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加拿大马更些三角洲天然气水合物物化特性和含量

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加拿大 马更些 三角洲 天然气 水合物 物化 特性 含量
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文章编号 : 167221926 (2003) 0620506206收稿日期 : 2003208210; 修回日期 : 20032092131基金项目 : 中科院知识创新工程重要方向性项目“大陆坡天然气水合物形成的地质条件与成藏机理研究” (编号 : 219)资助 1作者简介 : 吴时国 (19632) , 男 , 湖北襄阳人 , 研究员 , 主要从事海底构造和天然气水合物研究 1加拿大马更些三角洲天然气水合物物化特性和含量吴时国 , 徐 宁(中国科学院海洋研究所 , 山东 青岛  266071)摘 要 : 天然气水合物是一种潜在的能源 , 对天然气水合物的地学研究和资源评价已引起了世界许多国家的重视。综述了加拿大马更些三角洲地区多年冻土层天然气水合物的地球物理和地球化学特性 , 总结了多年冻土层中天然气水合物的测井响应特征和资源评价方法 , 指出 897 m~ 1 110 9%~ 3718% , 1 090 m 处的含量高达 80%。关键词 : 天然气水合物 ; 资源评价 ; 马更些 ; 加拿大中图分类号 : T        文献标识码 : 言近年来 , 通过 (大洋钻探计划 ) 的技术支持 , 对于海洋天然气水合物的钻井和地球物理的研究已取得了大量成果 \[ 1 \]。但是关于冻土地区的天然气水合物研究却是极其有限的 , 有关数据也只是从传统的天然气钻井资料中得到的。在 1998 年 2 月至3 月期间 , 日本石油勘探公司 )、 日本国家石油公团 ) 和 加拿大地质调查局 ) 联合在加拿大 M 马更些 ) 三角洲地区实施了专门针对冻土层天然气水合物的钻探。已完成的 M 38井钻进 1150m , 并在 897~ 952m 深度段冻图 1  M a ll L 井方位土层中发现了天然气水合物。通过对含天然气水合物的岩芯样品的沉积学、古生物学、地球化学、地球物理学等多学科研究 , 提供了大量的关于含天然气水合物沉积层的物理化学特性 \[ 2~ 6 \]。这些特性对于评价该地区的天然气水合物储量和改善天然气水合物的开采技术意义重大。1 含水合物层的沉积学和生物地层学通过对岩芯和岩屑的沉积学和生物地层学的研究 , 可以确定 M L 238 井中沉积地层的形成年代和沉积环境 , 进一步可以确定沉积物和天然气水合物之间的关系。沉积学研究主要包括粒度、矿物学、孔隙度、渗透率和沉积史。这些物理特性控制着天然气水合物的稳定分布规律。天然气水合物储层可划分为 3 个岩相段 : ① 952. 2~ 926. 5 m 层段为粘土粉砂层 , 夹有煤层和粉砂层 , 无生物扰动 ; ② 926. 5~ 908. 5 m 层段为砾到中砾砂和细砂互层 , 粒度向上递减 ; ③ 908. 5~ 886. 2 m 层段底部为细到中粒砂岩与砾岩互层 , 向上变为细砂 , 顶部粉砂含量逐渐增加。岩相的变化直接影响着天然气水合物的存在和分布。在有基质支撑和分选好的中细粒砂岩相中有非常高的天然气水合物含量 , 但在分选较差的粉砂岩中只有较低的天然气水合物含量 , 在粘土粉砂岩相中则极少发现天然气水合物。当将岩芯取出来时可以观察到一种特别的现象——天然气水合物的储第 14 卷 第 6 期2003 年 12 月      天 然 气 地 球 科 学     V 14 N o. 6D   2003集砂岩冻结了 \[ 5, 6 \]。正是因为冰封闭提供的围压和零度以下的温度使得岩芯取出后仍能保持稳定 , 这种现象被称为天然气水合物的“自我保护机制” \[ 7 \]。在岩芯和岩屑样品中获得了少量的陆相微体化石和大量的再搬运的白垩纪有孔虫和植物微体化石 , 但并没有发现原地群落的海洋微体化石。在 110~ 118 m 和 173~ 175 m 层段的岩芯样品中存在着真菌、种子、昆虫碎屑和大量浸软的植物碎屑等典型的上新世—更新世陆相微体化石。在 886~ 951 m 层段的岩芯和 670~ 870 m、 960~ 1 140 m 层段的岩屑样品中发现了再搬运的海藻包囊、种子和大孢子 , 另外还有再搬运的白垩纪有孔虫。这些岩芯和岩屑样品中还包含着石英、燧石、黑褐煤、碎屑煤和少量的琥珀。 670 m 以下的岩石属于渐新世。针对主要的天然气水合物产层 (886~ 952 m 层段 )还进行了细致的孢粉研究。通过对花粉和孢子的定量分析 , 对 670~ 1 150 m 段的层序进行了细分 :670~ 775 m 属于中新世或者更晚 ; 775~ 897 m 属于早中新世到晚渐新世 ; 897~ 930 m 可能属于晚渐新世 ; 930~ 995 m 属于晚渐新世 ; 995~ 1 150 m 属于早到中渐新世。整个层序主要是渐新世以来的陆相沉积层序 , 仅在 945~ 948 m 之间存在晚渐新世海相和河口湾相的沉积层 , 该层段还存在原地群落的腰鞭毛虫。从整体缺失原地群落的海相腰鞭毛虫包囊微体化石可以断定所研究地层属于非海相沉积环境 , 可能是一个河流相沉积体系。2 含水合物层的岩石物理特性沉积物的粒度、孔隙度和渗透率等物理特性直接影响着天然气水合物的形成和稳定条件。对这些物理特性的研究对于验证测井曲线数据和确定天然气水合物储层位置都是非常重要的。对于储层建模、水合物饱和度模型和地球物理响应机制等的研究同样也是必不可少的。水的含量和孔隙度对于了解沉积环境是十分重要的 , 这些数据可以确定有多少水和储集空间可以用来形成天然气水合物。上部 109~ 175 m 层段和底部 896~ 952 m 层段之间沉积物中水的含量从100% 变为 1% , 孔隙度也从 73% 变为几个百分点 ,可见变化是非常大的。天然气水合物一般存在于砂岩中 , 且孔隙度在 32%~ 45% 之间 ; 如果存在于砾岩中 , 其孔隙度则降低到 23%~ 29% 之间。虽然在天然气水合物产层上下的粉砂岩层孔隙度也在26%~ 41% 之间 , 但并没有发现天然气水合物 : 说明孔隙度并不是决定天然气水合物存在的充分条件。天然气水合物不仅主要存在于有较大孔隙度的砂岩和砾岩之中 , 而且也曾发现存在于有较小孔隙度的沉积物之中。通过岩芯的温度可以估计天然气水合物的饱和度。从 M L 238 井采集到的样品中 , 含有天然气水合物的岩芯样品比泥浆和不含天然气水合物的岩芯样品的温度要低 6℃。这是因为在取芯的过程中天然气水合物发生分解而吸收热量 , 从而导致含有天然气水合物的岩芯样品的温度有所降低。通过测量岩芯样品在采出后的温度可以预测出原始的天然气水合物饱和度的最小值。因为天然气水合物岩芯样品在采出后已经冻结了 , 所以推测天然气水合物的饱和度至少为 70%~ 80% 时 , 才能达到这种情况。如果天然气水合物产层的饱和度超过了这个最小值 , 那么就能在开采出来的岩芯样品中获得剩余的天然气水合物。图 2 孔隙度与天然气水合物浓度关系除了温度和压力控制因素外 , 孔隙流体的化学性质 , 孔隙介质诸如矿物性质、孔隙度、渗透率和孔隙大小比例等都制约着天然气水合物的稳定分布。为了确定天然气水合物在沉积层序中的分布 , 针对M L 238 井 880~ 950 m 层段的泥岩和砂岩样品进行了岩石学研究。天然气水合物富集在 896~924 m 和 950~ 1 005 m 段两层砂岩中 , 上覆和下伏岩系均为泥岩层 , 在泥岩层中也只有少量的天然气水合物。那么岩石特性是怎样决定天然气水合物的分布呢 ?为什么不仅在砂岩中存在天然气水合物 , 在一些泥岩中也可以发现少量天然气水合物 ? 这是因为泥岩中含有一定量的粉砂和砂岩以及地史时期地705N o. 6        吴时国等 : 加拿大马更些三角洲天然气水合物物化特性和含量        层中存在的异常压力 , 所以取得的样品有着较发育的格架结构。虽然粉砂岩和砂岩占据着岩石格架结构 , 但是研究表明 , 少量的孔隙充填物决定着泥岩样品的岩石特性。泥岩中的充填物通过控制含有天然气的液体的流动和天然气水合物富集的必要孔隙空间 , 从而影响着这些沉积物中的天然气水合物的分布情况。3 含水合物层的地球化学特性孔隙水和天然气的地球化学特性可以提供储层中天然气水合物更深入的地质信息 , 同样这些性质也影响着天然气水合物的结构和稳定性。从 M 38 井中开采出来的水合物中的天然气是来自该沉积层 , 还是来自更深层的气源层 ? 基于 m 7 \]认为 M L 238 井中 层中的沉积物热解成熟度都非常低。又通过天然气动力学研究得出该井中不存在热解的甲烷。然而 , [ 8 \]通过微生物学的研究认为在 M 层中存在大量的产甲烷生物 , 所以至少在沉积物中具有生物成因的天然气。根据岩芯和岩屑中分子组成和同位素分析 ,L \[ 9 \]将 M L 238 井分为 3 个区段。较深的两个区段存在明显的热解甲烷 , 这些热解甲烷气来自于深部地层。区段 I(0~ 350 m 层段 ) 存在低同位素组分的甲烷 ( - 90. 5‰到 - 71. 3‰之间 ) , 主要是微生物分解产生的甲烷 , 热解的甲烷很少或没有。在区段 ˚ (480~ 680 m 层段 ) , 甲烷碳同位素的组成在 - 79‰到 - 57. 6‰之间 , 主要是微生物和热解成因的混合气 , 比值小于 1, 比值大于 10: 表明主要是微生物分解气 , 但也包含深部运移的天然气。在区段 ¸ (785~1 150 m 层段 ) , 天然气水合物的储量最大 , 比值大于 1, 比值小于 10, 甲烷碳同位素 (取值为 - 43‰ : 表明在该区天然气中热解气占有很大的比例。区段 属于 层 , 完全是冰冻层 , 区段 ˚ 属于 M 层 , 也是冰冻层。由于 和 M 之间的不整合面和永久冰冻层的底界 , 使得下部的天然气难以向冰冻层运移 , 以至于区段 和区段 ˚ 中热解天然气的含量非常少。研究碳同位素的含量可以确定热解天然气的运移 , 测定碳同位素的组成可以研究天然气的成因。通过研究井中孔隙水的地球化学特性 , 还发现含天然气水合物的砂岩和砾岩中孔隙水的盐度为 8× 10- 6, 而不含天然气水合物沉积物中的孔隙水的盐度为 34× 10- 6 (假定天然气水合物形成以前沉积物中孔隙水的盐度是一样的 )。这种盐度的差别表明在砂岩和砾岩中有 90% 的孔隙被天然气水合物所充填。 C 人利用同位素分析的方法更深入研究了含有天然气水合物沉积物中孔隙水的地球化学特性 , 发现其中含有大量同位素而且 C 含量也很高 , 值相对于海水中的值要低的多。可见高盐度的孔隙水与天然气水合物的存在是密不可分的。负值是由于天然气水合物在形成过程中 16 冻土层中天然气水合物的特性通过直接观察存在于砂岩和砂砾岩孔隙空间的天然气水合物可以发现 , 其主要是细粒 (< 2 形状 , 充填在粒间孔隙或覆盖在矿物颗粒之上。 1 15 天然气水合物的结核虽然很少 , 但还是可以在砂岩中发现。在实验室进一步对天然气水合物岩芯样品进行细致的观察 , 可以得到如下的关于天然气水合物和沉积物物理化学特性的重要信息。沉积物孔隙中物质的变化将明显地影响其声学特性。当水合物分解以后含有天然气水合物的样品的 P 波速度降低 25%。含有天然气水合物的岩石所能承受的剪切力是不含天然气水合物的相同岩石的3 到 9 倍。所以在钻井开采天然气水合物时必须考虑水合物分解以后的应力降低问题。利用核磁共振和 R am 谱分析 , 判定 M L 238 井中的天然气水合物属于结构类型 。但 T 人发现在一些样品中含有数量可观的不均匀分布的丙烷和二氧化碳 , 并且这些样品比只含甲烷的样品的稳定性明显要好得多。虽然结构类型 ˚ 的天然气水合物并没有发现 , 但是少量的丙烷、二氧化碳和其他一些大分子天然气对于 M 天然气水合物的聚集是非常重要的。沉积物孔隙水中 匮乏可能是因为冰融化造成的 , 还可能是因为孔隙水是海水和淡水的混合水。当温度保持在 - 30℃~ 5℃之间时 , 岩芯样品的热导率变化范围在 1. 025 W (m · K) 到 01626W (m · K)之间。从 M L 238 井中获得的岩芯样品的电导率和实验合成的甲烷水合物与纯冰水的电导率之间差别是明显的 , 但和砂岩的电导率没有什么差别。岩芯样品的声波速度与合成的甲烷水合物相似。由于卵磷脂 (够维持天然气水合805              天 然 气 地 球 科 学                V 14物的稳定性 , 所以可以将其作为一种钻井液。卵磷脂对原生的天然气水合物的影响要大于对合成的天然气水合物的影响。通过计算天然气和孔隙水的比例 ,可以发现在大多数天然气水合物储层中天然气的溶解度很高 , 并且天然气水合物的饱和度超过 70%。通过对顶空天然气的化学分析可以发现 , 浅层的甲烷主要是微生物分解气。天然气水合物中的天然气和深部热解天然气很可能是从深部的热成熟度高的沉积物中形成并运移上来的。天然气水合物中的天然气主要是热解产生的。了解了天然气水合物的物理化学特性 , 还应该分析一下如何储存和处理天然气水合物的样品 , 因为天然气水合物的后期处理要在距离采集样品现场很远的实验室中进行。一般都是将天然气水合物样品储存在液态氮中 , 这种方法是安全和便捷的。利用 X 射线 术可以提供沉积物中天然气水合物含量和分布的整体直观信息并且不会损坏岩芯样品 , 所以在对岩芯样品进行更深入的研究之前可以先对样品进行 X 射线 术分析。以前只能依靠不是很肯定的实验数据来评估天然气水合物分解所产生的天然气的数量 , 现在可以通过测量天然气流动所产生的压力降来计算天然气水合物分解时所产生的天然气。5 测井特性和水合物含量估算测井数据分析是评估天然气水合物储层沉积物中天然气水合物含量的最有效的方法之一。因为天然气水合物是一种绝缘体并且是像冰一样的固体物质 , 所以可以利用电导率和声波方法来确定天然气水合物的存在。建立一个充填有天然气水合物的孔隙介质模型并且置有由热解产生的游离气 (图 3)。分别采用了电导率法、声波速度法和统计反演法等3 种方法来估算天然气水合物的含量。利用这 3 种方法所得到的天然气水合物的孔隙度和饱和度都相当吻合。通过对钻井曲线图压缩波和剪切波速度的分析 , 可以估算出沉积物孔隙空间中的天然气水合物含量。因为天然气水合物相对于孔隙水表现出较高的弹性速度 , 所以在含有天然气水合物的沉积物中声波的速度一般会被提高。压缩波速度和孔隙中天然气水合物浓度之间的关系可以用如下公式表示 :(1) 三相加权公式 \[ 10 \]1V p =W 5 (1- S ) nV 1- W 5 (1- s) nV V p 为天然气水合物沉积物中压缩波速度 , V 式得出的天然气水合物中压缩波速度 ; V W 为加权系数 , 5 为沉积物孔隙度 , S 为孔隙中天然气水合物的饱和度 , n 为岩石和天然气水合物浓度比值(常数 )。图 3 岩石模型(2) 平均时间公式 \[ 11 \]1V 5 (1- S )V w +5SV h +(1- 5 )V V w 为在液体中压缩波的速度 , V h 为纯的天然气水合物中压缩波的速度 ,V m 为充填物中压缩波的速度。(3) W 式 \[ 12 \]15 (1- S )w +5h +(1- 5 ) 流体密度 , 纯天然气水合物的密度 ,充填物的密度 , 沉积物的体积密度。图 4 是分别用 3 个公式得出的压缩波与孔隙密度的关系。通过利用压缩波和剪切波速度分析分别查明 , 897~ 1 110 m 层段天然气水合物的平均含量为 39% 和 37. 8% , 在 1 090 m 出现了最高的含量 ,为 80%。为了验证测井曲线和岩芯特性数据 , 对 M 38 井还进行了零井源距的和非零井源距的 V 合钻井资料和区域地震数据来研究天然气水合物的存在对地层速度的影响并估计该区天然气水合物的储量。图 5 是通过对 X 方向和 Z 方向初至波的拾取而分别进行的压缩波和剪切波的速度分析。从图中可以看出 , 压缩波速度—深度曲线在550 m 处从较高的速度 (3 000~ 3 500 m s) 迅速降905N o. 6        吴时国等 : 加拿大马更些三角洲天然气水合物物化特性和含量        图 4 压缩波速度与孔隙密度关系图 5  P 波、 S 波速度分析低。在多年冻土层的底界 600 m 处降为 2 000 m s,从 640 m 到大约 920 m , 速度升高的很慢 , 直到 900多米以下的天然气水合物层才又达到较高和平稳的速度 , 在 925 m、 975 m 和 1 100 m 分别达到了峰值。总的来说 , 900 m 以下为高速带 , 对应着天然气水合物层 , 平均速度为 2 600 m s。这与声波测井的速度曲线拟合得很好 , 表明较高的压缩波速度对应着较高的天然气水合物含量。但是剪切波的速度曲线的分辨率就没有压缩波速度曲线的分辨率好。从950 m 到 1 000 m 出现的不正常的高速剪切波可能是由于在这个深度范围内的初至波拾取不精确造成的。但是剪切波速度资料可以提供天然气水合物对弹性参数影响的信息。泊松比的变化对于 析和全波形模拟都是非常重要的。在 640 m 至920 m 没有冻结层 , 泊松比接近常数 0144。在 600 20 m 以下的天然气水合物层 , 泊松比大约为 0139, 表明天然气水合物对弹性模量的影响与多年冻土层对弹性模量的影响相似。 \[ 13 \]根据碎屑岩反演了泊松比和压缩波速度之间的关系 (图 6)。证实多年冻土层的泊松比(0139) 与反演速度为 2 600 m s (预测泊松比为0139)符合得很好。因此天然气水合物和冰对泊松比的影响与简单的由压缩引起的孔隙度的降低 (即由于天然气水合物或冰充填到沉积物的基质中引起孔隙度的降低 ) 类似。这种方法类似于 H 14 \]利用天然气水合物引起的速度升高来预测海洋天然气水合物含量的方法。图 6 泊板比与压缩波速度关系如果天然气水合物胶结了沉积物颗粒 , 那么只要有少量的天然气水合物就会引起很大的速度变化。 15 \]对天然气水合物与弹性模量之间的关系和多种理论模型做了更深入的研究。6 结语作为一种潜在的能源资源 , 天然气水合物勘探与开发已经引起世界各国的广泛重视。对于经济高速发展的中国 , 如何解决我国的能源缺口问题是关系我国可持续发展的大事。但我国对天然气水合物的研究开发还是处于起步阶段。在这方面美国、加拿015              天 然 气 地 球 科 学                V 14大和日本等国走在了我们的前面。通过对加拿大马更些三角洲地区冻土层天然气水合物的 M L 238 钻井的研究成果可以看到 , 国外对天然气水合物已开展了多学科、多方法的系统研究。这些研究提供了对水合物的形成与分布规律的认识 , 为进一步的精确预测天然气水合物的储量和商业开采作了充分的前期准备工作 , 这也为我们以后开展有关天然气水合物的工作指出了方向。参考文献 :\[ 1 \]  M D. N M \]. W 000.\[ 2 \]  R, U , S. L 238 \]. 544, 2002.\[ 3 \]  R, S, U , et O of p w p A \].P of \]. a 2002. 36239.\[ 4 \]  U , M , W , et of p of 38 w 54, 2002\[R ]12052228.\[5 \]  W J, R, S, et of A 38 w \]. 544, 2002\[R ]1952100.\[ 6 \]  E D , S. on in J ] 12002, 20: 1472156.\[ 7 \]  R, G. of ] 1Am 1982, 66: 7752778.\[ 8 \]  , , s T , et of m J \] 1992, 15: 2792292.\[ 9 \]  D , W , W , et ic of A L 238 w A ] 1 R, U , A L 238 M R ]1 2002.\[10 \]  L W. ic w J \]. 996, 101: 20347220358.\[ 11 \]  T im . V of w in m \]. 1968, 33: 5842595.\[ 12 \]  W B. A \]. N 1941.\[ 13 \]  P, L , L. s in \]. 1985, 50: 5712581.\[14 \]  D , D. A ic of m \]. 1992, 97: 668326698.\[ 15 \]  . V of ic p V L 238 w s w s A ]1 R, U , L 238 R ]1544, F N M A h y , Ch em y Q d 66071, Ch of as on in T he of in in th is p of w h of R M o. 6        吴时国等 : 加拿大马更些三角洲天然气水合物物化特性和含量        
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