儲層物性差異對天然氣水合物分布的影響
——以U1325 站位為例

馮柱榮

（上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306）

可燃冰的學名為天然氣水合物，它是一種固態冰晶物質，主要由氣體（甲烷、乙烷和丙烷等）和水在低溫高壓的條件下形成[1]，通常形成于大陸邊緣的淺層沉積物和極地永久凍土區。天然氣水合物是重要的潛在能源，并對氣候和環境產生潛在影響[2]。調查研究顯示，天然氣水合物賦存的沉積物物理性質對其分布及生成等具有重要的控制作用[3]。一方面，沉積物的孔隙度、滲透率等物理性質可以改變海底流體的滲流路徑和流速等，影響甲烷的供應，進而影響水合物的分布。另一方面，沉積物孔隙本身存在毛細管作用，可以改變水合物達到水合物-水-氣三相平衡時的熱力學條件，影響水合物的分布[4]。此外，沉積物本身的熱導率和孔隙度等差異可以影響地溫分布，并影響天然氣運移和天然氣水合物生成[5]。現有研究主要關注毛細管作用改變水合物的生成條件及對水合物分布的影響，很少有考慮熱導率和孔隙度等物性特征對水合物成藏的影響研究。因此，本文建立綜合考慮孔隙度、毛細管作用和熱導率等儲層物性特征作用的水合物生成模型，選取U1325 站位數據，模擬研究多種沉積物物性特征和甲烷供給條件下的水合物生成和分布，確定沉積物物性特征對水合物生成和分布的影響。

1 地質概況和數值模型

卡斯卡迪亞陸緣位于美國西北外海，由更新世前半深海沉積組成，總沉積厚度約為2.5 km[6]。國際大洋發現計劃311 航次鉆取了4 個站點。氯離子異常顯示，U1325 站位發育大量天然氣水合物，但是水合物飽和度不均一[7]，如圖1 所示。以100 ～110 m 巖芯段為例，電阻率測井結果顯示，天然氣水合物飽和度非均勻分布。研究區具有非常高的原位甲烷生成速率，可以達到4×10-4mol/（m3·a）[8]。依據實測的熱導率和孔隙度，并評估孔徑，結果顯示，這些物性的非均勻特征可能是水合物不均勻的重要影響因素。

圖1 U1325 站位氯離子濃度隨深度的變化和水合物生成概念模型

參考鄭子涵等[9]的模型，模擬U1325 站位100 ～110 m 巖芯由70 m 沉積到100 m 的水合物生成。水合物-水二相甲烷溶解度測定參考LIU 等[4]的方法。頂界的溫度為7.23 ～9.03 ℃。熱流密度約為0.066 W/m2，結合熱導率，確定溫度分布。上下邊界分別取其對應的水-水合物兩相甲烷溶解度。產甲烷速率取4×10-4mol/（m3·a），總模擬時間為0.15 Ma，為該沉積段從水合物發育頂界（約70 m）沉積到現今的深度約100 m 的時間。

2 結果和討論

甲烷生成速率取4×10-4mol/（m3/a）時，模擬經歷0.15 Ma 的天然氣水合物體系甲烷濃度和水合物飽和度分布，如圖2 所示。隨著深度的增加，水合物-水二相甲烷溶解度總體呈上升趨勢。但是，部分層位甲烷溶解度隨深度的增加而下降，使其水合物-水二相甲烷溶解度低于相鄰值，這些層位與局部較大孔隙度的層位一致。部分層位的甲烷濃度能達到甲烷溶解度，均位于局部甲烷溶解度較低的層位。天然氣水合物呈離散的分層分布，分布的層數約為10 層。水合物層的厚度為0.3 ～0.5 m，層間距為0.3 ～0.7 m。天然氣水合物飽和度呈不均勻分布特征，各層的最高飽和度介于0.03 ～0.12。最高飽和度是最低飽和度的4 倍。即使在同一水合物層，水合物飽和度也呈不均勻分布。

圖2 甲烷濃度、水合物飽和度及孔隙度的分布

3 結論

U1325 站位天然氣水合物成藏體系中，毛細管作用、熱導率、孔隙度等沉積物物性差異共同影響水-水合物兩相甲烷溶解度分布和溶解甲烷的運移，并導致水合物的不均勻分布。天然氣水合物主要以薄層狀分布并賦存于孔隙度較大層位。水合物層的厚度為0.3 ～0.5 m，層間距為0.3 ～0.7 m。水合物飽和度為0.03 ～0.12，最高飽和度是最低飽和度的4 倍。