韩国天然气水合物资源调查进展及启示

池永翔

（福建省地质调查研究院 福建福州 350011）

天然气水合物是在高压低温条件下由烃类气体分子和水分子构成的一种具有笼型结构的似冰状结晶化合物。天然气水合物中最主要的气体是甲烷，其含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物，也称“可燃冰”。本文所述天然气水合物主要是指甲烷水合物。天然气水合物主要存在于陆地冻土带和水深大于300 m的海洋沉积物中。据研究，全球天然气水合物的资源量非常丰富，其总量换算成甲烷气体约为1.8×1016～2.1×1016m3［1］，开发潜力巨大，从而受到了广泛的重视。 截止目前，美国、加拿大、日本、印度、韩国、中国等国家均在开展关于天然气水合物资源的调查工作，最终目标均是为了实现天然气水合物的产业化开发利用。

韩国的天然气水合物资源调查工作可追溯至20世纪90年代，并于2005年启动了为期12年的国家天然气水合物研发计划［2］。其中，投入了大量的人力、物力和财力用于其近海郁龙（Ulleung）盆地的天然气水合物资源调查与评价工作。

1 郁龙盆地地质背景

郁龙盆地是一个位于欧亚大陆与日本岛弧之间的碗状深水弧后盆地，西侧以朝鲜半岛东部的陡峭陆坡为界，东侧以大和海脊和隐岐浅滩为界，北侧以崎岖的韩国海台为界，盆底向北部和东北部逐渐变深，盆地底部位于水深2000 m到2300 m［3］。郁龙盆地是在晚渐新世至早中新世由日本岛向南漂移引起的地壳拉张形成的。从中新世中期开始，构造体制由拉张变为挤压。在全新世以前，这种高于陆架边缘的地壳挤压结构的出现向深海区注入了大量的沉积物。郁龙盆地中的新近纪沉积物以大多由碎屑流作用下的块体搬运沉积 （Mass Transport Deposits，MTD）为特征，这些很可能与由滑坡引起的盆地关闭有联系。这些块体搬运沉积沿垂向和侧向堆积，并向盆地一侧逐渐从滑动和碎屑流沉积变成浊流沉积［4］。

2 韩国天然气水合物早期研发阶段

1996年，由韩国地质与矿产资源研究院（KIGAM）组织，启动了韩国首个天然气水合物研究项目。1998年，在韩国东海（日本称日本海）郁龙盆地的地震剖面上首次识别出了可能指示盆地中存在天然气水合物的似海底反射（BSR）［5］。

2000年至2004年，在韩国商务工业和能源部（现贸易工业和能源部）与韩国天然气公司（KOGAS）的联合资助下，开展了区域性地质调查、地球物理勘察及相关地质试验工作。利用KIGAM的“TAMHAE II”号科考船，采集了大量活塞取芯样品及地球物理数据［6-7］。利用活塞取心样品开展了地质-地球化学分析，确定了天然气水合物的潜力、来源、气体组分及其饱和度等，并发现了地质-地球化学标志，即泥汤层以及气体膨胀产生的裂缝等。对地球物理数据进行了分析，发现了地球物理标志、BSR以及烟囱构造等。此外，还开展了室内试验和数值模拟研究工作，确定了天然气水合物的热力学和动力学特征，并开发了生产技术［8］。

3 韩国国家天然气水合物计划研发阶段

2005年7月，韩国制定了为期12年（2005—2016年）分三个阶段的天然气水合物开发计划。其总体目标是必选最佳生产技术，尽早实现天然气水合物量产。其中，第一阶段（2005—2007年）的目标为详细调查东海地区，进行钻探，确认天然气水合物的赋存；第二阶段（2008—2011年）的目标为评价天然气水合物资源量，研发生产技术；第三阶段（2012—2016年）的目标为开展天然气水合物试采，找到最佳生产技术。

该计划受韩国产业通商资源部（MKE）的资助，由天然气水合物研发机构（GHDO）管理，具体由KIGAM负责实施。其中地震和钻探数据的采集交由韩国国家石油公司（KNOC）承担。GHDO的主要任务包括：①确定韩国东海郁龙盆地的天然气水合物分布情况和范围；②获得可替代常规油气的清洁能源来源；③开发用于天然气水合物资源量评价和开发的技术；④到2015年实现对天然气水合物的产业化生产。

2005年至2009年期间，利用岩芯样品开展了地质-地球化学分析，确定了天然气水合物的甲烷通量以及起源，并发现了地质-地球化学标志，即泥汤层、气体膨胀产生的裂缝、孔隙水淡化、以及自生碳酸盐岩等。对“TAMHAE II”号科考船2005年获得的6690 km长2D多道地震数据、2006年和2008年获得的700 km23D地震数据、以及2005年至2009年获取的高精度回声测深数据开展了处理和解释，发现了地球物理标志，选择了钻探站位，并估算了天然气水合物资源量。

2007年9月11日至11月15日，利用“Rem Etive”号多用途船实施了郁龙盆地天然气水合物第一航次的钻探（UBGH1），根据钻探结果，发现该盆地具有天然气水合物的赋存条件。该航次总体上由GHDO和KIGAM主导，由Fugro提供钻探、电缆测井、取心和相关服务，由斯伦贝谢（Schlumberger）和Geotek提供随钻测井和岩芯分析服务。总共在5个站位钻了5口用于随钻测井/随钻测量的井、3口用于取心和原位测试的井、1口用于取心和原位测试及电缆测井/垂直地震剖面测量的井，深度范围为海底以下55.7 m至231.7 m。利用无人遥控潜水器（ROV）获取了3个海底样品。在5个站位中的3个发现了天然气水合物。在其中09和10两个站位中，发现了以裂缝充填的形式富集于海底泥质沉积物中的天然气水合物。在04站位中，发现了孔隙充填的形式富集于层状浊积砂中的天然气水合物［9］。

2010年7月9日至9月30日，利用“Synergy”号钻探船开展了第二航次的钻探（UBGH2），选择用于试采的含天然气水合物砂质储层，获取更多有关郁龙盆地含天然气水合物沉积构造的数据资料，用于更准确地评价该盆地的资源潜力。KIGAM负责海上的随钻测井/随钻测量以及陆上对采集岩芯的分析。辉固负责取心、电缆测井、垂直地震剖面测量、ROV调查等作业，Geotek提供船上实验室。7月9日至8月8日，开展了LWD和MWD作业，利用Schlumberger的测井工具（SonicVision、GeoVision、Telescope、EcoScope） 从 13 个站位获取了相关数据（自然伽马、电阻率、密度、中子孔隙度、P波速度等）。在该作业过程中，安装了用于船上分析和测量的设备，开展了针对岩芯处理和分析的试验，基于所获数据制定了取芯计划。8月9日至9月30日，从18个钻孔中共获取了211个非保压岩芯和29个保压岩芯样品，直接在船上对其进行了沉积学、地球化学、物理特性和微生物学分析等研究［10］。9月15日至21日，在UBGH2-6和UBGH2-10站位完成了取心孔之后，利用细线电缆工具获取了电缆测井和垂直地震剖面测量数据，深度分别达海底以下200 m和213 m。在钻探航次期间，开展了ROV调查作业，采集了海底地貌、底层水的溶解态甲烷浓度，以及岩芯的相关数据。该航次获取了郁龙盆地的地质和沉积记录，证实了天然气水合物矿床中气体和水的来源，对盆地内天然气水合物赋存分布的岩性有了进一步的认识，并对盆地内天然气水合物原地资源量进行了评价，并筛选了未来天然气水合物试采的靶区［11］。

4 结论与认识

韩国在近20年的天然气水合物资源调查与评价工作的基础之上，围绕天然气水合物资源调查与试采工作还开展了多个领域的研发工作，如含天然气水合物储层的特征研究、天然气水合物赋存区的地质模型构建、试采相关技术（钻完井技术、岩土工程稳定性/出砂分析技术、产气技术等）的开发、试采环境影响因素的分析、试采的环境监测和影响评价。

根据对韩国国家级天然气水合物计划分别于2007年和2010年实施的钻探航次的分析，认为以下两个方面的经验值得我国天然气水合物资源调查工作借鉴：

（1）在钻探航次开始之前，组织相关领域的国际专家（来自美国能源部、美国地质调查局、加拿大地质调查局、伯明翰大学等）与韩国相关机构（KNOC、KORDI、釜庆国立大学等）的专家共同讨论并从候选站位中确定最终的站位。采用的主要标准包括：①调查确定勘查区天然气水合物稳定带的空间分布范围；②监测气体来源以及其向稳定带运移的证据；③获取天然气水合物稳定带中存在水合物的证据；④获取天然气水合物稳定带中存在适合未来试采的砂质沉积相的证据。

（2）以统一的流程开展钻探工作，首先是开展随钻测井/随钻测量，然后通过对上述数据的分析，现场确定用于取心的站位。利用测井数据（电阻率、速度、密度、自然伽马）可判断天然气水合物的存在。利用电阻率/P波速度测井数据可评估天然气水合物的饱和度。利用岩芯的冷红外异常、低孔隙水盐度和氯离子浓度、以及气体膨胀产生的裂缝可直接证实岩芯中气体/天然气水合物的存在。利用气体和同位素分析结果可判断样品中甲烷气体的来源，如郁龙盆地赋存的天然气水合物为生物成因。