南祁連盆地凍土區天然氣水合物形成機理研究

胡榮杰，傅軍，張孝攀，李程，董躍華

（1.成都理工大學管理科學學院，成都610059；2.數學地質四川省重點實驗室，成都610059）

南祁連盆地凍土區天然氣水合物形成機理研究

胡榮杰1，2，傅軍1，2，張孝攀1，2，李程1，2，董躍華1，2

（1.成都理工大學管理科學學院，成都610059；2.數學地質四川省重點實驗室，成都610059）

天然氣水合物是繼煤和石油之后的重要的、潛在的能源資源。介紹了天然氣水合物在全球、我國陸域以及在南祁連盆地的分布。但是由于凍土區的氣候環境、地質特征等復雜性，使得凍土區水合物的研究一時無法展開，文章詳細分析了南祁連盆地的凍土區天然氣水合物的形成條件、賦存環境，以及天然氣水合物的形成與溫度、壓力、構造和沉積的關系，為我國其它凍土區天然氣水合物的開發利用提供依據。

天然氣水合物；南祁連盆地；凍土區；形成條件

引言

天然氣水合物是廣泛分布于海底沉積物和陸上永久凍土帶中的一種潔凈能源，可作為我國將來重要的能源來源之一。各國均已投入很大力量來開展天然氣水合物的調查研究。美國在天然氣水合物研究方面處于領先地位，俄羅斯最早發現天然氣水合物，還擁有目前全球唯一正在工業性開采的永久凍土帶氣田，日本由于國內資源匱乏，力求在天然氣勘探開發方面取得突破［1］。我國多年凍土主要分布于青藏高原和東北大興安嶺地區，面積達2.15×106km2，占國土總面積的22.3%，是世界第三凍土大國［2］。通過對南祁連盆地凍土帶天然氣水合物研究和勘探，特別是2009年青海木里煤田成功鉆獲天然氣水合物實物樣品，必將極大地拓展我國尋找新資源的視野，為我國經濟社會可持續發展提供新型能源。但是我國的凍土區天然氣勘查處于開始階段，距離開發應用還有些距離，而對于富含天然氣水合物的羌塘盆地等地區，由于氣候條件險惡，對水合物的形成機理還沒有研究透徹，所以，對南祁連盆地的水合物形成機理的研究就有了很高的理論價值。

1 天然氣水合物的概念

天然氣水合物（Natural Gas Hydrate）是在低溫高壓下由水分子與小客體氣體分子組成的類冰，非化學計量、籠形固體化合物（Benit BeauchamP，2004）［3_4］。因其外觀像冰且遇火即可燃燒，所以又被稱作“可燃冰”，它是近幾十年來發現的一種新型的戰略資源［5］。天然氣水合物是高密度的能源礦產，理論上1m3的水合物分解可以產生164 m3的天然氣（標況下）［6］。甲烷、乙烷和其它烴類氣體能夠被包含在籠狀結構中形成水合物，甲烷水合物是自然界最常見的一種水合物。

2 天然氣水合物的分布

2.1 全球多年凍土區天然氣水合物的分布

天然氣水合物的主要分布地域是陸域凍土帶和海底沉積物。經過科學家的共同努力，已在全球132處發現水合物，其中凍土區9處。目前在多年凍土區已經發現有大量的天然氣水合物，如加拿大馬更些三角洲、阿拉斯加北坡和俄羅斯西伯利亞，以及我國青藏高原、東北漠河地區。

2.2 我國多年凍土區天然氣水合物的分布

我國凍土區主要分布在東北大興安嶺地區和青藏高原地區，并零星分布在一些高山上（圖1）。青藏高原凍土是典型的高山凍土，緯度和海拔是凍土的主要控制因素。青海南部和西藏北部，特別是羌塘盆地是多年凍土最發育的地區，基本是連續或大片分布，隨著海拔降低，年平均地表地溫逐漸升高，由連續的大片凍土逐漸過渡為島狀凍土［7］。

圖1中國凍土區天然氣水合物找礦遠景區預測圖

2.3 天然氣水合物在南祁連盆地的分布

祁連山位于青藏高原北緣，雖然海拔相對不高，但因緯度偏北，也成為青藏高原凍土分布比較廣泛的地區之一，多年凍土面積達10×104km2，實測凍土層厚度為50～139 m，理論計算的凍土層厚度最大值為400 m［S］，基本具備形成天然氣水合物的凍土條件。南祁連凍土區發現的水合物埋深為133～396 m。目前，在祁連山凍土區共有S口水合物鉆探井（圖2），其中，DK-1、DK-2、DK-3、DK-7、DK-S井鉆獲到水合物樣品，在巖芯裂隙面上可觀測到薄層白色、乳白色的天然氣水合物晶體，有的則因泥漿污染而呈土黃色，且點火就能直接燃燒，燃燒時間長短不一，最長可持續到1分種以上。DK-4、DK -5、DK-6井觀察到巖芯中不斷冒出的氣泡和水珠，通過紅外測溫中的分散狀低溫異常可證實為天然氣水合物。

圖2祁連山凍土區DK_1～DK_8科學鉆探試驗井地形地質圖

3 南祁連盆地凍土區的地質特征

3.1 天然氣水合物的賦存

2009年5 月至10月間對木里地區天然氣水合物科學試驗孔進行鉆探施工，發現了明顯的相關異常現象［9］。對樣品進行熱紅外照像儀掃描后可見相對低溫異常現象（0℃左右或1～2℃，背景溫度一般為10℃左右或十幾度），可見明顯的熱紅外低溫異常，表明該樣品含有天然氣水合物。

根據巖性分析，以及從木里煤礦礦井中得到的水合物樣品分析，南祁連盆地水合物賦存于油頁巖、泥巖、粉砂巖和細砂巖等巖性相對較細的巖層中，橫向對比難度較大，賦存空間以裂隙為主，其次是孔隙［10］。

3.2 天然氣水合物的成因研究

南祁連盆地凍土區的天然氣水合物樣品中氣體多為微生物成因、熱解氣成因，還有微生物和熱解氣混合成因。通過測試天然氣水合物的基本特征、測井響應特征研究，氣體組成和同位素基本特征及δ13C1-1/n、C1/（C2+C3）-δ13C1、δDCH4-δ13CCH4、（δ13C2-δ13C3）-ln（C2/C3）、ln（C2/C3）-ln（C1/C2）的天然氣水合物或常規天然氣成因判別圖解綜合顯示，南祁連盆地凍土區水合物氣體為有機成因，以熱解成因為主，夾少量微生物成因，其中，熱解成因氣主要與原油裂解氣、原油伴生氣有關，少部分與凝析油伴生氣、煤成氣、干酪根裂解氣有關。這一分析結果可能表示研究區水合物的氣體的來源與油型氣有密切關系，但與煤型氣關系不大。研究表明，在南祁連盆地，水合物分解的氣體具濕氣特征，以輕烴為主，同位素表現為正碳同位素系列特征

3.3 天然氣水合物與溫度、壓力的關系研究

天然氣水合物在自然界中極不穩定，溫壓條件的一些微小變化都將會引起它的分解或生成。控制天然氣水合物形成的主要因素為溫度和壓力（圖3）。

圖3溫度和壓力對天然氣水合物形成的影響

溫度梯度對水合物形成和分布的影響也比較大，當溫度梯度增大時，水合物的分布就越不均勻，水合物更容易在高溫端富集；同時，水合物發生富集的時間間隔也就越短。由圖3可知，當甲烷和水處于A點形成天然氣水合物時，其溫度和壓力分別為27S.SS K（5.73 e）、5000 kPa；當條件處于B點形成天然氣水合物時，其溫度和壓力則分別為2S6.02 K（12.S7 e）、10 000 kPa。可以看出，從A點變化到B點，溫度每升高1 e，形成天然氣水合物所需的壓力將增大約700 KPa［12］。在凍土區，壓力主要表現為地下深度，在一定的深度和溫度條件下，在富含水合物的地方就會形成水合物穩定帶（圖4）。

圖4多年凍土層下氣水合物的形成

圖5顯示出了多年凍土區天然氣水合物的穩定帶的示意圖。由圖5可知，多年凍土地溫梯度與多年凍土層下地熱梯度與氣水合物的相平衡邊界共同構成了天然氣水合物的穩定帶，灰色區域內為天然氣水合物的穩定帶［13］。凍土區地溫梯度越小，凍土厚度就越大，溫度和壓力條件就越有利于形成天然氣水合物，其穩定帶厚度也越大。因為多年凍土底板處溫度為0℃，所以多年凍土底板深度越大，多年凍土層下天然水合物穩定帶的下界深度越大。一旦多年凍土發生退化，多年凍土底板變淺，多年凍土減薄，溫度升高可能導致氣水合物分解。可以看出，控制多年凍土區天然氣水合物形成的主要因素為多年凍土地溫梯度和年平均地溫以及多年凍土層下融土的地熱梯度，前二者控制多年凍土厚度，后者控制天然氣水合物的底板深度。根據研究表明，木里盆地天然氣水合物的溫壓條件如圖6所示［10］。

圖5多年凍土與氣水合物關系示意圖

圖6木里盆地天然氣水合物的溫壓條件

3.4天然氣水合物與構造的關系研究

天然氣水合物的形成與構造也有一定的關系，研究區處于青藏高原的北部，主要位于青海和甘肅的相接地帶。其大地構造單元一般劃分為北祁連構造帶、中祁連陸塊和南祁連構造帶三大構造單元（圖7）。3個單元之間及其兩側依次被北祁連北緣、中祁連北緣、中祁連南緣、土爾根達坂山-宗務農山-青海湖南緣4條斷裂所分割［14］。與極地多年凍土區相比，祁連山凍土區凍土層較薄，且地處青藏高原北部，長期處于古歐亞大陸的邊緣活動帶，受構造作用影響明顯，加之受儲集巖性和成藏氣源的影響，該區天然氣水合物的產出和分布具有一定的特殊性。

圖7木里地區大地構造單元背景下的構造綱要圖

南祁連盆地野外地質勘查顯示發育有四套烴源巖［15］。按巖性可以分為碳酸鹽巖型、暗色泥巖和暗色頁巖型。碳酸鹽巖類主要見于下二疊統和中三疊統；暗色泥巖、頁巖類烴源巖主要見于上石炭統、上三疊統和中下侏羅統。

3.5 天然氣水合物與沉積的關系研究

天然氣水合物在巖石中的富集方式主要是兩種：在孔隙度較大的巖層中，呈侵染狀分布；在低滲巖層中，呈薄膜狀分布。大多數凍土區天然氣水合物賦存于固結沉積巖中，從鉆取樣品來看，能以膠結物、顆粒包殼、雜基、孔隙充填物、結核或裂隙充填物等多種方式存在［2］，最普遍的是以結核或裂隙充填物的方式賦存于沉積物中。

在木里煤田中，侏羅統含煤地層分為下部木里組和上部江倉組［16］。江倉組的砂巖、泥巖層段，經過構造運動的作用，具有較多的節理裂隙。江倉組下段主要為三角洲-湖泊相，含煤2～6層；上段以淺湖-半深湖相為主，沉積了一套泥巖、粉砂巖組合，不含煤。總的來說，巖層內的孔隙-裂隙條件較好的地層，可以作為為水合物的賦存的有利的場所。

4 南祁連盆地天然氣水合物的成藏模式

天然氣水合物成藏需具備5個基本條件：大量氣源和水；較低的溫度（2.5～25℃）；較高的壓力（4.5MPa以上）；一定的孔隙空間；合適的圈閉條件［17］。天然氣水合物的成藏與其所處地質構造環境密切相關，陸緣地區天然氣水合物成藏地質模式可分為成巖型、構造型和復合型三類。成巖型水合物主要受沉積因素控制，成藏氣體以淺層生物成因氣為主，水合物大多呈分散狀存在于相對滲透層中，豐度較低。構造型水合物主要受構造因素控制，由熱成因氣或者混合氣從較深部位沿斷裂、泥火山或其它通道快速運移至水合物穩定域而形成，水合物主要分布在構造活動帶周圍，豐度較高。復合型水合物同時受到成巖作用和構造作用控制，水合物主要分布在構造活動帶周圍的相對滲透層中。

在2010年，木里地區開展了反射地震方法探測天然氣水合物的試驗研究，通過綜合分析解釋反射地震和測井及地質資料，初步認為含天然氣水合物介質形成的反射波在地震剖面上具有低速、弱振幅、高頻的特征。在成藏機制上，天然氣水合物的分布與深部斷裂破碎帶有關，天然氣沿深部斷裂構造向上運移，并受凍土層的封閉而富集，在合適的溫壓條件下形成天然氣水合物礦藏［15］（圖S）。

5 南祁連盆地天然氣水合物的含量預測

祁連山凍土區天然氣水合物DK_1、DK_2、DK_3、DK_4號鉆孔揭示，該區天然氣水合物及其異常主要產出于破碎巖層裂隙中和砂巖孔隙中，根據不同的賦存類型分別賦予具體地質含義，并運用體積法建立了2種產狀天然氣水合物資源量的計算方法。體積法的基本思路是假定天然氣水合物在一定范圍內是連續分布的，然后按公式計算資源量：

式中， 為天然氣水合物的資源量（m3）；A為天然氣水合物分布區的面積，m2；Δz為天然氣水合物層的厚度（m）；φ為沉積物的孔隙度（%）；H為充填在孔隙中的天然氣水合物飽和度（%）；E為產氣因子系數，即1 m3天然氣水合物在常溫常壓下分解成甲烷氣的體積數［1S］。基于野外地質觀測統計數據和室內分析測試結果，在鉆探區約40×104m2的范圍內，計算得到砂巖孔隙中的天然氣水合物資源量約為6.24×104m3天然氣，破碎巖層裂隙中的天然氣水合物資源量約為SS×104m3天然氣，總的資源量約為94.2×104m3天然氣［19］。

圖8木里煤田成藏模式圖

6 結論

從以上研究可以得出祁連山凍土區雖然凍土條件比較差，但氣候條件較優越，便于開展工作，且已經鉆采出水合物實物樣品，目前是我國研究價值比較高的地區。并且通過對科學勘探井所得的資料進行了全面的解釋與處理，得出如下結論：

（1）南祁連盆地天然氣水合物的形成條件與油型氣有密切關系，但與煤型氣關系不大。

（2）南祁連盆地天然氣水合物賦存在巖性相對較細的巖層中，橫向對比難度較大，賦存空間以裂隙為主，其次是孔隙。

（3）溫度、壓力對凍土區天然氣水合物影響很大，當超過一定的條件，水合物穩定帶將很難形成。

（4）南祁連盆地天然氣水合物與構造、沉積等控制因素之間的關系也很密切，但由于缺少全面的勘測數據，所以還沒有形成對南祁連盆地天然氣水合物的全面的、立體的框架體系。

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Study on the Formation Mechanism of NaturalGas Hydrate in Permafrost Regions of Southern Qilian Basin

HU RongJie1，2，FU Jun1，2，ZHANG Xiaopan1，2，LICheng1，2，DONG Yuehua1，2
（1.College of Management Science，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2.Geomathematics Key Laboratory of Sichuan Province，Chengdu 610059，China）

Natural Gas Hydrate is a imPortant and Potential energy resource after coal and oil.In this PaPer，the distri_ butions of Gas Hydrate in thewholeworld，our land and the South Qilian basin are introduced in detail.However，due to the comPlexity of climate and geological characteristics in Permafrost regions，the study of Gas Hydrate in Permafrost regions can not be started timely.For this Problem，there is a detailed analysis of the formation conditions and existing environmentof the Gas Hydrate in South Qilian basin Permafrost regions，aswell as the relationshiPof formation of the Natural Gas Hydrate and temPerature，Pressure，tectonic，sedimentation，which Provides a basis for the develoPment and utilization of Gas Hydrate in our other Permafrost regions.

Natural Gas Hydrate；South Qilian basin；Permafrost region；formation condition

P61S.13

A

1673_1549(2014)02_0064_06

10.11863/j.suse.2014.02.14

2013_11_13

國土資源部專項基金（JZ20110311）

胡榮杰（19S5_），男，甘肅天水人，碩士生，主要從事油氣勘探開發中的數學方法方面的研究，（E_mail）1S14626964@qq.com