在天然气水合物内部，水分子多面体结晶格架就像蟋蟀笼子那样。

每个笼子都有空腔，甲烷分子就被锁在空腔中。

在常温常压下，天然气水合物会分解，甲烷分子逸出，水分子结晶格架就会崩解，成为液态水。

在天然气水合物种，水分子和甲烷分子“相依为命”，缺一不可。

从物理性质看（表1），天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度；

剪切系数、电介常数和热传导率均低于冰。

在天然气水合物中，声波传播速度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物；

中子孔隙度低于饱和水沉积物。

这些物性差异是采用物探方法识别天然气水合物的理论依据。

此外，天然气水合物的毛细管孔隙压力较高。

表1　天然气水合物与其它物质物理性质比较

参　数

纯天然气

水合物

含水合物

沉积物

含　气

饱和水

冰

声波VP

3.25～3.6

2.05～4.5

0.06～1.45

1.6～2.5

3.8

声波VS

1.65

0.14～1.56

0.38～0.39

VP/VS

1.95

1.88

密度

（g/cm3）

0.912

1.15～2.4

1.26～2.42

平均1.75

0.916

中子孔隙度

50～60

70

体积模量

5.6

8.8

剪切系数

2.4

3.9

泊松比

0.33

电阻率

1.75

1～3

电介常数

56

94

热传导率

0.94±

0.02

2.23

表1注释：

声波VP：

纵波波速，单位km/sec

声波VS：

横波波速，单位km/sec

VP/VS：

条件“0℃”

中子孔隙度：

石灰岩单位%

体积模量：

条件“－1℃”

剪切系数：

电阻率：

单位Ω·

M

电介常数：

热传导率：

条件“－10℃”，单位W/m·

K

天然气水合物的形成与分布主要受烃类气体来源和一定的温度、压力条件控制。

1、形成条件

天然气水合物的形成必须有充足的天然气来源，必须有低温或高压条件。

具体而言，天然气水合物的形成至少要具备以下三个条件：

第一是温度不能太高。

海底的温度一般为2℃～4℃，适合天然气水合物的形成。

高于20℃，天然气水合物就会分解成天然气和水。

第二是压力要足够大。

在0℃时，只需要30个大气压，就可以形成天然气水合物。

海水深度每增加10米，压力就会增加1个大气压。

因此，海水深度达到300米，压力就可以达到30个大气压。

海水越深，压力越大，形成的天然气水合物也就越稳定。

第三是要有甲烷气源。

海底古生物尸体的沉积物被细菌分解会产生甲烷；

或者是天然气在地球深部形成，并不断上升进入地壳。

气源条件决定了天然气水合物一般形成于富含有机质的沉积物内，特别是在石油、天然气藏的周围。

据研究，生成天然气水合物的烃类气体，主要来源于沉积物中微生物对有机质的分解，个别地区也有部分气体来源于深部沉积地层中有机质的热分解（如美国东南大陆边缘天然气水合物的部分气源是厚度大于13公里的卡罗莱纳组沉积地层）。

这些烃类气体在海底沉积物的孔隙中形成天然气水合物。

天然气水合物的生成速度非常迅速。

最近，德国科学家在海底甲烷气体取样器和照相机上就见有天然气水合物生成。

但是，海底天然气水合物矿藏的形成可能要持续数百万年。

在上述三个条件都具备的情况下，天然气就会在沉积物介质的孔隙中与水分子混合而形成天然气水合物。

在常温、常压条件下，天然气水合物会分解成天然气和水。

2、分布规律

天然气水合物的形成条件决定了它的特殊分布规律。

从目前勘查研究成果来看，天然气水合物遍布全球，无论是大陆高纬度永久冻土带、两极冰盖，还是大洋的大陆架边缘、大陆坡和深海区，都有它的踪迹。

其分布的海域估计可占大洋面积的10％。

不过，天然气水合物主要分布在地球上以下两类地区：

一类地区是水深为300～4000米的海洋。

在这里，天然气水合物基本上是在高压条件下形成的，主要分布于泥质海底，赋存于海底以下0～1500米的松散沉积层中。

另一类地区是大陆高纬度地区永久冻土带以及水深在100～250米以下的极地陆架海。

在这里，天然气水合物主要是在永久冻土带的低温条件以及极地陆架海在低海面时期的低温条件下形成的。

目前，已勘查发现并圈定有天然气水合物的地区，主要分布在：

西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、日本四国海槽、日本南海海槽、印尼苏拉威西海、澳大利亚西北海域及新西兰北岛外海；

东太平洋海域的中美海槽、美国北加利福尼亚－俄勒冈的岸外海域及秘鲁海槽；

大西洋西部海域的美国东海大陆边缘布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海及南美东海岸外陆缘海，以及非洲西海岸的岸外海域；

印度洋的阿曼海湾；

北极的巴伦支海和波弗特海；

南极的罗斯海和威德尔海；

内陆的黑海和里海等。

从全球来看，海洋天然气水合物占绝对优势。

海洋天然气水合物分布于世界各大洋边缘海域的大陆坡、陆隆（深水海台）和盆地，以及一些内陆海。

已有发现表明，海洋天然气水合物主要分布在北半球，并且以太平洋边缘海域最多，其次是大西洋。

大洋边缘海域的大陆坡、陆隆区是形成天然气水合物的最佳地区。

这是因为，这里沉积物较发育，有机质丰富，以甲烷为主的烃类气体来源充足，有利于天然气水合物的形成。

据报道，地球上天然气水合物分布区有117处。

在地球上述海域内，有88处直接或间接发现了天然气水合物。

其中，有26处在沉积物岩芯中见到天然气水合物，即已经获得天然气水合物样品（其中，海域23处，陆域3处）。

有62处见到有作为天然气水合物地震标志的似海底反射层（BSR），有许多地方见到有生物及碳酸盐结壳标志。

天然气水合物可以通过海底沉积物取样、钻探取样和深潜考察等方式直接识别，也可以通过似海底反射层（BSR）、速度－振幅异常结构、地球化学异常、多波速测深以及海底电视摄像等方式间接识别。

下面介绍一些间接识别标志。

1、地震标志

海洋天然气水合物存在的主要地震标志有：

似海底反射层（BSR）、振幅变形（空白反射）、速度倒置、速度－振幅异常结构（VAMP）。

大规模的天然气水合物聚集可以通过高电阻率（大于100欧·

米）声波速度、低体积密度等参数进行直接判读。

似海底反射层BSR是地震反射剖面上的一个平行或基本平行于海底、可切过一切层面或断层面的声波反射界面。

天然气水合物矿层之下，还常常圈闭有大量的游离甲烷气体（游离天然气），从而导致在地震反射剖面上产生BSR。

现已证实，BSR代表的是天然气水合物矿层的底界面或基底，其上为固态的天然气水合物矿层，声波速率高，其下为游离甲烷气体或仅仅为孔隙水充填的沉积物，声波速率低，因而在地震反射剖面上形成强的负阻抗反射界面。

因此，BSR是由于低渗透率的天然气水合物矿层与其下大量游离天然气及饱和水沉积物之间、在声阻抗（或声波传播速度）上存在较大差异而形成的。

由于天然气水合物矿层的底界面主要受所在海域的地温梯度控制，往往位于海底以下一定的深度，因而BSR基本平行于海底，所以被称为“似海底反射层”。

BSR除了被用来识别天然气水合物的存在和编制天然气水合物分布图以外，还被用来判明天然气水合物矿层的顶底界面及其产状，计算天然气水合物矿层的深度、厚度和体积。

然而，并不是所有的天然气水合物都存在BSR。

在平缓的海底，即使有天然气水合物存在，也不易识别出BSR。

BSR常常出现在斜坡或地形起伏的海域。

另外，也并不是所有的BSR都对应有天然气水合物的存在。

在极少数情况下，其它因素也可能导致BSR的形成。

还应注意的是，尽管绝大部分天然气水合物矿层都位于BSR之上，但是并不是所有的天然气水合物矿层都位于BSR之上。

这已经被深海钻探所证明。

因此，BSR不能被作为天然气水合物存在的唯一标志，应结合其它勘查方法综合判断。

近几年来，分析和研究地震的速度结构，已成为该学科领域的前沿。

天然气水合物层是高速层，其下的饱气层或饱水层是低速层。

在速度曲线上，BSR界面处的速度会出现突然降低，表现出明显的速度异常结构。

此外，分析地震的振幅结构也可识别天然气水合物。

相对而言，天然气水合物层是刚性层，其下的饱气层或饱水层是塑性层。

因此，在振幅曲线上，BSR界面处的振幅会出现突然减小，表现出明显的振幅异常结构。

这种识别标志对海底平缓的海域来说，尤其显得重要。

2、地球化学标志

浅层沉积物和底层海水的甲烷浓度异常高，浅层沉积物孔隙水的氯Cl含量（或矿化度）和氧同位素δ18O异常高，出现富含重氧的菱铁矿等，均可作为识别天然气水合物存在的地球化学标志。

3、海底地形地貌标志

在海洋环境中，天然气水合物富集区烃类气体的渗逸，可以在海底形成特殊的环境和特殊的微地形地貌。

天然气水合物存在的地貌标志主要有：

泄气窗、甲烷气苗、泥火山、麻点状地形、碳酸盐壳、化学合成生物群等。

最近几年，德国基尔大学Geomar研究所，通过海底观测，在美国俄勒冈州西部大陆边缘Cascadia天然气水合物海台，就发现了许多不连续分布、大小在5cm2左右的天然气水合物泄气窗。

在这种泄气窗中，甲烷气苗一股一股地渗逸出来，渗气速度为每分钟达5公升。

在这种渗逸气流的周围有微生物、蛤和碳酸盐壳出现。

4、海底“冷泉”生物群标志

深海“黑暗食物链”并不以热液为限。

在大陆坡、深海区分布着天然气水合物。

一旦海底升温或减压，它就会释放出大量甲烷，可以在海水中形成甲烷柱，被科学家称为“冷泉”