天然气水合物(可燃冰)的详解

天然气水合物(可燃冰）的详解2017年5月18日，国土资源部中国地质调查局在我国南海神狐海域宣布可燃冰试开采成功，实现连续8天稳定产气，标志着我国成为在海域可燃冰试开采中少数几个获得连续稳定产气的国家。

为此，中共中央、国务院对此次试采成功发去贺电。

贺电称，天然气水合物是资源量丰富的高效清洁能源，是未来全球能源发展的战略制高点。

经过近20年不懈努力，我国取得了天然气水合物勘查开发理论、技术、工程、装备的自主创新，实现了历史性突破。

这是我国在掌握深海进入、深海探测、深海开发等关键技术方面取得的重大成果，是中国人民勇攀世界科技高峰的又一标志性成就，对推动能源生产和消费革命具有重要而深远的影响。

此次试开采同时达到了日均产气一万方以上以及连续一周不间断的国际公认指标，不仅表明我国天然气水合物勘查和开发的核心技术得到验证，也标志着中国在这一领域的综合实力达到世界顶尖水平。

一、各国天然气水合物的开发进程海底天然气和水在低温、高压条件下可形成的一种类似状的可燃固态物质，称为天然气水合物，由于外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固体瓦斯”之称，在大陆边缘陆坡区等地区有较广泛发育。

天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源，早在1965年，前苏联就首次在西西伯利亚永久冻土带发现天然气水合物矿藏，并引起多国科学家的注意。

1971年，美国学者Stoll等人在深海钻探岩心中首次发现海洋天然气水合物，并正式提出“天然气水合物”概念。

1979年，DSDP第66和67航次在墨西哥湾实施深海钻探，从海底获得91.24米的天然气水合物岩心，首次验证了海底天然气水合物矿藏的存在。

2000年开始，可燃冰的研究与勘探进入高峰期，世界上至少有30多个国家和地区参与其中。

在2013年3月12日，日本成功地在爱知县渥美半岛以南70公里、水深1000米处海底开采出可燃冰并提取出甲烷，成为世界上首个掌握海底可燃冰采掘技术的国家。

天然气水合物（可燃冰）完全燃烧时只生成几乎无任何污染的二氧化碳和水，因此它是一种新型的绿色能源。

天然气水合物在全球具有巨大的资源量，据估计其有机碳量相当于全世界已知和未知的化石燃料（煤、石油和天然气等）总有机碳量的两倍，这给能源日益短缺的人类带来希望。

天然气水合物（可燃冰）的诞生至少要满足三个条件：第一是温度不能太高，如果温度高于20℃，它就会“烟消云散”，所以，海底的温度最适合可燃冰的形成；第二是压力要足够大，海底越深压力就越大，可燃冰也就越稳定；第三是要有甲烷气源，海底古生物尸体的沉积物，被细菌分解后会产生甲烷。

由于海底天然气水合物重要性，近30年来各国政府高度重视对其的调查研究工作，已在许多区域发现了海底天然气水合物存在的标志或实物样品。

在海底区域，可燃冰的分布面积就达4000万平方公里，占地球海洋总面积的1/4。

本世纪六十年代开始的深海钻探计划(DSDP) 和随后的大洋钻探计划(ODP) 在世界各大洋与海域有计划地进行了大量的深海钻探和海洋地质地球物理勘查，在多处海底直接或间接地发现了天然气水合物。

作为世界上最大的发展中的海洋大国，中国能源短缺十分突出。

为此，在国家发展改革委、财政部等大力支持下，整合了国内各方面优势力量，1999年国土资源部正式启动天然气水合物资源调查。

2007年5月1日凌晨，中国在南海北部的首次采样成功，证实了中国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源。

2013年6月～9月，广州海洋地质调查局在广东沿海珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度天然气水合物样品，并通过钻探获得可观的控制储量。

此次发现的天然气水合物样品具有埋藏浅、厚度大、类型多、纯度高4个主要特点。

2017年1月，经10余年技术攻关，吉林大学科研团队研发出陆域天然气水合物冷钻热采关键技术，在海拔4000米的青海省木里盆地，实现了陆地天然气水合物试开采，填补了我国陆域天然气水合物钻采技术的空白。

本次5月18日，中国地质调查局在南海神狐海域的开采成功，标志着我们在海洋领域取得了天然气水合物试开采的历史性突破。

为我国未来可燃冰的商业化开发铺平道路，将对我国能源结构产生重大影响。

二、海底天然气水合物的识别方法天然气水合物是海底天然气的一种存在形式，是一种由天然气和水结合而成的固体物质，一种似冰状晶体矿物，发育于温度、压力、流体盐度等限定的特定地质环境中，即天然气水合物稳定带（GHSZ）中，同时受沉积物孔隙流体中甲烷等气体溶解量的控制。

海底天然气水合物常伴生有浅层气分布，天然气水合物又可分解为气体，因此通过调查、检测浅层气进而推断天然气水合物存在也是海底天然气水合物识别方法之一，主要包括地球物理、地球化学、地质地貌等标志。

地球物理探测中主要采用地震波、声波探测的方法。

海底天然气水合物在地震波和声波探测剖面上通常表现为声混浊、增强反射、声空白带（空白反射带）、亮点、速度下拉、相位反转、气烟囱等特征。

⒈反射地震识别地震方法（包括单道地震、多道地震等）是目前识别和预测海底天然气水合物的最有效方法之一，在发现海底天然气水合物中发挥了关键作用。

海底含天然气水合物的地层，由于沉积物孔隙被水合物充填胶结，地震波速增大，而下伏的不含水合物地层由于常有游离气存在，波速要小得多，因此含水合物地层与下伏的不含水合物地层常引成一个负极性的强反射。

同时含水合物地层内部由于沉积物孔隙被水合物充填胶结，使其在地震、声学上呈现均一响应，在地震剖面以空白反射带出现，如下图所示。

需要指出的是，似海底反射受到构造作用、沉积作用、沉积物的碳含量以及水合物的含量等诸多因素的影响，天然气水合物分布与似海底反射并不存在一一对应关系，在运用似海底反射来识别海底天然气水合物时必须注意结合其它标志综合进行。

由于水合物沉积层中存在游离气，水合物层与下伏沉积层之间在地震反射记录上没有明显的声速和阻抗差异，似海底反射一般不发育，因此无法用似海底反射来识别水合物，但可采用识别海底浅层气渗漏的相关方法进行识别，如下图。

⒉地球物理测井识别由于天然气水合物在常温常压下不稳定，地球物理测井是现场测量含天然气水合物地层物理性质的重要工具，可用于：①确定天然气水合物、含天然气水合物沉积物在深度上的分布；②估算孔隙度与甲烷饱和度；③利用井孔信息对地面地震与其他地球物理资料作校正。

一般而言，由于水合物替代孔隙中高电导率的海水，含水合物地层的电阻率测井值比饱和海水的电阻率大。

水合物的存在使沉积物硬化，纵波速度与横波速度值会增加。

在游离气存在的情况下，声波测井与垂直地震剖面（VSP）的速度会减小。

根据岩石物性模型，利用电阻率、速度与水合物的相互关系，就可以通过电阻率测井数据与声波测井数据估算水合物饱和度随深度的分布，见下图。

上图中，在浓度局部高值区、458～475m存在孔隙水氯离子浓度局部低值区。

声波测井、地质、地球化学资料的综合分析表明, 该站位出现了高速、速度倒转等含天然气水合物沉积层存在的特征，且天然气水合物稳定带的底界为475m 左右。

⒊地球化学识别地球化学标志在识别天然气水合物中起重要作用。

除了常规的利用地球化学标志识别海底浅层气，进而识别天然气水合物的方法以外，Cl-离子浓度异常和SO42-浓度降低已经成为目前天然气水合物最为重要的地球化学指标。

所谓Cl-异常是指由于天然气水合物的形成与分解导致的沉积物孔隙水中Cl-浓度的异常变化，在水合物评价中一般指负异常，水合物分布层段沉积物的Cl-浓度急剧减小。

一方面由于天然气水合物在其形成过程中的充分条件之一是需要有充足水源,因而要从邻近地层中汲取孔隙淡水；另一方面,由于Cl-太大以致于不能进入天然气水合物的笼型结构中，因此，水合物赋存层段的盐度降低而淡化，并使周围的海水盐度增高。

天然气水合物赋存层段沉积物的SO42--离子浓度同样呈现降低的趋势，其原因除了上述水合物形成过程导致的孔隙水淡化外，富烃类流体(主要是CH4)在向海底运移过程中(即烃渗漏过程中)，甲烷气体也会还原海底沉积物中的SO42-而将之不断消耗，从而造成SO42-浓度自海底向水合物稳定带的降低趋势。

⒋海底地形地貌分析调查研究发现，海底天然气水合物富集受断裂、底辟、泥火山、海底滑塌及海底扇等多种构造地貌的控制。

南海北部陆坡、台湾西南部和南海南部曾母盆地北部坳陷等海区有大量泥底辟、麻坑、海底滑塌及海底扇等发育。

从具有天然气水合物的地区来看，泥底辟有利于天然气水合物的运移和保存，有统计表明，南海北部陆坡目前发现的海底天然气水合物35%左右有底辟构造与BSR相伴生。

根据高分辨率地震资料分析, 发现冲绳海槽南部西侧槽坡附近以及海槽内部发育有一系列泥火山(底辟)构造，在泥底辟构造顶部存在明显的似海底反射，其与海底反射波组极性相反，在似海底反射之上存在振幅空白带，在速度谱上出现速度异常，指示存在与泥底辟构造有关的天然气水合物。

通过对这些与海底天然气水合物生成和分布密切相关的地貌体进行的深入调查研究，对识别海底天然气水合物有重要意义。

三、我国近海天然气水合物的分布情况⒈我国东海区域海底天然气水合物分布根据海底天然气水合物的生存条件，东海区域可能的分布海区只有冲绳海槽地区。

我国科学家根据多年来在冲绳海槽地区所开展的地震调查（二维多道地震和高分辨率地震调查）、沉积物调查、地球化学调查、地热流调查和广泛搜集资料，在东海陆坡和冲绳海槽盆地，特别是在中南部钓鱼岛附近海域，发现一系列反映海底天然气水合物存在的标志。

通过高分辨率地震资料综合指标表明, 在冲绳海槽中南部、27°30′N以南至台湾东北部地区，特别是冲绳海槽西南部钓鱼岛附近海域的西侧槽坡及部分海槽轴线以西地段，是寻找东海天然气水合物最有利的远景区。

其中冲绳海槽可靠类区域面积约3800km2，比较可靠类区域面积约7400km2，详见下图所示。

这是由于在东海冲绳海槽南部陆坡区域，泥底辟发育，在底辟内部和周围地层中断层发育，中新世和更老的地层是天然气的源地，底辟和断层附近常出现流体势低值区，为天然气的运移提供了通道，成为天然气的聚集区，在这些天然气聚集区如果温压条件合适就有利于天然气水合物的形成。

⒉南海北部海底天然气水合物分布南海北部的天然气水合物的研究是从BSR的研究开始的。

广州海洋地质调查局经过数年的调查后，在南海北部陆坡的东沙群岛南部、珠江口盆地深水区神狐海域、西沙海槽的南北斜坡、笔架南盆地东缘等地发现了多处似海底反射。

其它学者也相继在东沙海域、台湾西南海域识别出似海底反射，结合振幅空白和极性反转等其它地震标志和区域地质资料，认为该地区有良好的天然气水合物成矿前景。

除似海底反射外，空白带、速度振幅异常和波形反转等其它地球物理指标也是天然气水合物资源评估中不可忽略的指标。

在南海北部天然气水合物的地球物理调查中也进行了空白带、速度振幅异常和波形反转等指标的调查，这些地球物理标志与似海底反射相伴随，说明了南海北部具有良好的天然气水合物成矿前景。