南海天然气水合物成藏理论

来源：赛杰奥

天然气水合物（natural gas hydrate，简称gas hydrate）是由天然气与水在高压低温条件下形成的结晶物质，在标准状态下，单位体积的天然气水合物可分解产生164单位体积的甲烷气体，天然气水合物在自然界广泛分布在海底陆坡及陆地永久冻土带。天然气水合物具有能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅、成藏物化条件优越等特点，且产出的天然气能满足能源、经济、环境和效率的需要，是未来较理想的战略替代能源，美国政府顾问马克斯预言：“天然气水合物将可能改变现在的地缘政治模式，美国、日本、印度等国家可能实现能源自给，这一事件强烈影响着国际事务及对外政策……一旦天然气水合物被开发利用，现存的世界能源市场将彻底改变。”

天然气水合物巨大的能源开发前景已引起世界各国尤其是发达国家及能源短缺国家的高度重视。从20 世纪60 年代开始，以苏联和美国为代表的少数国家以发现天然气水合物为目的，开始了陆地冻土区和海洋天然气水合物资源调查；80 年代，许多国家通过制定国家级计划，系统开展本国天然气水合物资源调查评价，调查范围几乎遍及可能成藏的绝大部分海域及陆地冻土区；21 世纪以来，美国、加拿大、日本、俄罗斯及印度等国家都进一步加大了对水合物资源的勘查研究的投资力度，并开始了对水合物开发工艺的研究和开采试验。加拿大地质调查局联合德国、印度和国际大陆科学钻探组织（ICDP）等国家和国际组织，先后于2002 年、2007 年、2008 年在麦肯齐三角洲进行了多轮水合物试开采工作，积累了丰富的数据和开采经验；2013 年3 月，日本在其南海海槽进行天然气水合物试开采，首次在海域采集到水合物甲烷气，为最终实现商业性开发进行有益探索。

▲ 珠江口盆地东部海域多类型天然气水合物样品 

我国政府和科技界也非常重视天然气水合物的勘探开发和相关的科学研究，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》中，天然气水合物研究被列为前沿技术之一。中国地质调查局于1999 年率先在南海北部陆坡开展天然气水合物调查工作，并于当年在南海北部西沙海域获取天然气水合物地震标志——似海底反射（bottom simulating reflector，BSR），随后在南海北部西沙海槽、东沙海域、神狐海域和琼东南海域开展以地质、地震、地球化学等为主的多手段综合调查，发现水合物赋存的多层次、多信息异常标志。并于2007 年、2013 年在南海北部实施天然气水合物钻探，其中2007年首次在神狐海域钻获水合物实物样品，证实南海确实赋存天然气水合物。2013 年利用世界先进的深潜器、随钻测井、保压取心等技术，实现了600～1100m 水深条件下的钻孔精确定位、钻进实时监控和矿层目标锁定。在10 个取心孔钻探获取大量的层状、块状、结核状、脉状及分散状等多种类型天然气水合物实物样品，其中甲烷气体含量超过99%。钻探控制矿藏面积55km²，天然气储量高达1000亿～1500亿m³，相当于特大型、高丰度常规天然气田规模，证实我国南海海域巨大的天然气水合物资源远景，为进一步锁定试开采目标区、建设战略接替能源基地奠定了坚实的基础。

依托南海水合物调查取得的丰富资料和数据，我国973 计划项目“ 南海天然气水合物富集规律与开采基础研究” 从2009 年1 月正式启动。中国地质调查局为第一承担单位，广州海洋地质调查局、中国科学院广州地球化学研究所、中国科学院广州能源研究所、中国地质科学院矿产资源研究所、中国科学院地质与地球物理研究所、中国地质大学（北京）、中海石油（中国）研究中心等国内优势单位共同参加研究工作。项目重点围绕我国南海北部陆坡与天然气水合物有关的成藏条件、成藏过程动力学、成藏富集规律等关键科学问题开展深入研究，经过5 年的努力，取得一系列重要研究成果和创新性认识：

▌1）提出渗漏型天然气水合物重要概念。根据成因类型，将天然气水合物矿藏划分为扩散型和渗漏型两种。其中，扩散型水合物分布广泛，饱和度相对较低；渗漏型水合物产出集中、含量高，在局部地区甚至可观测到块状天然气水合物。研究认为，南海北部具备形成上述两种类型水合物的地质条件，两者具有密切的成藏关系。

▲ 神狐海域深水区水合物稳定带底界深度分布图

▌2）揭示南海北部天然气水合物富集规律。研究认为，我国南海北部天然气水合物在空间展布上受断层控制明显，横向上具有南北成带的特征。研究团队创新性地提出南海北部两个主要水合物成矿带，其中第一成矿带位于800～1300m 水深范围的新生代大型沉积盆地发育的区域，以热解气源水合物为主要类型，部分为混合气源；第二成矿带位于水深大于2000m 的新生代中小型沉积盆地发育的古斜坡区域，以生物气源水合物为主。

▌3）首次提出天然气水合物成核机制的笼子吸附假说。该假说预测了天然气水合物在成核过程中首先形成水合物非晶相的新观点。这一假说与国际同类假说相比，能够更准确地描述水合物晶体的形成过程。在此基础上，研究团队还建立了笼子识别方法，并定量确认非晶相的存在，实测出天然气水合物成核发生时溶解甲烷的临界浓度为0.05（摩尔分数，约每立方纳米1.7 个分子）。由此验证笼子吸附假说，受到国际同行的高度关注。

▌4）建立南海北部天然气水合物的综合识别方法。在天然气水合物地球物理响应机理研究上，发现纵横波速度增量是识别水合物引起的高速异常的重要地球物理参数，且利用精细处理的纵横波速度增量比剖面能更准确地刻画水合物空间分布形态。在地球化学及生物学机理研究方面，首次获得水合物稳定带中不同甲烷相态的微生物及宏生物组合特征，以及冷泉环境下氧化-还原界面附近生物地球化学响应特征。

▌5）开展南海北部天然气水合物开采基础理论研究。采用主流的数值模拟方法——格子玻尔兹曼方法对天然气水合物分解过程的流动特性进行研究，深入讨论其多相流动机理及相关基础物性理论，针对南海北部典型天然气水合物藏，分别从微观、介观及宏观角度，成功揭示了目前常用的天然气水合物开采方法的传热和传质机理。

▲ 神狐海域水合物垂直单井开发模拟系统示意图

为系统梳理总结项目的研究成果，促进我国天然气水合物基础理论创新和进步，更好地服务和指导我国天然气水合物勘查及开采，在项目首席科学家、课题负责人及骨干成员的共同努力下，将项目成果整理成《南海天然气水合物成藏理论》专著公开出版。这些重要的理论成果正在逐渐被南海水合物勘查工作所证实，也必将对我国海域水合物勘探开发起到重要的理论指导作用。

《南海天然气水合物成藏理论》专著总结了2009 年执行的973 计划及后续研究的主要成果，作为该项目结题验收专家组长，我深刻地认识到我国近十多年来在天然气水合物基础研究方面取得了重大进步。专著以东沙、神狐、西沙、琼东南为重点研究区域，开展地震、地质、地球化学研究，提出以还原型生物气和深部热解气为主要气源，以构造、沉积、温压、海底地形和微生物为主要控制要素的南海天然气水合物形成与富集成矿条件；提出以沉积条件控制为主体的侧向运移聚集成藏、以构造和沉积共同控制的侧向-横向混合运移聚集成藏和受构造控制的垂向运移聚集成藏三种天然气水合物成藏模式；提出在南海北部存在两个天然气水合物成矿带，一是受盆地边缘构造控制、埋藏深度在800～1300m、以热解气和混合气为主要气源的新生代沉积盆地成矿带，二是发育于海底古斜坡区、埋藏深度在2000m、以生物气为主体气源的新生代小型沉积盆地成矿带。此外，专著对天然气水合物形成的热力学和动力学、天然气水合物开采基础理论等方面研究成果也进行了总结。