第 18 卷第 2 期 2 003 年 4 月 地球科学进展 Vol.18 No.2 ADVANC E IN E ARTH SC IE NCE S Apr.， 2003 10 01-8166（2 003）02-0321 -05 文章编号： 美国 天然气水合物研究计划介绍 1 1 2 3 陈多福 ， 徐文新 ，吴时国 ， 宋海斌 ，姚伯初 4 （1.中国科学院广州地球化学研究所，广东 广州 510640 ；2 .中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266071 ； 3.中国科学院地质与地球物理研究所， 4． 北京 100 10 1； 国土资源部广州海洋地质调查局，广东 广州 510 075） 摘 要：以美国近年来提出的天然气水合物研究计划和项目申请书为基础，介绍美国科学家在天然 气水合物研究领域中所关心的关键科学与技术问题和研究焦点，供 我国天然气水合物研究 者在项 目设计和开展研究工作时参考。 美国天然气 水合物研究 关注的重点 科学问题主要 集中在 4 个方 面：天然气水合物的物理与化学特性研究；天然气水合物开 采技术研究；天 然气水合物灾害—安全 性与海底稳定性研究；天然气水合物在全球碳循环中的作用研究。在研究方法上主要采取 天然气 水合物区的现场地质地球化学观测、实验室合成和测定及计算模拟，特别关注与水合物和油气冷泉 相关的生命过程及与水合物的相互作用研究。 关 键 词：天然气水合物；研究计划和项目；研究动态；美国 1 3 文献标识码： B 中图分类号：P61 8 ． 1 美国 1999 年度国家天然气水 合物 研究与发展计划 ① 天然气水合物 具有巨大的资源前景，全球产于 8 3 水合物中的天然气达 1 .98 ×10 亿 m ，是全球常规 油气能源的许多倍。美国估计水合物中的天然气达 28 30 ～849 0 m 3 。如果能在 技术和经济上 切实可行 地从水合物中安全开 采天然气，则国家经 济增长将 发生变革，国家能源的长期安全将得到保障，环境质 量将获得改善。 1997 年总统科学与技术顾问委员 会向能源部、 工业和其它政府部门建 议开展“了 解全球天然气水 合物的能源前 景”的研 究和 发展计 划，总统科 学与 技术顾问委员会建议在前 5 年内提供 1 700 万美元 的经费，在 1 0 年内提供 5 000 ～2 0 000 万 美元的经 费。 1999 年美国政府以 S .330 和 H .R .17 53 决议立 Hydrate Multi-Year R ＆D Program Plan）。该 计 划的 国家和科学目 标为：① 提供一 个综合 的数据 库，包 括：资源评价、开采的可能性、海底稳定性和安全性、 对环境 /气候的影响；② 201 0 年消除水 合物开采的 技术阻碍；③ 评估水合物开采和水合物区常规油气 开采的安全性；④ 20 15 年提供水合物资源商业开采 的方法；⑤ 确定国家能源安全；⑥ 在全球能源市场 中占据重要地位。主要解决的科学问题有：① 建立 水合物资源 评价 方法；② 发 展水 合物 商 业开 采技 术；③ 理解和量化水合物在全球气候变化和碳循环 中的双向作用；④ 回答工业界所关心的在常规油气 勘探、生产和运输过程中与水合物相关的安全性、海 底稳定性和管道堵塞问题。主要有四大研究领域： 1 .1 水合物的资源特性 主要目的是准备、分析、评价和发展水合物在地 质环境中的特性，精确评价 水合物矿藏 中的天然气 法支持设立国家研究与发展计划（Nation al Methane 收 稿日期：2002-03 -18 ；修回日期：2002 -07-06 ． * 基 金项目： 40072044）； 国家 自然科学基 金项目“南海北 部陆缘水合 物形成 和稳定 分布 的地化 边界 条件模 拟”（编 号： 国家 自然 科学 基 40073023）资助 ． 金项 目“输气管线中 气体水合物 形成和分解 机理及其灾 害防治研究” （编 号： 作 者简介：陈多 福（1962 -），男 ，江苏苏州人 ， 研究员， 从 事盆地流体 沉积与成矿 及天然气水 合物研究.E -m ail：cd f＠gig. ac.cn ① U S D epart m ent of Energy Off ice of Fossil Energy F ederal Energy T echn ology Center. National m ethane hydrate m ult i-year R ＆D P rogram Plan， 1999.1-3. 32 2 地球科学进展 第 18 卷 资源的数据库、测绘系 统和模型。确定水 合物矿藏 模型能否确切预测水合物的分布；② 水合物是否影响 的地点、范围、沉积关系、物理特性，评价它在区域和 全球 能源中的潜 力。有 7 个方面：① 资源评价；② 实验研究；③ 野外地球 物理、地球化 学和微 生物研 究；④ 预测模 拟；⑤ 资源量和储量 评价；⑥ 经济确 认；⑦ 技术发展。 沉积物的地球化学性质和成岩作用；③ 生物地球化学 特别是甲烷的氧化作用是否会影响水合物的产出；④ 区域流体是否会影响天然气向水合物稳定带的输送； ⑤ 地球物理技术是否能预测水合物的分布。 1 .2 开采 主要目的是发展 在 20 15 年进行 海底和 冻土带 商业开采水合物中天然气的知识和技术。主要研究 内容有：① 初步的开采研究；② 储藏模拟和过程设 计；③ 开采试验。 1 .3 全球碳循环 天然气水合物对全球碳循环和气候变化具有双 重作用：一是 水合 物中甲 烷气 的直接 或间接（通过 化学和生 物 化学 作用 形 成 二氧 化 碳）释 放 进 入大 气；二是低碳的甲烷可替代 多碳石化燃料 而降低人 为温室气体的 排放。 因此，主要的目的是 认识水合 物在全球碳循环和相关的全球气候变化中的双重作 用。主要 研究内容有：① 水合 物分解机理和 作用； ② 来自水合 物的天 然气释 放的 后果；③ 地质 记录 中的水合物天 然气的 释放；④ 综合模 型的建立；⑤ 温室气体的减缓作用。 1 .4 安全性和海底稳定性 由于天然气水 合物常在常规油气勘探、开采和 运输过程中相伴产生，因此，将重点研究石油工业关 心的安全性和海底稳 定性，提供切实可行 的低成本 解决水合物灾害的方 法，并 监测水合物的 分解而引 起的长期全球气候变暖导致安全性和海底稳定性恶 化效应。发展和理解海底沉积中水合物体系和水合 物沉积作用，包括 沉积 物的 运动 和天 然气 的释 放。 主要有：① 安全性和海底稳定性基 础研究；② 建立 进一步的安全性和海底稳定性模型；③ 安全性和海 底稳定性缓解技术的试验、发展和野外示范。 2 美国墨西哥湾海底天然气水合物研究 ① 2.1 大洋钻探申请研究计划 美国墨西哥湾是全球典型天然气水合物分布区之 一。到目前为此，是全球发现 I、II 和 H 型水合物均有 发育的唯一地区，也是常规油气资源的富集区。2000 年由德州 A ＆ T 大学向 ODP 提出申请计划。 科学目标有：① 高热流区水合物的分布；② 水合 物对沉积物、 生物地球化学和成岩作用的影响；③ 水合 物与区域流体和沉积特性间的相互影响；④ 水合物的 地球物理特性。关键的科学问题有：① 水合物稳定带 主要的研究内容有：① 在高热流区测定水合物物 质和相平衡及浅部沉积中的伴生天然气；② 确定高热 流区水合物稳定的物理和地球化学条件；③ 验证和改 进现有的水合物稳定带预测模型，特别是混合成因天 然气和可变的水合物矿物结构；④ 确定水合物形成和 分解对潜在灾害相关的伴生沉积物的物理特性和成岩 作用的影响； ⑤ 建立地球物理测井技术、样品的物理和 化学及沉积特性的测定方法；⑥ 确定微生物作用影响 水合物稳定的化学参数；⑦ 确定在高热流区较大区域 水文地质背景中局部的水合物堆积作用；⑧ 确定丰富 烃类系统中深部生物圈的分布、能量、营养、成因、谱系 和多样性。 2.2 北部墨西哥湾海底天然气释放的变化： 天然气水 合物的堆积—分解循环② 该项 目由 路易 斯 安那 州立 大 学、康 乃 尔大 学、 Wo ods Hole 海洋理工、 德州农工大学于 2001 年联合提 出申请，主要监测 1 年内的海洋和海底环境变化对水 合物的影响，如海底水环境、海底温度、天然气泉的变 化，运用声学方法监测 1 年内的天然气流量，利用渗透 取样技术监测海底气泉的化学组成和确定气泉中热成 因和生物成因天然气的比例，建立一个天然气来源、沉 淀、运移通道和时间周期的模型来理解控制海底气泉 随时间变化的因素。 研究目标主要有： ① 运用 3D —地震和钻井资料确 定海底地质特征，包括流体和天然气的运移路径；② 确 定产有水合物区的海底温度、盐度随时间的变化、海底 1 m 内沉积层温度变化、天然气流量变化、海底喷溢天 然气的化学和同位素组成变化；③ 确定进入水体的天 然气的命运； ④ 建立数学模型来解释随时间变化的各 种测定参数， 确定水合物中天然气的来源、水合物的稳 定性、热成因天然气的喷溢、水合物在浅部沉积物层的 含量和运移通道的渗透性。 研究内容主要有： ① 监测海底的中到快速天然气 ① Kennicutt I I M C ，Sage r W W ，Sassan R ，etal. Gas hy drate in a petro- leum basi n，Gulf of Mex ico：The i m pact of fo cused flow o n occ urre nc e and habit.2000.1-25. ② Rober ts H ，Cathles L，et al. Mea sur ing a nd m o deling v aria tions in the r elease o f hydro car bo n gas：Ac cum ulatio n-de com po sition c ycle s of g as hydra tes，N orthern Gul f of Mexic o， 2001.1-27. 第 2 期 陈多福等： 美国天然气水合物研究计划介绍 3 23 泉的流速、海底水和沉积物的温度；② 监测海底气泉的 隙介质中的流动。 天然气和流体的组成；③ 水体中天然气羽状体的不连 续测定；④ 建立研究区 3D 地质和基于化学变化的 2D 和 3D 计算机模型及在研究区的应用。 2.3 墨西哥湾水合物研究与发展工作组① 墨西哥湾水合物研究与发展工作组由 58 个政府、 （5） 开采技术研究。主要目的是获得水合物野外 基本数据、开采或分解速率的理论及一些高可信度的 水合物分解对周围环境和水合物层下部聚集的游离气 国家实验室、学术团体、企业、海军和大学等科研与生 产机构的 91 位科学家参与。主要的研究领域有： （1） 在水合物区进行常规油气钻探的安全性研 究。主要研究在海底水合物区开展常规油气勘探钻井 中遇到的水合物危害有关问题和解决的技术。主要的 研究内容有： ① 建立水合物带的钻孔稳定模型；② 编 写水合物区钻井操作规程指南；③ 钻井过程中的实时 诊断；④ 水合物层钻井新材料开发。 （2） 海底稳定性研究。通过水合物层的常规油气 钻探可引起水合物层的快速的温度和压力变化，导致 喷发和海底的不稳定，产生滑坡和碎屑流。因此，有必 要鉴定与水合物分解有关的海底稳定性与海底运动并 寻找出解决的途径。主要研究：① 获得通过水合物带 连续的钻孔岩芯和井录资料；② 建立一个全球水合物 资料网站；③ 发展高分辩率地球物理技术来更好地确 影响的数据。这些问题涉及已经认识到的水合物分解 释放天然气对环境的长期影响和对安全性的影响及开 采水合物在经济上的认同。主要研究内容有：① 开采 数据的获取—测试井钻探，确定一个浅水到中等水深 的测试井位， 进行钻井施工、开采速率试验、开采演示、 数据采集，分析并发布原位测定的数据； ② 水合物采样 和分析，在钻井后进行样品的采集和分析，发展一些新 的与水合物采集和分析相关的方法和设备；③ 野外和 实验室水合物性状特征确定，进行实验室合成水合物 样品的测试研究，建立合成样品规范和测定条件的范 围，测试结果与现有数据对比、并进行不同实验室之间 的数据对比； ④ 沉积物流变学和非达西流动的储集层 模拟，对已有模型进行总结，增加水合物的新数据，对 实验数据进行模拟验证。 3 美国俄勒冈大陆边缘水合物大洋钻探 研究申请计划② 定水合物矿床的特性；④ 建立并改进地震、水合物和沉 积物的物理和化学性质的实验室测量新技术；⑤ 建立 水合物的地球物理和地球化学模型。 （3） 资源特性研究 A 组。主要目的是解决水合物 区进行常规油气钻井和开采的安全性，理解水合物对 海底沉积物和沉积作用的影响，确定水合物分布位置、 地区，产于附冲带增生体中，其构造背景与墨西哥湾明 显不同，是水合物研究比较深入的地区之一。该计划 由俄勒冈州立大学 1998 年提出申请，但未获批准。 特性和体积，发展水合物区进行常规油气勘探和开采 的技术。研究内容主要有： ① 建立水合物的地质、地球 物理、储藏模型； ② 建立水合物的数据库，包括水合物 温压、全球产出特征和条件及地震方面的资料等；③ 在 多孔介质中水合物的动力学和热力学。 物理和化学机理；② 运用地球物理远程测定技术评估 水合物的体积、下伏游离气的量。评价俯冲带环境水 合物的能源前景；③ 运用地球化学示踪、物理特性的测 量和微结构的分析，测定由地震资料获得的、由水合物 （4） 资源特性研究 B 组。主要目的是确定墨西哥 湾水合物的数量、分布位置和特性，改进地球物理方 法，增加水合物分布和数量确定的可信度及帮助确定 含水合物的沉积物的机械特性的测定。主要研究的内 容有 3 个方面： ① 水合物成像技术，应用地震技术确定 水合物储集体及其特征， 尤其是弱 BSR 地区，重点发展 3D /3C /A VO 方法确定海底 100 m 内的水合物； ② 获得 进行计算、模拟和资源评价的数据，包括自然状态的含 水合物沉积层的物理和化学特性，发展不改变含水合 物沉积物特性的取样技术和方法及保真运送技术；③ 建立水合物开采储层模型，注重于水合物的商业开采， 包括水合物的原地分解、流体 /固体间的相互作用、孔 美国俄勒冈大陆边缘是又一在海底产有水合物的 项目的研究目标有：① 比较 2 个不同沉积和构造 地区（新和老的增生体）的天然气来源和水合物形成的 的不稳定引起的 BSR 和 BSR 之下反射率的变化；④ 理 解水合物形成的地球化学效应，鉴别甲烷释放的地质 记录，理解水合物分解对全球气候变化的可能作用；⑤ 确定水合物胶结的沉积物及水合物层之下沉积物的孔 隙度和剪切强度，评价水合物、流体和斜坡稳定性间的 关系；⑥ 量化沉积物中甲烷形成细菌和甲烷消耗细菌 的分布，评价它们对水合物形成与分解及沉积物成岩 的贡献。 ① U SD OE ，National Energy Technolo gy L abor ator y. Gulf of Me xico hy- dra tes R ＆D workshop proc eedings.2000， 1-78. ② Trehu A ，To rres M ，Gio vannoni S，et al. Dril ling hydr ates on hydra te r idg e，O ffsho re Or eg on.1998， 1-21. 32 4 地球科学进展 第 18 卷 主要的研究内容包括以下 6 个方面： （1） 扩散流体环境海底附近水合物的形成。对整 个海底附近水合物形成作用及以下的水合物稳定带， 包括双 BSR 及其下部的反射前缘带取样和测井，确定 浅部块状水合物形成机理和历史，它们的分布、结构和 构造，水合物相的组成、同位素特征，探讨天然气来源 微生物群。通过钻探取样研究在水合物脊之下由于 细菌的甲烷生成作用和甲烷氧化作用对甲烷体积的 影响，甲烷形成细菌和甲烷 消耗细菌的 聚集深度对 沉积成岩、磁性矿物发育的影响，与水合物相关的生 物圈在水合物脊及 附近的斜坡盆 地的差异，理解生 物圈、沉积物、孔隙水化学和结构间的作用。 和形成机理及进入水合物相的运移作用。 （2） 地层和构造对水合物发育的控制。研究年 轻层状沉积物、水合物脊 的水合物和孔隙流体的 分 布、结构和化学组成，与水合物脊相比，检验斜坡盆地 天然气来源局限的推测，研究地层和构造对水合物发 （1） 天 然 气 水 合 物 形 成 与 稳 定 的 地 质 环 境 （1 999 —2 000）。实施 单位为 美国丹佛 GeoE xp lorers Intern ational 公司。 主要目 的是 建立 一个 水合 物特 育的影响。 （3） 水合物的地质和地球化学记录研究。水合 物形成和分解的地球 化学效应，鉴别地质 历史中水 合物形成的记录及与气候变化的可能关系：① 水同 位素分馏，研究水合物形成 的沉积物孔隙 流体的水 征和全球分布图。 （2） 墨西哥 湾水 合物资 料处理 和评 价（1997— 2003）。实施单位为美国丹佛地质调查局。主要采集 和评价在墨西哥湾天然气水合物的地球物理资料。 （3） 天 然 气 水 合 物 /沉 积 物 的 机 械 性 测 试 同位素；② 碳同位素分 馏，测定水合 物脊钻 孔样品 孔隙水和底栖有孔虫、自生碳酸盐岩的碳同位素，研 究水合物形成和分解 的过去和现 今机理，提供古海 洋、构造和气候的 历史信息；③ 沉积 物中水 合物的 H 2 S 螯合作用影响和 古地磁记 录，研 究钻孔 剖面中 （1 999 —2 001）。实施 单位 为美 国亨 廷顿 行政 区陆 军部，研究目的是量化水合 物和水合物 胶结的沉积 物机械特性。 （4） 水合物分解的天然气和流动式样的一些基 本特 征及 在安 全问 题中 的应 用（200 0— 2003）。实 铁的物相分布和磁性 特征，建立水合物形 成和分解 的地质地球化学标志。 （4） 校正水合物和天然气体积的地震估计。运 用地震和旁侧声纳技术在区域上对水合物和游离气 的体积进行估算，这对于评 价水合物资源 和水合物 在气候变化中的可能 作用非常重 要，该方 面的研究 施单位为美 国纽 约州克 拉克 森（Clarkson）大学，发 展一种计算技术能 测定水合物的 状态，并预测可能 的安全性问题。 （5） 甲烷 水合物 矿床 的三 维结 构和 物理 特性 （2 000 —2 003）。实施单位为怀俄 明大学，研究布莱 克海台水合物 /游离气体系的三维、多道地震反射图 目前还远远不够。主要研究具有不同地震特征的地 区、通过一系列的“嵌 套地震”（n es ted seism ic）实验 测定水合物、下部游离气带的地震特性，建立一些基 本的认识。 （5） 水合物和斜坡稳定性。目前对水合物和斜 像，用于圈定水合物和游离气的分布。 （6） 墨西哥湾海底稳定性和水合物监测站项目 （2 000 —2 001）。实施单位为密西 西比大学，主要目 的是研发一种综合 的多传感器的 遥控分析站，安置 于墨西哥湾海底，24 小时不间断对水合物或油气泉 坡塌陷的关系了解甚少。一方面水合物的胶结作用 可能会增加斜坡的稳 定性，另一方面水合 物对流体 的阻碍，使得流体和游离气聚集在下伏沉积物中，从 而降低斜坡的稳定性。这种双重作用可能导致斜坡 塌陷发生频率降 低但规模增大。因此，ODP 及同时 及邻近地区的海底 稳定性进行观 测，收 集海底水和 沉积物的化学和物 理参数，用于分析水 合物的形成 与分解过程。 （7） 海底天然气水合物气藏特性和水合物机械 特性 的确 定（200 0— 2002）。实 施单 位为 奥斯 汀得 进行的地震实验将估 算水合物的 量、检验 水合物的 存在而形成的过压及 水合物层 下部物质的不 稳定。 地震资料将提供水合 物及下伏 沉积物的剪切 强度， 沉积物的孔隙流体组成可评估水合物层的渗透性。 （6） 水合物和游离气带的微生物群落。研究表 克萨斯州立大学，主要是运 用已获得的 地震资料评 价水合物气藏及附近的环境，综合分析沉积关系、沉 积岩石类型的分布 和孔隙充填物，评估 海底稳定性 和深水区油气开采的安全性。 （8） 先进的储气概念项目———水合物贮藏天然 明大部分的水合物天然气是生物成因甲烷。水合物 及其下部的游离气带存在着生成甲烷和氧化甲烷的 气项 目（199 7— 1999）。实 施单 位为 密西 西比 州立 大学，主要研究运用水合物来贮藏天然气的可行性。 4 美国的其它天然气水合物研究项目 3 25 第 2 期 陈多福等： 美国天然气水合物研究计划介绍 （9） 水 合 物 井 的 准 备、钻 探 和 试 验（1 997 — （10） 深 海 沉 积 中 的 水 合 物 研 究（ 1997 — 20 01）。实施单位 为美 国丹 佛地 质调 查局，主 要在 20 01）。实施单位 为华 盛顿 海军 研究 实验 室，主要 加拿大麦肯齐三角洲地区进行钻探 1 100 m ，试验水 合物的开采，发展水合物开采的计算机模型。 目的是建立全球水合物资料数据库。 PROCEEDIN G OF GAS HYDRATE RESEARCH AND DEVELOPM ENT IN US 1 1 2 3 CHEN Duo-fu ，XU W en-xin ， W U Shi-guo ， SONG Hai-bin ，YAO Bai-chu 4 （1 .G uan gzh ou Institute of G eoch em istry of C hinese Aca dem y of Sciences，Gu ang zhou 510 640 ，Chin a； 2 . Institute of Ocea nology of C hinese Academ y of Sciences，Qing dao 2 6607 1 ， C hina ； 3. In stitute of G eology an d Geophysics of Ch inese Acad em y of S ciences， B eijing 1001 01 ， C hina ； 4 .G uan gzh ou Marin e Geolog ical Surveys，M GMR ，Gu ang zhou 510 075 ，C hina） Abstract：M ethane hydrates represent a potentially enorm ous natural gas resource. Estim ates range as h igh as 1 .98 ×10 16 m 3 beneath th e Arctic perm afrost and alon g the slopes and rises of con tin en tal shelves arou nd the globe， m any tim es the estim ated total of w orldw ide conven tional resou rces of n atu ral gas and oil. Th is global reservoir m ay profoundly im pact both the stability of th e sea floor and long-term clim ate. If it is determ ined that the safe p roduction of m ethane from hydrates is tech nically feasible and econ om ically viable，it w ould influnce th e w orld econom ic grow th，th e energy security，an d the w orldw ide environ m ental q uality. Here w e introdu ced the scientific and techn ologic key interests in h yd rate research and the recentresearch proceedin g as a reference to gas h yd rate research ers in Ch ina，based on several p rogram plan s and p rojects of gas h yd rate research in United State. Main research focused realm s are follow s：① E stablish an estim ate of gas resources from m eth an e hydrate deposits；② Develop the technology necessary for the com m ercial prod uction of m eth an e from h ydrates；③ Understand and q uantify the dual roles ofm ethane hydrates in the globalcarbon cycle an d their relation ship to globalclim ate change；and ④ Resp on d to ind ustry concern s regarding the safety an d sea floor stab ility issues and pip eline p lu gging concerns attrib uted to m ethane h yd rates w h ich are currently associated w ith th e exploration，prod uction ，and transportation ofcon ventional hydrocarbons. Key w ords： Gas hydrate；Research and developm ent； Un ited S tate ．
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