天然气水合物是一种自然存在的、由水与甲烷分子在低温高压环境下形成的冰状笼型复合物, 在世界各地的大陆边缘及冻土带内均有发现。天然气水合物作为一种未来的潜在能源日益受到重视, 世界各国相继开展了调查研究^{[1, 2, 3]}。目前, 国际上已经逐渐从天然气水合物资源勘查进入试验开采阶段, 迄今已在全球230处发现天然气水合物, 并在加拿大麦肯齐三角洲、美国阿拉斯加北坡等2个陆地多年冻土区和日本南海海槽1个海域实施了天然气水合物试采^{[4, 5, 6]}。 2013年3月, 日本从其南海海槽水深1 180 m海底以下260 m的水合物储层中试采出甲烷, 6天内的累计产量达12万m³, 进一步点燃了全球天然气水合物开发的热情^[6]。

我国天然气水合物资源调查起步于1999年, 通过十多年的科技攻关, 已经取得了显著的进步, 在勘查技术、成藏机理以及基础物性研究等方面已经达到或接近国际先进水平, 但整体勘查程度仍然较低^{[7, 8, 9]}。为实现“ 海域天然气水合物资源勘查” 工程的核心目标, 实现我国天然气水合物勘探开发与先进国家从跟跑到并跑、部分领跑的跨越, 在前期国家天然气水合物专项资源勘查基础上, 重点开展了如下工作: 锁定天然气水合物富集区, 优选试采目标, 为试采工程决策和实施提供基础支持; 建立自主的海域天然气水合物勘查评价体系, 创新并丰富天然气水合物成藏地质理论和环境影响效应评价理论; 锻造一支跻身国际天然气水合物勘查研究行列的科技人才队伍, 力争资源勘查评价研究领域实现从跟跑到并跑、部分领跑的跨越。具体工作内容包括:

(1)按照不同勘探程度, 分层次、分阶段开展管辖海域天然气水合物资源勘查, 查明天然气水合物资源分布情况和资源潜力, 圈定资源远景区、有利区带和成矿区块;

(2)开展有利成矿区资源详查, 锁定富集区, 为海域天然气水合物试验性开采提供地质基础依据;

(3)开展管辖外重点海域天然气水合物远景调查, 评价水合物资源远景;

(4)开展南海北部天然气水合物重点富集区及试采区环境调查与监测, 评价天然气水合物试采的环境影响效应, 为将来天然气水合物的工业化开发提供环境效应评价依据;

(5)开展天然气水合物勘查技术方法、模拟实验和成藏地质理论研究, 为开展天然气水合物资源勘查与评价提供技术支撑和理论指导。

本文将围绕该工程的上述任务目标和工作内容, 对取得的阶段性进展与成果进行总结, 对理论及技术创新进行阐述, 对服务效果进行归纳, 并对未来的工作进行展望。

(1)天然气水合物资源勘查实现新的重大突破。在新海域首次钻获埋藏浅、厚度大、产状多、甲烷纯度高的天然气水合物实物样品^{[9, 10]}。在南海北部海域开展了11个站位的先导孔随钻测井, 其中W07站位在121~153 m间发现异常高的声波速度和电阻率值。声波速度超过2 500 m/s, 电阻率异常值可达12 Ω · m。通过对该站位进行钻探取心, 确定含水合物层厚30 m, 水合物最大饱和度约75%, 渗透率可达40× 10^-3μ m², 水合物矿体面积约12 km²(图1)。

图1

Fig.1

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	图1 W07钻孔含水合物层段测井曲线及储层参数变化特征Fig.1 Logging and reservoir parameter variation of natural gas hydrate in borehole W07

(2)系统获取了水合物试采目标储层地质参数, 为水合物试采工程提供了依据。锁定了试采目标, 完成了南海北部海域试采井位建议。系统获取了水合物试采目标井位的储层原位渗透率、水合物饱和度、气体组分及保压样品三轴岩土应力等方面的详实数据^[11], 进一步明确了试采目标水合物类型、矿体及游离气空间分布等关键参数, 为试采工程提供了地质依据与技术支持。

(3)首次建立了南海天然气水合物试采区土体本构模型, 为水合物试采安全评价提供了支撑。开展了南海北部海域水合物试采水合物分解、试采对土层稳定性影响研究、井口土层稳定性分析、试采区海底斜坡稳定性评估; 首次建立了南海天然气水合物试采环境效应评价的土体本构模型, 为水合物试采及安全评价提供了环境影响方面的支撑^[12](图2)。

图2

Fig.2

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	图2 含水合物土的应力应变与摩尔圆Fig.2 Stress-strain and Mohr’ s circle diagrams of gas hydrate-bearing soil

(4)初步掌握了北冰洋陆架区主要盆地油气勘探开发现状以及油气资源潜力。编制了《1∶ 500万北冰洋陆架区沉积盆地分布图》(图3)。初步认为西南巴伦支海陆架区、阿拉斯加北部陆架区以及马更些三角洲盆地是北冰洋地区最具水合物资源潜力的地区^{[17, 18]}。为我国进入该海域进行科考或开展合作进行相关的调查研究提供了科学依据和基础资料。

图3

Fig.3

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	图3 北极地区沉积盆地分布图(据文献[13-16]编制)Fig.3 Distribution of sedimentation basins in Arctic regions (according to the literature [13-16])

(5)利用自主研制的天然气水合物动态聚散模拟实验装置, 开展了一系列南海北部海域水合物矿体赋存条件下的成藏模拟实验, 为指导海域天然气水合物找矿提供理论依据。

以南海北部海域水合物赋存区温度和压力条件为约束, 进行水合物成藏模拟实验^[19], 在实验室内重现了海底渗漏型水合物生长的3个阶段, 获得在不同本征渗透率沉积物体系中, 水合物饱和度(S_h)压力(P)以及含水合物沉积物渗透率(K)随时间(t)的变化规律(图4), 明确了孔隙压力较大和本征渗透率较高的储层更有利于天然气水合物成藏, 为指导海域天然气水合物找矿提供理论依据。

图4

Fig.4

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	图4 水合物饱和度(Sh)、压力(P)以及含水合物沉积物渗透率(K)随时间(t)的变化曲线Fig.4 Saturation, pressure and permeability variation vs time of natural gas hydrate-bearing sediments

(6)利用自主研发的天然气水合物地球化学模拟实验装置开展系列实验, 在测定原位溶解甲烷浓度的方法上取得新突破, 为水合物地球化学勘探新指标的运用提供了理论依据。

地层中的溶解甲烷浓度是水合物形成的重要约束条件, 其原位测定是水合物地球化学勘探的一大难点^[20]。本项进展利用自主研发的天然气水合物地球化学模拟实验装置开展系列实验, 获得了溶解甲烷浓度( CCH4)、硫酸根离子浓度( CNa2SO4)与拉曼光谱标准化强度(I^* )定量对应关系(图5)。结果表明: 溶解甲烷浓度测量值与计算值、硫酸根离子浓度测量值与计算值相对误差较小, 2条定量关系曲线均具有良好的准确性、可靠性和适用性, 能够满足水合物赋存条件下溶解甲烷浓度的测定需要。

图5

Fig.5

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	图5 甲烷溶解浓度( CCH4)、硫酸根离子浓度( CNa2SO4)与拉曼光谱标准化强度(I* )定量对应关系Fig.5 Quantitative congruent relationship between methane dissolution, sulfite concentrations and standardized Raman spectra intensity

(1)海域水合物成藏地质研究取得新进展^{[21, 22, 23, 24]}。形成并完善了南海地球物理、地质微生物、地球化学和自生矿物综合异常找矿理论, 优化了水合物目标评价理论和方法, 提出了南海北部陆坡渗漏型、扩散型和复合型水合物成藏模式, 有效地指导了试采目标优选和井位部署。

(2)自主开发、研制了系列海域天然气水合物勘查的设备与软件, 为勘查和试采提供技术支撑和有效服务^{[25, 26, 27, 28]}:

1)初步完成了海底环境长期监测系统集成, 实现了与CO₂、甲烷、CTD等3款传感器的集成, 完成了供电模块的开发、水声通信系统的集成开发及海试数据采集;

2)初步完成海底冷泉声学探测系统研发及应用。利用地震、浅地层剖面资料、多波束资料对南海西部和东北部甲烷渗漏系统进行了有效识别;

3)初步形成水合物海洋可控源探测技术, 并成功应用于南海水合物资源勘查, 效果良好;

4)自主研制了海底潜标观测系统, 并应用与水合物区海底环境长期观测, 为水合物试采提供了科考的海底环境监测设备及技术;

5)通过开展南海含天然气水合物土的样品合成与原位宏微观力学特性测量, 首次建立土体本构模型, 为试采的安全性评价提供不可或缺的土体力学特征参数;

6)在国内首次采用土工离心机模拟技术, 建立了模型实验相似律, 验证完成海底土层不稳定评价分析方法, 为水合物试采、开采安全性评价提供技术支撑;

7)自主形成了“ 小道距多道地震优选区带、三维立体探测锁定目标、海底钻探验证靶区” 的一套适合我国海域、精准高效的勘查技术体系。

(3)水合物实验模拟技术取得新进展。基于物理模拟实验、数值模拟实验研究, 提出了海域天然气水合物开采储层出砂问题的4种诱发模式(图6), 对水合物开采过程中的出砂问题有了新认识^{[29, 30, 31]}。

图6

Fig.6

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	图6 海域天然气水合物开采储层出砂问题的4种诱发模式Fig.6 Four trigger modes of reservoir sand production problems in marine natural gas hydrate exploration

建立了瞬态压力脉冲法测定含水合物沉积物绝对渗透率的技术方法。在自主研发的实验装置上开展了瞬态压力脉冲法适用性验证实验, 分析了含水合物沉积物渗透率与水合物饱和度的关系。

(1)南海天然气水合物成藏地质研究成果为资源勘查提供指导。创新性提出的南海北部陆坡扩散型、渗漏型和复合型3种天然气水合物成因模式^[23], 有效地指导钻探目标优选和井位部署。深入了解南海北部海域水合物试采区水合物形成的基本地质条件及控制因素, 水合物富集成藏特征, 水合物储层特征、资源潜力等地质要素, 为试采提供地质理论依据; 系统了解地球物理、地质微生物学、地球化学及自生矿物学等水合物异常响应机理, 有力指导了南海北部天然气水合物勘探找矿。

(2)开展海域水合物勘查及钻采技术研发, 通过自主开发、研制系列海域水合物勘查关键设备与软件, 有效服务了南海水合物勘查^{[27, 28, 29]}。初步形成水合物海洋可控源探测技术, 并成功应用于南海水合物资源勘查, 效果良好; 初步完成海底冷泉声学探测系统研发及应用; 利用地震、浅地层剖面资料、多波束资料对南海西部和东北部甲烷渗漏系统进行有效识别; 研发基于OBS探测数据的地震反演技术, 有效应用于水合物成矿带识别; 开展了水合物分解、试采对土层稳定性影响研究, 为水合物试采及安全评价提供基础力学参数。

通过对南海水合物试采区含水合物岩心样品进行系统的分析测试, 获得了水合物的结构类型、孔穴占有率、水合指数、气体与同位素组成等重要参数, 以及其赋存沉积物的特性, 明确了水合物主要为典型的I型结构, 但是也有一些水合物为I型和II型结构共存的类型, 对水合物试采降压方案的制订有重要的参考价值^{[9, 10]}。

“ 海域天然气水合物资源勘查” 工程将在已有调查成果基础上, 针对不同对象、按照不同程度, 分区域、分层次进行资源概查、普查和详查, 依据水合物勘查规范, 分层次开展区域远景评价、成矿区带评价、有利区块评价和矿藏目标评价, 获得不同勘查阶段的水合物相应资源量。

2017— 2018年, 工程重点在南海北部水合物远景区开展天然气水合物资源普查, 在南海北部珠江口盆地东部开展天然气水合物资源详查及钻探, 查明天然气水合物成矿地质条件, 圈定天然气水合物地球物理及地质地球化学异常的分布区域, 估算调查区天然气水合物资源量。同时, 争取在南海新区域开展水合物资源调查, 初步查明水合物资源的有利分布区, 对其资源前景做出战略预测和评价。

2019— 2021年, 工程重点开展南海北部海域水合物资源详查与精查, 锁定2~3个富集区, 为实施海域试采工程提供优选试采新目标; 继续在南海新区域开展水合物资源调查, 初步查明水合物资源的有利分布区, 对其资源前景做出战略预测和评价, 圈定2~3块远景区, 以期取得新的突破。

工程开展天然气水合物资源勘查的同时, 同步开展南海天然气水合物成矿理论、南海天然气水合物勘查技术以及天然气水合物钻采技术研发, 为资源勘查提供有效的技术支撑和理论指导。基本形成具有自主知识产权的水合物勘查、钻采技术和装备, 形成和创新南海天然气水合物成矿理论, 培养一流的水合物调查研究队伍, 在科技和人才支撑下实现我国天然气水合物勘探开发重大突破, 占领世界天然气水合物科学研究和资源利用制高点。