海底冷泉气体渗漏模拟观测系统设计与开发

由于海底冷泉声探测需要准确的气泡特征信息作为支撑，以真实海底冷泉气泡分布特征为依据，研制了控制精度高、功能全的海底冷泉气体渗漏模拟观测系统。通过模糊PID控制算法对气体流量进行精准控制，相比于常规控制方法流量误差率最高可降低1.5%,可以准确可控地模拟真实环境下的冷泉气泡；通过设计的以太网同步触发器驱动双相机同步拍摄，使拍摄同步误差范围降低1.1 ms,实现了对初始溢出阶段气泡形态的正交同步观测，能够为海底冷泉探测提供数据支持。     

冷泉水体甲烷气体浓度反演方法研究

冷泉水体中的甲烷气体浓度异常不仅是海底天然气水合物赋存的重要标志,同时对于研究海洋环境以及全球气候变化具有重要的意义。在现有海底冷泉特征分析研究的基础上,建立了根据单波束测深数据定量获取冷泉水体中的甲烷气体浓度分布的反演方法,并以鄂霍次克海千岛盆地西北陆坡冷泉区为例,利用海试获取的12 kHz和20 kHz声学回波测深数据,对研究区域内冷泉水体中的溶解甲烷浓度进行了计算。通过与冷泉水体样本的色谱分析结果进行比对可见,该反演方法的计算结果与现场实测数据具有良好的一致性,并且由于在波束角和气泡共振效应方面的优势,12 kHz测深数据对应的反演结果与实测数据更为接近。同时,相关计算结果表明,该区域内水体中的溶解甲烷主要来自于冷泉释放的甲烷游离气。此外,现场观测结果表明,水合物稳定带底界以深区域内冷泉气泡表面的水合物结壳会显著延长气泡的上浮时间和距离。     

不排水条件下可燃冰分解对海底边坡稳定性的影响

近年来,可燃冰受到学界的广泛关注:一方面,可燃冰可以作为潜在的新型能源;另一方面,海底边坡中可燃冰的分解是引发海底地质灾害的重要原因.可燃冰分解将产生大量甲烷气体,当含可燃冰土层位于两个透水性较差的土层中间时,孔隙水和气体将无法与外界发生交换,可燃冰的分解过程可以看作不排水(气)过程.此时,沉积物中孔压升高,有效应力减小,抗剪强度下降,当含可燃冰土层位于边坡坡底附近时,边坡将更易沿可燃冰土层发生滑动破坏.因此,可燃冰分解将对海底边坡的不排水开挖造成不利影响.本文基于理想气体状态方程和摩尔库伦模型,提出了一种在任意应力状态下可燃冰分解的数值模拟方法,并在有限差分软件FLAC3D中实现该方法,进而从土单元层面将数值模拟结果和理论推导结果进行了对比,两者基本吻合.最后,本文利用该方法分析了可燃冰分解对海底边坡稳定性的影响,模拟了可燃冰不分解条件下直接进行不排水开挖、以及可燃冰分解后再进行不排水开挖.模拟结果显示,可燃冰分解会导致海底边坡在不排水开挖时发生失稳.     

内蒙古东北部林西组碳酸盐岩结核的成因及油气地质意义

内蒙古西乌珠穆沁旗哈日根台苏木地区上二叠统林西组深水外陆棚灰黑色泥页岩沉积中发育大量的碳酸盐岩结核。这些结核呈透镜状、结核状及丘状,在产状上与现代海底发育的及古代的冷泉碳酸盐岩极为相似。通过对碳酸盐岩结核的微观组构、物质成分和碳同位素特征的研究,发现碳酸盐岩结核中发育较多的气孔构造、生物化石及草莓状黄铁矿;碳、氧同位素结果显示碳酸盐岩结核的碳同位素存在明显的负偏,表明其中有有机来源的碳。这些特征与现代海底由于天然气渗漏形成的冷泉碳酸盐岩特征一致,因而推测研究区发育的碳酸盐岩结核为古代海底天然气渗漏形成的冷泉碳酸盐岩。这表明在林西组沉积时期,海底存在天然气水合物,可能与海底早期沉积的灰黑色泥页岩中甲烷的释放有关。烃源岩潜力分析也表明,研究区大量发育的灰黑色泥页岩具有一定的生烃潜力,林西组具有较好的油气勘探前景;但是由于地层时代较老,成岩作用及构造运动的影响,现今的勘探难度较大。     

基于局部平衡反应的海底甲烷水合物形成及富集机制数值模拟

针对具有开发潜力的渗漏型天然气水合物藏,尝试采用油藏数值模拟方法,建立海底甲烷水合物形成及富集机制模型。基于水合物的相平衡和动力学特征,通过对水合物反应的局部平衡设置和对海底浅层高压低温环境的精确描述,实现对深部甲烷气运移至海底水合物稳定区、触发形成水合物过程的模拟,分析海底低渗层遮挡和海底冷泉两种情形下甲烷水合物富集成藏过程及其影响因素。结果表明:在深水海底浅层中,深部甲烷气以较小通量且不发生泄漏至海水情形下,长时间、持续的运移至海底水合物稳定区,则有利于形成大厚度、高丰度的水合物藏;油藏数值模拟方法可作为一种研究海底水合物成藏动力学的有效手段,值得开发利用。     

基于光纤传感器的甲烷气体浓度信号采集方法

基于光谱吸收法设计了一种反射型光谱吸收光纤传感器网络结构,该结构可以完成对远距离多点甲烷气体浓度的实时测量。为了能够保证光谱扫描波长中心值与甲烷气体吸收峰相同,激光光源通过波长调制光谱完成调制,采用调整三角波的幅值与偏移量对光源波长进行调整。在接收端,为了对光电信号进行有效的采集,设计了一种多点高速信号的采集方法,并分析其调制深度的影响。实验证明,软件采集算法以及合适的调制深度能够满足工程中光纤气体传感器多点采集的精度要求。     

热话题可燃冰之冷思考

正近日,日本经济产业省宣布,已成功从日本近海地层蕴藏的天然气水合物(俗称可燃冰)中分离出甲烷气体,这是全球首次在海底分解可燃冰取得天然气,标志日本在可燃冰开采的商业化进程中迈出关键一步。在世界各国无不努力寻找新能源的今天,这种点火就能燃烧的冰块,能否复制美国页岩气革命神话?从实验成功到大规模商业开采需要多少时间?我国可燃冰研究利用与国际水平相比如何?笔者将一一解答这些问题。     

发现

日本首次成功从海底可燃冰中提取天然气日本政府2013年3月12日宣布成功从蕴藏于爱知和三重县海域海底的"天然气水合物"(可燃冰)中取得了天然气。这是全球首次通过在海底分解含有大量天然气成分的"可燃冰"取得天然气。自水深约1000米的海底掘进330米后即存在天然气水合物,     

考虑气水两相流固耦合下可燃冰降压分解对井壁稳定性影响

海域可燃冰常赋存于低温高压深水浅层松散沉积物中,起胶结和骨架支撑作用;可燃冰分解相变,引起储层渗透率改变,直接影响气水两相流体的渗流特征与热质传递,制约可燃冰的持续分解;同时可燃冰的分解会降低含可燃冰沉积物储层的抗剪强度和承载力,降低井壁稳定性。考虑可燃冰分解相变、传热传质和气水两相渗流过程,基于流固耦合渗流理论,建立描述含相态变化的可燃冰降压开采热-流-固(T-H-M)耦合模型,对可燃冰储层降压开采气水两相流动规律、孔隙度和渗透率等物性参数演化规律进行描述,并对井壁稳定性进行研究。结果表明：随着可燃冰的分解,甲烷气体饱和度较水饱和度明显增大,井周气体饱和度明显高于水饱和度;储层发生塑性屈服后,塑性区内渗透率和有效孔隙度显著增大,而弹性模量和黏聚力大幅度减小;开采时间越长,生产压差越大,储层塑性屈服区域越大,井壁稳定性越差。     

拖缆与海缆联合宽频采集设计

传统的海洋地震勘探采用拖缆进行数据采集,拖缆采集数据的信噪比受外部环境影响较大,通过改变拖缆的
沉放深度,可以降低环境对采集地震数据的影响。受国内海洋地震勘探装备作业能力的限制,在中国海域实现海洋宽
频地震采集相对较困难。为了打破这一限制,探讨了拖缆与海缆联合宽频采集设计的方法,对联合采集的参数论证、
面元合并、羽角对宽频的影响和深度优化求解等4 项关键技术进行了分析。在参数论证方面,论证了如何通过最浅目
的层深度设计线间距的方法;针对拖缆和海底电缆检波器间距差异设计了面元合并方案,同时考虑了面元合并对信噪
比的改变;在羽角存在的情况下,讨论了横向变化率对采集数据限波点频率和能量的影响;最后论述了深度变化试验
求取拖缆最优沉放深度的方法。通过对拖缆与海底电缆联合宽频采集设计4 项关键技术的分析,搭建了拖缆与海缆
联合宽频采集设计的基本流程。     

Gas seepage on the sea floor of Okinawa Trough Miyako Section

A marine geophysical survey was carried out,on the R/V Science 1 of the Institute of Oceanography, Chinese Academy of Sciences (IOCAS), in 2000, at the Miyako Section of Okinawa Trough. Here we present seismic and acoustic evidence of a gas seep on the sea floor on the western part of the Okinawa Trough, near the lower slope of the East China Sea Slope and discuss the possibility of related formation of gas hydrate. A gas column reflection was observed in echo-sounder data above a section where the sea floor reflector was missing, on both the echo-sounder and the seismic data for line H14. The seismic data also show an acoustic curtain reflection and a turbidity reflection at this section.These anomalies are the evidence of the existence of a gas seep, which occupies .an area 2.2 km in diameter. Based on the acoustic curtain on line H14, we believe that the amount of gas contained in the sediments below the gas seep is larger than 1% by volume of sediment. Tectonically, the gas seep developed in a small basin controlled by basement uplift in the north, south and east. The thickness of the sediment layer can be greater than 3.5 km. A mud diapir structure was found in layer D beneath the gas seep. Over-pressure may occur due to the large sediment thickness and also the tectonic basement uplift in the north, south, and east. The mud diapir could be the preferential pathway for methane-rich fluids. The acoustic curtain may indicate that free gas related to the gas seep can be formed on the sea floor. We also note that the layer above the acoustic curtain on profile H14 may contain gas hydrate.     

考虑甲烷溶解的天然气水合物分解超孔隙水压力

天然气水合物的分解会生成大量气体和水,在土层渗透性较差的情况下,大量气体无法及时溢出,压力不易传导到外部,使土层的超孔隙水压力迅速增大,有效应力降低,同时水合物分解后其自身与沉积物的胶结作用大幅减小,导致沉积物强度降低,发生大规模变形或失稳,进而引发海底失稳等灾害。基于热力学基本理论,建立了考虑水合物分解产生的甲烷气体部分溶解的超孔隙水压力模型,并对其影响因素进行讨论,最后针对南海工况研究水合物分解对海床稳定性的影响。结果表明,水合物分解产生的超孔隙水压力随着水合物分解先迅速增大后缓慢增长最后趋于稳定;初始饱和度、塑性指数、水深、沉积物埋深、内摩擦角等是影响水合物分解产生的超孔隙水压力的关键影响因素;影响海床稳定性的关键不利因素是超孔隙水压力聚积而非土体强度弱化;生成的甲烷气体二次溶解使超孔隙水压力减小,一定程度上缓解了斜坡的滑动。     

Origin and nature of cold seep in northeastern Dongsha area, South China Sea: Evidence from chimney-like seep carbonates

The occurrence of seep carbonates is one of the characteristic features for cold seep sites at continental margins.The carbonates documented the venting history of methane-rich fluid.Compared to the chemoherm carbonates and carbonate pavements which formed on the sediment-water interface,chimney-like seep carbonates precipitated around fluid conduits below the sediment-water interface therefore better recording information of the past fluid flow and composition.Here the chimney-like seep carbonate samples from the northeastern Dongsha area of the South China Sea were studied to understand the origin and nature of the venting fluids and their potential relationship with gas hydrate deposits underneath the seafloor.Based on the occurrence,morphology,petrology,mineralogy and C-and O-isotope compositions,combined with present and past bottom water temperatures and the timing of methane release events,the oxygen isotopic fractionation between calcite and water were used to estimate the equilibriumδ18O values of the precipitating fluids.Theδ13C values ranging from 56.33‰to 42.70‰V-PDB and thus clearly show that the studied chimneys were mainly derived from biogenic methane oxidation.The calculated equilibriumδ18O values of the precipitating fluids ranged from 1.9‰0.3‰to 0.6‰0.3‰V-SMOW,with an average of 1.4‰0.3‰V-SMOW which is heavier than those of seawater even at the last glacial maximum.It is considered that the formation of chimney-like carbonates was closely related to methane hydrate dissociation in the area.The methane hydrates contributed as much as45.7%of water to the venting fluids.It is suggested that the climate and environmental changes(e.g.sea-level lowering,down-cutting canyons and mass wasting)are the major mechanisms maybe responsible for the destabilization of methane hydrates in the study area.The extensive occurrence of seep carbonates indicates that a large amount of the methane released from methane hydrate dissociation has been effectively captured and sequestered by microbial anaerobic oxidation of methane(AOM)before it escapes into the water column.     

含甲烷水合物松散沉积物超声波性质的实验研究

实验模拟海域含天然气水合物松散沉积物, 并测量其声学性质变化规律, 以期为天然气水合物地震勘探和资源评价提供科学依据。采用一套改进的水合物超声波速度测量装置, 根据反应釜内部气体压力的变化, 连续监测实验过程中甲烷水合物饱和度的变化, 获得被水完全饱和的松散沉积物中甲烷水合物饱和度与声波速度的关系。模拟南海神狐海域SH-7钻孔的HY-3样品, 进行多个轮次的甲烷水合物形成?分解实验, 实测纵、横波的速度均落在水合物非胶结曲线与胶结曲线之间, 表明甲烷水合物在沉积物孔隙中同时存在胶结和非胶结多种赋存形式, 在分解和合成过程中均以呈悬浮状或作为支撑颗粒的水合物优先, 但少量起胶结作用的水合物始终存在, 并对沉积物声学性质有明显的提升作用。     

SDS促进剂对甲烷水合物蓄冷量的影响

甲烷水合物蓄冷量的确定是甲烷水合物蓄冷降温技术实现工业化的关键。为探究SDS对甲烷水合物蓄冷量的影响,根据Clausius-Clapeyron方程及三参数对应态原理,建立甲烷水合物蓄冷量的计算模型。利用可视化水合物蓄冷实验系统,结合定温压力搜索法测定四组不同SDS浓度体系下甲烷水合物的相平衡条件。依据实验数据和该模型计算得到不同体系、不同相平衡参数下甲烷水合物的蓄冷量。结果表明:甲烷水合物具有较高的蓄冷密度,蓄冷量达40~60 kJ/mol;甲烷水合物的蓄冷量不但与相平衡条件有关,还与SDS的添加浓度有关。相平衡温度越高、SDS添加浓度越高,甲烷气体生成水合物时蓄冷量越低。该研究为甲烷水合物蓄冷降温系统的研制提供了参考。     

气体水合物法开发高寒地区湖盐的相平衡预测

中国高寒地区年平均气温为气体水合物的生成提供了天然的温度条件,也为气体水合物法实现高寒地区湖盐的节能开发提供了可能.提出气体水合物法开发高寒地区湖盐的新方法,以van der Waals-Platteeuw模型为基础,结合杜亚和郭天民提出的计算Langmuir常数的三参数方程和计算电解质溶液中水的活度的Pitzer方程,预测饱和NaCl溶液中甲烷水合物、乙烷水合物和丙烷水合物的相平衡条件,对比饱和NaCl溶液凝固点,发现利用环境冷量实现气体水合物法开发湖盐具有实际可行性;与甲烷、乙烷气体相比,丙烷气更适合用于湖盐开发.     

气体水合物生成特性实验研究

实验研究了添加剂对甲烷气体水合物形成过程的影响。发现微量的表面活性剂降低了甲烷气体水合物在静止反应器中形成的诱导时间,并使水合物快速形成和生长,提高了水合物形成过程中的填充密度。阴离子表面活性剂（十二烷基硫酸钠）对水合物生长的促进作用比非离子表面活性剂（烷基多糖苷）强。液态烃环戊烷降低了水合物形成的诱导时间,但环戊烷不能提高水合物的填充密度。     

水合物分离二氧化碳气体的研究

气体水合物是在一定的温度和压力下由气体分子填充水分子产生的晶格而形成的一种笼形晶体.这种水结晶体具有高密度的特性使其成为诸多基于气体水合物应用技术的基础.利用气体水合物生成的原理,将空气中的二氧化碳分离出来,并以气体水合物的形式储存在海洋深处.对二氧化碳气体水合物的生成过程和表面活性剂的促进作用进行了实验研究.选取十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、对甲苯磺酸(p-TSA)三种表面活性剂进行了二氧化碳气体水合物生成的促进研究,确定了促进气体水合物生成的机理与途径.结果表明:三种表面活性剂在一定的程度上都能缩短气体水合物生成的诱导时间,提高了气体水合物的生成速率.