南海北部神狐海域甲烷水合物动力学成藏的时空演化机制

How to interpret the rich hydrate layer formed mainly from biogenic methane in Shenhu area of the northern South China Sea is the key to determine hydrate resource potential of this region. A model in the previous national fund including rapid pyrolysis gas migration- abundant accumulations of methane hydrates- the changes of external environment- hydrate decomposition- fluids leaking out of the seabed had been proposed to account for this geological phenomenon. Based on this model in this project the marine hydrate system in Shenhu area has been divided into the fluids migration under the HSZ、hydrate accumulations within the HSZ and external environmental changes three parts. First the migration process of containing pyrolysis methane fluids carrying in-situ biogenic methane shall be analysed, and the competitive relationship between transport and reaction of pore methane will be also discussed. Second from the micro- meso- macro aspects the hydrate accumulations in the bottom of the HSZ and the relevant engineering and mechanical properties of the hydrate-bearing sediments will be researched to explore the maximum possible occurrence boundary. Finally according to the measured hydrate saturation distribution the item shall simulate the influence by the changes of external environments and explain the cause why the sporadic hydrate in the upper HSZ can exist. All the above studies will clarify the spatial-temporal evolution mechanism of the dynamic methane hydrate reservoir in Shenhu area and provide some theoretical references for the analysis of exploitation risks and choice of mining scheme.

如何解释南海北部神狐海域生物成因为主甲烷形成的高丰度含水合物沉积层这种机制是确定该区域水合物资源潜力的关键。本项目在青年基金"迁移甲烷通量对海底沉积层中甲烷水合物形成和聚集的影响"中提出的热解气快速运移-水合物大量生成-体系外部环境改变-水合物分解-流体渗漏出海底这一模式基础上，将神狐水合物分为HSZ下流体运移、HSZ内水合物聚集和外部环境变化三部分，首先分析HSZ下含热解甲烷流体迁移过程中对原位生物成因甲烷的携带作用，讨论孔隙中甲烷输运与反应间的竞争关系，接着从微/细观-介观-宏观上分析HSZ内下部水合物富集及含水合物沉积物的工程和力学性质，探讨该区域水合物的最大可能赋存边界，最后依据实测水合物饱和度分布演绎外部环境变化对水合物成藏的影响，并解释HSZ里上部零星水合物赋存的原因。上述研究将澄清神狐水合物动力学成藏的时空演化机制，为该区域水合物储层开发的风险分析及开采方案选择提供理论参考。

根据项目计划内容围绕南海北部神狐海域甲烷水合物动态成藏的时空演化机制开展研究。分析了神狐区域两种不同流体迁移情况下水合物的快速生成过程和机制，展示了在水合物开始形成阶段(800a)、水合物继续形成阶段(4000a)和水合物形成接近完成阶段(8000a)的三个不同时刻当地溶解甲烷/溶解盐、气/液/水合物饱和度、地层渗透率、毛细压力和地层温度/相平衡温度的变化情况，并讨论了当地地热的影响；考虑了海底沉降下的水合物储层演化过程，结果表明当海底平均沉积速率为5cm/ka，最初海底为988m时，经过5Ma水合物储层演变成当前的形态，在这个过程中动力学反应起主动作用而沉积影响为辅助作用，几个重要的控制参数甲烷通量、动力学系数、流体出发位置、渗透率和平均沉积速率被量化讨论，表明在沉积-反应模式下小甲烷通量和一般生成速度更符合神狐区域成藏模式；这两种模式共同作用形成当地水合物矿藏，但模型并没有发现明确的水合物大规模分解存在的可能，说明南海北部的气候-地质环境变化很可能是造成该区域目前水合物赋存产状的最重要因素；开展了四氢呋喃(THF)+四丁基氯化铵(TBAC)混合添加剂对甲烷水合物相平衡条件以及动力学生成实验的研究，和多种大分子烷烃对甲烷水合物生成的动力学实验的研究；测试了含甲烷水合物冻土砂岩和泥岩的导热系数和热扩散率；开展了当地环境下的含甲烷水合物沉积物试样的生成及随后的初步原位三轴力学测试，结果表明在高围压和低温度时含甲烷水合物沉积物力学强度更大；设计、搭建并投入使用一套水合物固结和蠕变实验的直剪平台，初步得到了56%水合物含量的沉积物试样的压缩系数和弹性模量，以及含30%水合物含量试样的最大水平破坏推力和最大水平破坏进尺。. 该项目研究成果将极大提高对南海北部海洋水合物体系的认识并能指导将来的商业开采。在该项目资助下，目前已发表英文SCI论文2篇，中文EI论文1篇，中文核心论文等3篇，已投稿在审英文SCI论文1篇；已获得国内实用新型专利1项，提交并正在审核国内发明专利2项；培养并毕业硕士研究生1名；取得单位奖励1次。