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。     

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.     

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.     

冻土区天然气水合物试采对接井冲洗液技术

2015年,在祁连山木里冻土区进行了天然气水合物试采对接井施工。根据木里地区的地层条件,针对孔壁易出现的水化、坍塌、掉块等现象,制定了冲洗液配方,通过合理调整处理剂的用量,达到良好的护壁及润滑效果。使用过程中对密度、粘度、含砂量、失水量等参数进行了监测,并对冲洗液性能作出及时调整。应用结果表明,该冲洗液配方具有良好的综合性能,能够满足冻土区天然气水合物试采井钻探施工要求。     

南祁连木里冻土区天然气水合物气源探讨

南祁连木里冻土区天然气水合物气源问题备受关注。本文借助生物标志化合物、气体组分和同位素等方法,分析探讨了该地区天然气水合物的气源问题。生物标志化合物分布特征上,木里地区水合物钻探岩芯伴生液态烃与三叠系碳质页岩中抽提的可溶有机质具有相似性,显示母质类型皆以水生低等物源输入为主,形成于还原条件下的咸水-微咸水沉积环境,但与该地区侏罗系煤及碳质页岩母质类型以陆源输入为主存在较大差别。对不同时代烃源岩解析气的碳同位素研究结果表明,侏罗系为煤型气特征,与水合物中油型气气源存在明显不同;解析气的~3He/~4He值反映该地区主要为壳源气。综合研究认为,木里冻土区天然气水合物气源主要来自三叠系烃源岩,具有有机质裂解和浅部壳源特征。     

青藏高原冻土区AMT探测天然气水合物采集试验

音频大地电磁测深(AMT)在“死频带”(500~5 000 Hz)内,容易引起视电阻率与相位曲线畸变.为获得探测天然气水合物的高质量AMT数据,在青藏高原冻土区开展了AMT采集试验研究,涉及到5个采集参数,分别为采集时段、采集时长、天气、电极距与测点密度.通过参数对比试验发现:为获取高质量的AMT数据,采集时段应选择在下午至晚上区间,采集时长≥40 min,选用较小的电极距(50~ 100m),选择多云或阴天进行采集,此外,采用密度较高的点距布设(点距100m或更小)有利于构建准确的电性模型.     

青海木里冻土区天然气水合物钻探施工技术

钻探取心是天然气水合物资源调查研究的一种重要技术手段,也是识别天然气水合物最有效的方法之一。青海木里煤田三露天调查区地质构造复杂,水合物钻探施工时极易出现孔壁坍塌、水合物分解、气侵泥浆及孔内涌气、涌水、漏失等问题,取芯困难、钻进效率低。针对这些技术难题,开展了泥浆制冷技术、大口径绳索快速取心钻进技术、聚合物低温泥浆工艺及泥浆防塌体系、钻孔结构及钻进参数优化、钻头选型、气体防喷等技术工艺研究,并在现场实践中取得了较好的效果,为今后青藏高原冻土地带进行天然气水合物钻探施工提供借鉴。     

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。     

祁连山木里冻土区天然气水合物地球化学异常成因分析

在祁连山木里天然气水合物发现区,进行水合物地球化学勘查方法技术试验,试验结果表明:水合物发现区浅表土壤层,具有明显的深部热解气成因的烃类气体异常。地球化学测井剖面研究显示:在深层冻土中烃类气体以渗滤作用为主进行垂向运移,达到近地表土壤层中则以扩散作用向上迁移,最终在浅表沉积物中形成地球化学异常。     

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。     

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。     

冻土区天然气水合物勘探低温钻井液理论与试验

天然气水合物是在特定的低温与高压条件下形成的产物。在天然气水合物勘探工作中,低温钻井液是获得天然气水合物真实样品的重要保证条件之一。低温钻井液应具有低的冰点、良好的抵制能力与良好的流动性。结合天然气水合物勘探工作的特点,在试验的基础上,对比分析了PAM、PHPA、PAC-141、Na-CMC与KHm的分子结构、官能团的种类与数量对钻井液的防塌能力和流动性的影响,得出了几种处理剂的耐低温能力大小的顺序为：PAC-141〈PHPA〈PAM〈Na-CMC〈KHm,为天然气水合物勘探中低温钻井液的配制与使用,奠定了重要的基础。