海底天然气水合物藏形成机理

[摘要] 天然气水合物是近年来在海洋和冻土带发现的新型洁净优质能源，分布广，资源量大，目前已经受到世界各国的关注，总结了海底水合物合成的条件和过程。

[关键字] 天然气水合物 宏观模型 成矿机理

[中图分类号] TE13[文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-1-171-1

0引言

随着油气资源的日益紧张，寻找并开发各种新型可接替能源的任务已迫在眉睫。天然气水合物是近年来在海洋和冻土带发现的新型洁净优质能源，据估算全球天然气水合物中碳的含量等于石油、煤等化石能源中碳含量的两倍，因而成为21世纪人类最重要的能源。

地球上天然气水合物含量丰富，27%陆地和90%海域中都存在，陆地上水合物主要存在冻土中200-2000米深度处，而海洋中主要存在于海底以下500-800米深度处。2007年，国土资源部地质调查局在中国南海北部神狐海域成功钻获天然气水合物实物样品。使我国成为距美国、日本、印度之后第四个钻探到水合物的国家，且初步预测，中国南海北部陆坡天然气远景资源量可达上百亿吨油当量。因此对天然气水合物的研究已经成为各国的热点，天然气水合物作为重要的替代能源，具有广阔的前景和发展空间。而对天然气水合物成藏的研究是对水合物进行勘探开发的基础，所以本文从各个方面对天然气水合物的成藏进行总结分析。

1 水合物合成机理

1.1 宏观模型

迄今为止，天然气水合物的合成过程在微观层面仍然不是很清晰，但在宏观层面上可以用一些热力学的模型进行解释。在Sloan提出的簇团理论体系中，气体分子首先溶解在水中，然后合成不稳定的簇，之后在水的表面聚集起来。当簇团达到一定尺寸后就合成了宏观的核。另外一种理论是Rodger提出的表面驱动层理论，他认为气体分子首先在水的表面吸附，之后被束缚在局部的晶体的空穴中，Kvamme运用动力学模型扩展了这个理论，预测了在水和二氧化碳表面首先成核，由于水表面的波动，水和气体分子才可以混合，从而形成水合物。簇团理论和表面驱动层理论都认为在水的表面首先出现水合物初级结构，所以这两个理论是类似的。另外一种模型是水和液态二氧化碳界面的分子动力学模型，叫作局部结构假说，认为水和气体分子可以随机移动并合成一个水合物相，这些随机合成的网状物达到一定尺寸后开始变的稳定，逐渐形成水合物晶体，局部结构假说认为水合物时没有任何中间体的自发形成。局部结构假说和簇团理论的流程图，可以看出簇团理论（a-b-c-e）和局部结构假说（a-d-e）之间的对比。（a）没有溶解气体分子的水（原始条件）。（b）气体分子溶解在水中后立刻形成的簇团。（c）簇团通过面接触形成聚集体。这些聚集体是不稳定的。（d）溶解在水中的气体分子没有形成簇团。（e）水合物成核。

1.2 水合物藏成矿模式

根据天然气的运移情况以及成藏的地质条件，把天然气水合物藏分成扩散性体系和渗漏型体系。扩散体系的天然水合物藏的形成比较缓慢，参与生成的烃类气体是由微生物或者热作用生成的，这些气体散布在海底以下较为松散的多孔沉积物中，在一定的温度压力条件下形成水合物藏。扩散系统水合物的甲烷主要有二种来源， 首先是水合物稳定带内有机碳原地转化形成的生物成因甲烷，其次是水合物稳定带之下游离气带或深部热解气向上扩散运移的天然气。此类的水合物藏产出带的天然气渗漏通量很低，在游离气带和水合物稳定带之间有一个扩散区，发育了似海底地震底部反射层。在水合物稳定带中存在游离气，海底与水合物顶部之间有另外一个扩散区，这两个扩散区宽度可以指示天然气的渗漏通量。对于扩散体系水合物藏，在描述形成时只需要考虑热量和质量的平衡。此类水合物藏的天然气水合物含量很低，且埋藏比较深，一般无法直接观测水合物含量，而是通过与水合物特性有关的各项参数来间接的确定。

对于渗漏型体系的水合物藏，主要是由深部油气藏或者储层的游离态的天然气通过渗漏方式沿着一定的通道向海底运移，在运移过程中部分气体在较短时间内生成水合物固体，与沉积层骨架胶结形成水合物藏，部分气体通过微生物作用转换成二氧化碳沉淀为冷泉碳酸岩盐，部分气体喷溢进入上覆水体。图1是渗漏系统水合物概念示意图。这些通道包括由于地壳构造活动产生的挤压或拉伸度作用或者由于海洋沉积物的侧向挤压变形作用而出现的断层。此类水合物主要形成在水合物稳定带底部至海底的沉积物中，水合物产出区渗漏很强，水合物和游离气并存，在海底可观测到进入上覆水体的渗漏天然气气泡， 并在水体中形成气泡羽状体。 这种类型的水合物需要考虑其形成和分解动力学。

2 结论

天然气水合物宏观生成模型包括簇团理论模型、表面驱动理论和局部结构假说。其中簇团理论模型获得大部分人的认可，而对于水合物合成的微观模型目前仍然不是很清晰，需要进一步研究。存在的天然气水合物藏包括扩散体系和渗漏型体系。二者形成机理不同，水合物藏的品质也不一样。

天然气水合物藏在形成过程中受到了多种因素的影响，其中温压条件、气体组成、孔隙水成分和沉积物颗粒半径等通过改变水合物相平衡的来影响天然气水合物的合成，构造活动是通过改变气体的运移和聚集形式来影响水合物藏。在分析天然气水合物成藏控制因素的时候，既要单因素分析，又要多因素结合，从而综合的分析影响天然气水合物成藏影响因素。