维普资讯 http://www.cqvip.com
第２５卷第３期 河南理工大学学报 Ｖｏ１．２５ Ｎｏ．３ ２００６年６月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＮＡＮ ＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ｊｕｎ．２００６ 水溶气的形成与聚集 陈 润 。耿庆生 ，苏现波 （１．河南理工大学资源环境学院 河南焦作４５４００３；２．焦作煤业集团安全监察局，河南焦作４５４０００） 摘要：水溶气是一种重要的非常规天然气，世界范围内就资源量而言仅次于天然气水合物， 研究水溶气对解决能源短缺问题具有重要的意义．为研究地下水中天然气的体积分数和控制 因素，探讨水溶气成藏的地质条件，根据实验和对国内外水溶气研究资料的分析，总结了水 溶气的成分特征，论述了温度、压力和矿化度等因素对水溶气形成的影响，指出水溶气的分 布与富集成藏主要受气源、水溶气所处地的地层压力、圈闭等地质条件制约和影响．首次提 出在地下水中 ’ＣＨ４比１２ＣＨ４优先溶解、滞后解析的观点． 关 键 词：水溶气；溶解度；富集成藏；控制因素 中图分类号：ＴＥ １２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—７３３２（２００６）０３＇０２０５—０４ Ｏ 引 言 水溶气是指在一定条件下地下水中溶解的天然气ｕ Ｊ．人们认识到水溶气的存在已有很长历史， 我国周代《易经》就有关于水溶气的记载 ］，但直到１９０８年，日本才最早开始水溶气的研究，１９４８ 年日本最先正式确认水溶气为一种新的非常规天然气资源＿３ Ｊ、之后，世界各国才相继开展水溶气的 勘探、研究工作，而我国的水溶气的勘探仍基本处于空白＿４ Ｊ． 业已查明，沉积盆地中水溶气的资源量非常丰富．根据科尔钦施坦金的预测 ．６ Ｊ，沉积盆地地层 水中溶解的天然气资源量为３３ ８３７×１０挖ｍ ，其中欧洲为４ ７９９×１０地ｍ ，北美洲和中美洲为６ ４２２× １０ ｍ ，南美洲为５ ０１７×１０ ｍ ，非洲为３ ８７４×１０挖ｍ０，大洋洲为５ ００８×１０挖ｍ ，亚洲为８ ７１７× １０坨ｍ ．这比常规天然气资源量（２９３×１０挖ｍ ）高２个数量级．世界许多著名的含油气盆地水溶气 资源都非常丰富，西西伯利亚盆地水溶气资源量为ｌ ０００×１０挖ｍ ，伏尔加一乌拉尔盆地为１４０× １０挖ｍ ，滨里海（北里海）盆地为９８０×１０ｌ２ ｍ３，南里海盆地为２５９×１０挖ｍ ，美国的墨西哥湾沿岸 盆地估算的水溶气资源量达２ ６９９×１０挖ｍ３［引．另据诺沃西列茨基估计，世界水溶气资源量有 × １０拍～，ｚ×１０埔ｍ ，比常规天然气的总储量大数十到上百倍［３，７］．目前国外已非常重视水溶气的研 究，我国学者也开始关注这种非常规能源． １地层水中天然气的体积分数及控制因素 １．１水溶气成分组成特征 水溶气主要由可燃气（烃类）、氮气、酸性气体组成，可按组分体积分数超过５０％分类，而按组 分体积分数大于２５％分型（表１）＿８．９ Ｊ． 在含油气盆地内，水溶气的组分变化具有规律性：从盆地边缘向盆地坳陷部位，水溶气中氮气减 少，甲烷组分体积分数增加，如西西伯利亚盆地，水溶气中甲烷体积分数由盆地边缘向盆地增 加，在盆地边缘，水溶气的类型属氮型，盆地为甲烷型，甲烷体积分数达９９％，而氮仅占ｌ％． 随盆地含水层时代变老，水溶气中甲烷的体积分数减少，氮的体积分数增加． 收稿日期：２００５・１１＿０２；修回日期：２００５—１２—２８ 基金项目：国家９７３基金资助项目（２００２ＣＢ２１１７０５） 作者简介：陈润（１９７９一），男，江苏宿迁人，从事煤层气地质学与勘探开发研究 Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎ—ｒｕｎ一７９＠１６３．ｅｏｍ 维普资讯 http://www.cqvip.com
２０６ 河南理工大学学报（自然科学版） ２００６年第２５卷 表１水溶气的类、型［８Ｉ 】 Ｔａｂ．１ Ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｇａｓｅｓ ４ ３ １．２水溶气的碳同位素组成 和常规天然气相比，水溶气在运聚过程中具有相似的碳同位素分布特点．笔者在对鄂尔多斯盆地 ８号煤层甲烷气进行冲洗实验发现，气样的８”Ｃ的值为一４０．５０％０，经过水洗５ ｄ后８ Ｃ的值为 一４２．６７％。，水洗１０ ｄ后为一４５．１１‰，水洗１５ ｄ后为一４８．２６％０．从实验数据可以得出，随着水洗时 间的推移，气样中８”Ｃ的体积分数在不断减低，这与前人的研究结果［８，１０］完全吻合．同时，笔者在 总结前人的研究结果［８，１０，１１］中还发现，无论在地下水的源头气藏中，还是在气顶气的气藏中，烃类 气体的占＂Ｃ的体积分数都较低，只有在水溶气中烃类气体的８＂Ｃ的体积分数较高．笔者认为这可以 用相似相溶原理来解释：＂ＣＨ４比 ＣＨ４与水具有更相似的极性，更易溶于水，所以在水溶气的源头气 体中”ＣＨ 优先溶解，而在水溶气的另一端由于环境的改变致使心ＣＨ４优先解析． １．３温度、压力、矿化度对溶解度的影响 在各种气体中，甲烷在地层水中的溶解度最小．当温度低于８０℃时，溶解度随温度升高而逐渐 变小；当高于８０℃时随温度升高而增大，但其影响远远低于压力（图１），而且在不同温度条件下， 溶解度与压力的关系曲线有随压力增大而散开的特征，说明在高压条件下，甲烷的溶解度受温度的影 响较大，在低压下温度的影响相对较小［５，１２，１３］． 当温度不变时，随压力 增大甲烷的溶解度显著增 ８Ｏ℃ ４００ ℃ 大．由图１可知：压力增大 １倍，甲烷溶解度也成倍增 ３ｏ０ 长．由图２可知：①天然气 在地层水中的溶解度随压力 出２００ 增加而增大；②图中曲线具 上陡下缓的特征，表明在低 ｌｏ０ 压条件下压力的变化对溶解 度影响较大，在高压条件下 ０ １ ２ ３ ４ ５ 影响相对变小．所以，在埋 温度，℃ 溶解度，（ｍ３・ｍ‘ 深较大的地层水中，特别是 图１ 温度对甲烷在水中溶解度的影响 图２溶解度与压力的关系 在高压异常带的地层水中， Ｆｉｇ．１ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ Ｆｉｇ．２ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ 常伴生有丰富的高压水溶气 ＣＨ４ ｓｏｌｕｂｌｅ ｉｎ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｐｒｅｓｓ 资源． 天然气在地层水中的溶解度随矿化度的升高而降低［ ｍ， ，在低压条件下矿化度影响较小，在 高压条件下则影响较大．例如四川盆地泉３６井气在６０℃、１００ Ｐａｌ￣－，ｊ＂，矿化度为１０ ０００ ｍｇ／Ｌ和 ５７ ０００ ｍｇ／Ｌ时的溶解度分别为１．６５和１．１６，两者相差０．４９．压力为４００ Ｐａ１］￣，两者溶解度分别为 ４．２２和３．１９，差值为１．０３，矿化度对溶解度的影响更加明显． ＿）、 甓２ ＾＾－Ⅲ．维普资讯 http://www.cqvip.com
第３期 陈润等：水溶气的形成与聚集 ２０７ １．４水溶气的体积 在气源较充足的情况下，水溶气量的大小与储水层分布面积、厚度和孔隙度等因素有关，这３个 参数大的层位储水量大，储气量也大．一般说来，地下水储量的大小是决定地下水溶气资源量的最基 本的地质条件，其计算公式为 Ｖ ＝Ｓ Ｘ Ｈ Ｘ Ｘ Ｓ Ｘ １０。， （１） 式中，Ｖ 为储层储水量，ｍ ；Ｈ为储层厚度，ｍ；Ｓ为储层面积，ｋｍ ； 为储层孔隙度，小数；Ｓ 为 储层含水饱和度，小数． 在确知储水层厚度、面积、孔隙度、含水饱和度和单位体积水的溶气量时，水溶气量可以通过下 式计算： Ｑ ＝Ｈ Ｘ Ｓ Ｘ Ｘ Ｓ Ｘ ｇ Ｘ １０～， （２） 式中，Ｑ 为水溶气总量，ｍ ；ｑ 为单位体积地下水中的溶气量，ｍ ／ｍ ２水溶气的成藏条件 ２．１异常高地层压力是水溶气形成的主要条件 在正常地层压力含油气盆地中，水中溶解的天然气量（亦称天然气系数）一般为１～５ ｍ ／ｍ ， 如乌拉尔一伏尔加含油气盆地古生界，天然气系数是１～１．３ ｍ。／ｍ ，西西伯利亚含油气盆地为２～ ３ ｍ ／ｎ１。，里海含油气盆地是４－－５ ｒｎ３／ｍ３［６１． 在异常高地层压力的含油盆地，天然气系 表２异常地层压力与溶解度关系［５ ・ｔｓｌ 数高，甚至比正常压力地层的高数十倍（表 Ｔａｂ．２ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ ２）．而一旦钻井打开水溶气层，地层压力降低 所伴随的脱气现象，会使分散态的水溶气变为 聚积的游离气而产出．关于异常高压的形成机 制已有大量国内外文献报道，这里不再赘述． ２．２ 圈闭是水溶气富集成藏的必备条件 大量的水溶气呈分散状态遍布于含油气盆 地中，表现为天然气系数低，单井产量低；而在圈闭中的水溶气藏，天然气系数高，单井产量高．如 北高加索盆地，天然气系数一般只有４～５ ｍ ／ｍ３，而在库班坳陷的麦德维杰背斜圈闭内，天然气系 数达９ ｍ３／ｍ３［¨ｔ ］．在喀尔巴阡盆地，一般井的水溶气产量在３ ０００ ｍ ／ｄ内，而在勃雷尼亚背斜圈 闭内的２号井，水溶气的产量为１０ ０００～４９０ ０００ ｍ ／ｄ，水的产量为１５～２０ ｍ’／ｄ，相应的天然气系数 高达６９０～２０ ０００．可见圈闭的存在决定了水溶气富集和成藏，影响高产气井的分布． ２．３地质条件的改变影响水溶气释放成藏 天然气在地层水中溶解主要存在２种机制：一种是天然气分子和水分子作用形成水合分子，另一 种是天然气分子填充在水分子的间隙中ｌ＿１ ，且水合溶气量随温度的升高而降低，孔隙填充溶气量随 温度的升高而增加．但无论哪一种机理，天然气溶解度都会受到温度、压力和矿化度等条件的影响． 水溶相天然气在运移的过程中，由于地质条件的改变（如沿断层垂向运移 或由于基底抬升，使含水 层隆起或地层水基准面区域性或局部性降低，引起温度、压力降低，导致被地层水溶解的天然气由未 饱和一饱和一过饱和而释放出来成为游离气，处于饱和状态的水溶气运移到有利的囤闭中即可聚集咸 水溶气藏［Ｉ ７１． ３ 结 论 水溶气是一种日益受到人们关注的非常规能源，其富集成藏要求高温、高压和低矿化度的环境条 件，并且圈闭的存在为水溶气高产井奠定了基础．随水溶气的运移或地质条件的改变，温度、压力等 环境条件也将改变，这种改变可以向着有利于水溶气富集成藏的方向发展，也可造成水溶气藏的破 坏．探讨水溶气的成藏条件和成藏过程是水溶气地质学的主要研究内容．水溶气对于我国而言基本上 维普资讯 http://www.cqvip.com
２０８ 河南理工大学学报（自然科学版） ２００６年第２５卷 是一个全新的研究领域，有待进一步深入探索 参考文献： ［１］ 陈朝书，李钜源．深层高过成熟有效气源岩一水溶气作为有效气源探讨［Ｊ］．石油知识，２００４（１）：３２—３２． ［２］ 张厚福，方朝亮，高先志，等．石油地质学［Ｍ］．北京：北京石油地质出版社，１９９９． ［３］ 杨申镳．水溶性天然气勘探与开发［Ｍ］．北京：石油大学出版社，１９９７． ［４］ 关德师，牛嘉玉．中国非常规油气地质［Ｍ］．北京：石油工业出版社，１９９５：１０４－１２２． ［５］ 科尔钦施坦金Ｈ Ｂ．地下水圈中溶解天然气资源［Ｍ］．刘成吉，译．地质科技动态，１９９１． ［６］ 张子枢．水溶气浅论［Ｊ］．天然气地球科学，１９９５，６（５）：２９－３４． ［７］ 诺沃西列茨基．新能源一地层压力高压异常带中的水溶性天然气［Ｍ］．［出版者不详］，１９８２． ［８］ 刘朝露．李剑，方家虎，等．水溶气运移成藏物理模拟实验技术［Ｊ］．天然气地球科学，２００４，１５（１）：３２－ ３６． ・［９］ＴＩＲＡＴＳＣＯ Ｅ Ｎ．Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ［Ｍ］．Ｈｏｕｓｔｏｎ：Ｇｕｌｆ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，１９７９． ［１０］ 张晓宝，徐永昌，刘文汇，等．吐哈盆地水溶气组分与同位素特征形成机理及意义探讨［Ｊ］．沉积学报， ２００２。２０（４）：７０５－７１０． ［１１］ 王青，王枝焕，钟宁宁，等．水溶一释放作用对气藏的影响［Ｊ］．天然气工业，２００４，２４（６）：１８－２２． ［１２］ 杨远聪．李绍基，朱江．水溶气一四川盆地新的天然气资源［Ｊ］．西南石油学院学报，１９９３，１５（１）：１６－ ２３． ［１３］ 李本亮，王明明，冉启贵，等．地层水含盐度对生物气运聚成藏的作用［Ｊ］．天然气工业，２００３，２３（５）： １６－２０． ［１４］ 李国王主编．世界气田图集［Ｍ］．北京：石油工业出版社，１９９２． ［１５］ 柯林斯Ａ Ｇ．油田水地球化学［Ｍ］．北京：石油工业出版社，１９８４． ［１６］ 付晓泰，王振平．气体在水中的溶解机理及溶解度方程［Ｊ］．中国科学：Ｂ辑，１９９６，１２６（２）：１２４—１３０． ［１７］ ＫＯＲＴＳＥＮＳＨＴＥＪ Ｎ Ｖ Ｎ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｉｑｕｅ ｇａｓ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｎｏｒｔｈ ｏｆ Ｔｙｕｍａｎ ｄｉｓｔｒｉｃｔ［Ｊ］．Ｄｏｋ｜ａｄｙ Ａｋａｄｅｍｉｉ Ｎａｕｋ ＳＳＳＲ，１９７０，１９１（６）：１ ３６６－１ ３６９． Ｔｈｅ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｇａｓ ＣＨＥＮ Ｒｕｎ ，ＧＥＮＧ Ｑｉｎｇ—ｓｈｅｎｇ￣，ＳＵ Ｘｉａｎ—ｂｏ （１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｈｅｎａｎ Ｐｏｔｙｔｅｃｈｎｉｃ￡ ｗ ．ｊｉａ．ｏｚｕｏ ４５４００３．Ｃｈｉｎａ；２．Ｂｕｒｅａｕ ｏｆＳ￣ｆａｙ ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｎｎ ｊｌａｏｚｕｏ ｃｆ ，（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．Ｌｔｄ，ｊｉａｏｚｕｏ ４５４０００．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｇａｓ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｎａｔｕｒｅ ｇａｓ。ｉｔ ｉｓ ｏｎｌｙ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｎａｔｕｒｅ ｇａｓ ｈｙ－ ｄｒａｔｅ ａｌｌ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｇａｓ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｔｏ ｒｅｃｕｐｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｈｏｒｔ．Ｉｎ ｏｒ－ ｄｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ｃｅｒｔａｉｎ ｎａｔｕｒｅ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ，ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｇａｓ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｇａｓ， ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｇａｓｅｓ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｇａｓ ｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ａｃｃｕｍｕｌａ－ ｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｏｓｌｕｂｌｅ ｇａｓ ａｒｅ ｍｏｓｔｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｇａｓ ｓｏｕｒｃｅ，ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｄ ｔｒａｐ．Ｉｔ ｉｓ ｆｉｒｓｔ ｓｕｇ— ｇｅｓｔｉｏｎ ｔｈａｔ ＣＨｄ ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｏｌｕｂｌｅ ａｎｄ ｐｏｓｔｐｏｎｅｍｅｎｔ ｒｅｌｅａｓｅｄ ｔｈａｎ ＣＨ４ ｉｎ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｇａｓ；Ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ；ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ （责任编校宫福满）