[发明专利]定位气体水化物的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于定位气体水化物沉积的系统和方法。

背景技术

气体水化物是一类笼形(晶格状)化合物，其中各个小分子，在室温和大气压下通常为气相，占据水分子固态晶体矩阵内的一些位置。在天然气水化物储集层中，宾分子或是纯甲烷，或是包含天然气的化合物的混合物。为了形成气体水化物沉积，需要有气体源。天然气的渗出物，一般包括甲烷，在世界各地很常见。天然气水化物沉积在陆地和海洋环境中都可发现。陆地水化物聚集在北极区域的永冻层之中和下面。海洋气体水化物可被发现陷入在至少大约500米(m)水深的海底下(subseafloor)沉淀物中。

气体水化物在气压升高而温度降低时形成。海下沉淀物中的气体水化物稳定带可以在相对于水热梯度(对于海下气体水化物)、地热梯度以及笼形相界的温度对深度(气压)的分布图上来描绘，如图1所示。参阅图1，图中示出的相位图表示，在海下环境中甲烷-水化物稳定性的气压-温度关系。在纵轴上，气压以表面下的深度(以米为单位)来代表(该转换假定正常海洋和孔隙压力梯度为10MPa/km)。在横轴上是温度，以摄氏度为单位。海底示为虚线100。地热梯度示为线104，而水热梯度示为线106。当在给定气压下的温度低于该气压下的水化物转变温度时，水化物就可存在。线102示出作为温度和气压函数的水化物-气相边界。对于这条线下面的温度和气压条件，甲烷会以水化物形式存在。对于这条线上面的温度和气压条件，甲烷会以气相存在。水化物相界的位置主要是气体成分的函数，但也可由孔隙流体成分(例如存在盐类)、孔隙大小、以及可能沉淀物矿物学所控制。例如，在水中加氯化钠可使线102向左偏移，而加二氧化碳、硫化氢和其它碳氢化合物可使线102向右偏移。

在固态地球的地热梯度104与相位线102相交的等温线之上，通常在海底下面数百米，水化物是稳定的。这是气体水化物稳定带108的基底。气体水化物稳定带108的上边界可以由水热梯度106和水化物相界102的交叉点来确定。水热和地热梯度与所在地有关，且可随地理位置和地壳构造而显著不同。由于天然气水化物不如水致密，因此它们在气体水化物稳定带的水域中未被发现。这是因为在水中形成的任何水化物都漂移到海面并分解了。但是，它们被有效地陷入海底下沉淀物中。

在北极区域中地表下的深度地段，与永冻层稳定性范围相重叠以及在其之下，水化物也是稳定的。图2示出了气体-水化物相位图，它定义陆地北极环境中的气体水化物稳定带(GHSZ)。当温度低于当地气压下气体水化物转变温度(即气体和水化物形式之间的相界交叉的温度)时，气体水化物就存在。气体-水化物相界示为线110，虚线112示出地热梯度，而线114示出淡水-冰相界。在纵轴上，气压已转换成地平面下的深度，假定正常孔隙压力梯度为100bar/km(10MPa/km)。陆地气体水化物勘探计划已在数个区域获成功，如西伯利亚、加拿大北极地区、以及阿拉斯加北坡。

已有文献记载了在大陆边缘上和内陆海域中发生一百多次气体水化物，显示出气体水化物广泛分布在深水海洋环境中。在大多数情况下，水化物沉积的位置和面积范围是从存在有气体水化物的特殊地震标志，称为似海底反射层(BSR)，来估计的。在许多海洋地震图像中都可见到BSR，其与海底平行地、并在海底下面数百米伸展，并且与气体水化物稳定带的基底大致符合。对世界各地发现的似海底反射层的勘测显示，存储在海下气体水化物中的有机碳的数量非常大。一个广泛引用的估计预测，在气体水化物中的有机碳可能是所有可回收和不可回收的常规矿物燃料源，包括天然气、煤和石油中有机碳的两倍。此外，海洋气体水化物被认为主要在大陆坡上被发现，它们通常是在沿海国家的专属经济区内并靠近美国、日本、印度和其它地方的消费者。

但是，存储在海洋沉积物中的气体水化物的实际数量是极不确定的。虽然已有数次重大的钻探活动(例如在南卡罗来纳和俄勒冈的近海区域)，且在有限的深度区间已发现了少数几个值得注意的浓度，但在已钻探的大多数位置上在整个气体水化物稳定带中气体水化物一般都是稀薄的。