海底渗漏区游离气运移、甲烷水合物形成及资源预测

关金安(1980—)，男，副研究员，主要从事水合物动力学研究，E-mail:guanja@ms.giec.ac.cn。

1.中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室/中国科学院广州能源研究所，广州510640。

2.华南理工大学强化传热与过程节能教育部重点实验室，广州510640。

渗漏水合物的形成是多相流相互作用的结果。为了准确评价海洋水合物的资源潜力，有必要研究这类水合物的形成过程。渗漏系统中向上运移的甲烷气(游离)和原位孔隙水(包括溶解气和溶解盐)与固体骨架相互作用，生成水合物并在孔隙中沉积凝胶形成储层；在这个过程中，游离气的运移改变了沉积层的地质性质，是漏失水合物聚集的控制因素之一。基于流动-输运-反应机理，建立了多相流动模型，推导了水合物形成过程中孔隙毛细管压力、渗透率、各相饱和度和矿化度在反应开始和结束时的联动关系。结合南海北部神狐海域的地质勘探资料，对水合物的赋存状态进行了评价，推测该海域水合物饱和度最高可达75%。

关键词:游离气；甲烷水合物；流量

渗漏海域水合物稳定带中游离气运移形成甲烷水合物及资源量估算

关继南1，梁德清1*，吴能友1，范帅石2

1.中国科学院广州能源转换研究所/可再生能源与天然气水合物重点实验室，广州510640

2.华南理工大学，强化传热与节能教育部重点实验室，广州510640

文摘:渗流海底沉积物中的水合物生成是一个典型的多相流动过程。为了准确评估海洋水合物资源的潜力，必须研究海底沉积物中水合物的形成。上升的游离甲烷、原位孔隙水(包括溶解气和盐)和沉积物中的固体颗粒相互作用，形成甲烷水合物并在孔隙中沉淀。游离气体迁移改变了沉积层的地质性质。它是控制渗流系统中水合物形成的关键因素之一。根据这种流动-传递-反应过程，建立了包括水-气(游离气)-盐-水合物的多相流动模型。按照两种不同的场景(开始和结束)，推导了毛细管压力、渗透率、相饱和度和矿化度随水合物形成的变化关系。根据模拟得出的规律，结合野外钻井获得的信息，对南海神狐地区甲烷水合物的形成进行了预测。有人推测，在这个海底HSZ下面，可能有中等的甲烷流量。如果流量约为0.5kg·m-2a-1，那么它将继续演化约2 700 ka，直到孔隙中的水合物饱和度达到其峰值(约75%)。

关键词:游离气；甲烷水合物；甲烷通量

0简介

甲烷水合物(MH)广泛存在于全球海洋和冻土中[1-2]。估计约有1.2×1017m3甲烷在海洋中以水合物(STP)形式存在，约有1015mol甲烷以游离或溶解形式存在。渗流型水合物储层具有分布集中、储集密度高、成藏物理化学条件优越的特点[5]，其资源意义十分重要。

海底多相流体流动区域沉积物孔隙中水合物的形成是一个典型的多相流动输运过程[6]。除了气体(游离气和溶解气)、孔隙水和盐，生成的水合物也影响水合物的进一步形成。对于这种多相流动过程，Clennell等人【7】解释了甲烷气体迁移和聚集对水合物形成的影响；Milkov等人[8]分析了ODP站ODP1249的水合物岩心，指出该体系中可以存在水合物、气体和盐；数值模拟结果还显示了温度、压力、甲烷体积分数和盐度之间的演化关系[11]。而水合物的形成会吸收孔隙中的水和气体，直接导致多相流组分的变化；同时，水合物胶结沉积地层的格架改变了含水合物沉积地层的结构和性质，必须加以研究和确定。

在泄漏区，游离气不仅在水合物稳定带(HSZ)底界下大量聚集，而且在HSZ中快速运移，使沉积层孔隙中的盐度增加，进而改变该体系下的地质分层，产生水合物-气-盐三相存在[12]和海底气体“火焰”等现象[12]。一方面说明游离气参与了水合物的形成，另一方面也成为检测水合物聚集的间接证据。南海神狐海域的地质勘探、野外钻探取样和岩心分析表明，该海域很可能是一个渗漏型水合物储库[14-18]。本文将根据泄漏型水合物的形成规律，分析神狐海域甲烷水合物的储存情况。

1游离气体运移和相图

当富含饱和溶解甲烷的孔隙水随着游离气从游离气层(FGZ)向上移动时，它穿透HSZ的底部，进入HSZ。溶解的甲烷首先在孔隙中生成MH并沉淀，使孔隙水中的甲烷浓度降低，同时部分游离甲烷气体溶解在孔隙水中生成MH，直到局部孔隙中的MH浓度达到饱和，底部的新流体和游离甲烷继续上移，反复生成MH。由于盐离子被水合物晶体排斥，孔隙中MH周围的盐离子浓度增加，改变了MH形成的热力学相平衡条件，抑制了MH的形成，降低了HSZ的厚度。游离甲烷气体的连续供应增强了盐离子的这种抑制作用。当原位沉积物孔隙中的MH达到最大饱和度时，体系趋于稳定，没有MH生成。游离气成功穿越HSZ到达海底，泄漏到上层海水中并溶解(图1)。总的来说，沉积孔隙中MH的形成是一个两相和三相之间的转化过程:气-水相变成气-水-水合物，最后变成气-水相。

图1南海北部甲烷水合物赋存区，(a)温度-深度相图，(b)浓度-压力相图。

游离气进入HSZ地区后形成水合物，改变了孔隙中的矿化度，进而影响水合物的形成和形态。(a)当盐度从3.4%增加到13.6%(四倍)时，水合物面积从EBC到EAD减小，底部深度从403 m减小到384 m，减小的面积约为原始面积的9.85%，对应于图b中的底部。当游离气从底部上升并穿过BH线(3.4%盐度w(Na Cl)，或线AI 13.6%%盐度)时，在线的右侧形成水合物

2多相流分析

2.1模型建立

对于由气-液-固三相和甲烷-水-盐-水合物组成的多相流系统，做了如下假设:

1)不考虑组分的分子扩散，沉积物的孔隙总是被组分完全填充，是各向同性的。

2)泄漏气体为单组分甲烷，以游离甲烷和溶解甲烷形式存在，初始溶解甲烷是饱和的。

3)盐只溶解并始终存在于孔隙水中，不考虑盐饱和度变化引起的盐结晶。

根据上述假设，分别建立了气体和水的输运方程:

对于水，它存在于水合物和液态水中:

南海天然气水合物富集规律及开采依据专集

对于甲烷，它存在于气相、液相和水合物中:

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其中(1)和(2)；φ为地层孔隙度；Sκ是组分体积饱和度；ρK为组分密度(kg/m3)；甲烷在水中的质量分数就是它的溶解度；ηK代表水合物中各组分的质量分数；k和krβ分别为地层的固有渗透率(m2)和组分的相对渗透率；μK为组分粘度(Pa·s)；PK为相压力(MPa)；g是重力加速度(kg/m3)；Cg是甲烷气体的可压缩性，由公式(3)定义，Bg是甲烷体积系数:

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此外，结合饱和度的限制条件和毛细管压力公式，可以形成方程:

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游离气饱和度可通过线性回归确定:

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采用的相关参数见表1。

2.2结果讨论

甲烷气(游离态)和水(包括溶解气)进入HSZ，在适宜的温度、压力和盐度条件下形成水合物；同时，沉积地层的各种属性和流体性质也随着水合物的形成而发生变化。

2.2.1 HSZ MH形成过程

根据气相甲烷饱和度始终为2%，甲烷泄漏通量为0.5kg/m2·a的临界状态，推导出水合物的形成过程(图2)。

图2显示了(a)孔隙中气体和液体之间的毛细管压力，(b)含水合物沉积物的渗透率，(c)气体、水和水合物饱和度，以及(d)从36d开始到3100ka结束的不同时间，随着游离甲烷持续进入HSZ，孔隙盐度的变化。图中HSZ底界在403米(bsf)，边界条件如图1所示。

当t=36 d时，深海底的甲烷进入HSZ底部形成水合物，从底部引入的甲烷对HSZ水合物形成的影响已经达到海底(图2a c)；由于水合物的形成，气液界面的接触面积和张力发生了变化，导致毛细管压力沿着这个距离增加(图2a a)。同时，由于水合物的胶结作用，沉积层的渗透率开始降低(图2a b)；盐离子的排除使得局部孔隙水盐度增加(图2a-D)。

当t=3 100 ka时，反应结束，HSZ中的MH不再生成。从图2b C中可以看出，这里的水合物饱和度梯度非常大，因为海底的水合物饱和度限制为0，这也表明，如果模型中考虑了海水中的HSZ，该区域将继续产生水合物。此时海底最大Pc可达30 k Pa左右(图2b a)；而水合物胶结的砂层渗透率达到10-20m2左右，已经达到相当致密的水平(图2b)。盐度在HSZ底部边界达到最大值，约为16%(图2b D)。

表1用于模拟南海神狐海域MH形成的相关参数数据

甲烷泄漏通量

影响水合物形成的另一个重要参数是甲烷渗透通量qm(kg/m2)。不同的渗流通量使得水合物形成速度、成藏资源乃至含水合物沉积物的成藏形态和产状都有很大差异。Roberts等人[19]描述了墨西哥湾慢、中、快渗流区海底的地质形态，陈多福[20]；建立了1种渗流模型，提出了划分这三种渗流类型的1种标准。在此基础上，在相同的游离气饱和度下(进入HSZ底部的Sg均为0.1)，分别计算了6种不同的渗流通量，探讨渗流通量对渗漏系统中MH形成过程和积累的影响。表2给出了慢、中、快三种泄漏通量区间计算的两个不同的qm值，范围从0.05kg/(m2·a)到100kg/(m2·a)，基本可以包含全球海域发现的水合物泄漏区域的通量范围。

表2不同甲烷泄漏通量范围决定的甲烷泄漏系统演化阶段

计算表明，在每种泄漏通量下，水合物产量在最初的短时间内急剧增加，然后在较长时间内缓慢增加。在慢速和接近慢速和中速(0.05kg/(m2·a)，0.5kg/(m2·a)，1kg/(m2·a))的地方，水合物形成达到最大值的时间几乎相同，但qm值越高，时间越短。Qm从0.05kg/(m2·a)到100kg/(m2·a)，水合物达到最大值的时间从2,400 ka减少到227 ka，最大qm值的时间是最小qm值的9.5%。但水合物的单位面积产量也从38.35 kg/m2变为36.15 kg/m2，下降了约5.7%。判断这也是因为水合物形成速度加快后，沉积层的孔隙度和渗透率急剧下降，阻碍了水合物的进一步充分形成。

神狐海域水合物聚集的反演

神狐海域的温压环境是根据海底深度1 250 m，海底温度3.4℃，地温梯度45℃/km，沉积压力梯度10 MPa/km，平均孔隙盐度3.5%五个基本参数计算的。该区目前没有HSZ或BSR地区游离气饱和度的估算，但由于南海北路整个斜坡区的地质结构与墨西哥湾相似，可粗略计算为底部进入HSZ的游离气饱和度的5%[20]；同时，我们不知道神狐地区甲烷渗漏到HSZ底部的通量。然而，在SH2钻井现场，水合物的最大饱和度在大约80米的厚度范围内达到48%。与典型泄漏点相比，卡斯卡迪亚水合物脊约65，438+0249和65，438+0250厚度范围内最大饱和度可达70%左右，其泄漏量可达70%左右。据此，有了这些基本的物性参数，结合检测到的水合物饱和度、孔隙矿化度等数据，就可以做出合理的推测。

在上述给定的物性参数下，模拟计算了检测到的水合物饱和度分布出现的一般情况。用qm为0.5kg/(m2·a)计算的甲烷饱和度分布图和孔隙矿化度见图3，与钻井结果吻合较好。

图3神狐SH2站水合物饱和度分布

黑点表示现场测量的水合物饱和度分布，红色虚线表示模拟水合物在深度上的分布得到的曲线，最大饱和度约为48%。

在该模型中，海底表面的水合物饱和度被限制为0，连续演化达到最大饱和度(75%)的反应时间被计算为约5 500 ka(图4)，这表明该区域是在气液流进入水合物稳定区的初期形成并大量积累的。根据面积约16 km2存在甲烷水合物储层，面积概率为10%，深度概率为20%，假设孔隙甲烷转化率为10%。经计算约5,500 ka，该区最大资源量可达约1.25亿m3甲烷气，约为目前估算的7 ~ 8倍。

图4神狐地区SH2完全开发后水合物分布云图。

4结论

海底渗漏区富含游离气，移动迅速，被认为是最有潜力的水合物储层。根据流动-输运-反应机理，建立了模拟泄漏水合物形成和聚集的多相流模型。推导了游离气运移开始和结束时沉积层孔隙中毛管压力、渗透率、各相饱和度与矿化度的联动关系，分析了水合物的形成过程，讨论了泄漏通量对水合物聚集的影响。最后，结合神狐海域的地质资料，推断了该区水合物的聚集类型及其资源潜力。

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