天然气水合物形成的地质条件
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发布时间：2022-04-19 19:20
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时间：2023-07-08 19:46
近年来，天然气水合物的研究主要集中在天然气水合物形成、分布和稳定性关键问题上，决定天然气水合物形成和分布的地质控制因素包括：①温压稳定性；②气源；③水源；④天然气的运；⑤储集岩。
(1)温压稳定性条件
天然气水合物形成需要一定的温度和压力。海洋中形成天然气水合物，通常要求水深在300～4000m，温度在2.5～25℃之间(Max et al.，1998)。根据Shipley(1982)关于天然气水合物形成的温度-压力数学模型(图8.5)，当地温度为5℃时，由甲烷气3.5%盐度的海水形成天然气水合物的压力需达4.3GPa以上(在同等温度条件下，由甲烷气和水或者由甲烷气和CO2混合气体形成水合物所要求的压力稍低一些)，相当于海底430m深度的压力，随着深度增加，地层中的温度通常呈线性增加(3～10℃/100m)，而水合物的形成压力随温度增加呈对数增加，因而在大多数盆地中，压力增加远远不能满足这个要求。受自然界温度压力条件*，天然气水合物只能赋存于高纬度常年冻土带、深海近海底的浅层沉积物中。
图8.5 甲烷水合物形成的温度和压力模型
(1atm＝105Pa)
正常条件下，在海洋中表层水温接近0℃、水深为3000m的深水区，天然气水合物稳定带的厚度可达1000m左右；在表层水温接近4℃、水深为1000m的浅水区，天然气水合物稳定带的厚度约为400m。天然气水合物的分布深度和厚度与地温梯度密切相关，地温梯度大，天然气水合物埋深相埘较浅、厚度较薄；反之，地温梯度小，则天然气水合物埋深和厚度都将增大。根据温度-深度模型，对辛普森角、普鲁德霍湾及梅索雅哈气田的天然气水合物深度进行了预测，辛普森角的地温梯度较大(4.2℃/100m)，形成的甲烷水合物带较薄，厚度大约在100m左右，埋深300～500m；普鲁德霍湾的平均地温梯度约1.8℃/100m，甲烷水合物的埋深为213～1067m；梅索雅哈气田的平均地温梯度为2.0℃/100m，实测的天然气水合物埋深为350～875m，比理论计算深度略浅。
众所周知，溶解了盐的水将降低凝固点。如阿拉斯加北坡含冰的冻土带底面温度并不是0℃，而是一个稍低的温度(Collett，1993)。当盐加入到天然气水合物系统中时，就会形成一个较低的温度。在天然气水合物形成的同时，孔隙水中的盐与天然气接触，每加入1‰的盐，结晶温度会降低0.06℃(Holder et al.，1987)。因此，类似于海水(32‰)的孔隙水的盐度，将使天然气水合物稳定性曲线向左偏移约2℃，天然气水合物稳定带厚度将降低。
(2)气源
气源岩可生成大量微生物成因和热分解成因的烃气，是决定天然气水合物形成和分布的重要控制因素(Collett，1993，2002；Kvenvojden，1993；Collett et al：.2009)。尽管碳同位素资料显示，很多大洋水合物中的甲烷是微生物成因，但实际水合物样品的分子和同位素地球化学分析却表明，来源于墨西哥湾、北阿拉斯加、Mackenzie三角洲、里海和黑海水合物中的天然气是热成因(Collett，1995，2002；Dallimore and Collett，2005)。
评价一个给定的水合物系统中可能存在的天然气体积时，重要的一步是量化可能的气源(Collett，1995；Klauda and Sandler，2005；Frye，2008)。评价通常包括一系列的最低源岩标准值，不管是微生物成因还是热成因的源岩，如有机质丰度(总有机碳)、沉积物厚度和热成熟度。
微生物成因的天然气是由微生物对有机质的分解作用形成，有2种来源：二氧化碳还原反应和发酵作用，其中二氧化碳还原反应生成的天然气是微生物气的主要来源。参与还原反应生成天然气的二氧化碳，主要是南有机质的氧化作用和脱羧作用形成，因此丰富的有机质对微生物的形成非常重要。Finley和Krason(1989)对Blake Ridge海洋沉积物的研究表明，当总有机碳(TOC)含量为1%时，如沉积物中所有有机质全部转化为甲烷，由此形成的水合物，可以占据孔隙度为50%沉积物中28%的孔隙空间。实际上，有机质100%转化为甲烷并不现实(Kvenvolclen and Claypool，1988)。USGS在1995年美国天然气水合物的资源评价中认为，微生物转化有机质的效率为50%(Collett，1995)，因此就设定了海洋环境中水合物形成需要的TOC最低含量为0.5%。由于多数水合物稳定带中，沉积物厚度较小且TOC含量较低，水合物稳定带内部通过微生物作用形成的甲烷，可能不足以形成厚层的水合物。Paull等(1994)研究表明，热成因气以及由深部向上运移的生物成因气，对于形成厚层水合物是必需的。一旦天然气水合物稳定带形成，来源于稳定带底部和深部的微生物气就可以聚集。
图8.6 从新鲜沉积物到变质带有机质的演化
热成因甲烷是在有机质热演化过程中生成的。在早成熟期间，热成因甲烷与其他烃类和非烃类气体一起生成，通常伴生有原油。在热演化程度最高时(图8.6)，干酪根、沥青和原油中的C-C键断裂，只有甲烷生成。成熟度随着温度升高而升高，每类烃都有最有利于其生成的热窗。甲烷主要是在150℃时生成(Tissot and Wejte，1978；Wiese and Kvenvolden，1993)。早期研究认为，天然气水合物中的甲烷主要来源于微生物源岩，资源评价过程中也就只关注微生物源岩。但最近在北阿拉斯加(Collett，2009)和加拿大(Dallimore and Collett，2005)的研究却表明，热成因源岩对于形成高丰度的天然气水合物聚集非常重要。
(3)水源
天然气水合物的形成显然需要大量的水。I型天然气水合物的理想气水比为8/46，而Ⅱ型天然气水合物的理想气水比为24/136。一般认为，海洋和陆地沉积物中的水非常丰富，但在一些特殊情况下，由于缺乏可利用的水也能阻止天然气水合物形成。深水环境中出气口等位置的气泡，可以通过厚层的天然气水合物稳定带，而不被捕获(Trahu et al.，2004)。气泡相天然气之所以能够穿越水合物稳定带，可能是因为起运移通道作朋的裂缝墙“镀”上了天然气水合物膜，气泡相天然气沿着水合物填充裂缝中的内部导管运移，并没有与自由水接触。在这个系统中，对水的排斥最终阻碍了天然气水合物的形成。北阿拉斯加的天然气水合物稳定带中就有含自由气的砂岩存在，即一个孤立的砂体在厚层泥岩地层中，被自由气充注而仅含有百分之几的束缚水(Collett，2004)。
