天然气水合物简析

浅谈天然气水合物

天然气水合物是以CH4 为主，含少量CO2，H2S的气态烃类物质充填或被束缚在笼状水分子结构中形成的冰晶化合物，俗称“可燃冰”。

一．天然气水合物的存在类型及成因分析

R D Malone 等对天然气水合物进行了多年的研究，指出天然气水合物存在有4 种类型第一种是良好分散水合物，均匀分布在岩石的孔隙或裂隙中；第二种是结核状水合物，其直径为5cm 水合物气体为从深处迁移的热成因气体；第三种是层状水合物，分散于沉积物的各薄层中，主要分布在近海区域和永久冰冻土中；第四种是块状水合物厚度为3-4CM，水合物的含量为95%沉积物含量为5%主要形成于断裂带等有较大的储存空间的环境中。（图一）

图一天然气水合物的存在类型

根据形成环境的温度和压力条件，将天然气水合物的成因机

制分为以低温条件为主控因素的低温成因型和以高压条件为主控因素的高压成因型。（图二）

低温成因型：形成天然气水合物时温度起主要控制作用，形成的条件是温度低而相对压力较小，如青藏高原冻土带浅部的天然气水合物和100-250m以下极地陆架海的天然气水合物。

高压成因型：随埋深增大，压力增高而温度也因地温梯度相应增高，高压力对形成天然气水合物的形成起主导因素如水深为300-4000m 的海洋天然气水合物基本上是在高压条件下形成的掌握了天然气水合物的形成条件，对开发利用时是采用热激发法还是降压法，化学剂法具有一定指导意义。

根据天然气的来源将天然气水合物成因机制分为原生气源型和再生气源型：

原生气源型是指已存在的天然气田m 煤层气田深处迁移的热成因气体等因温度或裂隙压力或天然气浓度的变化而转变为天然气水合物, 在此过程中无外来物质的加入m 天然气水合物可与常规的天然气(油田) 煤层气(煤田) 相伴而生。

再生气源型是指特定的环境条件下, 海洋里大量的生物和微生物死亡后留下的遗体不断沉积到海底, 很快分解成有机气体甲烷, 这些有机气体, 在压力的作用下便充填到海底结构疏松的沉积岩孔隙中, 在低温和压力的作用下形成天然气水合物。

图二天然气水合物的存在条件

二．天然气水合物的全球分布特征

天然气水合物发育的场所主要分布在北半球,其中海洋天然气水合物占绝对优势, 以太平洋边缘海域最多,其次是大西洋西海岸。例如,西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、冲绳海槽、日本海、南开海槽、苏拉威西海、澳大利亚西北海域及新西兰北岛外海,东太平洋海域的中美海槽、加利福尼亚-俄勒冈滨北海岸及秘鲁海槽,大西洋西部海域的布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海及南美东海岸外陆缘海,以及非洲西海岸海域、印度洋的阿曼海湾、北极的巴伦支海和波弗特海、南极的罗斯海和威德尔海、内陆的黑海和里海等。从构造环境

来看, 天然气水合物主要分布在大陆边缘:一类分布在被动大陆边缘

的大陆斜坡和坡脚; 另一类分布在主动大陆边缘的增生楔发育区。在陆地多年冻土区( 包括高原和极地多年冻土区) 和深海或深湖沉积物中也发现了天然气水合物。本文共收集整理了全球直接或间接发现的天然气水合物矿藏共167 处的资料, 其中包括2007 年我国首次在南海北部神狐海域钻探获取的天然气水合物实样资料。由于目前开展天然气水合物调查的区域还没有涉足洋盆, 因此, 对于深海洋盆中天然气水合物的分布情况还知之甚少。

三．天然气水合物的成藏控制因素

天然气水合物的成藏需具备五个基本条件:

1.原始物质基础———天然气和地层水的足够富集。

2.足够低的温度。

3.较高的压力。

4.一定的孔隙空间。

5.合适的圈闭条件。

在自然界中, 水合物常常作为其下游离气体的盖层, 二者共同成藏。天然气水合物形成后, 必须有适合它保存的地方。如果在地史过程中, 天然气水合物所处的环境发生了较大的改变, 原来形成的天然气水合物有可能遭到破坏。影响天然气水合物分布的主要控制因素如下:

（1）构造运动与地热史

构造运动对天然气水合物的影响是综合的, 主要体现在以下四个方面。第一, 由于地壳发生沉降, 使天然气水合物的埋深增加, 导致天然气水合物所处地层的温度升高, 引起天然气水合物溶解, 使其遭受破坏。第二, 如果地壳上升幅度过大, 地层遭受剥蚀, 上覆压力减小, 引起天然气水合物溶解, 使其遭受破坏。第三, 地壳运动可能形成断层, 如果断层断穿了天然气水合物带, 游离气向上溢散, 导致地层压力降低, 引起天然气水合物溶解, 使其遭受破坏。第四, 强烈的构造运动常伴随岩浆活动, 大量的岩浆上涌, 使地温升高,引起天然气水合物溶解, 使其遭受破坏。

一般说来, 地热与构造运动关系较密切, 构造活动早—中期, 地温梯度高, 末期地温梯度低。同时, 地热与地壳的厚度有关, 一般地壳厚度越大, 地温梯度越低; 地壳厚度越小, 地温梯度越高。地温梯度越低,越有利于天然气水合物的形成与保存。

（2）全球海平面升降变化

海平面升降直接引起海底静水压力的变化, 且不同水深的海底温度亦有差异。如果下降幅度较小, 下降后海底静水压力仍大于天然气水合物稳定压力, 则对天然气水合物稳定无影响; 若下降幅度较大, 下降后海底静水压力小于天然气水合物稳定压力, 则引起天然气水合物分解。WilliamP. Dillon 等人研究, 海平面降低120 m, 将使天然气水合物的底部抬升约20 m,其结果会使天然气水合物溶解, 引起海底滑塌。

（3）全球气温变化

在极地、高纬度及中低纬度地区, 冰期与间冰期对天然气水合物的影响较大。中低纬度地区, 冰期带来的效应是海平面下降的同时海底温度降低, 而间冰期带来的效应是海平面上升的同时水温升高。天然气水合物的存在与否主要取决于海平面升降的幅度。如果冰期海平面迅速大幅度下降, 大陆斜坡地带的天然气水合物很快会因上覆水压的突然降低而分解。在极地和高纬地区, 冰期能产生三个方面的影响:①冰层加厚可以增大冰体下伏沉积物的静压力,增加天然气水合物的稳定性。

②冰体下的温度大约0~2℃,降低了沉积物的温度, 增加了天然气水合物稳定性。

③冰的渗透性相当低, 将沉积物中逸出的气体捕获在冰体之下, 使得更多的烃类气体富集,有利于天然气水合物的形成。

（4）底辟和块体运动

底辟构造对天然气水合物的形成和保存起到的作用是双重性的。一方面, 底辟构造可能成为气体向上运移的通道, 有利于气体疏导。同时, 底辟构造可形成局部高压, 有利于天然气水合物的形成; 另一方面, 底辟构造可以引起地热异常和化学异常, 因而可以造成在底辟构造周围, 天然气水合物数量减少和天然气水合物胶结层减薄。块体运动对天然气水合物的影响可能主要是引起天然气水合物胶结层的结构和天然气水合物的丰度。由于块体运动导致了沉积物压力降低, 在天然气水合物的底部的压力相应降低, 临近其相界的天然气水合物发生分解; 另一方面, 由于天然气水合物的分解引起岩石结构强度变低,