天然气水合物微观测试技术与应用进展

天然气水合物作为一种重要的战略资源,其在沉积物中的动态聚散过程非常复杂,涉及的许多科学问题需要从微观层面来解答。微观测试技术可以在毫米、微米甚至纳米尺度上获取研究对象的状态、演化等特征信息,是天然气水合物基础研究的重要手段。本文系统回顾了基于X射线计算机层析扫描(X-CT)、X射线衍射(XRD)、固体核磁共振(NMR)、低场核磁共振(LFNMR)、拉曼光谱(RM)、扫描电子显微镜(SEM)和高压差示扫描量热(HPDSC)等技术建立的天然气水合物微观测试技术体系;重点介绍了各项技术的特点及进展,以及相关微观测试技术在含水合物沉积物微观结构量化表征、微观渗流特征等方面的应用成果与最新进展;提出了天然气水合物微观测试技术与应用的研究方向与趋势,旨在为天然气水合物的深入研究提供更多思路。

深部热流体活动背景下氦气的成因来源与运聚机制——以莺歌海盆地乐东底辟区为例

基于地球化学参数及分析数据,应用热守恒方程、质量平衡定律及瑞利分馏模型等方法,通过对莺歌海盆地乐东底辟区的壳源氦气原位产率和外部通量、幔源初始氦浓度及热驱动机制等定量分析,探讨深部热流体活动背景下氦气的成因来源及运聚机制。研究结果表明:(1)乐东底辟区氦气的来源以壳源氦为主,幔源为辅。其中,研究区幔源^(3)He/^(4)He值为(0.002~2.190)×10^(-6),R/R_(a)值为0.01~1.52,测算幔源He贡献占比为0.09%~19.84%,占比较小;而壳源贡献占比则高达80%以上。(2)壳源氦的原位^(4)He产量仅为(4.10~4.25)×10^(-4)cm^(3)/g,外部^(4)He通量则显著高值,为(5.84~9.06)×10^(-2)cm^(3)/g,表明壳源氦气以外部输入为主,推测与地层流体受大气补给以及深部岩石-水相互作用有关。(3)底辟区深部热流体活动显著影响地温场,^(3)He初始质量体积与对应焓的比值(W)为(0.004~0.018)×10^(-11) cm^(3)/J,来自深部地幔的热贡献(XM)为7.63%~36.18%,揭示底辟热流体对幔源^(3)He迁移具有一定的热驱动作用。(4)研究区氦气的初次运移方式以平流为主,二次运移受控于水热脱气和气液分离过程;氦气从深部至浅部的运移过程中,CO_(2)/^(3)He值由1.34×10^(9)升至486×10^(9),指示受到壳幔混合和脱气效应影响,存在CO_(2)规模性析出和^(3)He的明显逸散。在深部热流体影响下,氦气运移聚集机制包括:深部热驱动扩散、平流释放、垂向水热脱气,浅部横向迁移、远离断裂的圈闭聚集,分压平衡、完整密闭的盖层封存等方面。

沉积物孔隙空间天然气水合物微观分布观测

摘要在高分辨率工业型X射线层析扫描仪上（X-CT，X-Ray Computerized Tomography），研制了适用于沉积物中水合物微观赋存状态研究的CT原位探测装置，可通过模拟天然气水合物生成／分解过程，直接观测水合物在沉积孔隙中的微观分布特征．对粒径为0．425-0．85mm沉积物中水合物形成过程进行了CT观测研究，结果表明，沉积孔隙中水合物呈混合分布模式，但在水合物不同形成阶段，以某种分布模式为主导：在水合物形成初期，仅有极少量水合物悬浮在流体中，水合物主要以接触或胶结模式为主；在水合物形成中期（如饱和度为24．6％、35．0％时），水合物倾向于在孔隙流体中以悬浮状形态生成；在水合物形成后期（如饱和度为51．4％之后），悬浮状的水合物慢慢生长聚拢在一起，水合物又重新胶结沉积物颗粒．

基于弯曲元技术的含水合物松散沉积物声学特性研究

含水合物松散沉积物的声学特性对海上天然气水合物地球物理勘探和资源评价具有重要意义.研制了适用于高压条件下含水合物沉积物声学特性探测的纵横波一体化新型弯曲元换能器,提出利用频谱分析(FFT)和小波分析(WT)相结合的方法获取纵横波速度,并进行了多个轮次的水合物声学特性模拟实验研究.结果表明,新型弯曲元技术可以灵敏探测松散沉积物中水合物的生成和分解,随着水合物饱和度(Sh)的增大,纵横波速度呈规律性增长:当Sh<25%时,纵横波速度增长较快,水合物可能胶结沉积物颗粒生成;25%～60%之间,声速增长较为缓慢,水合物可能与沉积物颗粒呈接触关系;在Sh>60%时声速随着水合物饱和度增加又快速增长,表明水合物可能重新胶结沉积物颗粒生成.

沉积物中天然气水合物微观分布模式及其声学响应特征

天然气水合物(以下简称水合物)的微观分布与其形成条件、流体运移通道等密切相关,对天然气水合物资源勘探与评价具有重要意义。为了解水合物在固结沉积物和松散沉积物中的微观分布及其声学响应特征,采用超声和时域反射联合探测技术实时测量了沉积物中水合物生成、分解过程中声速等参数的变化情况。结果表明,在固结沉积物中,水合物先在孔隙流体中形成,随后逐渐向骨架靠拢,当饱和度大于30%后水合物开始胶结沉积物颗粒生成,这种胶结模式会圈闭部分孔隙流体,使之因得不到气源的补充而难以形成水合物,因此固结沉积物中水合物饱和度最终为65.5%左右;在松散沉积物中,少量的水合物(饱和度1%左右)胶结沉积物颗粒生成,当饱和度大于1%后水合物开始在孔隙流体中以悬浮状形态生成,由于水合物与沉积物颗粒间尚有流体运移通道,水合物能进一步生成,最终几乎完全充填沉积物孔隙。不同的水合物微观分布特征对沉积物的声速具有不同影响:水合物在孔隙流体中生成时,10%饱和度的水合物对固结沉积物的声速影响不明显;当水合物胶结沉积物颗粒生成时,约1%饱和度的水合物可使松散沉积物的纵波速度增长200～300m/s。

松散沉积物中天然气水合物生成、分解过程与声学特性的实验研究

为了解松散沉积物中天然气水合物的生成和分解规律以及水合物对沉积物声学特性的影响，在粒径0．18—0．28mm天然沙中进行了甲烷水合物的生成和分解实验，并利用超声波探测技术和时域反射技术实时测量了反应体系的声学参数与含水量。结果表明：根据水合物的生成和分解速率，可将水合物的生成过程分为初始生长期、快速生长期和稳定期3个阶段，分解过程可分为初始分解期和样品表层水合物快速分解期以及样品内、外层水合物均快速分解期3个阶段；由温度和压力数据的分析，得出水合物先在沉积物表层生长，然后在沉积物内、外层迅速生成；由水合物分解过程3个阶段的平均分解率，得出水合物的分解是一个由慢到快的过程。对声学参数的研究表明：水合物在松散沉积物中先胶结骨架颗粒而生成，使纵波速度和声波衰减在饱和度0—1％之间陡然增大；随后水合物开始在沉积物孔隙中形成悬浮粒子，造成超声波信号在饱和度1％-90％间淬熄，声波速度无法获取。研究结果在揭示沉积物中水合物与颗粒间接触机制的同时，为海上地球物理勘探中地震信号的解释提供了新的思路。

时域反射技术测量海洋沉积物含水量的研究

时域反射技术(TDR)已被广泛应用于农业、地学等领域的水体分布特征研究。经实验发现,当沉积物孔隙水的盐度高于约0.5%时,利用传统的TDR探针无法测量沉积物的含水量。通过对TDR探针进行改进,发现加套管的TDR探针可以测量高盐分沉积物的含水量。观测了向干砂中加入盐度为0、0.5%、2%和3.5%溶液过程中介电常数的变化情况,初步建立了此种情况下沉积物的介电常数与含水量间的经验关系式。这一研究将为TDR在海洋沉积物含水量和水合物饱和度测量等方面的应用提供新的方法与思路。

神狐海域W18/19站位天然气水合物上覆层不排水抗剪强度预测

天然气水合物上覆层不排水抗剪强度是水合物试采过程中导管喷射设计、地层沉降和井壁稳定性分析的关键参数。孔压静力触探(CPTU)为地层强度参数纵向分布规律研究提供了有效途径。本文基于南海北部神狐海域W18/19站位水合物上覆层的CPTU测试结果和室内实验数据,建立了该区经验锥头系数的确定方法,并基于确定的经验锥头系数求解上覆层不排水抗剪强度。结果表明:W18/19站位水合物上覆层由上至下为强度逐渐增大的钙质黏土,基于总锥尖阻力、有效锥尖阻力、超孔隙压力求解钙质黏土不排水抗剪强度的经验锥头系数分别为13.8、4.2、14.4。水合物上覆层不排水抗剪强度随着深度的增加逐渐增大。基于CPTU建立的不排水抗剪强度计算方法能反映钙质黏土不排水抗剪强度的纵向分布规律。

南海沉积物中天然气水合物饱和度与声学特性的关系

中国南海蕴藏丰富的天然气水合物（气水合物）资源，研究其赋存区沉积物中气水合物的声学响应特征，对南海气水合物的调查和资源估算具有重要意义。利用新型弯曲元探测技术和套管型时域反射技术（TDR），采用模拟实验手段研究了南海神狐海域沉积物中气水合物形成的声学响应特征，发现在气水合物饱和度（Sn）为0～14％时，声波信号随气水合物形成而逐渐减弱，而当Sn〉14％后．声波信号渐渐增强；气水合物形成过程中，纵、横波速度（vp、vs）随Sb的增加而增大，且轧在Sn〉14％后增长速度加快。这些现象表明，气水合物在南海沉积物中可能先在孔隙流体中以微粒子的状态生成，对声波造成了较大的散射衰减，导致声波信号变弱，但对剪切模量的贡献不明显；当Sb高于14％后，微粒子数量的增多使气水合物聚集，并与沉积物颗粒接触，从而加快了73，的增长。

天然气水合物的声学探测模拟实验

在人工岩心中进行天然气水合物的生成和分解实验,同时获取了体系的温度、压力、声学特性(Vp和Vs、幅度和频率)及含水量等参数。经研究发现,温压法、超声探测法和TDR探测法都能灵敏探测沉积物中天然气水合物的形成和分解过程。分析认为,本次实验中水合物形成速率过快,只能宏观研究水合物对沉积物声学特性的影响,建议采用长岩心进一步研究沉积物中水合物的声学特性。

天然气水合物勘探-开发-储运-环境响应研究新进展——第五届天然气水合物国际会议简介

主要根据第五届天然气水合物国际会议(ICGH5)的资料,介绍了天然气水合物勘探、开发、储运和环境响应研究的新进展。在勘探、开发方面,主要使用多维地震和核磁共振等方法来研究天然气水合物的分布情况,并根据天然气水合物声阻抗与沉积物孔隙度之间的关系来估算天然气水合物的资源量;在储运方面,与传统的液化天然气方法相比,以天然气水合物丸粒形式储运天然气所需的费用和所消耗的总能量以及所释放出的CO2相对较少;在环境响应方面,对深海储存CO2以及CH4流体对海洋和大气影响的研究,为解决天然气水合物可能引起的环境问题提供了新的思路。最后,介绍了各国天然气水合物的研究情况,并对天然气水合物研究中尚需解决的问题进行了展望。

天然气水合物储运技术研究

针对水合物的4种结构,对其性质的各个方面进行了分析,结果表明,H型水合物在4种结构水合物中最有利于储存。通过对比在合成试验中对温度、压力、水合物生成促进剂和活性剂等条件的研究,认为目前形成H型水合物的最佳促进剂为甲基环己胺,还可以找到更合适的促进剂来生成H型水合物。研究表明,在甲烷中加入环戊烷时温压条件最易达到,但生成的是Ⅱ型水合物,储气量较小。

水合物储运技术新进展——记第6届国际水合物大会

基于第6届国际水合物大会(ICGH-6)的资料,从促进剂添加法、水合物结构控制法和自保护效应应用法等3方面概述了以水合物形式储运天然气技术的最新进展;从氢气水合物合成的温压条件与储氢量两方面概述了水合物储氢技术的研究进展。水合物储运天然气技术已在日本进入应用实施阶段,水合物储氢技术的可行性尚有待于进一步的确定。

含水合物沉积物声学特性的实验研究

天然气水合物沉积层声学特性的研究对于水合物的勘探及资源评价均有重要意义。目前,对纯水合物已有较多的岩石物性数据,但对含水合物沉积物的声学参数则研究较少。关于沉积物中水合物饱和度对声学性质的影响已有一些研究,但还不足以验证前人提出的理论模型,从而修正原有模型或建立新的模型。青岛海洋地质研究所取得了人工岩心中水合物饱和度与声速关系的初步研究成果,建议对系列人工岩心进行深入实验研究,建立一套水合物饱和度与声学特性关系的实验模型。

海域天然气水合物试采目标优选定量评价方法初探

水合物试采的先决条件是目标是否符合地质与工程的可采条件。然而,由于前期无经验可循,尚无可定量化评价目标的方法。为克服水合物试采目标优选难题,从地质与工程两个角度建立了试采目标综合评价指标体系,在以储层孔隙度、水合物层厚度、水合物饱和度、储层固有渗透率、储层原位温度与压力作为6个地质因素,以储层水深、海底坡度、强度与上覆层厚度作为4大工程因素,提出基于模糊综合评判的水合物试采目标评价方法,初步实现对试采目标的综合定量化评价。以南海北部神狐海域4个典型水合物站位XX01、XX02、XX03与XX04为例进行了案例分析,获取了工程因素与地质因素的权重,并进一步确定了四个站位的生产潜力,且以4个站位得到的评判结果矩阵的相对值对比,得到优先推荐XX02站位作为水合物试采的目标站位,该研究结果取得了良好效果。本套方法可为将来智能定量化开展水合物开采目标优选、促进水合物产业化提供支撑作用。

海域天然气水合物开采的地质控制因素和科学挑战

目前,国际上对天然气水合物产状、分布和特征的认识已取得显著进展,开展了一系列陆地多年冻土区和海域天然气水合物试采,但天然气水合物开采仍面临科学挑战。本文在综述全球天然气水合物勘探开发现状的基础上,阐述了天然气水合物储层分类及其开采的地质控制因素,提出了海域天然气水合物有效经济开采面临的资源评价、开采技术方法、储层地质参数和工程地质风险等4方面的科学挑战。要实现海域天然气水合物的有效经济开采,资源评价是基础,开采技术方法是关键。判定天然气水合物储层是否可采需要精确的储层地质参数,能否实现有效开采取决于工程地质风险的控制。

天然气水合物开采井防砂充填层砾石尺寸设计方法

针对水合物储集层流体抽取法开采过程中面临的出砂问题,提出了针对黏土质粉砂型水合物储集层的"防粗疏细"式防砂充填层砾石尺寸设计方法,并以中国南海神狐海域X站位为例进行了具体分析。以X站位为例,分析了水合物储集层地层砂基本特性,对地层砂粗、细组分进行划分,并分别计算了疏通细组分和阻挡粗组分所需的防砂充填层砾石尺寸范围,通过求解两者的交集来确定最佳砾石尺寸。研究表明,X站位水合物储集层为分选性、均匀性极差且黏土含量较高的粉砂质储集层,上、下部储集层防砂充填层最佳砾石尺寸设计结果分别为143~215μm和240~360μm。在现场施工无法严格满足分层防砂要求的情况下,为了兼顾上、下部储集层,在满足充填强度的前提下,推荐X站位防砂充填层砾石尺寸为215~360μm。

三峡“盖帽”白云岩的碳、硫稳定同位素研究及其成因探讨

新元古代南沱组冰碛层之上的“盖帽”白云岩在全球分布广泛, 碳稳定同位素表现出强烈的负偏移, 其成因被认为与甲烷的碳源有关。通过对湖北三峡庙河地区出露的“盖帽”白云岩的野外地质构造、碳 -氧稳定同位素和重晶石夹层的硫稳定同位素特征的研究, 发现除了明显的碳稳定同位素的负偏移之外, 重晶石的硫同位素值表现出明显的正偏移, 其数值可与现代海底甲烷喷气孔附近的自生重晶石矿物的同位素组成相对比, 进而认为“盖帽”白云岩的成因是末元古代“雪球”事件之后天然气水合物的释放与全球环境突变背景下的沉积产物。该研究成果将有助于对地史时期类似地质背景下古天然气水合物背景的识别和环境效应评价。

含甲烷水合物松散沉积物的力学特性

通过含甲烷水合物松散沉积物三轴测试,首次基于临界状态原理探讨水合物沉积物发生应变软化、硬化破坏形式的机制,重点分析各强度参数变化规律及其对破坏模式的敏感性。结果表明:三轴剪切试验过程中沉积物破坏模式受有效围压、水合物饱和度等因素共同控制;破坏模式对峰值强度、起始屈服强度、起始屈服模量、内聚力、内摩擦角等参数的影响较小;不同破坏模式条件下水合物沉积物切线模量、峰值剪切模量等参数变化规律完全不同,其计算模型须在不同破坏模式框架内分别分析,而不能忽略破坏模式的影响建立笼统的水合物沉积物强度参数计算模型。

天然气水合物饱和度与声学参数响应关系的实验研究

天然气水合物饱和度是评估天然气水合物资源量的重要参数,而用来估算饱和度的速度模型则是有限的几个,它们有的为经验公式,有的是以实验数据或野外资料为基础建立起来的,需要进行实验验证和参数分析以确定其使用的适用性.本文首次利用超声和时域反射联合探测技术,研究了沉积物中水合物饱和度与声学特性的关系.并对时间平均方程、伍德及其修正方程、李权重方程和BGTL(Biot-Gassmann Theory by Lee)理论等常用的水合物饱和度估算模型进行了验证.实验结果表明,超声和时域反射联合探测技术能有效地实时获得水合物饱和度和纵、横波速的实验数据,李权重方程和BGTL理论的速度预测值与实验值比较吻合,有广泛的适用性.