海域天然气水合物勘查开发进展及研究方向

天然气水合物(natural gas hydrate,gas hydrate,以下简称水合物)是一种由水和气体分子在低温高压下形成的似冰状固态结晶物质。自然界中水合物的气体组分主要为甲烷(Kvenvolden,1995;Sloan,1998;Tréhu et al.,2004;Milkov,2004;Max and Johnson,2014),是地球上最丰富的非常规能源(Collett,2004;Boswell and Collett,2011;Koh et al.,2016),而且97%以上的水合物广泛赋存在海洋大陆边缘的沉积物中,其余分布于陆地永久冻土带(Ruppel and Kessler,2017)。

地质工程一体化对我国海域天然气水合物效益勘探开发的启示

海域天然气水合物储层具有埋藏浅、弱胶结、未成岩等特点,降压开采过程可能会导致工程地质风险的加大,严重影响开采效率。因此,权衡产能需求与工程地质风险对于延长开采周期、保障开采安全尤为重要,有必要通过地质工程一体化技术探索出一条提高海域天然气水合物勘探开发效果、有效降低工程作业成本的新途径。文章介绍了地质工程一体化的发展历程,剖析国内外典型地质工程一体化应用实例,围绕海洋天然气水合物开发面临的挑战和科学问题,结合我国天然气水合物开发技术发展现状,对构建天然气水合物高效开采技术和经济技术评价体系(多井综合评价技术、产气潜力评价技术、靶点垂深预测技术)提出建议,基于“地质数据集成—研究平台—决策中心”架构,阐述海域天然气水合物地质工程一体化平台化建设思路,为未来我国海域天然气水合物效益勘探开发提供技术支撑。

南海神狐海域天然气水合物及气源条件海洋可控源电磁成像

地震剖面的似海底反射(BSR)指示了天然气水合物的底边界,并已得到钻探的验证。南海神狐海域是天然气水合物(简称水合物)研究的热点区域。然而,由于地质构造的复杂性且钻井数量有限,仅仅依靠地震与钻探研究不能完全描述区内天然气水合物及气源通道的分布。含水合物地层比围岩具有更高的电阻率,海洋可控源电磁(MCSEM)数据获得的电阻率能为水合物和气源通道检测提供重要依据。本文在神狐海域开展MCSEM探测研究,沿一条测线采集了15个站位的海洋可控源电磁场数据,通过数据处理与二维反演,实现了研究区海底二维电阻率成像。然后,通过灵敏度分析,检验了MCSEM反演结果的可靠性。结合SH-W07-2016随钻测井(LWD)和地震数据,对二维电阻率剖面进行解释,推断了剖面上水合物和游离气分布,划分了两种形式的水合物储层结构,分析了其构造成因。

海域天然气水合物地层微生物自修复固井水泥浆的水化控热作用机理

随着深海天然气水合物资源开发的深入,固井技术成为保障开采安全的关键环节。固井水泥浆的水化热控制对于防止水合物分解、确保井筒稳定性具有重要意义。目前,微生物技术在固井水泥浆中的应用已取得初步进展,尤其是在提高水泥浆力学性能方面,但是在调控水化热方面的研究仍相对较少。本研究旨在探索微生物固井水泥浆在深水水合物地层中的应用前景。通过开展水泥浆水化热测试、热重分析(TGA)和傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)与能谱仪(EDS)测试,探究了微生物矿化作用对水泥浆水化热及水化过程的影响机理。本文研究表明,微生物自修复固井水泥浆在降低水化热方面具有显著优势,尤其是在水化中后期,其累积水化放热量较对照组降低了13.19%。微生物矿化反应生成的碳酸钙有效抑制了水泥水化反应,导致水化放热峰值滞后,且在水化过程中持续降低水泥浆的水化速率。此外,微生物自修复固井水泥浆中游离水和水化硅酸钙凝胶的含量均高于对照组,而氢氧化钙含量较低。碳酸钙含量与水泥浆水化放热量之间存在最优值,超过3.0%后,水化热开始降低。本研究为解决深水水合物地层固井水泥浆水化放热导致水合物分解的问题提供了新的技术途径,对于开发适应极端海洋环境的固井水泥浆体系具有重要的参考价值。

琼东南盆地天然气水合物发育区地质灾害发育特征与成因探讨

地质调查与钻探结果证实南海北部琼东南盆地赋存丰富的天然气水合物资源,天然气水合物赋存区往往地质构造复杂且发育一系列潜在的地质灾害,可能对海洋工程以及环境气候等产生一系列的威胁和挑战。本文基于公开文献成果以及琼东南盆地高分辨率二维和三维地震等资料,对琼东南盆地天然气水合物发育区相关地质灾害开展研究,梳理了地质灾害的类型以及不同类型灾害的发育特征和识别标志,总结了天然气水合物发育区海底地质灾害发育模式,并结合区域构造沉积背景等地质因素,对各类型地质灾害的成因机制进行了综合分析。研究表明,琼东南盆地充足的物源供给、普遍发育的高温超压、复杂的构造沉积背景以及丰富的有机质是天然气水合物成藏及相关海底地质灾害普遍发育的主要成因。琼东南盆地天然气水合物赋存区发育多类型地质灾害,各地质灾害因素彼此之间往往共同作用、相互影响,且与天然气水合物的关系复杂,其中海底滑坡与天然气水合物的关系最为密切,天然气水合物的形成分解与海底滑坡处于一个动态的发展过程中。最后,针对目前国内海底地质灾害在研究、监测、预警等方面的发展现状,指出了未来海底地质灾害研究中需要解决的主要问题,为琼东南盆地天然气水合物未来的商业化开采与灾害风险评估提供一定的参考。

基于地震属性和深度前馈神经网络的天然气水合物饱和度预测

天然气水合物饱和度是评价资源量的重要参数,常规的地震反演储层预测方法存在精度低、效率不高的问题,且无法解决地震数据与储层参数之间的非线性问题。随着人工智能技术的迅速发展,许多相关技术已经应用于地震勘探领域,其中人工神经网络是人工智能的一个重要分支,其可以通过从大量的样本数据中不断学习,进而拟合复杂非线性函数来实现地下储层特征反演,有着很强的非线性映射和泛化能力。因此,本文在分析了常规线性公式以及岩石物理建模法优缺点的基础上,提出了基于地震属性和深度前馈神经网络预测水合物饱和度的方法。首先,基于测井和地震数据,通过筛选出不同类型与水合物饱和度相关性高的地震属性体,多维度构建样本标签数据;然后采用地震反演与端到端(地震数据-储层物性数据)反演相结合的策略,对全连接神经网络的隐藏层数、神经元数量、迭代次数等参数进行测试训练,最后将训练结果应用于地震数据体获得水合物饱和度预测结果。实际数据应用结果表明:基于地震属性和深度前馈神经网络预测的饱和度结果精度高、多解性低,与测井数据吻合好,证明该方法具有较好的应用价值;同时,预测的水合物空间分布特征表明研究区水合物成藏为平面游离气-水合物过渡成藏模式。

神狐海域高饱和度天然气水合物储层特征及其分布

2017年,中国地质调查局在南海北部神狐海域进行了水合物试验开采,累计产气30.9×10^(4)m^(3),平均日产超5000 m^(3),甲烷含量最高达99.5%,实现了水合物勘察领域的历史性跨越。在水合物试验开采前,精细剖析研究区的测井数据和地震资料,并通过对研究区的区域地质背景和钻井岩芯样品的分析研究,含水合物地层的沉积、断裂、气体成分、碳同位素等特征以及水合物饱和度数据分析,总结研究区高饱和度水合物的储层特征及分布规律。结果表明:①研究区中—高饱和度水合物主要分布在迁移峡谷群的峡谷脊部,而低饱和度水合物站位则主要分布在峡谷群的谷底位置;②海底峡谷水道是陆源物质向深海运移的重要通道,研究区浊积水道和天然堤发育,与水合物富集成藏密切相关;③研究区高饱和度水合物层对应的电阻率和声波速度值显著升高,而中子孔隙度、密度和自然伽马值则有所降低;④高饱和度水合物在地震反射剖面上具有似海底反射(BSR)、穹状反射和模糊杂乱反射特征,BSR之下气烟囱和断裂通道发育,碳氢气体容易运移到温度和压力稳定区域形成高饱和度水合物储集层;⑤研究区水合物聚集和赋存的地层沉积骨架主要为细粒沉积,水合物以均匀颗粒和扩散的形式分布于沉积物中;⑥研究区水合物气源主要为混合成因气,热成因气通过断裂、裂隙、气烟囱构造向浅层运移,降解并与原位生物气混合为水合物形成共同提供气源。

裂缝填充型天然气水合物识别及饱和度预测

天然气水合物通常以孔隙和裂缝两种充填形态存在于自然界中,不同赋存形态的水合物具有不同的岩石物理性质,判别天然气水合物赋存形态对资源评价和开发具有重要意义。速度、密度和电阻率是反映水合物物理特征最常用的三个参数,本文基于岩石物理模型构建了含天然气水合物沉积物纵横波速度、密度、电阻率随水合物体积分数变化的数值模型,发现在相同水合物含量的背景下,含裂隙填充型水合物沉积层的纵波速度比孔隙型的稍低,密度明显小于孔隙型,但其电阻率却高得多。由此构建了水合物赋存类型的判别图版,并以南海典型水合物为例进行了验证,实际数据与理论图版吻合良好,成功识别了天然气水合物赋存形态并计算了裂缝填充型水合物的饱和度,证明此方法可以用于南海裂缝填充型天然气水合物的判别及资源量计算。

神狐海域气烟囱发育特征及其对天然气水合物分布的影响

天然气水合物不仅是未来潜在的清洁能源,同时对全球气候变化也有着显著影响,已受到世界各国的广泛关注。神狐海域作为天然气水合物研究热点区域,至今已涌现大量成果,但有关气体运移通道对天然气水合物分布的研究还较为薄弱。为了进一步揭示该区天然气水合物成藏机理,本文综合运用高精度三维地震资料、测井资料以及气体地球化学数据,精细刻画了气烟囱的地震反射特征、发源层位及发育时间,分析了典型钻井天然气水合物赋存特征,阐明了气烟囱发育对水合物分布的影响。气烟囱从底到顶呈现出复杂多样的特征,包括底部杂乱反射带、体部振幅空白带以及顶部强振幅反射带。根据其根部延伸层位,气烟囱主要发源于古近系,部分发源于新近系,并且绝大多数气烟囱顶部终止于第四系。结合测井数据,可发现气烟囱的发育对天然气水合物的分布具有明显的控制作用。天然气水合物赋存在发源于古近系文昌组—恩平组并终止于第四系的气烟囱发育区域。结合天然气水合物气体地球化学数据,证实了研究区热成因气对天然气水合物成藏的贡献,表明了断层和气烟囱在垂向气体运移输导体系中的重要性,并在此基础上建立了天然气水合物成藏模式,为早日实现天然气水合物的商业化开采提供了坚实的地质基础。

南海北部琼东南海域天然气水合物地球物理特征及运聚成藏模式

琼东南海域天然气水合物资源越来越受到关注,但是对其地球物理特征及成藏模式认识还不够深入。本文利用三维地震数据、多波束数据及海底取样结果综合分析了琼东南海域天然气水合物基本特征,并充分应用地震反射特征、振幅特征、频率特征、速度特征、叠前叠后属性特征等多种信息进一步刻画和深入分析了天然气水合物分布特点及其运聚成藏特征。研究表明,研究区两个钻探站位W08、W09钻遇天然气水合物地震信息存在一定的差异,其中W08站位天然气水合物下方流体运移通道呈强振幅“串珠”反射特征,与琼东南海域松南低凸起的冷泉地震反射特征类似,W09站位天然气水合物下方运聚通道表现为反极性及强振幅特征,与琼东南海域陵南低凸起“海马冷泉”特征类似。两个站位深水海底浅表层重力活塞取样均发现了贻贝异养生物等天然气水合物渗漏伴生产物,且最终钻探结果亦证实了两个站位第四系浅表层未成岩泥质粉砂或砂质沉积物中都富含天然气水合物,充分表明和揭示了冷泉渗漏系统及轨迹是天然气水合物藏存在的重要指示和标志。基于以上钻探结果及其地球物理探测信息分析,本文总结建立了研究区天然气水合物运聚成藏模式,提出了天然气气源通过气烟囱及断层裂隙等运聚系统向上运移至浅表层高压低温稳定带聚集,在形成天然气水合物藏的同时,亦存在通过运聚通道在海底浅表层发生流体渗漏的现象。总之,天然气水合物藏形成与气源供给尤其是浅表层运聚系统展布及其疏导富集作用密切相关。本研究对于加深研究区天然气水合物地球物理特征及运聚成藏模式认识,推动南海北部天然气水合物勘探开发具有一定的指导及参考借鉴意义。

高精度小三维地震采集技术在深水天然气水合物勘探中的应用

本文针对常规二维地震探测和传统油气三维地震探测均无法满足水合物高分辨率勘探和矿体精细描述的需求的问题,研发了一套高精度小三维地震采集系统,以及与之匹配的小三维地震观测系统和施工技术方法。经过多次海试不断改进优化,最终形成一套满足深水浅层水合物矿体高精度、高分辨率成像需求的天然气水合物小三维地震采集技术,并在生产工区完成满覆盖50 km^(2)的三维地震采集作业。该技术采集数据质量高,具有更高的空间采样率,叠加剖面在横向、纵向分辨率上相对常规三维地震都有显著提升,在300 m以浅地层细节刻画能力更强,成像清晰度优。该技术的研发打破了天然气水合物勘查开发核心技术装备受制于人的被动局面,为我国天然气水合物精细勘查开发提供了技术支撑。

基于随钻电阻率测井的天然气水合物赋存类型的识别方法

海洋天然气水合物赋存类型多样,识别赋存类型对精准评价水合物的储层物性及资源量具有重要意义。随钻测井与岩芯联合能定量计算水合物储层特性,但水合物取芯难度大、成本高,大量钻井仅实施了部分取芯或无取芯。环形电阻率与速度联合能识别含水合物层,但研究发现裂隙充填型与孔隙充填型水合物可能都具有高环形电阻率和高纵波速度测井响应,二者联合难以直接识别水合物赋存类型。本文分析了不同源距的电磁波电阻率,通过不同电阻率参数的交会分析,发现在裂隙充填型水合物地层,不同源距的高频电磁波电阻率存在明显的分离,高频相位电阻率中最为显著,而在孔隙充填型水合物地层中,电磁波电阻率耦合较好。通过环形电阻率与电磁波电阻率的联合对比,发现在裂隙充填型水合物地层的电磁波电阻率异常更高,而在孔隙充填型水合物地层,环形电阻率的异常更高。研究认为电磁波电阻率对高角度裂隙的响应更加敏感,能有效识别不同赋存类型的水合物,对于水合物的勘探和评价具有重要意义。

海洋天然气水合物系统动态调整的异常特征及主控因素

似海底反射(bottom simulating reflectors,BSRs)是指示天然气水合物赋存深度的重要标识,已在全球多个海域研究中发现了千年时间尺度上天然气水合物系统的动态调整,地震剖面上的典型表征是存在多种类型BSR及埋深变化。本文对比分析全球典型海域BSR的地震反射特征及测井响应差异,提出BSR调整及发育的主控因素为:①冰期—间冰期旋回、快速沉积、逆冲-褶皱与基底隆升,导致稳定带底界或BSR发生调整;②构造活动释放的热流体导致BSR上移;③海底侵蚀作用、地层超压,导致BSR下移等;④重烃气体形成Ⅱ型水合物,甲烷水合物稳定带底界下部出现水合物与游离气共存层;⑤合适温度条件下细粒沉积物发生矿物相变,形成与水合物无关的双BSR;⑥局部热异常会导致同一水平地层从含天然气水合物向游离气变化,横向上出现极性反转,无BSR调整。不同因素导致的稳定带底界调整,会伴随着水合物的形成—分解—再形成的动态变化,导致地层内水合物-游离气-水的三相共存,同时伴随着多层游离气的复杂分布,在地震剖面上呈现出多种类型BSR,指示天然气水合物系统复杂性及其与游离气间的相互影响。

羌塘盆地天然气水合物冻土层的地震反射正演模拟分析

羌塘盆地是青藏高原最大的含油气盆地,多年冻土广泛分布,具备良好的天然气水合物形成条件和找矿前景。我国多年冻土区天然气水合物的形成主要受气源、地下水、温度和压力4个基本条件制约,温压条件直接受多年冻土的热状态、厚度以及冻土层下地温梯度的控制和影响。由于冻土层是羌塘盆地天然气水合物形成的必要条件.

神狐海域天然气水合物测井-地震响应特征

天然气水合物储层分布特征及物性的准确评估直接影响天然气水合物资源量的估算,也是天然气水合物开发利用和环境影响研究的基础。本文基于神狐海域高精度三维地震和测井资料,探讨了水合物层、游离气层及共存层的测井-地震响应的综合判别方法。结果表明,通过叠后处理的地震剖面结合测井曲线分析,可准确判别W17站位的天然气水合物层与游离气层。在BSR上方为速度相对较高的水合物层,强振幅带、地层横向连续性差,具有高电阻率和速度等响应特征;而在下方则聚集低速游离气层,低频、弱振幅带,具有低电阻率和速度等响应特征。本研究对于水合物储层识别、资源评价及勘查试采等决策提供依据和重要参考。

阿拉伯海北部莫克兰增生楔天然气水合物浅表层识别标志

阿拉伯海北部的莫克兰增生楔是阿拉伯板块以低速、低角度俯冲到欧亚板块之下形成的主动陆缘构造,蕴藏着丰富的天然气水合物资源。依据2019年中国在莫克兰增生楔海域采集的高分辨率多道地震资料、浅地层剖面及多波束测深数据,并结合以往的调查成果,探讨莫克兰海域天然气水合物存在的浅表层识别标志。地震识别标志主要有似海底反射层(BSR)和振幅空白带2种标志,地形地貌标志包括海底麻坑、海底滑塌、丘状体、泥火山、冷泉系统等,水体标志主要为羽状流。在水深1000 m和2900 m的站位已分别钻获水合物样品。莫克兰增生楔丰富的水合物识别标志可能与低速、低角度的俯冲地质背景有关,使该区水合物存在指示兼具主动大陆边缘和被动大陆边缘的特征。综合研究区的异常标志分布特征,推测增生楔中部和西部的背斜脊及其附近区域是天然气水合物远景区。

叠前反演技术在天然气水合物储层预测中的应用

海底沉积物含天然气水合物后通常具有较高纵横波速度以及低密度特征,而常规叠后波阻抗反演只能获得波阻抗属性。由于水合物低密度特征导致含水合物地层波阻抗与周围地层存在叠置现象,因而,利用叠后波阻抗属性识别水合物储层存在一定误差。为了提高天然气水合物矿体的预测精度,提出采用叠前反演技术解决水合物储层预测精度低的问题。通过岩石物理分析明确天然气水合物储层敏感的弹性参数,在地震道集优化、精细合成记录标定以及初始模型建立的基础上,基于叠前反演技术对天然气水合物以及气态烃储层进行预测。研究结果表明:纵横波速度交会是研究区识别储层最敏感的弹性参数,并且基于坐标旋转技术重新构建的纵横波速度识别因子识别储层效果较好,能够清晰刻画水合物和气态烃储层;预测结果显示,研究区天然气水合物矿体呈近南北走向,在矿体的南部水合物和气态烃较为发育,与钻井情况吻合较好。该研究可为水合物储量计算提供可靠的面积和厚度依据。

琼东南盆地北部天然气水合物重点矿体预测及定量评价

琼东南盆地资源潜力巨大,水合物成藏条件优越,是天然气水合物的有利探区。为更好地研究天然气水合物的赋存情况和展布形态,在成藏背景分析的基础上,对琼东南盆地北部探区重点区块的三维地震资料进行了波阻抗反演,依据水合物储层的波阻抗差异,精确刻画出天然气水合物矿藏的空间展布形态并计算其厚度和物性参数。结果表明,研究区重点矿体波阻抗高低分异明显,地质现象清晰。天然气水合物储层表现为高波阻抗特征,波阻抗值为31005500(m/s)×(g/cm^(3));气态烃储层表现为低波阻抗特征,波阻抗值小于2900(m/s)×(g/cm^(3))。天然气水合物与气态烃集中分布在矿体A和矿体B上,矿体A和矿体B中水合物厚度为15~50m,平均饱和度为10%~40%;矿体A气态烃厚度为30~100m,平均含气饱和度为15%~30%;矿体B气态烃厚度较小,饱和度也相对较低。研究区的钻井资料很好地验证了预测结果,海底隆起带是水合物矿藏勘探的有利区。

天然气水合物岩心保压转移与测试系统研发现状分析

通过钻探取心获取原位天然气水合物储层岩心,并进行保压转移与测试,获取岩心物理、化学及力学性质等方面的参数,是开展海域天然气水合物勘查工作的关键技术方法之一。本文对国内外天然气水合物岩心保压转移系统的相关资料进行了汇总,从工作原理、结构特点和试验应用等方面进行了全面总结,系统梳理了天然气水合物保压转移与测试系统的研发现状,从兼容性、关键参数等多个方面对比了国内外典型岩心保压转移与测试系统,并针对国内天然气水合物保压转移系统的研发提出了建议。

中国南海天然气水合物开采储层水合物相变与渗流机理:综述与展望

【研究目的】中国地质调查局先后于2017年、2020年在南海北部神狐海域成功实施两轮水合物试采,创造了产气时间最长、产气总量最大、日均产气量最高等多项世界纪录,了解和掌握南海天然气水合物开采储层相变与渗流机理,有助于进一步揭示该类型水合物分解机理、产出规律、增产机制等,可为中国海域水合物资源规模高效开采提供理论基础。【研究方法】基于两轮试采实践,笔者通过深入研究发现,储层结构表征、水合物相变、多相渗流与增渗、产能模拟与调控是制约水合物分解产气效率的重要因素。【研究结果】研究表明,南海水合物相变具有分解温度低,易在储层内形成二次水合物等特点,是由渗流场-应力场-温度场-化学场共同作用的复杂系统;多相渗流作用主要受控于未固结储层的物性特征、水合物相变、开采方式等多元因素影响,具有较强的甲烷吸附性、绝对渗透率易突变、气相流动能力弱等特点;围绕南海水合物长期、稳定、高效开采目标,需要在初始储层改造基础上,通过实施储层二次改造,进一步优化提高储层渗流能力,实现增渗扩产目的。【结论】随着天然气水合物产业化进程不断向前推进,还需要着力解决大规模长时间产气过程中温度压力微观变化及物质能源交换响应机制以及水合物高效分解、二次生成边界条件等难题。