1、 原苏联近海气水合物藏普查的首要目标和方法 史斗 尹相英编译 徐学祖审提 要 证明了原苏联远东和南部海海上气水合物藏中的可采天然气可达（15） 1012m3。气水合物藏的综合普 查和勘探工作包括在深水区打示范井和参数井，同 时用密封取样装置取岩芯；还包括确定气相以及对沉积物弹性的实验研究等。划分气水合物层的顶面与底面，和确定水合物饱和度的主要方法是地震声波法，在剖面诊断系统中应配套使用工作频率为1012、34KHz 和100300Hz 的发射器；在处理地震声波剖面图时，应预先用活塞管在海底表面以下1012m 深处分类采集沉积物样品。在大西洋、太平洋和印度洋几百万公里剖面上已发现了气水合物。研究
2、表明，以固态天然气水合物形式产出的海洋沉积物中的天然气资源超过了常规可 燃有用矿物(石油、天然气和煤)资源，水合物分布在沉积层上部，即从沉积表面到300m深处，在个别情况下其分布 还要更深些。AA特洛费姆克和HB切尔斯基等计算出了太平洋各种构造带内气水合物藏气的储量密度平均等于80000100000万m3km 2。根据这些数据A A特洛费姆克对苏联近海海上水合物生成 带内天然气储量作了计算，按照水合物生成带的厚度及水合物的密度，其储量等于50000100000万m 3km 2，其开采率为0 7。原苏联气水合物藏气的资源量等于(15)XlOl2m3，其中 60集中在鄂霍次克海和日本海。鄂霍次克海
3、、日本海和几个南部海的气候和水文条件是最有利的。因此这些海应划作经济有效普查、勘探海上气水合物藏的首要目标。开采气水合物藏可为国民经济带来很大的经济效益，因此在制定燃料能源综合发展规划中必须把它作为一种独立的有前景的对象来考虑。当前，应对海洋沉积物中气水合物的开采技术方法开展研究，应开展寻找海上气水合物藏的：普查勘探工作。地震声波和地化方法可作为气水合物藏普查勘探的主要方法。其应用根据是：充填在沉积物孔隙空间的水和气在转变成固态化合物气水合物之后，会从根本上改变自己的物理机械性质。Stoll R.D举述了非胶结砂中海水转变成水合物之后弹性波通过速度的变化情况，该 文资料表明，传播速度提高了约2
4、倍，即 1852 69kms。AA，特罗费 姆克通过实验 研究了水的相转变对胶 结岩弹性的影响。 实验结果表明，水结冰或变成水合物后其通过弹性波的速度大大提高。在激发与接收谐振频率等于800KHz的 发射器上(装置示意图见图1)，纵向波传播速度发生了1600Hz发射频次的脉冲式变化。上述研究表明，在胶结岩(细粒砂岩)层，即就是其孔隙率不大(10)和渗透率仅为40M时，正温区层间水向水合物的转变也引起了弹性波传播速度提高，在初始速度约为300Oms时大致提高了500ms。随着 转变为水合物的水份额的增加(温度降低)，弹性波的传播速度值上升(图2)。水结冰时弹性波的传播速度升高也很大。图1 岩层声
5、性调查装置示意图 图2弹性波通过岩层的速度与层间流体相态的相关关系 1，样 品；2， 发 射器；3，接收器；4，吸收器；5，暗室 1、2，水冰；3，水合物 水 图3 弹性波传 播速度与孔隙度（），密度（）和沉积物粒度的相关关系 同样，层间水转变为水合物后地震波传播速度提高了500800m s ，这种提高不仅表现在胶结岩层，而且表现在非胶结岩层。图3表明，由于海洋沉积物的粒度及其孔隙度和密度的变化。弹性波传播速度分散减小值(约 减小300ms)比水转变为水合物后传播速度的提高值(约提高500800ms)小得多。也就是 说，地球物理 地震声波法可以有效地利用于 对充填在海洋沉积物层气水合物的普查与
6、勘探。 使用地震声波方法的任务是：识别含水合物沉积层，评价其含矿性，包括区分产层顶面，确定水合物的饱和度和查明产层底面埋深等。AA特罗费 姆克等人认为 ，气水合物藏主要由有机质分解后的生物化学气进人海底后形成，而生成气水合物的生物化学气主要有三种：CH 4，N2和CO 2。CO2在水中的溶解度比CH 4和N 2高30倍，CO 2具有低的分压并对水合物的生成没有重要影响。生成N2水合物必须具备比CH 4水合物约大5倍的压力。因此，N2对气水合物的生成过程影响也很小。很自然，生物化学气存在于CH 4生成带；在多数情况下CH 4的存在与否是判断海洋沉积物中有无水合物生成条件的依据。海洋沉积物地带生物
7、化学气的性质如下。从沉积物表面到几厘米深处(有机质极其丰富地带)乃至几米深处( 在深水区红土内)，首先是氧化带的分布，然后是还原过渡带，再往下是硫化物还原带，S的进一步还原后生成CH 4。这样，甲烷生成带的埋深为海底底面(当然包括海底沉积物中水合物生成带顶面)以下几十厘米到几十米。从不含甲烷(当然也不含水合物) 到含水合物层的过渡带的厚度不大，约为几十厘米。这一点已被对有关海、大西洋、贝加尔湖和其它水域水底沉积物气体的研究成果所证实。水合物生成带埋深小和过渡带厚度小(1050cm) 为 地震声波法提供了条件。地震声波法具有高分辨力特点，适于探测埋深不大的水合物生成带顶面。由于过渡带厚度不大，含
8、水合物层是一个很好的吸收层。 为区分含水合物层顶面起见，可利用工作 频率为1012kHz 的地震削面仪在520m深处探测。 由于水合物生成带表面埋深不大还可采用直接地震声波法查明含水合物层顶面，其中包括用取样器采集海洋沉积物样品和确定气相。取样(现多用取土管)的深度因海底土的性质不同而异，一般为58m，有 时可达12m ，也就是 说，要能够切穿甲烷生成带，当然也就能切穿水合物生成带顶面。通 过对比非破坏层沉积物中和不密封采样器样品中的气饱和度值来确定使用直接地化法的条件。 对海洋和贝加尔湖甲烷生成带上部的沉积物气相研究结果表明，主要的气体组分CH4、CO2、和 N2的比值大致相同。据此，为了计
9、算起见，取气体溶于海水(含盐度为35gL)的标准 组分，即， CH4：900cm3L， N2：1000cm3L 和CO 2：1000cm3L 。气体中CH 4的含量升高50cm 3L时可引起水合物生成温度降低约07，而 N2的含量升高100cm 3L(气饱和度不变)肘水合物生成温度降低3 。由于自身的溶水性强，C0 2对水合物生成温度实际上没有影响。N 2对水合物生成温度的影响比CH 4小5倍。可见，水合物的生成条件主要取决于溶于海水的甲烷。在温度为07 层段(这是原苏联深海沉积层上部的特征)，水合物可能在9001400cm 3CH4L 孔隙水 情况下生成。当沉积物孔隙率为3050时，甲烷的含
10、量应是270700cm 3L 沉积物 。原苏联在进行海洋沉积物气相调查中，还有美国、加拿大和其它国家在进行这一工作中直到最近都使用不密封取样器一种单流活塞管。使用这种取样器必须注意计算提升取样器内样品过程中气体的可能损失量。计算一般采用达西公式。式中： Q为活塞管通过1elil2截面时管内的气体流量(cm 3s)； 为气体粘度(SP)；P 为压差(kg cm 2)；t为脱气时间(s)；k为相渗透率(D) ；l为过渗通道长度(cm)。如果取平均压差P=20kg cm2(当甲烷初始单压为40kgcm 2时)、提升取样器的时间为300s(5分钟)、 过滤通道长度为200cm( 当管的总长度为4m 时
11、)、甲烷粘度为0015SP(在平均压力为20kgcm 2时) 可得出：Q=25203002000 015=5000cm3 如果在体积等于管长(400cm) 与截面(1cm 2)的乘积的沉 积物中含有5000cm 3的气体，那么，在提升取样器过程中，充填在沉积孔隙中的气体实际上已全部滤出，只有由水充填的另一半孔隙中的气体尚存。当孔隙度为50时，每一升沉积物中的气体含量约为250cm 3。在多数情况下用不密封取样器提升气泡和沉积物样品时都可获得这样一个大约数值。在沉积的任何初始含气性情况下，用不封闭取样器在1升沉积物中是不是实际上都能获得多于250cm 3的气体呢? 只有在一些例外情况下才能获得，
12、如当取样过程中沉积物的压实度很大时。这种情况在研究贝加尔湖的湖下沉积物中出现过。当时，用活塞管取样时，活塞卡在管子连接处，于是管子下部的沉积物就被压实， 结果提升上来后的管内压力很大。卸开套管接头，气体排出，所采 样品含气量多半是400cm 3l沉积物。考虑到这一情况可以认为，使用活塞管取 样可以根据气体中甲烷含量的剧增来查明甲烷生成带存在及其位置方面的信息(当然也是水合物生成带方面的信息)。需要指出的是，运动到管子上部(上部为不含甲烷沉积物)的甲烷是微乎其微的，因为取样器是密封的。所以，在提升沉积物时，取样器中的气体自然分 带性是不失真的。这样，海洋沉积物的水合物生成带顶面是可以利用频率为1
13、012kHz地震声波定位器和不密封取样器查明的。为了搞好计算水合物充填度的工作，首先应力争获得剖面上部几百米的信息。这几百米是容易开采的。为此就要打示范井和参数井，同时用密封取样器取沉积剖面气样和计算样品的气体组成。然而必须注意，不含溶解气的洗液会与沉积物发生反应，引起水合物的局部被破坏，自然也就降低了沉积物的含气性。所以，在 计算含气性的同时，需要在实验条件下计算所采沉积物的弹性。比较弹性波通过自然埋藏沉积物的速度和弹性波的实验测试数据，可以在初步假设的充填度与弹性速度增大线性关系基础上计算出水合物的充填度。为了探测上部100m的沉积物，可利用工作 频率为 3540KHz的地震剖面仪。在水合
14、物生成带底部，从含水合物区段到不含水合物区段的过渡带在多数情况下较厚。这是水合物充填度的增加和转变成水合物的海水数量增加引起水合物生成温度降低所致。过渡带厚度H(m)等于水合物生成温度降低值t(充填度等于09时， t等于35)与地热梯度值T( m)之比，即 H=t T。在海洋沉积物中，H 值可达100m或更多些。因为地震波通 过速度的增加与水合物在沉 积物中的充填度是成正比例的，所以，在水合物生成带底部，当厚的 过渡带存在 时就不会有反射层位。只是在例外情况下当水合物生成带是气藏的盖层即存在水合物与游离气接触面时或者在矿物组合交换时(出现 菱铁矿) ，在水合物生成带底部才可记录到反射层位。确定
15、300400m 或更深些的水合物生成带底部可用工作频率为100300Hz的地震剖面仪。如此看来，在进行以查明含气水合物层为目标的普查勘探工作和储量评价工作中可配套使用下列方法： 1在深水区打示范井和参数井，同时用密封取样器连续取岩芯并计算沉积物含气性和弹性波通过速度。2为查明水合物生成带顶面，用活塞管在 (用地声法 诊断的)剖面1015m 深处即沉积层上部层位采样。 3用工作频率为1012、34kHz 和300Hz的带有陶瓷、磁致伸缩和电火花发射器地震剖面仪分别对520m、60100m和100m以下深度实施探测。这项工作的目的是查明含水合物层位界面、计算其厚度和水合物充填度。 贝加尔湖和黑海是
16、研究如何查明水合物生成带顶面方法的良好目标。在这两处水域，水合物生成带界面( 甲烷生成带顶面)埋深为海底底面以下几十厘米到35m ，水深6002000m。关于贝加尔 湖的实验研究工作可在冬季冰上 进行。最后需要指出，美国、法国、 日本和德国已着手安排实际上是整个世界海洋沉积物上层的研究计划，计划采用斯克里普索夫研究所的海洋剖面诊断系统。工作时，配套使用23台剖面仪，并用活塞管取样。用这种方法可以可靠地查明产层， 计算出水合物充填度。到目前，已探测了几千万公里的剖面，在几千个点上采了样，打了几百口井。工作最 详细的水域是大西洋、太平洋赤道部分和印度洋的一些区域。批驳海洋沉积物中气水合物广泛分布及
17、其储量巨大的反对意见目前尚未看到。相反，却传来了许多证实它的消息。在大西洋、太平洋和印度洋100多万公里剖面上发现了生成气水合物的构造许多资本主义国家特别是美国非常重视发展矿产的深水开采技术，这种技术也可用于开发海上气水合物藏。 AA特罗费 姆克建议本国 应开展研制和鉴定这方面 仪器的工作，并在鄂霍次克海、日本海和南部海进行气水合物藏普查工作。 这样可大大增加天然气资源量。在当前技术发展水平下海上气水合物藏的开采可使用一些成熟的气藏开采工艺，也可对工艺做某些修改，例如在采用热水加热产层或产层内燃工艺的同时使用更新的深水采矿技术系统。来源：史斗，孙成权，朱岳年编.国外天然气水合物研究进展.兰州：兰州大学出版社， 1992.96101. 返回
