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海底沉积层里由于游离气迁移而形成的水合物储藏在全世界海域广泛被发现,由于在这种渗漏体系下形成的水合物具有分布集中,储藏密度大,成藏与物化条件优越等特点,且具备很强的实际经济性开采价值,其资源意义十分重要,目前己成为全球能源、气候等领域研究的热点。
渗漏型甲烷水合物的形成受很多因素的影响,如温度、压力、地质构造等,然而,游离气的迁移与输运是控制沉积层内水合物成藏的关键因素,这也表明水合物成藏是一种动态演变过程,根据水合物赋存的这种动态过程对水合物储藏分类是认识和开发这种资源的重要步骤。论文首先总结了目前不同的含水合物沉积层赋存状态,接着又从生成和分解速度相对大小角度提出了天然气水合物的动态成藏理论;分析指出天然气水合物储层状态主要存在三种类型:成长型(包括渗透型与扩散型)、成熟型和消退型,必须结合经济型指标对这三种类型水合物藏进行开采可行性研究;研究水合物在多孔介质沉积物中的动态演变特征也表明成长型水合物藏,特别是发育中的渗漏型水合物系统是最值得予以研究和关注的储藏类型,其资源量仍在不断增长之中;这也说明,对于我国南海北部琼东南盆地、南沙海槽和东海陆坡等可能具备渗漏型水合物成藏条件的地区必须研究其动力学特征,找出最恰当开采方案,而对属于消退型水合物储层的青藏高原冻土区羌塘盆地应该尽快开采利用,同时,西北冻土带也可能赋存着“残余”水合物储层。
由于海底原位考察游离气迁移与水合物形成的困难,模拟这种在环境下生成水合物实验是研究此种体系下各种特征的重要手段。通过在自制的透明鼓泡反应釜内模拟气体迁移与水合物形成实验,论文描述了随着CO2气体的通入,反应釜中水合物快速生成、水合物与砂层的胶结及水合物柱等现象,从传热与传质、溶解性质、过压等角度分析了造成这些现象的原因,论文进一步指出需要研究新的水合物相图以更准确描述气体渗漏-游离气迁移-水合物形成这种新特性。
一般而言,扩散系统里没有大规模的热力学成因气的迁移,水合物主要是生物成因溶解气在原位缓慢形成,而渗漏系统下水合物形成往往伴随着热成因和生物成因混合游离气大量快速迁移,是一种运动着的动态体系,扩散和对流分别是扩散系统和渗漏系统的主要传热方式。论文从传热角度建立了水合物生长模型,计算并比较了南海北部陆坡琼东南盆地里甲烷水合物在渗漏系统和扩散系统下的生长速度,计算结果表明,在相同的条件下,渗漏系统水合物形成速度比在扩散系统里要快约20-40倍,这也说明渗漏系统水合物成藏更快,资源更大。
由于游离气迁移及甲烷输运,渗漏系统里甲烷水合物形成是种典型的多相流过程,游离气是控制这种体系下水合物成藏的关键因素。论文建立了水-气(游离气)-水合物-盐反应的多相流模型,演绎了在四个不同时刻随着水合物的形成,溶解度、渗透率、毛细压力、饱和度及盐度等的联动演变关系,并分析和比较了在沉积层水合物稳定区域内不同游离气饱和度和甲烷渗漏通量情况下水合物的形成过程和三种成藏类别。根据模拟显示的规律,结合地质钻井取样资料,论文反演了神狐海域水合物的形成,指出该区很可能是属于发育阶段的成长型渗漏系统水合物储藏,按照甲烷渗漏通量为0.5kg/m2·a计算,该地区已演化了约4800a,还需要约2700ka孔隙中水合物可到最大体积饱和度,达约75%,并在此后游离气将溢出沉积层进入海水中;计算得最终的甲烷水合物储量约为1.47×109m3,即该区最终将储存着约2200亿立方米甲烷气,是现在预测的约13倍,进一步说明了神狐海域属于水合物仍不断聚集和形成的储藏地区!