天然氣水合物的勘探與開發(fā)*

姜 昊，曹瀟瀟

(江蘇第二師范學院物理與電子工程學院，江蘇 南京 210013)

天然氣水合物具有分布范圍廣、規(guī)模大、能量密度高等特點，被認為是21世紀的重要后續(xù)能源。在過去20年里，科學家們在海洋和凍土區(qū)發(fā)現了異常大量的天然氣水合物。因此，在能源可持續(xù)發(fā)展、經濟可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境保護方面最有潛力的新能源就是天然氣水合物。

1 天然氣水合物的分布

自然界中，天然氣水合物礦藏主要分布于海底沉積物中，占總資源量的99%。目前全球海洋勘查發(fā)現并確定有天然氣水合物存在的地區(qū)主要有：白令海，鄂霍次克海，日本海，蘇拉威西海，新西蘭北島外海，巴倫支海，波佛特海，羅斯海，加勒比海，南美東海岸外陸緣海，威德爾海，黑海，里海，沖繩海槽，南開海槽，中美海槽，秘魯海槽，墨西哥灣，阿曼海灣，布萊克海臺，澳大利亞海域，非洲西海岸海域，加利福尼亞-俄勒岡濱北海岸等海域[1]。在這些區(qū)域中，以太平洋邊緣海域居多，大西洋西海岸其次。另外，世界范圍內幾乎所有陸緣和凍土帶地區(qū)也發(fā)現了水合物的存在，保守估測其含甲烷量約為1015～1016m3，遠大于常規(guī)天然氣的儲量[2]。根據氣源、溫度、壓力等水合物成藏要素的分析，我國凍土區(qū)與海域具有水合物成藏的有利條件，其中祁連山與南海天然氣水合物的發(fā)現就是強有力的證據(見圖1)[2]。據調查，我國有近2.15×106km2的凍土帶，含天然氣水合物高達3.5×1010t油當量，海域含水合物近4×109油當量[2]。

圖1 鉆取的天然氣水合物樣品[2]Fig.1 Drilled natural gas hydrate samples

2 天然氣水合物的研究現狀

我國天然氣水合物勘探開發(fā)起步晚，但與其他國家勘探開發(fā)技術差距正在逐漸縮小。從我國發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃以及天然氣水合物研究開發(fā)方案看出，2006-2020年為水合物初步探查階段，2020-2030年為水合物開采初階，2030-2050年為實現水合物商業(yè)化開采[2]。表1總結了我國天然氣水合物的研究現狀[3]。從表1可以看出，2007年6月，我國首次在南海北部海域鉆獲了天然氣水合物實物樣品，證實了在我國南海北部海域蘊藏著豐富的天然氣水合物資源，是我國地質史上的一次重要發(fā)現。2009年6月，我國在青海省祁連山南緣永久凍土帶成功鉆獲水合物巖心樣品，這標志我國凍土區(qū)水合物的研究不再是一片空白。2017年5月，我國在南海神狐海域實現連續(xù)8天的穩(wěn)定產氣，試采取得圓滿取得成功，實現了我國天然氣水合物開發(fā)的歷史性突破。2020年3月，我國南海神狐海域天然氣水合物第二輪試采取得成功并且超額完成目標任務，實現了從“探索性試采”向“試驗性試采”的重大跨越。

表1 中國天然氣水合物的研究現狀[3]Table 1 Research status of natural gas hydrate in China

在海洋水合物方面開采方面，我國較其他國家起步略晚。但在技術方面，我國攻克了深海淺軟地層水平井鉆核心關鍵技術，實現產氣規(guī)模大幅度提示，為生產性試采、商業(yè)開采奠定了技術基礎。同時，我國還自主研發(fā)了一套實現天然氣水合物勘查開采產業(yè)化的關鍵技術裝備體系，形成了六大類32項關鍵技術，研發(fā)了12項核心裝備，其中控制井口穩(wěn)定的裝置吸力錨打破了國外壟斷，前景光明[3]。

在凍土區(qū)水合物勘探方面，我國仍處于初期階段。由我國于凍土區(qū)多處于高海拔或者高緯度的原始森林無人區(qū)，勘探開發(fā)難度很大。羌塘盆地、木里地區(qū)和漠河地區(qū)基本具備形成水合物的熱力學條件和較好的成藏物質基礎，找礦前景較好；木里煤田勘探程度較高，構造地質條件等相對比較清楚，先于羌塘盆地等被鉆獲發(fā)現水合物。因此，凍土區(qū)水合物勘探應結合常規(guī)油氣或煤田勘探工作，以加快我國水合物的勘探研究進程[2]。

3 天然氣水合物的勘探技術

3.1 水合物地震勘探技術

水合物地震勘探技術的原理是沉積物中形成的水合物引起縱波橫波速度的增加，從地震上看，存在少量的游離氣就可以明顯降低縱波速度，橫波速度幾乎不受影響。由于游離氣是絕緣體，沉積物中含水合物或游離氣引起物理性質變化導致了地球物理號異常。通過對巖石合理建模，研究速度與飽和度、孔隙度以及其在沉積層中賦存狀態(tài)的聯系，采取隨鉆測量和巖心分析的辦法盡量恢復水合物原位地層信息，應用一些先進的地震處理技術加強對水合物的識別和預測。這項技術最早見于1970年在海底沉積物發(fā)現的似海底反射(BSR)。BSR被視為天然氣水合物穩(wěn)定帶底界面的標志，代表著水合物層以及下覆游離氣層的聲波阻抗差異。實驗和開采現場數據表明，儲層里如果存在高飽和度的水合物，縱波橫波速度會大大增加，而存在低飽和度水合物的儲層的地震速度增加不明顯。只有在水合物為膠結顆?；蛘咦鳛閮庸羌艿囊徊糠?，縱波與橫波速度才會增加；如果水合物只是填充縫隙，對橫波速度影響不明顯，骨架的剛性不受影響，孔隙度的降低會引起縱波速度有所增加，這也就是前面提到的橫波速度幾乎不受影響的原因。而常規(guī)的海上地震數據無法直接得到橫波速度，需要海底地震勘探技術(OBS)的轉換波地震數據，由旅行時反演或者是速度分析得到的[2]。

除了地震速度，地震衰減和地震各向異性也提供了水合物不同方面的信息。通過對地震衰減的分析可以在地震空白反射帶圈定水合物飽和度信息，但在實際中很難準確地從地震數據中獲得地震衰減信息。加拿大與日本對沉積物進行井筒測試衰減得出結論，含水合物地層縱波數據始終高于無水合物的沉積物。通過對地震各向異性分析，可以得到在實際巖性變化相對低的情況下儲層含低飽和度含水合物和無水合物物理性質的變化，在近乎垂直裂縫中存在大量水合物更會影響地震方位各向異性。分析各向異性的衰減來區(qū)分水合物和巖性變化對地震波場的影響來探測自然界水合物引起的地震能量衰減將是一個不錯的思路。為了確定水合物和游離氣的存在，似海底反射是一個重要的途徑。通過對疊后地震數據分析可以依據地震剖面上反射特征來識別似海底反射，但識別精度受人為因素影響較大。振幅隨偏移距變化(AVO)技術可以更加精確地對水合物藏進行識別和預測[4]。最后，多波多分量地震技術根據似海底反射上下界面的縱橫波速度差異對水合物儲層進行識別。它引入了橫波信息，讓橫波剖面具有更高的分辨率，讓似海底反射在縱波剖面與轉換橫波剖面上具有不同特征，有助于區(qū)分是巖性還是水合物造成的異常，可以更精確地了解水合物的賦存狀態(tài)以及飽和度信息[2]。

3.2 水合物海洋電磁勘探技術

海洋可控源電磁技術是一種通過在近海底或海底人工激發(fā)并接收電磁場信號，測量海底地層電阻率的方法。這項技術在近十年來已成功應用于海洋油氣勘探、以及海底淺層地質構造成像[2]。

海洋的電磁環(huán)境比較特殊，電磁波信號在海水中傳播滿足擴散方程而不是波動方程[5]，在低頻電磁信號或低電導率儲層情況下有利于信號傳播，有利于分辨高阻地層。與海底地層相比，海水具有強導電性，經海底地層傳播的信號將較早到達接收器，而經海曙傳播的信號將最晚到達，在適當的收發(fā)距下，兩個電磁能量到達時間是分開的，它們的到達時間可以直接指示海底電阻率的變化[6]，儲層高電阻率與圍巖低電阻率形成明顯差異。因此，低頻可控電磁測深成為探測海底水合物的有效方法。具體內容如下：

(1)電偶極-偶極法是通過海底偶極子列陣與共軸海洋電纜相連拖在作業(yè)船后一定距離以外，信號源安置在船上，經過共軸電纜傳到發(fā)射偶極子上，能探測到海底頂部幾十米到幾百米的有限范圍，對海底表層的疏松沉積物和淺層的水合物沉積有較好的勘探效果[2]。

(2)長收發(fā)距瞬變電磁勘探法是一種基于陸地設備的電磁勘探方法，它能夠檢測到幾千米深度范圍內的油氣響應，特別針對深埋藏、薄的油氣或水合物層，并能有效對抗空氣波的干擾，適用于近岸大陸架等淺海區(qū)域以及凍土帶的天然氣水合物探測[7]。

(3)頻率域海洋可控源電磁技術勘探其原理通常是以電偶極發(fā)射器為信號源，發(fā)射幾個離散的低頻信號[8]，將發(fā)射器下沉至海底或近海底，同時將多個接收器以不同的收發(fā)距沿測線排布在海底。該技術優(yōu)點是探測深度范圍大，信號強度大，對深海油氣探測有很好的應用效果，但是缺點是容易受空氣波干擾，不適合近海岸等淺水環(huán)境勘探[2]。

4 結 語

我國在水合物基礎理論、資源調查和試采研究領域已經取得了一些進展，是世界上第五個掌握獲取原位狀態(tài)水合物技術、第四個采集到實物樣品的國家。但是，有關水合物儲層的形成機制、天然氣水合物運移路徑等問題尚不清楚。但是，隨著南海第一輪、第二輪試采成功，我國天然氣水合物的勘探開發(fā)技術也進一步提高，相信隨著技術理論不斷進步，天然氣水合物工業(yè)化、規(guī)模商業(yè)化開采將拭目以待。