祁连山冻土区天然气水合物地球化学迁移机理探讨

陆域冻土区天然气水合物成矿机制较为复杂,水合物横向难以对比,形成机理不清楚,急需对天然气水合物迁移机理进行研究。文章根据祁连山冻土区天然气水合物发现区钻井揭示的地质和地球化学资料以及岩芯样品分析测试结果进行了综合分析。结果显示,研究区中侏罗统和上三叠统均为较好烃源岩,天然水合物气源以热解气为主,主要由上三叠烃源岩迁移和中侏罗统木里组烃源岩扩散提供,显示了多源多期次的特点。根据地质和地球化学分析,祁连山天然气水合物的形成经历了晚侏罗世—早白垩世的气体运移与聚集、中新世中晚期—上新世整体抬升、第四纪游离气体转化成天然气水合物矿藏3个阶段,经历了"先聚集-再抬升-后成藏"等过程,是构造-气候耦合作用的结果,初步建立了祁连山冻土区天然气水合物迁移机理。     

祁连山冻土区天然气水合物成矿系统

根据祁连山冻土区12口天然气水合物钻孔的相关异常现象分析以及4口天然气水合物钻孔取样的有机显微组分观察与镜质体(组)反射率测定、总有机碳含量(TOC)分析、生油岩热解(Rock-Eval)分析、有机质碳同位素分析、氯仿抽提与簇组分分析,结果显示:天然气水合物气体总烃含量在59.31%~99.57%间,平均约87.00%,C1/ΣC1-5在59.91%~79.05%间,平均为71.16%,δ13 C1在-50.5‰~-39.5‰间,平均为-45.8‰,δDC1在-268‰~-262‰间,平均为-265‰,表明天然气水合物气体为有机成因,以热解成因为主,夹少量微生物成因,其中热解成因气主要与原油裂解气、原油伴生气有关;天然气水合物层段内泥岩与油页岩的有机显微组分、生烃潜量(S1+S2)、氢指数(IH)、氧指数(IO)、类型指数(S2/S3)、降解率(D)、干酪根碳同位素等特征指示泥岩有机质类型主要为Ⅱ1~Ⅱ2型,油页岩有机质类型主要为Ⅰ~Ⅱ1型,煤有机质类型主要为Ⅲ1~Ⅲ2型,泥岩、油页岩Ro平均值介于0.35%~0.78%之间,煤Ro平均值介于0.86%~1.13%之间,看出泥岩在350℃~400℃条件下或油页岩在380℃~400℃条件下所产生烃类气体在组成和同位素特征上与天然气水合物中烃类气体较为相似,进一步根据热模拟温度与镜质体反射率之间关系及镜质体反射率与古地温、埋藏深度的关系,推算天然气水合物气源岩来自约2 000m以下泥岩或油页岩;岩心顶空气体含量(μl/kg)位于149m~167m,228m~299m,321m~338m,360m~380m等深度段具异常值特征,与天然气水合物及主要异常现象产出层段基本一致,根据离断层或破碎带不同距离岩心烃类总体积百分比(vol%)、甲烷碳同位素δ13 C1值(‰PDB)及C1/C1-5,C1/ΣC2-5,C1/ΣC2-3,C1/C2,C2/C3,C2/ΣC3-4,iC4/nC4,iC5/nC5等,推断代表天然气水合物的具异常值特征的岩心中烃类气体主要由运移而来,下部断层或破碎带是主要烃类运移通道,中上部断层或破碎带可成为天然气水合物赋存空间。     

祁连山冻土区天然气水合物现场识别方法

天然气水合物是一种赋存在低温、高压条件下,陆上永久冻土区和海底沉积物中的规模巨大的新型能源。在冻土区的天然气水合物研究过程中,钻探取样和天然气水合物岩芯研究仍是识别和推断天然气水合物最直接有效的方法。因此,如何在钻探现场快速有效地识别出天然气水合物及相关异常特征就显得极其重要。近几年在祁连山天然气水合物勘探过程中,探索性地总结出适用于冻土区的天然气水合物现场识别方法,主要包括肉眼观测、孔口气涌观测、岩芯红外测温、岩芯裂隙孔隙水盐度测定、岩芯气体解析与组分测定和岩芯次生构造与伴生矿物鉴别等方法。利用该套现场识别方法和随钻岩芯编录,有效地查明了祁连山冻土区天然气水合物在岩芯中的产状和分布特征,为该区天然气水合物资源评价和试开采试验提供了重要依据。     

祁连山冻土区天然气水合物及其基本特征

2008年11月5日,由中国地质科学院矿产资源研究所、勘探技术研究所和青海煤炭地质局105勘探队施工的祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程DK-1孔取得重大突破,成功钻获天然气水合物实物样品.这是我国冻土区首次钻获并检测出的天然气水合物实物样品,也是世界上第一次在中低纬度高原冻土区发现的天然气水合物,具有重要的科学、经济和环境意义.目前钻获的天然气水合物均产于冻土层之下,产出深度133~396 m,其层位属于中侏罗统江仓组.水合物以薄层状、片状、团块状赋存于粉砂岩、泥岩、油页岩的裂隙中,或以浸染状赋存于细粉砂岩的孔隙中.祁连山冻土区天然气水合物具有埋深浅、冻土层薄、气体组分复杂、以煤层气为主等特征,应是一种新类型水合物.     

青海祁连山冻土区发现天然气水合物

祁连山冻土区位于青藏高原北缘,多年冻土面积约10×10~4km~2,具有良好的天然气水合物形成条件和找矿前景.2008～2009年间中国地质调查局在青海省天峻县木里煤田聚乎更矿区施工祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程,迄今共完成钻探试验井4口,总进尺2059.13m,分别在DK-1、DK-2和DK-3钻井中钻获天然气水合物实物样品,取得了找矿工作的重大突破.天然气水合物产于冻土层之下,埋深133～396m.水合物呈白色、乳白色晶体,点火能燃烧,红外热像仪测温后呈明显的低温异常,放进水里强烈冒泡,水合物分解后能不断冒出气泡和水滴,并残留下特征的蜂窝状构造.激光拉曼光谱仪检测呈现特征的水合物光谱曲线,测井曲线也具有较明显的高电阻率和高波速标志.祁连山天然气水合物具有冻土层薄、埋深浅、气体组分复杂、以煤层气成因为主等明显特征,是一种新类型水合物.这是我国冻土区首次钻获的天然气水合物实物样品,也是全球首次在中低纬度高山冻土区发现天然气水合物实物样品,具有重要的科学意义和经济意义.     

祁连山冻土区天然气水合物岩性和分布特征

2008~2009年实施的“祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程”,已完成DK-1、DK-2、DK-3和DK-4孔的钻探任务。施工期间多次钻获天然气水合物实物样品,证实祁连山冻土区存在天然气水合物。祁连山冻土区天然气水合物主要以裂隙型和孔隙型2种状态产出。基于天然气水合物存在的10个方面的特征,认为天然气水合物赋存层位主要为中侏罗统江仓组,产于冻土层之下,主要储集于133.0~396.0m区间,储集层岩性多以粉砂岩、油页岩、泥岩和细砂岩为主,含少量中砂岩。钻孔中天然气水合物纵向分布不具有连续性,钻孔间横向分布规律不明显。岩石质量指标(RQD)统计结果显示,RQD低值区与天然气水合物储集层段具有较好的一致性,表明裂缝系统对于该区天然气水合物的分布具有重要的控制作用。     

祁连山冻土区天然气水合物分解气碳氢同位素组成特征

开展祁连山冻土区天然气水合物气体同位素研究,是解决其气体成因、来源等科学问题的一个重要手段。本研究采集祁连山南麓多年冻土区水合物科学钻探DK2和DK3孔共8个含水合物的岩芯样品,采用真空顶空法收集样品中水合物的分解气,分别用气相色谱(GC)、气相色谱同位素比值质谱(GC-IRMS)测定其气体成分和同位素组成,测试结果表明:祁连山冻土区天然气水合物样品的气体碳氢同位素变化较大,甲烷、乙烷和丙烷的碳同位素(δ13C)变化范围分别为-52.6‰～-48.1‰、-38.6‰～-30.7‰和-34.7‰～-21.2‰,而二氧化碳的碳同位素(δ13C)最低为-27.9‰,最高为16.7‰;甲烷、乙烷和丙烷的氢同位素(δD)变化范围分别为-285‰～-227‰、-276‰～-236‰和-247‰～-198‰。通过对这些碳氢同位素进行综合研究,包括气体分子组成与同位素的关系分析、甲烷的碳氢同位素之间的关系判断等,结果表明研究区天然气水合物的气体主要来源于热解气,而且是在淡水环境中形成的有机成因气。     

青海祁连山冻土区天然气水合物的气源条件及其指示意义

祁连山木里冻土区天然气水合物的气源条件还不清楚,这直接影响到下一步的勘查方向。文章试图以DK-2天然气水合物钻孔为例,从天然气水合物及其相关气体组成与同位素特征入手,对比分析天然气水合物产出层段的泥岩、油页岩、煤、油气显示等有机地球化学特征,探讨该区天然气水合物的气源条件及其对天然气水合物勘查的指示意义。该区天然气水合物所在层段的泥岩、油页岩、煤的有机质丰度、类型、热演化程度等参数显示,它们不能成为天然气水合物的主要气源岩层;结合天然气水合物及相关气体组成与同位素特征,判断该区天然气水合物的气体来源可能主要为深部石油(原油)伴生气或深部气源岩层的成熟-过成熟气;该区油气显示现象与天然气水合物密切伴生,或可作为天然气水合物的指示标志。     

祁连山冻土区DK-9孔温度监测及天然气水合物稳定带厚度

祁连山冻土区木里盆地三露天井田自2008年首次钻采到天然气水合物实物样品以来,实现了中低纬度高山冻土区天然气水合物勘探的重大突破。天然气水合物钻孔DK-9于2013年发现水合物,通过对该孔长期地温实时监测,获得了稳态的地温数据。结果表明,祁连山多年冻土区聚乎更矿区三露天井田冻土层底界为约163 m,冻土层的厚度达约160 m,冻土层内的地温梯度为138 ℃ /100 m,冻土层以下的地温梯度达485 ℃/100 m。根据天然气水合物形成的温-压条件分析,聚乎更矿区具备较好的天然气水合物形成条件,天然气水合物稳定带底界深度处于510~617 m之间。     

青海祁连山冻土区天然气水合物的气体成因研究

在祁连山冻土区发现天然气水合物之后,其气体成因或来源便成为一个重要的科学问题。开展了气体组成和同位素特征及δ13C1-1/n、C1/(C2+C3)-δ13C1、δDCH4-δ13CCH4、(δ13C2-δ13C3)-ln(C2/C3)、ln(C2/C3)-ln(C1/C2)等关系图解的综合研究,结果显示:祁连山冻土区天然气水合物的气体以轻烃为主,具湿气特征,其同位素表现为正碳同位素系列特征。研究区天然气水合物的气体为有机成因,且以热解成因为主,夹少量微生物成因(醋酸根发酵),其中,热解成因气主要与原油裂解气、原油伴生气有关,少部分与凝析油伴生气、煤成气、干酪根裂解气有关。这一分析结果可能意味着研究区天然气水合物的气体来源与油型气密切相关,而与煤型气关系不大。     

祁连山冻土区天然气水合物层位测井物性分析

笔者旨在总结出一套适用于祁连山冻土区地层孔隙度和天然气水合物含量的计算方法。利用2个钻孔的岩芯实验室测试数据,采用多元线性回归方法,得到了适合本地区的孔隙度计算公式。通过参考国内外相关资料,采用修正的阿尔奇公式计算水合物含量,并求得了有测井数据的5个钻孔水合物异常层位的含量值。研究结果表明,三元回归的孔隙度公式比单变量回归的效果好,计算值与岩芯测试数据回归精度达到85％;计算的水合物含量值范围为11．47％～81．61％。本次研究成果对未来该地区的天然气水合物测井评价具有一定的参考价值。     

青海省祁连山冻土区天然气水合物基本地质特征

笔者等在青海省祁连山冻土区实施的科学钻探试验井中,直接钻获到白色冰状实物样品,并观察到燃烧现象,经激光拉曼光谱仪检测为天然气水合物,这是首次在中国陆域勘查到的天然气水合物。天然气水合物主要产于泥岩、油页岩、粉砂岩、细砂岩等层段中,与岩性关系不大;常出露在岩层的裂隙和孔隙中,受裂隙的控制比较明显;纵向上分布不连续,主要出现在井下130～400m之间,横向上无明显的对比关系。该区天然气水合物可能首先受到祁连山冻土特征等所确定的天然气水合物稳定带的限制,产出的具体部位受断裂及气源条件的双重控制,产生的烃类气体在不同级次断裂的疏导和上覆冻土层低温的共同耦合作用下,更易于在裂隙中形成天然气水合物。     

祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程概况

2008～2009年,中国地质调查局组织中国地质科学院矿产资源研究所、勘探技术研究所、青海煤炭地质105勘探队等单位,在祁连山木里地区实施“祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程”,迄今共完成DK-1、DK-2、DK-3和DK-4 4个钻探试验井,总进尺2059.13m,并在井深133~396m区间钻获多层天然气水合物,取得了找矿工作的重大突破,证实中国冻土区存在规模巨大的天然气水合物潜在能源。祁连山冻土区天然气水合物具有埋深浅、冻土层薄、气体组分复杂、以热解气为主等特征,应是一种新类型的水合物。初步研发集成出一套冻土区天然气水合物调查方法、钻探施工工艺和配套装备,为下一步的调查研究奠定了基础。     

祁连山冻土区天然气水合物地质控制因素分析

对祁连山冻土区天然气水合物勘探区DK-2至DK-6钻孔地层、岩心粒度、断层破碎带以及冻土层属性进行了综合分析。结果表明,研究区水合物储存首要控制因素是可为深部气源提供流体通道的区域主断层,其他小断层和破碎带可为水合物提供部分流体来源及储存空间,气体来源以深部热解气为主;不同沉积环境地层中水合物赋存层段的粒级组分含量不同,局部粗碎屑沉积亦可为天然气水合物提供有利储存空间;而水合物的储存不仅受冻土层厚度控制,还可能与冻土层岩性有很大关系,有利的"盖层"(低孔隙度、低渗透率)可能更利于水合物的赋存。此外,江仓组地层也可能对天然气水合物有一定的岩相控制作用。     

祁连山冻土区天然气水合物激光拉曼光谱特征

采用显微激光拉曼光谱技术在77K和常压下对祁连山木里煤田聚乎更矿区钻获的冻土区天然气水合物进行了测试,得到中国冻土区天然气水合物典型的激光拉曼谱图,从微观角度证实DK3孔的133.30m、139.52~139.92m和141.00m 3段不同埋深的岩心中均有天然气水合物存在。对冻土区水合物的拉曼谱图进行详细研究,结合文献资料,初步判定3段不同埋深的水合物结构均为sⅡ型,并参照不同客体气体分子的特征振动信号对谱线的归属进行分析,得出了水合物中大致所含的气体组分。     

青海省祁连山冻土区天然气水合物存在的主要证据

2008年冬季和2009年夏天首次在我国陆域祁连山冻土区钻获到天然气水合物实物样品。野外直接观察到白色冰状天然气水合物与点火燃烧现象及其他明显的异常现象,如含天然气水合物岩心表面强烈地冒气泡、渗出水珠、没入水中冒出长串气泡、井中释放异常压力气体、密闭条件下解析出异常含量气体、岩心晾干后留下重烃斑迹、残余细蜂窝状构造、伴生晶型完好的菱形自生方解石矿物、热红外低温异常等现象;室内激光拉曼光谱检测到天然气水合物笼状体峰及其包含的烃类气体峰,宏观地球物理测井曲线上显示含天然气水合物岩心段存在明显偏高的电阻率和声波速度异常。祁连山冻土区天然气水合物及其异常现象主要产出在冻土层下130~400 m之间的细砂岩孔隙与裂隙中及泥岩、油页岩、粉砂岩等裂隙中。     

祁连山冻土区天然气水合物储层岩石热物性实验研究

采用扫描电镜测试了祁连山冻土区天然气水合物储层泥岩和砂岩微观结构。在显微镜下观察到,泥岩由微小均匀的片状多边形块体构成,这种微观结构使得泥岩中水合物以浸染状赋存;而砂岩内部存在分散状孔隙,砂岩中水合物为孔隙赋存。采用瞬变平面热源法测试了含甲烷水合物储层岩石的导热系数和热扩散率。在温度为-941~941 ℃时,干泥岩导热系数为0577~0853 W·m-1·K-1,含甲烷水合物储层泥岩导热系数为0704~1050 W·m-1·K-1。在温度为-811~928 ℃时,干砂岩导热系数为0828~1271 W·m-1·K-1,含甲烷水合物储层砂岩导热系数为3850~4555 W·m-1·K-1。在温度为-941~941 ℃时,干泥岩热扩散率为0712~0894 mm2·s-1,含甲烷水合物储层泥岩热扩散率为0792~1006 mm2·s-1,干砂岩热扩散率为1198~1674 mm2·s-1,含甲烷水合物储层砂岩热扩散率为1403~1769 mm2·s-1。测试数据表明,对于孔隙型水合物,测定导热系数是一种较好的辨识水合物存在的辅助手段。     

祁连山冻土区天然气水合物DK-2钻孔微生物群落

对青海省祁连山永久冻土区天然气水合物DK-2钻孔的11件样品进行分析,通过微生物群落分析来探寻水合物层样品与非水合物层样品的差别。在11件样品中均发现了细菌16S rDNA,未检测到海洋天然气水合物地区常见的古菌16S rDNA、mcrA(Ⅰ,Ⅱ)、pmoA、mmoX和mxaF。分析得到的细菌16S rDNA分属5个门,包括变形杆菌门、放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门和异常球菌-栖热菌门,随着样品深度的增加,细菌多样性有降低的趋势。对非水合物层样品DK2-19和水合物层样品DK2-25进行细菌系统发育树分析,发现这2个样品群落结构相差较大。水合物层样品与非水合物层样品细菌群落对比后发现,水合物层样品中γ-变形杆菌的比例低于非水合物层样品中γ-变形杆菌的比例,而Arthrobacter属多发现于非水合物层的样品中。     

祁连山冻土区天然气水合物游离气测量技术试验

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.