天然氣水合物儲(chǔ)層與資源量評(píng)價(jià)現(xiàn)狀與展望

馬文嘉

摘要：天然氣水合物是一種新型非常規(guī)能源。準(zhǔn)確評(píng)估資源量，有助于制定后續(xù)開(kāi)發(fā)利用方式，而選擇儲(chǔ)層參數(shù)與評(píng)價(jià)方法對(duì)于評(píng)估資源量具有決定性作用。概述了儲(chǔ)層評(píng)估的方法，包括地球物理法、地球化學(xué)法和勘探取樣，并結(jié)合各類(lèi)勘探試采配套裝置詳細(xì)介紹了地震數(shù)據(jù)、隨鉆測(cè)井法、海洋可控源電磁法、氯離子濃度法、生物地球化學(xué)法和保真取心配套分析技術(shù)。將天然氣水合物的資源量評(píng)估方法分成了體積法、面積法和碳平衡法3種，通過(guò)對(duì)近20年國(guó)內(nèi)外天然氣水合物資源量估算結(jié)果的比較，剔除偏差較大的估值，得出了目前全球天然氣水合物資源量的合理估值，數(shù)量級(jí)分別為海底陸坡10 15 m3、凍土層10 13 m3。其中中國(guó)天然氣水合物資源量的合理估值，數(shù)量級(jí)分別為：南海為10 12～10 13 m3，東海沖繩海槽為10 12 m3，青藏高原凍土層為10 12～10 13 m3，漠河為10 12～10 13 m3。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物;儲(chǔ)層評(píng)估;地球物理;地球化學(xué);勘探試采裝置;資源量估算

中圖分類(lèi)號(hào)：TH455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492f 2022）02-0021-07

0 引言

天然氣水合物（ Natural Cas Hydrate，NCH）是水和甲烷氣體形成的非化學(xué)計(jì)量性籠狀晶體物質(zhì)[1]。它的形成不僅需要時(shí)間和空間，還需要?dú)庠?、水以及低溫和高壓的條件，因而主要在凍土層以下和海底陸坡生成[2]。其在自然界中大量存在且分布廣泛，已在全球的79個(gè)國(guó)家超過(guò)230個(gè)區(qū)域發(fā)現(xiàn)天然氣水合物[3]。作為一種新型非常規(guī)能源，天然氣水合物有望成為傳統(tǒng)能源的替代品[4]。對(duì)于水合物資源量估算，國(guó)內(nèi)外做了大量研究，有學(xué)者認(rèn)為天然氣水合物所含天然氣資源量介于3.lx10 12 m3與7.6x10 15 m3之間[5]，也有學(xué)者認(rèn)為介于10 15 m3與10 18 m3之間[6]，均認(rèn)可其巨大資源潛力。但由于估算方法有差異，評(píng)估時(shí)的儲(chǔ)層參數(shù)不同，且受到勘探與試采結(jié)果的影響，資源量的估算存在較大差異。因此未來(lái)業(yè)內(nèi)仍需加大對(duì)儲(chǔ)層性質(zhì)與資源量的研究，注重勘探與試采新裝置的研發(fā)。

本文主要綜述了兩個(gè)方面內(nèi)容：基于地球物理法、地球化學(xué)法，運(yùn)用水合物識(shí)別和儲(chǔ)層評(píng)估技術(shù)，借助無(wú)人遙控潛水器、海洋可控源電磁探測(cè)系統(tǒng)、近海底原位多參量地球化學(xué)測(cè)量裝置、隨鉆測(cè)井裝置、鉆探取樣系統(tǒng)等手段，獲得儲(chǔ)層參數(shù);基于天然氣水合物的資源評(píng)估方法體積法、面積法和碳平衡法，結(jié)合水合物儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)資源量的影響，對(duì)近20年內(nèi)世界上其他國(guó)家以及中國(guó)天然氣水合物資源量的估值進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 天然氣水合物儲(chǔ)層評(píng)估

天然氣水合物的儲(chǔ)層參數(shù)主要包括水合物的飽和度、分布深度、分布面積、離子濃度、孔隙度、滲透率等，而資源量的評(píng)估更是受到了水合物飽和度、分布深度、分布面積和孔隙度的影響。通常評(píng)價(jià)水合物儲(chǔ)層，可通過(guò)地球物理法、地球化學(xué)法，并結(jié)合保真取心技術(shù)。水合物相關(guān)分布位置及深度的信息，主要是通過(guò)遙感調(diào)查獲得，而隨著勘探技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人遙控潛水器技術(shù)與裝備被用于精細(xì)作業(yè)。如圖1所示[7]，我國(guó)自主研發(fā)的“海馬”號(hào)無(wú)人遙控潛水器（ROV），本體配有液動(dòng)壓力、推動(dòng)螺旋槳、云臺(tái)、視頻和照明、導(dǎo)航定位、供配電、檢測(cè)與控制、多功能機(jī)械手和緊急定位裝置。

地球物理技術(shù)主要是地震反演技術(shù)和測(cè)井技術(shù)，地球化學(xué)技術(shù)主要是研究烴類(lèi)組分比值、分析同位素來(lái)判斷天然氣成因，兩種方法相輔相成。地球物理和地球化學(xué)法得出的結(jié)論的準(zhǔn)確性，可通過(guò)鉆探取樣驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，可通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)天然氣水合物的資源量做出評(píng)估。

1.1 地球物理評(píng)估

1.1.1 地震數(shù)據(jù)

地震數(shù)據(jù)可凸顯因天然氣水合物的存在而使得沉積層彈性發(fā)生的改變，用來(lái)反演判斷水合物是否存在，其中主要通過(guò)海底近似反射（BSR）、振幅空白、振幅隨偏移距的變化和速度異常[8]。Li等[9]研究了廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局第二次勘探（GMSG2）的結(jié)果，得到BSR與水合物穩(wěn)定帶（ GHSZ），如圖2所示。BSR分布在具有雙向行程時(shí)間（TWT）的大陸斜坡上，CHSZ厚度根據(jù)BSR和海平面之間的深度差計(jì)算獲得。在BSR發(fā)生的區(qū)域內(nèi)，CHSZ的厚度介于60 -300 m，平均為200 m，并隨著水層的減少而減小[9]。

1.1.2 隨鉆測(cè)井法

隨鉆測(cè)井是一種原位測(cè)量的手段，具有初始?jí)毫蜏囟葪l件保真的特點(diǎn)，是水合物資源勘探過(guò)程中必不可少的方式[10]。裝置如圖3所示，相關(guān)技術(shù)目前還得依靠斯倫貝謝、哈里伯頓等國(guó)外公司[11]。

趙軍等[12]認(rèn)為在勘探天然氣水合物的過(guò)程中，可采用井徑測(cè)井、自然電位測(cè)井、自然伽馬測(cè)井、聲波測(cè)井、密度測(cè)井、中子孔隙度測(cè)井、電阻率測(cè)井、鉆井速率測(cè)井、鉆井液錄井、電成像測(cè)井、核磁共振測(cè)井、偶極聲波測(cè)井、介電測(cè)井、y射線(xiàn)測(cè)井和電磁波測(cè)井的方法?？捉系萚13]認(rèn)為宜采用電阻率測(cè)井、聲波測(cè)井、核磁共振測(cè)井和y射線(xiàn)測(cè)井來(lái)評(píng)估儲(chǔ)層的飽和度。Wang等[14]研究了CMCS3、CMCS4的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，通過(guò)y射線(xiàn)測(cè)井和電阻率測(cè)井得到了儲(chǔ)層飽和度，如圖4所示。在圖4 （a）中可以看到，y射線(xiàn)測(cè)井的API值介于50-80之間，對(duì)應(yīng)沉積層為淤泥/淤泥粘土，即細(xì)粒沉積物。而在圖4 （b）中可以發(fā)現(xiàn)在126-238 mbsf的范圍內(nèi)，電阻率測(cè)井顯示的值（黑線(xiàn)）高于上覆和下伏剖面（紅線(xiàn)），最大差值為5.8 Ω'm。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)取心發(fā)現(xiàn)的水合物[15]，Wang等[14]認(rèn)定圖4（c）中電阻率發(fā)生增加的位置，是水合物出現(xiàn)的區(qū)域，而電阻增加也是由于水合物的出現(xiàn)，并根據(jù)電阻率估算出水合物的飽和度為15%-45%，平均為30.3%。

1.1.3 海洋可控源電磁法

海洋可控源電磁法（MCSEM）是一種測(cè)量地下介質(zhì)電阻率的手段，通過(guò)測(cè)量周?chē)臻g的電磁場(chǎng)，利用電磁波在不同介質(zhì)中的傳輸速率，反應(yīng)沉積層中電阻率的情況[16]。該探測(cè)系統(tǒng)通常包括拖曳式電磁發(fā)射、拖曳式電場(chǎng)接受、海底電磁采集站、甲板監(jiān)控單元以及輔助儀器設(shè)備[17]。為了探測(cè)更深更廣的區(qū)域，電磁發(fā)射機(jī)應(yīng)具有更高的功率、更大的電流、更輕便、更高的精度和電能轉(zhuǎn)化效率[18]。

Hsu等[19]在臺(tái)灣西南利用海洋可控源電磁法進(jìn)行了研究，得到沿測(cè)量軌道的可視電阻率，如圖5所示。由圖可知，C12軌道下面電阻率高達(dá)1 Ω 'm，出現(xiàn)了異常，這部分區(qū)域被認(rèn)為存在水合物，進(jìn)而可以通過(guò)電阻率推算出其飽和度[19]。

1.2 地球化學(xué)評(píng)估

地球化學(xué)法在水合物勘探領(lǐng)域的最主要貢獻(xiàn)在于查找氣源以及天然氣水合物成藏模式的判定，例如同位素標(biāo)記。雖然暫未存在一種像BSR或者M(jìn)CSEM這樣能直接確定天然氣水合物存在的技術(shù)[20]，但是可用來(lái)預(yù)測(cè)儲(chǔ)層水合物的飽和度并確定水合物所在的位置，而生物地球化學(xué)方法更是通過(guò)碳在自然界中的傳遞反應(yīng)，可直接用于資源量的預(yù)測(cè)。以我國(guó)自主研發(fā)的近海底原位多參量地球化學(xué)測(cè)量拖體為例，可原位探測(cè)獲取水合物靶區(qū)地球化學(xué)方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料，裝置如圖6所示[21]]。

1.2.1 氯離子濃度法

氯離子濃度法是利用水合物所在孔隙與海水中的氯離子濃度具有差異，因?yàn)樘烊粴馑衔镌谛纬蓵r(shí)會(huì)使原位孔隙中的氯化物脫除，并隨之?dāng)U散開(kāi)，巖心取樣期間隨著水合物的分解，氯離子濃度會(huì)進(jìn)一步降低。Yuan等[22]利用氯離子濃度和水合物密度，對(duì)海洋鉆探計(jì)劃（ODP）的水合物飽和度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。Liu等[23]利用聲波和電阻在南海北部神狐海域測(cè)定的水合物飽和度變化，與利用氯離子濃度測(cè)定得到的水合物飽和度規(guī)律呈現(xiàn)出一致性。Chen等[24]基于徑向基函數(shù)插值的數(shù)學(xué)描述法，以南海神狐SH2的41個(gè)取心樣品以及SH7的21個(gè)取心樣品作為數(shù)據(jù)，使用氯離子濃度相關(guān)的阿爾奇公式計(jì)算水合物飽和度，得到的飽和度與利用聲波或者電阻計(jì)算的結(jié)果近似。

1.2.2 生物地球化學(xué)法

生物地球化學(xué)方法是利用地球化學(xué)以及熱力學(xué)的方法確定CHSZ，利用地球化學(xué)的方法尋找天然氣水合物的氣源，根據(jù)海底顆粒有機(jī)碳（POC）以及海底微生物降解和甲烷生成的速率，考慮孔隙流體和甲烷氣體進(jìn)入CHSZ并發(fā)生沉降來(lái)計(jì)算天然氣水合物的資源且[25]。Wallmann等[25]建立了地球化學(xué)傳遞反應(yīng)模型，假設(shè)沉降速率為POC的1 wt%，利用該模型對(duì)全球海域天然氣水合物的資源量進(jìn)行了評(píng)估。Burwicz等[26]研究了ODP的鉆探樣品以及模擬了千萬(wàn)年CHSZ中沉降與溫壓變化，發(fā)現(xiàn)甲烷厭氧氧化（AOM）指示的地球化學(xué)測(cè)量結(jié)果能夠支持單一原位甲烷氣源模擬的結(jié)果，模擬生成的天然氣水合物的4-7 voL.%是由甲烷熱流貢獻(xiàn)，其余為顆粒有機(jī)碳沉降貢獻(xiàn)。

1.3 鉆探取樣

付強(qiáng)等[27]根據(jù)適用性，將海域水合物開(kāi)采技術(shù)設(shè)備分成了通用關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備和專(zhuān)用技術(shù)設(shè)備，前者包括海底采礦車(chē)、疏松淺表層雙梯度鉆井技術(shù)、高強(qiáng)度輕質(zhì)柔性管、舉升泵和井下多相分離器，后者包括防砂技術(shù)設(shè)備、預(yù)造斜導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)、水合物破碎回收分離一體化鉆采技術(shù)、水合開(kāi)采實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)和“三氣合采”技術(shù)裝備。鉆探取樣是一種直接勘探研究的技術(shù)，所用的取心及配套分析設(shè)備包括配有保壓取樣器的高壓取心設(shè)備、保壓巖心分析與轉(zhuǎn)移系統(tǒng)和保壓巖心表征工具。根據(jù)鉆探區(qū)域的不同，凍土層所需設(shè)備與傳統(tǒng)油氣開(kāi)采相同，而海底陸坡則需使用中深水半潛式鉆井平臺(tái)或者鉆井船[28]。在南海神狐海域，2017年試采時(shí)使用的“藍(lán)鯨I號(hào)”和2020年試采時(shí)使用的“藍(lán)鯨II號(hào)”均屬于半潛式鉆井平臺(tái)。鉆探取樣可分為保溫保壓和非保溫保壓，要獲得保真巖心樣品，就必須采用保溫保壓取心裝置，在切割、分離、轉(zhuǎn)移過(guò)程中維持溫度壓力不變，從而分析樣品的表觀體積、密度、總重量和含氣含水量來(lái)確定水合物的飽和度。

2 天然氣水合物資源量評(píng)估

學(xué)者們對(duì)天然氣水合物資源量評(píng)估的方法有很多種[29]，大致可以分為3種：體積法、面積法和碳平衡法。體積法[30]如下所示：

y= f（Z×φ×H×G×E）dA

（1）式中：V為標(biāo)況下天然氣水合物的體積;A為天然氣水合物沉積層的面積;Z為水合物穩(wěn)定帶的厚度;咖為沉積層中的孔隙度;H為孔隙中天然氣水合物的飽和度;G為每立方米水合物釋放甲烷氣體的標(biāo)況體積;E為天然氣水合物的聚集率。

面積法[31]如下式所示：

V=（A×R）shelf+（A×R）slope+（A×R）a byssalplane

（2）式中：y為標(biāo)況下天然氣水合物的體積;A為天然氣水合物沉積層的面積;R為6標(biāo)況下天然氣水合物的資源密度。

碳平衡法則是利用有機(jī)碳的沉降以及熱流的影響來(lái)模擬天然氣水合物的生成，它被發(fā)展成一個(gè)非常復(fù)雜的模型[25]，先通過(guò)溶解無(wú)機(jī)碳濃度、溶解甲烷濃度和甲烷抑制有機(jī)物降解常數(shù)得到顆粒有機(jī)碳沉降速率，再通過(guò)熱力學(xué)性質(zhì)確定海洋中的CHSZ，最后將沉積層表面的顆粒有機(jī)碳濃度、沉降速率與CHSZ相結(jié)合，得到海域天然氣水合物的資源量。

2.1 全球天然氣水合物資源量

隨著研究深入，發(fā)現(xiàn)學(xué)者們?cè)缙诘难芯靠赡艽嬖诤艽缶窒扌裕?所示為近20年全球海底陸坡、凍土層以及中國(guó)以外部分著名地區(qū)天然氣水合物資源量，這里折算成標(biāo)況下甲烷氣體的體積。在確定CHSZ上，3種評(píng)價(jià)方法沒(méi)有太大差異，均是利用水合物在海洋中的熱力學(xué)穩(wěn)定性來(lái)判斷可能生成的區(qū)域，并根據(jù)地球物理、地球化學(xué)等勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的篩選。早期的面積法和體積法，采用單一的儲(chǔ)層參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，而碳平衡法的出現(xiàn)，開(kāi)始以物質(zhì)平衡的角度、天然氣水合物氣源以及成藏原因?qū)?chǔ)層參數(shù)進(jìn)行生成。天然氣水合物的資源量在全球海底陸坡為0.82x10 13 -774.7x10 15 m3，全球凍土層為1.87x10 13 m3。其中克里希納戈達(dá)瓦里（KG）盆地、韓國(guó)郁陵盆地、羅斯海、日本南開(kāi)海槽弧前熊野盆地、東海烏倫盆地、加利福尼亞州邊境地區(qū)和亞得里亞海的天然氣資源數(shù)量在101i m3，南極陸緣、墨西哥北部灣和智利巴塔哥尼亞海岸的天然氣資源量在1013 m3。

Klauda等[36]采用了體積法的公式來(lái)模擬碳沉積的總量，采用的碳沉積速率較大因而估算總量偏大。Wood等[37]采用永凍圈中沉積物的平均甲烷濃度，使得估算總量偏大。Burwicz等[39]的估值差異是因?yàn)檫x取了不同的沉積模型，低估值對(duì)應(yīng)全新世沉積速率，高估值對(duì)應(yīng)第四紀(jì)沉積速率和較高的甲烷通量。剔除這些估算偏差較大的，剩下的估值出現(xiàn)了較好的一致性，因而目前的研究結(jié)果表明，海底陸坡天然氣水合物資源量在10is m3，高出凍土層中天然氣資源量?jī)蓚€(gè)數(shù)量級(jí)。

2.2 中國(guó)天然氣水合物資源量

在中國(guó)，天然氣水合物主要分布在南海海域、東海沖繩海槽、青藏高原凍土層和東北漠河凍土層，表2所示為近20年來(lái)的中國(guó)天然氣水合物資源量。與全球海域中儲(chǔ)層參數(shù)取值相比，姚伯初[ss】在儲(chǔ)層參數(shù)上取值較大，導(dǎo)致估值較大。唐勇等[60]采用體積法時(shí)沒(méi)有考慮聚集率，導(dǎo)致估值較大。Chen等[61]和Zhao等[63]只是做了粗略估計(jì)，導(dǎo)致估值有偏差。目前公認(rèn)相對(duì)合理的資源量，是在對(duì)估值偏差較大區(qū)域的數(shù)值進(jìn)行調(diào)整以后得出的，天然氣水合物在南海數(shù)量級(jí)在10 12～10 13 m3，在東海沖繩海槽的數(shù)量級(jí)在1012 m3，在青藏高原凍土層的數(shù)量級(jí)10 12～10 13 m3，在漠河的數(shù)量級(jí)在10 12～10 13 m3。

3 結(jié)束語(yǔ)

在天然氣水合物儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法中，地球物理法適用于判斷是否存在水合物，包括BSR和MCSEM技術(shù)，地球化學(xué)法適用于其氣源和成藏模式的判斷。其中地震數(shù)據(jù)，隨鉆測(cè)井法，海洋可控源電磁法，氯離子濃度法和生物地球化學(xué)法均可確定天然氣水合物存在的區(qū)域并計(jì)算其飽和度，但單獨(dú)使用時(shí)都會(huì)出現(xiàn)判斷錯(cuò)誤，因而通常聯(lián)合使用，并結(jié)合勘探與采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)。天然氣水合物資源評(píng)估的3種方法，可采用相同的方法來(lái)確定CHSZ，但由于碳平衡法能夠用于解釋天然氣水合物形成的原因，似乎是評(píng)估手段未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。通過(guò)比較近20年國(guó)內(nèi)外天然氣水合物資源量的估算結(jié)果，得出了目前全球天然氣水合物資源量的合理估值，數(shù)量級(jí)分別為：海底陸坡為10 15 m3、凍土層為10 13 m3。其中中國(guó)天然氣水合物資源量的合理估值，數(shù)量級(jí)分別為：南海為10 12～10 13 m3、東海沖繩海槽為10 12 m3、青藏高原凍土層為10 12～10 13 m3、漠河為10 12～10 13 m3。

儲(chǔ)層參數(shù)因?yàn)榈赜虿煌?、氣源以及成藏模式各異出現(xiàn)很大的差別，因而在資源評(píng)估時(shí)，需要細(xì)分每個(gè)水合物礦藏區(qū)域，努力探索更加準(zhǔn)確的資源量，為進(jìn)一步制定經(jīng)濟(jì)、合理的開(kāi)采方案打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?？梢灶A(yù)期，將來(lái)水合物勘探會(huì)不斷加強(qiáng)，試采工藝流程也會(huì)不斷完善和提高。業(yè)內(nèi)對(duì)于勘探、試采裝置不斷增加投入，加快研發(fā)與創(chuàng)新，各種更加精密的探測(cè)設(shè)備以及鉆探裝置會(huì)不斷涌現(xiàn)，必將會(huì)為水合物的勘探、試采提供更加有力的保障。同時(shí)隨著國(guó)際交流合作進(jìn)一步加深，各國(guó)之間互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享，人工智能等先進(jìn)技術(shù)手段不斷應(yīng)用到實(shí)踐中去，水合物勘探與試采會(huì)迎來(lái)一個(gè)嶄新的局面，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

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