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。

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。

南海北部神狐海域细粒储层矿物组分对天然气水合物储集赋存的影响

为了探明矿物类型对于天然气水合物成藏的影响,笔者等利用南海北部神狐海域W07站位样品及其水合物饱和度数据,进行XRD全岩和黏土矿物测试分析、比表面积分析以及束缚水能力综合分析。结果表明,海床下110~127 m(即110~127 mbsf,meters below sea floor,海床以下深度)为非水合物储层段,海床下127~156 m为水合物储层段。通过XRD分析可知,高石英及长石含量,低伊蒙混层含量的层段,比表面积与束缚水能力较低,说明其具有相对较好的孔渗条件,为水合物的运移与储集提供了良好的空间条件,因此形成水合物储层段;而在高伊蒙混层的层段中,比表面积较大,束缚水能力较强,其对甲烷气体及流体的吸附和束缚能力较强,对水合物成藏起到潜在的封隔作用,成为非储层段,储层与非储层段纵向叠置序列有利于优质水合物储层的形成。本次研究总结了矿物组分与优质水合物储层之间的关系,并揭示两者存在的潜在成因联系,以期丰富水合物富集成藏的基础理论,对未来南海北部天然气水合物的商业化开发提供支持。

琼东南盆地典型渗漏型天然气水合物成藏系统的特征与控藏机制

为了深入探究渗漏型天然气水合物(以下简称水合物)运聚成藏的机制,基于高分辨率地震、海底观测、水合物钻探、随钻测井、岩心资料及钻后地球化学分析结果,从气源、运聚、储集、封盖等成藏条件入手,剖析了南海北部琼东南盆地渗漏型水合物成藏系统的特征与控藏机制。研究结果表明:①渗漏型水合物富集成藏受控于松南低凸起构造及其上发育的气烟囱,气烟囱构成的天然气运聚通道与水合物稳定域空间匹配决定了水合物的主要分布范围;②海底冷泉系统及地震剖面上出现的天然气渗漏地震反射异常,是渗漏型水合物分布与赋存的有力指示标志;③渗漏型水合物差异分布特征明显,横向上水合物聚集在具有明显渗漏通道构成的储集空间内部,而没有通道沟通水合物稳定域的区域仅聚集薄层水合物,垂向上水合物的分布厚度、产状及饱和度等也表现出差异性;④水合物气源具有生物气及热解气双重供给特征,热解气与深部中央水道岩性气藏及古近纪烃源岩有着密切的成因联系;⑤充足的天然气通过气烟囱及水道边界断层等通道运移聚集,并在海底浅层块体流沉积(MTDs)细粒黏土质粉砂封盖条件下富集水合物,MTDs内部的裂缝构成了渗漏型水合物主要的储集空间。结论认为,在低凸起及富生烃凹陷成藏的背景下,充足的天然气通过低凸起上气烟囱高效运聚成藏,气烟囱上覆MTDs内部是否出现渗漏通道是能否形成和富集水合物的关键,也是渗漏型水合物差异运聚成藏的主要控制因素。

琼东南盆地块体搬运体系沉积特征及其对下伏水合物藏的影响

块体搬运沉积(mass transport deposits,MTDs)作为深水沉积体系的重要组成在资源勘探和地质灾害等方面具有重要意义。琼东南盆地深水区水合物钻探发现水合物层之上发育三套MTDs,目前对其沉积特征以及控制因素等研究不足,进而限制了其对下伏水合物藏影响的认识。本研究以紧邻水合物层的第三套块体搬运沉积(MTD3)为重点研究对象,综合利用2D/3D地震数据、测井及岩芯资料对MTD3的沉积特征进行研究,并探讨了MTD3的物质来源、控制因素以及对下伏水合物藏的影响。研究表明,MTD3的岩性主要为具有明显的变形特征的泥质沉积,在测井上表现为低伽马值和低电阻率以及不规则成像特征,在地震剖面上表现为与顶底连续性较好的强振幅反射有明显的差别低幅杂乱或空白反射;MTD3在琼东南盆地发育体部滑移区和趾部挤压区,未见头部拉张区,平面上呈条带状展布,面积约3600 km2。MTD3的沉积物质可能来源于琼东南盆地西北部陆坡,然后沿中央坳陷带自SW向NE运移。MTD3的发育受海底地形地貌、构造和地震活动、沉积速率以及海平面变化等因素的综合控制。位于趾部挤压区的MTD3与半远洋沉积共同构成下伏水合物的盖层,其致密岩性以及浅层超压共同促使水合物的富集成藏。本研究加深了对琼东南盆地第四纪浅层事件性沉积的认识,并为与块体搬运沉积相关的水合物资源预测提供地质理论指导。

坐底式潜标观测系统及其在天然气水合物区的试验性应用

为满足天然气水合物调查区对海底环境长期原位监测的需求,研发了坐底式潜标观测系统(海底观测基站),该系统是研究海底尤其是天然气水合物区海底环境特征的关键技术手段,可用于采集海底边界层位长期连续环境参数,评估天然气水合物开采可能引发的环境影响,为安全有效地使用天然气水合物资源提供科学依据。坐底式潜标观测系统采用坐底式设计,最大工作深度4 000m,搭载了甲烷、二氧化碳、温盐深、溶解氧、浊度计、透射计、声学多普勒剖面仪以及定点海流计等传感器,通过声学释放器丢弃抛载锚完成上浮回收。研制完成后,成功在南海北部陆坡区进行了试验性应用,顺利完成回收,并采集到试验站位海底边界层位预定观测的各海洋物理化学环境参数。本系统在水下连续工作时间不小于180天,并可根据需求增加电池仓,延长观测周期,使长期监测能力覆盖整个水合物开采周期,可对开采前、中、后海底甲烷的泄漏情况进行对比,并对甲烷的来源进行分析,具有重要的现实意义和良好的应用前景。

南海北部神狐海域天然气水合物成藏系统

深化对于南海北部神狐海域天然气水合物(以下简称水合物)成藏系统的认识,有助于科学评价该区水合物资源潜力、指导下一步的勘查工作。为此,借鉴常规油气成藏系统理论,充分利用水合物勘查实践成果,提出了水合物成藏系统的概念,并以此系统论思想为基础,从水合物成藏的气源供给、流体输导及储集层出发,利用地震、测井、取心及测试等资料,深入分析了神狐海域水合物成藏系统的特征。研究结果表明:①该区水合物成藏具有双源、多通道、多期成藏的特征;②来自浅部的生物气和深部的热成因气,通过具有渗漏能力的断裂、底辟、气烟囱等通道以及具有一定渗透性的沉积岩运移至水合物稳定域内形成水合物藏;③气源供给、输导通道及储集层共同控制了水合物的差异聚集;④水合物成藏系统在纵向上呈现出明显的成藏组合,主要表现为低饱和度水合物层-高饱和度水合物层-水合物+游离气层-游离气层上下叠置分布的特征;⑤平面上,不同区域水合物的产出状态、分布厚度、饱和度等差异明显。结论认为,神狐海域具有良好的水合物成藏条件,但水合物在聚集和分布上则呈现出不均匀性的特征,评价其资源潜力应综合考虑气源供给、输导通道及不同类型储集层在时空下的耦合关系。

南海北部神狐海域浅层深水沉积体对天然气水合物成藏的控制

南海北部神狐海域是我国海域天然气水合物(以下简称水合物)研究的热点区域,但该区域水合物储集体类型及特征尚未得到充分的认识。为此,在对不断积累的资料进行分析总结的基础上,基于高分辨率三维地震资料精细解释、岩心沉积物粒度参数描述和粒度C-M模式分析,系统探讨了该海域含水合物层与上覆不含水合物层沉积物的成因机制,分析了含水合物层沉积物粒度参数与水合物饱和度的关系,并初步揭示了深水沉积与水合物藏分布的耦合关系。研究结果表明:①该区水合物赋存在南海北部陆坡峡谷脊部和下游段-嘴部的细粒浊积体中,含水合物细粒浊积体和上覆不含水合物层的沉积物具有不同的粒度参数特征和显著的沉积成因差异;②与峡谷脊部细粒浊积体相比,峡谷下游段-嘴部的细粒浊积体中可能存在着不同成因类型的沉积物夹层,其沉积过程具有复杂性和多期性;③含水合物层的粒度分选系数与水合物饱和度关联性最大,其次为偏度,粒度参数可能通过影响储层物性进而控制水合物饱和度;④气烟囱、断层等流体运移通道和细粒浊积体共同构成水合物的“运聚体系”。结论认为,细粒浊积体和气烟囱构造的空间匹配是神狐海域水合物不均匀性分布的关键控制因素,“水合物运聚体系”控制水合物成藏的模式将有助于进一步理解深水沉积与水合物成藏的关联性。

天然气水合物试采中分布式光纤测温(DTS)数据现场处理及可视化

综合运用Matlab和Origin的优势功能,实现了海域天然气水合物试采过程中DTS现场数据的快速处理和可视化。相较于传统的二维温度数据成图,采用DTS(Distributed Fiber Optical Temperature Sensor)数据可视化方法高效直观,可综合分析全井或局部温度随时间变化的趋势,有助于了解井筒内生产情况,进一步结合地温梯度曲线,可辅助判断井筒附近水合物的分解和形成,有效提高生产优化和预测的分析效率。

南海北部琼东南海域气烟囱发育特征及其对水合物形成与分布的影响

琼东南海域地震资料解释发现了BSR(似海底反射)、BSR下伏强反射及烟囱体等天然气水合物的地震响应特征。研究发现,区内气烟囱的分布与BSR的分布存在明显的相关性,气烟囱是气体垂直运移的主要通道,气体垂直向上运移至水合物稳定带大量聚集,从而形成水合物。因此,精细刻画研究区气烟囱发育特征对于区内天然气水合物成藏及分布研究具有重要意义。传统气烟囱识别方法只通过地震剖面上的弱反射或相关属性分析,笔者利用基于MLP算法的神经网络,高效地分析了本区域气烟囱的分布,并根据烟囱与BSR分布之间的关系,分析了气烟囱对天然气水合物形成及分布的影响。

基于直接测量的水合物储层颗粒间作用力测试系统与测试方法

针对水合物储层失稳和出砂行为力学机制的微观刻画难题,开发一种基于直接测量储层颗粒间作用力的微力测量装置,并提出相应的测试方法,通过对比前人水滴、冰颗粒和水合物颗粒间的黏附力测试结果,验证装置的准确性,进而开展冰颗粒、四氢呋喃(tetrahydrofuran,THF)水合物颗粒与南海砂之间的摩擦力测试。结果表明,冰和THF水合物颗粒与南海砂之间呈现非常相似的摩擦响应行为;在较小荷载条件下,THF水合物颗粒与南海砂之间摩擦系数小于冰颗粒与南海砂之间摩擦系数;随着荷载的增加,THF水合物颗粒与南海砂之间的滑动摩擦系数与冰颗粒的十分接近,约为0.6。

高渗水合物储层的孔隙可压缩性反演

孔隙可压缩性与水合物储层物性相关.由于海域天然气水合物埋藏较浅,沉积物尚未成岩,海底水合物储层处于固结和完全未固结之间的状态,通过岩石物理推导证明,这两种状态下体积模量之差仅与孔隙可压缩性相关,因此孔隙可压缩性反应了岩石颗粒从悬浮态到正常压实的成岩进程,它可能与储层束缚水饱和度及渗透率密切相关.本文利用多口典型井数据分析了孔隙可压缩性与渗透率的关系,结果表明在海底浅层沉积物中渗透率越高,孔隙可压缩性越小,孔隙可压缩性对高渗储层的判识能力明显强于其他参数.然后,本文建立了两种状态下叠前地震反射特征的差异与岩石孔隙可压缩性的联系,提出双状态叠前反演方法,综合利用叠前地震数据以及测井资料反演得到了岩石孔隙可压缩性.实际应用效果表明,孔隙可压缩性较好的预测了高渗透率地层,气烟囱、粗粒的高含砂层等含气流体疏导通道渗透率较高,同时为水合物形成提供有利条件.

水合物藏的类型、特点及开发方法探讨

天然气水合物作为潜能巨大、资源量丰富、燃烧值高的未来新能源,但由于其特殊的物理力学性质和赋存状态,经济开采技术仍面临诸多难题。本文以全球勘探发现存在天然气水合物的地区为基础,介绍了全球主要水合物的海陆资源分布及开采难易程度;以主要影响天然气水合物开采方式选择因素为基础,分析了天然气水合物在地层中的赋存类型、成藏模式和储层分类方法;以全球已开展的天然气水合物试采项目为基础,对比分析了现有多种天然气水合物开采方法的优缺点和适用条件;在现有开采方法条件下,为不同赋存状态、成藏模式和储层分类的天然气水合物选择出适合的开采方法,为建立完整的天然气水合物开采技术体系和未来实现商业化开采提供参考。

基于温压控制建模的水合物地震反演方法

海底水合物分布受到温压条件、构造以及沉积因素等多方面的影响,其中合适的温压组合是水合物形成的基础条件,温度-压力是水合物成藏的主控因素之一,也是在地震剖面上观测到的BSR穿层现象的本质原因。因此对于模型驱动的地震反演,在海底建模方法上相对于传统的水合物反演建模,需要将温度-压力平衡考虑进来。这里提出多步分类的建模思路,将建模分为温压控制建模和地质先验建模两部分,测井数据以及空间模型也应对应分为两部分,最终的模型则为两部分之和。其中对于测井数据的分解、建模骨架的剖分以及空间权重的计算,是建模过程中的关键技术。对于测井数据丰富完备的情况,单纯由水合物引起的速度或者阻抗异常通过岩石物理分析的方法获取,对于测井数据不完备情况,则认为水合物异常为速度或者阻抗等参数的较高频段响应,而温压控制的建模中骨架剖分以及权重计算,则依赖于地区的温压场以及水合物平衡曲线构建;地质先验建模则建立在同一地质背景下尽量保持一致的原则上。模型分析以及实际资料应用表明,提出的新建模方法对于水合物反演,具有较好的应用效果和实用价值。

基于水合物指示因子的地震识别方法

速度是水合物勘查的重要参数,但是速度的影响因素众多,给高精度识别水合物带来一定困难。水合物储层岩石物理是研究多种因素对速度影响的有效手段之一。考虑到水合物储层未固结等特征,本文采用SCA-DEM模型,重点对比了孔隙度、饱和度等对纵横波速度以及AVO特征的影响,并构建了一种新的水合物指示因子,消除了由于孔隙变化带来的假异常。岩石物理分析表明该指示因子与水合物饱和度具有很高的相关性。然后,推导得到了基于水合物指示因子的地震反射特征方程,并基于该方程反演得到了水合物指示因子,反演结果与实际钻探结果吻合较好,表明该方法具有一定的实用性以及科学性。

琼东南盆地和郁陵盆地天然气水合物成藏对比研究

南海北部陆坡琼东南盆地和韩国郁陵盆地开展了多次天然气水合物(简称水合物)钻探并获取了水合物实物样品,揭示出两盆地具有良好的水合物资源前景及勘探潜力.为加深不同构造背景下水合物成藏理论及科学指导水合物勘探部署,本文基于琼东南盆地和郁陵盆地地质、地球物理、地球化学分析并结合水合物钻探成果,从水合物成藏系统角度对两盆地水合物藏的气源条件、输导条件、储集条件、稳定域条件开展综合对比,深入研究了两盆地水合物成藏特征的异同及控藏机制,建立了琼东南盆地"深部超压驱动—混合气源供给—多元流体输导—块体流封闭型"和郁陵盆地"浅层沉积变形—生物气源供给—气烟囱输导—块体流封闭型"两种水合物成藏模式,认为"气烟囱"和"块体流"的耦合作用是两盆地"渗漏型"水合物藏形成及块状水合物赋存的主控因素.研究结果表明:两盆地均属典型"热盆",含气流体活动更加剧了海底浅层局部高地温场产生,地温梯度可到90℃/km以上.琼东南盆地水合物气源为热成因气和生物成因气的混合气,δ^(13)C_(CH4)总体大于-60‰,C_(1)/C_(2+)<1000,输导通道多为构造断层、气烟囱、泥底辟,浅层水合物藏与深层常规气藏在气体来源、流体输导特征上具有密切联系,块体流主要通过物性封盖和"温度-压力"封闭作用控制水合物成藏;郁陵盆地水合物气源为浅层生物成因气,δ^(13)C_(CH4)几乎全部小于-60‰,C_(1)/C_(2+)>1000,输导通道主要为小型断层及微裂隙,块体流主要通过影响浅层沉积变形及储层结构局部优化,控制生物气的运聚和水合物成藏.琼东南盆地深水区南部隆起带将是未来水合物勘探的有利区.

天然气水合物降压开采半解析两相产能模型

天然气水合物(NGH)被认为是最具潜力的新能源之一,目前开采产能低成为制约其高效开发的关键技术难题.本文综合考虑NGH相变、储层孔渗物性变化、气水两相渗流等复杂开采机理,建立NGH降压开采气水两相产能半解析模型,计算分析NGH降压开采动态和产能影响因素,并提出提高产能措施方向.研究结果表明,NGH降压开采前期,分解前缘移动速度较大,分解区域不断扩大,产气、产水升高;随着NGH的分解,NGH饱和度逐渐降低,产气降低,产水也随之下降;井底压力、NGH分解速率常数、渗透率等因素对产气速率影响较大,井底压力越小、储层渗透率及NGH分解速率常数越大,产气速率峰值越大;为提高NGH降压开采产能可采用向储层注热、注催化剂或水平井、水力压裂等技术措施.

南海北部陆坡西部海域“海马”冷泉甲烷渗漏及其海底表征

2015年3月"海马"号遥控无人潜水器(ROV)在南海北部陆坡西部海域首次发现活动冷泉,并命名为"海马"冷泉,此后中国地质调查局广州海洋地质调查局先后组织了3个航次,对"海马"冷泉开展进一步勘查和研究。本次研究在综合分析4个航次调查数据的基础上,初步阐述"海马"冷泉的分布范围、地形地貌、生物群落、自生碳酸盐岩和流体活动等特征。总体而言,"海马"冷泉区地势平缓,气体渗漏现象非常发育,是以CH4为主要气体渗漏形成的活动冷泉区,且气体渗漏活动具有时空迁移性。气体碳同位素组成表明,海马冷泉区的CH4为混合成因气,且以微生物成因为主;"海马"冷泉区发育有多种类型的化能自养冷泉生物群落,冷泉区种类丰富,目前已报道了多个冷泉生物新种。这些发现为研究南海北部陆坡西部海域天然气水合物分解及其环境效应、冷泉生物生命起源与演化和南海与印度洋及太平洋物种迁移贯通等科学问题提供重要依据。

陆相和海相页岩储层孔隙结构差异性分析

页岩储层以微-纳米孔隙和裂缝作为页岩油气的赋存空间,对其孔隙结构特征的研究是明确页岩油气富集机理的关键,而陆相和海相页岩储层的孔隙结构特征存在巨大的差异。为此,运用场发射扫描电镜、CO_2吸附、N_2吸附、高压压汞分析和索氏抽提等方法,以沾化凹陷沙三段下亚段陆相页岩储层和川东南龙马溪组海相页岩储层为典型实例,深入分析陆相和海相页岩储层的孔隙结构差异。结果表明,沾化凹陷沙三段下亚段陆相页岩储层中有机质单体内部并未发育密集分布且相互连通的蜂窝状孔隙,具有极大孔体积的宏孔更为发育,能够为游离烃赋存提供良好的储集空间,控制着页岩油的富集。而川东南龙马溪组海相页岩储层中有机质单体内部密集发育相互连通的蜂窝状孔隙,具有极大比表面积的微孔最为发育,能够为吸附烃赋存提供足够的比表面,控制着页岩气的富集。

真光层海水过饱和甲烷的来源及机制探讨

真光层海水中普遍存在甲烷过饱和现象,尤其是天然气水合物区真光层的甲烷明显异常。由于临近海气界面,真光层过饱和甲烷与大气甲烷排放及全球温室效应密切相关。目前,对真光层海水的过饱和甲烷来源仍没有统一的认识。综合前人研究成果梳理了真光层海水过饱和甲烷的来源,归纳了真光层海水过饱和甲烷现象形成的影响因素,进一步探讨了原位微生物可能参与的甲烷代谢机制。真光层过饱和甲烷可能来源于沉积物、临近河流或原位微生物,且受区域、季节、营养盐等多种因素的影响。由于受氧气影响,真光层海水甲烷产生的代谢机制有其特殊性,目前推测微生物可能依旧利用常规的产甲烷途径,它们存在于海水微厌氧环境中,或自身形成抵抗氧气影响的能力;此外,微生物也可能选择对氧不敏感的新的产甲烷途径。因此,针对天然气水合物区真光层甲烷过饱和现象,开展甲烷的来源和代谢机制的研究,以期为天然气水合物试采与开发的环境评价提供理论支撑,并为探究海水甲烷对大气及全球气候的影响提供理论依据。