２０００年第３期 探矿工程 ５ 编者按：由于世界性能源日趋紧张以及大量燃煤造成的环境污染问题，寻找和开发利用新型洁净能源对 各国经济舞扭社会发展具有重大意义。天然气水台物是一种清洁的新能源，据权威机构统计，其垒球总置换算 成含碳量比迄今世界上所有已知石油、天然气、煤碳矿产大２倍，是潜在的巨大能源，目前世界上正在形成一 个天然气水台物研究的热潮。因此，本刊特刊发此文，旨在推动我国对天然气水合物的勘探开发研究特别是 有关天然气水合物钻探的前期准备工作，为国家的经济建设服务。
关于天然气水合物钻探的思考 ，／Ｓ口ｏ８ ｛ 李常茂 ，耿瑞伦 ·ｊ一 （１．国土资源部老干部局，北京—１００８—１２；一２ 国 展研究中． ，北京１０ｏ￣３）
摘要：天然气水台物是一种固态的化合物，烃类气体源：固态的天然气水合物只能稳定存在于较低的温度（０～ １０℃）和较高的压力（１０ ＭＰａ以上），这些均给天然气水台物的钻采带来了一定的难度。简要介绍了天然气水合物 的形成、稳定条件，分布情况以及国内外勘查研究新动向，着重阐述了天然气水台物钻探的作用及有关技术问题， 提出了我国开展天然气水台物钻探的工作思路 关■词：天然气水合物；能源；勘查；钻探 中圈分类号：Ｐ６３４．５；ＴＥｌ３２．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—３７４６（加００）０３—０００５—０４ Ｐ哪ｌｄ咖 Ｇａｓ Ｈｙａｒａ￣Ｅｘｐｌｍ－ａｆｌｏｎ Ｄｒｔｌｌｉｎｇ／Ｌｌ Ｃ￣ａｎｇ－ｍａｏ（ＩＶｆｉｒｆｉｓｔｒｙ ０ｆ Ｌａｎｄ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｂｅｉ）ｉｎｇ １００８１２， Ｃｈｉｎａ），ＧＥｅｑＧＲｕｉ－ｌｕｎ（ＣｈｉｎｅｓｅＢｕｒｅａｕ ｏｆＧｅｄｃ￣ｃａｌ Ｓｕｒｖｅｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ｑ００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｌ￣ｔｒａｅｔ：Ｔｈｅ ｆｏｎｍ￣，ｓｔａｂｌｅ ｃ。ｎｄｌｔｉｏｎ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄ５ｅａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ０ｆ ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅｓ ａｒｅ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅ￣ｈｉＩｏｌｏｇｙ ｐｒｏｂｌｅｒ￣ｏｆ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｄ ｏｆ ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅｓ ａｒｅ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｔｈｉｎｋｉｎｇ ０ｆ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｂｏｒｉｎｇ ｏｆ ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ＫｅｙⅥⅧｒｄｓ：ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅｓ；￣Ｆｔｏ．ｒｇｙ ｒｅｓｏｍ３ｃｅ￣；ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ；ｄｒｉｌｌｉｎｇ １天然气水合物是一种巨太的能■来源 天然气水合物英文叫ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅｓ。俄文口Ｊｆ ＦＡ３￣ＡＴ。 天然气水合物是一种象普通雪一样的，遇热迅 速分解的白色结晶体。它是一种固态化合物，一种 烃类气体源。 天然气水合物是在一定条件下由水和天然气组 成的结晶化合物。组成天然气的成分Ｃ 、 、 Ｈ８、ｃ４Ｈ１０同系物，ｃ 、 、Ｈ２Ｓ等，可形成单种或 多种天然气水合物。 已查明，天然气水合物中的水分子形成了多面 体骨架，其中有孔穴，这些孔穴可被气体分子所占 据。因此，天然气水合物与结晶化合物有类似之处。 天然气水合物中气体的主要成分是甲烷。在标 准温压下，ｌ ｍ 甲烷气水合物可含１６４ 甲烷气 体。 从理论上讲，在沉积盆地内能够形成气水合物 的先决条件包括：富含分散有机质的沉积物中充有 地下水。深水区的水动力处于滞流状态，存有着生物 成因的气体（或从下伏地层进人热催化气体），同时 压力与温度具有特定的相关关系。 固态的天然气水合物只能稳定存在于较低的温 度（０～１０℃）和较高的压力（１０ ＭＰａ以上）。 在陆地，天然气水合物产于永久冻土地区２００ ２０００ ｍ深处…１。在平均大洋条件下，甲烷气在沉 积物中形成水合物的水深为６００－－３０００ ｒｆｌ。水合物 在海床下沉积物中的稳定深度为０～１０００ ｍ＿２ Ｊ。 前苏联科学院院士Ａ．Ａ．特罗菲姆克认为，有 利于天然气水合物形成条件的地区占陆地面积的 ２７％，其中大部分分布在冻结岩层；在９０％的世界 洋中都具备气水合物生成的有利温度和压力条件 首次发现固态气体水合物可追溯到１８１０年，发 现者戴维在实验室内观察氯气通过水介质生成一种 黄色沉淀物。
收稿日期：２０ｏｏ一０３—１８ 作者简介：李常茂（１９３１一），男（双族），辽宁沈阳人，国土资源部教授级高级工程师，前苏联科学技术副博士，北京市西四阜内大街６４号
（０１０）６６１６９３３３—４２１８ｏ 维普资讯 http://www.cqvip.com ６ 探矿工程 ２００ｏ年第３期 ３ｏ年代，苏联科学家在西伯利亚天然气输送管 道中出现堵塞时发现了天然气水合物。 ６０年代末，苏联学者公布了在西伯利亚永久冻 土带沉积岩内发现并回收气体水合物晶体的事件。 ７０年代，在西伯利亚梅索雅哈天然气田生产出水合 物分解的天然气。 ７０年代，通过深海钻探（ＤＳＤＰ），首次从海底沉 积中采集到天然气水合物。 据２０余年所取得的地质、地球物理和地球化学 资料，一些研究者已发现５０ １３３处海底水合物赋存 区，将已查明或正在研究的矿点划分出１４个世界级 规模的气水合物矿区。据估计，具有产出海底气水 合物条件的水域占世界大洋面积的１Ｏ％（觅图１）。
田１已发现的气体承台袖分布田 ｛据Ｋｖｅａｖｏｌｄｅｎ等．１９９３年謦改） ●一据地球物理贷料在水蛾中发现的气体水台韧；◆一已 在岩心或沉积物中觅到的气体水台物；一一 地上的气体 水舍物 据８０年代国际天然气潜力委员会（ＰＧｃ）的统 计，世界各大洋中，天然气水合物的总量换算为甲烷 气体，高达２×１０ ｍ３，其含碳量比迄今世界上所有 已知石油、天然气、煤炭矿产大２倍（见图２）。 据前苏联科学院玛卡格奥研究组估计，仅在海 洋环境中的天然气水合物即含有５．６×１０ 天然 气。 目前，对天然气水合物进行勘查、研究的国家有 俄、美、日、加、英、法、德、挪、澳、印等国。 些科学家对天然气水合物的物理性质、产出 条件、分布规律、勘查技术、开发工艺、经济评价与环 境影响等方面，进行了不同程度的考察和研究 在 世界范围内形成了一个天然气水合物研究的热潮。 圈２有机和硅质艟料垴构分布圈 单位：ｌ０ ｇ碳（Ｋ忸啪ｌ缸，１９８８） ２国内外天然气水合韧勘查、研究的新动向 美国于１９９５的制订了一个天然气水合物１０年 研究与开发目标。到２０１５年取得从天然气水合物 中商业生产甲烷气体所需要的知识和技术 准备以 ２～３亿美元用于天然气水合物的研究和开发。 日本于１９９５年由国家贸易与工业部在国家石 油公司下成立了天然气水合物开发促进委员会。制 订了天然气水合物开发研究五年计划。在进行天然 气水合物资源的地球物理、地质、地球化学调查和重 点区的地震勘探之后，在阿拉斯加的陆区钻进几口 ８５０ ｍ深度的示范井，之后在南海海槽或鄂霍茨克 海，在水深８５０ ｍ下，在沉积岩中钻进一１：３ ３３０ｏ ｍ 的海区地层勘探井。在５年时间内，拟动用９ＯＯＯ万 美元用于天然气水合物的生产研究，希望减少日本 能源供应大量依赖外国的现状。 几年前，印度的有关机构成立了一个专家委员 会，负责提出天然气水台物调查与开发计划的框架 １９９５年政府批准了天然气水合物调查研究五年计 划（１９９６－２０００年），国家出资５６０ｏ万美元，组织国 内有关单位具体实施。 国内关于天然气水合物的调查研究工作起步较 晚．经海上地球物理调查，初步评价出一些比较有远 景的找矿靶区。 中国地质调查局所属广州海洋地质调查局在北 纬１０ 以北的南海海域，采集了１０余万Ｅｒａ的多道 地震剖面，经初步解释，一些地方存在模拟海底反射 层ＢＳＲ（Ｂｏｔｔｏｍ ＳｉｍｕｌａｔｉｎｇＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ），其中有３处 地震剖面，其水深分别为１７１８、７３０、１３５０ ｍ下，沉积 厚度为１６５、１４０、２５０ ｍ，其压力分别为２２．２、１０、７、 １６、７ ＭＰａ，根据地震反射波特征及温度、压力推测，
维普资讯 http://www.cqvip.com ２０００年第３期 探矿工程 ７ 这些地方可能存在天然气水合物。 此外，在南海北部陆缘，有８个声纳浮标站位， 测得海底沉积层速度比正常海底沉积层速度大，如 沉积物中的地温梯度正常，根据沉积层界面处的温 度、压力，它们将位于天然气水合物存在区内。这些 站位处存在天然气水合物的可能性。
３天然气水合物钻探 ３．１目的和作用 天然气水合物钻探是在地球物理、地质、地球化 学勘查的基础上进行的。在钻探过程中又必须与地 质、物探、化探、岩矿测试各种方法相互配合，有机结 合。只有这样才能更有效地完成天然气水合物的勘 查任务。 通过钻探，在海床下采取水样（孔隙水）、气样 （游离气），经过分析，测定天然气水合物存在的相关 气体，如氧、氩、氮、二氧化碳、氢、甲烷及重烃类．根 据测量及地质背景分析，进行海底水合物远景评价。 通过测量甲烷富集程度，查明气水合物活动排泄源， 根据地震相分析及甲烷富集，划分沉积构造区，并为 海底天然气水合物分布及其稳定状态评价提供依 据。 通过钻探取样，测定岩心的孔隙度井通过测井 资料计算，求出储层内气水合物的饱和度，用以计算 远景储量。 通过钻探，采集天然气水合物矿样，结合物探测 井及井中物探工作，取得地下真实可靠的信息及实 物资料，验证物化探异常，确定矿床储层位置、埋深、 厚度、走向、形状，经过样品分析，确定其气体成分及 含量，成为矿床评价的重要依据。 钻孔又是采集天然气水合物、将其从地下运送 至地面的通道。通过钻探，测量地层压力、气体压 力、井温、井径、岩石机械物理性能，包括盖层的厚度 和稳定性，便于及早采取措施，避免在钻进及开采时 出现井塌及海底沉降事故。 ３．２天然气水合物分解 天然气水合物钻探不同于一般海洋油气钻探， 其中一个很大的难点在于在钻进过程中发生天然气 水合物分解。 在钻进过程中，由于产层内温度、压力的改变， 使天然气水合物处于不稳定状态。 当需要钻人深部地层时，泥浆循环会将深部的 地下热能带至上部，如处理不当，可能引起水合物分 解 在固井时，靠近天然气水合物的水泥在固化时， 由于水泥反应散发热量，也会使天然气水合物分解。 甚至在正常钻进时，如地面泥浆的温度明显高 于产层．也会产生天然气水合物分解。 不管天然气水合物深度多大，分解后都会在地 面膨胀１２０～１７０倍（依充填率而异）。如气体大量 分解，使井径扩大，套管被压扁，使井口装置或防喷 器失去承载能力而发生倾斜，将丧失井压控制手段， 有可能导致井喷及井塌事故。分解后的气体可能破 坏周围环境，并喷出至海水中，污染周围环境，有时 还会出现溶洞，使天然气水合物地层下沉，出现地基 沉降事故。 国外天然气水合物钻探基本上有２种方法，即 分解抑制法和分解溶许法。 分解抑制法的实质是通过泥浆的冷却，防止天 然气水合物层温度上升，将相平衡状态维持在水合 物分解抑制状态。在钻进永久冻土层时，基本上都 采用这种方法。 分解溶许法的实质是使用低密度未冷却的泥 浆，诱发水合物分解．分解是被控制的。分解的气体 通过钻机上的回流器和大容量低压气体分理器安全 地处理。钻头进尺受气体处理器的制约。在起下 钻、电测井、下套管固井作业时，为使天然气水合物 停止溶解，需事先向井内注入重泥浆 这种方法与传统的压井方法相矛盾。如出现井 涌、井喷会造成井壁失稳。分解的甲烷气也难与上 部浅层气及水合物下层自由气相区别。 我们认为，采用分解抑制法比较妥当，有可能避 免因天然气水合物分解带来的一系列麻烦。 ３．３海洋钻井装置 根据南海北部陆缘天然气水合物勘查的需要， 最好能有设置水深２０００－－３０００ ｉＴｌ、在沉积岩中钻进 ５００～１０００ ｍ能力的海洋钻井装置。而世界上能在 水深超过２０００ ｍ条件下工作的钻井装置只有３５ 座，其中能适用于天然气水台物勘查的非常有限。 目前．只有Ｆｕｇｒｏ公司签约的Ｍ／Ｓ ＢＵＣＥＮＴＡＵＲ， Ｍ／ｒ ＰＨＯＬＡＳ、ＢＡＶＥＮＩ及Ｍ＿ｒ－ＷＡＬＴＥＲ调查 船能够进行水深１５００ ｍ左右的调查。 由于目前国外海洋钻井装置主要用于油气勘 查，若用以进行天然气水合物钻探，必须根据钻进天 然气水合物的需要，进行相应改造，特别是要设有泥 浆冷却装置及气体处理装置。 日本学者经过分析，认为漂浮式生产系统经过 改进，可能成为开发海底天然气水合物的生产装置。、
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