天然气水合物动态成藏理论.docx

1、天然气水合物动态成藏理论天然气水合物收稿日期:2007 07 23; 修回日期:2007 09 28基金项目:中国科学院创新项目(编号:KGCX2 S W 224 ; 国家自然科学基金(编号:90410003 ; 广东省自然科学基金重点(编号:052001130 联合资助.作者简介:樊栓狮(1965 , 男, 陕西蒲城人, 教授, 博士生导师, 主要从事天然气水合物、化工分离等研究. E mail :fanssm s. giec. ac. cn.天然气水合物动态成藏理论樊栓狮1, 3, 关进安2, 3, 4, 梁德青2, 3, 宁伏龙5(1. 华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,

2、广东广州, 510640;2. 中国科学院广州能源研究所, 广东广州510640; 3. 中国科学院广州天然气水合物研究中心, 广东广州510640;4. 中国科学院研究生院, 北京100039; 5. 中国地质大学工程学院, 湖北武汉430074 摘要:总结了天然气水合物的赋存状态及其分类, 从生成和分解速度角度提出了天然气水合物的动态成藏理论, 并依据冻土层钻井气体喷溢、海底水合物露头和海底羽状气泡流等实例论证了这种动态成藏理论。指出天然气水合物赋存状态主要有3种类型, 即成长型(渗透型、扩散型 、成熟型和消退型, 认为我国南海北部陆坡区的西沙海槽、东沙群岛东南坡、台西南盆地、笔架南盆地等

3、区域有可能存在着仍处于发育阶段的渗透型或扩散型水合物层, 而青藏高原羌塘盆地则是属于消退型水合物, 祁连山地区、准噶尔盆地等的烃类气体泄漏表明在我国西北和东北的冻土带也可能存在着含气水合物层。关键词:天然气水合物; 储层; 分类; 动态成藏; 理论中图分类号:T E122 文献标识码:A 文章编号:1672 1926(2007 06 0819 080 前言天然气水合物是由小 客体 分子(0. 9nm 如CH 4等在一定温度压力条件下接触到水分子而形成的白色似冰的笼型结晶化合物1, 具有单位能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅、成藏物化条件佳等优点, 具广泛分布于世界各大洋海底与陆地永冻层, (图

4、1 。从图1中可以看出水合物在冻土带和大陆边缘陆坡广泛存在2, Klauda and Sandler 认为全球海域的天然气水合物中储存有74000Gt 的甲烷3, 其数量之大, 是全世界常规天然气储量的3个数量级。可见水合物气资源量极其丰富, 被誉为21世纪的可代替能源。天然气水合物在沉积物地层中聚集形成具有一定储量规模的矿藏是一个复杂的过程, 它必须有充足的烃类气源、合适的相平衡温压条件和良好的圈闭条件。为了合理开发利用天然气水合物资源, 需要根据水合物生成和储存状态的特点对其进行恰当的分类, 不少学者4 8分别从生成水合物的气体来源和水合物在沉积层中的赋存状态、水合物的赋存范围以及水合物储

5、层的演变过程等方面总结了水合物的分类特征。无论是从水合物在沉积层的产状还是从水合物气体的来源等角度考虑对天然气水合物分类, 都没有涉及到其自身的一项重要特征, 即天然气水合物是一种并不稳定的固体, 即使在合适的热力学条件下, 水合物自身也会不断分解, 这一点对于分析天然气水合物在自然界的赋存状态非常重要。本文根据天然气水合物的热稳定特性, 认为其在自然界中的聚集是一种生成和分解同时存在的过程, 据此提出了水合物的动态成藏理论, 并且通过3个自然界水合物形成的实例来论证。1 天然气水合物的赋存状态目前, 对于天然气水合物在自然界的赋存状态, 通常分为以下几类:第18卷第6期天然气地球科学Vol.

6、 18No. 6 图1 天然气水合物在全球的分布地点预测2(1 根据天然气水合物的物质组分划分, 有气源说9与水源说10 2类。天然气水合物是由气体和水组成的一种固体物质, 其笼型结构里包容了不同尺寸的气体分子。根据烃类气体成分比值R =C 1/(C 2+C 3 和甲烷的碳同位素 13C 值来判别甲烷气体的成因, 此即为气源说。在美国墨西哥湾水合物区块的研究工作表明形成水合物的烃类气体共有3种成因:热成因气、生物成因气和混合成因气11。天然气水合物在海底沉积物里生成和分解时, 会导致孔隙水中阴离子(Cl -、SO 2-4等 、阳离子(Ca 2+、Mg 2+等 和氢氧同位素的的异常12, 对孔隙

7、水进行地球化学检测可以指示水合物的存在情况, 此即为水源说。(2 根据天然气水合物存在的地理地质环境和热稳定性划分, 可以分为陆地冻土层天然气水合物和海洋天然气水合物7 8。天然气水合物广泛存在于全世界各地的海洋和内陆湖中, 特别是在大陆边缘的浅海里。另外一个水合物富集的地域是大陆冻土层, 在西伯利亚、阿拉斯加等地区的冻土层里均已钻获了含水合物岩心。通过对钻井过程的各项参数分析和研究表明, 水合物在冻土层存在2个明显不同的分层:水合物稳定带(H ydrate Stability Zo ne, H SZ 和亚稳定带(H y drate M etastability Zo ne, H MZ (图2

8、 。在冻土层, 由于水合物的自保护效应, 即使是离开H SZ, 水合物也能在H MZ 里存在一定的时间, 同时, 在这种环境下沉积层孔隙的聚气能力更强。Yakushev and Chuvilin 研究了在西伯利, 合物的自保护效应能聚集更大量的天然气13。图2 冻土带中HSZ 与HMZ 的分布范围(左图显示H M Z 通常处于水合物相平衡线外,右图表明残余水合物通常被冰包裹(3 根据水合物在沉积层里的生成产状划分, 有不同的划分方法。Malone 等4首先对海洋水合物产状进行了多年研究, 他们运用分型理论(此理论是后来研究水合物在沉积层胶结性质的基础 指出水合物主要存在于以下4种类型:良好分散

9、型水合物、结核状水合物、层状水合物和块状水合物(图3 。U chida 等5通过CT 研究了加拿大Mackenzie 三角洲的含水合物岩心, 进一步将水合物在沉积层里划分为6种产状:孔隙状水合物、扁平状水合物、散粒状水合物、层状水合物、节理状水合物和脉络状水合物。地震波探测水合物沉积层时, 由于水合物的饱和度不同会导致波幅和波速的不同。Dai 等14总结, 图3 分型理论划分的水合物产状4(1 块状水合物; (2 层状水合物; (3结核状水合物; (4 分散状水合物接触胶粘模式、颗粒包裹模式、骨架/颗粒支撑模式、孔隙填充模式、掺杂模式以及结核或裂隙填充模式。(4 根据不同地质条件下的水合物生成

10、速度或含水合物层的产气速度和潜能划分, 樊栓狮等6认为海域水合物可以分为渗漏体系和扩散体系。渗漏体系里气体以热成因气为主, 水合物在沉积层里生成速度快; 扩散体系里以生物成因气为主, 水合物生成速度缓慢。M oridis 15根据天然气水合物聚集特征、位置和分布形态将含水合物层分为3类。第1类由上、下2个带组成:上带为水合物聚集层, 下带为含游离气的两相流体, 其产气潜能大, 这种类型的水合物藏最有希望被开发利用。第2类含2个明显特征带, 即含水合物沉积层及其之上不含游离气的动态水流体(如含水土层 。第3类只有单一分布的水合物聚集层。对于天然气水合物不同赋存状态的划分, 可以见表1。2 天然气

11、水合物动态成藏巨大的天然气水合物储量对地球气候变化产生了重大的影响, 无论是 水合物炮弹假说 (the H y dr ate Gun H ypothesis 还是 晚古新世热量最大事件 (the Late Palaeocene Thermal M ax imun, LPT M , 其原因很可能都是大量的甲烷水合物分解16造成, 这说明地壳表层的天然气水合物藏是处于不断的变动状态。对从ODP 和IODP 采集的岩心样本的地球化学测试也表明, 在同一地质剖面上的甲烷水合物其形成时期并不相同, 说明天然气水合物的生成是个不断进行的过程, 其成藏也是在不断的变动中。通过使用海底摄像仪器在墨西哥湾17

12、18、Cascadia 古陆边缘的水合物脊19和挪威外海海底20拍摄到的图片表明, 这些地方的海底水合物层仍处于不断的生长和分解之中(图4 。同样的情 图4 海底天然气渗漏通道从顺畅到封闭的变化过程(a 在Norw egian -Barents-Spitzbergen 大陆边缘H ak on M soby M ud Volcano(H M M V , 气体携带水合物从渗漏孔喷出海底面20, 其中在离喷口1m 高处可见白色的水合物团和气泡, 表明该渗漏孔处于旺盛发育状态; (b 在GOM 北部斜坡拍摄到的水合物堆(mound , 可见少许气泡从此水合物堆上泄漏出18, 表明该渗漏区逐渐接近静态;

13、 (c 在Barkley Cany on 水深850m 海底生长的约7m 长、3m 高的水合物堆22, 此地区孔口完全被封闭, 未观察到气体渗漏现象。表1 天然气水合物赋存状态的分类分类缘由特征说明具体划分分类依据分类说明按物质组成分类气源说根据天然气水合物中C 1/(C 1+C 2 值和 13C 值判别甲烷气的成因水源说根据孔隙水里的阴离子(Cl -、SO 2-4等 、阳离子(Ca 2+、M g 2+等 以及氢、氧同位素的浓度比值来判定根据天然气水合物的物质组成(水和气 来分类, 可以将水合物气分为3类:生物成因、热成因和混合成因按地质地理条件分类陆地水合物区海洋水合物区主要存在于大陆冻土层

14、全球海域广泛存在可以划分为水合物稳定带和亚稳定带按水合物生成和产气速度分类水合物生成速度由于地质和气体运移条件不同, 使得天然气水合物生成速度不同可以分为渗漏型和扩散型2类, 其中渗漏型水合物生长速度快, 扩散型则缓慢水合物产气速度由于毗邻沉积层油气田的远近及地质条件不同导致水合物气田产气量和速度不同可以分为3类按生成产状分类各学者划分不一根据岩心取样观察到的水合物产状, 或者根据水合物的聚集程度等等主要是水合物在沉积层骨架中的胶结类型不同况在西伯利亚的含天然气水合物沉积层的Yam burg 油气田和Yamal 半岛的Bavanenkov o 油气田、北部加拿大的92GSC T ag lu 井

15、、Mallik 2L 38井以及阿拉斯加的H ot Ice No 2井里都存在21。以上的事实表明, 水合物成藏处在水合物不断分解和生成的过程, 此过程直接决定了水合物藏的资源量和未来对其开采的经济性评价, 因此, 必须根据水合物的生长与分解过程来划分水合物的储量情况。据此, 我们提出了一种新的分类依据:天然气水合物的动态成藏理论。2. 1 天然气水合物动态成藏原理天然气水合物的动态成藏是指当水合物在沉积层中生成的同时, 由于气液界面的传质和传热的变动, 必然也同时存在着水合物的分解过程, 这种水合物生成和分解的共同作用决定了水合物的储集性质。天然气水合物在多孔隙沉积层里的生成由许多不同的参数

16、共同作用, 除了温度、压力、孔隙率、孔隙水盐度等外, 气体的运移也是个很重要的因素。Xu and Ruppel23认为天然气水合物在海洋沉积层中形成时, 甲烷气的运移加快了其在海水里的溶解和扩散, 运移速度的大小关系到水合物在多孔介质里的形成。同时, 在海底含水合物沉积层里, 水合物在毛孔里形成是一种典型的多相流动现象, 毛孔里的游离气、水、水合物及盐处于热力学平衡状态, 而随着水合物的不断形成, 毛孔里盐度增加, 同时气相和液相之间产生压力差, 这些都导致水合物-水-气-盐的相平衡条件发生改变, 促使孔隙中进一步的24 26里天然气水合物的生成和分解必然始终是共同存在的过程。在生成和分解共同

17、作用下, 水合物在微观上的生长速度与其分解速度的相对大小决定着其宏观上的含水合物沉积层(或水合物藏 的增厚或变薄。若生长速度大于分解速度, 则此水合物藏仍处于增长状态, 其资源量还在不断的变大, 这种可称为成长型水合物储层, 包括天然气从地壳往海底沉积层快速上移渗漏而形成的渗漏型水合物和天然气在合适的热力学条件下缓慢演变形成的扩散型水合物; 若生长速度小于分解速度, 则此水合物藏是处于减小状态, 其资源量在逐渐的变少, 甚至最后水合物藏完全消失, 这种可称为消退型水合物层; 若生成和分解速度大小基本一致, 宏观表现为水合物藏的异常稳定, 这种可称为成熟型水合物层。天然气水合物生成和分解速度的相

18、对大小决定着动态成藏的演变程度, 而生成和分解的速度又是随着地质地理条件、热力学环境和气体运移量等的变动而时时变动, 这样的分类能更准确地反映水合物的赋存状态。2. 2 天然气水合物动态成藏的意义天然气水合物的动态成藏机理表明, 除了生成速度和分解速度相平衡的稳定型水合物层外, H SZ 和H M Z 的厚度始终还是处于变动状态, 这样在开采或钻探时必须考虑到这种储层厚度的变化。更重要的是, 水合物的动态成藏预示着全球天然气水合物资源量并不是始终不变的, 不同地质条件和地理位置的水合物层的变动并不相同。对于生长速度大,布什山高地发现的渗透型水合物藏, 其资源含量仍在不停的增加, 有资料表明此地

19、区的天然气渗透速率越来越大27, 这种成长型的气体水合物藏在当前情况下显然是不适于开采的, 必须研究相应的耦合有时间和地质因素的动力学模型, 确定最优的开采方案。对于生长速度小于分解速度的消退型水合物层, 目前的任务是正确的评估其经济价值和开展可行性分析, 例如早在20世纪90年代就已停产的麦索亚哈油气田的水合物层, 由于油气产量的急剧减少直接导致水合物层的不断变薄28, 最后已不具有任何的开采价值。对这种消退型水合物层必须采取必要的技术措施使得其经济效益最大化。而对于稳定型水合物层, 则必须对其采取经济性评估来确定是否具备开采价值(表2 。表2 天然气水合物动态成藏类型及特征名称类型特 征实

20、 例技 术 措 施天然气水合物的动态成藏成长型在沉积层里天然气水合物的生成速度大于分解速度, 水合物处于不断的生长阶段; 又可分为水合物快速生成的渗漏型和缓慢生成的扩散型2种可以认为有海底气体渗漏的地点如墨西哥湾、Cascadia 地区的水合物脊等是处于成长中的天然气水合物藏由于天然气水合物资源量仍处于不断增长状态, 可以暂缓开采, 应研究耦合时间和地质因素的相应动力学模型, 确定最优开采时间成熟型在沉积层里天然气水合物的生长速度与分解速度相平衡, 水合物层表现稳定目前并不能断定稳定型水合物层的地点, 但由于水合物的自保护效应, 我们可以将冻土层残余水合物视为稳定型水合物由于天然气水合物资源量

21、异常稳定, 必须结合经济性评估来确定是否开采消退型在沉积层里天然气水合物的生长速度小于分解速度, 水合物层处于消退状态比较典型的是前苏联麦索亚哈油气田, 目前已停止开发, 资料表明我国的青藏高原有消亡型水合物层由于天然气水合物资源量在不断减少, 必须结合经济性评估, 尽快研究适当的开采技术方案3 重要实例天然气水合物的动态成藏表明天然气水合物层的变动状况可以被预测, 而这种变动现象在世界各地的海洋和大陆永冻区含水合物沉积层中都有发现。3. 1 冻土层钻井冻土层内及其下的气喷或气体漏泄现象广泛出现于俄罗斯的西西伯利亚和东西伯利亚、加拿大麦肯茨三角洲和美国阿拉斯加的Kjlmne 湾地区, 这些地区

22、往往都是天然气水合物或天然气田分布区29。冻土层内的气喷多来自于浅层的微生物气,也有部分是由深部的热解气或天然气经活动断层运移上来的, 组分以甲烷为主。气喷的流量随时间的推移而逐渐降低, 一般持续数天至数月, 最长达7个月。这些气体在水合物稳定带内聚集时有可能形成天然气水合物, 甚至有部分气喷气就是由天然气水合物分解后所释放的, 特别是那些持续时间较长的气喷往往就是水合物分解后的气体的喷发。最先发现并开展这方面研究的是在麦索亚哈油气田7 8, 28, 在钻进操作过程中发现有大量气体从解冻的冻土带岩芯释放出来。研究表明, 残余的气体水合物是这些气体的来源, 而水合物的自保护效应被用于解释残余气体

23、水合物的存在。这种现象也存在于西西伯利亚的Yamburg 油气田、M allik 5L 国o t 3. 2 海底水合物露头天然气水合物出露海底面形成水合物丘的现象在墨西哥湾和Cascadia 水合物脊广泛存在。天然气水合物在自然界中极不稳定, 温压条件的微小变化就会引起它的分解或生成。在墨西哥湾水合物研究区域的水深500m 以下拍摄到了天然气水合物小丘和丘群, 350d 的观察和摄像可以看出其明显的改变30。ODP204航次在Cascadia 南北水合物脊也发现多处海底水合物出露情况。这些水合物丘充分说明海底沉积层的水合物生成和分解的情况。MBARI 溶解实验也说明了此区域水合物的生成速度大于

24、分解速度, 水合物层是处于不断增加的阶段。3. 3 海底气泡羽状流在地壳动力作用下, 天然气(主要为热成因气 从地壳内部往上运移, 穿过海底沉积层泄漏进入海水, 形成海底气泡羽状流。形成这种海底气泡羽状流的地区常发现富含天然气水合物的海底沉积层, 比如墨西哥湾、Cascadia 的南北水合物脊、南海海槽和鄂霍次克海等地31 33。这种现象表明这些地区不仅海底气体运移量巨大, 而且气体的运移速度相当快。这些巨大量的高速运移气体一方面给海底沉积层带来了充足的气源(这些气体在合适的温度、压力和地质条件下在沉积层里生成天然气水合物 ; 另一方面气体运移又会不断破坏孔隙里的热力学平衡,824 天 然 气

25、 地 球 科 学 Vo l. 18 平衡点再次形成天然气水合物, 而一部分分解气甚 至少部分水合物则被向上运移的气体所携带。羽状 气泡携载水合物喷溢出海底, 形成海底 火焰 现象, 这些 火焰 高度从几十毫米到几十米不等, 在黑海 观察到从海底泥火山口溢出的海底羽状流气泡高达 1 300 m 34 , 表明在该地区海底沉积层里水合物的 生成和分解过程受剧烈的气体运移影响而处于旺盛 发育状态。 以天然气泄漏为标志的渗漏体系水合物, 目前已在 南海采集到了冷碳酸盐岩, 在临近东海的冲绳海槽 发现了海底天然气 火焰 柱 38 , 这说明这些地区极 有可能存在处于发育型的天然气水合物藏, 由于其 水合

26、物资源仍在不断增加, 现今应该继续让其发育, 直到其慢慢成长为成熟型的水合物层, 同时还要研 究符合其特征的动力学模型。而全球气温的增高导 致青藏高原年均气温上升了 0. 3 0. 4 ! , 其冻土区 将逐年退化 39 , 这说明青藏高原的水合物层是属于 消退型储层; 由于其资源量在不断减少, 目前必须尽 快对其评估, 研究相应的开采方案。 我国东北和西北地区冻土带是另一块潜在的天 然气水合物成藏区。在祁连山地区的钻探出现了明 显的烃类气体泄漏现象 ( 图 5 。尽管对该地区木 里煤田 33 号钻孔喷出的气体成因尚不清楚, 但持续 时间将近 1 a( 有可能还将继续延续下去 的冻土层 内气体

27、漏泄说明有源源不断的气源补给, 很有可能 是深部的煤层气沿活动断层运移上来的( 因冻土层 本身的渗透性很差 。若这里具备适宜的温压条件 就有可能形成天然气水合物, 甚至这些气体有部分 可能就是天然气水合物分解所释放的气体。根据天 然气水合物的动态成藏理论, 应对该地区可能形成 水合物的地点进行进一步的调查, 确定其所属的成 藏类型, 以便采取相应的开采措施。 40 4 天然气水合物赋存状态分类研究对 我国天然气水合物研究的指导意义 我国南海、 东海、 台湾西南海域都发现了天然气 水合物存在的明显的地震波证据, 研究表明南海北 部陆坡区的西沙海槽、 东沙群岛东南 坡、 台西 南盆 地、 笔架南盆

28、地等海区极有可能存在着大量的天然 气水合物资源 , 而青藏高原羌塘盆地烃源岩广 泛分布, 有机质含量和演化程度高, 盆地内生烃潜力 巨大, 完全具备天然气水合物形成需要的天然气来 源 37 35 36 条件。 对天然气水合物赋存状态的研究首先必须明确 其存在类型, 接着才能采取相应的开采措施。我国 南海琼东南盆地、 南沙海槽和东海陆坡等地的地质 条件与美国墨西哥湾类似, 在这些区域内可能存在 图 5 残余水合物被点 燃后燃烧对比 ( 左图为东北西伯利亚 Yamburg 油气田浅层钻井被点燃产生的火焰 22 , 右图为祈连山木里煤田 33 号井气体溢出及燃烧 40 5 结论 必须进行经济评估,

29、研究相应的技术措施, 争取尽快 开发。对于稳定型水合物层, 其含水合物资源量基 本不改变, 则可以根据天然气市场上的需求变化和 国家的相应政策, 对其进行经济性评估, 在适当的时 机开采。 ( 2 在我国南海琼东南盆地、 南沙海槽和东海陆 坡等地区, 很有可能存在快速发育的渗漏型天然气 水合物层, 应该研究其成藏特点, 建立相应的耦合时 间和地质因素的动力学模型来预测其资源量和最优 ( 1 根据天然气水合物的生成和分解速度的相 对变化即天然气水合物的动态成藏理论, 提出了一 种新的分类方法: 即水合物层有成长型( 渗漏型和扩 散型 、 成熟型和消退型 3 种类型。对于成长型水合 物层, 由于其

30、天然气水合物含量仍在增加, 所以可以 等待其进一步演变成稳定的成熟型水合物藏后再行 开采。对于消亡型水合物层, 其资源量在减少, 所以 No. 6 樊栓狮等: 天然气水合物动态成藏理论 825 开采方案。青藏高原冻土区羌塘盆地的热力学条件 表明该区应该属于消退型天然气水合物层, 目前必 须尽快对其进行评估, 研究相应开采方案和配套设 备, 争取早日开采利用。我国东北和西北部的冻土 带毗邻大型油气藏, 也很有可能存在着天然气水合 物层, 对于这两地区还需要进一步确定其水合物成 藏类型和特点。 致谢: 感谢中国地质大学( 武汉 工程学院蒋国盛教 授和吴翔副教授在论文写作过程中提出的宝贵意见 和建议

31、。 参考文献: 1 S loan E D. Cl at hrat e H ydrat es of N at ural G ases M . 2nd ed. N ew Y ork : M ar cel D ekk er, 1998. 2 T r hu A M , R uppel C, H ol lan d M , et al . G as Hyd rat es in M arin e Sediment s: L ess on s from Scient if ic O cean Dril ling J . Oceanography, 2006, 19( 4 : 124 142. 3 K l au

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