南海天然气水合物富集规律与开采基础研究项目申报书

项目名称：南海天然气水合物富集规律与开采基础

研究

首席科学家：

起止年限：

依托部门：

一、研究内容

1．拟解决的关键科学问题

尽管我国南海北部陆坡具有天然气渗漏发育的地质背景，并且已发现四个天然气渗漏活动形成的冷泉碳酸盐岩和特异自养生物群的发育区，这些海区具有水合物形成的地质环境和温度-压力条件。但这些天然气水合物成藏条件，成藏动力学过程和机制及富集规律等是需要深入研究的关键科学问题。因此，本项目拟解决的关键科学问题有：

1）南海北部渗漏型天然气水合物成藏的气源、地质和温压条件及其地球物理、地球化学异常机理；

2）南海北部沉积物孔隙中游离天然气气泡形成水合物过程的热力学控制因素和生成动力学规律；

3）南海北部渗漏型天然气水合物大规模成藏的机制及其发育特征和富集规律；4）高品位（渗漏型）天然气水合物开采过程的多相流动机理和渗流控制模式。

2．主要研究内容

（1）南海北部天然气水合物成藏的基础条件

●烃类热解气、浅层生物气对渗漏型水合物成藏的贡献

天然气水合物的成藏气体主要包括微生物气、热解气及其混合气，不同类型的成藏气体具有不同的成气作用、运移途径和富集过程，并影响到天然气水合物的形成机理。南海北部含油气盆地发育，气源丰富，类型众多，深部烃类热解气、浅层生物气均可能作为渗漏型天然气水合物的气源。并且，不同类型的气源具有不同的成气作用、运移途径和富集过程，并影响到天然气水合物的形成机理。因此有必要深入研究不同成因的气源类型和运移特征及其对南海北部天然气水合物成藏的贡献。

●非烃气体对渗漏型水合物成藏的影响

南海北部含油气盆地的非烃气体CO2、N2十分丰富，许多天然气气藏中的CO2和N2含量非常高，甚至形成90%以上的CO2气藏。如果这些非烃气体或随烃类气向海底渗漏，进入水合物稳定带将对天然气水合物的成藏产生影响。因此，必须深入研究南海北部这些非烃气体来源和组成特征、水合物形成的温度和压力条件，及对渗漏型天然气水合物成藏的可能影响。

●地质条件对渗漏型天然气水合物成藏的控制

构造环境和沉积特征是控制天然气水合物成藏的两个重要地质条件。区域构造环境决定了天然气水合物形成与富集的沉积场所，各种断裂、底辟、泥火山直接制约着气源的强弱和天然气水合物的形成。含天然气水合物层的主要沉积特征

决定了天然气水合物成藏的微观规律。南海北部新生代发生了多期强烈构造活动，构造升降幅度大，沉积速率高。这些特征影响油气的形成、分布和运移，进而控制渗漏型水合物的气源、运移通道和赋存空间。因此，重点研究南海北部的构造演化过程和沉积环境变化，特别是研究第四纪区域构造环境、新构造运动和沉积特征、岩浆活动的时间和空间及高热流区的分布特征等。从宏观和微观几个方面来研究。从宏观上，有沉积环境包括古海洋环境的分析，对沉积物中较宏观的断裂通道体系（气水合物气源运移的断裂通道体系）确定天然气水合物的发育空间（如泥底辟、泥火山等特殊构造体）等。从微观上, 对沉积物组分、物质来源、沉积物微结构的研究，因为这些沉积物的属性对渗漏性气泡在沉积物中的迁移过程中起着重要的作用。

温压条件对渗漏型水合物成藏的制约

尽管简单气-水体系水合物形成的相平衡理论已比较成熟，但天然气水合物形成不仅强烈地依赖于温度压力等热力学条件，同时气体组分、盐度等多种因素也会影响天然气水合物成藏的温压场条件，相关的热力学理论还很不成熟。南海北部新生代构造运动强烈，并伴有程度不同的岩浆活动，导致局部热流高，强烈影响了温度和压力，从而改变天然气水合物稳定条件，造成水合物在沉积物中纵、横向分布不均一性。因此，项目在开展南海北部热流背景、晚新生代以来热演化史及其与天然气水合物之间的内在联系研究的同时，将测定南海北部多种气源类型（浅层生物甲烷气、深部热解成因C1-C5烃类气及CO2和N2非烃气）复杂气体组成的水合物体系形成温压条件，研究多种海底沉积物类型对水合物生成温度和压力的影响，测定游离甲烷-水-水合物平衡体系的甲烷溶解度，建立南海北部地质环境条件下多相体系的热力学模型。

（2）南海北部水合物成藏演化的动力学过程

天然气水合物成藏演化过程是一个极其复杂过程，受多种因素或诱导机理的影响。实验和计算机模拟是了解天然气水合物形成热动力学机理的重要手段。通过实验可以观察到包括多孔介质在内的不同体系下天然气水合物生成的动力学过程及其对周围环境介质的作用；通过计算机模拟可以更加有效地描述多孔介质中水合物生成与分解动力学特征，并提升为一种可预测的数学模型。南海北部气源组成多样。因此，有必要模拟南海北部海底渗漏系统的地质环境和气源条件，在天然气-水-固（人工和天然多孔介质及海底沉积物）三相介质中，进行渗漏游离天然气生成水合物的可视化研究，观测天然气向水合物转化过程中的成核、生长、聚集等特征，描述天然气水合物生成过程的热、质传递规律，测定沉积物中水合物生成速度及转化率，研究导热系数、声速、电导率等水合物物性参数的变化特征，建立组成复杂的天然气-水-沉积物-水合物的多相体系中水合物生成动力

学理论，探讨影响因素，并建立相关的计算模型，为渗漏型水合物成藏机制、富集规律研究及开发利用提供理论基础。

（3）南海北部天然气水合物的地球物理、地球化学异常机理

●渗漏型水合物的地球物理异常机理和识别标志

海底渗漏型水合物在地震剖面上似海底反射层（BSR）不发育，主要是由于水合物带存在游离气，改变了水合物层的物性。因此，重点开展研究天然气渗漏区（含水合物和游离气）沉积体的物性参数、含气水体（羽状体）的物性特征，及其地球物理异常机理和识别方法，建立一套有效识别海底渗漏型天然气水合物的地球物理方法体系。

●渗漏型水合物的地球化学异常特征和识别标志

海底天然气渗漏活动引起了海底沉积、有机质和孔隙水化学等组成异常，这些异常对海底浅表层天然气水合物的形成和产出具有直接或间接的指示作用。因此，研究具有指示海底天然气渗漏作用的特殊沉积构造（泥火山、泥底辟）的发育状况和分布特征，分析沉积物和有机质的组成，特别是天然气渗漏作用形成的自生沉积和矿物（冷泉碳酸盐岩、重晶石、黄铁矿等）特征，与渗漏甲烷厌氧氧化有关的特殊生物标记物特征、孔隙水化学组成，烃类气体组成等异常特征，建立渗漏型天然气水合物矿藏的地质、地球化学判识方法和找矿标志。

（4）天然气水合物开采中的多相流动机理和相关基础理论

渗漏型天然气水合物品位高，厚度大，经济价值高，具有巨大的开发前景，而且开采技术要求相对于埋藏深（BSR发育）水合物要低，更易实现水合物的开发应用。因此，有必要根据南海北部渗漏型天然气水合物成藏的地质特征，开展南海北部典型水合物区域沉积物基础物性、分解过程中结构形态的变化规律、分解后所形成的气、水、冰、砂等多相流动、传热和传质机理、基础实验方法和分析方法研究，初步建立天然气水合物分解过程的多相流动、传热和传质控制模型，为天然气水合物开采过程物理模拟和数值模拟提供理论指导。同时，开展开发过程水合物分解的环境风险评价研究，为水合物开采技术方案的选择提供理论基础。

（5）南海北部天然气水合物成藏机制及富集规律

这是项目综合研究的集成。分析南海北部渗漏型天然气水合物成藏的沉积、构造、气源等特征，研究不同构造、沉积背景下天然气水合物成藏地质模式和成藏系统；确定渗漏型天然气水合物形成的温度-压力条件和形成过程，研究天然气水合物烃类气体供应、流体运移通道、构造和岩性控制因素等时空演化及相互耦合关系，建立南海北部渗漏型天然气水合物的成藏理论；研究天然气渗漏活动和水合物形成的地质、地球物理和地球化学异常特征，建立南海渗漏型天然气水