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海相天然气水合物的形成

来源:中国天然气工业网 日期:2010-09-15 浏览量:
迄今为止采集到的海相天然气水合物相伴生的气体都是富含甲烷的,也就是甲烷成分占所存在的烃类气体的99.9%以上。乙烷和较高分子量的烃类也存在,但通常是百万分之几。化学上可以通过两种迥然不同的过程形成这种组成的天然气。一是微生物成因,二是热化学成因。微生物成因是指在微生物(细菌)对有机物的蚀变作用期间,甲烷是在生成甲醇过程中生成的唯一烃类。热化学成因是指若温度超过200℃,海底深度大于6000米时,甲烷是所存在的烃类热裂解的主要气体产物。但海相天然气水合物里的天然气存在于温度低于50℃的浅海沉积物中,所以它是生物作用过程的产物,而不是高温化学过程的产物的可能性最大。
    在海相环境中,进行着两个典型的代谢作用过程:使用无机酶化物的氧化作用和使用有机酶化物的发酵作用。在一个随时间和海相沉积柱的深度而变化的代谢过程的生态层序中,形成三种生物化学环境或带。在最上部,沉积物中的发育需要氧的呼吸作用,形成氧呼吸作用带;在沉积速度快的地方,沉积物中的氧会很快被消耗掉,然后缺氧条件占优势,所以在氧呼吸作用带下形成一个硫酸盐还原代,在这个代空隙流体中的硫酸盐受到还原作用;在硫酸盐还原带之下是二氧化碳还原代,在那里生成了甲烷。对海相沉积物中硫酸盐还原及甲烷生成作用互相排斥的程度和范围还有待调查和研究,很可能甲烷的生成和消耗之间的平衡决定了海相沉积中甲烷的分布。尽管可能还有其它形成甲烷的途径,但是二氧化碳还原是生成甲烷最可能的机理,并且是在海相环境里生成的绝大部分甲烷的最主要的因素(Rice, et al 1981)。
    建立三种生态层序后,随着在沉积物-水界面上新的沉积物的增加,生物化学带上移。微生物甲烷的生成可以延续200万年之久,埋藏深度达1000米。在这一适于天然气水合物稳定的温度和压力条件的深度,进行了生物化学和地质学的过程。这时,如果生成了足够的甲烷,就将形成天然气水合物。甲烷的产生需要很少量的可代谢有机质,大约等于0.5%的有机碳。如果甲烷在整个地质时期的沉积过程中不断生成,其生成量就会超过可溶于水的量,因而在地下的温度和压力下,可形成天然气水合物。
    在那些沉积物只发现了天然气水合物的地方,天然气水合物的形成可能会随着沉积作用而不断进行。天然气水合物的厚度将不断增加,直到其基底沉降到水合物不稳定区域为止,在那里较高的温度导致天然气水合物的离解。在天然气水合物稳定的深度之下,会出现游离甲烷。除了以上所述的就地产生甲烷形成外,天然气水合物还可以由深处产生的甲烷向上迁移到水合物稳定带而形成。一旦天然气水合物形成后,游离甲烷气将在其下积聚。在海相沉积物中,天然气水合物形成的过程可能是连续的。无论何时,只要压力、温度及甲烷供给适宜,天然气水合物都会在海相沉积物中形成。在海相沉积物中,天然气水合物的稳定区不断向下移,直到温度太高致使天然气水合物离解的深度。这时,甲烷作为游离气存在,天然气水合物则可充当封闭位于其下的游离气的盖层。所以,海底大多数天然气田的上层都有圈闭天然气的天然气水合物的盖层。