海域天然氣水合物資源勘查工程進展

楊勝雄， 梁金強， 劉昌嶺， 沙志彬

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室， 廣州 510075；2.中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，國土資源部天然氣水合物重點實驗室，青島 266071)

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海域天然氣水合物資源勘查工程進展

楊勝雄1， 梁金強1， 劉昌嶺2， 沙志彬1

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室， 廣州 510075；2.中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，國土資源部天然氣水合物重點實驗室，青島 266071)

近年來，由中國地質(zhì)調(diào)查局組織實施的“海域天然氣水合物資源勘查”工程，按照工程總體部署，主要開展了我國南海北部海域的天然氣水合物勘查、環(huán)境監(jiān)測與評價，以及成礦理論、勘查與試采關(guān)鍵技術(shù)、實驗?zāi)M等研究工作，獲取了海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，取得了一系列突破性進展和原創(chuàng)性成果，初步摸清了我國海域天然氣水合物資源家底，為試采工程的實施提供了有力支撐。該工程全力支撐了中國地質(zhì)調(diào)查局天然氣水合物工程技術(shù)中心、國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室、國土資源部天然氣水合物重點實驗室建設(shè)，推動了科技創(chuàng)新與地質(zhì)調(diào)查深度融合，促進了水合物學(xué)科的發(fā)展。

天然氣水合物； 資源勘查； 成藏理論； 環(huán)境監(jiān)測與評價； 實驗?zāi)M

0 引言

天然氣水合物是一種自然存在的、由水與甲烷分子在低溫高壓環(huán)境下形成的冰狀籠型復(fù)合物，在世界各地的大陸邊緣及凍土帶內(nèi)均有發(fā)現(xiàn)。天然氣水合物作為一種未來的潛在能源日益受到重視，世界各國相繼開展了調(diào)查研究[1-3]。目前，國際上已經(jīng)逐漸從天然氣水合物資源勘查進入試驗開采階段，迄今已在全球230處發(fā)現(xiàn)天然氣水合物，并在加拿大麥肯齊三角洲、美國阿拉斯加北坡等2個陸地多年凍土區(qū)和日本南海海槽1個海域?qū)嵤┝颂烊粴馑衔镌嚥蒣4-6]。 2013年3月，日本從其南海海槽水深1 180 m海底以下260 m的水合物儲層中試采出甲烷，6天內(nèi)的累計產(chǎn)量達12萬m3，進一步點燃了全球天然氣水合物開發(fā)的熱情[6]。

我國天然氣水合物資源調(diào)查起步于1999年，通過十多年的科技攻關(guān)，已經(jīng)取得了顯著的進步，在勘查技術(shù)、成藏機理以及基礎(chǔ)物性研究等方面已經(jīng)達到或接近國際先進水平，但整體勘查程度仍然較低[7-9]。為實現(xiàn)“海域天然氣水合物資源勘查”工程的核心目標，實現(xiàn)我國天然氣水合物勘探開發(fā)與先進國家從跟跑到并跑、部分領(lǐng)跑的跨越，在前期國家天然氣水合物專項資源勘查基礎(chǔ)上，重點開展了如下工作： 鎖定天然氣水合物富集區(qū)，優(yōu)選試采目標，為試采工程決策和實施提供基礎(chǔ)支持； 建立自主的海域天然氣水合物勘查評價體系，創(chuàng)新并豐富天然氣水合物成藏地質(zhì)理論和環(huán)境影響效應(yīng)評價理論； 鍛造一支躋身國際天然氣水合物勘查研究行列的科技人才隊伍，力爭資源勘查評價研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從跟跑到并跑、部分領(lǐng)跑的跨越。具體工作內(nèi)容包括：

(1)按照不同勘探程度，分層次、分階段開展管轄海域天然氣水合物資源勘查，查明天然氣水合物資源分布情況和資源潛力，圈定資源遠景區(qū)、有利區(qū)帶和成礦區(qū)塊；

(2)開展有利成礦區(qū)資源詳查，鎖定富集區(qū)，為海域天然氣水合物試驗性開采提供地質(zhì)基礎(chǔ)依據(jù)；

(3)開展管轄外重點海域天然氣水合物遠景調(diào)查，評價水合物資源遠景；

(4)開展南海北部天然氣水合物重點富集區(qū)及試采區(qū)環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測，評價天然氣水合物試采的環(huán)境影響效應(yīng)，為將來天然氣水合物的工業(yè)化開發(fā)提供環(huán)境效應(yīng)評價依據(jù);

(5)開展天然氣水合物勘查技術(shù)方法、模擬實驗和成藏地質(zhì)理論研究，為開展天然氣水合物資源勘查與評價提供技術(shù)支撐和理論指導(dǎo)。

本文將圍繞該工程的上述任務(wù)目標和工作內(nèi)容，對取得的階段性進展與成果進行總結(jié)，對理論及技術(shù)創(chuàng)新進行闡述，對服務(wù)效果進行歸納，并對未來的工作進行展望。

1 主要進展與成果

(1)天然氣水合物資源勘查實現(xiàn)新的重大突破。在新海域首次鉆獲埋藏淺、厚度大、產(chǎn)狀多、甲烷純度高的天然氣水合物實物樣品[9-10]。在南海北部海域開展了11個站位的先導(dǎo)孔隨鉆測井，其中W07站位在121～153 m間發(fā)現(xiàn)異常高的聲波速度和電阻率值。聲波速度超過2 500 m/s，電阻率異常值可達12 Ω·m。通過對該站位進行鉆探取心，確定含水合物層厚30 m，水合物最大飽和度約75%，滲透率可達40×10-3μm2，水合物礦體面積約12 km2(圖1)。

(2)系統(tǒng)獲取了水合物試采目標儲層地質(zhì)參數(shù)，為水合物試采工程提供了依據(jù)。鎖定了試采目標，完成了南海北部海域試采井位建議。系統(tǒng)獲取了水合物試采目標井位的儲層原位滲透率、水合物飽和度、氣體組分及保壓樣品三軸巖土應(yīng)力等方面的詳實數(shù)據(jù)[11]，進一步明確了試采目標水合物類型、礦體及游離氣空間分布等關(guān)鍵參數(shù)，為試采工程提供了地質(zhì)依據(jù)與技術(shù)支持。

(3)首次建立了南海天然氣水合物試采區(qū)土體本構(gòu)模型，為水合物試采安全評價提供了支撐。開展了南海北部海域水合物試采水合物分解、試采對土層穩(wěn)定性影響研究、井口土層穩(wěn)定性分析、試采區(qū)海底斜坡穩(wěn)定性評估； 首次建立了南海天然氣水合物試采環(huán)境效應(yīng)評價的土體本構(gòu)模型，為水合物試采及安全評價提供了環(huán)境影響方面的支撐[12](圖2)。

(4)初步掌握了北冰洋陸架區(qū)主要盆地油氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀以及油氣資源潛力。編制了《1∶500萬北冰洋陸架區(qū)沉積盆地分布圖》(圖3)。初步認為西南巴倫支海陸架區(qū)、阿拉斯加北部陸架區(qū)以及馬更些三角洲盆地是北冰洋地區(qū)最具水合物資源潛力的地區(qū)[17-18]。為我國進入該海域進行科考或開展合作進行相關(guān)的調(diào)查研究提供了科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)資料。

(5)利用自主研制的天然氣水合物動態(tài)聚散模擬實驗裝置，開展了一系列南海北部海域水合物礦體賦存條件下的成藏模擬實驗，為指導(dǎo)海域天然氣水合物找礦提供理論依據(jù)。

以南海北部海域水合物賦存區(qū)溫度和壓力條件為約束，進行水合物成藏模擬實驗[19]，在實驗室內(nèi)重現(xiàn)了海底滲漏型水合物生長的3個階段，獲得在不同本征滲透率沉積物體系中，水合物飽和度(Sh)壓力(P)以及含水合物沉積物滲透率(K)隨時間(t)的變化規(guī)律(圖4)，明確了孔隙壓力較大和本征滲透率較高的儲層更有利于天然氣水合物成藏，為指導(dǎo)海域天然氣水合物找礦提供理論依據(jù)。

(6)利用自主研發(fā)的天然氣水合物地球化學(xué)模擬實驗裝置開展系列實驗，在測定原位溶解甲烷濃度的方法上取得新突破，為水合物地球化學(xué)勘探新指標的運用提供了理論依據(jù)。

地層中的溶解甲烷濃度是水合物形成的重要約束條件，其原位測定是水合物地球化學(xué)勘探的一大難點[20]。本項進展利用自主研發(fā)的天然氣水合物地球化學(xué)模擬實驗裝置開展系列實驗，獲得了溶解甲烷濃度(CCH4)、硫酸根離子濃度(CNa2SO4)與拉曼光譜標準化強度(I*)定量對應(yīng)關(guān)系(圖5)。結(jié)果表明： 溶解甲烷濃度測量值與計算值、硫酸根離子濃度測量值與計算值相對誤差較小，2條定量關(guān)系曲線均具有良好的準確性、可靠性和適用性，能夠滿足水合物賦存條件下溶解甲烷濃度的測定需要。

2 理論與技術(shù)創(chuàng)新

(1)海域水合物成藏地質(zhì)研究取得新進展[21-24]。形成并完善了南海地球物理、地質(zhì)微生物、地球化學(xué)和自生礦物綜合異常找礦理論，優(yōu)化了水合物目標評價理論和方法，提出了南海北部陸坡滲漏型、擴散型和復(fù)合型水合物成藏模式，有效地指導(dǎo)了試采目標優(yōu)選和井位部署。

(2)自主開發(fā)、研制了系列海域天然氣水合物勘查的設(shè)備與軟件，為勘查和試采提供技術(shù)支撐和有效服務(wù)[25-28]:

1)初步完成了海底環(huán)境長期監(jiān)測系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了與CO2、甲烷、CTD等3款傳感器的集成，完成了供電模塊的開發(fā)、水聲通信系統(tǒng)的集成開發(fā)及海試數(shù)據(jù)采集；

2)初步完成海底冷泉聲學(xué)探測系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用。利用地震、淺地層剖面資料、多波束資料對南海西部和東北部甲烷滲漏系統(tǒng)進行了有效識別；

3)初步形成水合物海洋可控源探測技術(shù)，并成功應(yīng)用于南海水合物資源勘查，效果良好；

4)自主研制了海底潛標觀測系統(tǒng)，并應(yīng)用與水合物區(qū)海底環(huán)境長期觀測，為水合物試采提供了科考的海底環(huán)境監(jiān)測設(shè)備及技術(shù)；

5)通過開展南海含天然氣水合物土的樣品合成與原位宏微觀力學(xué)特性測量，首次建立土體本構(gòu)模型，為試采的安全性評價提供不可或缺的土體力學(xué)特征參數(shù)；

6)在國內(nèi)首次采用土工離心機模擬技術(shù)，建立了模型實驗相似律，驗證完成海底土層不穩(wěn)定評價分析方法，為水合物試采、開采安全性評價提供技術(shù)支撐；

7)自主形成了“小道距多道地震優(yōu)選區(qū)帶、三維立體探測鎖定目標、海底鉆探驗證靶區(qū)”的一套適合我國海域、精準高效的勘查技術(shù)體系。

(3)水合物實驗?zāi)M技術(shù)取得新進展?；谖锢砟M實驗、數(shù)值模擬實驗研究，提出了海域天然氣水合物開采儲層出砂問題的4種誘發(fā)模式(圖6)，對水合物開采過程中的出砂問題有了新認識[29-31]。

建立了瞬態(tài)壓力脈沖法測定含水合物沉積物絕對滲透率的技術(shù)方法。在自主研發(fā)的實驗裝置上開展了瞬態(tài)壓力脈沖法適用性驗證實驗，分析了含水合物沉積物滲透率與水合物飽和度的關(guān)系。

3 有效服務(wù)

(1)南海天然氣水合物成藏地質(zhì)研究成果為資源勘查提供指導(dǎo)。創(chuàng)新性提出的南海北部陸坡擴散型、滲漏型和復(fù)合型3種天然氣水合物成因模式[23]，有效地指導(dǎo)鉆探目標優(yōu)選和井位部署。深入了解南海北部海域水合物試采區(qū)水合物形成的基本地質(zhì)條件及控制因素，水合物富集成藏特征，水合物儲層特征、資源潛力等地質(zhì)要素，為試采提供地質(zhì)理論依據(jù)； 系統(tǒng)了解地球物理、地質(zhì)微生物學(xué)、地球化學(xué)及自生礦物學(xué)等水合物異常響應(yīng)機理，有力指導(dǎo)了南海北部天然氣水合物勘探找礦。

(2)開展海域水合物勘查及鉆采技術(shù)研發(fā)，通過自主開發(fā)、研制系列海域水合物勘查關(guān)鍵設(shè)備與軟件，有效服務(wù)了南海水合物勘查[27-29]。初步形成水合物海洋可控源探測技術(shù)，并成功應(yīng)用于南海水合物資源勘查，效果良好； 初步完成海底冷泉聲學(xué)探測系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用； 利用地震、淺地層剖面資料、多波束資料對南海西部和東北部甲烷滲漏系統(tǒng)進行有效識別； 研發(fā)基于OBS探測數(shù)據(jù)的地震反演技術(shù)，有效應(yīng)用于水合物成礦帶識別； 開展了水合物分解、試采對土層穩(wěn)定性影響研究，為水合物試采及安全評價提供基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)。

通過對南海水合物試采區(qū)含水合物巖心樣品進行系統(tǒng)的分析測試，獲得了水合物的結(jié)構(gòu)類型、孔穴占有率、水合指數(shù)、氣體與同位素組成等重要參數(shù)，以及其賦存沉積物的特性，明確了水合物主要為典型的I型結(jié)構(gòu)，但是也有一些水合物為I型和II型結(jié)構(gòu)共存的類型，對水合物試采降壓方案的制訂有重要的參考價值[9-10]。

4 展望

“海域天然氣水合物資源勘查”工程將在已有調(diào)查成果基礎(chǔ)上，針對不同對象、按照不同程度，分區(qū)域、分層次進行資源概查、普查和詳查，依據(jù)水合物勘查規(guī)范，分層次開展區(qū)域遠景評價、成礦區(qū)帶評價、有利區(qū)塊評價和礦藏目標評價，獲得不同勘查階段的水合物相應(yīng)資源量。

2017—2018年，工程重點在南海北部水合物遠景區(qū)開展天然氣水合物資源普查，在南海北部珠江口盆地東部開展天然氣水合物資源詳查及鉆探，查明天然氣水合物成礦地質(zhì)條件，圈定天然氣水合物地球物理及地質(zhì)地球化學(xué)異常的分布區(qū)域，估算調(diào)查區(qū)天然氣水合物資源量。同時，爭取在南海新區(qū)域開展水合物資源調(diào)查，初步查明水合物資源的有利分布區(qū)，對其資源前景做出戰(zhàn)略預(yù)測和評價。

2019—2021年，工程重點開展南海北部海域水合物資源詳查與精查，鎖定2～3個富集區(qū)，為實施海域試采工程提供優(yōu)選試采新目標； 繼續(xù)在南海新區(qū)域開展水合物資源調(diào)查，初步查明水合物資源的有利分布區(qū)，對其資源前景做出戰(zhàn)略預(yù)測和評價，圈定2～3塊遠景區(qū)，以期取得新的突破。

工程開展天然氣水合物資源勘查的同時，同步開展南海天然氣水合物成礦理論、南海天然氣水合物勘查技術(shù)以及天然氣水合物鉆采技術(shù)研發(fā)，為資源勘查提供有效的技術(shù)支撐和理論指導(dǎo)?；拘纬删哂凶灾髦R產(chǎn)權(quán)的水合物勘查、鉆采技術(shù)和裝備，形成和創(chuàng)新南海天然氣水合物成礦理論，培養(yǎng)一流的水合物調(diào)查研究隊伍，在科技和人才支撐下實現(xiàn)我國天然氣水合物勘探開發(fā)重大突破，占領(lǐng)世界天然氣水合物科學(xué)研究和資源利用制高點。

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(責(zé)任編輯： 刁淑娟)

Progresses of gas hydrate resources exploration in sea area

YANG Shengxiong1， LIANG Jinqiang1， LIU Changling2， SHA Zhibin1

(1.MinistryofLandandResourcesKeyLaboratoryofMarineMineralResources，GuangzhouMarineGeologicalSurvey，Guangzhou510075，China；2.MinistryofLandandResourcesKeyLaboratoryofNaturalGasHydrate,QingdaoInstituteofMarineGeology,Qingdao266071,China)

According to the project Gas Hydrate Resources Exploration in Sea Area organized by the China Geological Survey in recent years, the gas hydrate exploration in the northern South China Sea, environmental monitoring and evaluation and the research of gas hydrate accumulation theory, the key test-mining technology and experimental simulation were carried out. A large amount of basic data was obtained and a series of breakthroughs and original achievements were made. The gas hydrate reserves in sea area of our country were initially proved. All of these results provided a strong support for the implementation of test-mining work. This project fully supports the construction of the Natural Gas Hydrate Engineering Technology Center of China Geological Survey, Ministry of Land and Resources (MLR) Key Laboratory of Marine Mineral Resources and Ministry of Land and Resources (MLR) Key Laboratory of Natural Gas Hydrate. It promotes the deep integration of technological innovation and geological survey, and encourags the science progress of gas hydrate.

gas hydrate; resources exploration; accumulation theory; environmental monitoring and evaluation; experimental simulation

10.19388/j.zgdzdc.2017.02.01

楊勝雄，梁金強，劉昌嶺，等.海域天然氣水合物資源勘查工程進展[J].中國地質(zhì)調(diào)查,2017,4(2): 1-8.

2017-03-20；

2017-04-02。

中國地質(zhì)調(diào)查局“海域天然氣水合物資源勘查工程(編號： 0849)”項目資助。

楊勝雄(1964—)，男，教授級高級工程師，博士，中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局總工程師，海域天然氣水合物資源勘查工程首席專家，主要從事天然氣水合物調(diào)查與研究工作。Email： yangshengxiong@hydz.cn。

TE132.2

A

2095-8706(2017)02-0001-08