综述文章的格式

1、1.1 研究意义2008 年 11 月 5 日， 由中国地质科学院矿产资源研究所、勘探技术研究所和青海煤炭地质局 105 勘探队施工的“祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程”DK-1孔取得重大突破，成功钻获天然气水合物实物样品（卢振权等，2010a，2010b；祝有海等，2009，2010）。随后2009-2011年在祁连山冻土区又先后完成DK2、DK3、DK4、DK5、DK6、DK7、DK8等七个钻孔的施工，其中在DK2、DK3孔中发现天然气水合物实物样品，在DK4、DK5、DK6、DK7、DK8孔中见到天然气水合物异常显示。钻探结果显示，天然气水合物及其异常现象主要产出在冻土层下13040

2、0m之间，其层位属于中侏罗统江仓组（祝有海等，2010），呈肉眼可见的白色冰状薄层（混有泥浆时为烟灰色）出露在岩层的裂隙中，或呈肉眼难辨的微细浸染状产在岩层的孔隙中（卢振权等，2010a，2010c；祝有海等，2009，2010），前者得到室内激光拉曼光谱仪检测结果的证实（刘昌岭等，2010），后者通过岩心中不断冒出的气泡、水珠和红外测温中的分散状低温异常证实存在这类水合物（祝有海等，2010）。卢振权等（2010a）运用体积法对钻探区约 0.4 km2的范围的天然气水合物资源量进行了估算，认为总的资源量约为 94.2×104m3天然气，钻探区所在的木里地区天然气水合物潜在天然气资源

3、量2710.922991.36亿m3，显示出祁连山冻土区天然气水合物具有很大的资源潜力。2011年7月-9月，由中国地质科学院矿产资源研究所、勘查技术研究所和吉林大学等单位在DK8孔中开展了降压法和蒸汽热采法开采天然气水合物的验证工作，取得较好效果，为下一步在该地区进行天然气水合物的连续开采试验，甚至是工业开采奠定了基础。虽然祁连山冻土区天然气水合物的勘探取得了重大突破并获得试开采试验的初步成功，但钻获天然气水合物的钻井分布区域有限，钻探及研究表明，天然气水合物在垂向上分布不连续，且产出层段在不同钻孔中横向上难以对比（卢振权等，2010b；祝有海等，2010；王平康等，2011），即祁连山冻土

4、区天然气水合物在储层中的分布规律目前还不清楚，那么是不是该区天然气水合物储层内在本质上的非均质性直接决定着天然气水合物的不均匀分布呢？另一方面，钻探及研究表明，祁连山冻土区天然气水合物肉眼可见于不同岩层裂隙中，并得到室内激光拉曼光谱仪检测结果的证实（刘昌岭等，2010），而不同砂岩孔隙中仅见到一些与天然气水合物密切相关的异常，且很难在室内激光拉曼光谱仪中检测到，那么除了裂隙外，天然气水合物是不是还大量产出在不同岩层孔隙中呢，即孔隙结构与孔隙连通性的不同是不是直接影响到天然气水合物在砂岩孔隙中的分布呢？这两个问题已经成为制约该区天然气水合物勘探和试开采开发方案制定的瓶颈之一，而这两个问题的核心即

5、与天然气水合物储层结构息息相关。应当指出，储层结构（Reservoir Architecture）包含两个方面的涵义，第一，在宏观上，储层结构主要表现为储层在垂向上的叠加样式和横向上的延伸范围；第二，在微观上，储层结构主要体现在储层储集空间类型和孔喉结构上。而天然气水合物储层是借鉴了常规油气中储层的概念，但与常规油气中的储层又有所区别，天然气水合物储层主要指处于天然气水合物稳定带内可以容纳天然气水合物的所有相关地层及其空间。祁连山冻土区天然气水合物储层结构的研究不仅有助于探讨该区天然气水合物的空间赋存规律，而且有助于了解该区天然气水合物的产出状态及其控制因素，具有重要的科学意义；另一方面，该项

6、研究可为进一步预测天然气水合物可能的分布区域及产出层位提供参考，具有重要的现实意义。基于此，本项研究在前人和项目组过去研究基础上，借鉴油气储层研究的技术和方法，在天然气水合物稳定带范围内，开展祁连山冻土区天然气水合物储层基础地质研究，分析天然气水合物储层宏观上的空间分布特征，剖析天然气水合物储层微观上的储集空间类型和孔隙结构，建立研究区天然气水合物储层结构模式，为该区下一步天然气水合物勘查和预测服务。1.2 国内外研究现状（1）天然气水合物分布与资源概况天然气水合物是由天然气（主要是甲烷）和水组成的外形像冰的白色固体物质（Makogon et al., 2007），由于它含有大量甲烷气体可以直

7、接燃烧，因而又俗称为“可燃冰”（龚建明，2007）。天然气水合物广泛发育于海洋以及陆地永冻层之中（Majorowicz and Hannigan et al., 2000; Collett, 2002; Makogon, 2010; Matsumoto, et al., 2011），是一种具有巨大潜力的新能源矿产（刘玉山和吴必豪，2011）。现在已发现的水合物大致沿麦索雅哈河-普拉德霍湾-马更些三角洲-青藏高原和北冰洋-大西洋-太平洋-印度洋形成两个水合物分布带分布，在环西太平洋地区，俄罗斯-朝鲜-日本有较多发现，澳大利亚-新西兰也有发现（吴能友等，2008）。据估计，全球天然气水合物总含碳量

8、为2.0×1016m3，这个数量相当于迄今为止已探明的化石能源（煤、石油、天然气）总含碳量的两倍（Makogon, 2010）。另外，天然气水合物分解也会对海底滑坡以及全球气候变化造成一定影响，因此，天然气水合物成为当前研究的热点之一。多年冻土区是天然气水合物的主要形成及分布环境之一，大陆天然气水合物的资源量是相当巨大的，估计约为(17.4)×1014m3甲烷（刘玉山和吴必豪，2011），并且冻土区水合物由于其交通便利、易开采成为水合物开采试验的先行试验区（陈多福等，2005；祝有海等，2010），俄罗斯西伯利亚麦索雅哈天然气水合物矿藏已经开始了工业性开采，加拿大马更些三角

9、洲地区和美国阿拉斯加地区也在进行冻土区天然气水合物的开采试验（吴青柏和程国栋，2008）。目前大陆上已发现的天然气水合物矿藏和矿点有20余处（刘玉山和吴必豪，2011），主要分布于俄罗斯、美国和加拿大等国的环北极冻土区（Yakushev, et al., 2005; 吴青柏和程国栋，2008；）。而我国青藏高原多年冻土区也具有良好的天然气水合物远景，早在2005年就有专家预测远景储量为(0.12240)×1012m3（陈多福等，2005）。（2）祁连山冻土区主要调查研究进展在2000年前后，科学家开始关注广袤的青藏高原多年冻土区的天然气水合物工作，先后撰文并开展了初步的地质、地球物理

10、和地球化学方面的调查研究（徐学祖等，1999；吴青柏等，2006；卢振权等，2007）。与此同时，在祁连山冻土区也尝试着开展一定程度的地质地球化学调查工作，结果显示出一些异常现象（祝有海等，2006）。2008和2009年，中国地质调查局在祁连山南缘多年冻土区实施天然气水合物科学钻探试验，成功采集到天然气水合物实物样品（祝有海等，2009；卢振权等，2010d）。钻探结果显示，天然气水合物及其异常现象主要产出在冻土层下130400m之间，其层位属于中侏罗统江仓组（祝有海等，2010），呈肉眼可见的白色冰状薄层（混有泥浆时为烟灰色）出露在岩层的裂隙中，或呈肉眼难辨的微细浸染状产在岩层的孔隙中（卢

11、振权等，2010a，祝有海等，2009），前者得到室内激光拉曼光谱仪检测结果的证实（刘昌岭等，2010），后者通过岩心中不断冒出的气泡、水珠和红外测温中的分散状低温异常证实存在这类水合物（祝有海等，2010）。水合物储集层岩性多以粉砂岩、油页岩、泥岩和细砂岩为主，含少量中砂岩，钻孔中天然气水合物纵向分布不具有连续性，钻孔间横向分布规律不明显（王平康等，2011），含天然气水合物岩心段在宏观地球物理测井曲线上显示明显偏高的电阻率和声波速度异常（卢振权等，2010d）。在钻探资料分析的基础上，卢振权等（2010c）认为祁连山冻土区天然气水合物的气体以热解成因为主，夹少量微生物成因（醋酸根发酵），同

12、时在钻探区约 40×104m2的范围内，计算得到天然气水合物总的资源量约为94.2×104m3天然气（卢振权等，2010d）。2011年7月-9月，由中国地质科学院矿产资源研究所、勘查技术研究所和吉林大学等单位在DK8孔中开展了天然气水合物的试开采工作，试验中孔口压力0.13MPa，孔底压力0.51MPa，出气温度8.7，流量10.71m3/h，持续试验时间50多个小时，试开采验证工作取得初步成功。到目前为止，还没有在祁连山冻土区开展有关天然气水合物储层方面的专门研究，特别是还未见祁连山冻土区天然气水合物储层结构方面研究的报道。（3）天然气水合物储层研究状况以往对天然气水合

13、物的研究主要集中在天然气水合物的形成条件与分布预测（吴时国等，2004；陈多福等，2005；吴青柏等，2006；祝有海等，2006；曹代勇等，2009；赵省民等，2011）、资源评价（陈多福等，2004；卢振权等，2010b）、地球化学与地球物理异常（吴能友等，2007；卢振权，2007）、气体类型与成因（黄霞等，2010；卢振权，2010c）等方面，较少有研究涉及到天然气水合物储层结构方面。不过，从世界上已发现的天然气水合物分布来看，科学家研究认为，沉积速率较高、沉积厚度较大、砂泥比适中的三角洲、扇三角洲以及各种重力流沉积的前缘是天然气水合物发育较为有利的相带（于兴河和张志杰，2005；吴时

14、国等，2004）。例如美国阿拉斯加北部陆坡普拉德霍湾库帕勒克河天然气水合物，均赋存于布鲁克层序中的萨加拉沃克托夫（Saganavirktov）组三角洲点沙坝和分流河口坝砂岩中；墨西哥湾北部陆坡Walker脊东北的Terrebonne盆地天然气水合物储层为斜坡水道、斜坡扇（Boswell, et al., 2011; Frey, et al., 2011）。在岩性上，天然气水合物既可以保存在砂岩中（Safronov, et al, 2010），也可以保存在泥页岩中（卢振权等，2010a，2010c；祝有海等，2009；Lu, et al., 2011a；Frey, et al., 2011；Co

15、llett, et al, 2011b）。在砂岩中，天然气水合物主要保存在孔隙中（卢振权等，2010a，2010c；祝有海等，2009；Lu, et al., 2011b），也会保存在裂缝中（Riedel, et al, 2010；Kim, 2011），而在泥页岩中，天然气水合物主要保存在裂缝中（卢振权等，2010a，2010c；祝有海等，2009；Lu, et al., 2011b；Frey, et al., 2011）。例如阿拉斯加北坡大多数水合物储层为三角洲平原到大陆架沉积，水合物赋存于古新世-始新世粗粉砂岩到细砂岩储层的孔隙中（Winters, et al., 2011），而印度Kri

16、shnae-Godavari Basin中天然气水合物产出于裂缝性泥岩控制的沉积体系中（Riedel, et al, 2010）。天然气水合物在沉积物中的存在形式，在宏观上表现为4种形态（王秀娟等，2010; Collett, et al., 2011a; Torres, et al., 2011；Kneafsey, et al, 2011）：（1）粗粒沉积物的孔隙空间；（2）呈球状分散在细粒沉积物中；（3）出露海底或充填在裂隙中（4）低含量的固态水合物。在储层微观特征上，可以分为接触胶结模式、颗粒包裹模式、骨架颗粒支撑模式、孔隙填充模式、掺杂模式和结核及裂隙充填模式等6种储层的微结构物理模型

17、（张卫东等，2011）。储层沉积物的粒度是影响天然气水合物的形成和分布的一个重要因素（王家生等，2007），相对而言，天然气水合物更倾向于储集在孔渗性都较好粗粒的沉积物中（苏新等，2005a；王家生等，2007；Lu , et al., 2011a; Worthington, 2010）。例如加拿大Mackenzie三角洲冻土带中的天然气水合物主要充填于砂/砾孔隙中，淤泥和粘土不含天然气水合物或含量很低（Majorowicz and Hannigan et al., 2000）；IODP 311航次（东北太平洋Cascadia大陆边缘）发现沉积物粒度分别为3163m和63125m的2组较粗粒径

18、的沉积物数量变化增多的位置与水合物出现层位之间存在较好的位置对应关系（王家生等，2007）；IODP 204航次在太平洋水合物海岭8个站位BSR深度以上气体水合物稳定带的沉积物粒度分析和对比研究表明气体水合物主要富集在沉积组分较粗,相当于粉砂或者砂级质量分数较高的粒度层（苏新等，2005b）。这种现象在实验室也可以观察的到（Johnson, et al., 2011），这是因为天然气水合物是由于毛细管作用和渗透作用在沉积物颗粒间的空隙中形成的，孔隙的减小，增加天然气水合物形成时的相平衡压力（Malinverno , 2010），大的孔隙度比较有利于大量水合物的形成，因此较粗的沉积物岩性由于孔隙

19、度大对水合物的形成有利。同时，通过模拟实验也发现裂隙更有利于气体进入沉积物形成天然气水合物（Fauria and Rempel, 2011）。虽然不少学者已经意识到储层对于天然气水合物的形成具有十分重要的作用，认为砂岩的孔隙度、渗透率与连续性控制了天然气水合物的分布，储层的质量特别是渗透率是影响未来经济地长久地从天然气水合物中开采天然气的重要因素（McDonnell, et al., 2000; Srinivasan, et al., 2012），但是由于目前受到研究区钻孔以及地震资料较少的限制，对于天然气水合物储层结构方面的研究相对较少，例如Cook等（2011）利用测井曲线数据研究了墨西哥

20、湾天然气水合物砂岩储层的各向异性，Boswell等（2011）通过研究认为墨西哥湾北部深水天然气水合物储层沉积相为斜坡水道、斜坡扇，并且通过测录井、地震资料研究了天然气水合物储层的沉积环境和储层空间分布等，为资源量评估和后续勘探奠定了基础。在国内，从公开发表的资料看，未见专门论述天然气水合物储层结构的文献或著作。在天然气水合物储层的研究手段上，主要包含两个方面，一是在宏观上，常用的资料包括地震、测井，通过地震和测井数据的分析，可以获取储层的岩性、空间展布特征、饱和度与各向异性（Tréhu, et al., 2004; 王秀娟等，2010；Boswell, et al., 2011;

21、Cook, et al., 2011; Srinivasan, et al., 2012）；二是在微观上，利用一些精密的科学仪器和技术对天然气水合物储层岩石和天然气水合物的微观结构进行研究，例如利用CT和X射线扫描扫描检测岩心结构和非均质性（Kneafsey, et al, 2011），利用低温扫描电镜（FE-SEM）研究天然气水合物的产状以及分解时的表面特征（Bohrmann, et al., 2007; Klapp, et al., 2010）。1.3 主要参考文献Bohrmann G., Kuhs W.F., Klapp S.A., et al., 2007. Appearance an

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