海洋天然氣水合物勘探方法綜述

尹聰，蘭麗茜 ， 王芳(1. 國家海洋局北海海洋技術保障中心 青島 266033； 2. 山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室 青島 266033；3.中國海洋大學 青島 266100)

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海洋天然氣水合物勘探方法綜述

尹聰1，2，3，蘭麗茜1，2， 王芳1，2
(1. 國家海洋局北海海洋技術保障中心 青島 266033； 2. 山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室 青島 266033；3.中國海洋大學 青島 266100)

由于受溫度、壓強等因素的制約，海洋天然氣水合物在地層中形成及分布的區域是多樣化的。在這樣復雜的地質環境中探礦，需要使用多種勘探手段和方法。當前，主要使用地球物理和地球化學的方法進行勘探，采取以物探法中的地震勘探為主、其他方法為輔的辦法來判定地層中是否有水合物存在。對勘探方法進行全面了解和研究，有助于未來逐步探明天然氣水合物的賦存情況，為今后對其進行合理開發打下基礎，進而為國家建設提供充足的能源支撐。

天然氣水合物；勘探方法；物理勘探；化學勘探

天然氣水合物是一種有籠狀構造的似冰狀結晶礦物，主要是由甲烷和水分子結合而成。海底天然氣水合物具有能量高、分布廣、規模大、埋藏淺等特點，全球天然氣水合物的資源總量相當于已探明石油、天然氣和煤的總碳量的2倍，因此被公認為是未來重要的后續能源[1-2]。研究表明，天然氣水合物主要分布在主動和被動大陸邊緣的陸坡、島坡、海山、邊緣海深水盆地，乃至內陸?；蚝^[3],目前，在東海和南海都已被證實有大量的天然氣水合物資源存在。盡管如此，在勘探方面依然存在著預測資源量偏大、地震剖面上似海底反射層(BSR)與天然氣水合物沉積層關系不明確、水合物成藏動力和體系研究不夠等問題[4]，因此需要多種勘探方法互為補充，提高勘探準確性。本文對海洋天然氣水合物主要勘探方法進行論述，旨在為準確、高效、經濟地勘探水合物提供理論依據和方式方法，也為未來開采做好前期準備工作。

1 我國對海洋天然氣水合物的勘探歷程

中國對天然氣水合物的勘探起于20世紀90年代初，1990年首次在實驗室里合成甲烷水合物，這是我國在該領域研究中邁出的具有實質意義的第一步；1999年在南海進行了500 km深水高分辨率多道地震調查，首次發現了似海底反射的水合物存在標志，第一次在我國海域確定了有天然氣水合物的存在；2007年5月，在南海北部神狐地區的海床以下183～225 m處成功鉆獲了天然氣水合物實物樣品,這一突破標志著我國對水合物的研究已由實驗室階段步入到資源調查和開發利用這一階段；2011年，正式啟動了為期長達20年的國家水合物計劃，其中對南海水合物的勘查是重大項目，主要任務是利用綜合地質、地球物理、地球化學等手段在重點成礦區帶進行勘查，查明資源的分布情況并實施試驗性開采。我國雖然在這一領域起步較晚，但是擁有豐富的水合物資源，據粗略估算，南海作為主要分布區資源量約為64.97×1012m3，在勘探手段不斷發展的今天，圈定更多的遠景區、為資源儲備打下基礎是指日可待的。

2 天然氣水合物的勘探方法

目前對天然氣水合物的勘探，主要依靠地球物理、地球化學的方法，隨著海洋科技的發展，水下成像技術也嶄露頭角。在不同的環境和條件下，應選取合適的方法對天然氣水合物礦進行探測，有時還需選取一種以上的方法，以確?？碧降臏蚀_性。

2.1 地球物理勘探法

2.1.1 地震勘探法

物探法是現在普遍使用的天然氣水合物的勘探方法，準確度也比較高，尤其是地震勘探技術應用廣泛。單道和多道地震是勘探天然氣水合物中一直使用的傳統方法，其震源主頻較低，穿透深度大，可以清楚地顯示似海底反射層(BSR)的位置，但是主頻低導致垂向分辨率受到制約，為了能更好地顯示水合物層的細部結構，研究者們發展了高分辨率地震方法、深拖多道地震探測方法、海底地震儀方法、海底地震電纜等探測方法[5]。高分辨地震勘探設備比傳統地震勘探設備簡單，震源頻率高，注重地層垂向分辨率，可清楚地顯示BSR層；深拖多道地震勘探中，將震源和數據接收電纜置于近海底，可分辨出水合物層詳細的地層結構，但是BSR層反射要弱一些；海底地震儀放置于海底，進行定點長期觀測，與反射地震數據相配合，可以給出水合物區的沉積地層速度結構模型；海底地震電纜是將電纜鋪設在海底來接收地震數據，它可以接收到海面拖纜無法記錄到的S波信號，利于BSR之下的氣區成像[5]。這幾種探測設備各有優點，因此應根據海底實際情況、海洋環境等多種因素選擇探測設備，提高勘探準確率。

2.1.2 海底熱流勘探

天然氣水合物形成和分解時，都會伴隨著吸熱和放熱的過程，因此海底熱流勘測也是研究水合物的重要方法之一。水合物在沉積物中的形成是一個放熱過程，因此形成的水合物藏上方，應當出現地熱正異常；相反，水合物分解是一個吸熱過程，在被破壞的水合物藏的上方應當出現地熱負異常[6]。利用海底熱流探針可以直接測量海底熱流和海底溫度,利用測得的數據可以估算天然氣水合物穩定帶的底界，也可以從宏觀上確定大陸邊緣水合物可能存在的分布范圍[5]。高熱流點區或者高地熱梯度帶一般不利于天然氣水合物的保存，但是熱流的影響范圍有限，比如沖繩海槽熱流點附近的一定范圍外熱流值極低[2]，有天然氣水合物賦存。

2.1.3 海底電磁、重力勘探

天然氣水合物在電性上是絕緣的，通過人工源海底電磁探測來輔助地震勘探手段，可了解天然氣水合物厚度、孔隙度，從而利用電法資料輔助評價和計算天然氣水合物的資源[7-8]。海底沉積地層可能賦存天然氣水合物, 可以通過重力儀記錄海底隨海洋波動的垂直起伏，進而計算近海底沉積地層的剪切模量,通過剪切模量異常估算沉積地層中天然氣水合物的含量[9]。

2.1.4 測井技術

另外，測井技術也是進行天然氣水合物勘探的有效方法，它是隨著鉆探技術的發展而應用起來的，能夠識別含水合物的沉積層。由于天然氣水合物存在需要低溫高壓的環境，一旦改變這些外部條件，很容易引起水合物分解，而測井方法 能夠在原位地層壓力和溫度條件下測量地層物理特性，這種方法對發現和研究天然氣水合物來說是其他的勘探方法所不能替代的[10]。

2.2 地球化學勘探方法

天然氣水合物受到外部環境中溫度壓強的影響，會分解或者結晶，這樣使其周邊的水體、沉積物等的地球化學性質產生異常變化，通過分析這些變化，可以確定水合物可能的成礦位置，這是識別海底天然氣水合物賦存位置的有效方法。

2.2.1 氣體異常檢測法

2.2.2 孔隙水Cl-濃度異常

孔隙水中Cl-濃度異常是水合物礦區的重要標志之一。通常在水合物分布地區孔隙水Cl-濃度隨深度急劇減小。這是因為天然氣水合物在形成過程中會產生排鹽作用, 使得周圍孔隙水中Cl-濃度增高; 隨著沉積物被壓實, 固體和液體發生分離, 流體向上排升, 使得原來的高氯度流體運移到沉積物頂部, 從而造成淺層沉積物中孔隙水Cl-濃度增高, 水合物附近孔隙水Cl-濃度反而降低[14]。目前收集到的各地許多含水合物鉆孔中測得的孔隙水氯度(0.51‰～8.2‰) 都遠低于海水(約19.8‰)。因此,孔隙水Cl-濃度可以作為指示天然氣水合物的一個重要指標[13]。

2.2.3 穩定同位素法

穩定同位素化學是研究天然氣水合物成礦氣體來源的最有效的手段[13]，多用甲烷中的13C值等來判定成礦原因。隨著研究不斷深入，有更多的化學物質可以來判定天然氣水合物的存在。比如4He 同位素在海底冷泉附近出現高值異常，而冷泉又與水合物的存在有密切的關系, 所以高4He含量成為判別水合物存在的一個重要標志[12]。

2.3 地貌勘測和水下成像勘測

由于天然氣水合物分布常和海底諸如斷層、麻坑、泥火山、底辟這樣的地形地貌有關，所以可以使用多波束條幅測深技術和精密聲相干技術結合來進行海底微地貌探測[15-16]?，F在海底探測手段多樣，普遍是利用聲吶設備，如多波束、側掃聲吶、合成孔徑聲吶、淺地層剖面儀等進行海底地形地貌和地層結構的探測，有的尖端設備甚至可以探測到海底以下的儲氣層和沉積層，這無疑為有無水合物存在提供有力依據；在海底成像技術不斷發展的今天，還可以使用海底電視攝像技術和水下機器人等來探測真實地形地貌，推斷天然氣水合物可能產生的區域。

3 討論與總結

天然氣水合物是一種新興的、儲量豐富的能源，給未來社會發展帶來巨大潛力。但是目前在天然氣水合物的勘探中存在著需要注意的幾個問題：① 勘探過程中使用的種種方法和設備，都有其局限性，因此還是需要具體情況具體分析，不能僅憑理論經驗判斷該使用何種方法和設備。② 勘探方法還是主要以地震勘探為主，但在沒有BSR現象的地方可能也會有天然氣水合物的存在，如墨西哥灣；反之，有BSR的地方，可能沒有水合物的存在，這就需要結合其他判定方法進行勘測，以免錯失資源或者浪費掉巨額的開采成本。③ 勘探要全面，不僅要探明水合物成藏位置，還要探明其成藏方式，例如是作為填隙物存在于地層中，還是作為巖石骨架的一部分存在，這為避免人為災害、安全開采打好基礎。

加強對天然氣水合物勘探方法的研究，將進一步明確對該能源合理開發和利用的方法，對于緩解我國能源短缺，改善能源結構布局，發展經濟等具有深遠影響。經過多年的調查研究，我國正逐步建立適合中國海域特點的天然氣水合物資源綜合勘查技術體系，如高分辨率多道地震與海底地震聯合目標探測、海底微地貌和熱流探測、海底原位孔隙水取樣等技術，為我國在圈定資源遠景區、勘探開發利用該資源提供有力支撐和保障。

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