韓國天然氣水合物資源調(diào)查進展及啟示

池永翔

（福建省地質(zhì)調(diào)查研究院 福建福州 350011）

天然氣水合物是在高壓低溫條件下由烴類氣體分子和水分子構(gòu)成的一種具有籠型結(jié)構(gòu)的似冰狀結(jié)晶化合物。天然氣水合物中最主要的氣體是甲烷，其含量超過99%的天然氣水合物通常稱為甲烷水合物，也稱“可燃冰”。本文所述天然氣水合物主要是指甲烷水合物。天然氣水合物主要存在于陸地凍土帶和水深大于300 m的海洋沉積物中。據(jù)研究，全球天然氣水合物的資源量非常豐富，其總量換算成甲烷氣體約為1.8×1016～2.1×1016m3［1］，開發(fā)潛力巨大，從而受到了廣泛的重視。 截止目前，美國、加拿大、日本、印度、韓國、中國等國家均在開展關(guān)于天然氣水合物資源的調(diào)查工作，最終目標均是為了實現(xiàn)天然氣水合物的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)利用。

韓國的天然氣水合物資源調(diào)查工作可追溯至20世紀90年代，并于2005年啟動了為期12年的國家天然氣水合物研發(fā)計劃［2］。其中，投入了大量的人力、物力和財力用于其近海郁龍（Ulleung）盆地的天然氣水合物資源調(diào)查與評價工作。

1 郁龍盆地地質(zhì)背景

郁龍盆地是一個位于歐亞大陸與日本島弧之間的碗狀深水弧后盆地，西側(cè)以朝鮮半島東部的陡峭陸坡為界，東側(cè)以大和海脊和隱岐淺灘為界，北側(cè)以崎嶇的韓國海臺為界，盆底向北部和東北部逐漸變深，盆地底部位于水深2000 m到2300 m［3］。郁龍盆地是在晚漸新世至早中新世由日本島向南漂移引起的地殼拉張形成的。從中新世中期開始，構(gòu)造體制由拉張變?yōu)閿D壓。在全新世以前，這種高于陸架邊緣的地殼擠壓結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)向深海區(qū)注入了大量的沉積物。郁龍盆地中的新近紀沉積物以大多由碎屑流作用下的塊體搬運沉積 （Mass Transport Deposits，MTD）為特征，這些很可能與由滑坡引起的盆地關(guān)閉有聯(lián)系。這些塊體搬運沉積沿垂向和側(cè)向堆積，并向盆地一側(cè)逐漸從滑動和碎屑流沉積變成濁流沉積［4］。

2 韓國天然氣水合物早期研發(fā)階段

1996年，由韓國地質(zhì)與礦產(chǎn)資源研究院（KIGAM）組織，啟動了韓國首個天然氣水合物研究項目。1998年，在韓國東海（日本稱日本海）郁龍盆地的地震剖面上首次識別出了可能指示盆地中存在天然氣水合物的似海底反射（BSR）［5］。

2000年至2004年，在韓國商務工業(yè)和能源部（現(xiàn)貿(mào)易工業(yè)和能源部）與韓國天然氣公司（KOGAS）的聯(lián)合資助下，開展了區(qū)域性地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘察及相關(guān)地質(zhì)試驗工作。利用KIGAM的“TAMHAE II”號科考船，采集了大量活塞取芯樣品及地球物理數(shù)據(jù)［6-7］。利用活塞取心樣品開展了地質(zhì)-地球化學分析，確定了天然氣水合物的潛力、來源、氣體組分及其飽和度等，并發(fā)現(xiàn)了地質(zhì)-地球化學標志，即泥湯層以及氣體膨脹產(chǎn)生的裂縫等。對地球物理數(shù)據(jù)進行了分析，發(fā)現(xiàn)了地球物理標志、BSR以及煙囪構(gòu)造等。此外，還開展了室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬研究工作，確定了天然氣水合物的熱力學和動力學特征，并開發(fā)了生產(chǎn)技術(shù)［8］。

3 韓國國家天然氣水合物計劃研發(fā)階段

2005年7月，韓國制定了為期12年（2005—2016年）分三個階段的天然氣水合物開發(fā)計劃。其總體目標是必選最佳生產(chǎn)技術(shù)，盡早實現(xiàn)天然氣水合物量產(chǎn)。其中，第一階段（2005—2007年）的目標為詳細調(diào)查東海地區(qū)，進行鉆探，確認天然氣水合物的賦存；第二階段（2008—2011年）的目標為評價天然氣水合物資源量，研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)；第三階段（2012—2016年）的目標為開展天然氣水合物試采，找到最佳生產(chǎn)技術(shù)。

該計劃受韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部（MKE）的資助，由天然氣水合物研發(fā)機構(gòu)（GHDO）管理，具體由KIGAM負責實施。其中地震和鉆探數(shù)據(jù)的采集交由韓國國家石油公司（KNOC）承擔。GHDO的主要任務包括：①確定韓國東海郁龍盆地的天然氣水合物分布情況和范圍；②獲得可替代常規(guī)油氣的清潔能源來源；③開發(fā)用于天然氣水合物資源量評價和開發(fā)的技術(shù)；④到2015年實現(xiàn)對天然氣水合物的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

2005年至2009年期間，利用巖芯樣品開展了地質(zhì)-地球化學分析，確定了天然氣水合物的甲烷通量以及起源，并發(fā)現(xiàn)了地質(zhì)-地球化學標志，即泥湯層、氣體膨脹產(chǎn)生的裂縫、孔隙水淡化、以及自生碳酸鹽巖等。對“TAMHAE II”號科考船2005年獲得的6690 km長2D多道地震數(shù)據(jù)、2006年和2008年獲得的700 km23D地震數(shù)據(jù)、以及2005年至2009年獲取的高精度回聲測深數(shù)據(jù)開展了處理和解釋，發(fā)現(xiàn)了地球物理標志，選擇了鉆探站位，并估算了天然氣水合物資源量。

2007年9月11日至11月15日，利用“Rem Etive”號多用途船實施了郁龍盆地天然氣水合物第一航次的鉆探（UBGH1），根據(jù)鉆探結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該盆地具有天然氣水合物的賦存條件。該航次總體上由GHDO和KIGAM主導，由Fugro提供鉆探、電纜測井、取心和相關(guān)服務，由斯倫貝謝（Schlumberger）和Geotek提供隨鉆測井和巖芯分析服務。總共在5個站位鉆了5口用于隨鉆測井/隨鉆測量的井、3口用于取心和原位測試的井、1口用于取心和原位測試及電纜測井/垂直地震剖面測量的井，深度范圍為海底以下55.7 m至231.7 m。利用無人遙控潛水器（ROV）獲取了3個海底樣品。在5個站位中的3個發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。在其中09和10兩個站位中，發(fā)現(xiàn)了以裂縫充填的形式富集于海底泥質(zhì)沉積物中的天然氣水合物。在04站位中，發(fā)現(xiàn)了孔隙充填的形式富集于層狀濁積砂中的天然氣水合物［9］。

2010年7月9日至9月30日，利用“Synergy”號鉆探船開展了第二航次的鉆探（UBGH2），選擇用于試采的含天然氣水合物砂質(zhì)儲層，獲取更多有關(guān)郁龍盆地含天然氣水合物沉積構(gòu)造的數(shù)據(jù)資料，用于更準確地評價該盆地的資源潛力。KIGAM負責海上的隨鉆測井/隨鉆測量以及陸上對采集巖芯的分析。輝固負責取心、電纜測井、垂直地震剖面測量、ROV調(diào)查等作業(yè)，Geotek提供船上實驗室。7月9日至8月8日，開展了LWD和MWD作業(yè)，利用Schlumberger的測井工具（SonicVision、GeoVision、Telescope、EcoScope） 從 13 個站位獲取了相關(guān)數(shù)據(jù)（自然伽馬、電阻率、密度、中子孔隙度、P波速度等）。在該作業(yè)過程中，安裝了用于船上分析和測量的設(shè)備，開展了針對巖芯處理和分析的試驗，基于所獲數(shù)據(jù)制定了取芯計劃。8月9日至9月30日，從18個鉆孔中共獲取了211個非保壓巖芯和29個保壓巖芯樣品，直接在船上對其進行了沉積學、地球化學、物理特性和微生物學分析等研究［10］。9月15日至21日，在UBGH2-6和UBGH2-10站位完成了取心孔之后，利用細線電纜工具獲取了電纜測井和垂直地震剖面測量數(shù)據(jù)，深度分別達海底以下200 m和213 m。在鉆探航次期間，開展了ROV調(diào)查作業(yè)，采集了海底地貌、底層水的溶解態(tài)甲烷濃度，以及巖芯的相關(guān)數(shù)據(jù)。該航次獲取了郁龍盆地的地質(zhì)和沉積記錄，證實了天然氣水合物礦床中氣體和水的來源，對盆地內(nèi)天然氣水合物賦存分布的巖性有了進一步的認識，并對盆地內(nèi)天然氣水合物原地資源量進行了評價，并篩選了未來天然氣水合物試采的靶區(qū)［11］。

4 結(jié)論與認識

韓國在近20年的天然氣水合物資源調(diào)查與評價工作的基礎(chǔ)之上，圍繞天然氣水合物資源調(diào)查與試采工作還開展了多個領(lǐng)域的研發(fā)工作，如含天然氣水合物儲層的特征研究、天然氣水合物賦存區(qū)的地質(zhì)模型構(gòu)建、試采相關(guān)技術(shù)（鉆完井技術(shù)、巖土工程穩(wěn)定性/出砂分析技術(shù)、產(chǎn)氣技術(shù)等）的開發(fā)、試采環(huán)境影響因素的分析、試采的環(huán)境監(jiān)測和影響評價。

根據(jù)對韓國國家級天然氣水合物計劃分別于2007年和2010年實施的鉆探航次的分析，認為以下兩個方面的經(jīng)驗值得我國天然氣水合物資源調(diào)查工作借鑒：

（1）在鉆探航次開始之前，組織相關(guān)領(lǐng)域的國際專家（來自美國能源部、美國地質(zhì)調(diào)查局、加拿大地質(zhì)調(diào)查局、伯明翰大學等）與韓國相關(guān)機構(gòu)（KNOC、KORDI、釜慶國立大學等）的專家共同討論并從候選站位中確定最終的站位。采用的主要標準包括：①調(diào)查確定勘查區(qū)天然氣水合物穩(wěn)定帶的空間分布范圍；②監(jiān)測氣體來源以及其向穩(wěn)定帶運移的證據(jù)；③獲取天然氣水合物穩(wěn)定帶中存在水合物的證據(jù)；④獲取天然氣水合物穩(wěn)定帶中存在適合未來試采的砂質(zhì)沉積相的證據(jù)。

（2）以統(tǒng)一的流程開展鉆探工作，首先是開展隨鉆測井/隨鉆測量，然后通過對上述數(shù)據(jù)的分析，現(xiàn)場確定用于取心的站位。利用測井數(shù)據(jù)（電阻率、速度、密度、自然伽馬）可判斷天然氣水合物的存在。利用電阻率/P波速度測井數(shù)據(jù)可評估天然氣水合物的飽和度。利用巖芯的冷紅外異常、低孔隙水鹽度和氯離子濃度、以及氣體膨脹產(chǎn)生的裂縫可直接證實巖芯中氣體/天然氣水合物的存在。利用氣體和同位素分析結(jié)果可判斷樣品中甲烷氣體的來源，如郁龍盆地賦存的天然氣水合物為生物成因。