祁連山凍土區(qū)天然氣水合物地球化學(xué)遷移機理探討*

張富貴，秦愛華，祝有海，孫忠軍，張舜堯，王惠艷，楊志斌，周亞龍

（1成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川成都 610059；2地球表層碳-汞地球化學(xué)循環(huán)重點實驗室，河北廊坊 065000；3中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北廊坊 065000；4中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100029）

天然氣水合物是在低溫和高壓條件下由水和氣體分子（主要是甲烷）形成的一種結(jié)晶狀固體物質(zhì)，廣泛分布于海底沉積物和陸地永久凍土層中（Kven‐volden,1993;Collett,1994;Collett et al.,2003;2009;2011）。隨著全球?qū)δ茉葱枨蟮脑龃?，環(huán)境要求的增加，各國政府都十分重視天然氣水合物的開發(fā)和利用（Makogon et al.,2007;鄒才能等,2015;傅飄兒等,2016）。2017年，中國南海神狐地區(qū)天然氣水合物試采實現(xiàn)連續(xù)8天的穩(wěn)定產(chǎn)氣，累計產(chǎn)氣超12萬m3，取得天然氣水合物試開采的歷史性突破（Li et al.,2018）。除了海域巨大的天然氣水合物資源外，中國多年凍土區(qū)天然氣水合物資源也具有極大的潛力（祝有海等,2011a;2011b;Zhu et al.,2010;Lu et al.,2011）。特別是2008年，中國地質(zhì)調(diào)查局在祁連山首次獲得天然氣水合物實物樣品（Zhu et al.,2010），在凍土區(qū)天然氣水合物勘查方面取得了重大突破，也拉開了天然氣水合物勘查的序幕，在之后的10年里取得了勘查方法技術(shù)、試采試驗成功等系列成果，與此同時，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域也形成了新的認(rèn)識（徐明才等,2011;Lu et al.,2013;Sun et al.,2014;Wang et al.,2014;2015;韓建光等,2016;Fang et al.,2017;Lin et al.,2018;王平康等,2019;張富貴等,2019）。天然氣水合物的聚集包括一系列過程，如氣體的生成、運移、聚集和儲存等，以往多側(cè)重于對氣體成因的研究（盧振權(quán)等,2010;黃霞等,2011;2016;譚富榮等,2017），近年來人們對氣體運移和聚集過程也有了進一步的了解（Wang et al.,2014;盧振權(quán)等,2015），但是對陸域天然氣水合物的遷移過程，目前還未達成共識。氣體運移機理研究仍然是薄弱環(huán)節(jié)，有關(guān)氣體來源還存在不同的見解（曹代勇等,2009;Lu et al.,2011;Lu et al.,2013;戴金星等,2014;張家政等,2017）。研究區(qū)構(gòu)造和巖性變化復(fù)雜，即便鉆孔相距不足百米，水合物仍難以橫向?qū)Ρ?，天然氣水合物遷移機理研究還不夠深入，僅停留在推測階段（何家雄等,2013;翟剛毅等,2014）。本次在近幾年地球化學(xué)工作的基礎(chǔ)上，通過烴源巖評價、氣體來源及成因類型、烴類垂向運移機制、生烴史等方面，提出了凍土區(qū)天然氣水合物遷移機理。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)地處祁連山木里煤田聚乎更礦區(qū)，是中生代形成的拗陷型含煤盆地。晚三疊紀(jì)末期，受印支運動影響，整個祁連山抬升成陸，成為剝蝕區(qū)，中祁連盆地沉積了一套侏羅紀(jì)的山間河湖沼澤相含煤碎屑巖建造，晚侏羅世末期—早白堊世期間強烈的造山運動導(dǎo)致白堊系與前白堊系的區(qū)域角度不整合，自新生代地層不整合覆蓋于前新生代地層之上。新生代以來，受青藏高原東北緣地殼縮短變形和西緣阿爾金斷裂活動的影響，祁連山地區(qū)發(fā)育一系列的北西西向和北北西向逆沖斷裂（圖1）（文懷軍等,2011）。聚乎更礦區(qū)為一復(fù)式背向斜構(gòu)造，向斜軸方向為北西向50°～70°之間，由1個背斜和2個向斜組成（符俊輝等,1998）。礦區(qū)出露地層主要包括中侏羅統(tǒng)江倉組（J2j）和木里組（J2m），每套地層含多個含煤地層（謝其鋒等,2015;牛志新等,2015）（圖1）。

圖1 研究區(qū)位置示意圖（a）及祁連山聚乎更礦區(qū)天然氣水合物礦藏地質(zhì)簡圖（b）（據(jù)青海煤炭地質(zhì)105隊,2006修改）Fig.1 Location of the study area(a)and geological map of the gas hydrate deposits(b)in Juhugeng in the Qilian Mountain(modified after Qinghai No.105 Coal Geological Exploration Party,2006)

2 樣品采集與分析測試

本次在祁連山木里凍土區(qū)采集4口鉆井的巖芯樣品，分別為DK-8井、DK13-11井、DK12-13井、DK6-6井，DK6-6井離水合物發(fā)現(xiàn)區(qū)較遠(yuǎn)，圖中未標(biāo)識。其中在DK-8井采集400件巖芯樣品，將一部分巖芯樣品置于預(yù)先倒入200 mL飽和鹽水的鹽水瓶中，使飽和鹽水的液面升至400 mL，擰緊鹽水瓶螺絲和瓶蓋，倒置擺放在室內(nèi)，最大限度地保存樣品中的頂空間氣體，分析頂空氣輕烴；采集的另一部分巖芯樣品內(nèi)襯玻璃紙裝入樣帶后，直接送實驗室分析甲烷碳同位素，由中石化合肥培訓(xùn)測試中心完成。

在DK13-11井和DK12-13井中分別采集巖芯樣品56件、44件，采集樣品深度為9.20～604.90 m，采集的巖芯樣品內(nèi)襯玻璃紙裝入樣帶后，直接送實驗室分析甲烷碳同位素，由中石化合肥培訓(xùn)測試中心完成。

在DK6-6井采集巖芯40件，其中，侏羅統(tǒng)樣品6件，上三疊統(tǒng)樣品34件，進行烴源巖分析，主要測試指標(biāo)為總有機碳含量（TOC）、氯仿瀝青“A”、干酪根化學(xué)元素的含量、鏡質(zhì)組反射率（Ro），這部分樣品由長江大學(xué)地球化學(xué)實驗室完成。

按分析測試的相關(guān)要求，實驗室對10%的樣品進行了基本測量和檢查測量，基本測量和檢查測量的相對誤差小于10%，分析測試結(jié)果通過了中國地質(zhì)調(diào)查局分析測試質(zhì)量中心的驗收，分析質(zhì)量可靠。

3 烴源巖評價

烴源巖的定性評價是烴源巖評價的重要部分，是判斷研究區(qū)是否有足夠氣源的重要依據(jù)（盧雙舫等,2008）。烴源巖體積是決定生烴量的主要因素，但烴源巖的體積受其發(fā)育厚度和分布面積的控制，這是一個地質(zhì)問題，而不是一個地球化學(xué)問題，因此，本文不討論烴源巖體積。本次研究區(qū)鉆井巖芯樣品的分析結(jié)果基于中國石油天然氣集團公司1995年發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SY/T 5735-1995）（表1），從有機質(zhì)的豐度、類型、成熟度來比較中侏羅統(tǒng)木里組和上三疊統(tǒng)尕勒得寺組烴源巖特征。

表1 陸相烴源巖有機質(zhì)豐度評價指標(biāo)Table1 Evaluation index of organic matter abundance of continental source rocks

3.1 有機質(zhì)豐度

有機質(zhì)豐度是衡量生烴能力的重要指標(biāo)。

本次共測試有機碳樣品40件，中侏羅統(tǒng)木里組樣品6件，采樣深度630.50～678.10 m，上三疊尕勒得寺組樣品34件，采樣深度37.52～610.50 m。中侏羅統(tǒng)木里組烴源巖和上三疊統(tǒng)尕勒得寺組烴源巖有機碳含量均大于0.4%，木里組烴源巖有機碳含量較高，50%的樣品為最好的烴源巖，超過83.33%樣品為好烴源巖，尕勒得寺組烴源巖有機碳含量也較高，介于0.63%～1.50%，超過18.75%的樣品有機碳含量大于1%，2套地層都具有較好的生烴潛力（表2）。中侏羅統(tǒng)木里組烴源巖氯仿瀝青“A”含量較高，所有樣品氯仿瀝青“A”含量均大于0.015%，66.67%的樣品氯仿瀝青“A”含量超過0.1%，烴源巖評價等級為好烴源巖。上三疊統(tǒng)尕勒得寺組烴源巖氯仿瀝青“A”含量大多小于0.05%，評價等級為差或非生油巖（表2）。

兩個民族語言的對話，勢必都把各自的民族文化根植于表達中，企業(yè)和商家在交流中就難免打上本階級思維方式的烙印，也就難免使業(yè)務(wù)談判和協(xié)商有了阻礙，影響了正常的經(jīng)濟來往。這時的翻譯，就要站在中立的立場上，充分發(fā)揮跨文化交際技巧，把這種由于文化差異帶來的負(fù)面因素降到最低。[2]

3.2 有機質(zhì)類型

有機質(zhì)類型是衡量有機質(zhì)生烴能力的參數(shù)，同時決定了產(chǎn)物是以油為主還是以氣為主，Ⅰ型干酪根具有較高的原始H/C原子比和較低的O/C原子比，生烴潛量大，形成產(chǎn)物以油為主，Ⅱ型干酪根生烴潛量中等，也是良好的生油母質(zhì)，Ⅲ型干酪根生烴潛量較小，形成產(chǎn)物以氣為主（盧雙舫等,2008）。

研究區(qū)的中侏羅統(tǒng)木里組烴源巖O/C原子比平均值為0.13，上三疊統(tǒng)尕勒得寺組烴源巖O/C原子數(shù)比平均值為0.20，2套地層O/C原子數(shù)比值差異較大。中侏羅統(tǒng)樣品H/C原子數(shù)平均值為0.71，上三疊統(tǒng)樣品H/C原子數(shù)平均值0.75，差異不大。中侏羅統(tǒng)木里組烴源巖以Ⅱ2、Ⅱ1型干酪根為主，上三疊統(tǒng)尕勒得寺組烴源巖以Ⅲ、Ⅱ1型干酪根為主，極少樣品為Ⅰ型干酪根（圖2）。

3.3 有機質(zhì)熱演化程度

有機質(zhì)成熟度是衡量有機質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化程度的重要參數(shù)。鏡質(zhì)體反射率（Ro）測量結(jié)果顯示，所有樣品的Ro值均大于0.68%。中侏羅統(tǒng)木里組烴源巖Ro值介于0.68%～1.27%，處于有機質(zhì)成熟階段，為生油高峰期，是原油的形成階段，產(chǎn)生大量的原油伴生氣。上三疊統(tǒng)烴源巖Ro值介于1.04%～1.81%，處于有機質(zhì)高成熟階段，生成的烴類產(chǎn)物以低分子質(zhì)量的輕烴（C1～C5）為主（表2）。

總體來看，中侏羅統(tǒng)木里組烴源巖與上三疊統(tǒng)尕勒得寺組烴源巖總有機碳含量均較高，有機質(zhì)類型明顯不同，中侏羅統(tǒng)木里組含煤巖系主要以Ⅱ1、Ⅱ2型為主,而上三疊統(tǒng)以Ⅲ、Ⅱ1為主，處于成熟階段，以產(chǎn)油為主，油源對比也顯示，DK-9井中侏羅統(tǒng)的含油層來自中侏羅統(tǒng)烴源巖（Cheng et al.,2018）。上三疊統(tǒng)干酪根處于高成熟階段，生烴潛力較小，但產(chǎn)物以輕烴為主，可為天然氣水合物形成提供持續(xù)穩(wěn)定的氣源。

表2 祁連山凍土區(qū)天然氣水合物氣源巖評價表Table2 Hydrocarbon source rock assessment in the Qilian Mountain permafrost

圖2 祁連山凍土區(qū)干酪根化學(xué)元素分類Fig.2 Varieties of the chemical elements of kerogeninthe Qilian Mountain permafrost

4 天然氣水合物起源成因及運移探討

4.1 天然氣水合物氣體來源

祁連山木里地區(qū)獲取天然氣水合物實物樣品以來，國內(nèi)學(xué)者對于其氣源開展了相關(guān)研究，取得了一系列成果，但目前尚未取得共識，主要有以下幾種觀點：①天然氣水合物氣源主要來自煤層和煤系分散有機質(zhì)熱演化的產(chǎn)物，天然氣水合物的形成與煤或煤系有關(guān)，煤層氣是其主要來源，并解釋為“煤型氣源”天然氣水合物（曹代勇等,2009;王佟等,2009;張家政等,2017）；②天然氣水合物的氣體以熱解成因為主，主要為原油伴生氣，少部分凝析油伴生氣、煤成氣，與煤型氣關(guān)系不大（盧振權(quán)等,2010）；③天然氣水合物氣源為混合成因，煤成氣來自侏羅系煤層，油型氣可能來自于下伏上三疊統(tǒng)尕勒得寺組甚至更深的地層（黃霞等,2011）。

筆者采集DK-8井、DK13-11井、DK12-13井巖芯樣品500件。DK-8井400件巖芯樣品δ13C1均大于-50‰，平均為-47.41‰，R值（干燥系數(shù)）一般小于100，平均為13.70，顯示出明顯的熱解氣和混合氣特征。DK13-11井56件巖芯樣品δ13C1均大于-50‰，平均-44.20‰，R值普遍小于100，顯示出明顯的熱解氣特征。DK12-13井44件巖芯樣品δ13C1都大于-50‰，平均為-43.60‰，R值普遍小于100，顯示出明顯的熱解氣特征，甲烷相對含量高，但還有較大比例的重?zé)N（乙烷、丙烷、丁烷等），呈現(xiàn)濕氣的特征（圖3a）。為了研究祁連山凍土區(qū)烴類氣體的成因類型，進而初步判斷氣體的來源，筆者根據(jù)戴金星的鑒別圖版（戴金星,1993），將測試數(shù)據(jù)δ13C1及R值投點到鑒別圖版中，DK-8井、DK13-11井、DK12-13井投點所落區(qū)域大體相同，大多數(shù)為原油伴生氣、凝析油伴生氣和煤成氣（圖3b）。

圖3 祁連山凍土區(qū)鉆井巖芯氣體組成（a）和碳同位素判別（b）（據(jù)Whiticar,1999;戴金星,1993修改）Fig.3 Gas compositionfrom the drilled cores in the Qilian Mountain permafrost(a)and carbon isotopes identification plate(b)(modified after Whiticar,1999;Dai,1993)

中侏羅統(tǒng)木里組和上三疊統(tǒng)尕勒得寺組均為較好的烴源巖。中侏羅統(tǒng)烴源巖正處于有機質(zhì)成熟階段，為生油高峰期，在生成原油的過程中，產(chǎn)生大量的原油伴生氣。上三疊統(tǒng)烴源巖處于高成熟階段，以生干氣為主，為天然氣水合物提供了充足的氣源，體現(xiàn)了祁連山天然氣水合物多源的特點。

4.2 烴類氣體運移及輸導(dǎo)體系

烴類氣體沿斷裂、裂縫等運移通道持續(xù)補給對形成天然氣水合物成藏至關(guān)重要（Boswell et al.,2011）。研究區(qū)侏羅系及其下伏晚古生代—中生代地層褶皺，形成寬緩的北、向斜構(gòu)造，在形成縱彎褶皺的過程中形成一系列順層剪節(jié)理及層間破碎帶，同時在區(qū)域近南北向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場作用下，形成切層的共軛節(jié)理，這些層間破碎帶、順層剪節(jié)理、微裂隙、巖石中的孔隙特別是區(qū)域角度不整合面之上粗碎屑巖中的孔隙為油氣運移提供了通道。

DK-8井天然氣水合物主要分布在144.4～152.0m和235～291.3 m間，在剖面上均產(chǎn)出在F1、F2斷層的下盤（盧振權(quán)等,2015）。這些特征表明，天然氣水合物受逆沖構(gòu)造控制明顯。在水合物發(fā)現(xiàn)層均有較高的甲烷含量、較高的有機碳含量和較低的R值（普遍小于10），各烴類氣體含量平均值表現(xiàn)為CH4＞C2H6＞C3H8＞C3H6＞C2H4＞nC4H10＞iC4H10，顯示出濕氣的特征，即祁連山凍土區(qū)鉆獲的天然氣水合物屬于Ⅱ型水合物，烴類氣體并非簡單地只有原地有機質(zhì)轉(zhuǎn)化而成，還存在深部烴類氣體沿斷裂系統(tǒng)向上運移形成的。隨著埋深增加，R值上升，甲烷含量比例增加（圖4），天然氣水合物賦存層位R值較低，這是由于甲烷形成水合物，游離甲烷含量降低，而乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳等含量增大，在自然地質(zhì)條件下，形成上部溶解氣帶、水合物穩(wěn)定帶及下部游離氣帶（或常規(guī)氣藏）3個分帶，甲烷含量分別呈現(xiàn)呈“中-低-高”特點。

DK8井131.4～386.4 m區(qū)間的巖芯頂空氣含量較高，對應(yīng)發(fā)育多層明顯的破碎帶，巖芯裂隙發(fā)育，有斷層發(fā)育，顯示出烴類氣體沿著斷層或斷層破碎帶向上運移的特點（圖4）。且在此破碎帶內(nèi)多見有天然氣水合物異常層，這些斷層和斷層破碎帶的存在，為深部氣體運移提供了通道，而淺部斷層和斷裂破碎帶為天然氣水合物提供了自生自儲的氣體擴散和儲存空間。

4.3 生烴史

生烴史研究表明，木里組烴源巖在早白堊世早期（140 Ma左右）進入生烴門限（Ro=0.5%），在早白堊世晚期（100 Ma）進入成熟熱演化階段（Ro＞0.7%），目前處于生烴高峰附近（Ro=1.0%）。

尕勒得寺組底部烴源巖早侏羅世（190～180 Ma）進入生烴門限（Ro=0.5%），在中侏羅世（165 Ma）進入成熟熱演化階段（Ro＞0.7%），進入生烴高峰階段，在晚白堊世早期（100～90 Ma）進入高成熟熱演化階段，目前底部處于高成熟熱演化階段，頂部處于生烴高峰附近（Ro=1.0%），整體處于成熟-高成熟熱演化階段，生烴潛力大（圖5）。

4.4 凍土區(qū)天然氣水合物運移模式

祁連山凍土區(qū)天然氣水合物氣源主要以原油伴生氣為主，主要來自中侏羅統(tǒng)木里組烴源巖和上三疊統(tǒng)尕勒得寺組烴源巖。木里組與尕勒得寺組烴源巖達到成熟條件后生成的油氣連續(xù)發(fā)生初次運移和二次運移，一起圈閉聚集，晚侏羅紀(jì)世末期，隨著盆-山差異抬升剝露，已經(jīng)圈閉聚集的油氣可能發(fā)生再次運移，早期形成的深部油氣圈閉進一步抬升到接近地表位置。進入新生代后，開始于3.6 Ma的青藏運動使祁連山迎來最強烈的隆升，直到0.8～1.2 Ma的昆侖-黃河運動才整體抬升到冰川作用所需要的3000 m臨界高度以上，0.15 Ma的共和運動最終抬升到現(xiàn)在的高度（崔之久等,1997;李吉均等,1998），青藏高原出現(xiàn)第四紀(jì)以來最大的冰川（李吉均等,1999;2013），而且至今仍處于穩(wěn)定的環(huán)境。

祁連山凍土形成于穩(wěn)定凍土帶形成之后，時間不早于1.2 Ma左右。天然氣水合物可在充足的氣源供給、有利的氣體組成、穩(wěn)定帶內(nèi)儲層特征等多種因素下形成。根據(jù)地質(zhì)和地球化學(xué)分析，初步建立了祁連山凍土區(qū)天然氣水合物運移機理（圖6），晚侏羅世-早白堊世，中侏羅統(tǒng)木里組和上三疊統(tǒng)尕勒得寺組生成的油氣發(fā)生運移和聚集，新生代以來祁連山地區(qū)迎來一系列強烈的構(gòu)造運動，油氣隨地層隆升至冰川凍土作用需要的臨界高度，油氣沿斷裂發(fā)生再次運移，凍土層為油氣提供了蓋層，第四紀(jì)出現(xiàn)大規(guī)模冰川，溫度降低，環(huán)境趨于穩(wěn)定，祁連山地區(qū)開始具備天然氣水合物的形成條件，游離氣在合適的溫壓條件下轉(zhuǎn)化為天然氣水合物。

5 結(jié)論

（1）祁連山凍土區(qū)天然氣水合物以熱解氣為主，主要為原油伴生氣，少量煤成氣。中侏羅統(tǒng)木里組和上三疊尕勒得寺組均為較好的烴源巖，分別以擴散作用和遷移作用沿斷層和裂隙運移聚集，為天然氣水合物形成提供充足的氣源，顯示多源、多期次的特點。

圖4 祁連山凍土區(qū)DK-8鉆孔甲烷含量變化及天然氣水合物異常主要分布Fig.4 Hydrocarbon concentrations and abnormal distribution of gas hydrate from borehole DK-8 in the Qilian Mountain permafrost

（2）祁連山凍土區(qū)鉆井顯示，在水合物發(fā)現(xiàn)層均有較高的甲烷含量、較高的有機碳含量和較低的干燥系數(shù)，顯示出濕氣的特征。鉆井巖芯頂空氣高含量的區(qū)間內(nèi)發(fā)育多層明顯的破碎帶，顯示出斷層或破碎帶是烴類氣體運移的橋梁。

（3）根據(jù)地質(zhì)和地球化學(xué)分析，初步建立了祁連山凍土區(qū)天然氣水合物遷移機理。祁連山的構(gòu)造隆升不僅將深部氣藏抬升到接近地表位置，而且提供了水合物形成所需要的溫度條件，是構(gòu)造-氣候耦合作用的結(jié)果。祁連山天然氣水合物的形成經(jīng)歷了晚侏羅世—早白堊世的氣體運移與聚集、中新世中晚期—上新世整體抬升、第四紀(jì)游離氣體轉(zhuǎn)化成天然氣水合物礦藏3個階段，經(jīng)歷了“先聚集-再抬升-后成藏”的過程。

圖5 祁連山凍土區(qū)烴源巖生烴史Fig.5 Hydrocarbon generation history of source rocksin the Qilian Mountain permafrost

圖6 祁連山凍土區(qū)天然氣水合物運移機理示意圖Fig.6 Schematic diagram of gas hydrate migration mechanism in Qilian Mountain permafrost

致 謝衷心感謝中國地質(zhì)調(diào)查局青藏高原天然氣水合物長期觀測基地提供的研究平臺。項目實施過程中得到中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心盧振權(quán)研究員、龐守吉博士、張帥博士等的大力幫助，吉林大學(xué)李冰博士等提供野外幫助，中國地質(zhì)科學(xué)院物化探所王小江提供了地震剖面數(shù)據(jù)，中國地質(zhì)科學(xué)院力學(xué)所胡道功研究員提供生烴史數(shù)據(jù)，分析測試數(shù)據(jù)由長江大學(xué)地球化學(xué)實驗室和中石化合肥培訓(xùn)測試中心完成，均深表感謝。