青藏高原多年冻土区分布在中纬度地带,天然气水合物赋存环境和基本特征既不同于海域水合物,也不同于极地冻土区水合物,缺少有效的勘探技术成为制约我国陆域天然气水合物资源调查与评价工作的主要技术瓶颈。在国家863计划、国土资源部行业科研专项和水合物国家专项共同支持下,开展了陆域冻土区天然气水合物勘查技术攻关,初步建成了陆域永久冻土区天然气水合物勘查的高精度地震勘探技术、音频大地电磁测深技术、超深探地雷达技术、地球化学勘查技术和综合地球物理测井技术;总结了冻土区天然气水合物地震学和电磁学识别标志,优选出了水合物地球化学勘查的有效指标,研发了水合物储层测井识别技术和储层参数评价技术;初步建立了冻土区天然气水合物物化探有效方法组合和物化探综合勘查模型;预测了水合物成藏有利区,提出的建议井位钻遇天然气水合物,方法有效性得到初步检验和应用。研究成果对推动陆域冻土区天然气水合物勘查技术进步、支撑我国冻土区天然气水合物资源评价与开发工作有重要意义。

祁连山三露天天然气水合物矿藏不同于海域,需要研究冻土区天然气水合物地质模型和勘查模型。根据天然气水合物地质、物化探和钻探成果,应用含油气系统理论建立了三露天天然气水合物矿藏的“五位一体”地质模型。在总结了近几年祁连山木里物化探勘查成果的基础上,建立了冻土区天然气水合物勘查模型。不同地球化学指标分别发育顶部异常、环状异常和负异常;冻土层音频大地电磁测深出现连续分布的高阻,探地雷达的特征是电磁波速度快、衰减慢,在冻土底界处有明显的反射信号; 控矿断裂的地震标志主要是反射波同向轴发生错断、终止、扭曲、突变或分叉合并等, AMT的主要特点是电性不连续; 天然气水合物矿层形成的反射波组呈现低速、高频、弱振幅的特征, 测井响应特征为高电阻率、低声波时差、低自然伽马、低密度。

为配合天然气水合物资源勘探工作,2010年在木里地区开展了高精度反射地震方法探测天然气水合物的有效性试验研究。反射地震采用192道接收,道间距2 m,炮间距8 m,覆盖次数24次,每道采用6个60 Hz检波器单点组合接收。激发震源使用炸药,井深为3~4 m,激发药量为1.2~2.4 kg。采用该工作方法得到地震剖面的信噪比和分辨率较高,构造形态特征明显。综合分析解释反射地震和测井及地质资料,推断解释了天然气水合物富集地带,提出了验证孔位。2013年,该探测结果得到了DK9钻孔验证,在距离已发现天然气水合物DK3钻孔SE方向约450 m处发现了厚度较大的天然气水合物。试验研究结果表明:在天然气水合物含量较低的测区,利用地震方法直接探测天然气水合物难度较大,但综合分析测区物化探和地质资料,结合钻井资料,能够通过反射地震探测天然气水合物的富集地带。

木里地区天然气水合物附存状态和储层岩性与海域或极地冻土区的水合物存在明显差异,为分析研究区水合物储层的测井响应特征,形成基于该特征的水合物储层识别方法,对本地区水合物勘探具有重要意义。文中利用常规测井和超声成像测井资料,分岩性、分附存状态,讨论了多种情况下水合物测井响应特征及产生的原因,统计出储层测井参数值的范围,并对研究区钻孔进行了水合物识别。研究结果表明:①视电阻率和自然伽马对孔隙型水合物反映灵敏,视电阻率和纵波速度对裂隙型水合物反映灵敏;②地质编录的厚层水合物均能识别,且识别出一些疑似水合物储层,但少量钻遇的薄层水合物未能识别,分析原因为水合物含量偏低,导致测井响应特征不明显;③研究区10口井识别出水合物和疑似水合物异常,其中孔隙型储层累计厚度89 m,裂隙型储层累计厚度151.6 m,故研究区以裂隙型水合物储层为主。综上所述,地球物理测井方法对水合物储层有很好的响应,可有效运用于研究区所有钻孔的水合物储层识别工作。

陆域冻土区天然气水合物地震勘探是应用地震方法进行能源勘探的新领域。为研究陆域天然气水合物的地震属性,开展了高精度反射地震、合成地震记录分析等方法技术研究,并对地震记录进行了有关地震属性分析。试验研究结果表明:含天然气水合物地层形成的地震反射波组具有主频较高、振幅较弱的特征,合成地震记录及实测地震剖面对应较好;在制作的流体模型中,储层顶界面反射波振幅随入射角的变化曲线斜率为正,底界面曲线斜率为负,固结骨架模型的曲线特征则刚好相反。在瞬时振幅、瞬时频率剖面上,含水合物地层反射波的振幅和频率属性与地震剖面一致,在瞬时相位剖面上,含水合物地层反射波的相位没有明显变化,表明瞬时相位属性对水合物反映不敏感;高值区的能量半衰时对应的反射波频率相对较高,表明反射波通过破碎程度较高的含水合物地层时,能量衰减相对较强。该研究结果将为我国陆域开展天然气水合物地震勘探提供技术支持。

青藏高原作为地球陆地碳循环系统的重要组成部分,一直是科学家和环保工作者关注的热点,天然气水合物的发现是否会引发环境和地质灾害再次引起科学家甚至政府部门的重视。本文选用甲烷通量、近地表大气甲烷浓度、土壤甲烷浓度和甲烷稳定碳同位素为监测指标,以祁连山天然气水合物试采区为研究区,开展甲烷排放监测。结果表明:① 祁连山高寒草原、高寒草甸区甲烷排放具有季节性变化和区域分布特点,最大排放值为19.2 mg/m²·h,最大吸收值为-108 mg/m²·h,表现出巨大的碳汇潜力,对青藏高原碳循环具有重要意义;② 甲烷碳同位素显示冻土区活动层大量存在微生物,10~30 cm甲烷主要微生物成因,微生物活跃期在夏季,冬季则减弱,微生物的代谢影响着甲烷的氧化和产生,嗜甲烷菌的存在对甲烷的排放起很大的控制作用;③ 试采前后近地表大气甲烷含量没有出现“爆炸式”增长,这与研究区天然气水合物的赋存状态和储量及试采方式有关;④ 甲烷排放受多种因素的影响,应加强对土壤温度、土壤湿度和pH值等因素的进一步研究。

为了研究水合物轻烃微渗漏对近地表微生物群落的影响作用,采用二代测序技术,对木里冻土区见水合物钻孔DK1、DK9和无水合物孔DK6附近土壤中的微生物群落进行了研究。相对于无水合物钻孔DK6,水合物钻孔的微生物群落结构发生了改变,尤其是烃氧化微生物在水合物钻孔具有明显的数量优势;水合物钻孔DK1以烷烃氧化菌为优势烃氧化菌群,水合物钻孔DK9以甲烷氧化菌为优势烃氧化菌群,这与DK1和DK9的水合物气体组分差异表现一致,无水合物钻孔DK9则无明显优势烃氧化菌群。以丁醇为唯一碳源的选择培养也得到了一批常见的烃氧化菌,这些可培养烃氧化菌可用于水合物相关烃类微渗漏的指示。上述以烃氧化菌群为代表的微生物群落及可培养烃氧化菌对木里天然气水合物响应特征的研究说明了基于轻烃微渗漏模型的微生物勘探技术应用于木里天然气水合物勘探具有可行性。

湿地是全球重要碳循环载体,青藏高原作为我国最大的湿地分布区,成为湿地碳循环系统的研究热点区。笔者通过采用地球化学勘探方法,利用顶空气和酸解烃方法,评估青藏高原祁连山木里盆地天然气水合物勘探活动对湿地碳循环系统的影响。研究区2009年、2011年、2013年酸解烃平均值分别为15.55、13.73、12.82 μL/kg,未发现明显增加;顶空气平均值分别为4.49、6.16、19.22 μL/l,随天然气水合物勘探开发活动增加。通过分析顶空气分布特征,发现顶空气是一种时间有效性较短的指标,并未指示烃类气体排放总量的增加。研究结果显示,天然气水合物试采井对碳循环系统的影响范围较大,但并未导致明显烃类气体排放增加,对区域碳循环系统整体影响较小,对环境的影响在可控范围内。

天然气水合物的弹性性质相比于周围岩层有明显的差异。传统声波成像方法采用声波近似,无法对其弹性性质进行准确地描述,弹性波偏移方法的成像结果分辨率低、中深部成像能量弱、振幅不均衡,存在低频噪声和采集脚印。为此,文中发展了一种弹性波最小二乘逆时偏移方法,在该方法中,推导了准确的弹性波最小二乘理论框架下的偏移算子和反偏移算子。为了提高计算效率并节省内存,引入了基于编码技术的混叠数据弹性波最小二乘方法,将多炮数据叠加为一个超道集,并采用编码技术压制串扰噪声。通过对两个含天然气水合物模型的试算验证了本文方法对天然气水合物储层成像的有效性及优越性。

低频探地雷达采集时间窗口大,深部信号受到地层衰减和频散的影响十分明显,真实反射信号往往伴随大量噪声,因此低频探地雷达信号可以视为典型的非稳态信号。引入对于非稳态信号处理效果非常好的Hilbert-Huang变换方法,在其基础上研究低频探地雷达深部微弱回波信号精细处理方法,能有效地滤除信号中的突变部分和噪声,从而实现对深层微弱信号的检测和提取。利用该方法对冻土带天然气水合物进行勘探,可以提取低频探地雷达信号在冻土底界及其下的天然气水合物储层的有效反射信号,取得了良好的效果。

我国青藏高原永久冻土区具备良好的天然气水合物成矿条件和找矿前景,缺少有效的勘查技术已经成为影响我国陆域水合物资源调查与评价工作的重要瓶颈。在木里地区开展了音频大地电磁测深法探测天然气水合物方法有效性实验研究,结果表明:音频大地电磁测深法在探测冻土和水合物方面是有效的。研究区冻土发育,但厚度变化较大,冻土发育状况对水合物成藏有一定控制作用。天然气水合物矿体在电性上表现出三大特征,这些特征可以作为判断水合物成藏的识别标志。水合物成藏受坳陷南缘的逆冲断裂(F₁、F₂)控制明显,断裂带不仅是气体运移通道,也是水合物成藏空间。研究结果对推动我国陆域天然气水合物勘探技术进步和水合物资源调查与评价工作有积极意义。

在青海木里已知水合物发现区,利用west便携式土壤通量测量仪和Picarro公司的G2132-iAnalyzer甲烷碳同位素分析仪开展游离气甲烷现场测量技术试验。游离气甲烷含量特征值和地球化学异常空间分布特征显示,研究区已知水合物矿藏上方存在良好的游离气甲烷地球化学异常,异常展布受到控矿断裂和地下水合物矿藏的影响,具有对应关系。有机地化和甲烷碳同位素证实祁连山冻土区天然气水合物属于热解成因。研究区游离气甲烷地球化学异常成因主要为热解成因与微生物成因,冬季开展游离气甲烷试验能减少地表微生物作用的干扰。试验结果表明,游离气甲烷现场测量技术适用于木里地区天然气水合物地球化学勘查,能够指示水合物矿藏,其最佳采样时间为冬季,是天然气水合物勘查的有效补充技术。

祁连山是世界上中纬度地区最先发现天然气水合物的地区。迄今为止在木里地区的天然气水合物科学实验钻探中已发现多口井赋存天然气水合物,而测井曲线分层是测井解释的第一步重要工作,对于天然气水合物测井评价具有重要的意义。基于木里地区水合物钻探井的测井资料,文中分别利用活度法、极值方差法和沃尔什变换法,从基本原理出发,分别利用不同测井参数,对木里地区的12口井进行自动分层。分析对比三种分层方法在木里地区的分层效果,认为活度法分层效果最优,极值方差法分层效果较差,沃尔什变换法分层效果最差;其中活度分层法分层结果与录井岩心资料吻合度较高,为后续的测井岩性识别和评价奠定基础。

木里地区由于断层、裂隙发育,以及多种岩性都存在天然气水合物,地质背景复杂,导致各种岩性的测井响应特征复杂,给天然气水合物及岩性识别带来一定的难度。本文通过分析多口井水合物及岩性的测井响应特征,利用直方图和交会图研究各种岩性在含天然气水合物或有水合物异常与不含天然气水合物时的测井响应的差异,找出对水合物反映敏感的测井参数,对该地区的水合物及岩性进行识别。然后综合利用对天然气水合物响应明显的自然伽马(GR)、电阻率(RT)、声波时差(AC)和补偿密度(DEN)等测井曲线,采用贝叶斯和BP神经网络两种方法识别岩性。识别结果与录井岩性吻合良好,准确识别出了含水合物地层的岩性,为木里地区寻找有利的天然气水合物储层提供了依据。

测井作为一种重要的地球物理勘探手段,在天然气水合物资源定量评价中发挥着重要的作用,随着木里地区天然气水合物勘探井的日益增多,需建立一套适合本地区的泥质含量、含水饱和度和孔隙度等储层参数的计算方法,这对储层优选、资源量的评估等具有重要意义。笔者基于国内外文献常用的天然气水合物测井评价模型,选用经过环境校正和标准化处理后的测井数据,定量计算天然气水合物的孔隙度与饱和度等参数,结合岩心测试和岩电资料,修正并完善储层参数的计算模型,分析各种测井评价方法在水合物储层计算当中的优劣。研究结果表明:泥质含量选用自然伽马值求取为宜;孔隙度选用受水合物分解所产生气体影响较小的密度值求取;饱和度的求取需根据水合物含量的不同,分别选用印度尼西亚公式、修正的wood方程或修正的阿尔奇公式。

天然气水合物主要分布在海底以下和永久冻土带。海域天然气水合物储层有比较明显的高波阻抗异常特征,但是针对陆域天然气水合物波阻抗特征的研究较少。文中针对青藏高原青海木里地区的陆域天然气水合物储层,结合DK-9井资料对经过DK-9井的L1测线二维反射地震数据进行了井约束的稀疏脉冲波阻抗反演,并分析了DK-9井中四层赋存天然气水合物的储层在波阻抗剖面上的特征,结果显示该地区陆域天然气水合物储层波阻抗特征较围岩差异性较小,无法单独通过波阻抗特征进行识别,需结合其它资料综合考虑进行识别。

音频大地电磁测深(AMT)在“死频带”(500~5 000 Hz)内,容易引起视电阻率与相位曲线畸变。为获得探测天然气水合物的高质量AMT数据,在青藏高原冻土区开展了AMT采集试验研究,涉及到5个采集参数,分别为采集时段、采集时长、天气、电极距与测点密度。通过参数对比试验发现:为获取高质量的AMT数据,采集时段应选择在下午至晚上区间,采集时长≥40 min,选用较小的电极距(50~100 m),选择多云或阴天进行采集,此外,采用密度较高的点距布设(点距100 m或更小)有利于构建准确的电性模型。

作为陆域永冻土区天然气水合物矿藏的盖层,天然气水合物的分布与冻土层密切相关。利用地震方法探测冻土层是该方法寻找天然气水合物的新尝试。青藏高原永冻土区冻土厚度相对较薄,为有效地探测冻土层,需采用小道间距、小炮间距、小偏移距和高覆盖次数的反射地震方法技术。由于松散沉积地层冻结前后的速度差别较大,利用地震速度谱和冻土底界反射波能够可靠地探测冻土层的厚度。对于孔隙度较低的硬岩沉积地层,虽冻结前后的地层速度差别相对较小,但冻结层底界面上下地层的波阻抗差异也会因冻结层的存在使正常反射波组在冻结层底界处出现不连续和扰动,依据地震速度谱和倾斜地层反射波组的扰动不连续可解释冻土层厚度。

在青藏高原永冻土区利用浅层地震技术探测天然气水合物是一种尝试。当可控震源遇到局部起伏不平的地表时,地表面不能与震源激震板有效地耦合,激发效果变差。在每个物理点数据采集前实施一次空振,有助于提高地表与震源激震板的耦合度。另一方面,夏季施工,浅地表低速融化层与下伏的高速冻土层之间的界面为强反射界面,该反射界面产生所谓的能量屏蔽。冬季施工虽可避开能量屏蔽问题,但浅表层高速冻土层常使可控震源激发出现谐振,地震记录上的谐波干扰严重降低了地震采集质量。在地表接近“半刚度”的半结冻条件下,可控震源激发既避开了表层融化低速层形成的能量屏蔽,又避开了冻结高速层引起的谐波干扰。采用相应的去噪技术能够有效地压制地震记录上的各种干扰,提高地震记录的信噪比。

以往研究表明冻土层及断层是陆域冻土区天然气水合物重要成藏要素,为了研究木里天然气水合物地区的断层及冻土层分布情况和天然气水合物成藏条件,应用音频大地电磁测深对木里试验区进行了冻土层及断层构造调查。依据试验区电性结构划分出了5组断层和4个断层构造发育区,其中F₃断层发育规模最大。试验区冻土层发育不均匀,平面以岛状特征分布,平均厚度超过60 m,划分了3个冻土层发育区。分析了天然气水合物成藏与冻土层、断层构造之间的关系,结合冻土层及断层构造条件,试验区东部F_3-3至F_3-5及F₄断层附近为天然气水合物成藏有利区。

南祁连盆地哈拉湖坳陷地处青藏高原东北缘,是我国高原冻土区水合物勘查的重点区域,通过地震勘查发现:浅层倒转叠加速度场揭示了测区冻土层比较发育,反射剖面结果和三瞬信息则揭示了哈拉湖坳陷为复合型盆地:加里东期结晶基底上发育的古生代—中生代盆地,经过印支期造山剥蚀后,在喜马拉雅运动作用下,进一步形成南深北浅的前陆盆地,并沉积了约300~1 200 m厚的新生代松散沉积物。测区受复杂构造运动的影响,地层破坏严重,且烃源岩品质较差,冻土形成时间晚,与导气断裂形成时间耦合性也差,区域性盖层缺乏,应用水合物成矿理论综合分析测区水合物成矿潜力较差。

自祁连山冻土区木里坳陷发现天然气水合物以来,南祁连盆地开始成为中纬度冻土区天然气水合物调查的重点地区。2014年在哈拉湖坳陷开展了1:10万地球化学调查,目的是为天然气水合物远景预测提供地球化学依据。调查面积3 000 km²,采样密度1点/2 km²,分析了天然气水合物和油气化探指标。在哈拉湖坳陷圈出了与三露天水合物矿藏类似的地球化学综合异常,面积大于30 km²,异常组合为酸解烃甲烷、酸解烃干燥系数、丁烷异构比、顶空气甲烷和荧光F320,这些指标存在组分分带现象。进一步研究表明,烃类气体主要来源于深部的凝析油伴生气和煤型气,异常区发育有利于天然气水合物形成的冻土厚度。调查结果表明,地球化学技术适用于中纬度冻土区天然气水合物勘查,能够圈出天然气水合物远景区。

在已发现水合物的木里坳陷冻土条件、烃源岩条件和温压环境等水合物成藏条件研究的基础上,通过类比法探讨哈拉湖坳陷天然气水合物的发育和赋存潜力。结果表明:两个坳陷具有相近的冻土层厚度、基本一致的温压条件等,指示哈拉湖坳陷基本具备天然气水合物形成的环境条件。在沉积演化、冻土层物质组成、烃类气体保存等方面两者具有较大的差异,木里坳陷的地层发育较完整,冻土层以沉积岩石为主,地球化学具有明显异常;哈拉湖坳陷石炭纪和侏罗纪发生沉积间断,三叠统含油气系统遭受破坏,冻土层物质以第四纪沉积为主,封盖能力差。埋藏较深的二叠统烃源岩可能能够为天然气水合物的形成提供烃类气体,推测哈拉湖坳陷局部隆起部位可能是天然气水合物赋存的有利区域。

祁连山哈拉湖坳陷与已发现天然气水合物的祁连山木里地区有相似的成藏条件,是高原冻土区水合物勘查的重点区域。为了调查祁连山哈拉湖坳陷的天然气水合物资源前景,查明冻土层厚度及断裂分布特征,利用音频大地电磁测深在哈拉湖地区进行了测量,从电性结构特征测区内划分了3个凹陷区、2个凸起区和26条断裂,分析了哈拉湖地区冻土层发育特征。结合测区内构造条件、冻土条件及顶空气甲烷异常区,指出哈拉湖南部和北部靠近断裂附近对天然气水合物成藏较有利。

南祁连哈拉湖盆地是重要的含油气盆地,多年冻土分布广泛,具有良好的天然气水合物找矿前景,而多年冻土的分布特征是天然气水合物成藏的重要控制因素。应用音频大地电磁测深(AMT)对南祁连哈拉湖东南缘的多年冻土的下限进行探测,并对影响多年冻土厚度的因素进行了分析。结果表明:应用AMT能较好地划分多年冻土的厚度;区内的多年冻土厚度基本分布在30~130 m之间,整体呈现“中部与西北部厚,其他区域较薄”的分布特征,其中,中南部、中部与西北部的多年冻土厚度在80 m以上,为天然气水合物提供了良好的盖层条件;区内多年冻土厚度的主要影响因素为地形、坡向(向阳面/背阴面)与地表径流,同时,断裂构造和地下水含量对冻土厚度也有一定的影响。高地、背阴面、非地表径流段、非断裂构造区域有利于形成较厚多年冻土层。

青海哈拉湖地区的陆域冻土区天然气水合物,其埋藏深度较浅,地震有效信号往往被干扰波淹没,如何从复杂的地震波场里有效提取出与地层、水合物有关的地震反射信号是开展地震资料精细解释和天然气水合物预测工作的前提。为此,详细分析青海哈拉湖地区地震探测原始数据,总结该地区干扰噪声的类型及特点,制定地震信号提取流程,并在叠前道集上逐步采用有针对性的噪声衰减、振幅补偿、反褶积以及叠加等处理技术,压制各类干扰信息,最大程度地保留有效反射信号,提高地震资料的分辨率、信噪比和保真度,更好地为地震资料解释和有利储层预测服务。

漠河盆地是我国主要极地冻土分布区,通过在漠河盆地西北部冻土区进行地球化学方法试验,浅表土壤中检出酸解烃和吸附烃两种烃类气体,其中吸附烃含量较高,甲烷平均值为12.48μL/L,最高值达49.93μL/L,酸解烃相对偏低。烃类三维荧光光谱显示凝析油特性,为热解成因气,表明深源气体不断迁移到地表表现出地球化学微观信息,结合该地区冻土、温压等条件,指示冻土区深部具有油性气和天然气水合物的存在。

为了配合东北冻土区天然气水合物资源勘查工作,在东北漠河盆地北部开展了音频大地电磁测深工作。文中通过对音频大地电磁测深的二维地电断面解释结果与平面电阻率特征的对比分析,进行了电性单元和断裂的划分,并对地质上漠河盆地滨海隆起区西北部“一隆一凹”的构造格局进行了完善,形成了 “两隆两凹,隆凹相间”的地质构造格局,初步查明了区域断裂构造的空间分布特征,其中F2、F4、F8断裂是次一级构造格局形成的控制性断裂,并结合地层的物性参数、冻土层分布厚度对天然气水合物成藏的有利条件进行了分析,提出北红村以南,即电性单元③为天然气水合物成藏的有利地区。

漠河盆地具有良好的天然气水合物成藏前景,了解盆地内冻土发育状况对评价水合物资源潜力和有利区优选十分重要。在东北漠河地区开展音频大地电磁测深(AMT)的剖面测量工作,目的之一是查明工区内冻土层埋深厚度以及空间分布。本文通过对东北漠河盆地北部冻土层电性特征的分析,依据冻土层的高阻特性进行了厚度识别和划分,勘探结果显示,漠河盆地北部冻土呈岛状分布,冻土分布特点为北厚南薄,西部薄,中东部厚,最大厚度为120 m,平均厚度40~80 m,反映了该区具有形成天然气水合物良好的冻土条件。

冻土厚度是影响永冻区天然气水合物形成及分布的重要因素,准确地划分多年冻土层底板深度对东北冻土区天然气水合物资源勘查具有重要意义。文中利用温度测井曲线对冻土层的响应特征,建立了地温模型,并对研究区的8个天然气水合物勘查孔的实测温度曲线进行了研究,结果表明:①温度测井曲线在冻土层底板处存在明显的拐点,拐点以上曲线斜率小于拐点以下曲线斜率,可用于准确划分冻土层底板深度;②钻孔涌水或井液平衡时间太短,会影响温度测井的准确性;③日照时间长短影响冻土层发育深度。

戈木错测区位于羌塘盆地中央隆起带北缘,在该区开展的天然气水合物区域地质调查成果表明该区具有较好生成天然气水合物的外部气源条件,输导构造条件、冻土条件、藏保条件,并圈定了天然气水合物有利区块。为研究适合于探测冻土区天然气水合物的地震方法技术和更好地勘探有利于天然气水合物分布区,在该区开展了浅层和中深层反射地震对比试验及勘查工作。试验结果表明:除浅层地震方法获得的地震剖面的分辨率较高和探测深度较浅外,在浅层和中深层反射地震剖面上反映的地质构造和地层分布特征类似。根据地震探测结果制作了测区地质构造图,依据测区地质资料和其他物化探资料,参考木里地区已知天然气水合物储层反射波的属性预测了测区天然气水合物有利分布区,并提出了验证孔位建议。

戈木错地区地处羌塘盆地中央隆起带北缘,在该区开展的区域地质调查表明结果表明,该区是天然气水合物成藏的有利地区。为了探测天然气水合物,在该地区开展了高分辨率地震反射探测技术试验,地震数据采集采用中间激发两边对称的观测系统,长排列、小道间距的接收方式,大吨位可控震源激发方式,获得了高质量的原始地震数据。在地震数据处理过程中,针对高原永冻土区的特点,进行了大量的处理参数试验,采用多种处理手段相结合的方式,获得了高信噪比的反射地震时间剖面。剖面上地震反射波组的形态清楚地反映了地下地质构造特征,依据天然气水合物成藏理论和木里地区天然气水合物表现出的频率高、振幅弱、速度低等地球物理特征,对戈木错地区天然气水合物成藏有利靶区进行了探讨和圈定。试验结果表明,高分辨率地震反射探测技术是一种非常有效的探测天然气水合物的手段,对今后在高原永冻土区开展天然气水合物地震探测有一定的借鉴作用。

自2008年首次在中低纬度带青海木里地区发现天然气水合物以来,开展了一系列的地球物理与地球化学勘查工作,但该区的水合物储层呈现低孔低渗的特征,给勘探工作带来了诸多挑战。为了研究冻土区的天然气水合物模型的电性响应特征,开展了冻土区天然气水合物AMT正演模拟研究。针对木里地区天然气水合物薄层分布的特点,结合该区天然气水合物层测井电阻率值分布特征构建了砂岩与泥岩两类模型,通过对不同参数的两类模型开展AMT正演模拟与反演研究,得到了两类模型的电性响应特征,结果表明:当水合物层的厚度/埋藏深度和水合物层/围岩电阻率比值满足一定条件时,无论是砂岩模型还是泥岩模型,可通过一维反演曲线分辨水合物层;在木里地区水合物稳定带内,无论是砂岩模型还是泥岩模型,对于水合物层的电阻率为含水合物砂岩层、泥岩层的均值时,当其厚度/埋藏深度≥10%时,可通过一维反演曲线分辨水合物层;而当水合物层厚度/埋藏深度≤5%,则无法分辨水合物层。

通过对低频探地雷达在青藏高原冻土带环境下的探测深度、分辨率及反射特征分析的正演模拟来研究其在冻土带天然气水合物勘探中的可行性和关键参数。首先通过雷达测距方程计算确定了理论上探地雷达的最大探测深度与发射频率、地下介质电阻率、介电常数之间的关系,并根据电磁波反射理论计算满足冻土带天然气水合物探测深度所需的系统增益;随后通过低频探地雷达分辨率计算和仿真模拟来确定低频探地雷达在大尺度(200 m)范围的广义分辨率;最后参考已经发现天然气水合物的木里地区基本情况设计冻土及天然气水合物模型,利用时间域有限差分(FDTD)方法进行二维正演,获得了探地雷达信号在冻土带底界以及天然气水合物顶、底界的反射特征,为野外实测数据的处理及解释提供有用信息。研究结果表明,采用中心频率小于等于15 MHz且系统增益大于165 dB的低频探地雷达在地表电阻率较高的冻土区能够满足天然气水合物储层的探测深度要求;分辨率计算及仿真模拟表明低频探地雷达在满足一定条件下在200 m深度可以达到探测深度1%的广义分辨率;探地雷达信号在冻土底界、天然气水合物顶、底界均存在明显的强振幅和频率突变特征;理论计算结果认为应用低频探地雷达直接探测冻土带天然气水合物是可行的。

低频探地雷达系统多配置无屏蔽天线,抗干扰能力差。针对中心频率15 MHz的低频探地雷达天线,以铁丝网作为屏蔽材料,设计制作了3种尺寸(长×宽×高分别为:12 m×12 m×5 m、11 m×11 m×5 m、9.6 m×9.6 m×5 m)的屏蔽装置,对接收天线和发射天线分别进行了屏蔽干扰实验研究。结果表明:网孔为1 cm×1 cm,丝径t为0.15 cm铁丝网是制作屏蔽装置的有效材料;对接收天线单独进行电磁屏蔽时,三种尺寸的屏蔽装置均显示出较好的屏蔽效果,其中最佳尺寸为11 m×11 m×5 m;对发射天线单独进行电磁屏蔽时,只有11 m×11 m×5 m尺寸的屏蔽装置最有效,另外两种尺寸的装置屏蔽效果相对较差;相对而言,给接收天线单独增加屏蔽装置要比单独给发射天线增加屏蔽装置好。实验结果为下一步研发实用化的低频探地雷达屏蔽装置打下了良好基础。

离子浓度在一定程度上会引起冻土冻融过程中其未冻水的含量变化,进而影响冻土的核磁共振响应。为了研究冻土冻融过程中离子浓度对其核磁共振响应的影响规律,笔者采用的试验样本是将不同浓度的NaCl溶液与马兰黄土混合,配制成NaCl含量不同、初始含水量相同的各样本,研究其弛豫特性。通过分析不同温度点下各样本的核磁共振响应特征,得到不同离子浓度对冻土核磁共振响应的影响规律。结果表明,核磁共振信号幅值随着离子浓度的增大而增大,但是横向弛豫时间T2不受离子浓度影响;在冻土冻融过程中,冻土中流体受温度和离子结晶物化作用的双重影响,样本的未冻水含量在不同温度区间的变化有所不同,但是在大于5 ℃和低于-20℃区间内,未冻水含量趋于稳定。

顺磁性物质的磁化率会随着温度的变化而变化,其引起的磁性不均匀对核磁共振信号有一定的影响。当利用NMR(核磁共振)技术研究冻土冻融物性特征时,冻土中所含的顺磁性物质造成的影响不容忽视。结合目前国内外冻土室内物性试验的研究情况,将顺磁性物质Fe₂O₃与马兰黄土混合,配制成Fe₂O₃含量不同、初始含水量相同的各样本,研究其弛豫特性。通过分析各样品的核磁共振信号幅值及横向弛豫时间随温度的变化特征,得到顺磁性物质含量对冻土核磁共振信号的影响规律。结果表明,顺磁性物质能够使孔隙介质中的流体弛豫时间显著减小,并在正温区间顺磁性物质的含量与横向弛豫时间满足某种经验关系式;顺磁性物质也使流体的核磁共振信号幅值显著减小,两者间也满足某种经验关系式;同时,在利用NMR技术分析冻土未冻水含量及孔渗结构时,顺磁性物质的存在会给计算结果带来一定的误差。

陆域冻土区天然气水合物勘探进展迅速,木里地区数口井已发现含天然气水合物储层,但目前国内尚无匹配的测井评价系统软件,影响了木里地区水合物勘探进度。为此,基于木里地区地质、工程和数据条件,利用VB语言开发了木里水合物测井评价系统。该系统的主要技术和方法有:①测井数据预处理技术;②测井响应特征与岩性分析;③岩性与储层识别技术;④储层参数计算与评价。结合这些技术和方法,设计了系统的结构和功能,采用分层式框架结构,从下至上共3层:基础数据层、中间支持层、应用层;实现了系统和技术的主要功能,建立了一套完整的链式处理模块和技术流程。现场应用表明,该系统满足勘探现场水合物测井处理解释的精度和效率要求,且结构简洁稳定,功能完善。实现了对木里水合物测井的高效处理与解释,填补了相关领域的空白,支持了木里地区天然气水合物的勘探与开发。

运用模糊统计法,以木里地区的物化探资料为例,对木里地区的天然气水合物资源分布情况进行预测,结果表明,应用这种方法进行水合物预测是可行的,预测区域与已知钻遇到水合物的钻孔有很好的对应,且圈定了6个水合物有利区,这不仅对物化探方法技术优选、异常特征分析和评价指标确立等工作具有指导意义,而且对加速推进我国陆域冻土区天然气水合物资源勘查与潜力评价工作具有十分重要的意义。