昆侖山埡口盆地天然氣水合物形成條件研究

張金華，魏　偉，魏興華，肖紅平，彭　涌，張巧珍，王　培

(1.中國地質(zhì)大學(北京)海洋學院，北京 100083；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007)

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昆侖山埡口盆地天然氣水合物形成條件研究

張金華1,2，魏偉2，魏興華2，肖紅平2，彭涌2，張巧珍2，王培2

(1.中國地質(zhì)大學(北京)海洋學院，北京 100083；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007)

摘要：昆侖山埡口盆地具有良好的天然氣水合物的形成條件，鉆探顯示，該盆地具有天然氣水合物賦存特征。在該盆地構(gòu)造和沉積分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合天然氣水合物油氣系統(tǒng)理論探討了昆侖山埡口盆地天然氣水合物成藏條件。通過該盆地凍土厚度、地溫條件、氣源和氣體組分條件、運移及儲層條件等方面分析，認為昆侖山埡口盆地具備形成天然氣水合物較好的溫度和壓力條件，高含量的CO2等氣體組分有利于天然氣水合物的形成。模擬顯示，昆侖山埡口盆地凍土區(qū)天然氣水合物穩(wěn)定帶厚度最大可達450m。發(fā)育的斷裂及裂縫，以及砂巖和頁巖的互層組合為天然氣水合物的儲存提供了良好的空間。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；成藏條件；昆侖山埡口盆地；水合物油氣系統(tǒng)

天然氣水合物是由水與烴類等氣體分子在低溫高壓及氣體濃度大于其溶解度條件下形成的貌似冰的結(jié)晶狀固體物質(zhì)，其廣泛存在于永久凍土帶和海底沉積物孔隙中[1-2]。宏觀上天然氣水合物主要有3種賦存方式[3]：①呈分散狀膠結(jié)沉積物顆粒；②以結(jié)核狀、彈丸狀和薄層狀的集合體形式賦存于沉積物或巖石中；③以細脈狀充填于沉積物或巖石的裂縫中。中國多年凍土面積達2.15×106km2，主要分布于青藏高原和東北大興安嶺地區(qū)[4]。近年來，中國在羌塘盆地、祁連山、漠河盆地等區(qū)域開展了天然氣水合物調(diào)查和鉆探研究，2008年冬季和2009年夏天首次在中國陸域祁連山凍土區(qū)鉆獲天然氣水合物實物樣品，野外觀察到白色冰狀天然氣水合物及其點火燃燒現(xiàn)象，室內(nèi)激光拉曼光譜檢測到天然氣水合物籠狀體峰及其包含的烴類氣體峰[5]。這表明中緯度地區(qū)只要具備天然氣水合物形成的控制因素，同樣可成為天然氣水合物的賦存區(qū)域。本文在對昆侖山埡口盆地區(qū)域地質(zhì)背景分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合天然氣水合物油氣系統(tǒng)及鉆探情況，初步探討研究區(qū)天然氣水合物成藏條件。

1 地質(zhì)條件

昆侖山埡口盆地海拔為4000～5100m，年均氣溫為-5.7℃[6]，屬于中緯度、高海拔、多年連續(xù)凍土分布區(qū)，上新統(tǒng)—更新統(tǒng)羌塘組湖相地層發(fā)育，富含大量有機質(zhì)，同時區(qū)域構(gòu)造運動較為活躍，有利于烴源巖成熟及油氣運移。

1.1 構(gòu)造地質(zhì)背景

昆侖山埡口盆地位于青藏高原腹地的青海省治多縣昆侖山主脊埡口地區(qū)，構(gòu)造上處于羌塘高原東北緣和東昆侖山脈中段，屬于昆侖山海西—印支緯向褶皺帶，是上新世—中更新世斷陷盆地，其緊鄰的羌塘高原北部巨型主斷裂控制著它的形成和發(fā)展[7](圖1)。

盆地內(nèi)斷裂十分發(fā)育，其主干斷裂多為深大斷裂，直接控制著該區(qū)大的地貌輪廓，次一級的橫向斷裂夾雜其中，使山體切割破碎，溝谷縱橫，昆侖河沿著這些縱橫溝谷發(fā)育，形成蜿蜒于高山之中的寬谷河道[8]。西大灘和東大灘谷地，以及小南川、野牛溝和昆侖河谷地，皆系斷陷而成，為相對沉降堆積區(qū)。

1.2 區(qū)域地層及沉積環(huán)境

昆侖山埡口盆地在以三疊系為主的基巖上充填了較完整的晚上新世至第四紀中期沉積序列，經(jīng)構(gòu)造抬升及流水切割形成較為平緩的低山丘陵和臺狀地貌。

根據(jù)地層接觸關(guān)系、沉積充填序列、沉積組合、巖石巖性、沉積結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造及沉積速率等特征，昆侖山埡口盆地可識別出冰川、湖泊、扇三角洲和洪積扇4種沉積相[8](圖2)。洪積扇相發(fā)育于盆地底部昆侖組，其底部礫石層礫石成分主要為盆地北部三疊系變質(zhì)巖；扇三角洲相分布于羌塘組下段底部和上段上部，盆地充填由前期昆侖組遠端洪積扇沉積的礫巖、砂質(zhì)礫巖和礫質(zhì)砂巖轉(zhuǎn)變?yōu)榍继两M下段底部扇三角洲沉積的塊狀、雜基支撐砂巖、礫質(zhì)砂巖夾湖相粉砂質(zhì)泥巖，由前期水上粗碎屑洪積轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定湖泊、扇三角洲沉積；湖泊相分布于羌塘組下段，主要由巨厚泥質(zhì)細砂巖和粉砂巖、砂質(zhì)細礫巖、礫質(zhì)砂巖組成，富含水生植物，水平層理發(fā)育；冰川相分布于望昆冰磧層，主要由板巖、變砂巖、花崗巖、花崗片麻巖和輝石巖組成，具冰磧結(jié)構(gòu)。

2 勘探情況

昆侖山埡口盆地常規(guī)油氣和天然氣水合物勘探程度均較低，前期未發(fā)現(xiàn)明顯的烴源巖，也未有煤、石油、天然氣等顯示的報道[4]。祝有海等[4]認為,昆侖山埡口斷裂帶的持續(xù)活動為地下深處的烴類氣體向上運移提供了便利通道，有利于天然氣水合物形成。盧振權(quán)等[9]通過多年凍土區(qū)野外凍脹、坍塌、冷泉冒氣現(xiàn)象的觀測及低空大氣、冷泉氣體、表層凍土沉積物、地下冰等不同介質(zhì)中氣體的地球化學分析，發(fā)現(xiàn)昆侖山口存在明顯的地質(zhì)地球化學異常，認為這些異常可能與天然氣水合物有關(guān)。

吳青柏團隊[7,10]在昆侖山埡口盆地勘探研究中發(fā)現(xiàn)天然氣水合物賦存的證據(jù)。2009年和2010年在昆侖山開展了天然氣水合物試驗孔的鉆探工作，鉆探淺鉆兩口，獲得了多年凍土、氣體組分和測井等第一手資料。2個鉆孔的氣體組分和同位素數(shù)據(jù)顯示氣體來源為有機成因氣，烴類氣體以CH4為主，含微量的C2H6、C3H8和C4H10；與世界上其他多年凍土區(qū)地溫梯度相比，此兩個鉆孔的地溫梯度對水合物的形成非常有利。2013年6月在昆侖山埡口斷裂南側(cè)鉆探了第3個試驗孔，鉆孔巖心氣體釋放異常、地球物理測井和氣體化學特征分析揭示了昆侖山埡口盆地凍土區(qū)天然氣水合物的賦存證據(jù)。鉆探結(jié)果顯示，部分巖心表面直接可觀察到氣體釋放，用液氮冷凍后巖心表面可見蜂窩狀的細小氣孔分布。同時，鉆探過程中多個深度鉆探孔口可直接觀察到氣體釋放異常，巖心浸水后冒氣泡并最終呈淤泥狀，測井曲線顯示在250～450m之間具有多層低密度、高電阻率和高聲波速率(高波速)特征(圖3)，并與實際鉆探中巖心氣體釋放和鉆孔孔口氣體釋放異常具有明顯一致性，標明該區(qū)可能賦存天然氣水合物。

從深度210～580m的巖心中取20塊樣品，進行薄片巖礦鑒定分析。結(jié)果顯示，樣品受動力作用明顯，呈糜棱化(圖4)，主要為糜棱巖—糜棱片巖。綜合分析顯示，鉆井鉆遇地層自上而下依次為更新統(tǒng)望昆冰磧層、上新統(tǒng)—更新統(tǒng)羌塘組湖泊相沉積層，下伏三疊系巴顏喀喇群輕變質(zhì)泥板巖、糜棱巖層。

3 形成條件

天然氣水合物油氣系統(tǒng)概念在國際上已逐步獲得共識。在天然氣水合物油氣系統(tǒng)中，控制天然氣水合物形成的主要因素包括天然氣水合物穩(wěn)定條件(地層溫度、地層壓力、氣體組分及孔隙水鹽度)、氣源、氣體的運移、水的有效性及合適的儲層等[11]。

3.1 凍土厚度及地溫條件

昆侖山埡口盆地年平均地溫為-3.5～-2.8℃，根據(jù)鉆孔測溫數(shù)據(jù)[7]，地溫梯度為2～5℃/100m，地溫梯度變化較大。多年凍土廣泛分布，多年凍土層內(nèi)地下冰較為發(fā)育，地下冰賦存最大深度約為90m。鉆孔1，多年凍土年平均地溫為-2.4℃，多年凍土厚度為82m，多年凍土層內(nèi)地溫梯度為3.3℃/100m，多年凍土層下地溫梯度為4.9℃/100m；鉆孔2，多年凍土年平均地溫為-2.9℃，多年凍土厚度達112m，多年凍土層內(nèi)地溫梯度為3.6℃/100m，多年凍土層下地溫梯度為4.3℃/100m；鉆孔3，多年凍土厚度約為81.5m，地溫梯度較低，多年凍土層下地溫梯度約為2.5℃/100m。祁連山木里地區(qū)平均地表地溫約為-2.6℃，凍土厚度約為88m，凍土層下地溫梯度為1.3～4.5℃/100m，平均為2.2℃/100m[12]，昆侖山埡口盆地年平均地溫及地溫梯度與祁連山木里地區(qū)相當，表明昆侖山埡口盆地具備天然氣水合物形成的溫壓條件。

3.2 氣源條件

昆侖山埡口盆地62道班常年有氣體逸出現(xiàn)象(冷泉氣)。埡口盆地多年凍土區(qū)鉆孔氣體組分和同位素數(shù)據(jù)顯示[7]，氣體中烴類組分以CH4為主，含微量的C2H6、C3H6和C4H10。鉆孔1，鉆井液氣體的C1/(C2+C3)值為163～1642；鉆孔2，巖心和鉆井液氣體組分主要為CH4，未檢出C2H6等氣體組分，同時δ13CCH4<-60‰，屬于微生物成因氣。兩個鉆孔均發(fā)現(xiàn)較高含量的CO2，而且δ13CCO2值為-26.8‰～-20‰，小于-10‰，說明其為有機成因氣。

鉆探巖心中灰黑色—黑色頁巖大量發(fā)育，鉆探過程中井筒氣泡明顯(圖5)，顯示氣源條件較好。

3.3 運移及儲層條件

昆侖山埡口盆地構(gòu)造運動活躍，巖心觀察發(fā)現(xiàn)巖樣受擠壓作用明顯，發(fā)生了明顯的變形，斷裂及裂縫發(fā)育。昆侖山埡口斷裂帶的持續(xù)活動為地下深處的烴類氣體向上運移提供了便利的通道，有利于天然氣水合物的形成。

從鉆探情況看，鉆孔穿越的地層沉積相主要為冰川相、扇三角洲相和湖泊相，上部發(fā)育冰磧物及第四紀松散沉積物，厚度約為160m；下部為砂巖和頁巖互層，裂縫發(fā)育，為天然氣水合物的形成提供了較好的儲集空間。

3.4 綜合分析

昆侖山埡口盆地斷裂構(gòu)造發(fā)育、凍土廣泛分布、氣源充足且含有較多的CO2組分，具有天然氣水合物形成的基本條件；而斷裂、裂縫、砂巖和頁巖互層為天然氣水合物的儲存提供了良好的空間。根據(jù)研究區(qū)的基本條件，結(jié)合鉆孔氣體組分，利用Sloan的CSMHYD軟件對該盆地天然氣水合物形成進行了模擬，模擬主要參數(shù)如下：年平均地表溫度為-3℃，多年凍土層平均厚度為82m，凍土層下平均地溫梯度為3℃/100m和4.5℃/100m兩種情況，CH4含量為50%，CO2含量為42%，C2H6含量為5%，C3H8含量為3%。結(jié)果顯示(圖6)，該盆地具備形成天然氣水合物較好的溫壓條件，穩(wěn)定帶厚度約為260～450m，凍土層下地溫梯度對穩(wěn)定帶厚度影響較大。

4 結(jié)論

昆侖山埡口盆地為中緯度、高海拔、多年連續(xù)凍土分布區(qū)，年平均地溫低，發(fā)育富含有機質(zhì)的湖泊相及湖沼相灰黑色頁巖，區(qū)域構(gòu)造運動活躍，有利于區(qū)域烴源巖的成熟及油氣運移。

通過昆侖山埡口盆地凍土厚度、地溫條件、氣源條件、運移及儲層條件的研究表明，該盆地具有較好的天然氣水合物成藏基礎(chǔ)。此外，鉆探過程中發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物異常顯示初步證實了研究區(qū)存在天然氣水合物。

今后需加強低溫鉆井液和取樣技術(shù)等攻關(guān)工作，保障鉆探獲取更詳細的第一手資料。同時，還需結(jié)合昆侖山地區(qū)的隆升史進一步探討烴源巖演化、區(qū)域抬升與變質(zhì)作用、凍土演化、油氣運移與水合物成藏之間的相互關(guān)系。

致謝：對于在野外采樣、室內(nèi)描述等資料收集過程中，中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所吳青柏老師、鄧友生老師和張鵬老師、蔣觀利老師給予的幫助和支持，在此表示感謝。

參考文獻

[1]王麗忱, 甄鑒.天然氣水合物項目研究典型案例及對我國的啟示[J].非常規(guī)油氣, 2014, 1(3): 79-84.

[2]張金華, 魏偉, 魏興華, 等. 我國天然氣水合物勘探及研究進展 [J]. 非常規(guī)油氣, 2014, 1(1): 75-81.

[3]蔣國盛, 向先超, 湯鳳林, 等. 天然氣水合物成礦特征與分布[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2001, 28(S1): 169-171.

[4]祝有海, 趙省民, 盧振權(quán). 中國凍土區(qū)天然氣水合物的找礦選區(qū)及其資源潛力[J]. 天然氣工業(yè), 2011, 31(1): 13-19.

[5]盧振權(quán)，祝有海，張永勤，等.青海省祁連山凍土區(qū)天然氣水合物存在的主要證據(jù)[J]. 現(xiàn)代地質(zhì),2010,24(2):329-336.

[6]許清海, 陽小蘭, 王子惠, 等.晚更新世晚期以來昆侖山埡口區(qū)的植被與環(huán)境[J]. 微體古生物學報, 1996, 13(4):387-393.

[7]楊玉忠, 吳青柏, 鄧友生, 等.昆侖山埡口多年凍土區(qū)鉆孔氣體組分分析[J]. 天然氣地球科學, 2011, 22(6):1076-1081.

[8]張振. 青藏高原昆侖山埡口盆地沉積記錄的氣候變化[D].蘭州:蘭州大學, 2007.

[9]盧振權(quán), 吳必豪, 饒竹, 等. 青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)天然氣水合物的地質(zhì)、地球化學異常[J]. 地質(zhì)通報, 2007, 26(8): 1029-1040.

[10]吳青柏，蔣觀利，張鵬，等.青藏高原昆侖山埡口盆地發(fā)現(xiàn)天然氣水合物賦存的證據(jù)[J]. 科學通報, 2015, 60(1): 68-74.

[11]Timothy S Collett. The Gas Hydrate Petroleum System[C].Proceedings of the 8th International Conference on Gas Hydrates (ICGH8-2014),Beijing, China, 28 July—1 August, 2014.

[12]祝有海, 劉亞玲, 張永勤. 祁連山多年凍土區(qū)天然氣水合物的形成條件[J]. 地質(zhì)通報, 2006, 25(1-2): 58-63.

Formation Conditions of Natural Gas Hydrates in Kunlun Mountain Pass Basin

Zhang Jinhua1, 2, Wei Wei2, Wei Xinghua2, Xiao Hongping2, Peng Yong2, Zhang Qiaozhen2，Wang Pei2

(1. School of Ocean Sciences, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;2. Research Institute ofPetroleumExplorationandDevelopment-Langfang,Langfang,Hebei065007,China)

Abstract:Kunlun Mountain Pass Basin holds good conditions for the formation of natural gas hydrate. Drilling results indicated the presence traits of natural gas hydrate in the basin. Based on the tectonics and deposition condition analysis, and combined with the natural gas hydrate petroleum system theory, we discussed the natural gas hydrate reservoir conditions in the basin. Through analyzing permafrost thickness and ground temperature conditions, the gas source and gas component conditions, migration and reservoir conditions, etc., we believe that the basin has good temperature and pressure conditions for gas hydrates formation, and high CO2 content in the area is more conducive to the formation of gas hydrates. Numerical simulation reveals that the maximum value of gas hydrate stability zone thickness can up to about 450 meters in the area. The formations with well-developed cracks and inter-bedded sandstone-shale provide good reservoir space for gas hydrates.

Key words:Natural gas hydrate; accumulation condition; Kunlun Mountain Pass Basin; hydrate petroleum system

基金項目：中國石油科技管理部項目(2014A-4806)。

第一作者簡介：張金華(1983年生)，男，在讀博士，工程師，主要從事天然氣水合物等非常能源研究工作。郵箱：zhangjh69@petrochina.com.cn。

中圖分類號：TE122

文獻標識碼:A