天然气水合物储层特性与定量评价

第1章天然气水合物概况 1.1天然气水合物基本性质 天然气水合物（俗称可燃冰）是由水分子与天然气分子在低温、高压环境下形成的一种类似于冰的固态化合物。形成天然气水合物的气体由甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、硫化氢和氮气等组成，其中以甲烷为主。自然界中，不同气源、储层和流体疏导条件下，天然气水合物赋存形态不同，天然气水合物与沉积物颗粒之间的接触关系影响含天然气水合物层的物性参数。 1.1.1天然气水合物物理特性 前人系统研究并总结了天然气水合物的微观结构与物理特性，认为天然气水合物是一种水合数不固定的笼形化合物，主体水分子通过氢键在空间相连，形成笼形的多面体孔穴。这些多面体孔穴或通过顶点相连，或通过面相连，形成笼形水合物晶格。天然气水合物笼形孔穴的形态有成百上千种，常见的有笼子，不同大小和组成笼子的组合构成了常见的三种天然气水合物结构类型，即Ⅰ、Ⅱ和H型结构（SloanandKoh，2008）。Ⅰ型天然气水合物是体心立方结构，单位晶胞中包含个水分子、2个笼子和6个笼子。Ⅱ型天然气水合物是面心立方结构，单位晶胞中包含个水分子、个笼子和8个笼子。H型天然气水合物是六方结构，单位晶胞中包含34个水分子、2个笼子和1个笼子（图1-1）。自然界*常见的是Ⅰ型天然气水合物，客体分子主要为甲烷，Ⅱ型天然气水合物由丙烷和异丁烷等构成，H型天然气水合物相对少见，其中Ⅱ型和H型天然气水合物的形成与热成因气有关（Kvenvolden，1995）。如果形成天然气水合物客体的气体为甲烷和乙烷混合，Ⅰ型和Ⅱ型天然气水合物都可能形成，形成天然气水合物的类型与气源及混合比有关（Subramanian et al.，2000；Takeyaetal.，2003）。 1.1.2天然气水合物微观形态 大量钻探发现，自然界中的天然气水合物赋存形态多样，按照天然气水合物与沉积物颗粒之间的接触关系，主要分为三种类型：一是天然气水合物均匀充填在孔隙间，称之为孔隙充填型（pore-filling）天然气水合物；二是天然气水合物呈脉状、块状、球状和结核状等多种形态赋存在细粒沉积物中，称之为裂隙充填型（fracture-filling）天然气水合物；三是孔隙充填型与裂隙充填型混合的天然气水合物。对于均匀充填在细粒泥质与粗粒砂质沉积物孔隙间的天然气水合物，无论天然气水合物的饱和度高还是低，在沉积物中都难以通过肉眼识别到天然气水合物。如果沉积物中的天然气水合物发生分解，将产生蜂窝状气孔或者呈粥状特征［图1-2（a）和（b）］。在粗粒砂质沉积物中，如果天然气水合物呈块状不均匀分布，在局部区域能通过肉眼识别天然气水合物［图1-2（c）］，而在细粒泥质沉积物中，脉状、块状、结核状和层状等天然气水合物广泛发育［图1-2（d）～（p）］。从钻探取芯看，不同海域和不同地层深度，裂隙充填型天然气水合物富集程度差异大。一般认为天然气水合物优先在粗粒的沉积物中形成，原因是粗粒沉积物具有较高渗透率，有利于流体运移，形成的天然气水合物饱和度相对较高，如墨西哥湾格林峡谷的砂质沉积物（Boswelletal.，2012），而细粒沉积物中形成的天然气水合物饱和度相对较低（低于10%），如布莱克海台地区（Collett and Ladd，2000）。 研究发现，在相对高通量流体运移的细粒泥质沉积物中，局部区域形成的天然气水合物饱和度较高，这种呈脉状、块状、层状或者结核状等形态的天然气水合物是由于水合物形成在裂隙内或者由于细粒沉积物被排出而形成的［图1-2（c）和（l）］，称为裂隙充填型天然气水合物。该类型天然气水合物不仅肉眼可视，而且天然气水合物层的厚度差异比较大，从几厘米至几十厘米不等。在冷泉或者麻坑区，由于高通量流体向上运移，能在不同深度地层形成天然气水合物。南海台西南盆地的冷泉区，在近海底的裂隙内或大型生物群落周围就发现了天然气水合储层特性与定量评价物（ZhangXetal.，2017）。在海底麻坑区的钻探样品内曾发现蜂窝状的天然气水合物［图1-2（n）］（Sultanetal.，2014），天然气水合物内出现孔洞结构，是由于天然气水合物包裹着气泡，出现天然气水合物与气体共存后气泡破裂而出现蜂窝状。在海底碳酸盐岩及陡坎等处，由于高通量流体向上运移，不规则碳酸盐岩对流体具有封盖作用，即使在海底也能形成天然气水合物［图1-2（o）和（p）］。 自然界中天然气水合物形态多样，天然气水合物和沉积物颗粒之间的接触关系、沉积物的岩性、粒度大小与天然气水合物饱和度、微观赋存形态以及空间分布等存在密切关系，也影响沉积物的力学强度、孔隙度和渗透率等储层物性。研究发现，饱和度影响了天然气水合物与沉积物骨架的接触方式，高饱和度天然气水合物多以颗粒包裹、孔隙充填和骨架支撑等均匀分布模式富集于粗粒沉积物中，而中低饱和度天然气水合物常以均匀充填、结核状和脉状等复杂形态分布在细粒泥质沉积物中，这主要是由于细粒沉积物中具有较强毛细管力，不利于流体运移和天然气水合物成藏。尽管在大量海域发现了裂隙充填型天然气水合物，局部地层钻探取芯也获取了天然气水合物样品［图1-2（l）］，由于空间分布尤其是横向上比较局限，裂隙充填型天然气水合物的资源量并不大。 1.1.3天然气水合物成藏系统 天然气水合物被誉为未来的新型战略能源，经过多年的研究，人们发现天然气水合物与常规油气在成藏上具有一定相似性，都与储层、气源和流体运移等密切相关，但也有明显差异。1996年10月31日～12月25日，大洋钻探计划（Ocean Drilling Program，ODP）164航次在美国东部的布莱克海台（Blake Ridge）和卡罗来纳海隆（Carolina Rise）进行钻探，在泥质沉积物中发现了厚度达几百米的天然气水合物层，饱和度约为10%，在地震剖面上发现了连续的似海底反射（bottom simulating reflector，BSR）和振幅空白反射，致使在以后的很长一段时间，人们认为海洋天然气水合物可能是发育在泥质沉积物中的低饱和度天然气水合物，并把振幅空白作为识别天然气水合物的一种重要标志。随后，2002年7月7日～9月2日ODP204航次和2005年8月28日～10月29日综合大洋钻探计划（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）311航次，分别在俄勒冈岸外水合物脊和温哥华岸外卡斯凯迪亚俯冲带的砂层中发现了高饱和度天然气水合物，尤其是日本、美国和印度等国家，也在浊积水道的砂质储层钻探到不同厚度、饱和度达80%的天然气水合物。结合大量实验室研究，人们发现砂质储层渗透率高、粒度大，有利于天然气水合物成藏，也意识到天然气水合物成藏不仅与温压环境有关，也与油气成藏相似，高富集天然气水合物成藏受多种因素共同控制。 参考油气成藏系统的概念，Collett等（2009）提出天然气水合物油气系统（gas hydrate petroleum system），也称为天然气水合物成藏系统，认为具有资源潜力的天然气水合物成藏与温压、气源、流体运移、储层、淡水和时间六大要素有关。寻找砂质高饱和度天然气水合物储层也成为天然气水合物勘探研究的重要目标，并提出了要关注“可采”资源、寻找有利储层等与高饱和度天然气水合物成藏有关的要素，同时指出尽管全球天然气水合物蕴藏着巨大的天然气地质储量，但是大部分资源量为泥质沉积物中的低饱和度天然气水合物，这种低饱和度天然气水合物资源对理解全球气候变化和碳循环具有重要意义，但是不一定都具有资源潜力（Boswell et al.，2014）。近年来，天然气水合物探勘从传统寻找BSR转变到天然气水合物稳定带与成藏系统相结合来寻找中等（10%～40%）或者高饱和度（＞50%/＞60%）等具有资源价值的天然气水合物藏。 1.2天然气水合物富集成藏的关键控制因素 天然气水合物广泛分布在深水盆地，其形成受温度、压力控制，但是天然气水合物的富集与气源、储层和流体运移等多个因素耦合有关，由于在近海底发现了天然气水合物，目前并不清楚天然气水合物成藏是否需要盖层（宁伏龙等，2022）。 1.2.1天然气水合物稳定带 1.2.1.1天然气水合物形成的温度-压力条件 温度、压力和气体组分等因素影响天然气水合物稳定带的厚度，如果气体组分确定，在一定的温度条件下，天然气水合物形成的压力有一个*小值，大于或等于这个压力值天然气水合物可以生成并且能够稳定存在。基于天然气水合物形成的热力学条件，依据相平衡理论建立热力学模型，就可以计算不同类型天然气水合物形成的温度和压力条件。在通常情况下，天然气水合物处于固（骨架与天然气水合物）-液（水）-气（气体）三相平衡的系统中，天然气水合物的稳定带厚度可以根据相平衡曲线与地温梯度相交点来计算（图1-3），而处于相平衡边界区域的天然气水合物对温度和压力的变化非常敏感，温压条件的细微变化可能导致天然气水合物发生分解。因此，研究天然气水合物稳定带厚度对于准确评价天然气水合物资源量、认识天然气水合物与游离气分布等具有重要意义，对于研究海底稳定性和气候变化等具有参考价值。 计算天然气水合物相平衡曲线有多种方法，相平衡模型包括van der WaalsPlatteeuw模型（1959年）、Chen-Guo模型（2007年）和Sloan模型（1998年）。从不同模型计算的天然气水合物稳定带底界（base of gas hydrate stability zone，BGHSZ）看，在低温时，利用Chen-Guo模型和Sloan模型计算的纯甲烷水合物温度、压力曲线相近。当地层含有乙烷、丙烷且温度在15～20℃时，利用van der Waals-Platteeuw模型与Sloan模型计算结果相近。通过与相平衡计算的甲烷天然气水合物稳定带底界相比，在相同地温梯度条件下，Ⅱ型天然气水合物的稳定带厚度大于甲烷天然气水合物稳定带厚度，说明Ⅱ型天然气水合物的结构更稳定（图1-3）。在特定的温压条件下，计算的天然气水合物稳定带厚度是一个定值，当外界环境发生变化时，天然气水合物稳定带厚度会发生调整。 天然气水合物稳定带底界是一个相变面，从计算的稳定带厚度看，海底温度场与沉积物中气体组分类型、含量等影响计算结果，尤其地层含有重烃气体时，天然气水合物稳定带厚度会明显增加。在构造与沉积环境相对稳定的区域，计算