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天然气水合物-未来清洁的新能源
发布人： 来源：网络 时间：2011/4/9 点击：64366
英国及比利时
英国及比利时仅有少数人在做此项工作，但近年来也引起政府的重视。1996年9 月18～20 日在比利时的Gent 大学召开了主题为"世界大陆边缘稳定性、气候变化与气体水合物"的国际学术会议；1998 年4 月14～15 日在英国Keele 大学也成功地主办了"气体水合物：资源-灾害-成因"国际学术研讨会。
中国
我国对海洋天然气水合物的调查和研究工作刚刚起步。1997 年，中国地质科学院矿床所吴必豪等人完成了"西太平洋气体水合物找矿前景与方法的调研" 课题，认为西太平洋边缘海域，包括我国东海和南海，具备天然气水合物的成藏条件和找矿前景。之后，中国地质调查局广州海洋地质调查中心重新检查了南海北部陆坡区近3 万公里的地震剖面，青岛海洋地质研究所检查了东海陆坡区126 专项实施的地震剖面，发现多处具有天然气水合物矿藏的地震标志--BSR。俄罗斯专家在对我国东海进行海水气体地球化学的系统调查时，曾在冲绳海槽中段的西部陆坡和钓鱼岛附近海域发现多处甲烷气体异常，台湾海洋大学也在冲绳海槽南端还发现了BSR。1999 年春，以中国科学家为主的ODP184 航次在南海实施钻探，岩心分析显示有天然气水合物存在的氯异常。1999 年10 月，中国地质调查局广州海洋地质调查中心首次在南海西沙海域开展天然气水合物前期调查，在三条共130公里的地震剖面上识别出BSR。这是一个重大突破，说明我国海域也可能有天然气水合物分布。最近，中国地质调查局邀请中国科学院、中国工程院的有关院士、专家和国家有关部门召开了"我国海域天然气水合物资源调查与评价专项可行性报告"论证会，为申请将其列入国家研究开发计划积极做好准备。
目前，天然气水合物与深海生物圈一起已经成为大洋钻探的两大新领域。
1995 年，ODP 还专为海洋天然气水合物设计了第164 航次。1999 年，国际科学大洋钻探学术会议筹备委员会把天然气水合物列入21 世纪大洋钻探的14 个主题之一。2000 年1 月10 日，ODP 在华盛顿举办了大洋钻探系列讨论会，天然气水合物（能源、气候与生物圈的结合点）被作为4 个主题之一作了重点讨论。由此可见一斑。
天然气水合物调查的技术手段
目前，天然气水合物调查的技术手段较多，如地震地球物理探查、电磁探测、流体地球化学探查、海底微地貌勘测、海底视象探查、海底热流探查、海底地质取样、深海钻探等，但这些技术手段都不够成熟，有待进一步探索和完善。
地震地球物理探查
对于沉积物中水合物，声波P 波和S 波都很灵敏。对于沉积物中少量的水合物而言，S 波可能比P 波更灵敏。地震调查正是利用了水合物的这一声学特征。地震地球物理探查包括高频共深点法地震探查和高频地震剖面探查。高频地震剖面探查是天然气水合物的主要调查手段。地震地球物理探查可以有多种技术方法，如船载深水高分辨率数字地震方法、船载单道地震方法、大孔径海底地震检波法、垂直地震剖面法等。这些方法的理论依据与声纳技术基本相同。多道地震方法是探测深海天然气水合物的常用技术方法，也是目前最有效的技术方法。它是利用强脉冲声源（如气枪排阵）和许多道接受器探测来自海底、次海底地质界面的反射信号。这种方法的特点是数字记录、分辨率高、费用高、探测埋深不大。
单道地震反射法是美国、加拿大探测深海天然气水合物的技术方法之一，但不常用。它是利用强脉冲声源（如气枪）和单道接受器探测来自海底、次海底地质界面的反射信号。这种方法的特点是探测深、分辨率低、费用少。
海底地震检波法是在海底安置大孔径地震检波器，接受来自次海底地质界面的反射信号。垂直地震剖面法是在钻井的不同深度安置地震检波器。这些方法的分辨率很高，费用也很高，主要用来估算天然气水合物的富集率和评价天然气水合物资源量。
流体地球化学探查
在海洋环境中，水合物富集区烃类气体的微量渗逸可在海底沉积物、海底和海水中形成烃类异常或其它异常效应。通过对底质沉积样孔隙水（或间隙水）及近海底水样（尤其是富气羽状流）的测试，分析甲烷浓度异常、Cl－含量异常、δ18O 异常、PH 等地球化学指标和富含重氧的菱铁矿等标志矿物，探测与天然气水合物有关的地球化学异常，圈定水合物可能存在的地球化学异常区。
微地貌勘测与海底视象探查
通过船载深水多波束技术及海底电视摄像技术，探测海底地形地貌，分析并圈出与水合物可能有关的特殊构造（可视为水合物的地貌标志）的分布范围。
海底热流探查
采用海底热流探测技术，测定海底温度，计算地温梯度。目的是：分析水合物成藏条件；反演水合物稳定层底界面的埋深。
海底地质取样与深海钻探
地质取样技术是发现水合物的直接手段，也是验证其它方法所得调查成果的必要手段。地质取样技术，包括抓斗取样、重力取样（柱样）、大型重力活塞密封取样等海底浅地层取样技术（深度达10～12m）和深海钻探取心技术。地质取样的另外目的是：分析天然气水合物产状（脉状、团块状、结核状、星点状）及赋存方式；测试水合物中气体成分及其有关成因参数（如C1/(C1+C2)比值、甲烷中δ13C 值、硫化氢的δ34S 值等）；计算水合物的充填率；估算水合物的资源量。
天然气水合物的识别标志 天然气水合物可以通过底质沉积物取样、钻探取样和深潜考察等方式直接识别，也可以通过拟海底反射层（BSR）、速度和震幅异常结构、地球化学异常、多波速测深与海底电视摄像等方式间接识别。下面介绍一些间接标志。
地震标志
海洋天然气水合物存在的主要地震标志有拟海底反射层（BSR）、振幅变形（空白反射）、速度倒置、速度-振幅异常结构(VAMP)。大规模的甲烷水合物聚集可以通过高电阻率（>100 欧米）声波速度、低体积密度等号数进行直接判读。
BSR 是地震剖面上的一个平行或基本平行于海底、可切过一切层面或断层的反射界面。天然气水合物稳定带之下还常圈闭着大量的游离甲烷气体，从而导致在地震反射剖面上产生BSR。现已证实，BSR 代表的是气体水合物稳定带的基底，其上为固态的水合物层段，声波速率高，其下为游离气或仅为孔隙水充填的沉积物，声波速率低，因而在地震剖面上形成强的负阻抗反射界面。
因此，BSR 是由于低渗透率的水合物层与其下大量游离天然气及饱和水沉积物之间在声阻抗（或声波传播速度）上存在较大差别引起的。因为水合物层的底界面主要受所在海域的地温梯度控制，往往位于海底以下一定的深度，因此BSR 基本平行于海底，被称为"拟海底反射层"。BSR 除被用来识别天然气水合物的存在和编制水合物分布图外，还被用来判明天然气水合物层的顶底界和产状，计算水合物层深度、厚度和体积。
然而，并不是所有的水合物都存在BSR。在平缓的海底，即使有天然气水合物，也不易识别出BSR。BSR 常常出现在斜坡或地形起伏的海域。另外，也并不是所有的BSR 都对应有天然气水合物。在极少数情况下，其它因素也可能导致BSR。还应注意的是，尽管绝大部分水合物层都位于BSR 之上，但并不是所有的水合物层都位于BSR 之上，这已被深海钻探证明。因此，BSR 不能被作为天然气水合物的唯一标志，应结合其它方法综合判断。
近几年，分析和研究地震的速度结构成为该学科领域的前沿。水合物层是高速层，其下饱气或饱水层是低速层。在速度曲线上，BSR 界面处的速度会出现突然降低，表现出明显的速度异常结构。此外，分析振幅结构也可识别天然气水合物。相比而言，水合物层是刚性层，其下饱气或饱水层是塑性层，在振幅曲线上，BSR 界面处的振幅会出现突然减小，表现出明显的振幅异常结构。这些方法对海底平缓的海域来说，尤其显的重要。
地球化学标志
浅层沉积物和底层海水的甲烷浓度异常高、浅层沉积物孔隙水Cl－含量（或矿化度）和δ18O 异常高、出现富含重氧的菱铁矿等，均可作为天然气水合物的地球化学标志。
海底地形地貌标志
在海洋环境中，水合物富集区烃类气体的渗逸可在海底形成特殊环境和特殊的微地形地貌。天然气水合物的地貌标志主要有泄气窗、甲烷气苗、泥火山、麻点状地形、碳酸盐壳、化学合成生物群等。在最近几年，德国基尔大学Geomar研究所通过海底观测，在美国俄勒冈州西部大陆边缘Cascadia 水合物海台就发现了许多不连续分布、大小在5cm2 左右的水合物泄气窗，泄气窗中甲烷气苗一股一股地渗出，渗气速度为每分钟5 公升。在该渗气流的周围有微生物、蛤和碳酸盐壳。
天然气水合物的资源评价
要评价某海域天然气水合物的资源量，至少需要知道两个参数：该海域天然气水合物矿藏的体积和富集率（或孔隙充填率）。通过多道地震的BSR 及速度/振幅异常结构分析技术、海底取样和深海钻探技术，可以获得天然气水合物矿藏的分布、深度、厚度、产状，并可计算出体积；通过多道地震、测井、垂直地震速度等方法，可以估算出天然气水合物的富集率。例如，1995 年，ODP 164 航次通过对布莱克海台一系列深海钻孔岩心、地震和测井资料的分析，得出BSR 之上天然气水合物占据沉积物孔隙的2～7%，BSR之下游离天然气占据沉积物孔隙的1%；1997 年，加拿大通过多道地震、测井、垂直地震速度等技术方法，评价了其西海岸胡安-德夫卡洋中脊陆坡区ODP889/890 站位的富集率（向下达到孔隙的20%）。由于速度对BSR 之下游离天然气不敏感，对其富集率很难作出评价。加拿大人估计该站位的游离天然气富集率不到百分之几。
目前，天然气水合物资源量的计算方法主要有两种：地震资料计算法和测井资料计算法。其中，测井资料计算法更准确。
经验证明，一般水合物稳定带下部1/3～1/4 处是水合物最密集段，也是最可能提供经济甲烷回收的层段。水合物评价尤应重视水合物的这一层段。
天然气水合物开发技术与环境问题
第一、未来可能的开发技术
天然气水合物资源的开采需要首先把水合物分解，使之释放出天然气，然后回收天然气。目前，日本、美国和印度等国以及一些石油公司已开始做天然气水合物的应用前景与开发技术和风险研究，并探索出三种开发技术方案。
一、热力开采
热力开采是采用升温方法使天然气水合物分解，因此也可称其为热激发法或热分解法。升温方法有多种，主要有蒸气注入法、热水注入法、热盐水注入法、火驱法和电磁加热法等。
二、化学剂注入开采
这种方法也称阻凝剂注入法。
三、降压开采
降压开采是采用减压方法使天然气水合物分解，因此也可称其为减压法。减压方法实施起来比较简单。天然气水合物具有低渗透性特点，是一种很好的非常规盖层，它可能圈闭了天然气藏。可以通过钻井减压，钻井达到BSR 以下后，回收圈闭中的游离天然气，使得水合物层底部气压降低而分解，分解后的气体进入圈闭中。开采水合物层封闭下的游离天然气，对未来提取海洋天然气水合物中甲烷气体来说，可能是一个很理想的办法。
通过减压法，前苏联和俄罗斯已成功地开采了西西伯利亚地区永冻土带的天然气水合物。1970 年，前苏联首次在西伯利亚东北部永冻土带的Messoyakha 气田进行水合物矿床商业开采，到1978 年停产。1980 年再次开采，并间歇性地进行到现在。天然气水合物层底部位于地下700～800 米。由于开采常规天然气，水合物层底部压力下降并导致水合物分解，以致天然气源源不断。科学家认为，水合物层是该气田的主要气源层。
但是，到目前为止，还没有哪一个国家能够开采海洋天然气水合物。
在海洋，天然气水合物层作为非常规盖层，所圈闭的天然气比上覆水合物层中所储集的天然气可能还要多。大部分学者认为，圈闭于水合物层之下的游离天然气的开采要优于和早于水合物层内天然气的开采，因为它的开采只需要常规的海上油气开采技术就够了。
第二、可能带来的环境问题
一些国家和科学家担心，开发海洋天然气水合物可能引起不可逆转的环境问题。这种担心不是多余的。因为一旦开发不当，有可能导致海底天然气大量泄露，从而引起全球变暖，也有可能引起海底滑坡而破坏海洋生态环境。这种环境破坏对全球来说可能是灾难性的。即使这些问题不出现，人类利用水合物，必然产生大量CO2，也会导致全球变暖问题。因此，天然气水合物能否真正成为常规油气的替代能源，关键是能否进行安全开发。
因此，在我们忙于乐观的同时，必须考虑到环境问题。在海洋水合物开发之前，必须研究它可能带来的环境问题及预防措施。各国政府必须谨慎对待海洋天然气水合物的开发。我们相信，随着科学的高速发展，今后人类是能够作出理智的决定：是否开发水合物。随着技术的高速发展，人类也能够找到开发海洋天然气水合物的理想技术，把可能出现的环境问题降到最低危害程度。
我国应尽快制订天然气水合物研究开发计划
天然气水合物储量巨大，其总量之大足以取代日益枯竭的传统能源。不仅如此，天然气水合物还具有潜在的科学价值。地史时期海平面变化、海底地壳活动以及未来人类开发不当，都有可能导致海底天然气泄露，从而引起全球变暖，也有可能引起海底滑坡而破坏海洋生态环境。因此，对其研究有可能对地质学、环境科学和能源工业等的发展产生深刻影响。这一点已经引起世界上许多国家的高度重视。六十年代以来， 美国、日本、前苏联及俄罗斯、加拿大、英国、挪威、德国、印度、巴西等国家相继投入巨资进行勘测。尤其是近十年来，这些国家对水合物的物化性质、产出条件、分布规律、实验模拟、勘查技术、储量评估、开发工艺、环境影响、经济评价与环境关系等方面进行了不同程度的科学考察和研究，取得了丰硕研究成果，并掀起了水合物研究热潮。美国、日本、印度等国家更将其列入国家研究开发计划，而且预算均在5000 万美元之上。加拿大、英国、巴西、挪威、俄罗斯也在积极开展天然气水合物研究计划，德国、法国、瑞士、韩国、捷克和乌克兰等国则正在酝酿制订自己国家的水合物研究开发计划。
在我国管辖海域，尤其是东沙群岛南部、西沙海槽北部、西沙群岛南部和东海陆坡海域可能存在天然气水合物矿藏。我国尚未制订出天然气水合物研究开发计划。国际上水合物调查研究热潮对我国科技发展既是机遇，也是挑战。我国应以此为契机，应紧跟世界发展的形势，尽快制订出自己的水合物研究开发计划。通过计划实施，查明我国管辖海域天然气水合物的分布和资源量，研究出开发技术，在天然气水合物对深海常规油气安全生产、全球碳循环、全球气候变化、海底稳定性等影响方面的研究取得长足进展，进而使我国在国际天然气水合物前沿领域能有一席之地。这对提高我国科技水平，对未来实现能源接替、改善能源结构、增强国际竞争力和维护我国海洋权益，都具有极其重要的意义。
