廣義的油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究，泛指一切有關(guān)油氣生、排、運(yùn)、聚的機(jī)理性研究。文中所說的“油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究系統(tǒng)”，是指在某一特定地質(zhì)單元內(nèi)，在相應(yīng)的烴源體和流體輸導(dǎo)體系發(fā)育的格架下，通過對(duì)溫度、壓力（勢）、應(yīng)力、含烴流體等各種物理、化學(xué)場的綜合定量研究，在古構(gòu)造發(fā)育背景上，歷史再現(xiàn)油氣生、排、運(yùn)、聚乃至成藏全過程的多學(xué)科綜合研究體系，這實(shí)際上是含油氣系統(tǒng)意義上的一種定量動(dòng)力學(xué)研究體系。
網(wǎng)站建設(shè)哪家好，找創(chuàng)新互聯(lián)公司！專注于網(wǎng)頁設(shè)計(jì)、網(wǎng)站建設(shè)、微信開發(fā)、小程序設(shè)計(jì)、集團(tuán)企業(yè)網(wǎng)站建設(shè)等服務(wù)項(xiàng)目。為回饋新老客戶創(chuàng)新互聯(lián)還提供了將樂免費(fèi)建站歡迎大家使用！
油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究系統(tǒng)由模型研究與模擬研究兩部分組成，在理論上集成了石油地質(zhì)學(xué)的動(dòng)力學(xué)研究成果，整個(gè)研究過程是在烴源體和流體輸導(dǎo)體系的三維格架上進(jìn)行的。這個(gè)研究系統(tǒng)有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)工作平臺(tái)支持，模型研究與模擬研究結(jié)果的迭代反饋降低了地質(zhì)解釋中的多解性，是新一代石油地質(zhì)勘探研究工作系統(tǒng)。該系統(tǒng)在珠江口盆地應(yīng)用，顯示了研究系統(tǒng)的具體應(yīng)用效果。
“油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究”是“九五”期間，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國海油聯(lián)合資助的重點(diǎn)項(xiàng)目《南海北部大陸邊緣盆地的活動(dòng)熱流體和油氣成藏動(dòng)力學(xué)及其地質(zhì)背景》的一項(xiàng)主要研究內(nèi)容。目前，這一項(xiàng)目已在基礎(chǔ)理論上獲得了許多創(chuàng)新成果，并已基本形成了油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究的概念體系和可用于油氣勘探實(shí)際的、具有一定技術(shù)優(yōu)勢的工作方法。
海上油氣勘探成本較高，這就迫使我們不得不對(duì)許多尚具探索性的研究領(lǐng)域給予關(guān)注，如油氣運(yùn)移和聚集問題等。
油氣運(yùn)移與聚集研究是石油地質(zhì)學(xué)研究的重要課題，它涉及石油地質(zhì)學(xué)整體研究體系。因此，要形成可操作的油氣運(yùn)聚研究方法，就必須從整個(gè)研究體系出發(fā)，以動(dòng)力學(xué)為核心。以下分油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究的技術(shù)背景、油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究系統(tǒng)的基本框架、油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)和應(yīng)用實(shí)例等4部分對(duì)油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究系統(tǒng)作一概要介紹。
一、油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究的技術(shù)背景
20世紀(jì)60～70年代，石油生成的化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究卓有成效，并取得了具有重要意義的研究成果。
20世紀(jì)80～90年代，地下流體動(dòng)力場（尤其是壓力場）研究成為石油地質(zhì)學(xué)研究的熱點(diǎn)。層序地層學(xué)和地震巖性預(yù)測技術(shù)的發(fā)展，給構(gòu)筑盆地?zé)N源體和流體輸導(dǎo)體系格架提供了可能。計(jì)算機(jī)軟、硬件的快速發(fā)展，將實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的盆地模擬運(yùn)算提高到油氣運(yùn)移與聚集的模擬階段。含油氣系統(tǒng)理論的興起，將石油地質(zhì)學(xué)研究提高到系統(tǒng)論的高度，并已經(jīng)出現(xiàn)把含油氣系統(tǒng)視為動(dòng)態(tài)石油生成和聚集的物理、化學(xué)系統(tǒng)的概念，以及試圖用化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制的生烴子系統(tǒng)和受物理動(dòng)力學(xué)控制的運(yùn)移/捕集子系統(tǒng)，來構(gòu)筑含油氣系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)思路。G.Demaison所闡述的含油氣系統(tǒng)概念，基本上是以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)、體現(xiàn)石油地質(zhì)學(xué)發(fā)展趨勢（即集成動(dòng)力學(xué)研究成果）而形成的完整概念體系，它是把油氣自生成至成藏過程，作為一個(gè)完整的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行研究。
近年來，“含油氣系統(tǒng)”一詞已成為油氣勘探研究中的熱門術(shù)語，甚至可以說已經(jīng)形成了一股“含油氣系統(tǒng)”熱。其實(shí)，含油氣系統(tǒng)是石油地質(zhì)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，由于不同學(xué)者看問題的角度和視野不同，因而對(duì)含油氣系統(tǒng)的描述各有側(cè)重（表5-9）。例如L.B.Magoon和W.G.Dow著眼于大區(qū)域范圍內(nèi)預(yù)測油氣資源存在的可能性，他們所擬定的含油氣系統(tǒng)的規(guī)模，相當(dāng)于含油氣區(qū)或超大型含油氣盆地，相應(yīng)的描述方法是較為粗略的結(jié)構(gòu)圖解法；A.Perrodon則以提供盆地內(nèi)遠(yuǎn)景區(qū)圈定依據(jù)為目的，提出的含油氣系統(tǒng)規(guī)模大致與盆地相當(dāng)，選擇的描述方法也是粗線條的模型類比法；G.Demaison和B.J.Huizinga擬定的含油氣系統(tǒng)級(jí)別最低，僅與凹陷相當(dāng)，所選擇的研究方法是最精細(xì)的成因分析法。如果以區(qū)帶或勘探目標(biāo)為目的，那么G.Demaison和B.J.Huizinga關(guān)于含油氣系統(tǒng)的研究方法是最值得借鑒的。
表5-9 不同學(xué)者對(duì)含油氣系統(tǒng)表述的比較
在油氣勘探的區(qū)帶（Play）和目標(biāo)（Prospect）研究中，通常應(yīng)用的方法是傳統(tǒng)的石油地質(zhì)學(xué)方法，其研究重點(diǎn)是石油地質(zhì)條件，研究內(nèi)容是各項(xiàng)地質(zhì)條件的綜合評(píng)價(jià)，目的是得到用圈閉法計(jì)算的圈閉資源量和相應(yīng)的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)（盡管其中也應(yīng)用了許多動(dòng)力學(xué)方法，如生烴動(dòng)力學(xué)、古溫度場、壓力場、應(yīng)力場研究等）。含油氣系統(tǒng)理論的興起及其在油氣勘探中的廣泛應(yīng)用，使得生產(chǎn)研究對(duì)理論指導(dǎo)的渴求愈來愈迫切。
在含油氣系統(tǒng)理論應(yīng)用中，一般應(yīng)用L.B.Magoon和W.G.Dow的描述方法描述次級(jí)含油氣系統(tǒng)者居多，其原因主要是這種描述方法可操作性強(qiáng)，便于接受。雖然G.Demaison和B.J.Huizinga的研究方法更適于勘探區(qū)帶評(píng)價(jià)，但由于未形成可操作的研究系統(tǒng)，因而應(yīng)用實(shí)例見得不多。
廣義的油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究，泛指一切有關(guān)油氣生、排、運(yùn)、聚的機(jī)理性研究。本文所說的“油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究系統(tǒng)”，是指在某一特定的地質(zhì)單元內(nèi)，在相應(yīng)的烴源體和流體輸導(dǎo)體系發(fā)育的格架下，通過對(duì)溫度、壓力（勢）、應(yīng)力、含烴流體等各種物理、化學(xué)場的綜合定量研究，在古構(gòu)造發(fā)育的背景上歷史再現(xiàn)油氣生、排、運(yùn)、聚乃至成藏全過程的多學(xué)科綜合研究，目的是由油氣成藏的動(dòng)力學(xué)機(jī)理出發(fā)，進(jìn)行區(qū)帶和勘探目標(biāo)的評(píng)價(jià)，并形成一套可操作的工作方法。由于要追索油氣生、排、運(yùn)、聚的全過程，所以油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究必須要建立在含烴流體的載體即烴源體與流體輸導(dǎo)體系的格架基礎(chǔ)之上，控制油氣生、排、運(yùn)、聚的物理、化學(xué)動(dòng)力場也必然成為油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究的重要內(nèi)容。
要?dú)v史地定量描述油氣生、排、運(yùn)、聚的全過程，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是不可缺少的工作手段。通過對(duì)油氣勘探區(qū)帶和目標(biāo)評(píng)價(jià)研究中，傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)方法、含油氣系統(tǒng)方法以及油氣成藏動(dòng)力學(xué)方法的比較，不難看出，三者從出發(fā)點(diǎn)到具體工作內(nèi)容乃至最終成果的表現(xiàn)都有本質(zhì)的不同（表5-10）。
表5-10 油氣勘探研究中3種不同工作方法的比較
油氣成藏動(dòng)力學(xué)的形成是石油地質(zhì)學(xué)發(fā)展的必然，當(dāng)前已經(jīng)具備了構(gòu)成完整研究體系的基本條件。今后，隨著油氣成藏機(jī)理研究的不斷深化，油氣成藏動(dòng)力學(xué)必將日臻完善，并在油氣勘探中發(fā)揮重要作用。
二、油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究系統(tǒng)的基本框架
油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究系統(tǒng)包括模型研究和模擬研究兩部分。模型研究的任務(wù)：①根據(jù)所獲得的地質(zhì)資料，建立盆地構(gòu)造－沉積格架，為建立三維數(shù)字盆地提供模型；②在數(shù)字化盆地基礎(chǔ)上，追溯油氣生、排、運(yùn)、聚過程，為模擬研究提供油氣成藏機(jī)理和油氣運(yùn)移路徑等控制模型。模擬研究是用油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)模擬油氣生、排、運(yùn)、聚過程，在逼近勘探實(shí)際過程中，修正輸入模型，最終得到定量化的結(jié)果（圖5-10）。
圖5-10 油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究總體框圖
（一）油氣成藏動(dòng)力學(xué)模型研究
模型研究是油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)，包括盆地模型和油氣運(yùn)聚的控制模型兩個(gè)部分。
1．盆地模型
主要指盆地的沉積－構(gòu)造格架以及相應(yīng)的物理和有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)，用以建立三維數(shù)字盆地。盆地模型是進(jìn)行人工控制性油氣生、排、運(yùn)、聚模型研究的基礎(chǔ)，也是油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬研究的基礎(chǔ)，由以下7個(gè)部分組成。
a．沉積體模型：主要指各層沉積相圖，用以建立烴源體、輸導(dǎo)體和蓋層體系模型；
b．構(gòu)造體模型：包括各層構(gòu)造圖和主要圈閉與斷裂體系的發(fā)育研究，用來建立三維構(gòu)造數(shù)據(jù)體，實(shí)現(xiàn)回剝，以得到各期各層古構(gòu)造圖；
c．烴源體模型：對(duì)沉積體模型中有生烴能力的沉積體賦予有機(jī)地球化學(xué)屬性，如有機(jī)碳含量、干酪根類型、熱模擬產(chǎn)烴率（或活化能、頻率因子），以進(jìn)行生排烴量模擬；
d．輸導(dǎo)體模型：對(duì)具有滲透能力的沉積體賦予儲(chǔ)層物理屬性；對(duì)斷裂、裂隙性輸導(dǎo)體進(jìn)行歷史發(fā)育研究，重點(diǎn)確定其歷史發(fā)育過程中對(duì)流體的輸導(dǎo)能力；
e．溫度場模型：給出現(xiàn)今溫度梯度曲線、Ro－深度關(guān)系曲線，以模擬古、今地溫場，逼近現(xiàn)今烴源巖熱演化結(jié)果；
f．壓力場模型：模擬古、今壓力場，進(jìn)行各層古、今流體勢研究；
g．應(yīng)力場模型：為應(yīng)力場模擬提供參數(shù)，分析應(yīng)力場發(fā)育與油氣運(yùn)移間的關(guān)系。
2．油氣生、排、運(yùn)、聚的控制模型
是指用人工方法建立的具體盆地、凹陷（或含油氣體系）的油氣生成、運(yùn)移、聚集機(jī)理性模型。盡管我們對(duì)油氣生、排、運(yùn)、聚的微觀世界還有大量未知領(lǐng)域，但是在宏觀上通過集成現(xiàn)有理論和應(yīng)用模型，足以建立起基本概念框架，以描述具體盆地油氣成藏動(dòng)力學(xué)過程。它包括以下3個(gè)主要模型。
a．油氣生成的動(dòng)力學(xué)模型：這是油氣生、排、運(yùn)、聚動(dòng)力學(xué)模型中最成熟的部分。自20世紀(jì)70年代康南用化學(xué)動(dòng)力學(xué)公式描述有機(jī)質(zhì)生烴過程以來，該模型已被廣大石油地質(zhì)研究人員所采用，并得到深化。魏格斯（1985）用熱解法計(jì)算生烴量方法，也是目前我國普遍應(yīng)用的量化生烴史的主要方法。各烴源層各地質(zhì)歷史階段Ro等值線圖、熱演化史剖面圖、生烴量等值線圖和生烴量史表等“3圖1表”在描述生烴過程中是必要的。
b．烴類初次運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)模型：孔隙體積法和殘烴量法是目前生產(chǎn)研究中普遍采用的排烴量計(jì)算方法。孔隙體積法的假設(shè)前提是：連續(xù)油相是初次運(yùn)移的主要相態(tài)，當(dāng)生油層的孔隙（或裂隙）體積中的含油飽和度超過臨界運(yùn)移飽和度時(shí)，石油在壓實(shí)作用下則以連續(xù)油相與水一起排出。殘烴量法是用計(jì)算的生烴量減去實(shí)測殘烴量（氯仿瀝青“A”，或總烴HC，或熱解法求得的S1）而求得排烴量。初次運(yùn)移的方向主要受剩余壓力控制，由于烴源體的剩余壓力總是高于與之相接觸的流體輸導(dǎo)體，因此與烴源體相接觸的流體輸導(dǎo)體是含烴流體初次運(yùn)移的主要指向。這一運(yùn)移機(jī)理在理論上可以用滲流定律描述，但實(shí)際地質(zhì)條件卻往往超出滲流定律的前提條件。因此，在這里應(yīng)用計(jì)算機(jī)人工智能模擬方法是必要的。人工初次運(yùn)移模型的描述是在烴源體和與之相接觸的流體輸導(dǎo)體分布圖上進(jìn)行的，其主要工作內(nèi)容是根據(jù)輸導(dǎo)體與烴源體接觸的比表面積、滲透能力和輸導(dǎo)體相互間的配置關(guān)系，給出不同的排烴量分配方案。
c．烴類二次運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)模型：烴類二次運(yùn)移的主要?jiǎng)恿κ怯?水的密度差所產(chǎn)生的浮力和地層孔隙流體壓力（包括壓實(shí)水流和大氣水流）。在靜水壓力條件下，流體輸導(dǎo)體中的油氣在浮力作用下，總是由下向上指向低勢方向，并且在總體上受區(qū)域構(gòu)造背景控制。后期地表水所產(chǎn)生的水勢梯度變化也應(yīng)給予必要關(guān)注。與描述初次運(yùn)移一樣，油氣二次運(yùn)移的描述也必須在流體輸導(dǎo)體系格架上進(jìn)行。流體輸導(dǎo)體系的復(fù)雜構(gòu)成（孔隙體、裂隙體、不整合面等）及其在時(shí)空上的四維演化，也迫使我們不得不借助于計(jì)算機(jī)人工智能模擬來完成。通常，我們是利用油/巖的有機(jī)地球化學(xué)資料，分析原油與烴源巖間的親緣關(guān)系，回答油氣在什么時(shí)間充注、由哪里來、到哪里去等問題，從而建立起油氣成藏機(jī)理模型，給繪制成藏機(jī)理剖面和含油氣體系平面圖提供依據(jù)，并在上述基礎(chǔ)上選擇關(guān)鍵時(shí)刻，在主要輸導(dǎo)體頂面古構(gòu)造圖上，描繪油氣運(yùn)移的主要路徑。
之所以把人工分析的油氣成藏機(jī)理模型稱作“油氣生、排、運(yùn)、聚控制模型，一方面是由于對(duì)油氣成藏機(jī)理的認(rèn)識(shí)還非常有限，但通過對(duì)每個(gè)具體盆地油氣成藏機(jī)理研究，卻都有可能發(fā)現(xiàn)新的成藏機(jī)理模型，從而豐富和完善油氣成藏動(dòng)力學(xué)知識(shí)寶庫，對(duì)油氣成藏動(dòng)力學(xué)的發(fā)展可以起到控制作用；另一方面，對(duì)于油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究系統(tǒng)來說，成藏機(jī)理模型研究是基礎(chǔ)，它對(duì)整個(gè)研究結(jié)果可以起到控制作用。換句話說，模擬結(jié)果必須與控制模型相符合（如果控制模型的建立有可靠依據(jù)的話）。這里也有兩層含義：一是油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)必須符合控制模型的需要；二是模擬結(jié)果必須逼近控制模型。
（二）油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬研究
一般來說，用人工方法很難完成油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究浩繁的工作量，比如不可能用手工方法完成各期、各層古構(gòu)造的回剝，也不可能用手工方法完成各期、各層生烴強(qiáng)度等值線圖的制作等等。然而，現(xiàn)今的計(jì)算機(jī)模擬方法，可以幫助我們建立起三維數(shù)字化盆地，并且在此基礎(chǔ)上完成浩繁的計(jì)算合成圖。同時(shí)，現(xiàn)代三維可視化技術(shù)還能為我們觀察和修正盆地模型工作提供極為便利的手段。因此可以說，模擬技術(shù)是油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果定量化和可視化不可缺少的手段。
從石油地質(zhì)學(xué)研究本身來說，幾乎所得到的每項(xiàng)參數(shù)，或者建立的每個(gè)模型都具有多解性。但是，油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)可以把給出的各項(xiàng)參數(shù)和模型，放在一個(gè)統(tǒng)一的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)行，從而檢驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)和模型的可匹配性，進(jìn)而使不合理的部分得以修正。
油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)是油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果定量化和可視化的手段，也是一種模擬實(shí)驗(yàn)工具。由于參數(shù)或模型多解性的存在，多方案的模擬比較是必需的。只有通過多方案模擬，不斷修正輸入的參數(shù)和模型，使之逼近實(shí)際勘探結(jié)果，才可將模擬結(jié)果作為外推預(yù)測的依據(jù)。
三、油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)
油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)是油氣成藏動(dòng)力學(xué)理論，它主要以含油氣系統(tǒng)為指導(dǎo)，在烴源體與輸導(dǎo)體的格架上，完成三維構(gòu)造地層發(fā)育史模擬，以及溫度場、壓力場、流體場、應(yīng)力場發(fā)育史定量模擬，用人工智能和現(xiàn)代數(shù)學(xué)技術(shù)，再現(xiàn)地質(zhì)單元體內(nèi)油氣生、排、運(yùn)、聚的歷史演化過程，進(jìn)而對(duì)油氣成藏過程進(jìn)行模擬。其目的是為地質(zhì)家提供一種油氣成藏過程定量化和可視化的計(jì)算機(jī)工作平臺(tái)。
中國海油與中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）聯(lián)合開發(fā)的油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)，有工作站版（英文版）和微機(jī)版（中文版）兩種版本，其軟件系統(tǒng)平臺(tái)為IDL系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1個(gè)工作平臺(tái)（圖5-11）、5個(gè)模擬子系統(tǒng)、13個(gè)模擬模塊及許多子模塊構(gòu)成（圖5-12），其中三維沉積體靜態(tài)模擬子系統(tǒng)擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)預(yù)處理任務(wù)，主要是將輸入的二維構(gòu)造和沉積體信息（包括物理、化學(xué)參數(shù)）轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)體，而三維構(gòu)造體動(dòng)態(tài)模擬子系統(tǒng)，則可將每一時(shí)刻生成的三維空間動(dòng)態(tài)物理、化學(xué)參數(shù)，提供給油氣生排模擬子系統(tǒng)和人工智能模擬子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)油氣生、排、運(yùn)、聚的三維動(dòng)態(tài)模擬。目前這個(gè)系統(tǒng)已通過驗(yàn)收，并投入應(yīng)用。
圖5-11 油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖
圖5-12 油氣成藏動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖
四、油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究實(shí)例
（一）珠一坳陷油氣多源、多期匯聚主通道運(yùn)聚模型
在烴源體和油氣輸導(dǎo)體系模型的基礎(chǔ)上，通過壓力場、地下水動(dòng)力場的分析，并詳細(xì)進(jìn)行了原油和烴源巖有機(jī)地球化學(xué)研究，明確了兩種不同類型烴源巖及其所生成原油的物理性質(zhì)與生物標(biāo)記化合物特征，經(jīng)兩類端元油配比實(shí)驗(yàn)得到混合油判別參數(shù)，C30-4－甲基甾烷/C29甾烷、三環(huán)萜烷/藿烷和C30αα/（αα＋ββ）比值與運(yùn)移距離成良好的線性關(guān)系，為運(yùn)移距離的判斷提供了可靠依據(jù)。從而科學(xué)地描述了珠一坳陷油氣多源、多期匯聚的主通道運(yùn)聚模型。
圖5-13 惠州凹陷－東沙隆起油氣運(yùn)移路徑圖
1—油藏；2—油氣運(yùn)移方向；3—地下水運(yùn)動(dòng)方向
珠江口盆地珠一坳陷的惠州凹陷、陸豐凹陷和相鄰的東沙隆起，在裂陷早期（早—中始新世）凹陷中沉積了一套湖相烴源巖。裂陷晚期（晚始新世—早漸新世）的河流相砂巖和破裂不整合面之上的漸新世中期濱海相砂巖，共同構(gòu)成了油氣的輸導(dǎo)層。早中新世晚期及其以后被廣泛的陸架泥巖覆蓋，形成區(qū)域性蓋層。區(qū)域蓋層之下的三角洲砂巖和碳酸鹽巖是主要儲(chǔ)層。這一簡單的生油層/輸導(dǎo)層/儲(chǔ)層/蓋層關(guān)系為油氣運(yùn)移研究提供了便利條件（圖5-13）。
惠州凹陷和東沙隆起各井存在3種類型原油：I類原油以惠州33-1-1井、西江30-2-1井為代表，高含C30-4－甲基甾烷，與文昌組烴源巖近似；Ⅲ類原油以惠州9-2-1井為代表，富含雙杜松烷，是典型的恩平組高等植物烴源產(chǎn)物；絕大部分井都同時(shí)含有C30-4－甲基甾烷和雙杜松烷，是文昌組與恩平組原油的混合產(chǎn)物，我們稱之為Ⅱ類原油。
研究區(qū)WT/C30H、C30/C29甾烷和C19/C23三環(huán)萜烷比值的平面分布說明：東沙隆起上主要分布I類原油，在惠州坳陷內(nèi)部及其邊緣主要分布Ⅱ類原油，證明文昌組生烴量大，油氣運(yùn)移范圍較廣，后期恩平組生成的原油運(yùn)移范圍僅限于凹陷內(nèi)部及其邊緣（圖5-14）。
圖5-14 惠州凹陷－東沙隆起接壤部位兩期油氣運(yùn)移主通道
1—T5層構(gòu)造等值線（m）；2—油田；3—鉆井位置及編號(hào)；4—早期文昌組I類原油運(yùn)移路徑；5—與早期文昌組原油運(yùn)移路徑疊加的晚期恩平組原油運(yùn)移路徑
（二）珠三坳陷多含油氣系統(tǒng)油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究
珠三坳陷是珠江口裂谷盆地的一部分，早第三紀(jì)為裂陷期，晚第三紀(jì)為熱沉降期，破裂不整合發(fā)育于早第三紀(jì)末（23.3Ma）。古新世至漸新世早期（神狐組、文昌組、恩平組沉積時(shí)）為裂谷湖泊充填期，是主要烴源巖發(fā)育期。漸新世晚期（珠海組沉積時(shí)）海水入侵，沉積了海灣相砂泥巖，形成上下兩套儲(chǔ)蓋組合，是坳陷內(nèi)的主要儲(chǔ)集層段。中新世珠江組下部為退積的海灣相沉積，是本區(qū)凸起部位主要儲(chǔ)層。珠江組沉積晚期又一次海侵，成為開闊淺海，以泥質(zhì)沉積為主，是本區(qū)區(qū)域性蓋層。中中新世（韓江組沉積時(shí)）及其以后（粵海組、萬山組）一直為開闊海沉積。
珠三坳陷的文昌A、B凹陷是主要生烴凹陷（占總生烴量的97.5%），兩個(gè)凹陷生烴史有顯著差別。文昌A凹陷文昌組生油高峰在恩平期（占總生烴量的40%），晚第三紀(jì)進(jìn)入裂解氣形成階段。恩平組生烴高峰在珠江期，生氣高峰在韓江－粵海期（圖5-15）。文昌B凹陷恩平組基本未進(jìn)入生烴門限，生烴量很小。文昌－神狐組是主要生油層，由于凹陷較陡，沒有明顯生烴高峰。自恩平期開始生烴，各期生烴量都在3%～5%之間，至第四紀(jì)已小于1%。
圖5-15 珠二坳陷圈閉形成與生烴高峰期配置關(guān)系圖
源巖與油氣有機(jī)地球化學(xué)研究結(jié)果表明，文昌A凹陷油氣主要來自恩平組含煤地層，文昌B凹陷油氣主要來自文昌組湖相泥巖，瓊海低凸起為文昌A、B兩個(gè)含油氣系統(tǒng)的疊合部位，同時(shí)接受了兩個(gè)凹陷的油源（圖5-16）。
通過系統(tǒng)油氣成藏動(dòng)力學(xué)研究，明確了神狐隆起是油氣聚集有利方向。認(rèn)為珠江組石油未風(fēng)險(xiǎn)聚集量為6.3×108t，天然氣未風(fēng)險(xiǎn)聚集量為57×1012m3。珠海組未風(fēng)險(xiǎn)油聚集量為0.85×108t，未風(fēng)險(xiǎn)天然氣聚集量為505×1012m3。文昌凹陷南側(cè)的神狐隆起是油氣運(yùn)聚主要方向，韓江期以后珠江組總運(yùn)移量大于10×108m3（油當(dāng)量），珠海組總運(yùn)移量大于12×108m3 （油當(dāng)量）；珠江組未風(fēng)險(xiǎn)石油聚集量5.4×108t，珠海組未風(fēng)險(xiǎn)天然氣聚集量354×1012m3。
最終模擬結(jié)果石油主要聚集量在神狐隆起上的珠江組中，天然氣主要聚集量在文昌A凹陷南側(cè)的珠海組中（圖5-17、圖5-18）。這一模擬結(jié)果與模型研究結(jié)果相符，為珠三坳陷提供了具有巨大勘探潛力的新領(lǐng)域。
一、天然氣水合物熱力學(xué)模型
1.理論基礎(chǔ)
隨著各種熱力學(xué)研究的開展，現(xiàn)已有大量有關(guān)天然氣水合物相平衡的數(shù)據(jù)和方法，可用來預(yù)測天然氣水合物的形成。這些研究結(jié)果也有利于開發(fā)抑制天然氣水合物形成的化學(xué)添加劑。一般說來，能影響溶液黏度性質(zhì)的物質(zhì)通常能抑制天然氣水合物的形成。在工業(yè)應(yīng)用上，甲醇是一種常用的阻凝劑。
Van der Waals和Platteeuw(1959)提出的熱力學(xué)理論，一直是預(yù)測天然氣水合物平衡模型的理論基礎(chǔ)。Sloan(1990)指出，利用這些模型對(duì)Lw-H-V系統(tǒng)平衡壓力的預(yù)測，誤差應(yīng)該不超過10%，而對(duì)溫度的預(yù)測誤差在2K左右。多年來，各國學(xué)者在Van der Waals和Platteeuw理論的基礎(chǔ)上，提出了一些新的觀點(diǎn)和天然氣水合物相平衡預(yù)測的計(jì)算方法，對(duì)天然氣水合物熱力學(xué)模型的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。
2.熱力學(xué)模型
要描述各種天然氣水合物相及其可能的多種共存流體相，需要使用一種以上的模型。狀態(tài)方程是描述天然氣水合物平衡的一種方法。為描述富水的流體相，Saito(1964)等使用了理想溶液方法(Raoult定律)，其基本前提是，假設(shè)水中儲(chǔ)存氣體的溶解度在常規(guī)條件下可以忽略不計(jì)，盡管有事實(shí)證明這種假設(shè)的有效性令人質(zhì)疑，但這種方法在過去一段時(shí)間內(nèi)仍為大多數(shù)學(xué)者所偏愛。當(dāng)需要進(jìn)行天然氣水合物抑制計(jì)算時(shí)，要根據(jù)Menten(1981)提出的計(jì)算方法，用活度系數(shù)對(duì)Rao-ult定律進(jìn)行校正。雖然該方法的可靠性要優(yōu)于Hammerschmidt方程(1939)，但它不能用于評(píng)估阻凝劑(如甲醇)在共存相中的分布。為校正這個(gè)問題，Anderson等(1986)結(jié)合使用了Uniquac方程和用于超臨界組分計(jì)算的亨利定律，計(jì)算液相中所有可凝聚組分的逸度。因此，要進(jìn)行簡單的天然氣水合物抑制計(jì)算，有必要使用上述4個(gè)模型。由于這種內(nèi)在的復(fù)雜性，對(duì)于現(xiàn)實(shí)中更復(fù)雜的系統(tǒng)，上述這些方法用處并不大。同時(shí)，這些方法都存在著收斂困難，不能作為進(jìn)一步精確計(jì)算(如復(fù)合系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析)的基礎(chǔ)。
Englezos等(1991)和Avlonitis等(1991)根據(jù)一個(gè)單一的狀態(tài)方程，建立了全部流體相的模型。前者使用了有4個(gè)參數(shù)的立方狀態(tài)方程，后者使用了有3個(gè)參數(shù)的立方狀態(tài)方程，并開發(fā)了針對(duì)非對(duì)稱相互作用的專用混合規(guī)則。根據(jù)目前的研究趨勢看，對(duì)全部流體相使用單一的狀態(tài)方程是最有發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ā?/p>
3.模型的完善和發(fā)展
對(duì)天然氣水合物相的理想固溶體，在假設(shè)被圈閉的分子之間沒有相互作用的前提下，Vander Waals等(1959)認(rèn)為能夠用一種Langmuir型吸附等溫線描述固體天然氣水合物相。他們利用這個(gè)假設(shè)，證明天然氣水合物相中水的化學(xué)勢能與形成天然氣水合物的氣體性質(zhì)無關(guān)，僅取決于天然氣水合物相中兩種不同類型空穴中氣體的總濃度，天然氣水合物與理想稀溶液具有相同的行為。在這個(gè)理論基礎(chǔ)上，Parrish等(1972)將用于計(jì)算分解壓的天然氣水合物模型延伸到多組分系統(tǒng)中。理想固溶體理論忽視了非理想狀態(tài)所帶來的影響，如“主”分子晶格的伸展或變形、被圈閉氣體分子運(yùn)動(dòng)所受的限制，都有可能增加“主”分子和“客”分子的化學(xué)勢。Hwang(1993)與他的同事們?cè)诜肿觿?dòng)力學(xué)模擬的基礎(chǔ)上，研究了“客”氣體分子的大小對(duì)天然氣水合物穩(wěn)定性的影響。Avlanitis(1994)指出:這種方法的主要缺陷在于選取了不正確的勢能參數(shù)，特別是乙烷的勢能參數(shù)。為彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，Avlonitis用一種折中方法優(yōu)化了理想固溶體模型參數(shù)，在含甲醇或不含甲醇情況下，在Lw-H-V框架內(nèi)，對(duì)天然的或合成的氣體混合物都獲得了令人滿意的預(yù)測結(jié)果。
二、天然氣水合物動(dòng)力學(xué)模型
天然氣水合物動(dòng)力學(xué)是水合物領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。通常以方程M+nH2O＜=＞［M·nH2O］表示水合物生成，這是一個(gè)氣-液-固三相或氣-固兩相的多相反應(yīng)過程，同時(shí)也是一個(gè)包含傳熱、傳質(zhì)和生成水合物反應(yīng)機(jī)理的復(fù)雜反應(yīng)方程，影響反應(yīng)的條件很多，也很復(fù)雜。相對(duì)于天然氣水合物熱力學(xué)而言，對(duì)天然氣水合物動(dòng)力學(xué)的研究較少。天然氣水合物動(dòng)力學(xué)可以大略分為天然氣水合物生成動(dòng)力學(xué)和天然氣水合物分解動(dòng)力學(xué)兩類。
1.天然氣水合物生成動(dòng)力學(xué)
針對(duì)目前研究亟待解決的水合物生成速率和效率問題，主要有以下兩種研究方法(趙義等，2004):①熱力學(xué)方法，即向反應(yīng)體系中加入其他氣體添加劑，讓氣體添加劑占據(jù)水合物結(jié)構(gòu)中沒有被占據(jù)的空腔，來降低水合物簇之間的轉(zhuǎn)換活化能，提高水合物的晶體空腔填充率，從而達(dá)到促進(jìn)水合物生成和提高水合物穩(wěn)定性的目的，如向甲烷的水合物生成體系中加入少量的丙烷，就可以大大降低甲烷水合物的生成條件，并且生成的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定;②動(dòng)力學(xué)方法，僅限于表面活性劑及助溶劑(hy-drotropes)的研究。對(duì)此有兩種假說:一是Sloan的觀點(diǎn)，認(rèn)為表面活性劑之所以促進(jìn)水合物的生成，主要是因?yàn)樗档土藲?液界面張力，增大了擴(kuò)散傳質(zhì)速率，使氣體更容易進(jìn)入液相;二是Zhong等(2000)的觀點(diǎn)，提出了一個(gè)4步驟的反應(yīng)歷程來解釋觀察到的現(xiàn)象，尚未得到充分的驗(yàn)證。以下對(duì)這4個(gè)步驟進(jìn)行說明:
(1)氣-水簇的形成
天然氣水合物的成核過程是天然氣水合物核向臨界大小的靠近且生長的過程。氣-水生長簇是天然氣水合物形成的先兆。如果生長的核小于臨界大小，核是不穩(wěn)定的，可能在水溶液中生長或破裂。一個(gè)生長著的天然氣水合物核，如已具有臨界大小，就是穩(wěn)定的，可以立即導(dǎo)致結(jié)晶天然氣水合物的形成。
認(rèn)識(shí)影響氣-水簇形成的因素，有助于理解天然氣水合物的成核過程。特別是水分子結(jié)構(gòu)，它是指通過氫鍵相互聯(lián)結(jié)水分子所形成的結(jié)構(gòu)，在成核過程中起重要作用。冰是一種高度結(jié)構(gòu)化的水，其水分子固定在一個(gè)呈四邊形氫鍵結(jié)構(gòu)的位置上。當(dāng)溫度升高到零點(diǎn)以上時(shí)，結(jié)構(gòu)開始變得更加松散，與高度有序的冰的結(jié)構(gòu)相比更加無序。
Sloan等提出了一種天然氣水合物成核過程的分子機(jī)制，設(shè)想氣-水簇開始形成臨時(shí)結(jié)構(gòu)，隨后這些結(jié)構(gòu)再生長成穩(wěn)定的天然氣水合物晶核。他們通過使用化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程，針對(duì)機(jī)制中假設(shè)的每一種情況對(duì)成核過程進(jìn)行了模擬。Lekvam和Ruoff也提出了反應(yīng)作用的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。這種方法使用一種動(dòng)力學(xué)速率模型，研究成核和生長過程，但他們的這種模型并沒有強(qiáng)調(diào)天然氣水合物核的穩(wěn)定性。
Vysniauskas和Bishnoi在實(shí)驗(yàn)中使用不同來源的水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，隨著水的來源不同，平均成核開始期也不同。在實(shí)驗(yàn)中，來自于融化的冰水與實(shí)驗(yàn)中使用熱自來水相比，前者的平均開始期較低;同樣，使用來自于天然氣水合物分解的水與使用熱自來水相比，前者的平均開始期也較低，這就是所謂的“記憶效應(yīng)”。這種現(xiàn)象在其他學(xué)者的研究中也出現(xiàn)過。研究發(fā)現(xiàn)，在已溶解的氣體分子周圍，水結(jié)構(gòu)被強(qiáng)化了;這種作用于溶解氣體分子周圍的水結(jié)構(gòu)強(qiáng)化現(xiàn)象，被認(rèn)為是“疏水水合作用”現(xiàn)象。Frank等也提出了同樣的觀點(diǎn)。Glew在對(duì)甲烷天然氣水合物和甲烷水溶液的熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。Glew對(duì)甲烷-水系統(tǒng)分子模擬的研究顯示，甲烷分子周圍的水分子平均配位數(shù)對(duì)于Ⅰ型結(jié)構(gòu)的小空穴來說，接近于21。Rahman和Stillinger認(rèn)為，在溶解的溶質(zhì)分子周圍，水的網(wǎng)架與天然氣水合物類型的孔型相似。另外，熱力學(xué)分析顯示，溶液具有很大的負(fù)熵，這正是水體內(nèi)一種結(jié)構(gòu)形成的標(biāo)志。
氣-水簇在天然氣水合物成核過程中起了很重要作用。當(dāng)溶液在過冷或過飽和狀態(tài)下時(shí)，成核過程就發(fā)生了，學(xué)者們通常使用過冷或過飽和方法來研究成核作用。Bishoni等在研究時(shí)就采用了過飽和方法，Kobayashi、Sloan等則采用了過冷方法。
圖10-5 典型的氣體消耗簡圖
Bishnoi等在恒定溫壓下進(jìn)行了天然氣水合物形成實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)溫度下，實(shí)驗(yàn)壓力比三相天然氣水合物平衡壓力要高，圖10-5是實(shí)驗(yàn)過程中因氣體溶解和天然氣水合物形成，而導(dǎo)致的氣體消耗的累積摩爾量隨時(shí)間變化的曲線。
圖10-5中A點(diǎn)的氣體消耗摩爾量表示已溶解氣體量，與三相天然氣水合物平衡壓力對(duì)應(yīng)。A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的準(zhǔn)穩(wěn)區(qū)域，代表著天然氣水合物的成核過程。B點(diǎn)表示以突變方式出現(xiàn)的穩(wěn)定臨界大小天然氣水合物核的出現(xiàn)點(diǎn)。Englezos和Bishnoi發(fā)現(xiàn)，在成核點(diǎn)B之前的溶解氣體摩爾量，實(shí)際上要高于估算的二相(氣-液)準(zhǔn)穩(wěn)定平衡狀態(tài)下的摩爾量，估算來源于穩(wěn)定區(qū)域的外推;氣-水簇的形成能夠耗盡在團(tuán)塊流體相中的天然氣水合物形成的氣體，從而導(dǎo)致超過兩相值的氣體溶解。Englezos等提出了計(jì)算天然氣水合物核臨界大小的方法，天然氣水合物生長過程開始于圖10-5中B點(diǎn)，并沿著線BC進(jìn)行。根據(jù)Kobayashi和Sloan的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在容積不變的情況下，天然氣水合物形成過程中的壓力和溫度軌跡如圖10-6所示。圖10-5中點(diǎn)A等同于圖10-6中的點(diǎn)A。圖10-6中點(diǎn)B也等同于圖10-5中的點(diǎn)B，在B點(diǎn)，以突變方式形成的穩(wěn)定天然氣水合物顆粒的出現(xiàn)，導(dǎo)致了壓力的突然下降。在圖10-6中，點(diǎn)A與點(diǎn)B之間區(qū)域表示成核過程中的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。過冷卻方法和過飽和方法的相似性在圖10-5與圖10-6之間體現(xiàn)得相當(dāng)明顯。在圖10-5中，與三相天然氣水合物平衡相應(yīng)，點(diǎn)A與點(diǎn)B之間，是處于準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)的天然氣水合物成核區(qū)域中氣-水簇的生長區(qū)域。天然氣水合物在點(diǎn)B的出現(xiàn)是突然的，Kobayashi描述它為“災(zāi)變性的”。盡管天然氣水合物顆粒很小，但它們的數(shù)量很多，足以使溶液變得混濁。Kobayashi和Sloan認(rèn)為，天然氣水合物的突然出現(xiàn)使溶液不再處于過飽和狀態(tài)，這樣便導(dǎo)致了壓力的劇降。
(2)天然氣水合物的成核和生長過程
圖10-6 天然氣水合物形成實(shí)驗(yàn)溫度-壓力軌跡簡圖
從上面討論可以看出，過冷方法與過飽和方法是等價(jià)的，對(duì)于天然氣水合物成核過程來說都很重要。許多研究者建立了開始期和過冷之間的函數(shù)關(guān)系，過飽和同樣也可以根據(jù)過冷卻度進(jìn)行轉(zhuǎn)換。溶解中任何點(diǎn)的過飽和，都是在這點(diǎn)超過飽和濃度值的過量溶解氣體濃度，可以用溶液中某一點(diǎn)的過飽和來判斷穩(wěn)定天然氣水合物核最先出現(xiàn)在哪個(gè)地方。對(duì)于不流動(dòng)系統(tǒng)，溶解氣體濃度在分界面附近可能最高，天然氣水合物的形成可能最先發(fā)生在氣-液分界面上。對(duì)于攪拌系統(tǒng)來說，在溶液中最先形成天然氣水合物的地方，取決于這點(diǎn)上溶解氣體的濃度。溶液的水動(dòng)力條件和氣體溶解率可以影響天然氣水合物成核的開始期。
Bishnoi等認(rèn)為，天然氣水合物成核作用開始期與過飽和作用相聯(lián)系，根據(jù)對(duì)甲烷、乙烷以及二氧化碳天然氣水合物的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，揭示了成核開始期與過飽和的關(guān)系。當(dāng)過飽和度減小時(shí)，成核開始期增大;當(dāng)過飽和時(shí)，開始期增加到一個(gè)很大的值;相反，當(dāng)過飽和度增加時(shí)，開始期減少到一個(gè)很小的值;當(dāng)過飽和度很低時(shí)，開始期數(shù)據(jù)的分散程度很高，當(dāng)過飽和度增加時(shí)，開始期數(shù)據(jù)的分散程度減小。天然氣水合物成核過程，本質(zhì)上是一個(gè)內(nèi)在的隨機(jī)過程，但高的過飽和度能夠掩蓋成核現(xiàn)象的隨機(jī)本質(zhì)，從而使觀察到的開始期看起來像是早已被決定了一樣。另外，天然氣水合物成核的隨機(jī)本質(zhì)，也能夠被實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中用來進(jìn)行成核研究的其他因素所掩蓋。在天然氣水合物成核研究中，Parent和Bishnoi在原始實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下又觀察到了開始期數(shù)據(jù)的隨機(jī)性。
關(guān)于天然氣水合物成核的研究還處于宏觀層次上。對(duì)在溶液中的亞臨界情況，還知之甚少。在建立基于分子級(jí)的模型之前，須通過實(shí)驗(yàn)研究揭示天然氣水合物的成核機(jī)制。
天然氣水合物的生長過程，是指作為固態(tài)天然氣水合物的穩(wěn)定天然氣水合物核的生長，自20世紀(jì)60年代以來，許多學(xué)者就已對(duì)此進(jìn)行了研究。在研究丙烷天然氣水合物生長過程時(shí)，Knox認(rèn)為晶體的近似大小取決于過冷度(指使液體冷到凝固點(diǎn)以下而不凝結(jié))，較高的過冷度主要產(chǎn)生較小的顆粒，并導(dǎo)致明顯的晶體生長。Pinder通過研究天然氣水合物形成動(dòng)力學(xué)，提出天然氣水合物形成的反應(yīng)速率隨滲濾作用而定。Barrer和Esge在研究天然氣水合物動(dòng)力學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)氪形成的天然氣水合物來說，其晶體生長有一個(gè)明顯的開始期。Falabella使用類似于Barrer和Esge的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了研究，也得到了相似的結(jié)論。Falabella還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于甲烷來說，其天然氣水合物生長也有一個(gè)開始期，他根據(jù)冰的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，通過進(jìn)行等溫壓換算，提出了一個(gè)次級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。Sloan和Fleyfel通過實(shí)驗(yàn)，研究了環(huán)丙烷天然氣水合物的生長動(dòng)力學(xué)。針對(duì)在純水中的各種氣體和氣體混合物，Bishnoi等一直進(jìn)行著天然氣水合物形成動(dòng)力學(xué)的系統(tǒng)性研究，在實(shí)驗(yàn)中使用一個(gè)攪拌反應(yīng)器，其中裝有電解質(zhì)和表面活化劑溶液。他們認(rèn)為，在穩(wěn)壓條件下，全部氣體消耗量是時(shí)間的函數(shù)。
(3)天然氣水合物生長動(dòng)力學(xué)模型
在研究早期，Vysniauskas和Bishnoi提出了一個(gè)關(guān)于氣體消耗速率的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。后來，Engl-ezos等把只有一個(gè)可調(diào)節(jié)參數(shù)的天然氣水合物生長動(dòng)力學(xué)模型公式化，這個(gè)模型是一個(gè)以結(jié)晶化和團(tuán)塊傳遞理論為基礎(chǔ)的模型;它假設(shè)固體天然氣水合物顆粒被一個(gè)吸附“反應(yīng)”層所包圍，吸附反應(yīng)層外是一層不流動(dòng)的液體擴(kuò)散層，溶解的氣體從圍繞在不流動(dòng)液中向天然氣水合物顆粒-水分界面擴(kuò)散;然后，氣體分子由于吸附作用而進(jìn)入結(jié)構(gòu)化的水分子構(gòu)架并結(jié)合在一起。當(dāng)水分子過量時(shí)，分界面被認(rèn)為是氣體最易集中的地方(反應(yīng)速率用已溶解氣體的逸度替代其濃度)。
在三相天然氣水合物平衡壓力和顆粒表面溫度下，在擴(kuò)散層中，溶解氣體逸度值從fb變化到fs;在吸附層中，逸度值直降至feq，圍繞顆粒的擴(kuò)散動(dòng)力等于fb-fs;但是對(duì)于“反應(yīng)”階段來說，這個(gè)值是fs-feq。在穩(wěn)定狀態(tài)下，擴(kuò)散階段和“反應(yīng)”階段的速率相等，fs能夠從單個(gè)速率表達(dá)式中消去，可得到每一個(gè)顆粒的生長速率如下:
非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)
式中:R*是擴(kuò)散和吸附反應(yīng)過程的組合速率常數(shù);Ap是每個(gè)顆粒的表面積。在溶解氣體的逸度中，fb-feq值不同于三相平衡逸度中的fb-feq值，它指的是全部動(dòng)力。當(dāng)在良好的攪拌系統(tǒng)中時(shí)，R*值表示反應(yīng)的內(nèi)在速率常數(shù)，R*值由甲烷和乙烷天然氣水合物形成動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)決定。在沒有任何附加參數(shù)的情況下，這個(gè)模型可成功地?cái)U(kuò)展到甲烷和乙烷混合物的形成動(dòng)力學(xué);在這個(gè)模型中，純水中甲烷天然氣水合物形成時(shí)獲得的R*值，可以應(yīng)用到電解質(zhì)溶液中的天然氣水合物形成模型中，兩者的R*值是相同的。
在液態(tài)二氧化碳和水的分界面上，Shindo等提出了二氧化碳天然氣水合物形成模型;他們假設(shè)天然氣水合物主要發(fā)生在液態(tài)二氧化碳中，而不是在水中。最近，Skovborg和Rasmussen使用實(shí)驗(yàn)的氣體消耗數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源于Bishnoi等)，提出了一種天然氣水合物生成動(dòng)力學(xué)模型;認(rèn)為天然氣水合物的形成，能夠影響液體一側(cè)的氣-液團(tuán)塊傳遞系數(shù)。
(4)氣-水體系中水合物的生成機(jī)理
天然氣水合物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)類似于冰(陳孝彥等，2004)，氣-水體系中天然氣水合物生成時(shí)，氣體分子首先要溶解到水中，一部分氣體分子與水一起形成水合物骨架，類似于冰的碎片(周公度等，1995)，形成了水合物結(jié)構(gòu)中的第一種空穴。這些框架是一種亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，相互結(jié)合形成更大的框架。在結(jié)合過程中，為保持水分子的4個(gè)氫鍵處于飽和狀態(tài)，不可能做到緊密堆積，締合過程中必然形成空的包腔，就形成了水合物結(jié)構(gòu)中的另外一種空穴。另一部分溶解的氣體分子通過擴(kuò)散滲入到這些空穴中，并進(jìn)行有選擇的吸附;在吸附過程中滿足Langmuir吸附定律，小氣體分子進(jìn)入小空穴，同時(shí)也能進(jìn)入大空穴，大氣體分子只能進(jìn)入大空穴，即并不是每一個(gè)空穴都能被氣體分子占據(jù)，這就解釋了水合物平均只有三分之一左右的空穴被客體分子占據(jù)的機(jī)理。
陳孝彥等(2004)總結(jié)提出了氣-水體系中水合物的生成機(jī)理，分為4步:①氣體分子溶解過程，即氣體分子溶解到水中;②水合物骨架形成過程，即氣體分子的初始成核過程，溶解到水中的氣體分子和水，形成一種類似冰碎片的天然氣水合物基本骨架(一種空腔)，這種骨架通過結(jié)合形成另一種不同大小的空腔;③氣體分子擴(kuò)散過程，即氣體分子擴(kuò)散到水合物基本骨架中;④氣體分子被吸附過程，即天然氣氣體分子在水合物骨架中進(jìn)行有選擇的吸附，從而使水合物晶體增長。
2.天然氣水合物分解動(dòng)力學(xué)
(1)理論基礎(chǔ)
人們提出了許多基于相平衡的熱力學(xué)模型來預(yù)測一定條件下水合物的生成條件及其抑制途徑(趙義等，2004)，如通過改變其生成條件，來達(dá)到抑制目的的物理方法，包括干燥脫除法、加熱保溫法、降壓法和加入非水合物形成氣體法等，還包括通過加入添加劑的化學(xué)方法。
化學(xué)抑制法主要有熱力學(xué)抑制劑和動(dòng)力學(xué)抑制劑兩種(趙義等，2004)。前者普遍采取在生產(chǎn)設(shè)備和運(yùn)輸管線中注入甲醇、乙醇、乙二醇和氯化鈉、氯化鈣等，改變水合物熱力學(xué)穩(wěn)定條件，抑制或避免水合物生成;后者從降低水合物生成速度，以抑制水合物晶粒聚結(jié)和堵塞出發(fā)，通過加入一定量化學(xué)添加劑來改變水合物形成的熱力學(xué)條件，顯著降低水合物成核速率，延緩乃至阻止臨界晶核生成，干擾水合物晶體的優(yōu)先生長方向，影響水合物晶體的定向穩(wěn)定性，具有用量少、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為了研究熱點(diǎn)(吳德娟等，2000)。根據(jù)分子作用的不同機(jī)理，動(dòng)力學(xué)抑制劑分為水合物生長抑制劑、水合物聚集抑制劑和具有雙重功能的抑制劑，主要包括酰胺類聚合物、酮類聚合物、亞胺類聚合物、二胺類聚合物、共聚物類等，其中酰胺類聚合物是最主要的一類。
Holder等(1987)研究了在天然氣水合物分解過程中的熱傳遞過程，得出與成核沸騰現(xiàn)象相似的結(jié)論。Kamath等(1987)根據(jù)這種相似性，提出在丙烷分解期間，熱傳遞率是ΔT的冪函數(shù)，其中天然氣水合物表面的ΔT值與團(tuán)塊流體中的ΔT值是不相同的。后來，Kamath和Holder總結(jié)了它們的關(guān)系性，并用到甲烷天然氣水合物分解過程中。
Selim等(1989)研究了甲烷水合物的熱分解，認(rèn)為水合物的分解是一個(gè)動(dòng)態(tài)界面消融問題，并運(yùn)用一維半無限長平壁的導(dǎo)熱規(guī)律，建立了甲烷水合物的熱分解動(dòng)力學(xué)模型，Kamath等(1987)研究了甲烷和丙烷的熱分解問題，認(rèn)為水合物的分解主要受傳熱控制，其分解可與液體的泡核沸騰相比擬，而流體主體與水合物表面的溫差ΔT是過程的推動(dòng)力(Kamath et al.，1987)。
(2)實(shí)驗(yàn)研究
對(duì)天然氣水合物分解動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究是在帶攪拌的大容積反應(yīng)器中進(jìn)行的，水合物以固體顆粒狀分散于液體中，這用來研究分解本征動(dòng)力學(xué)是可以的(周錫堂等，2006)。但用于研究與天然氣生產(chǎn)有關(guān)，特別是天然氣水合物分解的反應(yīng)工程動(dòng)力學(xué)，則缺乏實(shí)際意義(周錫堂等，2006)。自然賦存的天然氣水合物可能是大塊狀的，更多的存在于多孔介質(zhì)中。Sloan等報(bào)道過砂巖中的甲烷水合物生成和分解的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但沒有仔細(xì)地研究水在孔隙里的分布情況;Circone等報(bào)道過以冰粒形成的水合物在272.5K的分解速率數(shù)據(jù)(Circone et al.，2000)，但也沒有提供相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程。存在于凍土帶或海底沉積物中的天然氣水合物，與人工合成的、僅僅存在于自由水中的水合物顆粒是大不相同的。因此從工程實(shí)際來考慮，研究多孔介質(zhì)中水合物的分解動(dòng)力學(xué)行為更有意義。Yousif等第一次將水合物分解動(dòng)力學(xué)的研究與天然氣的生產(chǎn)結(jié)合起來(Yousif et al.，1991)，不過其模型在估算水合物面積時(shí)卻是經(jīng)驗(yàn)性的。Goel等研究了天然氣水合物的分解行為(Goel et al.，2001)，運(yùn)用發(fā)散狀擴(kuò)散方程，分別得出了關(guān)于大塊狀和多孔介質(zhì)中的天然氣水合物的分解動(dòng)力學(xué)解析模型。然而該模型忽略了分解水的流動(dòng)和分解氣采出速率的變化，嚴(yán)重影響了其有效性。Hisashi等研究了多孔介質(zhì)中水合物的形成和降壓分解問題(Hisashi et al.，2002)。在其實(shí)驗(yàn)中，分別采用了多種粒度的玻璃珠和合成陶粒來模擬多孔介質(zhì)。最終結(jié)果表明，不同介質(zhì)中水合物分解的表觀反應(yīng)速率常數(shù)不同，所得回歸方程也不一樣(周錫堂等，2006)。因此，在確定自然存在天然氣水合物的分解速率時(shí)，有必要研究當(dāng)?shù)亟橘|(zhì)的孔隙性質(zhì)及其粒度分布。
Bishnoi等開展了對(duì)甲烷天然氣水合物分解的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)攪拌良好的反應(yīng)器中進(jìn)行的;天然氣水合物在三相平衡壓力以上存在;然后，在保持溫度不變的條件下，把壓力降低到低于三相平衡壓力，這時(shí)，天然氣水合物分解就開始了;實(shí)驗(yàn)在快速攪拌中進(jìn)行，以保證避免團(tuán)塊傳遞的影響。他們提出，天然氣水合物分解可能分為兩個(gè)階段:顆粒表面原結(jié)晶“主”格子破壞和隨后的“客”分子從表面的解吸過程。Kim等提出了天然氣水合物分解原內(nèi)在動(dòng)力學(xué)模型，他們假設(shè)天然氣水合物的顆粒為球形，并且被云霧狀氣體所包圍，如圖10-7所示。在圖中，正在分解的顆粒被解吸“反應(yīng)”層所圍繞，再外層是排放出的氣體云，天然氣水合物顆粒分解速率公式如下:
非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)
式中:kd為分解速率常數(shù);Ap為顆粒表面積;feq為氣體三相平衡逸度;fvg為氣體分解策動(dòng)力，定義為feq與fvg之差，即feq-fvg。
(3)研究進(jìn)展和意義
與前文提到的對(duì)天然氣水合物生長的研究一樣，對(duì)天然氣水合物分解的研究，應(yīng)該包括對(duì)決定分解顆粒大小分布因素的研究。
圖10-7 天然氣水合物分解圖
對(duì)天然氣水合物分解和形成動(dòng)力學(xué)的研究，給我們提出了大的挑戰(zhàn)。天然氣水合物形成被認(rèn)為是一種包括成核過程和生長過程的結(jié)晶化過程。成核作用是一種內(nèi)在的隨機(jī)過程，它涉及氣-水簇向具臨界大小的穩(wěn)定天然氣水合物核的形成和生長問題。因較大的成核策動(dòng)力和多相性的存在，成核作用隨機(jī)性質(zhì)不易被察覺。目前，對(duì)天然氣水合物成核過程仍沒有在分子級(jí)別上的測試方法。
天然氣水合物生長包括作為固態(tài)天然氣水合物的穩(wěn)定水合核的生長，正在生長的天然氣水合物顆粒表面積，強(qiáng)烈影響著生長速率。天然氣水合物分解是一系列晶格的破壞和氣體解吸過程，在分解時(shí)的熱傳遞率與成核沸騰現(xiàn)象是相似的。應(yīng)該深入研究天然氣水合物顆粒在分解和生長過程中的大小分布，并應(yīng)用于這些過程的模型化中。
盡管有多個(gè)天然氣水合物形成模型已經(jīng)被提出，但天然氣水合物形成核的過程并沒有完全被揭示。目前，科學(xué)家通過研究氣體-水的接觸面，已取得了一些實(shí)驗(yàn)上的進(jìn)展，但是這些實(shí)驗(yàn)都是最近做的，并且至今沒有充足的信息來提供一個(gè)確切的描述。這些實(shí)驗(yàn)通過研究熔點(diǎn)附近的熱力學(xué)狀態(tài)范圍，來揭示與接近天然氣水合物形成條件相聯(lián)系的界面結(jié)構(gòu)特征。在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家把分子動(dòng)力學(xué)模擬，應(yīng)用到Ⅰ型甲烷天然氣水合物和甲烷氣體的接觸面，發(fā)現(xiàn)接觸面在270K以下是穩(wěn)定的，在300K時(shí)發(fā)生熔解，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致接觸面穩(wěn)定的壓力條件。在伴隨著表面層的無序化過程中，預(yù)熔現(xiàn)象是明顯的。動(dòng)力學(xué)性質(zhì)顯示了水平面格子振動(dòng)的各向異性，這被認(rèn)為是與在Ⅰ型天然氣水合物(001)面上存在著晶軸相聯(lián)系。這個(gè)意想不到的結(jié)果還有待于進(jìn)一步研究。
在研究天然氣水合物形成模型的同時(shí)，由于天然氣水合物有時(shí)能對(duì)高緯度地區(qū)石油和天然氣的運(yùn)輸造成意想不到的麻煩(如形成管塞)，有的學(xué)者(Monte Carlo)也開始了怎樣抑制天然氣水合物形成的研究。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，可以使用一種無毒的、能溶解于水的聚合物———科利當(dāng)(PVP)，來抑制天然氣水合物的形成。Monte Carlo通過不同條件下PVP對(duì)單體、二聚物、四聚物、八聚物吸附性的研究，發(fā)現(xiàn)吸附作用主要在吡硌烷酮氧(pyrrolidone oxygen)和水面之間兩個(gè)氫鍵的形成過程中出現(xiàn)。這種研究結(jié)果表明，通過在天然氣水合物生長點(diǎn)上PVP的吸附，來抑制天然氣水合物的形成是可行的，并且影響吸附的主要因素具有內(nèi)在的統(tǒng)計(jì)性。
（1）如果您想專注于AX的開發(fā)，那首先了解的內(nèi)容包括：X++語言、MY SQL數(shù)據(jù)庫、以及AX系統(tǒng)的總體技術(shù)框架
（2）如果您想側(cè)重于業(yè)務(wù)，那需要了解財(cái)務(wù)、物資、生產(chǎn)、項(xiàng)目、人力資源等業(yè)務(wù)的專業(yè)知識(shí)，可以了解AX各現(xiàn)場的成功案例。
其實(shí)你完全可以報(bào)個(gè)培訓(xùn)班的，培訓(xùn)老師會(huì)很系統(tǒng)的給你介紹從Dynamics AX使用、業(yè)務(wù)管理到技術(shù)開發(fā)的內(nèi)容，而且可以參加微軟的AX認(rèn)證考試。
11月24日，微軟中國小冰戰(zhàn)略合作發(fā)布會(huì)舉行。會(huì)上，小冰公司董事長、原微軟全球執(zhí)行副總裁沈向洋博士透露，從微軟獨(dú)立后小冰公司已經(jīng)完成數(shù)億元PreA輪融資，并對(duì)兩位參與投資的好友，北極光創(chuàng)投創(chuàng)始管理合伙人鄧鋒、網(wǎng)易集團(tuán)董事局主席兼首席執(zhí)行官丁磊表示了感謝。
同時(shí)，沈向洋也宣布，11月23日，小冰中標(biāo)了國家 體育 總局冬運(yùn)中心重點(diǎn)項(xiàng)目：自由式滑雪空中技巧視覺評(píng)分系統(tǒng)，這也是人工智能在全球經(jīng)濟(jì)類 體育 領(lǐng)域中的首個(gè)系統(tǒng)化落地成果。
此次發(fā)布會(huì)上，微軟中國與小冰公司宣布達(dá)成戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，面向廣大ToB重點(diǎn)行業(yè)客戶，聯(lián)合推出一系列人工智能+云計(jì)算商業(yè)化解決方案。首批微軟和小冰共同聯(lián)合推出的解決方案將覆蓋人工智能金融、人工智能 汽車 及人工智能內(nèi)容生產(chǎn)等三個(gè)垂直領(lǐng)域。
微軟公司副總裁、微軟中國區(qū)首席運(yùn)營官鄒作基（左）、小冰公司首席執(zhí)行官、原微軟（亞洲）互聯(lián)網(wǎng)工程院常務(wù)副院長李笛（中）和小冰公司董事長、原微軟全球執(zhí)行副總裁沈向洋博士（右）共同現(xiàn)身啟動(dòng)儀式，開啟微軟中國與小冰公司的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系
深入本地創(chuàng)新的合作理念
談到小冰和微軟的合作，微軟公司副總裁、微軟中國區(qū)首席運(yùn)營官鄒作基介紹，小冰的框架會(huì)緊密地跟微軟智能云結(jié)合在一起，這當(dāng)中涉及到三個(gè)方面：微軟云計(jì)算服務(wù)Azure、微軟企業(yè)生產(chǎn)力解決方案Modern Workplace，和微軟企業(yè)Sass級(jí)應(yīng)用Dynamics。鄒作基表示，“微軟搭建一個(gè) 科技 平臺(tái)，小冰在中間也是一個(gè) 科技 貢獻(xiàn)者，是平臺(tái)里面的一個(gè)重要依靠。”
小冰與微軟的合作理念，則是為了把本地創(chuàng)新做的更深入。
沈向洋介紹，過往如果想要做全球性的產(chǎn)品，一般會(huì)選擇一個(gè)主戰(zhàn)場，做出來以后才可以覆蓋全世界所有的地方。以往這么多年的創(chuàng)新主戰(zhàn)場都在美國，美國先做出來，然后再覆蓋其他國家，這樣會(huì)比較有效率。
“但中國這個(gè)市場非常特別，”沈向洋介紹，“你可以看到，過去十年，中國的IT互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)涌現(xiàn)出了一批非常優(yōu)秀的中國企業(yè)，很重要的原因就是中國市場足夠龐大，現(xiàn)在已經(jīng)有很多做得很好的了，我們更加希望未來中國了不起的產(chǎn)品也可以走向世界?！?/p>
沈向洋介紹，微軟這些年來一直在 探索 如何在中國市場做的更多，這也是當(dāng)年微軟推出了小冰產(chǎn)品線的原因，小冰在中國、日本都做的相當(dāng)不錯(cuò)，但這條產(chǎn)品線還沒有走向世界，比如歐洲和美國。
因此，讓小冰和微軟聯(lián)合，打造一個(gè)“AI+云”的本地創(chuàng)新，是小冰選擇的新道路。
小冰與微軟究竟是什么關(guān)系
實(shí)際上，小冰與微軟Azure云服務(wù)的合作從2018年就已經(jīng)開始試水，為Azure提供具體應(yīng)用（application）。
小冰公司首席執(zhí)行官、原微軟（亞洲）互聯(lián)網(wǎng)工程院常務(wù)副院長李笛描述了小冰和微軟的關(guān)聯(lián)，并表示，“小冰和微軟的合作是雙贏的”。
微軟可以給小冰提供企業(yè)級(jí)客戶。李笛介紹，“微軟本身在toB領(lǐng)域就擁有非常強(qiáng)的大體系，不僅強(qiáng)在客戶上，也強(qiáng)在對(duì)客戶的洞察和經(jīng)驗(yàn)上，還強(qiáng)在完整的結(jié)構(gòu)上。而小冰是一個(gè)創(chuàng)業(yè)公司，創(chuàng)業(yè)公司達(dá)不到微軟40多年積累的經(jīng)驗(yàn)?！?/p>
另外，小冰能為微軟提供什么呢，李笛認(rèn)為，是小冰和微軟云服務(wù)結(jié)合起來之后更深入、更直接的應(yīng)用層服務(wù)能力，這也是微軟所需要的。
“今天我們和微軟做的很多商業(yè)化解決方案，我們特別強(qiáng)調(diào)差異化?！崩畹呀榻B，“我們不希望給客戶提供的仍然是人工智能的一系列能力，仍然是各種API你去調(diào)用，我們希望提供的是和云結(jié)合起來以后，會(huì)更深入、更直接的提供應(yīng)用層的服務(wù)能力?！?/p>
小冰獨(dú)立后更便于拓展市場
既然仍在和微軟深度合作，那么自2020年7月從微軟獨(dú)立后，小冰獲得了哪些好處？
原因也不難推測，從微軟獨(dú)立更有利于小冰在商業(yè)、市場領(lǐng)域的拓展。
李笛介紹，與同行業(yè)的創(chuàng)業(yè)公司營銷費(fèi)用占最大比重不同，小冰三分之二的成本都是云，因?yàn)榻换チ亢艽?，占全?0%，其次是大量研發(fā)人員的人力成本。由于小冰一直屬于研發(fā)機(jī)構(gòu)，市場推廣很少，獨(dú)立后才“大手筆”投入了一個(gè)6萬元的廣告。國內(nèi)的同行業(yè)者，尤其是創(chuàng)業(yè)公司對(duì)市場營銷的投入往往是最大的，其次才是人力成本。
李笛表示：“我們以前在技術(shù)、產(chǎn)品方面比較有自信，現(xiàn)在我們也可以進(jìn)行運(yùn)營模式創(chuàng)新，所以這個(gè)區(qū)別特別大?！?/p>
校對(duì)：欒夢(mèng)
重慶分公司
重慶分公司
