储层物性差异对天然气水合物分布的影响——以U1325 站位为例

冯柱荣

（上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306）

可燃冰的学名为天然气水合物，它是一种固态冰晶物质，主要由气体（甲烷、乙烷和丙烷等）和水在低温高压的条件下形成[1]，通常形成于大陆边缘的浅层沉积物和极地永久冻土区。天然气水合物是重要的潜在能源，并对气候和环境产生潜在影响[2]。调查研究显示，天然气水合物赋存的沉积物物理性质对其分布及生成等具有重要的控制作用[3]。一方面，沉积物的孔隙度、渗透率等物理性质可以改变海底流体的渗流路径和流速等，影响甲烷的供应，进而影响水合物的分布。另一方面，沉积物孔隙本身存在毛细管作用，可以改变水合物达到水合物-水-气三相平衡时的热力学条件，影响水合物的分布[4]。此外，沉积物本身的热导率和孔隙度等差异可以影响地温分布，并影响天然气运移和天然气水合物生成[5]。现有研究主要关注毛细管作用改变水合物的生成条件及对水合物分布的影响，很少有考虑热导率和孔隙度等物性特征对水合物成藏的影响研究。因此，本文建立综合考虑孔隙度、毛细管作用和热导率等储层物性特征作用的水合物生成模型，选取U1325 站位数据，模拟研究多种沉积物物性特征和甲烷供给条件下的水合物生成和分布，确定沉积物物性特征对水合物生成和分布的影响。

1 地质概况和数值模型

卡斯卡迪亚陆缘位于美国西北外海，由更新世前半深海沉积组成，总沉积厚度约为2.5 km[6]。国际大洋发现计划311 航次钻取了4 个站点。氯离子异常显示，U1325 站位发育大量天然气水合物，但是水合物饱和度不均一[7]，如图1 所示。以100 ～110 m 岩芯段为例，电阻率测井结果显示，天然气水合物饱和度非均匀分布。研究区具有非常高的原位甲烷生成速率，可以达到4×10-4mol/（m3·a）[8]。依据实测的热导率和孔隙度，并评估孔径，结果显示，这些物性的非均匀特征可能是水合物不均匀的重要影响因素。

图1 U1325 站位氯离子浓度随深度的变化和水合物生成概念模型

参考郑子涵等[9]的模型，模拟U1325 站位100 ～110 m 岩芯由70 m 沉积到100 m 的水合物生成。水合物-水二相甲烷溶解度测定参考LIU 等[4]的方法。顶界的温度为7.23 ～9.03 ℃。热流密度约为0.066 W/m2，结合热导率，确定温度分布。上下边界分别取其对应的水-水合物两相甲烷溶解度。产甲烷速率取4×10-4mol/（m3·a），总模拟时间为0.15 Ma，为该沉积段从水合物发育顶界（约70 m）沉积到现今的深度约100 m 的时间。

2 结果和讨论

甲烷生成速率取4×10-4mol/（m3/a）时，模拟经历0.15 Ma 的天然气水合物体系甲烷浓度和水合物饱和度分布，如图2 所示。随着深度的增加，水合物-水二相甲烷溶解度总体呈上升趋势。但是，部分层位甲烷溶解度随深度的增加而下降，使其水合物-水二相甲烷溶解度低于相邻值，这些层位与局部较大孔隙度的层位一致。部分层位的甲烷浓度能达到甲烷溶解度，均位于局部甲烷溶解度较低的层位。天然气水合物呈离散的分层分布，分布的层数约为10 层。水合物层的厚度为0.3 ～0.5 m，层间距为0.3 ～0.7 m。天然气水合物饱和度呈不均匀分布特征，各层的最高饱和度介于0.03 ～0.12。最高饱和度是最低饱和度的4 倍。即使在同一水合物层，水合物饱和度也呈不均匀分布。

图2 甲烷浓度、水合物饱和度及孔隙度的分布

3 结论

U1325 站位天然气水合物成藏体系中，毛细管作用、热导率、孔隙度等沉积物物性差异共同影响水-水合物两相甲烷溶解度分布和溶解甲烷的运移，并导致水合物的不均匀分布。天然气水合物主要以薄层状分布并赋存于孔隙度较大层位。水合物层的厚度为0.3 ～0.5 m，层间距为0.3 ～0.7 m。水合物饱和度为0.03 ～0.12，最高饱和度是最低饱和度的4 倍。