综述文章的格式

1 1 研究意义研究意义 2008 年 11 月 5 日 由中国地质科学院矿产资源研究所 勘探技术研究所和青海煤 炭地质局 105 勘探队施工的 祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程 DK 1 孔取得重 大突破 成功钻获天然气水合物实物样品 卢振权等 2010a 2010b 祝有海等 2009 2010 随后 2009 2011 年在祁连山冻土区又先后完成 DK2 DK3 DK4 DK5 DK6 DK7 DK8 等七个钻孔的施工 其中在 DK2 DK3 孔中 发现天然气水合物实物样品 在 DK4 DK5 DK6 DK7 DK8 孔中见到天然气水合物异 常显示 钻探结果显示 天然气水合物及其异常现象主要产出在冻土层下 130 400m 之间 其层位属于中侏罗统江仓组 祝有海等 2010 呈肉眼可见的白色冰状薄层 混有泥浆时 为烟灰色 出露在岩层的裂隙中 或呈肉眼难辨的微细浸染状产在岩层的孔隙中 卢振权 等 2010a 2010c 祝有海等 2009 2010 前者得到室内激光拉曼光谱仪检测结果的证 实 刘昌岭等 2010 后者通过岩心中不断冒出的气泡 水珠和红外测温中的分散状低温 异常证实存在这类水合物 祝有海等 2010 卢振权等 2010a 运用体积法对钻探区约 0 4 km2的范围的天然气水合物资源量进行了估算 认为总的资源量约为 94 2 104m3天然 气 钻探区所在的木里地区天然气水合物潜在天然气资源量 2710 92 2991 36 亿 m3 显示 出祁连山冻土区天然气水合物具有很大的资源潜力 2011 年 7 月 9 月 由中国地质科学院 矿产资源研究所 勘查技术研究所和吉林大学等单位在 DK8 孔中开展了降压法和蒸汽热采 法开采天然气水合物的验证工作 取得较好效果 为下一步在该地区进行天然气水合物的 连续开采试验 甚至是工业开采奠定了基础 虽然祁连山冻土区天然气水合物的勘探取得了重大突破并获得试开采试验的初步成功 但钻获天然气水合物的钻井分布区域有限 钻探及研究表明 天然气水合物在垂向上分布 不连续 且产出层段在不同钻孔中横向上难以对比 卢振权等 2010b 祝有海等 2010 王平康等 2011 即祁连山冻土区天然气水合物在储层中的分布规律目前还不清楚 那么 是不是该区天然气水合物储层内在本质上的非均质性直接决定着天然气水合物的不均匀分 布呢 另一方面 钻探及研究表明 祁连山冻土区天然气水合物肉眼可见于不同岩层裂隙 中 并得到室内激光拉曼光谱仪检测结果的证实 刘昌岭等 2010 而不同砂岩孔隙中仅 见到一些与天然气水合物密切相关的异常 且很难在室内激光拉曼光谱仪中检测到 那么 除了裂隙外 天然气水合物是不是还大量产出在不同岩层孔隙中呢 即孔隙结构与孔隙连 通性的不同是不是直接影响到天然气水合物在砂岩孔隙中的分布呢 这两个问题已经成为 制约该区天然气水合物勘探和试开采开发方案制定的瓶颈之一 而这两个问题的核心即与 天然气水合物储层结构息息相关 应当指出 储层结构 Reservoir Architecture 包含两个方面的涵义 第一 在宏观上 储层结构主要表现为储层在垂向上的叠加样式和横向上的延伸范围 第二 在微观上 储 层结构主要体现在储层储集空间类型和孔喉结构上 而天然气水合物储层是借鉴了常规油 气中储层的概念 但与常规油气中的储层又有所区别 天然气水合物储层主要指处于天然 气水合物稳定带内可以容纳天然气水合物的所有相关地层及其空间 祁连山冻土区天然气水合物储层结构的研究不仅有助于探讨该区天然气水合物的空间 赋存规律 而且有助于了解该区天然气水合物的产出状态及其控制因素 具有重要的科学 意义 另一方面 该项研究可为进一步预测天然气水合物可能的分布区域及产出层位提供 参考 具有重要的现实意义 基于此 本项研究在前人和项目组过去研究基础上 借鉴油气储层研究的技术和方法 在天然气水合物稳定带范围内 开展祁连山冻土区天然气水合物储层基础地质研究 分析 天然气水合物储层宏观上的空间分布特征 剖析天然气水合物储层微观上的储集空间类型 和孔隙结构 建立研究区天然气水合物储层结构模式 为该区下一步天然气水合物勘查和 预测服务 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 1 天然气水合物分布与资源概况 天然气水合物分布与资源概况 天然气水合物是由天然气 主要是甲烷 和水组成的外形像冰的白色固体物质 Makogon et al 2007 由于它含有大量甲烷气体可以直接燃烧 因而又俗称为 可燃冰 龚建明 2007 天然气水合物广泛发育于海洋以及陆地永冻层之中 Majorowicz and Hannigan et al 2000 Collett 2002 Makogon 2010 Matsumoto et al 2011 是一种具有巨 大潜力的新能源矿产 刘玉山和吴必豪 2011 现在已发现的水合物大致沿麦索雅哈河 普拉德霍湾 马更些三角洲 青藏高原和北冰洋 大西洋 太平洋 印度洋形成两个水合物分布 带分布 在环西太平洋地区 俄罗斯 朝鲜 日本有较多发现 澳大利亚 新西兰也有发现 吴能友等 2008 据估计 全球天然气水合物总含碳量为 2 0 1016m3 这个数量相当 于迄今为止已探明的化石能源 煤 石油 天然气 总含碳量的两倍 Makogon 2010 另外 天然气水合物分解也会对海底滑坡以及全球气候变化造成一定影响 因此 天然气 水合物成为当前研究的热点之一 多年冻土区是天然气水合物的主要形成及分布环境之一 大陆天然气水合物的资源量 是相当巨大的 估计约为 1 7 4 1014m3甲烷 刘玉山和吴必豪 2011 并且冻土区水合 物由于其交通便利 易开采成为水合物开采试验的先行试验区 陈多福等 2005 祝有海 等 2010 俄罗斯西伯利亚麦索雅哈天然气水合物矿藏已经开始了工业性开采 加拿大马 更些三角洲地区和美国阿拉斯加地区也在进行冻土区天然气水合物的开采试验 吴青柏和 程国栋 2008 目前大陆上已发现的天然气水合物矿藏和矿点有 20 余处 刘玉山和吴必 豪 2011 主要分布于俄罗斯 美国和加拿大等国的环北极冻土区 Yakushev et al 2005 吴青柏和程国栋 2008 而我国青藏高原多年冻土区也具有良好的天然气水合物远景 早在 2005 年就有专家预测远景储量为 0 12 240 1012m3 陈多福等 2005 2 祁连山冻土区主要调查研究进展 祁连山冻土区主要调查研究进展 在 2000 年前后 科学家开始关注广袤的青藏高原多年冻土区的天然气水合物工作 先 后撰文并开展了初步的地质 地球物理和地球化学方面的调查研究 徐学祖等 1999 吴 青柏等 2006 卢振权等 2007 与此同时 在祁连山冻土区也尝试着开展一定程度的地 质地球化学调查工作 结果显示出一些异常现象 祝有海等 2006 2008 和 2009 年 中国地质调查局在祁连山南缘多年冻土区实施天然气水合物科学钻 探试验 成功采集到天然气水合物实物样品 祝有海等 2009 卢振权等 2010d 钻探 结果显示 天然气水合物及其异常现象主要产出在冻土层下 130 400m 之间 其层位属于 中侏罗统江仓组 祝有海等 2010 呈肉眼可见的白色冰状薄层 混有泥浆时为烟灰色 出露在岩层的裂隙中 或呈肉眼难辨的微细浸染状产在岩层的孔隙中 卢振权等 2010a 祝有海等 2009 前者得到室内激光拉曼光谱仪检测结果的证实 刘昌岭等 2010 后 者通过岩心中不断冒出的气泡 水珠和红外测温中的分散状低温异常证实存在这类水合物 祝有海等 2010 水合物储集层岩性多以粉砂岩 油页岩 泥岩和细砂岩为主 含少量 中砂岩 钻孔中天然气水合物纵向分布不具有连续性 钻孔间横向分布规律不明显 王平 康等 2011 含天然气水合物岩心段在宏观地球物理测井曲线上显示明显偏高的电阻率和 声波速度异常 卢振权等 2010d 在钻探资料分析的基础上 卢振权等 2010c 认为祁 连山冻土区天然气水合物的气体以热解成因为主 夹少量微生物成因 醋酸根发酵 同时 在钻探区约 40 104m2的范围内 计算得到天然气水合物总的资源量约为 94 2 104m3天 然气 卢振权等 2010d 2011 年 7 月 9 月 由中国地质科学院矿产资源研究所 勘查技术研究所和吉林大学等 单位在 DK8 孔中开展了天然气水合物的试开采工作 试验中孔口压力 0 13MPa 孔底压力 0 51MPa 出气温度 8 7 流量 10 71m3 h 持续试验时间 50 多个小时 试开采验证工作 取得初步成功 到目前为止 还没有在祁连山冻土区开展有关天然气水合物储层方面的专门研究 特 别是还未见祁连山冻土区天然气水合物储层结构方面研究的报道 3 天然气水合物储层研究状况 天然气水合物储层研究状况 以往对天然气水合物的研究主要集中在天然气水合物的形成条件与分布预测 吴时国 等 2004 陈多福等 2005 吴青柏等 2006 祝有海等 2006 曹代勇等 2009 赵省 民等 2011 资源评价 陈多福等 2004 卢振权等 2010b 地球化学与地球物理异常 吴能友等 2007 卢振权 2007 气体类型与成因 黄霞等 2010 卢振权 2010c 等方面 较少有研究涉及到天然气水合物储层结构方面 不过 从世界上已发现的天然气水合物分布来看 科学家研究认为 沉积速率较高 沉积厚度较大 砂泥比适中的三角洲 扇三角洲以及各种重力流沉积的前缘是天然气水合 物发育较为有利的相带 于兴河和张志杰 2005 吴时国等 2004 例如美国阿拉斯加北 部陆坡普拉德霍湾 库帕勒克河天然气水合物 均赋存于布鲁克层序中的萨加拉沃克托夫 Saganavirktov 组三角洲点沙坝和分流河口坝砂岩中 墨西哥湾北部陆坡 Walker 脊东北 的 Terrebonne 盆地天然气水合物储层为斜坡水道 斜坡扇 Boswell et al 2011 Frey et al 2011 在岩性上 天然气水合物既可以保存在砂岩中 Safronov et al 2010 也可以保存在 泥页岩中 卢振权等 2010a 2010c 祝有海等 2009 Lu et al 2011a Frey et al 2011 Collett et al 2011b 在砂岩中 天然气水合物主要保存在孔隙中 卢振权等 2010a 2010c 祝有海等 2009 Lu et al 2011b 也会保存在裂缝中 Riedel et al 2010 Kim 2011 而在泥页岩中 天然气水合物主要保存在裂缝中 卢振权等 2010a 2010c 祝有海等 2009 Lu et al 2011b Frey et al 2011 例如阿拉斯加北坡 大多数水合物储层为三角洲平原到大陆架沉积 水合物赋存于古新世 始新世粗粉砂岩到细 砂岩储层的孔隙中 Winters et al 2011 而印度 Krishnae Godavari Basin 中天然气水合物 产出于裂缝性泥岩控制的沉积体系中 Riedel et al 2010 天然气水合物在沉积物中的存在形式 在宏观上表现为 4 种形态 王秀娟等 2010 Collett et al 2011a Torres et al 2011 Kneafsey et al 2011 1 粗粒沉积物的孔隙空 间 2 呈球状分散在细粒沉积物中 3 出露海底或充填在裂隙中 4 低含量的固态 水合物 在储层微观特征上 可以分为接触胶结模式 颗粒包裹模式 骨架颗粒支撑模式 孔隙填充模式 掺杂模式和结核及裂隙充填模式等 6 种储层的微结构物理模型 张卫东等 2011 储层沉积物的粒度是影响天然气水合物的形成和分布的一个重要因素 王家生等 2007 相对而言 天然气水合物更倾向于储集在孔渗性都较好粗粒的沉积物中 苏新等 2005a 王家生等 2007 Lu et al 2011a Worthington 2010 例如加拿大 Mackenzie 三 角洲冻土带中的天然气水合物主要充填于砂 砾孔隙中 淤泥和粘土不含天然气水合物或含 量很低 Majorowicz and Hannigan et al 2000 IODP 311 航次 东北太平洋 Cascadia 大陆 边缘 发现沉积物粒度分别为 31 63 m 和 63 125 m 的 2 组较粗粒径的沉积物数量变化 增多的位置与水合物出现层位之间存在较好的位置对应关系 王家生等 2007 IODP 204 航次在太平洋水合物海岭 8 个站位 BSR 深度以上气体水合物稳定带的沉积物粒度分析 和对比研究表明气体水合物主要富集在沉积组分较粗 相当于粉砂或者砂级质量分数较高的 粒度层 苏新等 2005b 这种现象在实验室也可以观察的到 Johnson et al 2011 这 是因为天然气水合物是由于毛细管作用和渗透作用在沉积物颗粒间的空隙中形成的 孔隙 的减小 增加天然气水合物形成时的相平衡压力 Malinverno 2010 大的孔隙度比较有 利于大量水合物的形成 因此较粗的沉积物岩性由于孔隙度大对水合物的形成有利 同时 通过模拟实验也发现裂隙更有利于气体进入沉积物形成天然气水合物 Fauria and Rempel 2011 虽然不少学者已经意识到储层对于天然气水合物的形成具有十分重要的作用 认为砂 岩的孔隙度 渗透率与连续性控制了天然气水合物的分布 储层的质量特别是渗透率是影 响未来经济地长久地从天然气水合物中开采天然气的重要因素 McDonnell et al 2000 Srinivasan et al 2012 但是由于目前受到研究区钻孔以及地震资料较少的限制 对于天 然气水合物储层结构方面的研究相对较少 例如 Cook 等 2011 利用测井曲线数据研究 了墨西哥湾天然气水合物砂岩储层的各向异性 Boswell 等 2011 通过研究认为墨西哥湾 北部深水天然气水合物储层沉积相为斜坡水道 斜坡扇 并且通过测录井 地震资料研究 了天然气水合物储层的沉积环境和储层空间分布等 为资源量评估和后续勘探奠定了基础 在国内 从公开发表的资料看 未见专门论述天然气水合物储层结构的文献或著作 在天然气水合物储层的研究手段上 主要包含两个方面 一是在宏观上 常用的资料 包括地震 测井 通过地震和测井数据的分析 可以获取储层的岩性 空间展布特征 饱 和度与各向异性 Tr hu et al 2004 王秀娟等 2010 Boswell et al 2011 Cook et al 2011 Srinivasan et al 2012 二是在微观上 利用一些精密的科学仪器和技术对天然气水 合物储层岩石和天然气水合物的微观结构进行研究 例如利用 CT 和 X 射线扫描扫描检测 岩心结构和非均质性 Kneafsey et al 2011 利用低温扫描电镜 FE SEM 研究天然气水 合物的产状以及分解时的表面特征 Bohrmann et al 2007 Klapp et al 2010 1 3 主要参考文献主要参考文献 Bohrmann G Kuhs W F Klapp S A et al 2007 Appearance and preservation of natural gas hydrate from Hydrate Ridge sampled during ODP Leg 204 drilling Marine Geology 244 1 14 Boswell R Frye M Shelander D et al 2011 Architecture of gas hydrate bearing san ds from Walker Ridge 313 Green Canyon 955 and Alaminos Canyon 21 Northern deep water Gulf of Mexico Marine and Petroleum Geology doi 10 1016 j marpetgeo 2011 08 010 Cook A E Anderson B I Rasmus J et al 2011 Electrical anisotropy of gas hydrate bearing sand reservoirs in the Gulf of Mexico Marine and Petroleum Geology doi 10 1016 j marpetgeo 2011 09 003 Collett T S 2002 Energy resource potential of natural gas hydrates AAPG Bulletin 86 11 1971 1992 Collett T S Lee M W Agena W F et al 2011a Permafrost associated natural gas hydrate occurrences on the Alaska North Slope Marine and Petroleum Geology 28 279 294 Collett T S Lee M W Zyrianova M V et al 2011b Gulf of Mexico Gas Hydrate Joint Industry Project Leg II logging while drilling data acquisition and analysis Marine and Petroleum Geology doi 10 1016 j marpetgeo 2011 08 0 03 Fauria K E Rempel A W 2011 Gas invasion into water saturated unconsolidated porous media Implications for gas hydrate reservoirs Earth and Planetary Science Letters 312 188 193 Frye M Shedd W Boswell R 2011 Gas hydrate resource potential in the Terrebonne Basin Northern Gulf of Mexico Marine and Petroleum Geology doi 10 1016 j marpetgeo 2011 08 001 Johnson A Patil S Dandekar A 2011 Experimental investigation of gas water relative permeability for gas hydrate bearing sediments from the Mount Elbert Gas Hydrate Stratigraphic Test Well Alaska North Slope Marine and Petroleum Geology 28 419 426 Klapp S A Bohrmann G Kuhs W F et al 2010 Microstructures of structure I and II gas hydrates from the Gulf of Mexico Marine and Petroleum Geology 27 116 125 Kim G Y Yi B Y Yoo D G et al 2011 Evidence of gas hydrate from downhole logging data in the Ulleung Basin East Sea Marine and Petroleum Geology 28 1979 1985 Kneafsey T J Lu H L Winters W et al 2011 Examination of core samples from the Mount Elbert Gas Hydrate Stratigraphic Test Well Alaska North Slope Effects of retrieval and preservation Marine and Petroleum Geology 28 381 393 Lu H L Lorenson T D Moudrakovski I L et al 2011a The characteristics of gas hydrates recovered from the Mount Elbert Gas Hydrate Stratigraphic Test Well Alaska North Slope Marine and Petroleum Geology 28 411 418 Lu Z Q Zhu Y H Zhang Y Q et al 2011b Gas hydrate occurrences in the Qilian Mountain permafrost Qinghai Province China Cold Regions Science and Technology 66 93 104 Malinverno A 2010 Marine gas hydrates in thin sand layers that soak up microbial methane Earth and Planetary Science Letters 292 399 408 Majorowicz J A Hannigan P K 2000 Stability Zone of Natural Gas Hydrates in a Permafrost Bearing Region of the Beaufort Mackenzie Basin Study of a Feasible Energy Source Natural Resources Research 9 1 3 25 Makogon Y F Holditch S A Makogon T Y 2007 Natural gas hydrates A potential energy source for the 21st Century Journal of Petroleum Science and Engineering 56 14 31 Makogon Y F 2010 Natural gas hydrates A promising source of energy Journal of Natural Gas Science and Engineering 2 49 59 Matsumoto R Ryu B J Lee S R et al 2011 Occurrence and exploration of gas hydrate in the marginal seas and continental margin of the Asia and Oceania region Marine and Petroleum Geology 28 1751 1767 McDonnell S L Max M D Cherkis N Z et al 2000 Tectono sedimentary controls on the likelihood of gas hydrate occurrence near Taiwan Marine and Petroleum Geology 17 929 936 Riedel M Collett T S Kumar P et al 2010 Seismic imaging of a fractured gas hydrate system in the Krishnae Godavari Basin offshore India Marine and Petroleum Geology 27 1476 1493 Safronov A F Shits E Yu Grigor ev M N et al 2010 Formation of gas hydrate deposits in the Siberian Arctic shelf Russian Geology and Geophysics 51 83 87 Srinivasan N R Pecher I A Stern T 2012 Weak and segmented bottom simulating reflections on the Hikurangi Margin New Zealand implications for gas hydrate reservoir rocks Journal of Petroleum Science and Engineering doi 10 1016 j petrol 2012 01 008 Worthington P F 2010 Petrophysical evaluation of gas hydrate formations Petroleum Geoscience 16 53 66 Winters W Walker M Hunter R et al 2011 Physical properties of sediment from the Mount Elbert Gas Hydrate Stratigraphic Test Well Alaska North Slope Marine and Petroleum Geology 28 361 380 Yakushev V S Perlova E V Makhonina N A 2005 Metastable relic gas hydrates Spreading resources prospects of development Earth s Cryosphere 9 1 68 72 Tr hu A M Long P E Torres M E et al 2004 Three dimensional distribution of gas hydrate beneath southern Hydrate Ridge constraints from ODP Leg 204 Earth and Planetary Science Letters 222 845 862 Torres M E Collett T S Rose K K et al 2011 Pore fluid geochemistry from the Mount Elbert Gas Hydrate Stratigraphic Test Well Alaska North Slope Marine and Petroleum Geology 28 332 342 曹代勇 刘天绩 王 丹 等 2009 青海木里地区天然气水合物形成条件分析 中国煤炭 地质 21 9 3 6 陈多福 李绪宣 夏斌 2004 南海琼东南盆地天然气水合物稳定域分布特征及资源预测 地球物理学报 47 3 483 489 陈多福 王茂春 夏斌 2005 青藏高原冻土带天然气水合物的形成条件与分布预测 地球 物理学报 48 1 165 172 龚建明 2007 冲绳海槽天然气水合物成因及资源潜力评价 山东青岛 中国海洋大学 博 士学位论文 pp 1 14 黄霞 祝有海 卢振权 等 2010 南海北部天然气水合物钻探区烃类气体成因类型研究 现代地质 24 3 576 580 刘昌岭 业渝光 孟庆国 等 2010 南海神狐海域及祁连山冻土区天然气水合物的拉曼 光谱特征 化学学报 29 18 1881 1886 刘玉山 吴必豪 2011 大陆天然气水合物的资源开发与环境研究刍议 矿床地质 30 4 711 724 卢振权 吴必豪 饶竹 等 2007