海洋天然氣水合物勘探方法綜述

尹聰，蘭麗茜 ， 王芳(1. 國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033； 2. 山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033；3.中國海洋大學(xué) 青島 266100)

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海洋天然氣水合物勘探方法綜述

尹聰1，2，3，蘭麗茜1，2， 王芳1，2
(1. 國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033； 2. 山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033；3.中國海洋大學(xué) 青島 266100)

由于受溫度、壓強(qiáng)等因素的制約，海洋天然氣水合物在地層中形成及分布的區(qū)域是多樣化的。在這樣復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中探礦，需要使用多種勘探手段和方法。當(dāng)前，主要使用地球物理和地球化學(xué)的方法進(jìn)行勘探，采取以物探法中的地震勘探為主、其他方法為輔的辦法來判定地層中是否有水合物存在。對勘探方法進(jìn)行全面了解和研究，有助于未來逐步探明天然氣水合物的賦存情況，為今后對其進(jìn)行合理開發(fā)打下基礎(chǔ)，進(jìn)而為國家建設(shè)提供充足的能源支撐。

天然氣水合物；勘探方法；物理勘探；化學(xué)勘探

天然氣水合物是一種有籠狀構(gòu)造的似冰狀結(jié)晶礦物，主要是由甲烷和水分子結(jié)合而成。海底天然氣水合物具有能量高、分布廣、規(guī)模大、埋藏淺等特點(diǎn)，全球天然氣水合物的資源總量相當(dāng)于已探明石油、天然氣和煤的總碳量的2倍，因此被公認(rèn)為是未來重要的后續(xù)能源[1-2]。研究表明，天然氣水合物主要分布在主動和被動大陸邊緣的陸坡、島坡、海山、邊緣海深水盆地，乃至內(nèi)陸?；蚝^(qū)[3],目前，在東海和南海都已被證實(shí)有大量的天然氣水合物資源存在。盡管如此，在勘探方面依然存在著預(yù)測資源量偏大、地震剖面上似海底反射層(BSR)與天然氣水合物沉積層關(guān)系不明確、水合物成藏動力和體系研究不夠等問題[4]，因此需要多種勘探方法互為補(bǔ)充，提高勘探準(zhǔn)確性。本文對海洋天然氣水合物主要勘探方法進(jìn)行論述，旨在為準(zhǔn)確、高效、經(jīng)濟(jì)地勘探水合物提供理論依據(jù)和方式方法，也為未來開采做好前期準(zhǔn)備工作。

1 我國對海洋天然氣水合物的勘探歷程

中國對天然氣水合物的勘探起于20世紀(jì)90年代初，1990年首次在實(shí)驗(yàn)室里合成甲烷水合物，這是我國在該領(lǐng)域研究中邁出的具有實(shí)質(zhì)意義的第一步；1999年在南海進(jìn)行了500 km深水高分辨率多道地震調(diào)查，首次發(fā)現(xiàn)了似海底反射的水合物存在標(biāo)志，第一次在我國海域確定了有天然氣水合物的存在；2007年5月，在南海北部神狐地區(qū)的海床以下183～225 m處成功鉆獲了天然氣水合物實(shí)物樣品,這一突破標(biāo)志著我國對水合物的研究已由實(shí)驗(yàn)室階段步入到資源調(diào)查和開發(fā)利用這一階段；2011年，正式啟動了為期長達(dá)20年的國家水合物計劃，其中對南海水合物的勘查是重大項目，主要任務(wù)是利用綜合地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等手段在重點(diǎn)成礦區(qū)帶進(jìn)行勘查，查明資源的分布情況并實(shí)施試驗(yàn)性開采。我國雖然在這一領(lǐng)域起步較晚，但是擁有豐富的水合物資源，據(jù)粗略估算，南海作為主要分布區(qū)資源量約為64.97×1012m3，在勘探手段不斷發(fā)展的今天，圈定更多的遠(yuǎn)景區(qū)、為資源儲備打下基礎(chǔ)是指日可待的。

2 天然氣水合物的勘探方法

目前對天然氣水合物的勘探，主要依靠地球物理、地球化學(xué)的方法，隨著海洋科技的發(fā)展，水下成像技術(shù)也嶄露頭角。在不同的環(huán)境和條件下，應(yīng)選取合適的方法對天然氣水合物礦進(jìn)行探測，有時還需選取一種以上的方法，以確?？碧降臏?zhǔn)確性。

2.1 地球物理勘探法

2.1.1 地震勘探法

物探法是現(xiàn)在普遍使用的天然氣水合物的勘探方法，準(zhǔn)確度也比較高，尤其是地震勘探技術(shù)應(yīng)用廣泛。單道和多道地震是勘探天然氣水合物中一直使用的傳統(tǒng)方法，其震源主頻較低，穿透深度大，可以清楚地顯示似海底反射層(BSR)的位置，但是主頻低導(dǎo)致垂向分辨率受到制約，為了能更好地顯示水合物層的細(xì)部結(jié)構(gòu)，研究者們發(fā)展了高分辨率地震方法、深拖多道地震探測方法、海底地震儀方法、海底地震電纜等探測方法[5]。高分辨地震勘探設(shè)備比傳統(tǒng)地震勘探設(shè)備簡單，震源頻率高，注重地層垂向分辨率，可清楚地顯示BSR層；深拖多道地震勘探中，將震源和數(shù)據(jù)接收電纜置于近海底，可分辨出水合物層詳細(xì)的地層結(jié)構(gòu)，但是BSR層反射要弱一些；海底地震儀放置于海底，進(jìn)行定點(diǎn)長期觀測，與反射地震數(shù)據(jù)相配合，可以給出水合物區(qū)的沉積地層速度結(jié)構(gòu)模型；海底地震電纜是將電纜鋪設(shè)在海底來接收地震數(shù)據(jù)，它可以接收到海面拖纜無法記錄到的S波信號，利于BSR之下的氣區(qū)成像[5]。這幾種探測設(shè)備各有優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)根據(jù)海底實(shí)際情況、海洋環(huán)境等多種因素選擇探測設(shè)備，提高勘探準(zhǔn)確率。

2.1.2 海底熱流勘探

天然氣水合物形成和分解時，都會伴隨著吸熱和放熱的過程，因此海底熱流勘測也是研究水合物的重要方法之一。水合物在沉積物中的形成是一個放熱過程，因此形成的水合物藏上方，應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)地?zé)嵴惓?；相反，水合物分解是一個吸熱過程，在被破壞的水合物藏的上方應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)地?zé)嶝?fù)異常[6]。利用海底熱流探針可以直接測量海底熱流和海底溫度,利用測得的數(shù)據(jù)可以估算天然氣水合物穩(wěn)定帶的底界，也可以從宏觀上確定大陸邊緣水合物可能存在的分布范圍[5]。高熱流點(diǎn)區(qū)或者高地?zé)崽荻葞б话悴焕谔烊粴馑衔锏谋４?，但是熱流的影響范圍有限，比如沖繩海槽熱流點(diǎn)附近的一定范圍外熱流值極低[2]，有天然氣水合物賦存。

2.1.3 海底電磁、重力勘探

天然氣水合物在電性上是絕緣的，通過人工源海底電磁探測來輔助地震勘探手段，可了解天然氣水合物厚度、孔隙度，從而利用電法資料輔助評價和計算天然氣水合物的資源[7-8]。海底沉積地層可能賦存天然氣水合物, 可以通過重力儀記錄海底隨海洋波動的垂直起伏，進(jìn)而計算近海底沉積地層的剪切模量,通過剪切模量異常估算沉積地層中天然氣水合物的含量[9]。

2.1.4 測井技術(shù)

另外，測井技術(shù)也是進(jìn)行天然氣水合物勘探的有效方法，它是隨著鉆探技術(shù)的發(fā)展而應(yīng)用起來的，能夠識別含水合物的沉積層。由于天然氣水合物存在需要低溫高壓的環(huán)境，一旦改變這些外部條件，很容易引起水合物分解，而測井方法 能夠在原位地層壓力和溫度條件下測量地層物理特性，這種方法對發(fā)現(xiàn)和研究天然氣水合物來說是其他的勘探方法所不能替代的[10]。

2.2 地球化學(xué)勘探方法

天然氣水合物受到外部環(huán)境中溫度壓強(qiáng)的影響，會分解或者結(jié)晶，這樣使其周邊的水體、沉積物等的地球化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生異常變化，通過分析這些變化，可以確定水合物可能的成礦位置，這是識別海底天然氣水合物賦存位置的有效方法。

2.2.1 氣體異常檢測法

2.2.2 孔隙水Cl-濃度異常

孔隙水中Cl-濃度異常是水合物礦區(qū)的重要標(biāo)志之一。通常在水合物分布地區(qū)孔隙水Cl-濃度隨深度急劇減小。這是因?yàn)樘烊粴馑衔镌谛纬蛇^程中會產(chǎn)生排鹽作用, 使得周圍孔隙水中Cl-濃度增高; 隨著沉積物被壓實(shí), 固體和液體發(fā)生分離, 流體向上排升, 使得原來的高氯度流體運(yùn)移到沉積物頂部, 從而造成淺層沉積物中孔隙水Cl-濃度增高, 水合物附近孔隙水Cl-濃度反而降低[14]。目前收集到的各地許多含水合物鉆孔中測得的孔隙水氯度(0.51‰～8.2‰) 都遠(yuǎn)低于海水(約19.8‰)。因此,孔隙水Cl-濃度可以作為指示天然氣水合物的一個重要指標(biāo)[13]。

2.2.3 穩(wěn)定同位素法

穩(wěn)定同位素化學(xué)是研究天然氣水合物成礦氣體來源的最有效的手段[13]，多用甲烷中的13C值等來判定成礦原因。隨著研究不斷深入，有更多的化學(xué)物質(zhì)可以來判定天然氣水合物的存在。比如4He 同位素在海底冷泉附近出現(xiàn)高值異常，而冷泉又與水合物的存在有密切的關(guān)系, 所以高4He含量成為判別水合物存在的一個重要標(biāo)志[12]。

2.3 地貌勘測和水下成像勘測

由于天然氣水合物分布常和海底諸如斷層、麻坑、泥火山、底辟這樣的地形地貌有關(guān)，所以可以使用多波束條幅測深技術(shù)和精密聲相干技術(shù)結(jié)合來進(jìn)行海底微地貌探測[15-16]。現(xiàn)在海底探測手段多樣，普遍是利用聲吶設(shè)備，如多波束、側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶、淺地層剖面儀等進(jìn)行海底地形地貌和地層結(jié)構(gòu)的探測，有的尖端設(shè)備甚至可以探測到海底以下的儲氣層和沉積層，這無疑為有無水合物存在提供有力依據(jù)；在海底成像技術(shù)不斷發(fā)展的今天，還可以使用海底電視攝像技術(shù)和水下機(jī)器人等來探測真實(shí)地形地貌，推斷天然氣水合物可能產(chǎn)生的區(qū)域。

3 討論與總結(jié)

天然氣水合物是一種新興的、儲量豐富的能源，給未來社會發(fā)展帶來巨大潛力。但是目前在天然氣水合物的勘探中存在著需要注意的幾個問題：① 勘探過程中使用的種種方法和設(shè)備，都有其局限性，因此還是需要具體情況具體分析，不能僅憑理論經(jīng)驗(yàn)判斷該使用何種方法和設(shè)備。② 勘探方法還是主要以地震勘探為主，但在沒有BSR現(xiàn)象的地方可能也會有天然氣水合物的存在，如墨西哥灣；反之，有BSR的地方，可能沒有水合物的存在，這就需要結(jié)合其他判定方法進(jìn)行勘測，以免錯失資源或者浪費(fèi)掉巨額的開采成本。③ 勘探要全面，不僅要探明水合物成藏位置，還要探明其成藏方式，例如是作為填隙物存在于地層中，還是作為巖石骨架的一部分存在，這為避免人為災(zāi)害、安全開采打好基礎(chǔ)。

加強(qiáng)對天然氣水合物勘探方法的研究，將進(jìn)一步明確對該能源合理開發(fā)和利用的方法，對于緩解我國能源短缺，改善能源結(jié)構(gòu)布局，發(fā)展經(jīng)濟(jì)等具有深遠(yuǎn)影響。經(jīng)過多年的調(diào)查研究，我國正逐步建立適合中國海域特點(diǎn)的天然氣水合物資源綜合勘查技術(shù)體系，如高分辨率多道地震與海底地震聯(lián)合目標(biāo)探測、海底微地貌和熱流探測、海底原位孔隙水取樣等技術(shù)，為我國在圈定資源遠(yuǎn)景區(qū)、勘探開發(fā)利用該資源提供有力支撐和保障。

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