砂质水合物储层是国际上水合物勘查试采的首选目标,我国在南海北部琼东南盆地钻探发现了高饱和度砂质水合物。通过三维地震、测井、岩心及测试分析资料,证实了规模化成藏的砂质水合物藏。砂质水合物储层表现为低自然伽马、低西格玛、高电阻率、高声波速度和T2谱信号幅度急剧降低等测井响应特征,同时纵波及横波信号均明显衰减。砂层呈楔形近水平席状分布。岩性为粗粉砂-细砂为主,属于深水浊积体系末端的朵体沉积。剖面上,水合物和游离气具有同层分布、横向过渡的特点。平面上,水合物藏呈现椭圆形分布,中部发育伴生游离气,外围发育水合物。与世界其他海域钻探发现的倾斜砂质水合物储层不同的是,该水合物藏是在稳定域底界附近的水平砂层,在下伏气烟囱背景下局部高热流驱动和上覆细粒沉积地层的封盖下,充足游离气由中部向外横向长运移而形成大面积高饱和度水合物。

认清地质历史时期相关的流体运移和海底甲烷渗漏是天然气水合物研究中的重要问题,对了解水合物成藏、评价水合物分解过程中甲烷渗漏可能造成的环境影响有重要指导作用。本文通过对全球海域大量天然气水合物发育区进行再解释,分析流体运移通道、海底甲烷渗漏与天然气水合物系统三者间的关系。首先,按照流体运移通道在水合物系统中的作用将其分为两类:类型Ⅰ主要分布在水合物稳定区底界(BSR)之下,为水合物系统成藏提供气源的通道,类型Ⅱ分布在BSR以浅,甚至延伸至海底,为水合物系统中的甲烷逃逸提供渗漏通道。另外,分析认为多边形断层作为通道疏导油气垂向运移的作用是有限的。其次,根据海底甲烷渗漏与天然气水合物系统的位置关系以及渗漏的甲烷气源条件,将海底甲烷渗漏特征分为三大类五小类:水合物稳定边界以深(水合物系统气源、非水合物系统气源)、水合物稳定边界附近(水合物系统气源、非水合物系统气源)和水合物稳定边界以浅(非水合物系统气源)。其中,水合物稳定区向陆分布边界LLGHSZ(landward limit of gas hydrate stability zone)附近的甲烷渗漏强度和密度最大。综上,本文提出的流体运移通道与海底甲烷渗漏特征的分类方法对认识动态天然气水合物系统的成藏和分解过程、评价相关的环境和气候影响具有一定的指导作用。

南海北部神狐海域水合物储层以粉砂质细粒沉积物为主,其饱和度达30%,远高于其他许多地区的细粒水合物储层饱和度。研究该区内细粒沉积物水合物储层特征对于认识水合物富集规律、资源评价和水合物试采开发方案设计均具有重要意义。本研究通过对神狐海域叠前地震数据进行精细处理获得地层速度模型以及角道集数据,进而开展叠前地震反演,获得包括纵横波阻抗、纵横波速度比和泊松比等多弹性参数剖面,结合测井数据对水合物和游离气分布进行精细地球物理描述。通过研究发现:(1)研究区内BSR反射振幅随入射角增大而减弱,BSR在小角度叠加剖面上更易识别;(2)BSR之下发育具有低速异常特征的烟囱构造,可能是深部游离气的向上运移通道;(3)研究区内水合物储层具有较强的横向非均质性,较高饱和度水合物下部一般赋存游离气,表明水合物再循环可能在细粒沉积中的水合物富集起到重要作用。

近年来的钻探已在南海北部琼东南盆地证实了天然气水合物的存在,水合物形成时间无疑是深刻理解水合物成藏过程和分布的关键。本研究首次通过对含水合物钻孔的释光年代学研究,揭示天然气水合物储层的沉积时间,结合水合物分布的层段,约束了天然气水合物形成时间的下限,并进而分析了水合物储层的沉积速率及影响因素,为南海北部水合物勘查提供了坚实地质支撑。研究结果表明,该地区天然气水合物形成于距今65~90 ka,且天然气水合物储层沉积速率受冰期/间冰期海平面波动的控制。间冰期海平面上升,陆源碎屑输入减少,导致沉积速率降低;冰期海平面下降,陆源物质输入增加,沉积速率加快,是琼东南盆地天然气水合物储层形成的主要时期。

天然气水合物主要蕴藏于海底沉积物与大陆冻土层中,深入研究多孔介质中水合物的相平衡及其影响因素,对于了解海底沉积物中水合物的形成机制、分布范围和储量评估具有重要意义。当前的相关实验研究大多聚焦于合成多孔介质,而天然沉积物因结构和成分复杂,对水合物相平衡特征影响的研究仍需进一步深化。本文综述了水合物在不同孔径多孔介质中的相平衡变化,全面分析了孔径、粒度以及表面润湿性对水合物相平衡的具体影响。研究揭示,多孔介质产生的强毛细管力会导致水的活性降低,进而抑制水合物的形成,且在纳米尺度范围内具有临界值。此外,较小的多孔介质粒度会增加成核位点和反应界面,从而缩短诱导时间,有利于水合物的成核和生长。至于表面润湿性(亲水和疏水)对水合物形成的影响,目前学界观点尚待统一,但多数研究倾向于认为疏水表面相对亲水表面能更好地促进水合物的形成。