天然气水合物勘探开发前景
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发布时间：2022-05-18 19:09
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时间：2023-10-25 07:25
一、天然气水合物的资源潜能
目前，海底天然气水合物被看作是未来的非常规天然气资源，其分布和规模是目前研究中需要首先考虑的问题。与常规天然气资源研究相类似，要评价天然气水合物的资源量，必须了解其聚集特征，必须在研究其烃类天然气来源的基础上进行资源量的评价。
天然气是一种流体矿产，从“源控论”角度考虑，一个地区（盆地或区带）天然气藏的资源量取决于以下3类参数：第一是气源岩的分布面积、厚度和有机质含量；第二是单位质量有机质能够转化成天然气的数量；第三是天然气从离开气源岩到形成现今的天然气藏，其聚集程度，即聚集系数。常规天然气远景资源量的评价遵循这种方法，水合物也应当如此。资源量是一个客观的数量，评价结果的准确与否，取决于人们对这三类参数认识的准确程度。其中，第1类参数的认识主要受勘探程度的影响，勘探程度越高，认识越接近实际；而第2类和第3类参数虽然也受勘探实践的影响，但更主要取决于理论上的认识。
在理论上，海底天然气水合物具有4种可能的来源：①海水溶解的甲烷（来自海水溶解或悬浮有机质生成的甲烷以及由大气或海底进入海水的甲烷）；②海底天然气水合物层有机质自生自储的甲烷；③海底天然气水合物层下伏沉积物、沉积岩中有机质生成的甲烷；④地球深部非生物成因（无机成因）的甲烷。第3种成因的甲烷应当是海底天然气水合物中最主要的贡献者。
聚集系数是天然气资源评价中的重要参数。海底天然气水合物的聚集系数受一系列地质-地球化学及海底物理化学条件的控制，涉及若干动力学过程，尚需深入研究。
目前，国际上对天然气水合物资源量的计算主要有以下几种方法：①根据地震资料，将含水合物沉积所具有地震空白反射效应定量化并成图，但该法不能计算BSR下的游离气；②用波形反转法建立速度模型，计算水合物带及其下游离气的含量，但该法不适于用在气体饱和度大于2%的情况；③用地震反射系数或AVO计算水合物及与BSR有关的游离气。各种方法均具有一定的实用性，但也存在或多或少的缺陷和局限性。天然气水合物的赋存条件与油气的最大区别就在于天然气水合物必须具有严格的P-t条件，因此，模拟实验研究天然气水合物相平衡条件仍是研究的热点。通常认为，稳定带的边界是水合物的相平衡曲线和地热梯度的交点，并用这个交点的位置来预测稳定带的厚度。而实测的资料表明，稳定带的边界比预测的边界要高，如ODP146航次889/890站位实测的稳定带边界要比预测的高40～50m（Kastner等，1995），而ODP164航次布莱克海岭的稳定带边界比预测的高达100m（Ruppel等，1997）。
天然气水合物藏的资源量到底有多少？目前世界上尚无法准确计算。据原苏联科学家的初步估计，海域内天然气水合物有15×1015m3。根据美国地质学家的资料，天然气水合物中的天然气总资源量为1018m3，也就是说，超过了包括煤炭在内的所有已知的可燃矿产的储量。据第28届国际地质大会的资料，天然气水合物的储量极为巨大，据估计可能达到28×1013m3。而据原苏联科学院院士A.A.特罗菲姆克计算，甲烷藏密度为（1170～1384）×108m3/km2，当海洋沉积物中天然气水合物藏的产气率为0.7时，世界海洋天然气水合物生成带所产气的储量约为85×1015m3。这一数量与当时美国学者的计算结果大致吻合（1979）。1988年，Ian Ridley和Kathy Dominic在《Gas Hydrates Keep Energy on Ice》文中介绍：“苏联科学院的Makogan研究组估计，仅在海洋环境中的天然气水合物就含有5.6×1018m3天然气，而美国学者估计在美国*边缘的天然气水合物含有7.2×1014m3天然气”。
目前，世界上对天然气水合物资源量有以下几种典型计算。
1）1973～1975年，苏联学者A.A.Trofimuk等对世界海洋天然气水合物的资源量提出了评价方法，并进行了评价，对全球天然气水合物含碳量估算值约为（2.7～14）×103GT（1GT=1015g）。美国天然气远景委员会在1981年汇总全部的估计值后也曾提出过海洋外*边缘沉积物中甲烷水合物的含碳量的估算值。20世纪80年代末，国际地质勘探者工作协会对全球24个地区浅海天然气水合物的赋存控制因素和可采储量进行了研究。J.Krason等应用区域盆地分析方法评价了各种构造环境中的天然气水合物，指出天然气水合物较适宜生成的温度和压力条件一般出现于*斜坡、陆隆区以及深海平原的浅层沉积物中。
2）1988年，美国学者Kvenvolden和Claypool重新估算了全球水合物资源量，根据他们假定的全球海洋沉积物体积和沉积物有机质丰度，提出仅微生物作用形成的天然气水合物的含碳量就达16×103GT的估算值。考虑到多种因素的综合影响，Kvenvolden认为，甲烷水合物含碳量较为合理的估计值应为1×104GT；如果再考虑到热成因来源的甲烷，估计实际上应不小于1×104GT。1995年，Kvenvolden再次指出，目前天然气水合物中甲烷总量较为一致的估计值约为2.0×1016m3，并认为如果这一估计正确，天然气水合物中甲烷的总含碳量则是当前已探明的所有燃料矿产（煤、石油、天然气）总含碳量的2倍。
3）1995年，美国地质调查所利用类似于常规油气的勘探评价方法，对美国甲烷水合物资源进行了详细评价（Collett，1995），估计资源量有3169.6×1012m3，比原来估算大了几个数量级。1997年根据大洋钻探计划（ODP）提供的数据再次评价，估算甲烷水合物资源量为5660×1012m3，其中海域的资源占总量的99%，超过美国现有常规油气资源的100多倍。正是在这些资源评价的基础上，美国能源部、化石能源办公室和联邦*能源技术中心于1999年6月制定了“美国甲烷水合物多年研究发展项目计划”。
表1-3 全球天然气水合物资源量
4）日本天然气水合物的海洋地质与地球物理研究主要由日本地质调查所、日本石油公团以及有关的公司（如日本石油勘探公司JAPEX）、东京大学等3个部分组成。基于1993年的实例研究，地质所估算了日本周围海域的甲烷水合物资源量大约为6×1012m3，是1992年日本全国天然气消耗量的100倍。日本出于资源短缺的严峻压力和对新能源的巨大期望，于1995年提出“气体水合物研究发展五年计划”。基于多年研究，Krason与Matsumoto估算了日本南海海槽天然气水合物的体积为（4.20～0.42）×1012m3和（0.8～8.0）×1012m3。Saton等估算了四国岸外南海海槽地区的天然气水合物与有关的游离气资源量，分别为2.71×1012m3与1.6×1012m3。
5）印度常规油气资源量预测为707×108m3。1995年12月的印度地球物理大会上气体水合物成为重要议题之一。印度科技界在原有工作基础上经深入评价，估计印度陆架区可能产出的天然气水合物资源量为2×1012m3，促使印度石油工业开发部迅速制定了国家勘探开发（1995～1999）计划。
6）大多数人认为，储存在天然气水合物中的碳至少有1×1013t，约是当前已探明的所有化石燃料（包括煤、石油和天然气）中碳含量总和的2倍。
总之，尽管说法不一，或这些评估过于乐观，但与常规油气资源相比，天然气水合物中潜在的天然气资源量仍然是极其巨大的（表1-3）。
二、天然气水合物的开发前景
人类开发利用能源的发展趋势是：煤（固体）→石油（液体）→天然气（气体）。不仅天然气水合物层本身存在巨大无比的甲烷资源，而且往往在含天然气水合物层之下同时还蕴藏了巨大的常规天然气资源。如果说永冻区的水合物离世界上大多数国家太遥远的话，那么海洋水合物则就在他们面前。*斜坡、陆隆和世界洋底下有没有那么多天然气水合物，能不能开发出来，都是人们十分关心的问题。几十年来全球对天然气水合物的普查、勘探和试验性开发一刻也未停顿过。美国、日本、印度和德国已着手安排了实际上是整个世界海洋沉积物上部的研究计划。DSDP和ODP钻探计划有目标和持续性的工作为调查世界海洋水合物的分布取得了举世瞩目的成就，为今后开发天然气水合物资源打下了基础，为被能源与环境问题困扰的人类社会带来了新的希望。
虽然目前国际的天然气水合物热持续高涨，但是在天然气水合物开发利用的问题上一直有两种呼声。有人提倡大刀阔斧地进入实用阶段，也有人呼吁三思而后行，甚至有少数人反对开发利用天然气水合物。从全局来看，有一些技术确实还没有达到实用开发天然气水合物的水平，但只要全球科学家和各国*抱着负责任的态度，大力投资科技攻关项目，我们深信，人类在21世纪是可以做到安全利用天然气水合物的。俄罗斯的巴尔坎和日本的专家也认为：“在开采技术发生根本变化后，开发水合物资源不仅完全可能，而且指日可待”。Sloan指出，大规模开采天然气水合物中的甲烷在21世纪的某些时候将成为现实。
1.识别BSR技术的进步
随着高分辨率多道反射地震技术的普遍采用和地震数据特殊处理技术的提高，BSR现象在地震剖面上更为明显。在地震剖面中，BSR一般呈现出高振幅、负极性、平行于海底和与海底沉积构造相交的特征，容易识别，效率较高。
2.钻孔取样技术
目前采用的钻孔取样技术有4种：①活塞式岩心取样器；②恒温岩心取样器；③恒压岩心取样器（PSC）；④水温探测仪。通过测量采样处海水温度来确定海水含盐度，进而计算岩心中水合物的分解量。
3.测井技术
测井技术是天然气水合物勘探中除地震反射法和钻孔取心法之后又一有效手段。当然仅凭某一种或两种方法来判断天然气水合物的存在是不可靠的，有时其他偶然因素也会引起测井曲线表现出类似天然气水合物层段的特征，所以在实际工作中应视具体情况采用多种测井方法并结合应用其他方法来判识天然气水合物。
4.开发技术
常用的开发技术有：①热激发法；②化学试剂法；③减压法。单采用某一种方法来开采天然气水合物是不经济的，只有结合不同方法的优点才能达到对水合物的有效开采。若将降压法和热开采技术结合使用将会展现出诱人的前景，即：用热激发法分解气/水合物，而用降压法提取游离气体。虽然从技术角度来看，开发天然气水合物资源已具可行性，但是目前人们仍未找到一种在当前的科技条件下比较经济合理的开采方法。
5.全球瞩目的日本、美国和印度的开发计划
近年来，许多国家成立了专门的机构，投入巨资，旨在探明本国的天然气水合物资源和进行开采准备。美国成立了天然气水合物研究中心，日本成立了甲烷水合物开发促进委员会，加拿大于1998年组织了包括美国和日本等国25位科学家参加的陆地天然气水合物钻探和开发的技术研究，印度也制订了自己的天然气水合物开发计划。
6.全球天然气水合物开发前景
海洋天然气水合物是全球天然气水合物资源开发的重点，不仅因为海洋天然气水合物占总资源量的大半以上，而且分布广泛，对那些滨海而又缺乏能源的国家来说，天然气水合物则带来了莫大的希望和寄托。
海底浅层沉积物中的天然气水合物和周围的沉积物可以形成一种封闭性极好的盖层，为*斜坡和陆隆区形成的天然气提供了良好的聚集条件。已经证实天然气水合物的胶结层具有很强的封闭性，含水合物岩层可对常规油、气藏起到屏蔽作用，天然气水合物层之下往往有大型常规气藏。圈闭于天然气水合物带的常规天然气或石油比包含于天然气水合物中的非常规天然气在目前更具有经济价值。
天然气水合物的存在为勘探常规气藏提供了有用的信息。天然气水合物反映出沉积物正在进行着的烃类生成作用。而天然气水合物对估计一个地区现今的热流及其热历史是有价值的，因为天然气水合物仅存在于非常有限的温度-压力范围内，其出现形式的变化是与孔隙水化学变化、烃类成分的变化或温度-压力梯度异常密切相关的。
前苏联开发麦索雅哈气田的实践经验证明，在永冻区开发常规天然气不可避免地会遇到天然气水合物问题。一般来说，永冻区的天然气水合物形成深度总是浅于常规气藏的深度，它像盖层一样封闭了其下的常规天然气。当人们没有发现和认识水合物之前，实际上已经遇到天然气水合物，如天然气水合物分解造成的井喷等。所以说，开发天然气水合物不是单一的资源开发，而是一种综合开发。
天然气水合物是天然气的一种载体，从能源角度上看，天然气水合物属于天然气这个范畴。人类发现了天然气水合物，评价了它可能对人类的贡献，但不能将天然气水合物孤立起来进行研究。天然气水合物藏的形成首先要有气源，所以天然气水合物地质学同石油天然气地质学是不可分割的，其开发也要同常规气藏联合开发。天然气水合物的开发前景广阔。
小结
1）在充分了解世界各国水合物调查研究计划及进展的基础上，重点介绍了4个国家的天然气水合物研究开发计划、10个国家的部门计划，以及30多个国家和地区天然气水合物的调查和研究情况。
2）通过对信息资料的综合分析，认为目前天然气水合物调查研究主要围绕天然气水合物资源特征、商业性的生产与开发、全球碳循环、安全及海底稳定性和天然气运输方法等5个方面开展工作。当前急需解决的重点是：利用获得的测井、岩心和钻井记录等有效信息，不断地改进地质模型和地球物理勘探方法，以便尽早实现商业性开采。
3）为积极配合生产与开发的需要，指出了目前研究工作已由过去的水合物热力学转向动力学研究。水合物动力学包括形成动力学和分解动力学，涉及水合物的形成、储存与开采、动力学抑制剂的开发，以及石油和天然气输送管线的设计等。强调通过对动力学的研究，将有助于开展天然气水合物多方面的应用研究。
4）通过对天然气水合物的物理化学性质、赋存特征、成矿条件、分布规律及矿藏成因等相关资料的深入分析，系统整理了天然气水合物成矿的有关地质理论。重点探讨了天然气水合物的热解、微生物和混合等3种气源成因，天然气水合物的成矿模式，以及资源评价与开发前景。
5）全面总结了天然气水合物调查的地质、地球物理和地球化学等多种技术方法，主要包括微地貌及其可视化勘查技术、高分辨率多道地震勘查技术、电磁法探测技术和卫星遥感勘查技术等。通过对比分析，认为多道地震反射法是海洋天然气水合物主要的勘探方法，该方法可以揭示天然气水合物沉积层速度的精细结构，进行储层描述，有利于寻找勘探目标和地质储量评价，并强调同时应结合其他非地震勘探手段。
6）系统归纳了天然气水合物的多种保压保温取心技术、钻井技术及测井技术，结合钻探实例进行了利弊因素分析。在了解国外天然气水合物开发方法和现状的基础上，介绍了天然气水合物的3种主要开采方法，并结合水合物试验开采实例，讨论了开发生产技术问题及对策。
7）从天然气水合物与全球碳循环及温室效应、天然气水合物与全球气候变化的关系，以及天然气水合物的地质灾害因素等多方面分析，探讨了天然气水合物的环境效应。
