黑海天然气水合物地质调查现状分析

吴林强 , 张 涛, 蒋成竹, 赵一璇, 梁前勇, 王晓辉, 邢佳韵

1)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083； 2)中国地质调查局发展研究中心, 北京 100037；3)中国地质调查局广州海洋地质调查局, 广东广州 510075； 4)中国石油大学(北京)化学工程学院, 北京 102249；5)中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037

黑海是全球最大的缺氧水体。合适的温压条件、富甲烷的环境以及适宜的海洋水文状况, 使黑海成为天然气和天然气水合物成藏的天然实验室。受限于黑海周边各国地质调查能力和装备条件, 目前黑海天然气水合物地质调查工作基本由德国、法国及俄罗斯等欧洲大国领导, 土耳其等其他周边国家主动权和话语权较少。经过多年努力, 我国已成功实施两轮海域天然气水合物试采, 创造了“产气总量”和“日均产气量”两项新的世界纪录, 在水合物基础科学、成藏理论、储层物性、勘查与试采关键技术以及环境效应等方面取得了丰硕的成果,水合物产业化正在稳步推进。本文系统梳理了黑海地区天然气水合物地质调查的历程、主要认识及资源潜力, 这对加快推动我国与黑海周边国家天然气水合物的合作调查研究、充分发挥我国世界领先的装备技术优势具有一定的借鉴作用。

1 黑海天然气水合物调查历程及主要成果

1.1 黑海概况

黑海是位于欧洲东南部和亚洲小亚细亚半岛之间的陆间海, 其形似椭圆形, 面积约42.2万km2。黑海平均水深1315 m, 最大水深2210 m, 通过土耳其海峡与地中海相连接(王京和刘琨, 2014； Merey and Sinayuc, 2016a)。从地质背景上看, 黑海由西部黑海盆地和东部黑海盆地两个盆地组成, 每个盆地都具有海洋地壳和强烈减薄的大陆地壳。两个盆地被Andrusov海脊分隔, 通过Arkhangelsky海脊与大陆地壳分开(Simmons et al., 2018)(图1)。在黑海陆架和大陆斜坡, 甲烷渗漏现象非常普遍(图1)(Dondurur and Cific, 2009； Merey and Sinayuc,2016b)。

图1 黑海天然气水合物和泥火山气体渗漏分布图(Starostenko et al., 2010)Fig.1 Location of the mud volcanoes gas seeps and gas hydrates in the Black Sea (after Starostenko et al., 2010)

1.2 天然气水合物地质调查历程

黑海天然气水合物的地质调查研究最早可追溯到20世纪70年代初(史斗, 2003； Yefremova and Zhizchenko, 1974）。1974年, 莫斯科大学科学考察船在1950 m水深海底之下6.4 m处发现了天然气水合物, 这是在黑海发现天然气水合物的最早正式记录。1978年, 深海钻探计划(DSDP) 42B航次在黑海钻了 6个孔, 获得了几乎完整的晚中新世以来的岩芯(David et al., 1978)。2001年, 由联合国教科文组织政府间海洋学委员会(UNESCO-IOC)资助开展的TTR-11航次, 首次在黑海西北部水深900 m非泥火山区域采用深海拖网采集到了天然气水合物样品(Kenyon et al., 2001)(图 2)。

图2 黑海西北部BS308号样品中的水合物(Kenyon et al., 2001)Fig.2 Gas hydrates in Core BS308K in the northwestern part of the Black Sea (after Kenyon et al., 2001)

2002年之后, 德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心(GEOMAR)先后利用Meteor号、Maria S.Merian号等科考船, 对黑海海底地形和水合物分布进行详细调查, 圈定了BSR的分布范围, 首次在火山泥沉积物中进行了天然气水合物取样, 获取了水合物的分布范围和沉积物参数(GEOMAR, 2002； Pätzold et al.,2003； Bialas et al., 2014)。

2010—2012年, 由欧洲科学基金会资助的EUROCORES TOPO-EUROPE项目在黑海开展了3个航次调查, 先后在黑海西北部边缘地区共采集高分辨率多道地震、Chirp浅地层剖面和多波束测深数据2500 km(Hillman et al., 2018)。

值得注意的是, 2003年, 土耳其多库兹爱吕尔大学(Dokuz Eylül University)海洋技术学院利用深拖5 kHz浅地层剖面仪, 在黑海东部近土耳其陆架和斜坡区水深250～700 m、海底以下25～60 m区域,观察到3～5 m厚的强反射层, 推测可能为富含H2S的浅层天然气水合物层(Dondurur and Cific, 2009)。2016—2018年期间, 土耳其多库兹爱吕尔大学(Dokuz Eylül University)Seis Lab地震实验室与土耳其石油公司(TPAO)合作, 在黑海西部进行了联合地震勘探。这些调查研究丰富了对黑海天然气水合物的认识。

1.3 天然气水合物调查取得的认识

经过近 50年的地质调查, 目前在关于黑海天然气水合物方面主要取得以下几点认识：

(1)黑海BSR广泛发育。据统计, 依据 BSR部署实施钻探调查时, 钻遇天然气水合物的概率为42%, 而在BSR外的概率为仅15%(Majumdar et al.,2015)。在黑海, 多瑙河深海扇中的高分辨率反射地震数据上出现 BSR(图 3), 这主要与甲烷水合物界面下存在游离气有关(Popescu et al., 2006)。同时, 在黑海中部的Amasra, Bartin和Zonguldar-Kozlu等多个地区观察到双BSR现象, 这意味着顶部BSR为生物成因天然气水合物界面, 底部BSR为热成因天然气水合物界面(Vassilev, 2006； Küçük et al., 2012)。

图3 黑海天然气水合物稳定带横截面BSR数量(Vassilev, 2006)Fig.3 Gas hydrate stability zones/BSRs number in the cross section (after Vassilev, 2006)

(2)黑海天然气水合物类型以Ⅰ型为主。根据M52等多个航次的样品综合分析, 黑海地区天然气水合物产状主要有块状、层状和分层状(Bohrmann et al., 2003； Pätzold et al., 2003)。气体成分等分析显示, 黑海地区天然气水合物既有热成因, 也有生物成因, 类型以Ⅰ型为主。其中, 天然气水合物稳定带内超过 99%的气体成分为甲烷(Korsakov et al.,2010； Merey and Sinayuc, 2016a, b)。此外, 在黑海东部陆架浅层天然气水合物层中, 可能富含H2S气体(Merey and Sinayuc, 2016a, b)。

(3)黑海天然气水合物储层以细粒沉积为主。目前关于黑海沉积物的岩性类型的资料非常有限。根据查阅文献资料, 特别是DSDP 42B航次的钻探取心资料对黑海沉积物岩性进行了分析, 显示黑海天然气水合物储层以细粒沉积为主, 黏土含量较高(Shimkus and Trimonis, 1974； David et al., 1978)。黑海浊积沉积层中的砂质粉土和粉砂层, 以及分离的薄砂层可能是潜在的天然气水合物储层。

(4)黑海海域海底具有较高的水温(约9℃)和盐度(约 22.3‰)(Pätzold et al., 2003)。据Ⅰ型甲烷水合物温压曲线, 天然气水合物在水深大于720 m处是具有热力学稳定性(Bialas et al., 2014)。在过去3～5个地质时期, 黑海的低盐度值仍然存在于 20～30 mbsf的沉积物中, 因此黑海的天然气水合物稳定带(GHSZ)可能略微向上延伸至水深约 665 m 处(Vincent et al., 2017； Zander et al., 2017)。

1.4 水合物分布与资源潜力

目前, 科学家已在黑海多个区域取得了天然气水合物样品, 同时泥火山、气体渗漏等多种与天然气水合物相关的证据也表明黑海天然气水合物分布范围十分广泛(图1)。据统计, 黑海地区适合天然气水合物形成的面积达28.8万km2, 占黑海总面积的68.5%, 占深水区域的 91%(Merey and Sinayuc,2017)。其中, 多瑙河深海扇是欧洲最有可能存在砂岩型大型水合物藏的区域(Popescu et al., 2007； 邢军辉等, 2016)。

关于该地区天然气水合物资源量的估算, 前人已做过不少研究(表1, 2, 3)。据Merey and Sinayuc(2016a, b)预测, 黑海天然气水合物分布面积约2.79万 km2, 水合物稳定带厚度约 303 m, 孔隙度为52.5%, 平均饱和度 10%, 评价黑海中天然气水合物的甲烷量达71.8万亿m3。其中, 砂岩型天然气水合物中甲烷资源量为13.6万亿m3。此外, 也有学者(Klauda and Sandler, 2003)认为, 标准条件下, 黑海天然气水合物甲烷资源量最高可达850万亿m3, 且黑海南部靠近土耳其的区域含量最为丰富(图 4中圆圈部分)。

表1 用于计算黑海水合物中甲烷资源量的参数(Merey and Sinayuc, 2016b)Table 1 Parameters calculated for the calculation of the amount of CH4 in the Black Sea hydrates in this study(after Merey and Sinayuc, 2016b)

表2 黑海天然气水合物甲烷资源量Table 2 Methane potential of the Black Sea hydrates

表3 黑海砂岩型天然气水合物甲烷资源潜力Table 3 Methane potential of the Black Sea hydrates(in sands only)

图4 标准条件下黑海天然气水合物中甲烷含量(据Klauda and Sandler, 2003)Fig.4 Volume of CH4 in hydrate at standard conditions for the Black Sea (after Klauda and Sandler, 2003)

2 黑海天然气水合物调查研究特点

2.1 资源调查由欧洲大国主导居多, 周边国家总体参与程度低

黑海地区的天然气水合物资源十分丰富, 且广泛分布在黑海陆坡、陆坡坡脚和深水盆地。除俄罗斯外，黑海周边其他国家的地质调查能力和装备条件有限。目前, 黑海天然气水合物资源调查工作由德国、法国及俄罗斯等国家领导居多, 土耳其等周边国家则偶尔以合作方的形式参与。比如在专门针对水合物开展的MSM 34航次中, 周边国家仅有保加利亚和土耳其的科学家参与(Bialas et al., 2014)。德国是在黑海地区开展调查航次最多, 影响力最大的国家。据不完全统计, 迄今为止德国“Meteor”号、“Maria S.Merian”号和“Poseidon”号科考船已在黑海进行了13个航次共24个航段的科学考察(邢军辉等, 2016； PANGAEA, 2018)。其中, 德国主导的海域天然气水合物储层计划(SUGAR)在黑海做了大量的工作。

2.2 周边各国调查程度较低, 专属海域水合物分布不明

除俄罗斯外, 目前黑海周边各国在水合物研究方面主要以各高校的科学家参与国际合作项目的方式为主, 地质调查机构和石油公司则鲜有参与。地质调查机构和石油公司即使开展了海域地质调查工作, 也基本都是围绕油气进行。比如, 以水合物研究较为积极的土耳其为例, 目前国内主要地质调查机构矿产研究与勘查总局(MTA)尚未参与到水合物调查和研究中, 土耳其石油公司(TPAO)也仅开展极少量的水合物调查工作。受限于国内较低的地质调查程度, 目前各高校在水合物方面开展的研究主要还停留在分析已有公开资料的基础上, 开展储层及物性分析、资源潜力评价和数值模拟等学术研究。由于这些公开资料基本来自美国、欧盟等开展的国际合作项目, 资料的针对性和密度都非常低。因此,这些学者们研究的区域往往覆盖整个黑海海域, 而专门针对各国专属海域的水合物地质调查工作还属于空白阶段。

2.3 土耳其积极参与国际合作项目, 具备一定的调查能力和装备实力

土耳其是除俄罗斯外, 从事天然气水合物较为积极的国家, 先后参与了欧洲海域天然气水合物(MIGRATE)、德国的SUGAR项目等多个国际项目,并在MSM 34等调查航次中提供各种装备和试验支撑。2005年, 为了开展由土耳其国家计委组织资助的天然气水合物研究项目“土耳其海域天然气水合物研究”, 土耳其多库兹爱吕尔大学(Dokuz Eylül University)海洋技术学院专门成立了 SeisLab地震实验室, 并拥有土耳其第一艘海洋研究科考船Koca Piri Reis号(SeisLab, 2019)。该实验室对黑海地区的天然气水合物做了较多的研究工作, 包括黑海沉积物中天然气水合物形成及其影响的研究、马尔马拉海东部的天然气水合物和浅层天然气结构、利用地震和声纳方法研究黑海天然气水合物、土耳其东黑海陆架和斜坡区天然气水合物和饱和沉积物的地震调查和东地中海地球物理资料分析与解释等。特别是在马尔马拉海, 土耳其先后与法国、德国等国家开展了 MARMARA(2000)、MARMARASCARPS(2002)、SEISMARMARA(2003)、MARNAUT(2007)和 MARMESONET(2009)等多个航次, 获取了大量天然气水合物有关资料,并对多个样品进行了测试分析(Korsakov et al., 2010；Merey and Sinayuc, 2016a； Hillman et al., 2018)。

3 结论

黑海天然气水合物资源丰富, 其独特环境使其成为天然气水合物调查研究的天然实验室。50多年来, 德国、法国、俄罗斯等在黑海主导了多个调查航次, 并对黑海天然气水合物开展了研究评价工作。

(1)黑海地区天然气水合物类型以I型为主, 主要赋存在细粒沉积储层中, 甲烷资源量最高可达850万亿m3, 但周边各国专属海域资源调查程度较低, 资源分布状况不明。

(2)除俄罗斯外, 黑海周边大部分国家天然气水合物实质性的调查研究工作还处于起步阶段。该区域天然气水合物资源调查以欧洲大国主导居多, 周边国家总体参与程度较低, 且多以高校参与为主,地质调查机构鲜有参与。

(3)土耳其具备一定的天然气水合物调查能力和装备实力, 且积极参与多个国际合作项目, 在黑海、马尔马拉海、地中海获取了大量天然气水合物相关资料, 是我国未来合作的重点。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.DD20190462).