佐藤全球水合物分布.pdf

乏 牡 雩 缓腺爹 争 增 天 然 气 水 合 物 甲 烷 量 及 资 源 量 的 计 算 I J 佐 藤 干 夫 等 l 天然气水合物的分布 1 1 永久 冻土 带天然气水台 物的分布 陆地环境 的天然气水合物仅分布在永久 冻土 带 目前 已经 确 认 或 推 测 的地 点有 8 处 其 中俄罗斯北部 5处 阿拉斯 加和 加拿 大 北极海沿岸 区 3处 Kv e n v o l d e n 1 9 9 8 C o l l e t t 1 9 9 3 1 9 9 4 1 2 海 区天 然气水台 物的分 布 根据 Kv e n v o l d e n等 1 9 9 3 统计 天然 气 水合物 在水 域 海域 以及湖沼环境 的分 布有 4 7处 到 1 9 9 6年 加 上 日本 周边 海 域 的发 现 共 计 5 7处 其中 太平 洋 白令海 颚霍 菠 克海 日本海 2 7处 大 西洋 加勒 比海 墨 西哥湾 黑海 l 5处 印度 洋 2处 北极 海 6 处 南极 周边海域 5处 稍沼环境 里 海及 贝 加尔湖 2处 海底 天然 气 水合物 确认 的 主 要方 法是 地 震记 录 中存 在 的 似 海底 反 射 层 B S R 以及 实 地 钻 探 和 柱 状 取 样 分 析 此 外 地震记录 的速度振 幅异常 vA MP ve l 0 c i t y a mp l i t u d e f e a t u r e 钻探 时的 测井记录 气体分析孔隙水低盐浓度异常也是推断天然 气水合物存在的手段 目前所知的海底天然气水合物的分布仅 限于大陆边 缘 活动大 陆边 缘 太 平 洋周 边 俯冲带的海沟 陆地 一侧斜 面 非 活动 大 陆 边缘 大西 洋 陆坡 陆 隆 上都 有广 泛 分 布 据推 测 能满足 海底天 然气 水合物 生成温 度 和压力条件 的海域达全海洋 面积 的 9 0 世界 天然 气水合 物 的分 布见 图 l 其 具 体分 布位 置见 表 l f l 5 维普资讯 表 l 世界范 围天 然 气水 台物 分布地 点 警 苎 慧 仁 l 6 管发现与否 及从 羟济角 度 技 术上 能 否 回 收 表示推测 的地 下集 聚油 气 的 资源 总量 这应称 之为 原始 资源量 r e u r c e m D a c e 一 这 种 原 始 资 源 量 表 示 地 下 的 资 源 量 包 括 过 云的累计开采 量 以及将来 探矿 开发 附加 预 测的资源终极 量 对 于海洋 石油 天然 气矿 床 水深对评 价其 资源量 并无影 响 因为在 将 来深水油气 田能 够开 采的前 题 下 一 般都 将其计 算为资源量 与此相应 从 长远看 技 术 经济上能 够从地 表下开 采 出 的资 源总量 称为 终 极 可 采 资 源量 u l t i ma t e r e c o v e r v r e S O H F C e S 其计算方 法是原始 资源量 乘 以终极 回 收率 在考虑与天然气水合物有关 的天然气矿 床资源量时 不能 把地 下存在 的全部 天然气 水台物考虑进来 而 只应 把 能在 一定 程度上 聚集成 为资源的水合物作 为对象 本文所指 的资源量是 与天然气水合物 有关 的天然气矿 床 的资源量 2 3储量 R e r v e s 石油界 所用 的石油 天 然气 的 储量 是指 已确定的地下存在量 与天然 气水合物有关 的储量 由于基础计算数据 不足 目前 尚无法 计算 3天然气水合物中 甲烷量计算 3 1 计 算方法 天 然气水 合物存 在的条件是 低温 高压 要评价 其 中的甲烷 量 一 般是 计算 出满足 上 述条 件的沉积 物 的容 积 再 计算 出其 中所 含 天然 气水合物 以及 甲烷量 这 种 方法 称为容 积 法 甲 烷 量 的 表 示 法 如 下 G o mi t z和 F u n g 1 9 9 4 V A z x0 H E v 天然气水合物 中的 甲烷量 A 天然气水台物的分布 面靼 A Z HS Z 水舍物稳定带 的平均层厚 0 沉 积 物 的平 均 孔 隙率 维普资讯 H 天然气水合物的充填 率 E 天 然 气水 合 物 的 容 积 倍 率 上式 中 A z 代 表 舍 天然 气水 舍 物 沉 积 物 的 客 积 3 2海域天然气水合 物的甲烷 量 对于天然气水 合物 中 甲烷 的量 1 9 7 0年 来 有 5种计算 值 但不 同的研究 者计算 的 结果 不 同 在 l 0 l 0 m 之间 相差 3个数 量级 僵都公认海域天 然气 水合 物中甲烷的 量 比陆地大得多 表 2 世 界范 围天 然气 水 台物 中甲烷 量计 算 值 陆 地 商 域 Tv a f imu k等 1 9 7 7 5 7 t 0 5 1 0 2 5 l 1 5 Mc v e 1 9 8 J 3 1 0 3 3 1 1 0 Me y e r 1 9 8 1 1 4 1 0 D o b r mi n等 c 1 9 8 1 j 3 4 1 0 7 6 l 0 s Kv e n v c a d e n C1 a y p c c 1 9 8 8 I 4 0 1 0 6 Kv e n v o ld e n和 Gr a n tz 1 9 9 0 1 7 6 1 0 Ms e D o n a ld 1 9 9 0 7 5 l 0 i 9 5 1 0 G o mi t z F u n g 1 9 9 4 2 6 4 1 0 1 3 9 l 4天然气水合物资源量 的计算 诸如上述 迄 今为 止计算 的 天然气 水 合 物量几乎就是天然气水合 物中 甲烷 的量 原 因在于计算资 源 量所必 需 的基础数 据很少 此外 国外对 天然气 水合物 的关 心与其 说是 从 资源的角度倒不如说是从环境问题的角度 如美国 和 高 纬 度区油 气钻井 灾 害防治 的 角度 如加 拿大 等 国 但是 日本 对 天然 气 水 台物 的兴趣则 主要是 它是 一种 非常规天 然 气资源 1 9 9 2年 来 以地 质调查 所 为 中心 对天然气水台物 的资源量进行 了计算 下 是该项计算 的基本思路 及海域资源量 的计 算结果 4 1 资源量计算的基本思路 天然气水合物气 田勘探开发所期待的原 始资源量 Q 理论上是天然气水合物分 解 生成的气体总量 QH 游离气体总量 Q G 及层问水 中所含 溶解气体总 量 QL 的总和 即下式成立 Q QH十QG十QL I 水台物分解气体的资源量 分解气 体 的 资源量 QH 为 天然 气水 合 物中甲烷量 V 与集聚率 R 的乘积 终极可 采 资源量 G 又是分 解气 体 的资 源量 QH 与 回收率 B 的乘 积 即 QH V R A A z R 0 H E QH B 2 游 离气的资源量 Q G 在天然气稳 定带 HS Z 内 剩余 的游 离 气 由于被认为是与层问水反应形成天然气水 合物 可 假定 一般不 存 在具有 资源量 的游 离 气 因此 要求游离气 的资源量 QG 最好 用常规气 田埋 藏量计 算法 计 算 HS Z下 圈闭 的游离气 的量 水合物层下游离气的量 可用 下式计算 札 R 9 G P P f r T I W G a QG B a c 其 中Q G 游离气的原始资源量 G G 游 离气的终 极 可采 资 源量 A G 游 离气的分 布 面积 Z G 游 离气层 的 平 均厚 度 游 离 气的集聚率 0 G 沉积物的平均孔隙率 P 地 层压 力 P o 标准状 态的压 力 T 沉 积物的绝 对 温度 T0 标 准状 态 的鲍 对 温度 W 沉 积 物 的水饱 舍 率 B G 来 自游 离气的天 然 气的 回收率 式中 A G R a 表示水合转 一 7 维普资讯 层 下台 游 离 气沉积 物 的客 积 3 溶解气资源量 Q 层问水中所含溶 解气 的量 随温 度 压力 盐度 的 变化 而变 化 园它 与水 台 物层 中所 含 气 体 量 相 比 少 得 多 Cu l b e r s o n和 Mc k e t t a 1 9 5 1 在计算 太 区域 资源量 时 可 忽略不计 4 2 资源量计算的假定及问题 1 资源的对 象厦 聚集率 R 与 常规 油 气 田的情形不 同 天然气水合 物矿床由于勘探 开发的例子很少 对于地下 的水合物聚集到何 等程度才 能作 为资源还没 有形成共识 因此 资源量 计算 时 聚集 率 获 得的方式 同 水台 物资 源量 的计算 值 也 就 不 同 年 文 我们认 定的 资 源对象 假设 存 在 基本的块状承 台 物 并能 在地震 记 录上 识别 出明显 的弹性波速度及密度 的差异 此为 基础 检查 了梅 索亚 哈气 田 西西伯利亚 普 鲁德 霍湾气 田 阿拉斯 加 北部陆 坡 等 的地 震渡记 录数 据 存 在水 合物 基底 面的地 区 在天然气水台物稳定 区 HS Z 平 均约 1 2 0 0 的厚度处 发现上述 异常 据此 水台物的集 聚 率 R 是 i 2 0 0 0 0 0 5 2 容积倍率 E 作为资源 的对 象 块 状水 合物 一 般 甲烷 分 子的网格状构造的 占有率很高 如果 假设 天然气水合物的构造 为构造 1 化学式 C H4 5 7 5 H2 O 密 度 0 9 1 5 g c m2 甲烷分 子 的笼 状构 造 C a g e 占有 率 i 0 0 时容 积 倍 率 为 1 7 2 9 0 时为 1 5 5 本 次计 算 中采 用笼状构 造 占有率 9 O 时容积倍率 为 1 5 5 3 回收 率 计算终极 可采资 源量 需要 设定 回收率 本文中采 用梅 索亚 哈气 田推测的回收率最低 值 0 i作 为 来 自天 然 水 台物 天 然 气 的 回收 率 此外 水合 物层 下游 离气 层 的天 然 气 回收率 以 j I s 日本 工业 标 准协会 为基 准 定 为 O 7 5 但现 阶段 天然气 水 合物 资 源量 计算 中设置 的假 定条件 太多 有必要 对 获得 1 8 的结果进行 整理 做为 今后 探矿 的大致标准 4 3 海域天然气水合物资源量的计算 根据上述的基本 思 路 对 四国海 南 海海 槽 E t 率周边 海域 及世 界海 域 天然气 水台 物资源 量进 行计算 i 四 国海南海海槽 的资源量 计算 的结果是 QH 2 7 1 1 0 m3 2 7 1 I O mj Q G 1 6 工 0 m3 G 1 2 1 0 m 即游 离气 的原 始 资源 量 约 为 水 台物 分鸸气的 6 0 游 离气 的终 极可 采资 源量是 水 合 物分 解气 终 极 可 采 量 的 4倍 以 上 这一 结果假定水合物分解气 与游 离气 的 回收率 分 别是 0 1 0 7 5 用 几 乎相 同的 方 法计算的 日本周边 以及世界海域 的资源量也 获得相 同的 结果 总之 这 表示 水合 物层 下 可能圈闭有相当量 的游 离气 2 日本周边海域的资源量 到 1 9 9 2年 日本周边 B 三 R 的分 布 区 的 面积约 为 6 0 xI D k m 奥 田 1 9 9 3 奥 田 推算的 原始 资 源量为 6 0 x 1 0 i 2 m3 他在 计 算时 用 气 水 比 2 0 0代 替 容 积 倍 率 1 5 5 此 外 1 9 9 2年 以后报 告的 存 在 雕波 的一 些 海 域也并 未包含在内 本文采 用容 积倍 率 1 5 5 进行 资源量计 算 结 果是 QH 4 6 5 1 0 m3 G H 4 6 5 x i 0 m3 Qc 2 7x1 O m3 G G 2 0 1 0 m3 上 述数值 比 日本 天然气 年消 费量 5 4 1 0 0 m3 高 出 2个数量级 3 世界海域 的资 源量 我们收集 了 1 9 9 2年以前 世界 5 O个海域 与天然气水 合物 有关 的海 洋地 质学 数 据 把 这些数 据按 与 日本周边海 域几乎相 同的方法 进行 了计算 不过数据的数量 以及质量 较为 散乱不均 约有 1 5个海域可 满足 我们 计算法 的要求 其它海域资源量计算必要的数据部 分缺失 对于计算资源量所用 的各种参数 做 以下的假定 1 9 9 2年 前 公开 发 表 的具 有 良好 B 三 分 布图的海域 在 日本周边海 域 以外有 5个 维普资讯 它 们 是 中美 洲 海 淘 区 的墨 西 哥 海 区 面 积 1 O 1 0 k m B S R 的 分 布 面 积 为 1 9 1 0 k n 1 2 苊地 马 拉 海 区 面积 1 0 1 0 k m B S R的分 布 面 积 为 2 0 1 0 k n 1 2 F i n l e y和 Kr R s o r l 1 9 8 6 此 外 四 国海 南 海 海槽 面 积 1 2 1 0 km2 B S R 的 分 布 面 积 为 3 5 1 0 k n f 因而 推测 分 布 B S R 天 然 气 水 合 物的存在的征兆 海域 的区块 面积 达 2 0 2 5 但 是 其 它大 部 分 海 区尽 管在代 表性 测线 上有 B S R分布的显示 B S R的 确切分布 面积 并不清楚 因此 对 于公 开发表的数据 能够确定 B S R分布 的采 用其分 布面积 数据 对于地 震探 查记录记载 的偏移测线所确定 的 B S R 其 面 积 为 推 测 的 面 积 乘 以 0 2 5 此 外 对 于北 极 海 区等 尽 管 未 公 开发 表 B S R 但 通过石油等 的钻探 在很大程度上确认在海 域 内存 在水合物 采用其 区块 面积 推测 了世 界 范围 3 O个海 域的 B S R的分布面 积 不 同 海 区面 积从 1 0 1 0 2 5 l O k mz不等 特别大 于 1 0 k mz的海区有北冰洋渡弗特海 南极 海 哥伦 比亚海盆等 这 些海 区 B S R面 积的平 均值按 5 0 1 0 4 k m 计 乘 以海 区数 5 O 其值 便是 天然气水 合物的分布面积 A 另一方 面 参 照上 述 海 区深 海 钻探 以及 北极海石 油 开采企 业 的资 料 平 均 L 隙率约 为 4 0 6 0 在此假定 其平均 孔 隙率 口 为 5 0 对 于其它一些 参数 采用 与 四国海 南 海 海 槽 几 乎 相 同 的 数 值 即平 均 层 厚 z 4 O O m 水 合物 回收率 H 5 0 容 积 倍 率 E 1 5 5 回收率 B 0 1 由此计算 出世 界 海域 天然气水 合物 的资 源量 QH A z R 0 H E 5 0 l o 4 k n 5 0 4 0 0 m 0 0 O 5 0 5 0 5 1 5 5 1 9 4 1 0 m 水合物分解气体 的终极 可采 资源量 GlH QH B 1 9 4 1 0Hn 0 1 1 9 4 1 0 1 3 如果不伴 随 出现 B S R天然 气 水合 物层 占伴 随 出现 B S R天然 气层的 5 O 此时的愿 始 资源量 为 2 9 1 1 0 m3 再考 虑 B S R分 布面积 集 聚度 的不 确定 性 再假 定有 5 0 的增减 结果 是可得 天然 气水 合物 分解 气 的 资 源量为 1 9 4 3 8 8 1 0 n 1 3 此外 在 1 9 9 2年 的计 算 中 用气水 比 2 0 0代 替容 积倍 率 1 5 5 上述 值则 分别是 QH 2 5 5 0 l 0 4 m 2 5 5 0 1 0 n 1 2 奥 田 1 9 9 3 另一方 面 Kr a s o h 1 9 9 2 对 于 确认 存在 B S