海洋天然气水合物的地球物理探测高新技术_马在田

2000年9月 地　球　物　理　学　进　展 15卷　第3期海洋天然气水合物的地球物理探测高新技术马在田1　宋海斌2,3　孙建国4(1.同济大学海洋地质与地球物理系,上海200092;2.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100101;3.国家海洋局海底科学重点实验室,杭州310012;4.中国新星石油公司石油物探研究所,南京210014)摘　要:海洋天然气水合物是一种潜在的巨大能源,在资源环境、灾害方面处于非常重要的地位.发展海洋天然气水合物的地球物理探测高新技术—蕴藏量估算技术、深水区高分辨率地震技术、井中地球物理技术、海洋电磁法探测技术,准确了解天然气水合物的分布与蕴藏量,对我国海洋天然气水合物产业的建立具有关键作用.关键词:海洋天然气水合物;地球物理探测;高技术中图分类号:P315文献标识码:A文章编号:1004-2903(2000)03-0001-061　引　言天然气水合物是一种由天然气分子与水分子组成的类冰固态化合物.自然界中的天然气水合物主要为甲烷水合物,通常分布于大陆边缘与冻土带,它在资源、环境、灾害三个方面均处于非常重要的地位[1,2].天然气水合物是极端可燃混合物,且1m3天然气水合物约可释放出164m3甲烷.按国外专家估计,天然气水合物中的气体含碳量是常规化石燃料(石油、天然气、煤)含碳量的两倍,是一种潜在的巨大能源,并且是一种绿色能源.天然气水合物在低温高压环境下是稳定的,温压的变化会导致大量气体的释放,从而引起滑坡等海底重大灾害.此外由于天然气水合物释放的甲烷是一种重要的温室效应气体,对全球气候可能产生重要影响.因此,对天然气水合物的研究已引起了发达国家与发展中国家科学家的极大关注.2　国外研究现状与发展趋势从1810年开始,国外学者在实验室中研究天然气水合物,直到本世纪30年代前苏联科学家在天然气管道中已发现天然气水合物的存在,但自然界中的天然气水合物是60年代在西伯利亚西部冻土带下面的沉积物中首次发现的.60年代,前苏联、美国、荷兰、德国深入研收稿日期:2000-02-22;修订日期:2000-05-05.基金来源:国家自然科学基金项目(49904007)、国家海洋局海底科学重点实验室课题基金.作者简介:马在田,1930年生,男,中国科学院院士,上海同济大学教授.主要从事反射地震学研究.究了天然气水合物的结构、热动力学和形成机理.70年代初前苏联学者论证了地壳存在有天然气水合物生成带并可形成大的工业天然气水合物藏,前苏联还发现了世界上第一个天然气水合物气田—麦索亚哈气田;此外,70年代在海洋沉积物中发现了天然气水合物[4,5].80年代以来前苏联、美国、加拿大、日本、印度等国对天然气水合物的研究给予高度重视,并从能源战略储备角度出发,纷纷制定了长远发展规划和实施计划,研究已相当普遍;参与研究的还有挪威、比利时、德国、荷兰等,多数利用深海钻探计划在钻井过程中取芯来验证和评估天然天然气水合物资源量.随着深海钻探、大洋钻探与地震调查的发展,人们发现天然气水合物在世界大陆边缘广泛分布.90年代以来,天然气水合物的研究得以蓬勃发展.大洋钻探计划对海洋天然气水合物的研究给予高度重视,设立了专项调查航次.如ODP164航次在北美东南大陆边缘布莱克海台钻了三口井,均钻穿预测的似海底反射层B SR (bottom -simu -lating r eflector )深度,采获了固态气体水合物样[3].日本通产省投入6400万美元实施了勘探开发南海海槽区域海洋甲烷水合物的五年计划(1995～1999).现已基本完成地球物理调查.1999年,3000m 深的勘探井钻探了南海海槽增生楔的甲烷水合物沉积.近期,又制定了“把海洋甲烷水合物变成可开发利用的能源”计划.最近印度政府五年计划投入5600万美元在孟加拉湾和阿拉伯海开展天然气水合物的调查研究工作.并在印度洋西北的阿曼湾已发现天然气水合物存在的依据.值得注意的是:美、法、日、德等国已着手安排全世界海洋沉积物上层的研究计划,以准确地查明产层,计算出水合物充填度.目前已探测了数千万公里的剖面,在几千个点上采了样,打了几百口井.工作最详细的水域是大西洋、太平洋赤道部分和印度洋的一些区域.到目前为止,国外学者对天然气水合物形成与分解的物理化学条件、产出条件、分布规律、形成机理、勘查技术方法、取样设备、开发工艺、经济评价、环境效应及环境保护等方面进行了深入的研究.并在世界上确定出60处海洋天然气水合物蕴藏地,其中9处业经钻探证实.就开采技术,也已提出下伏游离气开采法、减压法和热激发法等技术.目前的发展趋势,开展地球物理、地球化学探测技术研究,以准确了解天然气水合物的分布与数量及天然气水合物沉积的精细结构,建立一套完整的勘探开发技术.3　国内研究现状与中国寻找海洋天然气水合物前景预测我国对天然气水合物的研究基本处于调研起步阶段[6—8].“九五”期间,中国大洋学会组织了“西太平洋气体水合物找矿前景与方法的调研”、国土资源部组织了“中国海域气体水合物找矿前景研究”,863计划820主题也支持了“海底气体水合物资源勘查的关键技术”前沿性课题,1999年国家自然科学基金委批准了3项涉及天然气水合物研究的基金.1990年,中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室科研人员曾与莫斯科大学冻土专业学者成功地进行了天然天然气水合物人工合成试验,1991年,该实验室又进一步研究了合成的条件.近年来,根据初步的BSR 识别,我国科研工作者认为南海的西沙海槽北部陆坡、东沙岛附近、笔架南盆地、南沙海槽、南海南部的沙巴岸外[9]、冲绳海槽、台湾东北及东南等海域是天然气水合物的可能分布区.1999年ODP184航次的北部2个钻孔中发现了较高的·2· 地　球　物　理　学　进　展 2000年甲烷含量和较低氯离子浓度的孔隙水等天然气水合物异常.初步认为中国边缘海可能有可观的天然气水合物潜力.由于尚无开展系统研究,也没有建立高新的地球物理、地球化学探测技术体系,对BSR 识别的合理性、天然气水合物在中国边缘海的分布及蕴藏量缺乏深入认识.跟国外的天然气水合物研究相比远远落后,与我国作为一个拥有300万km 2海域面积的能源消耗大国的地位极不相称.4　海洋天然气水合物发展战略中国是一个发展中国家,目前正面临由于经济快速发展所面临的严重资源短缺问题.我国油气产量自1978年突破1亿吨大关,到1998年年产量达1.63亿吨.然而国民经济的快速发展对油气工业提出了更高的要求,1993年中国已变为油气纯进口国.而且这种需求与产出的差距正在逐步增大.据国内外九家科研单位预测,到2010～2020年,国内年石油供需缺口为0.8～1.3亿吨,天然气500～800亿方,能源正成为制约我国国民经济快速发展的瓶颈.天然气水合物分布广、规模大、勘查费用低,具有巨大的经济效益,它将成为21世纪替代石油、天然气的新型能源.为消除我国未来可能出现的“资源短缺型经济局面”,缓解能源供需矛盾,勘探、开发利用天然气水合物,从而建立海洋天然气水合物产业,应该是我国新世纪的重要战略选择.此外,国家主权、海洋权益的有效维护也要求我们了解掌握海洋天然气水合物的分布及蕴藏量情况,有利于海洋资源的战略储备.开展海洋天然气水合物研究是一项非常重要和紧迫的工作.为建立海洋天然气水合物产业,首先需宏观了解我国海域天然气水合物的分布及其资源量情况,进而要圈定有利分布区开展深入的调查研究,并建立天然气水合物勘探、开发的高新技术体系.应该指出,在天然气水合物的勘探、开发过程中,地球物理将起重要的先导作用,无论是分布状态的掌握还是资源量的估算,天然气水合物储层的精细描述及勘探井位的设计等等,均需要发展相应的地球物理探测技术.三十多年来,地矿、石油系统在东海、南海、渤海和黄海开展了大量的地质、地球物理综合调查工作,建立了海洋油气工业,积累了丰富的地质、地球物理、地球化学和钻探资料.利用这些资料,研究针对天然气水合物沉积的地球物理处理、解释技术,并进行二次开发,可以对中国海域特别是南海、东海的冲绳海槽的天然气水合物资源远景进行评价研究,初步确定有利分布区.进而选择最有希望的海域进行高新技术航次调查,估算天然气水合物的蕴藏量,并对目标区开展天然气水合物储层的精细描述,提供勘探井位.然后,利用勘探井的数据,探明目标区天然气水合物的地质储量及产层的分布,进行试开发.形成一套实用的勘探技术和调查方法.5　地球物理探测高新技术海洋天然气水合物研究的重要问题是准确地了解它的分布与数量,因而需发展如下地球物理探测高新技术.·3·第15卷　第3期 海洋天然气水合物的地球物理探测高新技术 5.1　蕴藏量估算技术海洋沉积物中分布的气体水合物的底界在地震剖面上通常表现为似海底反射层(B SR ),因而在研究早期通过地震调查容易圈定海洋天然气水合物的大致分布范围.与大陆边缘通常的沉积物相比,天然气水合物沉积具有较高的纵波速度,因此地震得到的速度及其他弹性参数对研究天然气水合物的分布非常有用.此外,天然气水合物稳定带下方可能存在的含游离气体沉积物则具有较低的纵波速度与泊松比.因此,可以利用得到的速度与弹性参数结构,通过岩石物理模型方法对比现有资料半定量地估计天然气水合物的饱和度.再根据厚度、面积等参数计算天然气水合物蕴藏量.为了正确识别B SR ,准确地了解BSR 上方孔隙中水合物的数量、B SR 下面游离气体的分布,海洋天然气水合物的地震速度、弹性参数结构研究已成为必须要解决的关键问题[10～14],90年代以来,开展了叠加速度分析、旅行时反演、叠后波阻抗反演,AVO 分析,一维叠前广角反射波形单参数反演研究.为此,要发展高精度速度分析技术、AVO 技术、地震波形反演技术,建立适用于天然气水合物的采集、处理与解释技术和软件系统,进而建立海洋天然气水合物的蕴藏量估算技术.5.2　深水区高分辨率地震技术为研究海洋天然气水合物,日本已于1996年在南海海槽、日本与加拿大合作1999年在Mackenzie 三角州进行了高分辨率的地震调查[15].应该指出的是,高分辨率的成像技术目前还未解决.就深水区高分辨率地震技术而言,特别要加强处理与解释系统研究.利用深水区高分辨率的采集、处理与解释技术,可以揭示天然气水合物沉积的精细结构,进行天然气水合物的储层特征、储藏结构描述,寻找有利的钻探目标,并结合井中的资料,确定天然气水合物的地质储量,提出评价方案.5.3　井中地球物理技术美国东南大陆边缘布莱克海台[16]、加拿大Mackenzie 三角州[17]实施了纵波激发的零偏、非零偏的VSP 、横波激发的零偏VSP 工作,得到了纵波速度、横波速度的垂向分布,标定了地震层位.实际上,深水区VSP 技术、常规测井技术、成像测井技术(微电阻扫描成像测井、偶极子横波成像测井、核磁共振成像)等井中地球物理技术,是判别地层是否存在天然气水合物及提供天然气水合物储量参数的重要手段.同时,测井资料也是研究井点附近天然气水合物的主地层的沉积环境及演化的有效手段.5.4　海洋电磁法探测技术天然气水合物的底边界在地震剖面上有明显的反映,但是,它的上边界则不易确定,由于天然气水合物像冰一样,在电性上是一个绝缘体,所以,可以利用电法资料辅助评价和计算资源量.利用电磁法正、反演计算,研究游离气带模型、水合物楔模型、不同饱和度的天然气水合物沉积在电磁场上的特征,可以确定合理的电磁法探测技术.Edwards [18]曾用海底人工源瞬变电偶极系统采集有关电法数据,辅助地震对天然气水合物作出资源评价.因此,发展海洋电磁法技术,进而开展电磁成像、电磁地震联合反演及综合解释技术研究,有助于天然气水合物的评价.·4· 地　球　物　理　学　进　展 2000年6　结　语海洋天然气水合物是21世纪的新型能源.在天然气水合物的勘探、开发过程中,地球物理将起重要的先导作用,无论是分布状态的掌握还是资源量的估算,天然气水合物储层的精细描述及勘探井位的设计等等,均需要发展相应的地球物理探测技术.发展海洋天然气水合物的地球物理探测高新技术,包括数据采集、高分辨率成像为主的处理系统与地质、地球物理和地球化学综合解释技术及其工作站系统,是准确了解天然气水合物的分布与蕴藏量的关键.它对探讨海洋天然气水合物的形成机制及对海洋环境与全球气候的影响,建立海洋天然气水合物产业具有重要作用.参 考 文 献[1]　Sl oan E D .Clathrate Hydrates of Natural Gas .Marcel Dekker ,New York ,1990.[2]　Kvenvolden K A .Gas hydrate -Geological perspective and global change .Re v .Ge ophys .,1993,31:173～187.[3]　OD P Leg 164Shipboard Scientific Party ,M ethane gas hydrate drill ed at Blake R idge .Eos ,Trans actions ,American Geophys 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of marine gas hydrates ,whic h include quantity estimation ,deep wa -ter high resolution seismic ,borehole geophysics and electromagnetic method ,to acquire distribution and concentration of marine gas hydrates for preparation of marine gas hydrates industry in the future .Keywords :Marine gas hydrates ;Geophysical Exploration ;High technology ·6· 地　球　物　理　学　进　展 2000年。