陸域凍土區(qū)天然氣水合物的勘探技術(shù)方法研究

引言

　　能源作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)維持經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及國(guó)家安全有著重要保障。我國(guó)的油氣資源尤為緊張，因此，尋找一種新型的可替代常規(guī)油氣的能源是我國(guó)一項(xiàng)迫在眉睫的任務(wù)。天然氣水合物是世界公認(rèn)的具有極大潛力的清潔高效能源，引起了世界各國(guó)的高度重視，學(xué)術(shù)界對(duì)其研究熱度在不斷提升。全球有大于27%的陸域和約90%的海域存在有天然氣水合物，儲(chǔ)量約為2×1016m3，全世界在陸域永凍層發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物至少有38處[1-4]。我國(guó)陸域凍土層的天然氣水合物主要分布在青藏高原、大小興安嶺、西部高原地區(qū)，分布面積約為215×104km2，占我國(guó)國(guó)土面積的22.4%，資源量約為350×108噸油當(dāng)量[5]。天然氣水合物是一種潛在的清潔能源，隨著世界氣候的轉(zhuǎn)暖很可能導(dǎo)致多年凍土的退化，也有可能造成甲烷氣水合物分解并釋放，對(duì)全球氣候變暖有著重要的影響。因此，對(duì)多年凍土區(qū)天然氣水合物的調(diào)查與評(píng)價(jià)具有極為重要的能源與環(huán)境意義。然而，當(dāng)前缺乏對(duì)陸域凍土帶天然氣水合物十分有效的勘查技術(shù)方法。因此，本文對(duì)陸域天然氣水合物的不同探測(cè)技術(shù)方法進(jìn)行了綜合論述，為天然氣水和物的勘探提供了參考依據(jù)。

　　1 中國(guó)凍土帶天然氣水合物的分布情況

　　我國(guó)凍土區(qū)面積約占全球永久凍土面積的10%，面積約 215×104km2，位居全球第三，僅次于俄羅斯和加拿大，占我國(guó)國(guó)土總面積的22.4%[6]。主要分布于我國(guó)永久凍土區(qū)的天然氣水合物主要在青藏高原、西部高原和東北大小興安嶺地區(qū)。青藏高原及西部地區(qū)主要在祁連山木里盆地、昆侖山埡口上新世-中更新世斷陷盆地、哈拉湖地區(qū)、西藏的羌塘盆地。東北大小興安嶺的陸域可燃冰主要分布在漠河盆地、根河盆地、大楊樹盆地、孫吳-嘉蔭盆地、拉布達(dá)林盆地、海拉爾盆地[7-8]。我國(guó)青藏高原區(qū)域天然氣水合物的儲(chǔ)量約為12.5×1012m3，占我國(guó)永久凍土面積的60%～70%，約占世界永久凍土面積的 7%;東北凍土區(qū)的儲(chǔ)量約為2.8×1012m3。

　　2 陸域天然氣水合物的勘探方法

　　2.1 高精度地震勘探技術(shù)

　　在天然氣水合物勘探中，地震勘探是一種最有效的方法。在我國(guó)陸域凍土區(qū)由于地質(zhì)條件復(fù)雜、氣候惡劣，對(duì)水合物的勘探很難形成一套有效的技術(shù)方法。通過在木里、哈拉湖、羌塘盆地、漠河等地開展的天然氣水合物地震勘探，形成了可控震源激發(fā)、小道間距、小炮距、高覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)、多道接收的野外地震數(shù)據(jù)采集方法和高分辨率的地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)，在陸域凍土區(qū)獲取得了高質(zhì)量的地震資料[9]。

　　2.2 地球物理測(cè)井技術(shù)

　　地球物理測(cè)井的測(cè)井資料在油、氣田測(cè)井中主要用于劃分油、氣、水層;確定儲(chǔ)集層的孔隙度、滲透率、含油飽和度等重要參數(shù)，為油、氣的勘探開發(fā)提供可靠依據(jù);在天然氣水合物勘探中地球物理測(cè)井技術(shù)也是其重要的勘探方法，對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層的識(shí)別、參數(shù)評(píng)價(jià)等非常有效。利用地球物理測(cè)井技術(shù)主要參數(shù)，包括自然伽馬、縱波速度、密度、視電阻率等對(duì)木里地區(qū)水合物儲(chǔ)層巖性進(jìn)行了分析，研究了木里地區(qū)天然氣水合物綜合地球物理測(cè)井響應(yīng)特征。從而發(fā)現(xiàn)了木里地區(qū)天然氣水合物儲(chǔ)層表現(xiàn)出了“低密度、高視電阻率、低自然伽馬、高縱波速度”的特征。在圍巖復(fù)雜的情況下，利用視電阻率、密度、自然伽馬、波速可較為準(zhǔn)確的識(shí)別天然氣水和物儲(chǔ)層，從而為陸域凍土區(qū)水合物的探測(cè)提供技術(shù)方法[10]。

　　2.3 地球化學(xué)勘查技術(shù)

　　地球化學(xué)勘查技術(shù)在天然氣水合物的勘探中越來越受到關(guān)注。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院孫忠軍等[11]對(duì)祁連山陸域凍土帶木里地區(qū)可燃冰進(jìn)行了地球化學(xué)勘查試驗(yàn)，主要包括微生物法、化探測(cè)井、酸解烴法、熱釋汞法、微量元素法等常規(guī)油氣勘探的地球化學(xué)方法。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)木里地區(qū)夏季微生物活動(dòng)強(qiáng)烈，因此冬季是開展水合物采樣的最佳季節(jié) 。而酸解烴與熱釋烴比值方法不受天然氣藏的影響，可直接進(jìn)行探測(cè)。唐瑞玲等對(duì)木里地區(qū)土壤I 和 Cl 的地球化學(xué)勘查，通過分析研究揭示出了土壤 I、Cl 和 I/Cl 的天然氣水合物異常模式及影響因素，得出了鹵族元素I和Cl可作為陸域永久凍土區(qū)天然氣水合物的探途元素。

　　2.4 遙感探測(cè)技術(shù)

　　利用遙感探測(cè)的技術(shù)方法能為凍土區(qū)天然氣水合物的快速探測(cè)提供技術(shù)方法。采用MODIS和ASTER數(shù)據(jù)，對(duì)天然氣水合物的成藏模式與儲(chǔ)存條件進(jìn)行分析，結(jié)合巖石礦物的光譜特征以及ASTER數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，基于可見—熱紅外光譜協(xié)同研究出了蝕變共生效應(yīng)信息分析方法。在利用ASTER數(shù)據(jù)識(shí)別天然氣水合物的相關(guān)礦物類分布信息時(shí)增強(qiáng)了部分巖類信息，同時(shí)并分析了可能存在的巖石信息。利用MODIS數(shù)據(jù)可圈定永久凍土帶，劃分出凍土類型，反演出凍土層厚度，提供較為重要的溫壓信息。遙感可遠(yuǎn)距離、大范圍且快速的獲取與水合物成藏相關(guān)的信息，是一種值得我們進(jìn)一步探索的陸域凍土區(qū)天然氣水合物勘察技術(shù) 。 　　2.5 音頻大地電磁探測(cè)技術(shù)

　　音頻大地電磁測(cè)深（AMT）可以探測(cè)從幾米到1000 m以上深度地質(zhì)體的電性分布特征，而陸域永久凍土層和天然氣水合物以及圍巖存在著明顯的電性差異。天然氣水合物具有“排鹽效應(yīng)”，可導(dǎo)致純天然氣水合物具有較高的電阻率，當(dāng)天然氣水合物在儲(chǔ)層內(nèi)占據(jù)了一定孔隙時(shí)，儲(chǔ)層表現(xiàn)出高電阻率的特征;同時(shí)，凍土層較非凍土層也表現(xiàn)出了高電阻率的特征。因此，高電阻率的特征是電磁法探測(cè)天然氣水合物和凍土的物理前提。

　　2.6 超深探地雷達(dá)技術(shù)

　　在對(duì)天然氣水合物進(jìn)行物性研究時(shí)人們發(fā)現(xiàn)探地雷達(dá)可探測(cè)天然氣水合物儲(chǔ)層的基本物理性質(zhì)，但由于天然氣水合物的成藏條件和探地雷達(dá)技術(shù)本身應(yīng)用的局限性，超深探地雷達(dá)技術(shù)一直沒有在陸域天然氣水合物探測(cè)中得到應(yīng)用。超深探地雷達(dá)技術(shù)的首次應(yīng)用是低頻探地雷達(dá)系統(tǒng)在陸域永久凍土區(qū)實(shí)現(xiàn)的探測(cè)深度在200m以上，在天然氣水合物儲(chǔ)層發(fā)現(xiàn)了明顯的雷達(dá)波反射信號(hào)，其“高頻、強(qiáng)振幅”的反射特征可作為天然氣水合物儲(chǔ)層的識(shí)別標(biāo)志。將探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用在我國(guó)青藏高原永久凍土區(qū)天然氣水合物儲(chǔ)層的勘探，是超深探地雷達(dá)應(yīng)用的一次擴(kuò)展，也是我國(guó)天然氣水合物勘探領(lǐng)域有效探測(cè)方法技術(shù)創(chuàng)新。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　陸域凍土區(qū)天然氣水合物雖然在勘查技術(shù)研究中取得了一定進(jìn)展，但仍有一些關(guān)鍵性的問題有待完善解決。目前高精度地震勘探技術(shù)、地球物理測(cè)井技術(shù)、音頻大地電磁技術(shù)、地球化學(xué)勘察技術(shù)在天然氣水合物的勘探中應(yīng)用較多，而遙感探測(cè)技術(shù)和超聲探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)較少，其技術(shù)相對(duì)不成熟且應(yīng)用具有一定的局限性。同時(shí)不同的勘查技術(shù)方法對(duì)陸域凍土區(qū)天然氣水合物的賦存狀態(tài)、形成過程沒有與地球物理、地球化學(xué)等參數(shù)間形成一定的響應(yīng)認(rèn)識(shí)關(guān)系，使得后續(xù)很難形成合理的依據(jù)。