天然气水合物形成条件与成藏过程——理论、实验与模拟

中国科学院广州地球化学研究所博士后出站报告
1绪论
1．1 国内外研究现状
天然气水合物，也称气体水合物或笼形气体水合物，是由 CH4、C2H6、C3H8、 C4H10、CO2、H2S 等小分子气体和水在低温高压下生成的一种非化学计量型笼形 化合物（Sloan，1998），广泛分布于深海海底沉积物和大陆高寒地区永久冻土带 中（Makogon ，1997），其巨大的资源潜力（Kvenvolden，1988）、潜在的环境 威胁引起世界各国政府和学术界的广泛重视，而成为当今地球科学研究中的热 点，相关文章逐年呈指数形式增长（Sloan，2004）。
目前海洋水合物资源调查主要依赖于地球物理和地球化学手段，地震信息 （BSR、振幅空白带、速度异常等等）被广泛用来作为寻找和确定水合物矿床存 在的标志、估计沉积物中水合物的含量与资源潜力,沉积物中氯离子浓度变化、 δ18O 值的变化、取样器温度-压力变化、孔隙水成分等作为指标来指示和评价甲 烷水合物的含量多少。然而，BSR 与水合物矿床并非一一对应，没有 BSR 的海底 也发现了水合物矿床，由于取样的困难地球化学手段也只能揭示有限的信息，综 合考虑构造、沉积、稳定域（热力学）、地球化学等成矿条件与水合物的内在联 系，把室内实验成果与野外勘探实际资料相结合来探求水合物成藏机理、成藏过 程，把握水合物存在的充分与必要条件，掌握盆地演化对水合物形成、演化与分 布的控制规律显得格外重要。
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变化以及流体的驱动机制等地质背景也逐渐得以考虑（Davie and Buffett，2001，
2003）。把生物气产出、流体运移、水合物成核生长等过程纳入到的宏观地质演
化的范畴，是认识天然条件下水合物成藏机理的必由之路。盆地动力学演化对该
本研究建立了一种新的扩散系数测定方法，在低温高压条件下用拉曼光谱技 术监测了气-液稳态（24.47 MPa 、 21.7℃）和亚稳态（35.72 MPa 、 22.1℃） 两种情形下扩散过程中扩散路径不同位置上随时间变化的甲烷浓度剖面，进而采 用最小平方差法计算获得了相应的扩散系数。 1．2．4 水合物成藏动态模拟与水合物实际赋存层位预测
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样条件的限制，实验的压力较低（<20MPa），高压原位观测则仍然无人涉及。 利用计算拉曼光谱的谱峰面积比值来获取流体中溶解甲烷浓度的方法已经
非常成熟，因此本文在自行设计的低温高压谱学原位观测系统中人工合成了甲烷 水合物，用毛细管技术避免了气体-固体信号的干扰，用拉曼光谱技术在低温高 压条件下对水合物形成过程中流体相甲烷浓度的变化进行了原位观测，得到了 278K 以上 3 个温度、压力（高达 40MPa）下水合物形成后的饱和甲烷浓度。 1．2．3 低温高压条件下甲烷在水中的扩散速度
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的有 93 处（海洋 87 处、陆地 6 处）。发达国家如俄罗斯、美国、日本等都花费 巨资进行天然气水合物资源勘查与开采利用技术的研究。俄、美、日、加、德、 荷、印等国从资源储备的战略高度相继制定了长远发展规划和实施计划。美国计 划 2015 年前做好商业开发前的技术上的准备，而日本则计划在 2010 年前后实现 水合物的商业开发。
自 Davis（1811）发现水合物以来，气体水合物的研究已有一百多年的历史 （Makogon，1997），早期研究主要集中在人工合成水合物试验研究以及对实验 数据的理论概括与总结。Villar（1888、1890）理论总结了几种重要的人工合成 水合物（H2S、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、N2O、C3H8）的实验结果，勾绘了许 多不同种类的平衡相图，并首先利用水合物形成的相变热计算了水合物中的水／ 气比值。与 Villar 合作的 de Forcrand (1897,1902)率先用 Clausius-Clapeyron 方程 确定了 15 种混合水合物的组成。二十世纪三、四十年代是水合物研究史上的一 个重要时期，美国化学家 Hammerschmidt(1934)发现了油气运输管道中水合物堵 塞物，论述了预测油气运输管道中水合物堵塞物形成的主要原则，创立了控制水 合物的基本方法。从那时起，了解水合物的形成条件和寻找抑制水合物生成的方 法一直是石油和天然气工业的重要课题。Kata(1945)提出水合物是一种固溶体的 概念，发表了一个给定温度和气体重量就可以估计水合物形成压力的适用于天然 气抽取、运输、加工过程的整个温压范围的通用相图。Wilcox、Carson 和 Kata （1941）提出了基于气-固相平衡常数的、能够确定由混合物形成水合物的温度 和压力的解析方法，一直被沿用到现在。Von Stackelberg 和 Müller（1951，1954）、 Claussen（1951）、Pauling 和 Marshall（1952）等采用 X 射线衍射法确定了 I 型 和 II 型水合物的结构。Van der Waals 和 Platteeuw（1959）应用统计热力学处理 方法，结合 Langmuir 气体等温吸附理论，推导出一个计算水合物相化学势的理 论模型，奠定了水合物相平衡理论模型的基础。
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Strizhev (1946)、 Cherskiy (1961)基于对前苏联北部 Yakutiya 地区一些地质 剖面的热力学性质分析及部分永久冻结带钻探热力学数据的处理，预言苏联北部 天然气气田存在气体水合物。莫斯科 Gubkin 油气研究院的 Makogon(1965,1966) 在天然的和人工的岩心中进行了水合物形成与溶解实验，进一步阐述了天然孔隙 岩层中存在水合物的可能性。1967 前苏联在西西伯利亚、Yakutiya 等地区以及 1968 美国在其南极考察站通过钻孔岩心取样先后获得了天然气水合物，从而证 实了天然条件下水合物的存在。Makogon 在 1970 年第十一届国际天然气大会上 关于水合物的演讲，引起了业界的广泛兴趣，从而欣起了全球天然气水合物研究 的热潮。二十世纪八十年代以来，地震方法在海洋天然气水合物勘查领域得到了 广泛的运用，随着深海钻探计划(DSDP)和大洋钻探计划(ODP)的实施，地震以外 的地球物理、地球化学等综合手段的实施使天然气水合物的勘探研究进入了新的 发展阶段，天然气水合物研究在世界范围内迅速扩大和深入，研究的内容涉及资 源、环境和全球气候等多个方面。
现今海底的水合物矿床是特定地质历史时期和地质背景下的产物，其形成与 消亡实际上是盆地动力学演化过程中有机质-CO2-甲烷-水合物等物质形态之间 在环境条件变动下相互转化、在空间上富集-分散的结果，天然气水合物成藏无 疑是宏观地球动力学演化与微观物质-能量演化的统一。
沉积物中甲烷的浓度首先受到其母源有机质性质和分布状态的制约，孔隙中 对流-扩散作用控制着流体甲烷浓度的变化。近几年来，人们开始用数值模型和 模拟方法从成因的角度来研究对流-扩散机制下海底沉积物中水合物演化和分布 （Rempel & Buffett，1997；Xu & Ruppel，1999），甲烷的来源、沉积物孔隙度的
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吕万军：天然气水合物形成条件与成藏过程——理论、实验件、成藏过程及水合物空间分布规律方面作了一些探 索。海底沉积物中甲烷有三种可能的存在形式：溶解态、游离态、水合物态，甲 烷究竟以哪种形式存在，取决于体系的温度压力与孔隙流体的物质组成。水合物 的形成，必须有合适的温度压力条件、充足的甲烷等气源供应以及适宜的孔隙空 间。水合物实际赋存部位受稳定域和甲烷含量这两个成藏要素的控制。“稳定域+ 孔隙流体的甲烷饱和” 是水合物存在的充分必要条件。 1．2．1 混合体系水合物形成的温压条件与稳定域
沉积物孔隙流体中甲烷的浓度变化受对流和扩散控制。甲烷的迁移速度取决 于搬运甲烷的流体的流速和甲烷的扩散速度，海底浅层沉积物中含甲烷流体主要 为压实作用下的压实流，其流动速度往往取决于沉积物堆积速率。扩散系数是用 来描述甲烷等溶质扩散快慢的物理量，前人关于甲烷扩散系数的工作多为 1 大气 压，但毛细管法和隔膜池法等常压下很好的方法却无法用于高压体系，近年来 Sachs (1998) 用检测高压腔体中甲烷溶解-扩散后气体压力减小量随时间变化的 方法测定了储层温压范围（25-80℃）甲烷在水中的扩散系数，推测相同温度下 压力可能对扩散系数有很大的影响，然而他的方法不能测定恒压下的扩散系数。 低温高压条件下（特别是接近水合物形成条件）甲烷的扩散迄今还无人研究。
北冰洋
印度洋
太平洋
大西洋
印度洋
海洋沉积物中 大陆永冻带中
图 1-1 世界已发现和推测的天然气水合物分布图 (Matsumoto,2003,私人交流)
截止 2002 年底，世界上已直接或间接发现水合物的矿点共有 116 处（图 1-1）， 其中海洋及少数深水湖泊占 107 处，陆地永冻带 9 处。在这 116 处中，直接见到 水合物样品的有 23 处（海洋 20 处、陆地 3 处），利用探测资料推断水合物存在
过程的制约有待于进一步研究和探索。
在国家高技术研究发展计划(863 计划) “天然气水合物探测技术”项目
（2001AA611020）的资助下，笔者在盆地演化与水合物成藏效应的动力学模拟方
面进行了一些尝试，以被动大陆边缘盆地沉积充填和构造演化为框架，以海底沉
积物中有机质-甲烷-水合物体系生物地球化学反应和水溶气-游离气-水合物之
水-气-水合物这一体系的平衡态组成取决于该体系的温度、压力、初始状态 时的气相、液相的物质组成。气体的组成、孔隙流体的盐度、孔隙半径的大小对 水合物稳定的温压条件都有不同程度的影响，因此，需要一个通用的程序来定量 计算混合体系水合物生成-分解的温压条件和海底的稳定域。
本研究基于目前非常多的实验数据和成熟的气体-水-水合物三相平衡模型， 采用较为简便而精度足够的方法，实现了含 8 种不同气体成分和盐度的混合体系 中水合物生成-分解的温-压条件的定量计算，改进了现有的模拟算法，编制了天 然气水合物在不同盐度海水中生成温度压力条件的预测软件模块，在相平衡研究 的基础上，编制了混合体系水合物稳定域计算软件，实现了计算的自动化。 1．2．2 水合物存在时水中甲烷的饱和浓度