天然氣水合物調(diào)查和研究現(xiàn)狀

天然氣水合物調(diào)查和研究現(xiàn)狀　 摘 要：天然氣水合物是21世紀(jì)潛在的新能源，它正受到各國科學(xué)家和各國政府的重視，本文簡介了天然氣水合物和各國對其合物資源調(diào)查和研究現(xiàn)狀。

1 什么是天然氣水合物

天然氣水合物又稱固態(tài)甲烷，它是由天然氣與水所組成，呈固體狀態(tài)，其外貌極象冰雪或固體酒精，點火即可燃燒，因此有人稱其為"可燃冰"、"氣冰"、"固體瓦斯"。天然氣水合物的結(jié)晶格架主要由水分子構(gòu)成，在不同的低溫高壓條件下，水分子結(jié)晶形成不同類型多面體的籠形結(jié)構(gòu)。其分子式為MnH2O加表示甲烷等氣體，n為水分子數(shù)）。天然氣水會物的結(jié)構(gòu)類型有：I、11和H型。I型為立方晶體結(jié)構(gòu)、Ⅱ型為菱型晶體結(jié)構(gòu)、H型為六方晶體結(jié)構(gòu)。Ⅰ型天然氣水合物在自然界頒最廣，而Ⅱ及H型水合物更為穩(wěn)定。它是在低溫高壓條件下，由水與天然氣（主要是甲烷氣，每平方米的天然氣水會物可釋放出164立方米甲烷和0.8立方米的水）結(jié)合形成一種外觀似水的白色結(jié)晶固體，主要存在于陸地上的永久凍土帶和海洋沉積物中。

2 國際上天然氣水合物資源調(diào)查、研究現(xiàn)狀

隨著世界上石油、天然氣資源的日漸耗盡，各國的科學(xué)家正在致力于尋找新的接替能源。天然氣水合物被稱為ZI世紀(jì)具有商業(yè)開發(fā)前景的戰(zhàn)略資源，正受到各國科學(xué)家和各國政府的重視。

自60年代開始，俄、美、巴德、英、加等許多發(fā)達(dá)國家，甚至一些發(fā)展中國家對其也極為重視，開展了大量的工作。

俄羅斯自60年代開始，先后在白令海、鄂霍茨克海、千島海溝、黑海、里海等開展了天然氣水合物調(diào)查，并發(fā)現(xiàn)有工業(yè)意義的礦體。即使近期經(jīng)濟(jì)比較困難，仍堅持在巴倫支海和鄂霍茨克海等海域進(jìn)行調(diào)查或研究工作。位于西西伯利亞東北部的Messoyakha天然氣水合物礦田已成功生產(chǎn)了17年。

美國科學(xué)家早在1934年首次在輸氣管道中發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，它堵塞了管道，影響了氣體的輸送而開始了對水合物結(jié)構(gòu)及形成條件的研究。隨后美、加在加拉斯加北坡、馬更些三角洲凍土帶相繼發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模的水合物礦藏。70年代初英國地調(diào)所科學(xué)家在美國東海岸大陸邊緣所進(jìn)行的地震探測中發(fā)現(xiàn)了"似海底反射層"（Bottom Similating，Reflector，英文稱 BSR）。緊接著于1974年又在深海鉆探巖芯中獲取天然氣水合物樣品，并釋放出大量甲烷，證實了"似海底反射"與天然氣水含物有關(guān)。1979年美國借助深海鉆探計劃（DSDP）和大洋鉆探計劃（ODP），長期主持和組織了此項工作，最早指出天然氣水合物為未來的新型能源，并繪制了全美天然氣水含物礦床位置圖。積極參加這項工作的還有英國、加拿大、挪威、日本和法國等。1991年美國能源部組織召開"美國國家天然氣水合物學(xué)術(shù)討論會"。最為重要的是1995年冬ODP64航次在大西洋西部布萊克海臺組織了專門的天然氣水合物調(diào)查，打了一系列深海鉆孔，首次證明天然氣水會物廣泛分布，肯定其具有商業(yè)開發(fā)的價值。同時指出天然氣水會物礦層之下的游離氣也具有經(jīng)濟(jì)意義。以甲烷碳量計算，初步估計該地區(qū)天然氣水合物資源量多達(dá)100億噸，可滿足美國105年的天然氣消耗。在天然氣水合物取得一系列研究成果的基礎(chǔ)上，美國地質(zhì)學(xué)會主席莫爾斯于1996年把天然氣水合物的發(fā)現(xiàn)作為當(dāng)今六大成就之一。因此，美國參議院于1998年通過決議，把天然氣水合物作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入國家級長遠(yuǎn)計劃，要求能源部和美國地質(zhì)調(diào)查局等有磁部門組織實施，其內(nèi)容包括資源詳查、生產(chǎn)技術(shù)、全球氣候變化、安全及海底穩(wěn)定性等五方面的問題，擬每年投人資金2000萬美元，要求2010年達(dá)到計劃目標(biāo)，20年將投入商業(yè)性開發(fā)。

亞洲東北亞海域是天然氣水合物又一重要富集區(qū)。80年代末ODP127、131航次在日本周緣海域進(jìn)行鉆探，獲得了天然氣水會物及BSR異常廣布的重要發(fā)現(xiàn)。美國能源部的Krason在1992年日本東京召開的第29屆國際地質(zhì)大會上表明在日本周緣海域共發(fā)現(xiàn)9處的BSR分布區(qū)。天然氣水合物礦層位于海底以下150-300M處，礦層厚度分別為3m、5m、7m，總厚為15m。估計在日本南海海槽的BSR頒面積約35000Km2。由于美國能源部發(fā)表了上述評估數(shù)據(jù)，加之日本油氣能源短缺，它引起了日本通產(chǎn)省、科技界及企業(yè)界的高度重視。1995年日本通產(chǎn)省資源能源廳石油公司（JNOC）聯(lián)合10家石油天然氣私營企業(yè)制定了1995-l999年宏偉的"甲烷天然氣水合物研究及開發(fā)推進(jìn)初步計劃"，投資6400萬美元。通過對日本周邊海域，特別是南海海槽、日本海東北部的鄂霍茨克海的靶區(qū)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)南海海槽水合物位于水深850—1150m離岸較近，易于開發(fā)。水會物賦存一砂巖和火山沉積物中，其也隙度為35％，水合物充填率達(dá)85％，初步評價，日本南海海槽的天然氣水合物甲烷資源量為7.4×l012m3，可滿足日本100年的能源消耗。

德國從80年代后期還曾利用"太陽號"調(diào)查船與其他國家合作，先后對東太平洋俄勒岡海域的卡斯凱迪亞增生楔，以及西南太平洋和白令海域進(jìn)行了水合物的調(diào)整。在南沙海槽、蘇拉威西海、白令海等地都發(fā)現(xiàn)了與水合物有關(guān)的地震標(biāo)志，并獲取了水合物樣品。

印度在1995年全國地質(zhì)地球物理年會上統(tǒng)一了認(rèn)識，認(rèn)為天然氣水含物已成為現(xiàn)今地質(zhì)工作的主題。在印度科學(xué)和工業(yè)委員會的領(lǐng)導(dǎo)下制定了"全國天然氣水合物研究計劃"，投資5600萬美元。迄今為止，印度已在其東西地區(qū)發(fā)現(xiàn)了多處地球物理異常，顯示出良好的找礦前景。

韓國資源研究所和海洋開發(fā)研究所于1997年開始在其東南部近海郁龍盆地進(jìn)行水含物調(diào)查，相繼發(fā)現(xiàn)了略受變形的BSR、振幅空白帶、淺氣層、麻炕、海底滑坡、菱錳結(jié)核等一系列與水會物相關(guān)的標(biāo)志。

新西蘭在北島東岸近海水深1-3Km，發(fā)現(xiàn)面積大于4×104km2的BSR分布區(qū)。

澳大利亞近年在其東部豪勛爵海底高原發(fā)現(xiàn)BSR分布面積達(dá)8×104km2。

巴基斯坦在阿曼灣開展了水會物調(diào)查，也取得了進(jìn)展。

加拿大西側(cè)胡安一德賽卡洋中脊斜坡區(qū)發(fā)現(xiàn)約1800億油當(dāng)量的天然氣水合物資源量。

總之，目前已調(diào)查發(fā)現(xiàn)并圈定有天然氣水合物的地區(qū)主要分布在西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千島海溝、沖繩海槽、日本海、四國海槽、南海海槽、蘇拉威西海、新西蘭北島；東太平洋海域的中美海槽、北加利福尼亞一俄勒岡濱外、秘魯海槽；大西洋海域的美國東海岸外布萊克海臺、墨西哥灣、加勒比海、南美東海岸外陸緣、非洲西西海岸海域；印度洋的阿曼海灣；北極的巴倫支海和波弗特海；南極的羅斯海和威德爾海，以及黑海與里海等。目前世界這些海域內(nèi)有88處直接或間接發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，其中26處巖心見到天然氣水會物，62處見到有天然氣水合物地震標(biāo)志的似海底反射（BSR），許多地方見有生物及碳酸鹽結(jié)殼標(biāo)志。據(jù)專家估算：在全世界的邊緣海、深海槽區(qū)及大洋盆地中，目前已發(fā)現(xiàn)的水深3000m以內(nèi)沉積物中天然氣水會物中甲烷資源量為2.1×1016m3（2.l萬萬億m3）。水合物中甲烷的碳總量相當(dāng)于全世界已知煤、石油和天然氣總量的二倍�？蓾M足人類1000年的需求，其儲量之大，分布面積之廣，是人類未來不可多得的能源。以上儲量的估算尚不包括天然氣水合物層之下的游離氣體。

3 我國有關(guān)天然氣水合物的研究、調(diào)查現(xiàn)狀

近年來，國家領(lǐng)導(dǎo)和國土資源部、科技部、財政部、國家計委等部委領(lǐng)導(dǎo)非常重視天然氣水合物的調(diào)查與研究。首先是對我國管轄海域歷年來做過大量的地震勘查資料分析，在沖繩海槽的邊坡、南海的北部陸坡、西沙海槽和西沙群島南坡等處發(fā)現(xiàn)了海底天然氣水合物存在的似海底地震反射層（BSR）標(biāo)志。并在對海底天然氣水合物的成因、地球化學(xué)、地球物理特征、外北采集、資料處理解釋、鉆孔取樣、測井分析、資源評價、海底地質(zhì)災(zāi)害等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并取得了豐富的資料和大量的數(shù)據(jù)。

自1984年始，我國地質(zhì)界對國外有關(guān)水會物調(diào)查狀況及其巨大的資源潛力進(jìn)行了系統(tǒng)的資料匯集。廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局的科技人員對80年代早、中期在南海北部陸坡區(qū)完成的2萬多公里地震資料進(jìn)行復(fù)查，在南海北部陸坡區(qū)發(fā)現(xiàn)有似海底反射（BSR）顯示。根據(jù)國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局的安排，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于1999年10十月首次在我國海域南海北部西沙海槽區(qū)開展海洋天然氣水合物前期試驗性調(diào)查。完成三條高分辯率地震測線共543.3km。2000年9-11月，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局"探寶號"和"海洋四號"調(diào)查船在西沙海槽繼續(xù)開展天然氣水含物的調(diào)查。共完成高分辯率多道地震1593.39km、多波束海底地形測量703.5km、地球化學(xué)采樣20個、孔隙水樣品18個、氣態(tài)烴傳感器現(xiàn)場快速測定樣品33個。獲得突破性進(jìn)展。資料表明：地震剖面上具明顯似海底反射界面(BSR）和振幅空白帶。"BSR"界面一般位于海底以下300-700m，最淺處約180m。振幅空白帶或弱振幅帶厚度約80-600m，"BSR"分布面積約2400km'。以地震為主的多學(xué)科綜合調(diào)查表明：海域天然氣水合物主要賦存于活動大陸邊緣和非活動大陸邊緣的深水陸坡區(qū)，尤以活動陸緣俯沖帶增生楔區(qū)、非活動陸緣和陸隆臺地斷褶區(qū)水含物十分發(fā)育。根據(jù)ODP184航次1144鉆井資料揭示，在南海海域東沙群島東南地區(qū)，l百萬年以來沉積速率在每百萬年400-1200m之間，鶯歌海盆地中中新世以來沉積速度很大。資料表明：南海北部和西部陸坡的沉積速率和已發(fā)現(xiàn)有豐富天然氣水合物資源的美國東海岸外布萊克海臺地區(qū)類似。南海海域水含物可能賦存的有利部位是：北部陸坡區(qū)、西部走滑剪切帶、東部板塊聚合邊緣及南部臺槽區(qū)。本區(qū)具有增生楔型雙BSR、槽緣斜坡型BSR、臺地型BSR及盆緣斜坡型BSR等四種類型的水合物地震標(biāo)志BSR構(gòu)型。從地球化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)南海北部陸坡區(qū)和南沙海域，經(jīng)常存在臨震前的衛(wèi)星熱紅外增溫異常，其溫度較周圍海域升高5-6℃，特別是南海北部陸坡區(qū)，從瓊東南開始，經(jīng)東沙群島，直到臺灣西南一帶，多次重復(fù)出現(xiàn)增溫異常，它可能與海底的天然氣水會物及油氣有關(guān)。

綜合資料表明：南海陸坡和陸隆區(qū)應(yīng)有豐富的天然氣水合物礦藏，估算其總資源量達(dá)643.5-772.2億噸油當(dāng)量，大約相當(dāng)于我國陸上和近海石油天然氣總資源量的1/2。

西沙海槽位于南海北部陸坡區(qū)的新生代被動大陸邊緣型沉積盆地。新生代最大沉積厚度超過7000m，具斷裂活躍。水深大于400m�；�于應(yīng)用國家863研究項目"深水多道高分辨率地震技術(shù)"而獲得了可靠的天然氣水合物存在地震標(biāo)志：1）在西沙海槽盆北部斜坡和南部臺地深度200-700m發(fā)現(xiàn)強(qiáng)BSR顯示，在部分測線可見到明顯的BSR與地層斜交現(xiàn)象。2）振幅異常，BSR上方出現(xiàn)弱振幅或振幅空白帶，以層狀和塊狀分布，厚度80-450m。3）BSR波形與海底反射波相比，出現(xiàn)明顯的反極性。4）BSR之上的振幅空白帶具有明顯的速度增大的變化趨勢。資料表明：南海北部西沙海槽天然氣水合物存在面積大，是一個有利的天然氣水合物遠(yuǎn)景區(qū)。

2001年，中國地質(zhì)調(diào)查局在財政部的支持下，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局繼續(xù)在南海北部海域進(jìn)行天然氣水合物資源的調(diào)查與研究，計劃在東沙群島附近海域開展高分辨率多道地震調(diào)查3500km，在西沙海槽區(qū)進(jìn)行沉積物取樣及配套的地球化學(xué)異常探測35個站位及其他多波束海底地形探測、海底電視攝像與淺層剖面測量等。另據(jù)我國臺大海洋所及臺灣中油公司資料，在臺西南增生楔，水深500-2000m處廣泛存在BSR，其面積2×104km2。并在臺東南海底發(fā)現(xiàn)大面積分布的白色天然氣水合物賦存區(qū)。

4 意見與建議

（1）鑒于天然氣水合物是21世紀(jì)潛在的新能源，它正受到各國科學(xué)家和各國政府的重視，其調(diào)查研究成果日新月異，故及時了解、收集、交流這方面的情況、勘探方法及成果尤為重要，為趕超國際天然氣水合物調(diào)查、研究水平，促進(jìn)我國天然氣水會物的調(diào)查、勘探與開發(fā)事業(yè)，為我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展做出新貢獻(xiàn)，建議每兩年召開一次全國性的"天然氣水合物調(diào)查動態(tài)、勘探方法和成果研討會"。

（2）我國南海廣闊的陸坡及東海部分陸坡具有形成天然氣水含物的地質(zhì)條件，建議盡快開展這兩個海區(qū)的天然氣水含物的調(diào)查研究工作，為我國國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供新能源。

（3）天然氣水合物的開采方法目前主要在熱激化法、減壓法和注人劑法三種。開發(fā)的最大難點是保證井底穩(wěn)定，使甲烷氣不泄漏、不引發(fā)溫室效應(yīng)。針對這一問題，日本提出了"分子控制"開采方案。天然氣水會物礦藏的最終確定必須通過鉆探，其難度比常規(guī)海上油氣鉆探要大得多，一方面是水太深，另一方面由于天然氣水合物遇減壓會迅速分解，極易造成井噴。日益增多的成果表明，由自然或人為因素所引起溫壓變化，均可使水合物分解，造成海底滑坡、生物滅亡和氣候變暖等環(huán)境災(zāi)害。因而研究天然氣水合物的鉆采方法已迫在眉捷，建議盡快開展室內(nèi)外天然氣水合物鉆采方法的研究工作。

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