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第15卷第4期天然气地球科学VO1．15NO．4
2004年8月NATURALGAS6EOSCIENCEAug．2004

非常规I天然气水合物气

沉积层水合物的生成动力学模型

沈建东，王胜杰，郝妙丽，刘芙蓉
(西安交通大学环境与化学工程学院，陕西西安710049)

摘要：分析了沉积层中天然气水合物形成的原因。在公认的水合物形成地质模型基础上，借助分形
几何理论，对分形维数d进行了修正。描述了天然气水合物在分形介质中的扩散特性及生成动力学
特性，对水合物的形成速率方程进行了数值求解，研究了分形维数dr及扩散半径r的改变对水合物
形成速率的影响，将所得结果与实验室数据进行了比较。通过对水合物在天然多孔介质中的生成过
程的模拟，为实现对我国南海地区天然气水合物矿藏的预测与分析做了理论探索。
关键词：天然气水合物；沉积层；扩散；生成；动力学
中图分类号：TE122．11文献标识码：A文章编号：1672—1926(2004)04—0436—05

0引言水合物的勘测、开采与利用提供理论依挹。
1海底沉积层水合物形成过程分析
天然气水合物的研究是当今世界绿色能源研究
的热点。天然气水合物资源潜力巨大，据目前初步估天然气水合物的形成条件主要为低温高压(2．5

算，天然气水合物中甲烷总量可达(280～85000)×～25C，5～40MPa)，其主要出现在3()()～500ITI深
10in。，大约相当于当今世界己探明所有烃类矿藏的海底沉积物中和寒冷的高纬度地区。水合物可分
总资源量的2倍[1]。1999年10月，由广‘州海洋地质为I型、Ⅱ型和H型。I型水合物和Ⅱ型水合物中
调查局承担，国土资源部中国地质调查局首次在我主要是甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、二氧化碳和氮气分
国海域南海北部的西沙海槽等区域开展了海洋天然子，H型水合物中主要为更重的烃类分子。I型水
气水合物前期试验性调查及研究工作，在130km合物中的甲烷主要是生物成因气；Ⅱ型水合物和H
的地震剖面上识别出了显示天然气水合物矿藏的型水合物中的烃类主要来源于热成因，常与油气藏
BSR标志层，初步判识和确认天然气水合物矿层厚的渗漏有关。太平洋沉积岩中天然气水合物的观测
度约80～300in。粗略估算，其天然气总资源量可达资料表明，水合物围岩中的有机碳含量较高，吴必豪
到845×10。t油当量，大约相当于我国已探明的陆等人的研究认为烃类气体以浅部的微生物气为
上和近海石油天然气资源量的一半。由此可见，对主，从碳的同位素组成亦可证实这一点，本文也认同
天然气水合物资源进行科学研究有重大的战略意该观点，认为南海地区烃类气体为生物成因，组分中
义。通过对水合物在沉积层中形成的机理进行分析，以甲烷为主。
并借助分形几何理论描述天然气水合物在多孔介质天然气水合物的形成体系一般可分为2种：①
中的动力学特性，进一步分析扩散过程对水合物生静态体系，即在体系中引起水合物形成的主要因素
成速率的影响，继而推导出以扩散过程为控制步骤不是外来反应剂的加入，而是体系内部发生变化；②
的水合物生成的反应速率方程。通过对水合物生成动态体系，即在该体系中有外来物质进入反应带中，
速率的分析，实现对自然条件下天然气水合物的矿由相关勘测数据可知，水合物通常总是赋存在孔隙、
层分布与基本构造的预测，并为南海地区的天然气裂隙或渗透性相对较好的岩层中，这说明水合物是

收稿日期：200402l9；修回日期：200404～15．
基金项目：国家自然科学基金项目(编号：4207650)资助．
作者简介：沈建东(I979一)·男，辽宁沈阳人，硕士研究生．主要从事天然气水合物生成动力学及资源评价研究
1张光学，黄永祥．祝有海．等．南海天然气水合物的成矿远景．2002．

NO．4沈建东等：沉积层水合物的生成动力学模型437

由运移流体形成的，而不是由原地产生的气体形成环境参数稳定不变时，分解过程不会自发进行，因此
的。以墨西哥湾GC185区块Bush为例，水合物分布可认为y一0。
于水深约为540ITI的海底，而形成水合物的天然气对于天然气的生成速率y。，在水合物形成初期
却来源于深部的Jolliet气藏]。另外，与传统的有机y对y。的影响较大，但随着稳定区溶解气体量的增
沉积矿藏相比，天然气水合物的赋存条件十分特殊，加，溶解的天然气浓度c逐渐饱和，当c稳定时，天
水合物的形成严格受温度和压力的控制，其成藏带然气生成速率y。的变化对水合物生成速率y。的影
不随沉积层迁移而迁移，而是随温压环境带的变化响不再显著，因此，当对水合物的整个生成过程进行
而迁移。考虑时，可认为y。不会受y的显著影响。
针对海底沉积层水合物的形成特点，戴金星等扩散和成核两个阶段可分别用式(2)、(3)表示：

认为是下浮沉积层的深成气向上迁