海洋天然氣水合物勘探方法綜述

尹聰，蘭麗茜 ， 王芳(1. 國(guó)家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033； 2. 山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033；3.中國(guó)海洋大學(xué) 青島 266100)

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海洋天然氣水合物勘探方法綜述

尹聰1，2，3，蘭麗茜1，2， 王芳1，2
(1. 國(guó)家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033； 2. 山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033；3.中國(guó)海洋大學(xué) 青島 266100)

由于受溫度、壓強(qiáng)等因素的制約，海洋天然氣水合物在地層中形成及分布的區(qū)域是多樣化的。在這樣復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中探礦，需要使用多種勘探手段和方法。當(dāng)前，主要使用地球物理和地球化學(xué)的方法進(jìn)行勘探，采取以物探法中的地震勘探為主、其他方法為輔的辦法來(lái)判定地層中是否有水合物存在。對(duì)勘探方法進(jìn)行全面了解和研究，有助于未來(lái)逐步探明天然氣水合物的賦存情況，為今后對(duì)其進(jìn)行合理開發(fā)打下基礎(chǔ)，進(jìn)而為國(guó)家建設(shè)提供充足的能源支撐。

天然氣水合物；勘探方法；物理勘探；化學(xué)勘探

天然氣水合物是一種有籠狀構(gòu)造的似冰狀結(jié)晶礦物，主要是由甲烷和水分子結(jié)合而成。海底天然氣水合物具有能量高、分布廣、規(guī)模大、埋藏淺等特點(diǎn)，全球天然氣水合物的資源總量相當(dāng)于已探明石油、天然氣和煤的總碳量的2倍，因此被公認(rèn)為是未來(lái)重要的后續(xù)能源[1-2]。研究表明，天然氣水合物主要分布在主動(dòng)和被動(dòng)大陸邊緣的陸坡、島坡、海山、邊緣海深水盆地，乃至內(nèi)陸海或湖區(qū)[3],目前，在東海和南海都已被證實(shí)有大量的天然氣水合物資源存在。盡管如此，在勘探方面依然存在著預(yù)測(cè)資源量偏大、地震剖面上似海底反射層(BSR)與天然氣水合物沉積層關(guān)系不明確、水合物成藏動(dòng)力和體系研究不夠等問題[4]，因此需要多種勘探方法互為補(bǔ)充，提高勘探準(zhǔn)確性。本文對(duì)海洋天然氣水合物主要勘探方法進(jìn)行論述，旨在為準(zhǔn)確、高效、經(jīng)濟(jì)地勘探水合物提供理論依據(jù)和方式方法，也為未來(lái)開采做好前期準(zhǔn)備工作。

1 我國(guó)對(duì)海洋天然氣水合物的勘探歷程

中國(guó)對(duì)天然氣水合物的勘探起于20世紀(jì)90年代初，1990年首次在實(shí)驗(yàn)室里合成甲烷水合物，這是我國(guó)在該領(lǐng)域研究中邁出的具有實(shí)質(zhì)意義的第一步；1999年在南海進(jìn)行了500 km深水高分辨率多道地震調(diào)查，首次發(fā)現(xiàn)了似海底反射的水合物存在標(biāo)志，第一次在我國(guó)海域確定了有天然氣水合物的存在；2007年5月，在南海北部神狐地區(qū)的海床以下183～225 m處成功鉆獲了天然氣水合物實(shí)物樣品,這一突破標(biāo)志著我國(guó)對(duì)水合物的研究已由實(shí)驗(yàn)室階段步入到資源調(diào)查和開發(fā)利用這一階段；2011年，正式啟動(dòng)了為期長(zhǎng)達(dá)20年的國(guó)家水合物計(jì)劃，其中對(duì)南海水合物的勘查是重大項(xiàng)目，主要任務(wù)是利用綜合地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等手段在重點(diǎn)成礦區(qū)帶進(jìn)行勘查，查明資源的分布情況并實(shí)施試驗(yàn)性開采。我國(guó)雖然在這一領(lǐng)域起步較晚，但是擁有豐富的水合物資源，據(jù)粗略估算，南海作為主要分布區(qū)資源量約為64.97×1012m3，在勘探手段不斷發(fā)展的今天，圈定更多的遠(yuǎn)景區(qū)、為資源儲(chǔ)備打下基礎(chǔ)是指日可待的。

2 天然氣水合物的勘探方法

目前對(duì)天然氣水合物的勘探，主要依靠地球物理、地球化學(xué)的方法，隨著海洋科技的發(fā)展，水下成像技術(shù)也嶄露頭角。在不同的環(huán)境和條件下，應(yīng)選取合適的方法對(duì)天然氣水合物礦進(jìn)行探測(cè)，有時(shí)還需選取一種以上的方法，以確保勘探的準(zhǔn)確性。

2.1 地球物理勘探法

2.1.1 地震勘探法

物探法是現(xiàn)在普遍使用的天然氣水合物的勘探方法，準(zhǔn)確度也比較高，尤其是地震勘探技術(shù)應(yīng)用廣泛。單道和多道地震是勘探天然氣水合物中一直使用的傳統(tǒng)方法，其震源主頻較低，穿透深度大，可以清楚地顯示似海底反射層(BSR)的位置，但是主頻低導(dǎo)致垂向分辨率受到制約，為了能更好地顯示水合物層的細(xì)部結(jié)構(gòu)，研究者們發(fā)展了高分辨率地震方法、深拖多道地震探測(cè)方法、海底地震儀方法、海底地震電纜等探測(cè)方法[5]。高分辨地震勘探設(shè)備比傳統(tǒng)地震勘探設(shè)備簡(jiǎn)單，震源頻率高，注重地層垂向分辨率，可清楚地顯示BSR層；深拖多道地震勘探中，將震源和數(shù)據(jù)接收電纜置于近海底，可分辨出水合物層詳細(xì)的地層結(jié)構(gòu)，但是BSR層反射要弱一些；海底地震儀放置于海底，進(jìn)行定點(diǎn)長(zhǎng)期觀測(cè)，與反射地震數(shù)據(jù)相配合，可以給出水合物區(qū)的沉積地層速度結(jié)構(gòu)模型；海底地震電纜是將電纜鋪設(shè)在海底來(lái)接收地震數(shù)據(jù)，它可以接收到海面拖纜無(wú)法記錄到的S波信號(hào)，利于BSR之下的氣區(qū)成像[5]。這幾種探測(cè)設(shè)備各有優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)根據(jù)海底實(shí)際情況、海洋環(huán)境等多種因素選擇探測(cè)設(shè)備，提高勘探準(zhǔn)確率。

2.1.2 海底熱流勘探

天然氣水合物形成和分解時(shí)，都會(huì)伴隨著吸熱和放熱的過(guò)程，因此海底熱流勘測(cè)也是研究水合物的重要方法之一。水合物在沉積物中的形成是一個(gè)放熱過(guò)程，因此形成的水合物藏上方，應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)地?zé)嵴惓＃幌喾矗衔锓纸馐且粋€(gè)吸熱過(guò)程，在被破壞的水合物藏的上方應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)地?zé)嶝?fù)異常[6]。利用海底熱流探針可以直接測(cè)量海底熱流和海底溫度,利用測(cè)得的數(shù)據(jù)可以估算天然氣水合物穩(wěn)定帶的底界，也可以從宏觀上確定大陸邊緣水合物可能存在的分布范圍[5]。高熱流點(diǎn)區(qū)或者高地?zé)崽荻葞б话悴焕谔烊粴馑衔锏谋４妫菬崃鞯挠绊懛秶邢蓿热鐩_繩海槽熱流點(diǎn)附近的一定范圍外熱流值極低[2]，有天然氣水合物賦存。

2.1.3 海底電磁、重力勘探

天然氣水合物在電性上是絕緣的，通過(guò)人工源海底電磁探測(cè)來(lái)輔助地震勘探手段，可了解天然氣水合物厚度、孔隙度，從而利用電法資料輔助評(píng)價(jià)和計(jì)算天然氣水合物的資源[7-8]。海底沉積地層可能賦存天然氣水合物, 可以通過(guò)重力儀記錄海底隨海洋波動(dòng)的垂直起伏，進(jìn)而計(jì)算近海底沉積地層的剪切模量,通過(guò)剪切模量異常估算沉積地層中天然氣水合物的含量[9]。

2.1.4 測(cè)井技術(shù)

另外，測(cè)井技術(shù)也是進(jìn)行天然氣水合物勘探的有效方法，它是隨著鉆探技術(shù)的發(fā)展而應(yīng)用起來(lái)的，能夠識(shí)別含水合物的沉積層。由于天然氣水合物存在需要低溫高壓的環(huán)境，一旦改變這些外部條件，很容易引起水合物分解，而測(cè)井方法 能夠在原位地層壓力和溫度條件下測(cè)量地層物理特性，這種方法對(duì)發(fā)現(xiàn)和研究天然氣水合物來(lái)說(shuō)是其他的勘探方法所不能替代的[10]。

2.2 地球化學(xué)勘探方法

天然氣水合物受到外部環(huán)境中溫度壓強(qiáng)的影響，會(huì)分解或者結(jié)晶，這樣使其周邊的水體、沉積物等的地球化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生異常變化，通過(guò)分析這些變化，可以確定水合物可能的成礦位置，這是識(shí)別海底天然氣水合物賦存位置的有效方法。

2.2.1 氣體異常檢測(cè)法

2.2.2 孔隙水Cl-濃度異常

孔隙水中Cl-濃度異常是水合物礦區(qū)的重要標(biāo)志之一。通常在水合物分布地區(qū)孔隙水Cl-濃度隨深度急劇減小。這是因?yàn)樘烊粴馑衔镌谛纬蛇^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生排鹽作用, 使得周圍孔隙水中Cl-濃度增高; 隨著沉積物被壓實(shí), 固體和液體發(fā)生分離, 流體向上排升, 使得原來(lái)的高氯度流體運(yùn)移到沉積物頂部, 從而造成淺層沉積物中孔隙水Cl-濃度增高, 水合物附近孔隙水Cl-濃度反而降低[14]。目前收集到的各地許多含水合物鉆孔中測(cè)得的孔隙水氯度(0.51‰～8.2‰) 都遠(yuǎn)低于海水(約19.8‰)。因此,孔隙水Cl-濃度可以作為指示天然氣水合物的一個(gè)重要指標(biāo)[13]。

2.2.3 穩(wěn)定同位素法

穩(wěn)定同位素化學(xué)是研究天然氣水合物成礦氣體來(lái)源的最有效的手段[13]，多用甲烷中的13C值等來(lái)判定成礦原因。隨著研究不斷深入，有更多的化學(xué)物質(zhì)可以來(lái)判定天然氣水合物的存在。比如4He 同位素在海底冷泉附近出現(xiàn)高值異常，而冷泉又與水合物的存在有密切的關(guān)系, 所以高4He含量成為判別水合物存在的一個(gè)重要標(biāo)志[12]。

2.3 地貌勘測(cè)和水下成像勘測(cè)

由于天然氣水合物分布常和海底諸如斷層、麻坑、泥火山、底辟這樣的地形地貌有關(guān)，所以可以使用多波束條幅測(cè)深技術(shù)和精密聲相干技術(shù)結(jié)合來(lái)進(jìn)行海底微地貌探測(cè)[15-16]。現(xiàn)在海底探測(cè)手段多樣，普遍是利用聲吶設(shè)備，如多波束、側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶、淺地層剖面儀等進(jìn)行海底地形地貌和地層結(jié)構(gòu)的探測(cè)，有的尖端設(shè)備甚至可以探測(cè)到海底以下的儲(chǔ)氣層和沉積層，這無(wú)疑為有無(wú)水合物存在提供有力依據(jù)；在海底成像技術(shù)不斷發(fā)展的今天，還可以使用海底電視攝像技術(shù)和水下機(jī)器人等來(lái)探測(cè)真實(shí)地形地貌，推斷天然氣水合物可能產(chǎn)生的區(qū)域。

3 討論與總結(jié)

天然氣水合物是一種新興的、儲(chǔ)量豐富的能源，給未來(lái)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)巨大潛力。但是目前在天然氣水合物的勘探中存在著需要注意的幾個(gè)問題：① 勘探過(guò)程中使用的種種方法和設(shè)備，都有其局限性，因此還是需要具體情況具體分析，不能僅憑理論經(jīng)驗(yàn)判斷該使用何種方法和設(shè)備。② 勘探方法還是主要以地震勘探為主，但在沒有BSR現(xiàn)象的地方可能也會(huì)有天然氣水合物的存在，如墨西哥灣；反之，有BSR的地方，可能沒有水合物的存在，這就需要結(jié)合其他判定方法進(jìn)行勘測(cè)，以免錯(cuò)失資源或者浪費(fèi)掉巨額的開采成本。③ 勘探要全面，不僅要探明水合物成藏位置，還要探明其成藏方式，例如是作為填隙物存在于地層中，還是作為巖石骨架的一部分存在，這為避免人為災(zāi)害、安全開采打好基礎(chǔ)。

加強(qiáng)對(duì)天然氣水合物勘探方法的研究，將進(jìn)一步明確對(duì)該能源合理開發(fā)和利用的方法，對(duì)于緩解我國(guó)能源短缺，改善能源結(jié)構(gòu)布局，發(fā)展經(jīng)濟(jì)等具有深遠(yuǎn)影響。經(jīng)過(guò)多年的調(diào)查研究，我國(guó)正逐步建立適合中國(guó)海域特點(diǎn)的天然氣水合物資源綜合勘查技術(shù)體系，如高分辨率多道地震與海底地震聯(lián)合目標(biāo)探測(cè)、海底微地貌和熱流探測(cè)、海底原位孔隙水取樣等技術(shù)，為我國(guó)在圈定資源遠(yuǎn)景區(qū)、勘探開發(fā)利用該資源提供有力支撐和保障。

[1] 方銀霞，黎明碧，金翔龍，等.東海沖繩海槽天然氣水合物的形成條[J].科技通報(bào)，2003,19(1):1-5.

[2] 楊文達(dá),曾久嶺,王振宇.東海陸坡天然氣水合物成礦遠(yuǎn)景[J].海洋石油，2003,24(12):1-8.

[3] 楊廷槐，劉聚海.海底氣體水合物資源遠(yuǎn)景及其勘查開發(fā)[J].國(guó)外地質(zhì)科技，1998(2):17-21.

[4] 張樹林.中國(guó)海域天然氣水合物勘探研究新進(jìn)展[J].天然氣工業(yè)，2008,28(1):154-158.

[5] 欒錫武,趙克斌,孫冬勝,等.海域天然氣水合物勘測(cè)的地球物理方法[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2008,23(1):210-219.

[6] 楊木壯，沙志彬，梁金強(qiáng)，等.南海東北部陸坡區(qū)天然氣水合物成礦作用[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2011,25(2):340-348.

[7] EDWARDS R N.On the resource evaluation of marine gas hydrate deposits using sea floor transient electric dipole-dipole methods [J]. Geophysics,1997,62(1):63-74.

[8] EDWARDS R N. Marine controlled source electromagnetics:principles, methodologies,future commercial application [J]. Surveys in Geophysics,2005,26(6):675-700.

[9] LATYCHEV K,EDWARDS R N. On t he compliance method and the assessment of three dimensional seafloor gas hydrate deposits[J]. Geophysical Journal International,2003,155(3):923-952.

[10] 高興軍,于興河,李勝利,等.地球物理測(cè)井在天然氣水合物勘探中的應(yīng)用[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2003,18(4):305-311.

[11] DICKENS G R. 大型天然氣水合物儲(chǔ)層中甲烷的實(shí)地直接測(cè)量[J].天然氣地球科學(xué),1998,9(3/4):77-79.

[12] 陳敏,曹志敏,龔建明,等. 海底天然氣水合物地球化學(xué)勘探新技術(shù)[J] . 礦物巖石,2004,4(24):102-107.

[13] 劉小平,楊曉蘭.海底天然氣水合物地球化學(xué)方法勘探進(jìn)展[J].天然氣地球科學(xué)，2007,18(2)：313-316.

[14] KVENVOLDEN K A,KASTNER M . Gas hydrate of the Peruvian outer continental margin [J]. Proceeding ODP Scientific Results,1990,112:517-526.

[15] MILKOV A V,CLAYPOOL G E,LEE Y J,et al. ODP Leg 204 Scientific Party. In situ methane concentrations at Hydrate Ridge,off shore Oregon:New constraints on the global gas hydrate inventory from an active margin[J].Geology,2003,31(10):833-836.

[16] CLAGUE D,MAHER N,PAULL C K. High-resolution multibeam survey of Hydrate Ridge,Offshore Oregon[C]//Paull C K,Dillon W P (Eds. ).Natural Gas Hydrates:Occurrence,Distribution and Detection.Am Geophys Union Geophys Monogr,2001,124:297-306.

P744.4

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