凍土區(qū)天然氣水合物形成的“風水寶地”

■ 王大銳

陸上極地環(huán)境下天然氣水合物的特征與永凍帶密切相關。一般認為，從上新世（距今約1.88Ma）以來的熱條件導致了永凍帶的形成和天然氣水合物的持續(xù)存在。北半球大約20%的土地被永凍帶所覆蓋。地質學研究和關于海底條件的熱力學建模也表明，在北極海的大陸架內可能存在永凍帶和天然氣水合物。在更新世的多次冰期時期，從北極的地面區(qū)域到大陸架水深120米以內的廣大范圍內的溫度條件都非常適宜永凍帶和天然氣水合物“遺留”下來。實際上，陸上近岸處的天然氣水合物也只能與永凍帶緊密相存。

未來能源——天然氣水合物

圖1 大洋鉆探計劃（ODP）水合物巖心

圖2 祁連山凍土區(qū)水合物巖心在燃燒

物是“化學”性的，具有獨特的非鍵合性質，科學家對它們的研究已經延續(xù)了二百多年。

在20世紀30年代和40年代，由于天然氣工業(yè)管線在自然環(huán)境中會因形成像蠟一樣的硬殼結晶而發(fā)生堵塞，這種情況在較冷區(qū)域尤甚。這種管線的結晶物質通常十分穩(wěn)定，而且即使在冬季的溫度和壓力環(huán)境下，也會給油氣工業(yè)造成經濟損失。研究發(fā)現(xiàn)這種結晶物為烴類混合氣體構成的水合物（絕大部分為甲烷，還有一些乙烷、丙烷和/或丁烷）。它的穩(wěn)定性要比由純甲烷構成的水合物的穩(wěn)定性范圍寬得多。在輸送前通過對天然氣進行干燥處理可以解決這種結晶問題。如果沒有水，就不會形成天然氣水合物。

天然氣中80%～99.9%的成分是甲烷，故也有人將天然氣水合物稱為甲烷水合物。天然氣水合物多呈白色或淺灰色晶體，外貌似冰狀，易點

19世紀20年代早期，在英格蘭工作的John Faraday開始研究新發(fā)現(xiàn)的天然氣和氯氣。許多分子在特定條件下都可以形成水合物，一般以各種籠形包合物的形式存在。這些籠形包合燃，故俗稱其為“可燃冰”（圖1）。

全球凍土帶與天然氣水合物資源

天然氣水合物的形成受控于多種因素的相互作用，其中包括溫度、壓力、氣體組分，以及水的離子張力。

天然氣水合物資源在陸地上主要分布于高海拔、北極地區(qū)的永久凍土區(qū)。據不完全統(tǒng)計，全球直接或間接發(fā)現(xiàn)水合物礦點123處，其中海洋及少數深水湖泊114處，陸地永久凍土帶9處。北半球20%的陸地由永久凍土覆蓋，目前發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物也主要位于該區(qū)域，包括加拿大馬更些三角洲、美國阿拉斯加北坡、俄羅斯西伯利亞等地，這些地區(qū)凍土厚度大、地溫梯度低、天然氣水合物資源規(guī)模大。

加拿大馬更些三角洲是目前世界上凍土區(qū)水合物研究最為詳細的地區(qū)，該區(qū)位于加拿大西北部的波弗特（Beaufort）海-馬更些盆地。鉆探取芯和測井資料證實在800～1100 m區(qū)間共有約110 m厚的天然氣水合物層。水合物產于第三系陸相碎屑沉積巖層段內，以中細粒砂巖為主，孔隙度在32%～45%，天然氣水合物的飽和度最高達90%，氣體來源既有微生物分解產生的甲烷，又有來自于深部地層的熱解甲烷。2002年和2008年的兩次短期試生產分別獲得468 m3和13000 m3的天然氣。盆地內水合物穩(wěn)定區(qū)分布面積約12.5萬km2，水合物穩(wěn)定帶的底界位于地表以下200～1400 m，水合物層厚度平均為82m，2005年計算資源量約為1-10×1012m3。

目前已經確認富含或可能富含天然氣水合物資源的永凍帶地區(qū)有：丹麥格陵蘭、挪威斯瓦爾巴特群島（Svalbard）、俄羅斯東北西伯利亞與堪察加地區(qū)、俄羅斯Timan-Pechora盆地、俄羅斯Lena-Tunguska盆地、俄羅斯西西伯利亞盆地、加拿大Sverdrup盆地、加拿大Mackenzie三角洲-Beaufort海域和美國阿拉斯加地區(qū)。

我國永凍帶的天然氣水合物資源

我國天然氣水合物的調查始于1999年南海西沙海槽的試驗性地球物理調查，此前從1995年已經開始大量的研究工作，2007年5月1日在珠江口盆地南部的神狐地區(qū)成功鉆獲天然氣水合物實物樣品。從1999年開始，我國一些專家陸續(xù)提出在青藏高原開展水合物調查研究的建議，2002年中國地質調查局開始設立調查研究項目，2008年11月5日在祁連山木里地區(qū)DK-1孔井深133.5～135.5m處發(fā)現(xiàn)天然氣水合物實物樣品，使我國成為世界上第一個在中低緯度凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的國家，具有重要的科學意義和經濟意義（圖2）。

國內專家與學者根據高原地區(qū)的凍土層厚度、地溫梯度以及不同資料獲得的氣體組分，運用天然氣水合物的熱力學穩(wěn)定域預測方法，確定我國青藏高原具備形成天然氣水合物的基本條件，計算出了高原地區(qū)（包括祁連山木里地區(qū)）凍土帶天然氣水合物的產出特征。凍土層越厚、凍土層及凍土層之下沉積層的地溫梯度越小的地區(qū)，越有利于天然氣水合物的發(fā)育；資源量預測最高達2.98×1014m3，比極地凍土區(qū)資源大很多，預示著青藏高原具有很好的勘探前景。由于該區(qū)勘探程度還很低，很多計算參數還不準確，無論天然氣水合物的埋深、厚度還是資源量都有待進一步的勘探證實與校正。

祁連山木里地區(qū)是我國陸上凍土區(qū)首次鉆探并發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的地區(qū)，該地區(qū)位于青藏高原的東北端，海拔4000～4300m，實測凍土層厚度60～95m，具備水合物形成的溫壓條件；構造上該地區(qū)為南祁連盆地的一個次級坳陷，坳陷內發(fā)育石炭系、下二疊統(tǒng)、上三疊統(tǒng)、侏羅系4套以暗色泥頁巖為主的烴源巖，烴源巖質量較好，大部分已經進入高成熟-過成熟階段，以生氣為主，另外侏羅系含有豐富的煤層氣資源，這些條件皆有利于天然氣水合物的形成，2008年至2009年4口鉆井均獲得了水合物樣品或異常顯示。

西藏羌塘盆地面積約18萬km2，是目前我國高原地區(qū)石油地質條件最好的中生代海相沉積盆地，該盆地從第三系到二疊系發(fā)育十余套烴源層，為盆地油氣生成的重要物質來源。

上新世末期開始的全球降溫事件以及青藏高原的強烈隆升，使得羌塘盆地一直處于嚴寒、干旱的冰緣環(huán)境，形成大面積的多年凍土；而同期構造運動破壞的油氣藏中的油氣會重新聚集成藏，較輕的烴類氣體則會沿斷層或裂隙、孔隙、不整合面，繼續(xù)向上運移，并在適宜的溫壓條件（凍土層下）下聚集形成天然氣水合物藏。從烴源巖的厚度、演化程度以及油氣成藏與凍土形成時間的匹配關系來看，羌塘盆地非常有利于天然氣水合物的成藏。

羌塘盆地位于藏北高原腹地，海拔在4500m以上，是青藏高原溫度最低、凍土最發(fā)育的地區(qū)，該區(qū)發(fā)育了大片連續(xù)多年凍土區(qū)，面積達40萬km2，計算凍土層厚度主要在100～200m。由于工作條件極為惡劣，羌塘盆地中西部凍土的研究基本空白，現(xiàn)有的研究資料主要集中在東部邊緣青藏公路沿線的狹窄地帶，多年凍土厚度30～120m，但據氣溫分布特征估計，西北部多年凍土應該更為發(fā)育。結合盆地烴源巖厚度分布以及成熟度分布特征，推測盆地北羌塘坳陷的西部（東經88°30′以西）以及南羌塘坳陷的東部（土門地區(qū)）是天然氣水合物形成最有利的地區(qū)。

地質學研究和熱力學建模表明，地球上的永凍帶的確是天然氣水合物——這個未來烴類能源的“風水寶地”。