天然气水合物的勘探与开发*

姜 昊，曹潇潇

(江苏第二师范学院物理与电子工程学院，江苏 南京 210013)

天然气水合物具有分布范围广、规模大、能量密度高等特点，被认为是21世纪的重要后续能源。在过去20年里，科学家们在海洋和冻土区发现了异常大量的天然气水合物。因此，在能源可持续发展、经济可持续发展以及环境保护方面最有潜力的新能源就是天然气水合物。

1 天然气水合物的分布

自然界中，天然气水合物矿藏主要分布于海底沉积物中，占总资源量的99%。目前全球海洋勘查发现并确定有天然气水合物存在的地区主要有：白令海，鄂霍次克海，日本海，苏拉威西海，新西兰北岛外海，巴伦支海，波佛特海，罗斯海，加勒比海，南美东海岸外陆缘海，威德尔海，黑海，里海，冲绳海槽，南开海槽，中美海槽，秘鲁海槽，墨西哥湾，阿曼海湾，布莱克海台，澳大利亚海域，非洲西海岸海域，加利福尼亚-俄勒冈滨北海岸等海域[1]。在这些区域中，以太平洋边缘海域居多，大西洋西海岸其次。另外，世界范围内几乎所有陆缘和冻土带地区也发现了水合物的存在，保守估测其含甲烷量约为1015～1016m3，远大于常规天然气的储量[2]。根据气源、温度、压力等水合物成藏要素的分析，我国冻土区与海域具有水合物成藏的有利条件，其中祁连山与南海天然气水合物的发现就是强有力的证据(见图1)[2]。据调查，我国有近2.15×106km2的冻土带，含天然气水合物高达3.5×1010t油当量，海域含水合物近4×109油当量[2]。

图1 钻取的天然气水合物样品[2]Fig.1 Drilled natural gas hydrate samples

2 天然气水合物的研究现状

我国天然气水合物勘探开发起步晚，但与其他国家勘探开发技术差距正在逐渐缩小。从我国发展战略规划以及天然气水合物研究开发方案看出，2006-2020年为水合物初步探查阶段，2020-2030年为水合物开采初阶，2030-2050年为实现水合物商业化开采[2]。表1总结了我国天然气水合物的研究现状[3]。从表1可以看出，2007年6月，我国首次在南海北部海域钻获了天然气水合物实物样品，证实了在我国南海北部海域蕴藏着丰富的天然气水合物资源，是我国地质史上的一次重要发现。2009年6月，我国在青海省祁连山南缘永久冻土带成功钻获水合物岩心样品，这标志我国冻土区水合物的研究不再是一片空白。2017年5月，我国在南海神狐海域实现连续8天的稳定产气，试采取得圆满取得成功，实现了我国天然气水合物开发的历史性突破。2020年3月，我国南海神狐海域天然气水合物第二轮试采取得成功并且超额完成目标任务，实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的重大跨越。

表1 中国天然气水合物的研究现状[3]Table 1 Research status of natural gas hydrate in China

在海洋水合物方面开采方面，我国较其他国家起步略晚。但在技术方面，我国攻克了深海浅软地层水平井钻核心关键技术，实现产气规模大幅度提示，为生产性试采、商业开采奠定了技术基础。同时，我国还自主研发了一套实现天然气水合物勘查开采产业化的关键技术装备体系，形成了六大类32项关键技术，研发了12项核心装备，其中控制井口稳定的装置吸力锚打破了国外垄断，前景光明[3]。

在冻土区水合物勘探方面，我国仍处于初期阶段。由我国于冻土区多处于高海拔或者高纬度的原始森林无人区，勘探开发难度很大。羌塘盆地、木里地区和漠河地区基本具备形成水合物的热力学条件和较好的成藏物质基础，找矿前景较好；木里煤田勘探程度较高，构造地质条件等相对比较清楚，先于羌塘盆地等被钻获发现水合物。因此，冻土区水合物勘探应结合常规油气或煤田勘探工作，以加快我国水合物的勘探研究进程[2]。

3 天然气水合物的勘探技术

3.1 水合物地震勘探技术

水合物地震勘探技术的原理是沉积物中形成的水合物引起纵波横波速度的增加，从地震上看，存在少量的游离气就可以明显降低纵波速度，横波速度几乎不受影响。由于游离气是绝缘体，沉积物中含水合物或游离气引起物理性质变化导致了地球物理号异常。通过对岩石合理建模，研究速度与饱和度、孔隙度以及其在沉积层中赋存状态的联系，采取随钻测量和岩心分析的办法尽量恢复水合物原位地层信息，应用一些先进的地震处理技术加强对水合物的识别和预测。这项技术最早见于1970年在海底沉积物发现的似海底反射(BSR)。BSR被视为天然气水合物稳定带底界面的标志，代表着水合物层以及下覆游离气层的声波阻抗差异。实验和开采现场数据表明，储层里如果存在高饱和度的水合物，纵波横波速度会大大增加，而存在低饱和度水合物的储层的地震速度增加不明显。只有在水合物为胶结颗粒或者作为储层骨架的一部分，纵波与横波速度才会增加；如果水合物只是填充缝隙，对横波速度影响不明显，骨架的刚性不受影响，孔隙度的降低会引起纵波速度有所增加，这也就是前面提到的横波速度几乎不受影响的原因。而常规的海上地震数据无法直接得到横波速度，需要海底地震勘探技术(OBS)的转换波地震数据，由旅行时反演或者是速度分析得到的[2]。

除了地震速度，地震衰减和地震各向异性也提供了水合物不同方面的信息。通过对地震衰减的分析可以在地震空白反射带圈定水合物饱和度信息，但在实际中很难准确地从地震数据中获得地震衰减信息。加拿大与日本对沉积物进行井筒测试衰减得出结论，含水合物地层纵波数据始终高于无水合物的沉积物。通过对地震各向异性分析，可以得到在实际岩性变化相对低的情况下储层含低饱和度含水合物和无水合物物理性质的变化，在近乎垂直裂缝中存在大量水合物更会影响地震方位各向异性。分析各向异性的衰减来区分水合物和岩性变化对地震波场的影响来探测自然界水合物引起的地震能量衰减将是一个不错的思路。为了确定水合物和游离气的存在，似海底反射是一个重要的途径。通过对叠后地震数据分析可以依据地震剖面上反射特征来识别似海底反射，但识别精度受人为因素影响较大。振幅随偏移距变化(AVO)技术可以更加精确地对水合物藏进行识别和预测[4]。最后，多波多分量地震技术根据似海底反射上下界面的纵横波速度差异对水合物储层进行识别。它引入了横波信息，让横波剖面具有更高的分辨率，让似海底反射在纵波剖面与转换横波剖面上具有不同特征，有助于区分是岩性还是水合物造成的异常，可以更精确地了解水合物的赋存状态以及饱和度信息[2]。

3.2 水合物海洋电磁勘探技术

海洋可控源电磁技术是一种通过在近海底或海底人工激发并接收电磁场信号，测量海底地层电阻率的方法。这项技术在近十年来已成功应用于海洋油气勘探、以及海底浅层地质构造成像[2]。

海洋的电磁环境比较特殊，电磁波信号在海水中传播满足扩散方程而不是波动方程[5]，在低频电磁信号或低电导率储层情况下有利于信号传播，有利于分辨高阻地层。与海底地层相比，海水具有强导电性，经海底地层传播的信号将较早到达接收器，而经海曙传播的信号将最晚到达，在适当的收发距下，两个电磁能量到达时间是分开的，它们的到达时间可以直接指示海底电阻率的变化[6]，储层高电阻率与围岩低电阻率形成明显差异。因此，低频可控电磁测深成为探测海底水合物的有效方法。具体内容如下：

(1)电偶极-偶极法是通过海底偶极子列阵与共轴海洋电缆相连拖在作业船后一定距离以外，信号源安置在船上，经过共轴电缆传到发射偶极子上，能探测到海底顶部几十米到几百米的有限范围，对海底表层的疏松沉积物和浅层的水合物沉积有较好的勘探效果[2]。

(2)长收发距瞬变电磁勘探法是一种基于陆地设备的电磁勘探方法，它能够检测到几千米深度范围内的油气响应，特别针对深埋藏、薄的油气或水合物层，并能有效对抗空气波的干扰，适用于近岸大陆架等浅海区域以及冻土带的天然气水合物探测[7]。

(3)频率域海洋可控源电磁技术勘探其原理通常是以电偶极发射器为信号源，发射几个离散的低频信号[8]，将发射器下沉至海底或近海底，同时将多个接收器以不同的收发距沿测线排布在海底。该技术优点是探测深度范围大，信号强度大，对深海油气探测有很好的应用效果，但是缺点是容易受空气波干扰，不适合近海岸等浅水环境勘探[2]。

4 结 语

我国在水合物基础理论、资源调查和试采研究领域已经取得了一些进展，是世界上第五个掌握获取原位状态水合物技术、第四个采集到实物样品的国家。但是，有关水合物储层的形成机制、天然气水合物运移路径等问题尚不清楚。但是，随着南海第一轮、第二轮试采成功，我国天然气水合物的勘探开发技术也进一步提高，相信随着技术理论不断进步，天然气水合物工业化、规模商业化开采将拭目以待。