【文章內(nèi)容簡介】 同構(gòu)成了天然氣水合物的穩(wěn)定帶，灰色區(qū)域內(nèi)為天然氣水合物的穩(wěn)定帶，理論上天然 氣水合物均可以在這一區(qū)域內(nèi)形成。多年凍土地溫梯度越小，多年凍土厚度越大，溫度和壓力條件就越有利于形成天然氣水合物，其穩(wěn)定帶厚度也越大。由于多年凍土底板處溫度為，所以多年凍土底板深度越大，多年凍土層下天然水合物穩(wěn)定帶的下界深度越大。 天然氣水合物層可能的埋深估算回歸所得生物成因的天然氣水合物溫度、壓力平衡公式計(jì)算顯示，最淺的水合物層頂界埋深可能為 174m左右，最深的底界埋深有可能到上千米 [14]。 凍土帶 天然氣 水合物的 存在形式 水合物所賦存的沉積物多是新生代沉積。在沉積層中，水合物以分散狀膠結(jié)尚未固結(jié) 的沉積物顆粒，或者是以結(jié)核狀、團(tuán)塊狀、薄層狀的集合體賦凍土帶穩(wěn)定存在深度140012001000800600400200020 10 0 10 20 30溫度/ ℃深度/m系列1系列2凍土帶天然氣水合物形成以及 存在形式 10 存于沉積物中，還可能以細(xì)脈狀、網(wǎng)脈狀充填于裂隙中。 凍土帶水合物與常規(guī)油氣藏關(guān)系密切。包括匯聚和離散兩種類型的沉積盆地，是比較有利的水合物形成區(qū)。對水合物 氣藏形成，前人雖曾提出冷凍、滲流等模式，但對構(gòu)造動(dòng)力學(xué)、古氣候演化、熱史變異、氣體運(yùn)移、深部氣源等問題研究不足，因而遠(yuǎn)落后于對常規(guī)油氣藏的認(rèn)識 [15]。 青藏高原地質(zhì)運(yùn)動(dòng)分析 青藏高原多年凍土區(qū)主要分布在昆侖山北坡至唐古拉山南坡安多縣北的廣大地域，沿著青藏鐵路線橫跨約 550km 長。其內(nèi)分布著一 系列中新生代殘留盆地，如可可西里盆地、沱沱河盆地、羌塘盆地、唐古拉盆地等，它們特別是羌塘盆地，分布面積廣、沉積厚度大、有機(jī)質(zhì)含量豐富，且已發(fā)現(xiàn)有大量的油氣顯示或工業(yè)油流，這些條件可為研究區(qū)天然氣水合物成藏提供良好物質(zhì)基礎(chǔ)。上述盆地是在伴隨著青藏高原多期脈動(dòng)性急劇而又整體隆升過程中形成的構(gòu)造殘留盆地，在高原隆升過程中由于不同的構(gòu)造演化，后期改造作用一方面形成相應(yīng)的構(gòu)造圈閉，使油氣相對聚集成藏，另一方面構(gòu)造運(yùn)動(dòng)太強(qiáng)烈，抬升和切割幅度太大，對油氣的保存起著破壞作用，使大量的輕烴難以保存而逃逸。這種構(gòu)造破壞作用造成 的烴類氣體重新分配現(xiàn)象在上新世一更新世以來尤為明顯。此間，在上新世至更新世期間，深海有孔蟲氧的同位素記錄顯示全球總體上為強(qiáng)烈的降溫時(shí)期；在更新世末期至全新世期間 (約在 0． 71Ma)，青藏高原也整體進(jìn)入冰凍期，形成了大面積的凍土，出現(xiàn)了大規(guī)模的山地冰川，除夏季以外，高原上穩(wěn)定的積雪及大規(guī)模的冰川提高了地表反射率，增強(qiáng)了冬季高原上空的冷高壓，促使高原進(jìn)一步變冷，其中，晚更新世末期是末次冰期最盛期，青藏高原處于嚴(yán)寒、干旱的冰緣環(huán)境，在這種干冷的氣候下，青藏高原開始形成大面積的多年凍土。進(jìn)入全新世，雖然大規(guī)模的冰期 已經(jīng)結(jié)束，但由于整個(gè)高原仍處于不斷隆升狀態(tài)，且高原海拔已上升到 4000m 以上，特殊的海拔高度決定著整個(gè)高原仍處在冰緣環(huán)境下。上新世至更新世期間的降溫環(huán)境，特別是更新世末期至全新世期間的冰川環(huán)境為同期構(gòu)造作用破壞的油氣藏?zé)N類氣體進(jìn)一步被圈閉提供了一種耦合機(jī)制，即游離的烴類氣體在低溫 (凍土層 )環(huán)境和地層壓力條件作用下重新被圈閉形成天然氣水合物藏 [16]。 凍土帶天然氣水合物形成以及 存在形式 11 幾種常見成礦模式分析 凍土帶水合物形成之前，一般已經(jīng)有天然氣藏，隨著溫度的變化，達(dá)到水合物形成條件以下，就會形成水合物，并且由于陸地上的溫度的循環(huán)交 替變化，水合物也在不斷形成和分解，所以水合物礦藏也伴隨有天然氣藏 [17]。麥索亞哈氣田就是有天然氣藏水合物礦藏。 目前凍土帶水合物地質(zhì)模式主要以下幾種模式塊狀水合物、層狀或片狀水合物、分散狀水合物、透鏡體水合物。 塊狀水合物形成之前有一個(gè)較完好的天然氣氣藏，底部有充足的水源，在地殼急劇上升過程中，由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使原氣藏遭到破壞，當(dāng)達(dá)到水合物穩(wěn)定性成所需的溫度壓力，并且破壞的氣藏又有新的的圈閉形成，此時(shí)水與天然氣將形成塊狀的天然氣水合物。如圖所示： 圖 26 凍土帶水合物塊狀水合物形成 在地殼運(yùn)動(dòng)的過程中伴隨著沉積，由于下部天然氣滲流到上部，和巖石進(jìn)入上部巖石的空隙中，如果上部隆升和沉積持續(xù)進(jìn)行， 且此時(shí)溫度壓力滿滿足 水合物形成溫度壓力條件時(shí)，形成片狀或?qū)訝钏衔?。如圖所 示： 凍土帶天然氣水合物形成以及 存在形式 12 圖 27 層狀或片狀水合物形成 有完整的層狀或塊狀水合物形成是，由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，褶皺活斷層劇烈時(shí)，水合物礦藏將受到破壞，水合物礦藏發(fā)生斷裂破壞，此時(shí)溫度壓力改變水合物將分解斷裂，當(dāng) 有新的適宜壓力和溫度條件時(shí)，水合物不再分解，重新穩(wěn)定，形成分散 狀 的各種形態(tài)不一的水合物結(jié)構(gòu) 。 圖 28 分散狀天然氣水合物形成 凍土帶天然氣水合物形成以及 存在形式 13 透鏡體水合物是是低溫冰凍模式形成的水合物，它是有地下已存在的氣體礦床或飽和氣體的水在上升過程中受到冷凍發(fā)生相變而形成中間厚擴(kuò)展向兩邊透鏡體狀的水合物。如圖所示，開始在巖石裂縫或大的顆?？障吨写嬖谔烊粴夂退攘黧w，在溫度壓力達(dá)到水合物形成條件后形成透鏡體狀水合物。 圖 29 透鏡體天然氣水合物形成 近日在祁連山取 出水合物巖心結(jié)構(gòu)如圖 210 所示， 通過取心表明發(fā)現(xiàn)水合物賦存狀態(tài)復(fù)雜 ， 研究認(rèn)為祁連山天然氣水合物的產(chǎn)出方式可能有二種 ， 一是以薄層狀、片狀、團(tuán)塊狀賦存于粉砂巖、泥巖、油頁巖的裂隙面中 ,單層僅 僅數(shù)毫米厚 ， 肉眼能觀測到的均是這類水合物。一是以浸染狀賦存于細(xì)粉砂巖的孔隙中 ， 這類水合物肉眼難以觀測到 ， 但可通過巖心中不斷冒出的氣泡和水珠來間接推測存在這類水合物 ， 也可通過紅外測溫中的分散狀低溫異常證實(shí)有這類水合物。天然氣水合物分解后將導(dǎo)致巖心溫度降低 ， 從ABCD 反映水合物含量逐漸升高 [18]。 凍土帶天然氣水合物形成以及 存在形式 14 圖 210 祁連山凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物及其燃燒照片 圖 211 祁連山凍土區(qū)含天然氣水合物巖心的紅外熱像儀照片 凍土帶天然氣水合物注熱降壓開采 15 第 3 章 凍土帶天然氣水合物 注 熱降壓開采 目前天然氣水合物的開采方法常見有三種 ，第一種注熱開采，第二種降壓開采，第三種是注入化學(xué)劑 [19]。其中注熱和降壓開采用于麥索亞哈氣田開采所取得較好的效果。 降壓 開采原理 降壓 開采機(jī)理 通過降低天然氣水合物儲集層的壓力促使水合物脫離其穩(wěn)定帶，從而引起水合物的相平衡曲線的移動(dòng)，使水合物分解。為降低水合物儲集層的壓力，可以開采水合物儲集層之下的游離天然氣或是采用熱激發(fā)或注入化學(xué)試劑的方法，從而使水合物不穩(wěn)定而分解。此外，在鉆井過程中采用低密度鉆井液也可以實(shí)現(xiàn)水合物儲層的降壓，而通過調(diào)節(jié)天然氣的開采速度則可以有效控制儲層壓力，從而控制 水合物的分解 。 圖 31 天然氣水合物降壓開采原理 不需要昂貴的連續(xù)激發(fā) 是 降壓法的最大特點(diǎn)， 這也使得運(yùn)用該方法經(jīng)濟(jì)成本較低 ，簡單易行 ，適合大面積開采，尤其適用于存在下伏游離氣層的天然氣水合物藏的開采 ， 因而其可能成為 未來 水合物 商業(yè) 開 發(fā) 的有效方法之一。降壓法的缺陷在于， 由于沒有額外的熱量注入 ， 水合物分解 只能從 周圍凍土帶天然氣水合物注熱降壓開采 16 環(huán)境 中吸收熱量 ， 當(dāng) 吸收的熱量達(dá)到一定程度， 周圍環(huán)境溫度的降低會抑制水合物的進(jìn)一步分解。因此， 它對天然氣水合物藏的性質(zhì)有 一定 要求，只有當(dāng)天然氣水合物藏 的原始溫度、壓力條件 位于溫壓平衡邊界附近時(shí)，降壓 開采法才具有 較好的 經(jīng)濟(jì)可行性。 降壓 開采 能量分析 水合物開采的主要能量驅(qū)動(dòng)有以下幾種： 天然氣的膨脹能，對于底部有天然氣藏的水合物層，開發(fā)前期，底部的天然氣膨脹能實(shí)現(xiàn)天然氣的能量驅(qū)動(dòng)。 水合物分解后的天然氣驅(qū)動(dòng)， 當(dāng)儲層壓力或溫度不滿住水合物穩(wěn)定存在條件時(shí)候，水合物開始分解，此時(shí)分解的天然氣繼續(xù) 為地層 提供能量。 其他方式的能量，在降壓開采過程中往往可以結(jié)合其他的方式，使得水合物不斷分解。往往很多開發(fā)方式都是伴隨著降壓過程進(jìn)行。 注熱開采原理 注熱開采機(jī)理 注熱開采是利用鉆探技術(shù)在天然 氣水合物儲層中安裝管道，對天然氣水合物的地層進(jìn)行加熱，提高局部儲集層溫度，打破天然氣水合物穩(wěn)定存在的條件，從而造成天然氣水合物的分解。注熱開采通常采用的蒸汽注入、熱水注入、熱鹽水注入、火驅(qū)及電磁加熱等方法 。 圖 32 注熱 開采水合物示意圖 凍土帶天然氣水合物注熱降壓開采 17 不同的注熱開采方式也有不同的優(yōu)缺點(diǎn)， 蒸汽注入和火驅(qū)技術(shù)方法在開采比較薄的水合物儲層時(shí)的熱量損失很大，只有在儲層厚度大于 15m時(shí)進(jìn)行開采的熱量利用率才比較高。注入熱水的熱損失較蒸汽和火驅(qū)小，但水合物儲層內(nèi)的水對于注入率又限制了該方法的應(yīng)用。熱水注入法與蒸汽注入法相比 ，前者由于比后者消耗能量少，也不需要考慮稀釋問題，從而可能有效的降低開發(fā)費(fèi)用。 同時(shí)多井注熱比單井注熱效果在促進(jìn)水合物分解上效果又更好。 注熱開采法的主要不足是會造成大量的熱損失，效率很低，特別是在永久凍土區(qū)，即使利用絕熱管道，永凍層也會降低傳遞給儲集層的有效熱量。 圖 33 水合物層單井注熱與多井注熱 開采 效果比較 [20] 注熱開采 能量分析 水合物分解所需要的能量主要分為五部分：水合物分解能量、巖石骨架升溫所需能量、水合物升溫所需要的能量、地層中束縛水升溫所需要的能量和水合物分解后分解水和天然 氣升溫所需要的能量。 不同的水合物藏的物性參數(shù)不同，上述各部分能量所占的比例有所不同。在理想狀態(tài)下，假設(shè)巖石孔隙度為 30%；水合物為甲烷水合物，水合系數(shù)為 6且飽和度為 80%；原始地層溫度為 4℃ ，水合物開始分解溫度為 12℃ ，地層最終溫度為 1