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。     

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。     

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。     

青海聚乎更钻探区天然气水合物拉曼光谱特征

了解天然气水合物的微观结构特征对水合物资源勘探和评价具有重要意义。采用显微激光拉曼光谱技术,对青海聚乎更钻探区内DK8-19、DK11-14 和DK12-13等3个站位共9个天然气水合物岩心样品进行了分析测试,探讨了钻探区天然气水合物的拉曼光谱特征。结果表明,青海聚乎更钻探区天然气水合物广泛分布,垂直方向在126.1~322.2 m范围内不连续分布,不同钻孔、不同埋深水合物样品的拉曼光谱特征基本一致,初步判断为Ⅱ型结构水合物,且为多元气体水合物。水合物客体除甲烷、乙烷、丙烷及丁烷等 烷烃外,普遍含有氮气组分。此外,在DK8-19站位埋深为126.1 m样品中发现水合物相中硫化氢组分的拉曼信号,这说明特定区域内可能存在硫化氢气体且形成了水合物。聚乎更钻探区水合 物样品拉曼光谱特征为冻土区天然气水合物成藏与分布规律研究提供了新的启示。     

Growth behavior and resource potential evaluation of gas hydrate in core fractures in Qilian Mountain permafrost area,Qinghai-Tibet Plateau

The Qilian Mountain permafrost area located in the northern of Qinghai-Tibet Plateau is a favorable place for natural gas hydrate formation and enrichment, due to its well-developed fractures and abundant gas sources. Understanding the formation and distribution of multi-component gas hydrates in fractures is crucial in accurately evaluating the hydrate reservoir resources in this area. The hydrate formation experiments were carried out using the core samples drilled from hydrate-bearing sediments in Qilian Mountain permafrost area and the multi-component gas with similar composition to natural gas hydrates in Qilian Mountain permafrost area. The formation and distribution characteristics of multi-component gas hydrates in core samples were observed in situ by X-ray Computed Tomography (X-CT) under high pressure and low temperature conditions. Results show that hydrates are mainly formed and distributed in the fractures with good connectivity. The ratios of volume of hydrates formed in fractures to the volume of fractures are about 96.8% and 60.67% in two different core samples. This indicates that the fracture surface may act as a favorable reaction site for hydrate formation in core samples. Based on the field geological data and the experimental results, it is preliminarily estimated that the inventory of methane stored in the fractured gas hydrate in Qilian Mountain permafrost area is about 8.67×10¹³ m³, with a resource abundance of 8.67×10⁸ m³/km². This study demonstrates the great resource potential of fractured gas hydrate and also provides a new way to further understand the prospect of natural gas hydrate and other oil and gas resources in Qilian Mountain permafrost area.©2023 China Geology Editorial Office.     

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DK-1钻孔天然气水合物测井 响应特征和评价

祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程中采用电缆测井识别水合物储层,使用了三侧向、声波速度、自然伽马、长源距伽马伽马、井温、井径、井斜7种测井仪器,所获参数有利于确定天然气水合物的赋存位置。根据DK-1钻孔中获得水合物样品层段的测井曲线总结出水合物测井响应的特征,并参考国外的相关资料,对DK-1地层的孔隙度和天然气水合物饱和度进行了初步评价。结果表明,电阻率方法求出的地层孔隙度与岩心分析值较为接近,而用标准阿尔奇方程和修正的阿尔奇方程计算出的天然气水合物的饱和度值相差较大。因此,尚需对水合物岩心进行深入的分析测试,建立适当的岩石物理模型,来指导中国天然气水合物的测井评价。     

祁连山冻土区水合物DK3和DK6钻孔中微生物脂肪酸特征及意义

利用脂肪酸法分析祁连山冻土带水合物区DK3(含水合物)与DK6(不含水合物)钻孔岩心中微生物多样性。本研究获得C12到C24二十六种脂肪酸(FA),可以分成直链饱和脂肪酸(SSFA),支链饱和脂肪酸(BSFA),单键不饱和脂肪酸(MUFA),环丙烷脂肪酸(CFA)和多键不饱和脂肪酸(PUFA)五大类型,其中SSFA相对含量最高。由于特异性的脂肪酸指示特异性的微生物类群,得出两根岩心中微生物类群主要由革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌组成。运用PAST(Palaeontological statistics,version 1.21)软件对已获得的脂肪酸进行主成分分析和聚类分析,得出DK3与DK6岩心的微生物组成并无显著性差异,但是DK3岩心中含水合物层位与不含水合物层位微生物组成有差异,DK6岩心中有水合物异常的层位与无异常的层位有差异。发现C16:1和C18:1这两类脂肪酸与甲烷异常有很好的对应关系,从另一方面证明了水合物异常影响微生物组成分布。本次研究首次获得冻土沉积物中FA组成特征,丰富了FA的分布范围,研究结果扩大了真菌的分布深度,具体机理有待更多的实验证明。     

祁连山冻土区天然气水合物DK一2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一2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16SrDNA,未检测到海洋天然气水合物地区常见的古菌16SrDNA、mc以（I,Ⅱ）、pmoA、mmoX和mxaF。分析得到的细菌16SrDNA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一栖热菌门,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,水合物层样品中叫一变形杆菌的比例低于非水合物层样品中1一变形杆菌的比例,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气体组分的气相色谱法测定

建立了气相色谱法测定祁连山冻土区天然气水合物C1-C5气体纽分的分析方法,对比研究了单点法与多点法校正、外标法与外标归一化法定量。以及顶空法与排水法2种气体收集方式的区别。结果表明：顶空法制备、单点法校正、外标归一化法定量计算为气相色谱法测定天然气水合物气体组分的最佳方法。方法相对标准偏差（ILSD）为0-1．06％,检出限为0．0003％-0．0127％。通过对祁连山冻土区DK一2孔10个天然气水合物样品的测定,发现C,含量为60．64％-78．76％,C：含量为8．99％-13．60％,C3含量为6．58％-21．24％,C4和C5含量较少,可见c,气体组分含量丰富,具有较低的C1／C2＋比值（1．5-3．7）,显示出明显的热解气特征。关键词：祁连山冻土区;天然气水合物：气体组成;气相色谱法     

青海木里三露天天然气水合物矿藏土壤微量元素地球化学特征

在祁连山冻土区木里天然气水合物矿区进行了微量元素地球化学勘查有效性试验,试验面积150 km2,采样密度2个点/km²。研究表明,土壤Ba、V、Fe 、Ca等元素在水合物矿藏上方呈现顶部异常,而且异常吻合程度较高。微量元素预测天然气水合物具有较高的成功率,调查前钻探的干井(DK-4、DK-5和DK-6)位于背景区,调查前钻探的水合物井(DK-1、DK-2、DK-3、DK-7)和调查后水合物井(DK3-11、DK2-13、DK1-14)位于异常内。试验结果还预测了祁连山天然气水合物两个新的远景区。试验表明,微量元素是祁连山冻土区寻找天然气水合物的有效指示元素,它们与水合物其它化探指标结合冻土条件和地质特征综合解释,可以提高冻土区天然气水合物预测成功率。     

中国陆域天然气水合物调查研究主要进展

我国是世界上既有海域水合物也有陆域水合物的少数几个国家之一。中国地质调查局高度重视陆域水合物调查研究,2016年正式设立“陆域天然气水合物资源勘查与试采工程”,通过对我国重点冻土区开展地质、地球物理和钻探调查,研发有效的陆域水合物调查、钻探和资源评价技术,初步摸清资源家底,评价资源潜力。自2002年开始探索性调查以来,已在青海省发现木里天然气水合物产地1处、昆仑山垭口盆地和乌丽地区疑似产地2处及系列找矿线索,评价出南祁连盆地、羌塘盆地及漠河盆地三大成矿远景区、12个成矿区带,资源潜力巨大; 在祁连山木里地区成功实施单直井和水平对接井试采,并取得了陆域天然气水合物成矿理论、勘采技术、环境调查和平台建设系列成果。以上成果有力推进了我国天然气水合物资源勘查试采进程,支撑国务院将天然气水合物设为第173个新矿种,初步形成“海陆并举、资环并重”的良好局面。     

中国冻土区天然气水合物调查研究

中国是世界上第三大冻土国,在青藏高原和东北大兴安岭地区分布着大片的多年冻土区,并有较好的天然气水合物形成条件和找矿前景。20世纪90年代末就有部分科研人员开展了中国冻土区天然气水合物形成条件和分布预测的研究工作。2002年开始,中国地质调查局先后设立了5个地质调查项目,对中国冻土区开展了地质、地球物理、地球化学和遥感调查工作,并在祁连山冻土区成功地钻获了天然气水合物实物样品,取得了找矿工作的重大突破,使中国成为世界上既有陆地水合物也有海底水合物的少数几个国家之一。目前中国冻土区天然气水合物研究中仍存在着调查研究程度较低、技术装备落后、未开展试生产研究等问题。随着国家对天然气水合物重视程度的加强,中国冻土区天然气水合物的调查研究进程将会进一步加快,并有可能在不久的将来实现试生产。     

青海省天峻县木里地区天然气水合物地震响应特征

天然气水合物是一种新型的潜在能源,广泛分布于大陆边缘海底沉积物和陆上永久冻土带中。2008年,在祁连山冻土区首次钻获天然气水合物实物样品。2010年,在木里地区开展了反射地震方法探测天然气水合物的试验研究,通过综合分析解释反射地震资料和地质资料,初步认为含天然气水合物介质形成的反射波在地震剖面上具有低速、弱振幅、高频的特征。在成藏机制上,天然气水合物的分布与深部断裂破碎带有关,天然气沿深部断裂构造向上运移,并受冻土层的封闭而富集,在合适的温压条件下形成天然气水合物矿藏。