国内外海洋天然气水合物勘探与探测技术方法研究Word文档格式.docx

1、 天然气水合物具有能量密度高、分布广、埋深浅、成藏物化条件好、清洁环保等特点，是石油天然气的理想接替能源。我国的南海陆坡、陆隆区及东海冲绳海槽地区区域沉降剧烈，沉积速率大，海洋有机物沉积十分丰富，具有天然气水合物形成所需的物源、温压及地质构造等成矿条件，资源前景广阔，有望成为今后我国新的替代能源，我国国民经济“十一五”发展规划已将天然气水合物资源作为保障石油安全的重要组成部分。就海域天然气水合物资源勘探技术而言，由于天然气水合物具有“气测灵敏高、埋藏水深大、矿体无规则、矿相标志多”等特点。因此，采取包括地球物理、地球化学及地质微生物等多种方法技术进行综合勘探，以获取与天然气水合物相关的多信息指

2、相标志。近二十年来，通过深海钻探取样验证，在美国的布莱克海台、俄勒岗一卡斯凯迪亚水合物脊、日本南海海槽等几个综合研究程度高的经典地区获得了天然气水合物样品，不仅证实了天然气水合物的存在，还取得了有关天然气水合物赋存规律、属性特征等实质性的突破，发现丰富的天然气水合物资源。这些发现更进一步证实地球物理、地球化学及地质微生物综合勘探是行之有效的。总之，在地球物理一地球化学勘查的基础上，适时通过钻探、采样是目前天然气水合物勘探遵循的基本勘探程序。我国积极跟踪国际海域天然气水合物勘探开发技术，积极开展天然气水合物探测技术研究，研发天然气水合物资源区域找矿的地震、地球化学综合探测技术，力求在区域上发现天

3、然气水合物各类异常信息标志，近年来研究成果已成功地应用于我国海域天然气水合物资源调查与评价工作中，在南海北部陆坡获得了天然气水合物存在的多信息证据，圈定了天然气水合物勘探远景区，取得了显著效果。随着我国天然气水合物勘探工作的持续深入开展，其勘探开发也将从天然气水合物远景区勘探发现进入到成矿区带及勘探目标区评价。“十一五”期间，渐开发天然气水合物成矿区带目标的高精度地震关键探测技术，圈定天然气水合物成矿区带，为海域天然气水合物资源整体评价、圈定目标区及天然气水合物矿田开发后备基地提供高技术支撑，并带动我国海域天然气水合物资源的高效开发和相关产业的发展，有效缓解经济发展与能源短缺的矛盾，为国民经济

4、发展做出重大贡献，这无疑对国家的石油安全、经济发展、技术创新都将具有重大的意义。国外天然气水合物勘探研究现状1965年，苏联在西伯利亚的的永久冻土中首次发现天然产出的天然气水合物。1971年，美国在其东海岸大陆边缘利用地震反射剖面发现了具有水合物标志的BSR（拟海底反射层）。20世纪70年代以来，美国、日本、加拿大、俄罗斯、挪威、德国、印度、巴西等国相继投入大量资金进行天然气水合物调查研究。1979年，国际深海钻探计划（DSDP）在大西洋和太平洋中直接发现了海底天然气水合物。从此以后，揭开了人类全面进行陆地及海洋天然气水合物调查研究的序幕。从2001年开始，美国、加拿大、日本、中国、俄罗斯及印

5、度等国都进一步加大了对水合物资源的勘查调研究的投资力度，并开始了对水合物开发工艺的研究和开采试验。为了获得水合物钻探取样的施工经验和验证加拿大Mackenzine冻土区天然气水合物异常，1998年，加拿大地质调查局负责组织，美国、日本参与钻探施工的名为Mal1ik2L38测试井，深度达1150m取出部分水合物岩心样品证实了天然气水合物的存在，实现了对陆域冻土天然气水合物认识上的飞跃。此后，加拿大地质调查局又联合德国、印度和ICDP等国家和国际组织，于2002年在该地区再次进行了Ma11ik5L38井钻探取样和试开采施工项目，并成功开展了开采试验。2004年12月，在日本千叶举行了该项目的阶段性

6、成果总结会。来自项目参与国家及非项目参与国的100多位科学家参加了成果总结和学术交流会议。为了未来能够开发利用陆地冻土天然气水合物，加拿大地调局于20072008年，又组织有关国家在Mallik进行了代号Mallik 2007及Mallik 2008的开采试验研究。2007年共进行了17 h的开采试验，2008年又连续进行了6天的开采试验，都采用了降压开采方法。开采试验的层段为1093 1105 m。在2008年的6天连续开采试验中，平均每天的采气量为2000 m。从20042008年，加拿大、美国及日本等国家一直在对Mallik冻土水合物进行开采试验及环境等方面的研究，并曾相继发布儿十份有关

7、研究进展报告。日本是进行水合物调查研究最积极的国家，从1998年开始，在日本经济贸易省的领导下，每年投入60亿日元，有20多个机构200多位科学家参与天然气水合物的调查研究，1999年日本利用美国Transocean Inc:公司管理的JOIDES Resolution深水钻井船首次在其南海海槽（ Nankai Trough）实施海洋天然气水合物取样钻探施工，取得了一定的进展。2004年1月18日一5月18日，日本在其南海槽再次租用美国Traneocean Inc:公司的JOIDES Resolu-tion深水钻井船，在水深20332772 m进行了世界上最大规模的海洋水合物取样钻探施工，完成

8、了32口水合物钻探取样孔，对该海域水合物资源进行了全面调查评价，并进行了开采试验研究。2006年，印度租用美国JOIDES Resolution深水钻井以及挪威Fugro公司的取样钻具完成了21口天然气水合物取心钻探井，并取出了天然气水合物岩心样品，在印度天然气水合物勘探方面取得了突破性进展。迄今，ODP是世界上完成海洋天然气水合物钻探取样调查评价次数最多国际机构，曾先后完成了Leg124, Leg139,Leg141, Leg146, Leg164, Leg196,Leg204及DDP的Leg311等航次的天然气水合物钻探取样的调查评价工作。另外，美国、挪威、欧盟等国家也在相关海域进行了天然

9、气水合物钻探取样调查评价工作。目前韩国正在进行海洋水合物调查取样钻探施工的准备工作，已于2011年进行钻探取样施工。目前在天然气水合物钻探取样技术方面，在海域，除了具有满足深水钻探施工的钻井船外，在取样及取样工艺方面，要求取样钻具要尽可能地保持水合物的原始状态，因此，国内外一些专业机构在不断研发钻探取样过程中可以保持水合物原始状态的保温保压取样钻具（PTCS ）。在水合物发现与识别方面，在海洋，人们通过海底拟反射层（BSR）初步判定海底是否有可能存在天然气水合物，但在陆域永久冻土区，人们还没有一种找到一种较准确的确定水合物是否存在或水合物异常的方法。最新得到的有关信息表明，美国、加拿大及日本原

10、计划2015 2016年对其本土的天然气水合物进行商业开采，但目前由于资源量及开采技术还存在一些技术问题，所以商业开采的时问可能要向后推迟。美国和加拿大可能要推迟到2025年左右。目前在天然气水合物调查研究方面取得最终突破的技术环节之一是开发出能钻获并保持水合物样品原始状态的钻具及施工技术。多年来国外许多机构相继开展天然气水合物钻探取样钻具的研究，除了日本与美国合作开发的保压保温取心系统（Pressure&Temperahzre Coring System-PTCS）钻具外，目前在天然气水合物保压取心钻具研究取得进展的还有ODP的ODP一PCS及深海钻探计划的DSDP -PC B保压取心钻具、

11、美国Christen sen公司的PCB保压取心钻具、美国PCBB1保压取心钻具、ESSO -PC B保压取心钻具、挪威Fugro公司的FPC保压取心钻具、欧盟的HRC保压取心钻具等。目前上述保压取心钻具有的看到实际应用情况的报道，有的没有实际应用情况的报道，但从实际应用的效果看，都不十分理想。 经过一些国家和国际机构的不断努力，迄今在地球上层先后发现了130多处天然气水合物成矿点为人类不断探索和开发利用新型接替能源提供新的希望。全球有可能存在天然气水合物及已经钻取水合物样品的分布图如图1所示。图1全球可能有水合物存在及已经钻取水合物样品的分布图2中国海域天然气水合物勘探研究新进展2.1中国开

12、展天然气水合物勘探研究的历程中国开展水合物勘探研究只有17年的时间。在中国天然气水合物勘探研究的历程中，下列事件表1中国天然气水合物资源量预测表具有代表性。（1） 1990年，中国科学院开展了合成甲烷水合物实验，取得成功。（2） 1997年，中国地质科学院吴必豪等人完成了“西太平洋气体水合物找矿前景与方法的调研”课题，认为我国东海和南海，具备天然气水合物的成藏条件和找矿前景。（3） 1998年，中国与美国国家科学基金会签署谅解备忘录，正式以六分之一成员国身份加入大洋钻探计划。（4） 1999年春，以中国科学家为主的ODP 184航次在南海实施钻探，岩心分析显示有天然气水合物存在的氯异常。199

13、9年10月，广州海洋地质调查局首次在南海开展天然气水合物前期调查，在3条共130 km的地震剖面上识别出BSR。之后，又在南海西沙海槽识别出5242 的BSR分布区。（5） 2001年，中国科学院组织召开了天然气水合物专题香山科学会议。（6） 2004年，广州海洋地质调查局与德国联合实施的“太阳号”航次，在南海北部发现水合物分解形成的巨型碳酸盐岩丘，获得碳酸盐结壳样品。（7）2007年5月，中国地质调查局在南海神狐海域3个站位钻获天然气水合物实物样品。2.2中国海域天然气水合物勘探研究新进展17年来，中国在天然气水合物勘探研究方面取得了一定的进展。（ 1）首次成功钻获天然气水合物实物样品200

14、7年5月，中国地质调查局在南海北部神狐海域首次成功钻获天然气水合物实物样品，这标志着中国成为继美国、日本、印度之后的第4个系统开展天然气水合物资源调查并获取实物样品的国家。在南海神狐海域约1200 m水深的3个钻位（SH-1,SH-4和S H-7）钻到了天然气水合物样品，水合物发育于海底之下200 m左右的泥质沉积层中，呈浸染状产出。SH-1站位水深1245 m，水合物分布在海底以下183201 m，水合物沉积层厚18 m,饱和度最高20% 。S H-4站位水深1230 m，水合物分布在海底以下191 225 m，水合物沉积层厚34m，饱和度最高43%。钻获的水合物都不含COz，气体中甲烷的含

15、量高达99.7%。夹杂着白色颗粒状“可燃冰”的海底沉积物放入水中随即冒出大量气泡（图2）。天然气水合物样品挥发出的气体可燃烧。 图2钻获的天然气水合物样品图（据周文杰，2007）这是中国水合物勘探史上一次重要的事件，标志着中国水合物勘探上的突破，具有2个方面的重要科学意义:证实了南海北部深水海域天然气水合物的存在;首次获得水合物的地球物理测井、原位温度测量、沉积物岩心及孔隙水、微生物等样品和现场物性、地化测试资料，为南海北部陆坡天然气水合物资源远景评价及成藏机理和分布规律研究提供了可靠的科学依据。（2）在南海发现了冷泉碳酸盐岩，并发现了冷泉碳酸盐岩中的石化微生物2002年5月，美国利用载人深潜

16、器在墨西哥湾GC238区海底天然气渗漏系统发育的海底采集到冷泉碳酸盐岩（图3）。中国于2002年首次在南海发现冷泉碳酸盐岩（图3），并发现了冷泉碳酸盐岩中的石化微生物。在南海发现的冷泉碳酸盐岩地化指标与墨西哥湾冷泉碳酸盐岩地化特征相同。图3南海东沙冷泉碳酸盐岩样品与墨西哥湾冷泉碳酸盐岩样品对比图2004年，中国地质调查局与德国基尔大学合作，在中国南海发现世界上规模最大的天然气水合物碳酸盐岩区，并采集到了南海海底浅表层天然气水合物样品。碳酸盐岩区分布面积为430 km，至今仍在释放甲烷气体。这一发现是南中国海存在天然气水合物的重要证据。 （3）人工合成天然气水合物样品获得成功1778年和1811

17、年，英国化学家首次在实验室中合成了含二氧化硫和含氯气的天然气水合物样品。1990年，中国科学院冻土工程实验室与莫斯科大学合作开展合成甲烷水合物实验，取得成功。合成实验材料为甲烷气体、蒸馏水。合成水合物具有与国外现场勘探所得水合物样品相同的外观和可燃性（图4）。合成的天然气水合物为人们了解水合物的物理化学性质提供了样品。图4合成的天然气水合物样品图（4）对水合物进行了成因分类Milkov和Sassen（ 2002）按地质产状把海洋水合物分成地层控制型、构造控制型和过渡型。陈多福等（2006）按水合物成因把海洋水合物分成渗漏型和扩散型两种类型，确定了渗漏型与扩散型水合物的产出特征和形成机理的差异，

18、并建立了二类水合物划分的定量模型（溶解度模型）（ 5）对底辟构造、海底麻坑与水合物的关系进行了初步研究，并首次对南海海域构造控制型水合物矿床进行了分类南海北部珠江口盆地白云凹陷位于被动大陆边缘的陆壳一过度壳之上，具有右旋张扭性构造背景，由于快速沉降和充填，发育陆相、海相2套巨厚的泥源层，加之地慢隆升、岩石圈拉张以及发生过多期次的热活动，使得该凹陷广泛发育底辟构造，为天然气运移提供了极好的条件。白云凹陷深层天然气运移到近海底有2类运移通道，一是断层，二是底辟（张树林，2007）。白云凹陷水合物的烃源运移模式有3种：沟通气源断层运移、底辟运移、底辟和断层共同运移（图5）。白云凹陷大量晚期发育的底辟

19、构造和海底麻坑预示白云凹陷发育有渗漏型水合物。图5白云凹陷底辟和断层共同运移模式图（张树林，2007）东海冲绳海槽由于有很高的沉积速率，加上槽坡的断层活动，在冰期期问，长江携带大量的陆源物质直接输送到大陆坡地区，沉积速率达300 m /Ma,产生异常高压。同时张性断层极为发育，为流体的迁移提供了良好的通道，在异常压力以及上覆地层压力作用下大量流体向上运移。从而发育大量的泥底辟构造。富含甲烷的流体易在其外围及外围海底沉积物中形成天然气水合物藏。在地震剖面上发现BSR（图6）图6东海冲绳海槽南部地震剖面图（吴时国等，2006）（ 6）海洋水合物地震勘探技术研究取得了一定进展世界范围内，水合物勘探技

20、术进展主要表现在:形成了以地震勘探为主，重力、滋力勘探为辅的综合物探方法;由常规单道、多道地震发展到多频地震、高分辨率地震和多波地震;由常规地震数据处理发展到以突出BSR特征的“三高”和叠前时问、深度偏移处理;由地震波速度、振幅结构研究识别天然气水合物发展到利用多属性判别、多弹性参数和多物性参数反演来识别水合物。（7）初步预测或证实了我国南海西沙海槽、东沙陆坡、台湾西南陆坡、南沙海槽、冲绳海槽可能存在天然气水合物广州海洋地质调查局在南海西沙海槽区识别出了5242 白云凹陷是珠江口盆地中面积最大的一个深水凹陷，位于珠江口盆地西南部陆架一陆坡过度带及上陆坡区。该凹陷具备良好的水合物成藏条件，是水合

21、物勘探的有利位置。预测白云凹陷及周边水合物资源量为8.7x10m;（张树林，2007）。预测整个南中国海水合物资源量为nx10（姚伯初，2001;梁金强，2006）。预测东海冲绳海槽水合物资源量为2.4x10（方银霞，2001）。笔者认为，包括永冻地区在内的整个中国天然气水合物资源量预测为（1.04.0） x 10m3天然气水合物勘探方法技术天然气水合物的早期勘探与石油天然气等能源一样，行之有效的做法就是采用地质、地球物理和地球化学有机结合综合研究的方法和思路。ODP/IODP和我国海洋水合物勘探工作成果证明，地质学贯穿下的地球物理和地球化学是比较有效的勘探技术。地质学是研究工作的基础，能从物

22、质来源和成藏模式方面指示勘查的总体方向;地震方法是研究工作的核心，能从介质的构造、结构以及岩性和物性标志方面研究水合物存在的有利标志;地球化学方法是研究工作的重要环节，能从海底沉积物痕量化学组份分布、烃类异常和成因等识别指标的检测上追踪提供水合物存在的直接证据（孙春岩等，2003。三种方法技术的综合研究可以最大限度地提高水合物勘查的可信度和准确性，达到事半功倍的效果。主要方法技术介绍如下。.1地质方法天然气水合物矿藏成藏最有利的部位是盆地边缘及构造破坏且冻土层发育的部位，从而判别天然气水合物的地表地质标志主要有泥火山、形状类似环形山的洼地、特殊形状的植物枯死斑块等（杨木壮，2002）。有研究（

23、Milkov AV，2000 ;2002）表明，与海底浅表层沉积物中天然气水合物产出相关的地质或构造作用主要包括以下几点:（1）断裂发育的埋藏背斜区;（2）底辟构造;（3）发育有海底流体喷出排放现象;（4）泥火山作用。3.2地球物理方法3.2.1地震方法地震勘探技术是应用最为广泛的天然气水合物勘探研究方法，其实质是发现BSR（似海底反射层，Bottom Simulating Reflectors，通过该方法可确定大面积分布的天然气水合物（唐瑞玲等，2011）。BSR呈现出高振幅、负极性、横向连续、大致平行于海底或与海底沉积层小角度斜交的特征。但BSR代表的是天然气水合物稳定带与其下出现的游离气

24、间的界面，倘若沉积物孔隙中充填少量气体，也会产生强烈的地层反射，形成BSR，因此天然气水合物与BSR并不存在一一对应的关系，BSR的出现只能证明有甲烷出现;此外BSR还受构造作用、沉积作用、沉积物的含碳量以及水合物含量等因素影响，岩石的物性和地震资料处理因素对地震属性分析也有影响，所以在天然气水合物赋存区也未必一定会有BSR存在（孙春岩等，2003a）。与BSR有关的其他指标（公衍芬等，2008）包括以下几个部分。1）空白反射带:通常是与BSR相伴生的反射特征，是由天然气水合物对沉积物胶结而使其在声学上呈现均一响应的结果，在反射剖面上表现为均匀反射或空白射。垂向上此反射带上与海底沉积层呈逐渐过

25、渡，下以BSR为界与下伏游离气带呈显突变接触。2）极性反转:BSR层的反射极性与海底反射极性相反。3）VSP:利用垂直地震剖面（VSP）技术不仅可以最大限度地压掉多次波使BSR更加突出，而且还可以利用VSP的速率变化来判断天然气水合物及其下游离气的变化。4）AVO结构（振幅随偏移距变化）:表现为BSR处的反射振幅随偏移距（或入射角）的变化而改变。该结构的形成是BSR之上的含水合物沉积物与下伏的含游离气沉积物之间存在明显的泊松比（a）差异引起的。5）VAMPS结构（速度振幅结构）:其特征是BSR之上表现为速度上拉的拱形结构，BSR以下则为速度下拉的漏斗状结构，通常成对出现。3.2.2测井方法沉积

26、在一起的天然气水合物变得更加致密，它不仅在地震剖面上表现为明显的异常而且在测井曲线上也有明显的反应。1）电阻率测井（R）:含天然气水合物的地层，岩石粒间孔隙和裂缝被固体水合物占据，造成地层致密、渗透性差，表现为电阻率的增加。2）自然电位（sP）:由于天然气水合物堵塞地层孔隙，降低气体的扩散和渗透，所以与气水饱和层相比自然极化电位小。3）地震波速测井:天然气水合物导致地层粘结，地震波传播速度加强。4）密度测井:利用岩石对射线的吸收性质进行测定，由于天然气水合物的密度略小于水的密度，因此略有降低。5）井径测井（sv）:钻井过程中，分解后的天然气水合物会造成井壁垮塌,井径扩大。6）放射性测井（GR）

27、:在中子测井中含有天然气水合物的地层略有增加，而伽玛能谱测井中含天然气水合物的气层与饱和水相比略有降低。3.2.3海洋电磁法探测技术由于天然气水合物在电性上是一个绝缘体，所以可以利用电磁法正、反演计算来研究游离气及水合物在电磁上的特征。3.2.4热流测量技术温度、压力是天然气水合物形成、稳定与分解的重要因素，因此热流测量技术也是研究天然气水合物的重要手段。利用BSR资料估算地温梯度，进而求得热流值;或是利用探针或钻探获得海底热流值（复杂昂贵）。根据所得热流和海底温度等资料，既可以估算出天然气水合物稳定带的底界，又可以从宏观上确定大陆边缘天然气水合物大概的分布范围。3.3地球化学方法 以烃类微渗

28、漏和垂直运移理论为基础的勘查地球化学方法，主要是通过各种检测手段在浅部或深部钻井介质中，发现由地下深部油气藏中烃类微渗漏引起的地球化学异常，来研究寻找矿藏的一种经济、快速、有效的勘探方法（牛滨华等，2005）。由于地下环境地球化学作用，孔隙介质中的烃类物质必然在压力、温度和孔隙（即毛细管）等效应作用下，以分子微渗漏及扩散等形式，通过（断层、裂缝、可渗透地层及地下水等）多种通道进行运移。烃类物质的动态运移过程不仅发生在烃类物质进入稳定成藏环境的成藏期间，同时也以迟缓减弱的形式发生在成藏后期间。烃类物质动态运移至表层沉积物中和溶解在海水中，除一部分轻质烃类逸散入大气内或被氧化外，其余的相当一部分烃

29、类组份在运移至上覆地层过程期间会粘附在矿物（岩石骨架）颗粒表面或晶格中，最大限度地保留着从深部携带上来的烃类信息。为此，查明这部分后生烃类的含量和组成以及成因来源和分布规律，就可以对地下烃类矿藏的状况进行研究评价和预测。虽然天然气水合物的演化成因与油气藏有着本质的区别，但鉴于天然气水合物聚集带化学成分基本以甲烷为主，埋藏深度通常比油气藏深度浅，因此，从烃类微渗漏的角度考虑，地球化学各种方法均适用于水合物勘查。地球化学方法包括:气体（顶空气）、土壤（酸解烃）、流体、自生沉积矿物（土壤碳酸盐蚀变）和稳定同位素（有机化学）测量方法等。有关指标地球化学异常不仅可直接指示天然气水合物的存在分布，也可利用其烃类组分比值（如C1/CZ）及碳同位素组成研究天然气水合物成因等问题，因而地球化学勘探是识别海底天然气水合物产出区GHOZ （ Gas Hydrate Occurrence Zone）的重要手段之一。从国内现有工作基础和条件来看，我国己具备了开展海底天然气水合物的研究条件。通过大洋钻探和国内前期勘探的地球化学成果，结合ODP/IODP及南海现有成果，从土壤、气体、流体地球化学方面总结，研究海洋沉积物、水样品的烃类、甲烷碳同位素、自生碳酸盐和同位素方法等多项指标的地球化学异常特征，筛选