姜 昊，曹瀟瀟

(江蘇第二師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210013)

天然氣水合物具有分布范圍廣、規(guī)模大、能量密度高等特點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)的重要后續(xù)能源。在過去20年里，科學(xué)家們在海洋和凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)了異常大量的天然氣水合物。因此，在能源可持續(xù)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)方面最有潛力的新能源就是天然氣水合物。

1 天然氣水合物的分布

自然界中，天然氣水合物礦藏主要分布于海底沉積物中，占總資源量的99%。目前全球海洋勘查發(fā)現(xiàn)并確定有天然氣水合物存在的地區(qū)主要有：白令海，鄂霍次克海，日本海，蘇拉威西海，新西蘭北島外海，巴倫支海，波佛特海，羅斯海，加勒比海，南美東海岸外陸緣海，威德爾海，黑海，里海，沖繩海槽，南開海槽，中美海槽，秘魯海槽，墨西哥灣，阿曼海灣，布萊克海臺(tái)，澳大利亞海域，非洲西海岸海域，加利福尼亞-俄勒岡濱北海岸等海域[1]。在這些區(qū)域中，以太平洋邊緣海域居多，大西洋西海岸其次。另外，世界范圍內(nèi)幾乎所有陸緣和凍土帶地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了水合物的存在，保守估測其含甲烷量約為1015～1016m3，遠(yuǎn)大于常規(guī)天然氣的儲(chǔ)量[2]。根據(jù)氣源、溫度、壓力等水合物成藏要素的分析，我國凍土區(qū)與海域具有水合物成藏的有利條件，其中祁連山與南海天然氣水合物的發(fā)現(xiàn)就是強(qiáng)有力的證據(jù)(見圖1)[2]。據(jù)調(diào)查，我國有近2.15×106km2的凍土帶，含天然氣水合物高達(dá)3.5×1010t油當(dāng)量，海域含水合物近4×109油當(dāng)量[2]。

圖1 鉆取的天然氣水合物樣品[2]Fig.1 Drilled natural gas hydrate samples

2 天然氣水合物的研究現(xiàn)狀

我國天然氣水合物勘探開發(fā)起步晚，但與其他國家勘探開發(fā)技術(shù)差距正在逐漸縮小。從我國發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃以及天然氣水合物研究開發(fā)方案看出，2006-2020年為水合物初步探查階段，2020-2030年為水合物開采初階，2030-2050年為實(shí)現(xiàn)水合物商業(yè)化開采[2]。表1總結(jié)了我國天然氣水合物的研究現(xiàn)狀[3]。從表1可以看出，2007年6月，我國首次在南海北部海域鉆獲了天然氣水合物實(shí)物樣品，證實(shí)了在我國南海北部海域蘊(yùn)藏著豐富的天然氣水合物資源，是我國地質(zhì)史上的一次重要發(fā)現(xiàn)。2009年6月，我國在青海省祁連山南緣永久凍土帶成功鉆獲水合物巖心樣品，這標(biāo)志我國凍土區(qū)水合物的研究不再是一片空白。2017年5月，我國在南海神狐海域?qū)崿F(xiàn)連續(xù)8天的穩(wěn)定產(chǎn)氣，試采取得圓滿取得成功，實(shí)現(xiàn)了我國天然氣水合物開發(fā)的歷史性突破。2020年3月，我國南海神狐海域天然氣水合物第二輪試采取得成功并且超額完成目標(biāo)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗(yàn)性試采”的重大跨越。

表1 中國天然氣水合物的研究現(xiàn)狀[3]Table 1 Research status of natural gas hydrate in China

在海洋水合物方面開采方面，我國較其他國家起步略晚。但在技術(shù)方面，我國攻克了深海淺軟地層水平井鉆核心關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣規(guī)模大幅度提示，為生產(chǎn)性試采、商業(yè)開采奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，我國還自主研發(fā)了一套實(shí)現(xiàn)天然氣水合物勘查開采產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)裝備體系，形成了六大類32項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了12項(xiàng)核心裝備，其中控制井口穩(wěn)定的裝置吸力錨打破了國外壟斷，前景光明[3]。

在凍土區(qū)水合物勘探方面，我國仍處于初期階段。由我國于凍土區(qū)多處于高海拔或者高緯度的原始森林無人區(qū)，勘探開發(fā)難度很大。羌塘盆地、木里地區(qū)和漠河地區(qū)基本具備形成水合物的熱力學(xué)條件和較好的成藏物質(zhì)基礎(chǔ)，找礦前景較好；木里煤田勘探程度較高，構(gòu)造地質(zhì)條件等相對(duì)比較清楚，先于羌塘盆地等被鉆獲發(fā)現(xiàn)水合物。因此，凍土區(qū)水合物勘探應(yīng)結(jié)合常規(guī)油氣或煤田勘探工作，以加快我國水合物的勘探研究進(jìn)程[2]。

3 天然氣水合物的勘探技術(shù)

3.1 水合物地震勘探技術(shù)

水合物地震勘探技術(shù)的原理是沉積物中形成的水合物引起縱波橫波速度的增加，從地震上看，存在少量的游離氣就可以明顯降低縱波速度，橫波速度幾乎不受影響。由于游離氣是絕緣體，沉積物中含水合物或游離氣引起物理性質(zhì)變化導(dǎo)致了地球物理號(hào)異常。通過對(duì)巖石合理建模，研究速度與飽和度、孔隙度以及其在沉積層中賦存狀態(tài)的聯(lián)系，采取隨鉆測量和巖心分析的辦法盡量恢復(fù)水合物原位地層信息，應(yīng)用一些先進(jìn)的地震處理技術(shù)加強(qiáng)對(duì)水合物的識(shí)別和預(yù)測。這項(xiàng)技術(shù)最早見于1970年在海底沉積物發(fā)現(xiàn)的似海底反射(BSR)。BSR被視為天然氣水合物穩(wěn)定帶底界面的標(biāo)志，代表著水合物層以及下覆游離氣層的聲波阻抗差異。實(shí)驗(yàn)和開采現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，儲(chǔ)層里如果存在高飽和度的水合物，縱波橫波速度會(huì)大大增加，而存在低飽和度水合物的儲(chǔ)層的地震速度增加不明顯。只有在水合物為膠結(jié)顆?；蛘咦鳛閮?chǔ)層骨架的一部分，縱波與橫波速度才會(huì)增加；如果水合物只是填充縫隙，對(duì)橫波速度影響不明顯，骨架的剛性不受影響，孔隙度的降低會(huì)引起縱波速度有所增加，這也就是前面提到的橫波速度幾乎不受影響的原因。而常規(guī)的海上地震數(shù)據(jù)無法直接得到橫波速度，需要海底地震勘探技術(shù)(OBS)的轉(zhuǎn)換波地震數(shù)據(jù)，由旅行時(shí)反演或者是速度分析得到的[2]。

除了地震速度，地震衰減和地震各向異性也提供了水合物不同方面的信息。通過對(duì)地震衰減的分析可以在地震空白反射帶圈定水合物飽和度信息，但在實(shí)際中很難準(zhǔn)確地從地震數(shù)據(jù)中獲得地震衰減信息。加拿大與日本對(duì)沉積物進(jìn)行井筒測試衰減得出結(jié)論，含水合物地層縱波數(shù)據(jù)始終高于無水合物的沉積物。通過對(duì)地震各向異性分析，可以得到在實(shí)際巖性變化相對(duì)低的情況下儲(chǔ)層含低飽和度含水合物和無水合物物理性質(zhì)的變化，在近乎垂直裂縫中存在大量水合物更會(huì)影響地震方位各向異性。分析各向異性的衰減來區(qū)分水合物和巖性變化對(duì)地震波場的影響來探測自然界水合物引起的地震能量衰減將是一個(gè)不錯(cuò)的思路。為了確定水合物和游離氣的存在，似海底反射是一個(gè)重要的途徑。通過對(duì)疊后地震數(shù)據(jù)分析可以依據(jù)地震剖面上反射特征來識(shí)別似海底反射，但識(shí)別精度受人為因素影響較大。振幅隨偏移距變化(AVO)技術(shù)可以更加精確地對(duì)水合物藏進(jìn)行識(shí)別和預(yù)測[4]。最后，多波多分量地震技術(shù)根據(jù)似海底反射上下界面的縱橫波速度差異對(duì)水合物儲(chǔ)層進(jìn)行識(shí)別。它引入了橫波信息，讓橫波剖面具有更高的分辨率，讓似海底反射在縱波剖面與轉(zhuǎn)換橫波剖面上具有不同特征，有助于區(qū)分是巖性還是水合物造成的異常，可以更精確地了解水合物的賦存狀態(tài)以及飽和度信息[2]。

3.2 水合物海洋電磁勘探技術(shù)

海洋可控源電磁技術(shù)是一種通過在近海底或海底人工激發(fā)并接收電磁場信號(hào)，測量海底地層電阻率的方法。這項(xiàng)技術(shù)在近十年來已成功應(yīng)用于海洋油氣勘探、以及海底淺層地質(zhì)構(gòu)造成像[2]。

海洋的電磁環(huán)境比較特殊，電磁波信號(hào)在海水中傳播滿足擴(kuò)散方程而不是波動(dòng)方程[5]，在低頻電磁信號(hào)或低電導(dǎo)率儲(chǔ)層情況下有利于信號(hào)傳播，有利于分辨高阻地層。與海底地層相比，海水具有強(qiáng)導(dǎo)電性，經(jīng)海底地層傳播的信號(hào)將較早到達(dá)接收器，而經(jīng)海曙傳播的信號(hào)將最晚到達(dá)，在適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)距下，兩個(gè)電磁能量到達(dá)時(shí)間是分開的，它們的到達(dá)時(shí)間可以直接指示海底電阻率的變化[6]，儲(chǔ)層高電阻率與圍巖低電阻率形成明顯差異。因此，低頻可控電磁測深成為探測海底水合物的有效方法。具體內(nèi)容如下：

(1)電偶極-偶極法是通過海底偶極子列陣與共軸海洋電纜相連拖在作業(yè)船后一定距離以外，信號(hào)源安置在船上，經(jīng)過共軸電纜傳到發(fā)射偶極子上，能探測到海底頂部幾十米到幾百米的有限范圍，對(duì)海底表層的疏松沉積物和淺層的水合物沉積有較好的勘探效果[2]。

(2)長收發(fā)距瞬變電磁勘探法是一種基于陸地設(shè)備的電磁勘探方法，它能夠檢測到幾千米深度范圍內(nèi)的油氣響應(yīng)，特別針對(duì)深埋藏、薄的油氣或水合物層，并能有效對(duì)抗空氣波的干擾，適用于近岸大陸架等淺海區(qū)域以及凍土帶的天然氣水合物探測[7]。

(3)頻率域海洋可控源電磁技術(shù)勘探其原理通常是以電偶極發(fā)射器為信號(hào)源，發(fā)射幾個(gè)離散的低頻信號(hào)[8]，將發(fā)射器下沉至海底或近海底，同時(shí)將多個(gè)接收器以不同的收發(fā)距沿測線排布在海底。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是探測深度范圍大，信號(hào)強(qiáng)度大，對(duì)深海油氣探測有很好的應(yīng)用效果，但是缺點(diǎn)是容易受空氣波干擾，不適合近海岸等淺水環(huán)境勘探[2]。

4 結(jié) 語

我國在水合物基礎(chǔ)理論、資源調(diào)查和試采研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，是世界上第五個(gè)掌握獲取原位狀態(tài)水合物技術(shù)、第四個(gè)采集到實(shí)物樣品的國家。但是，有關(guān)水合物儲(chǔ)層的形成機(jī)制、天然氣水合物運(yùn)移路徑等問題尚不清楚。但是，隨著南海第一輪、第二輪試采成功，我國天然氣水合物的勘探開發(fā)技術(shù)也進(jìn)一步提高，相信隨著技術(shù)理論不斷進(jìn)步，天然氣水合物工業(yè)化、規(guī)模商業(yè)化開采將拭目以待。