天然气水合物动态成藏理论

第18卷第6期天然气地球科学Vol 18 No2007年12月NATURAL GAS GEOSCIENCEDec.2007天然气水合物天然气水合物动态成藏理论樊栓狮1,关进安2,梁德青23,宁伏龙(1.华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验窒,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巖理论,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种美型,即成长型(渗透型、扩散型)、成熟型和消選型,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、笔架南盆地等区琥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則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;动态成蒇;理论中图分类号:TE122文献标识码:A文章编号:1672-1926(2007)06-0819-080前言的分类,不少学者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、水合物的赋存范天然气水合物是由小“客体”分子(<0.9mm)围以及水合物储层的演变过程等方面总结了水合物如CH4等在一定温度压力条件下接触到水分子而的分类特征。形成的白色似冰的笼型结晶化合物,具有单位能无论是从水合物在沉积层的产状还是从水合物量密度高、分布广、规模大、埋藏浅、成藏物化条件佳气体的来源等角度考虑对天然气水合物分类都没等优点具广泛分布于世界各大洋海底与陆地永冻涉及到其自身的一项重要特征,即天然气水合物层,(图1),从图1中可以看出水合物在冻土带和是一种并不稳定的固体,即使在合适的热力学条件大陆边缘陆坡广泛存在, Klauda and Sandler认下,水合物自身也会不断分解这一点对于分析天然为全球海域的天然气水合物中储存有74000Gt的气水合物在自然界的赋存状态非常重要。本文根据甲烷(,其数量之大,是全世界常规天然气储量的3天然气水合物的热稳定特性,认为其在自然界中的个数量级。可见水合物气资源量极其丰富,被誉为聚集是一种生成和分解同时存在的过程,据此提出21世纪的可代替能源了水合物的动态成藏理论,并且通过3个自然界水天然气水合物在沉积物地层中聚集形成具有一合物形成的实例来论证。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1天然气水合物的赋存状态闭条件。为了合理开发利用天然气水合物资源,需目前,对于天然气水合物在自然界的赋存状态,要根据水合物生成和储存状态的特点对其进行恰当通常分为以下几类:收稱日期: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:KGCX2sw-224);国家自然科学基金(编号:904103);广东省自然科学基金重点(编号:52001130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.Ema;fans@ams.gie.ac,cn天然气地球科学Vol 18助证实了的陆地水合物●勘探证实了的海洋水合物推测存在的陆地水合物O推测存在的海洋水合物图1天然气水合物在全球的分布地点预测(1)根据天然气水合物的物质组分划分,有气源合物的自保护效应能聚集更大量的天然气13]。说与水源说12类。天然气水合物是由气体和水温度℃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=C1(C2+C3)和甲烷的碳同位素8C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1300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等)阳离子(Ca2+、Mg2+等)和氢氧同位素的的异常1,对孔隙水进行地球化学检测可以指示水合物的存在情况,此即为水源说图2冻土带中HSz与HMZ的分布范围(2)根据天然气水合物存在的地理地质环境和(左图显示HM2通常处于水合物相平衡线外,热稳定性划分,可以分为陆地冻土层天然气水合物右图表明残余水合物通常被冰包裹和海洋天然气水合物。天然气水合物广泛存在(3)根据水合物在沉积层里的生成产状划分,有于全世界各地的海洋和内陆湖中特别是在大陆边不同的划分方法。 Malone等首先对海洋水合物缘的浅海里。另外一个水合物富集的地域是大陆冻产状进行了多年研究,他们运用分型理论(此理论是士层,在西伯利亚阿拉斯加等地区的冻土层里均已后来研究水合物在沉积层胶结性质的基础)指出水钻获了含水合物岩心,通过对钻井过程的各项参数合物主要存在于以下4种类型良好分散型水合物分析和研究表明,水合物在冻土层存在2个明显不结核状水合物、层状水合物和块状水合物(图3)。同的分层:水合物稳定带( Hydrate Stability Zone, Uchida等通过CT研究了加拿大 Mackenzie三角HSZ)和亚稳定带( Hydrate Metastability Zone,洲的含水合物岩心,进一步将水合物在沉积层里划HMZ)(图2)。在冻土层,由于水合物的自保护效分为6种产状:孔隙状水合物、扁平状水合物、散粒应,即使是离开HSZ,水合物也能在HMZ里存在一状水合物层状水合物、节理状水合物和脉络状水合定的时间,同时,在这种环境下沉积层孔隙的聚气能物。地震波探测水合物沉积层时,由于水合物的饱力更强。 Yakushey and chuyilin研究了在西伯利和度不同会导致波幅和波速的不同。Da等总结亚的残余水合物,其分解实验的结果表明天然气水出了水合物在沉积层中的6种分布模式,其分别是樊栓狮等:天然气水合物动态成藏理论821图3分型理论划分的水含物产状(1)块状水合物;(2)层状水合物;(3)结核状水合物;(4)分教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。2天然气水合物动态成藏(4)根据不同地质条件下的水合物生成速度或巨大的天然气水合物储量对地球气候变化产生含水合物层的产气速度和潜能划分,樊栓狮等。认了重大的影响,无论是“水合物炮弹假说”( the Hy-为海域水合物可以分为渗漏体系和扩散体系。渗漏 drate Gun Hypothesis)还是“晚古新世热量最大事体系里气体以热成因气为主,水合物在沉积层里生件”( the Late palaeocene thermal maximun成速度快;扩散体系里以生物成因气为主,水合物生IPTM),其原因很可能都是大量的甲烷水合物分成速度缓慢。 Moridisf根据天然气水合物聚集特解[造成,这说明地壳表层的天然气水合物藏是处征、位置和分布形态将含水合物层分为3类。第1于不断的变动状态。对从ODP和IDP采集的岩类由上、下2个带组成:上带为水合物聚集层,下带心样本的地球化学测试也表明,在同一地质剖面上为含游离气的两相流体,其产气潜能大,这种类型的的甲烷水合物其形成时期并不相同,说明天然气水水合物藏最有希望被开发利用。第2类含2个明显合物的生成是个不断进行的过程,其成藏也是在不特征带,即含水合物沉积层及其之上不含游离气的断的变动中。通过使用海底摄像仪器在墨西哥动态水流体(如含水土层)。第3类只有单一分布的湾[11、 Cascadia古陆边缘的水合物脊10和擲威外水合物聚集层。对于天然气水合物不同赋存状态的海海底【20拍摄到的图片表明,这些地方的海底水合划分,可以见表1。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射闭的变化过程(a)在 norwegian- Barents- Spitzbergen大陆边缘 Hakon Msoby Mud volcano(HMMv),气体擦带水合物从渗漏孔喷出海底面{2),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1],表明该掺漏区逐渐接近静态;(c)在 Barkley Canyon水深850m海底生长的约7m长,3m高的水合物雄2,此地区孔口完全被封闭,未观察到气体渗漏现象。Vol. 18表1天然气水合物赋存状态的分类特征说明分类缘由具体划分分类依据分类说明根据天然气水合物中[C1/(C1+C2)值和8C值判别甲烷气的成因根据天然气水合物的物质组成(水和气》来按物质组成分类根据孔隙水果的阴离于(C-、S等)阳离子分类,可以将水合物气分为3类:生物成因水源说Ca2+,Mg2+等)以及氢氧同位素的浓度比值来热成因和混合成因判定按地质地理条件分陆地水合物区主要存在干大陆冻土层海洋水合物区全球海域广泛存在可以划分为水合物稳定带和亚稳定带由于地质和气体运移条件不同,使得天然气水合可以分为渗漏型和扩散型2类,其中渗漏型按水合物生成和产水合物生成速度物生成速度不同水合物生长速度快,扩散型则缓慢气速度分类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可以分为3类导致水合物气出产气趾和速度不同按生成产状分类各学者剧分不一根据心取样观察到的水合物产状,或者根据水主要是水合物在沉积层骨架中的胶结类型况在西伯利亚的含天然气水合物沉积层的Yam-里天然气水合物的生成和分解必然始终是共同存在burg油气田和 Yamal半岛的 Bavanenkovo油气田、的过程。北部加拿大的92 GSC Tagle井、 Mallik2L38井以在生成和分解共同作用下,水合物在微观上的及阿拉斯加的 Hot Ice No2井里都存在。以上生长速度与其分解速度的相对大小决定着其宏观上的事实表明,水合物成藏处在水合物不断分解和生的含水合物沉积层(或水合物藏)的增厚或变薄。若成的过程,此过程直接决定了水合物藏的资源量和生长速度大于分解速度,则此水合物藏仍处于增长未来对其开采的经济性评价因此,必须根据水合物状态,其资源量还在不断的变大这种可称为成长型的生长与分解过程来划分水合物的储量情况。据水合物储层,包括天然气从地壳往海底沉积层快速此,我们提出了一种新的分类依据:天然气水合物的上移渗漏而形成的渗漏型水合物和天然气在合适的动态成藏理论。热力学条件下缓慢演变形成的扩散型水合物;若生2.1天然气水合物动态成藏原理长速度小于分解速度,则此水合物藏是处于减小状天然气水合物的动态成藏指当水合物在沉积态,其资源量在逐渐的变少甚至最后水合物藏完全层中生成的同时,由于气液界面的传质和传热的变消失,这种可称为消退型水合物层;若生成和分解速动,必然也同时存在着水合物的分解过程,这种水合度大小基本一致,宏观表现为水合物藏的异常稳定物生成和分解的共同作用决定了水合物的储集性这种可称为成熟型水合物层。天然气水合物生成和质。天然气水合物在多孔隙沉积层里的生成由许多分解速度的相对大小决定着动态成藏的演变程度而不同的参数共同作用,除了温度压力、孔隙率、孔隙生成和分解的速度又是随着地质地理条件、热力学环水盐度等外,气体的运移也是个很重要的因素。Xu境和气体运移量等的变动而时时变动,这样的分类能and Ruppel2)认为天然气水合物在海洋沉积层中更准确地反映水合物的赋存状态形成时,甲烷气的运移加快了其在海水里的溶解和2.2天然气水合物动态成藏的意义扩散,运移速度的大小关系到水合物在多孔介质里天然气水合物的动态成藏机理表明除了生成的形成。同时,在海底含水合物沉积层里,水合物在速度和分解速度相平衡的稳定型水合物层外,HSZ毛孔里形成是一种典型的多相流动现象,毛孔里的和HMZ的厚度始终还是处于变动状态,这样在开游离气、水、水合物及盐处于热力学平衡状态,而随采或钻探时必须考虑到这种储层厚度的变化。更重着水合物的不断形成毛孔里盐度增加,同时气相和要的是,水合物的动态成藏预示着全球天然气水合液相之间产生压力差,这些都导致水合物一水一气物资源量并不是始终不变的,不同地质条件和地理盐的相平衡条件发生改变,促使孔隙中进一步的位置的水合物层的变动并不相同。对于生长速度大相平衡4301。可见,由于气体的不断运移,在沉积层于分解速度的成长中的水合物层,比如在墨西哥湾樊栓狮等:天然气水合物动态成藏理论823布什山高地发现的渗透型水合物藏,其资源含量仍行性分析,例如早在20世纪90年代就已停产的麦在不停的增加,有资料表明此地区的天然气渗透速索亚哈油气田的水合物层,由于油气产量的急剧减率越来越大种成长型的气体水合物藏在当前少直接导致水合物层的不断变薄2,最后已不具有情况下显然是不适于开釆的,必须研究相应的耦合任何的开采价值。对这种消退型水合物层必须采取有时间和地质因素的动力学模型,确定最优的开釆必要的技术措施使得其经济效益最大化。而对于稳方案。对于生长速度小于分解速度的消退型水合物定型水合物层,则必须对其采取经济性评佔来确定层,日前的任务是正确的评估其经济价值和开展可是否具备开采价值(表2)表2天然气水合物动态成藏类型及特征名称类型实例在沉积层里天然气水合物的生成速度天成大于分解速度,水合物处于不断的生长可以认为有海底气体浪漏的地点如墨由于天然气水合物资源址仍处于不漸增长状态,可以暂缓开采,应研究耦合气型阶段,又可分为水合物快速生成的渗漏西哥湾, Cascadia地区的水合物脊等是时间和地质因素的相应动力学模型,确形和缓慢生成的扩散型2种处于成长中的天然气水合物藏定最优开采时间合目前并不能断定稳定型水合物层的地物孰在沉积层里天然气水合物的生长速度点,但出于水合物的自保护效应我们由于天然气水合物资源撒异常秘定,必动型分解速度相平衡,水合物层表现稳定可以将冻土层残氽水合物枧为稳定型须结合经济性评估来确定是否开采的态消在沉积层里天然气水合物的生长速度较典型的是前苏联麦索亚哈油气田,由于天然气水合物资源量在不断减少型小J分解速度,水合物层处于消退状态目前已停止开发资料表明我国的青藏必须结合经济性评估,尽快研究适当的高原有消亡型水合物层开采技术方案3.2海底水合物露头3重要实例天然气水合物出露海底面形成水合物丘的现象天然气水合物的动态成藏表明天然气水合物层在墨西哥湾和 Cascadia水合物脊广泛存在。天然气的变动状况可以被预测,而这种变动现象在世界各地水合物在自然界中极不稳定,温压条件的微小变化就的海洋和大陆永冻区含水合物沉积层中都有发现会引起它的分解或生成。在墨西册湾水合物研究区3.1冻土层钻井域的水深500m以下拍摄到了天然气水合物小丘和冻土层内及其下的气喷或气体漏泄现象广泛出丘群,350d的观察和摄像可以看出其明显的改现于俄罗斯的西西伯利亚和东西伯利亚加拿大麦变,OnP204航次在 Cascadia南北水合物脊也发肯茨三角洲和美国阿拉斯加的 Klone湾地区,这现多处海底水合物出露情况。这些水合物丘充分说些地区往往都是天然气水合物或天然气田分布明海底沉积层的水合物生成和分解的情况。 MBARI区201。冻土层内的气喷多来自于浅层的微生物气,溶解实验也说明了此区域水合物的生成速度大于分也有部分是由深部的热解气或天然气经活动断层运解速度,水合物层是处于不断增加的阶段。移上来的,组分以甲烷为主。气喷的流量随时间的3.3海底气泡羽状流推移而逐渐降低,一般持续数天至数月,最长达7个在地壳动力作用下,天然气(主要为热成因气月。这些气体在水合物稳定带内聚集时有可能形成从地壳内部往上运移,穿过海底沉积层泄漏进人海天然气水合物,甚至有部分气喷气就是由天然气水水,形成海底气泡羽状流。形成这种海底气泡羽状合物分解后所释放的,特别是那些持续时间较长的流的地区常发现富含天然气水合物的海底沉积层气喷往往就是水合物分解后的气体的喷发比如墨西哥湾、 Cascadia的南北水合物脊、南海海槽最先发现并开展这方面研究的是在麦索亚哈油和鄂雀次克海等地3。这种现象表明这些地区不气田8:],在钻进操作过程中发现有大量气体从解仅海底气体运移量巨大,而且气体的运移速度相当冻的冻土带岩芯释放出来。研究表明,残余的气体快。这些巨大量的高速运移气体一方面给海底沉积水合物是这些气体的来源,而水合物的自保护效应层带来了充足的气源(这些气体在合适的温度、压力被用于解释残余气体水合物的存在。这种现象也存和地质条件下在沉积层里生成天然气水合物);另在于西西伯利亚的 Yamburg油气田、Malk5L国方面气体运移又会不断破坏孔隙里的热力学平衡,际野外实验钻井, Hot Ice2钻井等。导致水合物分解。一部分分解的水合物气在新的相天然气地球科学Vol 18平衡点再次形成天然气水合物,而一部分分解气甚以天然气泄漏为标志的渗漏体系水合物,目前已在至少部分水合物则被向上运移的气体所携带。羽状南海采集到了冷碳酸盐岩,在临近东海的冲绳海槽气泡携载水合物喷溢出海底,形成海底“火焰”现象,发现了海底天然气“火焰”柱[301,这说明这些地区极这些“火焰”高度从儿十毫米到几十米不等,在黑海有可能存在处于发育型的天然气水合物藏,由于其观察到从海底泥火山口溢出的海底羽状流气泡高达水合物资源仍在不断增加,现今应该继续让其发育,1300m13,表明在该地区海底沉积层里水合物的直到其慢慢成长为成熟型的水合物层,同时还要研生成和分解过程受剧烈的气体运移影响而处于旺盛究符合其特征的动力学模型。而全球气温的增高导发育状态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,这说明青藏高原的水合物层是属于4天然气水合物赋存状态分类研究对消退型储层由于其资源量在不断减少,目前必须尽我国天然气水合物研究的指导意义快对其评估,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我国南海、东海、台湾西南海域都发现了天然气然气水合物成藏区。在祁连山地区的钻探出现了明水合物存在的明显的地震波证据,研究表明南海北显的烃类气体泄漏现象(图5)。尽管对该地区木部陆坡区的西沙海槽、东沙群岛东南坡、台西南盆里煤田33号钻孔喷出的气体成因尚不清楚,但持续地、笔架南盆地等海区极有可能存在着大量的天然时间将近1a(有可能还将继续延续下去)的冻土层气水合物资源336,而青藏高原羌塘盆地烃源岩广内气体漏泄说明有源源不断的气源补给,很有可能泛分布,有机质含量和演化程度高,盆地内生烃潜力是深部的煤层气沿活动断层运移上来的(因冻土层巨大,完全具备天然气水合物形成需要的天然气来本身的渗透性很差)。若这里具备适宜的温压条件源3条件就有可能形成天然气水合物,甚至这些气体有部分对天然气水合物赋存状态的研究首先必须明确可能就是天然气水合物分解所释放的气体。根据天其存在类型接着才能采取相应的开采措施。我国然气水合物的动态成藏理论,应对该地区可能形成南海琼东南盆地、南沙海槽和东海陆坡等地的地质水合物的地点进行进一步的调查,确定其所属的成条件与美国墨西哥湾类似,在这些区域内可能存在藏类型,以便采取相应的开采措施图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),右图为祈连山木里煤田33号井气体溢出及燃烧4)5结论必须进行经济评估,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(1)根据天然气水合物的生成和分解速度的相本不改变,则可以根据天然气市场上的需求变化和对变化即天然气水合物的动态成藏理论提出了一国家的相应政策,对其进行絰济性评估,在适当的时种新的分类方法:即水合物层有成长型(渗漏型和扩机开采散型)、成熟型和消退型3种类型。对于成长型水合(2)在我国南海琼东南盆地、南沙海槽和东海陆物层,由于其天然气水合物含量仍在增加,所以可以坡等地区,很有可能存在快速发育的渗漏型天然气等待其进一步演变成稳定的成熟型水合物藏后再行水合物层,应该研究其成藏特点,建立相应的耦合时开乘。对于消亡型水合物层,其资源量在减少,所以间和地质因素的动力学模型来预测其资源量和最优No, 6樊栓狮等:天然气水合物动态成藏理论开采方案。青藏高原冻土区羌塘盆地的热力学条件chemistry of gas hydrates, central Gulf of Mexico continental表明该区应该属于消退型天然气水合物层,目前必ope[ J]. Gulf Coast Associ Geol Societies Trans, 1999,49须尽快对其进行评估,研究相应开采方案和配套设462-468备争取早日开采利用。我国东北和西北部的冻土[12]蒋少勇杨竞红凌洪飞等用地球化学方法查中国南海的天然气水合物[门海洋地质与第四纪地质,2004,24(3):103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[13] Yakushev v s, Chuvilin E M. Natural gas and gas hydrate藏类型和特点。accumulations within permafrost in Russia[3]. Cold Regions致谢:感谢中国地质大学(武汉)工程学院蒋国盛教Science and Technology, 2000 31(3): 189-197.[14] Dai J C, Xu H B, Snyder F, et al. Detection and estimation of授和吴翔副教授在论文写作过程中提出的宝贵意见gas hydrates using rock physics and seismic inversion: Exam和建议。ples from the northern deepwater Gulf of Mexico[J].The参考文献Leading Edge,2004,23(1):60-66[1] Sloan E D. Clathrate Hydrates of Natural GasesL M). 2nd ed. LI5] Moridis G J. Numerical simulation of gas production fromNew York: Marcel Dekker, 1998.methane hydrates[R]. SPE 75691, 2002[21 Trehu A M. Ruppel C, Holland M. et al. Gas Hydrates in [163 Archer D Methane hydrate stability and anthropogenicMarine Sediments: Lessons from Scientific Ocean Drilling[]. 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Graduate School of the Chinese Academy ofSciences, Beijing 100039, China:5, Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074 ChinaAbstract: Classification on natural gas hydrate deposits occurrence is summarized, and a dynamic theory ofgas hydrate reservoir formation is put forward. According to this theory, there are three types of reser-voirs: growing type(including seeping type and diffusing type), mature type and regressive type. Thistheory is demonstrated by three examples: the natural gas blowout when drilling in the permafrost, thehydrate cropouts in the seafloor and the gas bubbles in abyssal plumes. Then, several conclusions aredrawn: there maybe exist the seeping and diffusing types of gas hydrate reservoirs which may still begrowing in the Xisha trough, Dongsha continental slope of the South China Sea, west and south of Taiwanbasin,and Bijianan basin, whereas in the Qiangtang basin of the Qinghai-Tibet plateau may exist the re-gressive-type gas hydrate deposit. Furthermore, the phenomenon of hydrocarbon gas leaking in the Qiliannountain areas and Junger basin indicates that these areas may ensconce gas hydrate reservoirs.Key words: Gas hydrate; Reservoir; Classification; Dynamic accumulation; Theory.