天然气水合物研究中的几个重要问题

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除了可以作为一种重要的非传统的~ 潜在的能 源资源之外 天然气水合物也极大地影响了沉积物 的物理化学性质 如剪切强度~ 孔隙度~ 渗透性~ 声波 速度~ 流体成分等 物理性质和流变场的变化将导致 海底特殊沉积物的破裂 引起海底滑塌和海底地质 灾难 另外 天然气水合物中甲烷气释放进入大气圈 对全球气候和环境造成明显的影响 现将国外天然 气水合物研究成果综述如下
摘 要: 综述了当前关于天然气水合物研究中的几个重要问题 提出了今后的主要研究方向 全球大约有 1019g 碳以天然气水合 物的形式储存在沉积物中 大约是其它所有化石燃料沉积物形式储存量的 2 倍多 因此 天然气水合物被认为是 21 世纪具有商业
开发远景的潜在的战略资源 天然气水合物是一种亚稳态物质 极易受到温度和压力条件的影响 海底天然气水合物的分解将会
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地质科技情报
2OO1 年
图 2 海平面下降引起天然气水合物的分解和海底滑塌构造的形成 Fig. 2 Sea-level doWn causing brekdoWn of gas-hydrate and formation of slump on sea floor
3 对全球气候环境变化的影响
甲烷是地球大气圈中重要的微量组分之一, 现 今大气圈中该组分的含量大约是 4. 9> 1O15g 与二 氧化碳一样, 甲烷是一种 温室' 气体, 而且, 其温室 效应是等质量二氧化碳气体的 2O 倍 圈闭在大陆和 海洋天然气水合物中的甲烷量大约是大气圈中的 3 OOO 倍[6], 所 以, 天 然 气 水 合 物 中 甲 烷 的 释 放 将 对 大气圈的组分构成巨大的影响, 进而影响导致全球 气候变化的大气圈的辐射特征
最近, 科学家通过探井( Mallik2L-38) 和样品采 集研究了加拿大 Mackenzie 三角洲地区与永冻带有 关的天然气水合物[4], 确定了天然气水合物的性质~ 产状~ 特征和分布, 并认为这个地区的天然气水合物 的储量大约是该地区沉积物的 3O% , 天然气含量大 约为 1. 7> 1O8m3, 而且具有良好的储集性和开采条 件O 另外一个例子是对大陆边缘环境中的天然气水 合 物 的 调 查O 美 国 东 南 大 陆 边 缘 Blake-Bahama 岭 ODP164 航 次[1] 的 钻 探 表 明 这 个 地 区 沉 积 物 中 的 1% ~ 5% 被天然气水合物充满, 厚度达到 25O m, 分 布 面 积 达 到 24 OOO km2, 估 算 的 天 然 气 储 量 达 到 3. O> 1O1O~ 8. O> 1O1Om3O 据估算, 海上天然气水合 物的储量是陆地储量的两倍O 然而, 其开采难度很 大, 目前还没有成熟可行的技术O
现在已有学者提出了几个假说来说明天然气水 合物对全球气候环境的影响 这些假说通过表面温 度和影响水合物沉积的海平面变化来阐明天然气水 合物对全球气候环境的影响 一般认为, 在全球冰川 期和间冰期, 极地区和海洋区的天然气水合物的稳 定性及其气候效应是不同的 在全球气候变暖期间, 冰川和冰盖消融, 向海洋供水及海水因热膨胀均会 引起海平面上升和地下静水压力增加 静水压力是 天然气水合物稳定的重要因素 同时, 陆上空气温度 的增加, 将可能导致大陆天然气水合物的不稳定而 分解, 释放出可以进入大气圈的甲烷 在全球变暖期 间, 尽管外大陆边缘的深水水温也将增加, 但是由于 巨大体积海水的热容量, 水温不可能有明显变化 所 以, 海平面上升引起的天然气水合物的稳定效应将 超过海底水温增加引起的去稳定效应
2 天然气水合物分解与海底滑塌
越来越多的学者认为大陆边缘海底滑塌可能与
天然气水合物破裂引起的沉积物不稳定有关O 一些 海底滑塌区附近的地震资料显示, 许多正断层向下 收敛于天然气水合物稳定带底界面( BSR ) 或这个界 面附近, 在美国大西洋边缘几乎所有的海底滑塌均 位于水合物上部边界附近, Blake 海岭的一个 38 km > 18 km 的大型复合式滑塌构造仅卷入了水合物稳 定带的沉积物[1]O 世界上最大的挪威 Storegga 海底 滑塌构造引起了 3O~ 4O m 高的海啸[4], 可能就是由 于天然气水合物的分解触发的O 大陆边缘含天然气 水合物沉积物的持续沉降~ 海平面变化和海底水温 的增加均可能引起海底沉积物不稳定, 从而导致沿 海底斜坡带的滑塌, 因此天然气水合物可能是引起 大陆边缘海底滑塌的关键性因素之一
中图分类号: TE132. 2
文献标识码: A
文章编号: 1000-7849< 2001D 01-0044-05
天然气水合物< gas hydrateD 是一种由水和低分 子量气体< 主要是甲烷D 组成的笼形类冰态固体物 质 形成于低温~ 高压和一定的天然气饱和条件下 早在 19 世纪的早期 化学家就了解了这种物质 到 20 世纪 30 年代 石油工业发现天然气水合物是造 成天然气传输过程中管道堵塞的原因 20 世纪 60 年 代 在 西 伯 利 亚 Messoyakha 天 然 气 田 中 发 现 了 自然产出的天然气水合物 在 20 世纪 70 年代 发现 除了在寒冷的极地区域外 天然气水合物还发育在
影响沉积物的物理化学性质< 如剪切强度和流变性等D ~ 地球物理性质< 如地震波速和电导性D ~ 以及地球化学性质< 如孔隙流体成
分D 的明显变化 导致诸如海底滑塌等地质灾害的发生 天然气水合物的分解会产生导致" 温室效应 的甲烷气体 该气体进入大气
圈中会引起全球气候和环境的变化
关键词: 天然气水合物; 潜在能源资源; 海底滑塌; 温室效应
圈中的含量是极其巨大的 而且 特别重要的是含天
然气水合物的沉积物中可能圈闭了储量巨大的天然
气 1995 年 ODP164 航次发现美国东南大 陆 边 缘 Blake 岭 天然气水合 物带之下还 圈闭了 大 量 的 常 规 天然气[1] 空隙流体中还有溶解天然气 单这个区域
天然气水合物中的天然气储量就可以满足美国 105 年的能源需求 1996 年美国地质学会宣布天然气水 合物是世界的六大科学成就之一 正是由于天然气
1 潜在的洁净能源
据估算 1 m3 的天然气水合物中含有约 164 m3 的天然气[2] 全球大约有 1019g 碳以天然气水合物的 形式储存在沉积物中 大约是其它所有化石燃料沉 积物形式储存 量 的 2 倍 多[3]< 图 1D 这 个 储 量 相 当
D 收稿日期: 2000-07-07
编辑: 禹华珍
第 20 卷 第 1 期 44 20 0 1 年 3 月
地质科技情报
Geological Science and Technology inf ormation
Vol. 20 No. 1 Mar. 2001
天然气水合物研究中的几个重要问题DD
张俊霞 任建业
< 中国地质大学 湖北 武汉 430074D
外大陆边缘和岛屿边缘的深水海洋沉积物中 之后
美国和前苏联在世界各个地方进行了广泛的调查
并在每一个大洋中均发现了这种物质的踪迹
DSDP< 深海钻探项目D 和 ODP< 海洋钻探项目D 多个 航 次 < 如 DSDP11 76 84 96 航 次 和 ODP112 164 航次等D 以及海洋地震反射剖面研究收集到的越来 越多的证据表明天然产出的天然气水合物在浅部地
在天然气水合物发育地区, 当天然气水合物分 解时, 沉积物的物理性质将会发生极大的改变O 在正 常的地质背景下, 天然气水合物形成之前, 大量的甲 烷和水可以在固态沉积物孔隙间自由迁移O 在天然 气水合物形成期间, 笼形结晶体' 的形成堵塞了沉 积物的孔隙, 阻止了气体和流体的迁移O 持续的沉积 导致天然气水合物埋藏加深O 当天然气水合物稳定 带底部界限 BSR 被深埋达到其温度极限时, 天然气 水合物将不再稳定, 由固态的气~ 水混合物分解为液 态的气~ 水混合体, 同时由于新释放的气体形成超 压O 因此, 在天然气水合物的底部将形成一个具有超 压特征的低剪切强度的软弱带, 重力负载~ 地震扰动 和海底滑坡引发的断裂作用将集中在这个带发育O
海洋983> 1O15g
大气圈3. 7> 1O15g
大陆
15
2 79O> 1O g
化石燃料
15
5 OOO> 1O g
天然气水合物
15
1O OOO> 1O g
图 1 地球有机碳的分布( 据文献[3]修改) Fig. 1 Distribution of organic carbon in the earth
天然气水合物对世界能源需求的贡献取决于开 采技术和开采费用的大小, 在这些方面科学界仍然 有很大的争议O 上述关于天然气水合物中巨大的甲 烷含量的估计不代表可开采的能源资源O 不过, 即使 其中的一小部分是可开采的, 其资源量也是非常可 观的O 因此, 重要的是要确定天然气水合物的分布~ 集中以及可开采的地区O 迄今为止, 对天然气水合物 沉积范围的调查和勘探方面的工作仍然非常少, 有 必要发展新的更好的鉴定和勘查天然气水合物的直 接和间接的方法和技术O
对于埋藏在极地大陆架区域的天然气水合物, 空气温度的增加使浅海陆架区水温增高, 更重要的 是由于海平面上升时海水进积到曾经暴露的 更冷
的大陆架表面 温度效应引起的天然气水合物的去
稳定效应抵消并超过了海平面上升引起的稳定效
应, 极地大陆架区域的天然气水合物因此将变得不 稳定而分解释放出甲烷气, 并进入大气圈, 从而导致 全球 的 温 室 效 应 Nisbet[7] 将 现 今 的 全 球 变 暖 与 13 5OO a前最近的一个主要冰期结束时大陆天然气 水合物中甲烷的释放相联系, 认为在全球温暖期, 极 地区天然气水合物分解并释放出甲烷进入大气圈, 导致 全球环 境进一 步变 暖, 图 3-A 表示 了这 种气候 正反馈循环( positive environment feedback loopD 的 基本观点
D 基金项目: 973 项目< G2000046700D
作者简介: 张俊霞 女 1965 年 3 月生 讲师 主要从事地质学和旅游地学的教学与科研工作
第1期
张俊霞等( 天然气水合物状态下, 大约 4O m 厚的甲烷气覆盖在整个 地球的表面O 甲烷水合物的能量密度( 标准状态下单 位体积沉积物中的甲烷量) 是其它非传统能源的 1O 倍, 是常规天然气能量密度的 2~ 5 倍O
海平面的下降或海底水温的增加也可以形成导
致天然气水合物分解的条件( 图 2) O 当海平面下降 时, 天然气水合物稳定带底界面( BSR ) 向上抬升, 由 于天然气水合物的分解而在其底部产生一个强化的
流态层, 沿这些流态层产生海底斜坡断裂, 从而产生 碎屑流~ 滑塌变形, 并伴有甲烷气释放而形成的气泡 水柱O Kayen 等[5]研究了阿拉斯加 Beau f ort 海的大 陆斜坡滑塌变形带, 这个变形带与根据地震剖面推 断的天然气水合物沉积区一致O 他们认为, 在最近的 更新世海退期间, 海平面在 28 OOO~ 17 OOO a 期间 下降了大约 1OO m, 导致作用在海底的总应力减少 了大约 1 MPa, 因而引起天然气水合物带的底部分 解, 导致大面积的滑塌变形O
水合物作为未来洁净能源资源的潜在的~ 巨大的前 景 所以许多国家都投入巨额资金进行天然气水合
物的勘探和开发技术研究 1998 年 美国参议院通 过天然气水合物研究 10 年规划 预计在 2015 年达 到天然气工业开发的要求 日本也投入巨资研究日 本主岛南部 Nankai 海槽中的天然气水合物工业开 发技术 这个地区的天然气水合物储量也是极其巨 大的 可以满足日本 100 年的能源需要 印度在印度 半岛的南侧和东侧发现了天然气水合物 近年也投 入巨资进行勘探和开发技术研究 最近 我国海洋地 质调查部门首次在南海海域西沙海槽区发现了多处 天然气水合物资源 天然气水合物的研究已经引起 我国科学家的重视
为了估价天然气水合物在海底稳定性中所起的
作用, 我们需要更好地了解以下几个方面( D改进测 量敏感环境中天然气水合物和游离天然气分布~ 集 中的方法技术, 敏感环境如水合物稳定带上限附近 的大陆斜坡; @更好地了解水合物和天然气是如何 影响围岩的物理性质, 如剪切强度; 研究开发能可 靠地探测沉积物中水合物的技术方法, 如遥感方法O
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