天然气水合物形成与分布
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发布时间：2022-04-19 19:20
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时间：2023-09-04 11:13
近年来，天然气水合物的研究热点主要在天然气水合物的形成、分布和稳定性等关键问题上。决定天然气水合物形成和分布的地质控制因素包括温压稳定性条件、碳氢来源、储集岩和天然气的运移。
图10-8 甲烷水合物形成的温度和压力模型
一、温压稳定性条件
天然气水合物形成需要一定的温度和压力。海洋中形成天然气水合物，通常要求水深在300～4000m，温度在2.5～25℃之间(Max et al.，1998)。根据Shipley等(1979)关于天然气水合物形成的温度-压力数学模型(图10-8)，当地层温度为5℃时，由甲烷气与3.5%盐度的海水形成天然气水合物的压力需达43atm以上(在同等温度条件下，由甲烷气和水或者由甲烷气和CO2混合气体形成水合物所要求的压力稍低一些)，相当于海底430m深度的压力。随着深度的增加，地层中的温度通常呈线形增加(3～10℃/100m)，而水合物的形成压力随温度增加呈对数增加，因而在大多数盆地中，压力增加远远不能满足这个要求。受自然界温度压力条件*，天然气水合物只能赋存于高纬度常年冻土带及深海近海底的浅层沉积物中。在极地，水合物产生的上限深度大约为150m，在海洋环境中，要求水深超过300m;天然气水合物存在的下限受地温梯度*，最大埋深大约为2000m(Kvenvolden，1993)。
正常条件下，在海洋中表层水温接近0℃、水深为3000m的深水区，天然气水合物稳定带的厚度可达1000m左右;在表层水温接近4℃、水深为1000m的浅水区，天然气水合物稳定带的厚度约为400m。天然气水合物的分布深度和厚度与地温梯度密切相关，地温梯度大，天然气水合物的埋深相对较浅、厚度较薄;反之，地温梯度小，则天然气水合物的埋深和厚度都将增大。根据温度-深度模型，对辛普森角、普鲁德霍湾及梅索雅哈气田的天然气水合物深度进行了预测，辛普森角的地温梯度较大(4.2℃/100m)，形成的甲烷水合物带较薄，厚度大约为100m，埋深300～500m;普鲁德霍湾的平均地温梯度约1.8℃/100m，甲烷水合物的埋深为213～1067m;梅索雅哈气田的平均地温梯度为2.0℃/100m，实测的天然气水合物埋深为350～875m，比理论计算深度略浅。
二、碳氢来源
根据形成天然气水合物的碳氢气体来源，可将碳氢气体分为两大类:一类属生物化学成因，碳氢气体主要来自于其赋存的沉积围岩中，大部分海底天然气水合物的碳氢气体均属于此类;另一类是热解成因，碳氢气体来源于较深层位;介于两种成因之间的属混合成因。
生物化学成因的碳氢气体，主要是通过厌氧菌在洋底消化有机碎屑而形成的。这种细菌以从河流和沼泽冲刷到海湾或洋底中的动、植物碎屑为营养，在其消化过程中，伴随着少量二氧化碳、硫化氢、丙烷和乙烷的形成，产生大量甲烷;这些气体向上迁移，并不断溶解于海底沉积物的间隙水中;当洋底温度和压力条件合适时，即达到一定的高压和低温时，天然气水合物就形成了。除了形成天然气水合物，在天然气水合物层之下，经常储集有大量的甲烷游离气体;生物化学成因的天然气水合物通常形成Ⅰ型结构天然气水合物。
石油和天然气渗出源或地壳更深部向海底的气体释放，是热解成因碳氢气体的主要来源;这些气体除了少量的海底之下沉积层中就被捕获形成的天然气水合物之外，更多的是向温压条件适合形成天然气水合物的海底运移。这类碳氢气体的分子量比较大，可以形成较大的天然气水合物结构类型，如Ⅱ型结构天然气水合物，能够包含有甲烷和其他的碳氢物质。
三、储集岩
原地天然气水合物样品的物理性质变化很大(Sloanetal.，2008)。天然气水合物存在于:粗砂岩的孔隙中，细砂岩的团块中，固体充填裂缝中，由少数含有固体天然气水合物的沉积物组成的块状单元中。大多数天然气水合物的现场考察说明，天然气水合物的富集，取决于裂缝和(或)粗粒的沉积物分布，天然气水合物可以存在于裂缝充填物质中或弥散于富砂储集体的孔隙中(Collett，1993，2002，2009;Tsujietal.，2009)。
Boswell等(2006)提出了资源金字塔模型(图10-9)，该模型由4种不同的天然气水合物带组成。在资源金字塔中，最有希望开发和利用的资源位于塔顶，而最难以开发动用的部分位于塔底。从上到下，依次为:①富砂储层;②富粘土的裂缝型储层;③大量的位于海底的天然气水合物地层;④弥散沉积于非渗透性粘土中的低浓度部分。上面的两个部分，由于能提供天然气水合物高浓度聚集所需的储集渗透性，最可能实现远景勘探和商业利用。
图10-9 天然气水合物资源金字塔
四、天然气的运移
高丰度的天然气水合物分布须包含大量的天然气。多数情况下，天然气水合物稳定带内部生成的微生物气，并不能提供足够用于形成水合物聚集的天然气。此外，大多数的天然气水合物聚集存在的沉积物，并没有深埋或达到足够的温度，以形成热成因机制的天然气。因此，天然气的运移就成为形成水合物稳定带中天然气水合物聚集的重要因素。
甲烷，包括其他的水合物气，有3种运移形式:①扩散作用;②运移水介质的溶解作用;③独立气相的浮力作用。扩散作用驱动的运移非常缓慢，大多不能运移足够的天然气，形成集中天然气水合物聚集(Xuetal.，1999)。以水溶气或独立气相进行的垂向运移，却是非常有效的。孔隙水流动和气泡相天然气在沉积物中都沿渗透性的通道运移，如断层系统、多孔易渗的沉积层等。因此，如果没有有效的运移路径，就不能形成大量的天然气水合物聚集。
