羌塘盆地雀莫錯地區(qū)天然氣水合物成藏條件分析

張帥， 祝有海， 王平康， 付修根， 王大勇， 伍新和， 龐守吉， 肖睿

(1.中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100083； 2.中國地質調查局成都地質調查中心，成都 610081； 3.中國地質科學院地球物理地球化學研究所，廊坊 065000)

0 引言

天然氣水合物俗稱“可燃冰”，是由水和氣體分子(如甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、硫化氫、二氧化碳等)在低溫、高壓、氣體濃度大于其溶解度條件下形成的一種結晶狀固體物質，主要賦存于海底沉積物、極區(qū)與青藏高原永凍層之下[1-4]?；谄渲匾哪茉磁c環(huán)境意義，天然氣水合物已被視為21世紀最重要的潛在能源之一[5-6]。自1934年美國科學家首次在高壓輸氣管道中發(fā)現天然氣水合物后，國際上先后在西伯利亞北部、阿拉斯加北坡、加拿大馬更些、日本海域等地開展了天然氣水合物綜合調查評價、試開采及相關研究[7-10]。我國天然氣水合物研究起步較晚，但近年來我國海域和陸域天然氣水合物調查均取得重要發(fā)現： 2007年和2015年在南海北部陸坡神狐探區(qū)鉆獲天然氣水合物； 2008年在青海祁連山凍土區(qū)鉆獲天然氣水合物樣品，這是世界上首次在中緯度高山凍土區(qū)發(fā)現天然氣水合物，實現了我國陸域天然氣水合物找礦突破[11-14，4]。對羌塘盆地凍土層、地溫梯度及生烴條件等研究表明，相對于水合物勘探取得突破但分布十分有限的祁連山凍土區(qū)，羌塘盆地凍土區(qū)具有年平均地溫更低、凍土層厚、地溫梯度低和成氣條件較好等天然氣水合物形成條件[15-24]。

自2011 年起，中國地質調查局全面啟動羌塘盆地天然氣水合物調查，在多個重點凍土區(qū)開展了地質、地球物理、地球化學和鉆探等調查工作，其中位于羌塘盆地北部坳陷帶東部的雀莫錯地區(qū)是近年來天然氣水合物調查的重點地區(qū)之一。2016年，依據前期調查成果在雀莫錯地區(qū)部署實施的天然氣水合物鉆探試驗井QK-8井在上三疊統(tǒng)巴貢組泥巖和波里拉組灰?guī)r中發(fā)現了良好烴類氣體顯示及厚層烴源巖，證實該區(qū)具備較好的天然氣水合物成礦氣源，為天然氣水合物與油氣戰(zhàn)略調查提供了重要線索。本文主要基于QK-8井及前期調查成果，從影響天然氣水合物成藏的凍土、氣源、儲層、構造等關鍵因素出發(fā)，系統(tǒng)分析該區(qū)天然氣水合物成藏地質條件，從而進一步明確該區(qū)天然氣水合物成藏潛力。

1 區(qū)域地質概況

羌塘盆地位于青藏高原腹地，地質構造上位于可可西里—金沙江板塊縫合帶與班公湖—怒江板塊縫合帶之間，總面積約1.8×105km2，是青藏高原最大的沉積盆地，也是我國多年凍土面積最大、最發(fā)育的地區(qū)。因其構造上位于特提斯帶東部，也是世界上石油天然氣分布的重要區(qū)帶[25-27，17]。根據盆地的地層展布、沉積特征、構造變形及巖漿活動等特征，羌塘盆地可劃分出“兩坳一隆”的構造格局，即北羌塘坳陷、中央隆起帶和南羌塘坳陷3個二級構造單元[25-26](圖1)。

圖1 羌塘盆地構造單元劃分及雀莫錯地區(qū)區(qū)域地質圖

羌塘盆地經歷了7個演化階段并形成如今的殘留型構造盆地[28]，盆地內發(fā)育12 套烴源巖，其中上侏羅統(tǒng)索瓦組(J3s)、中侏羅統(tǒng)夏里組(J2x)與布曲組(J2b)和上三疊統(tǒng)肖茶卡組(T3x)為分布最廣的4 套烴源巖，具有良好的油氣形成條件[29]。近些年勘查實踐證實，上三疊統(tǒng)碎屑巖為羌塘盆地天然氣水合物和油氣勘查的最優(yōu)烴源巖。

雀莫錯地區(qū)位于北羌塘坳陷帶東部，地理位置在青藏高原腹部的唐古拉山雀莫錯湖附近地區(qū)，地勢相對平緩，平均海拔約5 100 m。該區(qū)隸屬于北羌塘地層分區(qū)，以中央隆起帶為界線，與南側的南羌塘坳陷遙相呼應，以發(fā)育未經變質的中、新生代地層為特征，尤以侏羅系廣泛分布為典型。波藏隴巴背斜是研究區(qū)最為重要的構造，控制了全區(qū)地層的展布，該背斜位于雀莫錯湖與格拉丹東雪山之間，背斜核部出露地層為上三疊統(tǒng)波里拉組，向兩翼出露地層依次為波里拉組(T3b)、巴貢組(T3bg)、鄂爾隴巴組(T3e)、雀莫錯組(J2q)、布曲組(J2b)、夏里組(J3x)、索瓦組(J3s)、雪山組(J3x)以及第四系(Q)[30-31](圖1)。

2015—2016年，中國地質調查局在雀莫錯地區(qū)完成了二維反射地震調查50 km、音頻大地電磁測深200 km調查和區(qū)域基礎地質調查，調查結果顯示： 該區(qū)多年凍土發(fā)育且厚度較大，具備天然氣水合物成藏的溫壓條件，上三疊統(tǒng)巴貢組、波里拉組均達到了較好—好烴源巖的標準，有機質成熟度處于成熟—過成熟熱演化階段，利于生氣，同時區(qū)域上斷層較發(fā)育，存在有利于烴類氣體向上運移的輸導系統(tǒng)，指示該區(qū)具有天然氣水合物成藏可能。為落實上三疊統(tǒng)烴源巖發(fā)育特征與生烴潛力以及發(fā)現天然氣水合物有關的異常標志，中國地質調查局于2016年部署實施了天然氣水合物鉆探試驗井QK-8井(圖1)，該井完鉆井深702 m，依次鉆遇第四系、上三疊統(tǒng)巴貢組和波里拉組。其中，巴貢組巖性上以泥質巖類為主，主要為灰—深灰色泥巖、灰黑色碳質泥巖、鈣質泥巖，粉砂質泥巖、粉砂巖，泥巖總厚度414.24 m，泥地比為84.5%； 波里拉組巖性主要為深灰色、灰黑色泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂屑灰?guī)r，同時，在巴貢組和波里拉組均發(fā)現了良好的烴類氣體顯示。本次發(fā)現的羌塘盆地高烴類氣體顯示與祁連山天然氣水合物發(fā)現區(qū)的鉆井氣測值相當，指示該區(qū)具有形成天然氣水合物的氣源條件。

2 天然氣水合物成藏地質條件

基于祁連山凍土區(qū)天然氣水合物的發(fā)現，不同學者對我國陸域天然氣水合物的成藏條件與模式的研究不斷深入，普遍認為天然氣水合物是在“氣源-巖性-構造-凍土”耦合機制體系下成藏的。烴類生成體系、流體運移體系、成藏富集體系的耦合與時空匹配關系導致天然氣水合物在橫向和縱向上分布不均[32-33]，因此，通過對西藏羌塘盆地雀莫錯地區(qū)凍土厚度、烴源巖特征、儲集空間、疏導系統(tǒng)、礦物特征及蓋層條件等分析，將有助于明確該區(qū)天然氣水合物的成藏潛力。

2.1 凍土厚度

凍土是陸域凍土區(qū)天然氣水合物形成的必要條件，凍土層的厚度決定了地下壓力的大小，地下水在巖石和土壤的空隙中凍結形成的厚度受地表溫度及地溫梯度控制，進而決定了天然氣水合物的穩(wěn)定帶范圍。在對我國陸域凍土區(qū)天然氣水合物的不斷探索中，發(fā)現音頻大地電磁測深(Audio-frequency Magnetotellurics, AMT)對凍土層反映靈敏，能有效探測到凍土層底界展布，因此面上凍土調查多用此方法，進而通過實鉆測井井溫數據確定凍土層厚度對電法數據校正，進而獲得一個相對準確的區(qū)域凍土展布。AMT 調查結果顯示，雀莫錯地區(qū)凍土層總體厚度為55～120 m，區(qū)內發(fā)育多條逆沖斷層，包括區(qū)域主控斷層F1(夏里斷層)、F2(波藏隴巴斷層)以及推測斷層，凍土的發(fā)育狀況明顯受斷層發(fā)育的影響，斷層周緣凍土分布具有明顯減薄趨勢(圖2)。

圖2 雀莫錯地區(qū)AMT反演凍土厚度

近似穩(wěn)態(tài)井溫測井結果顯示，QK-8井全井段可以劃分為2個溫度帶： I溫度帶為0～100.70 m，井溫變化小且近于0 ℃，判斷為凍土層； II溫度帶為100.70～697.00 m，井溫變化大且升溫快，凍土層以下地溫梯度為4.46 ℃/100 m。在雀莫錯地區(qū)收集的其他4口井測溫數據顯示： 羌資-8井海拔約為5 030 m，凍土層厚度為30.69 m； 羌資-16井海拔約5 151 m，凍土層厚度約為147 m； QK-9井海拔約5 200 m，凍土層厚度為109.2 m(表1)。除羌資-7井屬涌水孔不作參考外，從各井凍土層厚度數據來看，該區(qū)域凍土層整體較厚，且凍土厚度明顯受海拔和地形地勢影響，區(qū)域地溫梯度普遍偏高。QK-8井與羌資-8井距離約2 km，但凍土厚度差距較大，除該井為非近似穩(wěn)態(tài)井溫測井外，還由于羌資-8井位于背斜的核部，更靠近區(qū)域主控斷層，這也印證了上述凍土發(fā)育受斷層影響這一結論。

表1 雀莫錯地區(qū)天然氣水合物、油氣鉆井概況

2.2 烴源巖特征

雀莫錯地區(qū)主力烴源巖為上三疊統(tǒng)巴貢組泥巖和波里拉組泥灰?guī)r，QK-8井在鉆進過程中具有明顯頂鉆現象。氣測結果顯示： 巴貢組總烴含量最高5.425%，平均0.372%，甲烷含量最高0.825%，平均0.133%； 波里拉組總烴含量最高5.349%，平均0.666%，甲烷含量最高3.596%，平均0.434%，波里拉組烴類氣體顯示明顯優(yōu)于巴貢組(圖3)。其中，巴貢組的烴源巖總有機碳(Total Organic Carbon,TOC)含量均值為1.37%(介于0.50%～2.42%)，有機質豐度總體較高，多為中等—好烴源巖，有機質類型主要為Ⅱ2型，Ro值介于1.27%～1.43%，均值為1.37%，Tmax平均值為466 ℃，已進入成熟—高成熟階段； 波里拉組烴源巖的TOC含量均值為1.79%(介于1.17%～3.09%)，有機質類型也為Ⅱ2型，Ro值介于1.41%～1.59%，均值為1.51%，Tmax平均值為480 ℃，處于高成熟—過成熟階段(表2)?？梢?，井中基本為中等及以上級別的有烴效源巖，但烴源巖整體又表現為低“A”、低(S1+S2)的特征，結合TOC與生烴潛能(S1+S2)交會圖，綜合反映了區(qū)內烴源巖具備一定的生氣能力(圖4)，對于該區(qū)氣源(烴源巖)條件的深入認識及其對于天然氣水合物成礦氣源的貢獻還有待進一步研究。

圖3 雀莫錯地區(qū)QK-8天然氣水合物鉆探試驗井綜合柱狀圖

表2 雀莫錯地區(qū)QK-8井烴源巖有機地球化學綜合表

圖4 QK-8井烴源巖TOC含量與生烴潛能(S1+S2)交會圖

2.3 儲集空間

QK-8井存在巴貢組碎屑巖和波里拉組碳酸鹽巖2種儲集類型： 其中，巴貢組的碎屑巖儲層主要以粉砂巖、細砂巖、含泥細砂巖為主，砂巖較不發(fā)育，總厚度為83.64 m，砂巖孔隙度均值為2.96%(1.86%～4.4%)，滲透率均值為0.256×10-3μm2(0.167×10-3～0.384×10-3μm2)，為超致密儲層； 波里拉組碳酸鹽巖孔隙度均值為2.34%，滲透率平均值為0.198×10-3μm2(0.125×10-3～0.287×10-3μm2)，同樣為超致密儲層。但波里拉組碳酸鹽巖溶蝕作用明顯，灰色微晶灰?guī)r、砂屑灰?guī)r裂隙發(fā)育，充填大量方解石及泥質，方解石溶蝕后形成大量溶蝕孔洞； 同時，井中構造裂縫非常發(fā)育，早期構造縫被完全充填，晚期構造裂縫多以高角度縫為主，常與斷層緊密伴生，成帶狀展布(圖5)； 因構造裂縫具有控制和促進巖溶作用發(fā)育的特點，又是油氣垂向運移的主要通道，還可與溶蝕孔洞一起，構成各類縫洞型儲層。由此可見，波里拉組碳酸鹽巖可為該區(qū)天然氣水合物成藏提供主要儲集空間，而巴貢組砂巖的裂隙型、孔隙型次之。

(a) QK-8井,深583.58 m,深灰色微晶 灰?guī)r,裂縫發(fā)育,見溶蝕孔洞被方解 石充填及晶簇狀方解石晶體 (b) QK-8井,深667.68 m,深灰色 微晶灰?guī)r,陰極發(fā)光×50,裂縫 被方解石充填并被溶蝕 (c) QK-8井,深588.2 m,深灰色 微晶灰?guī)r,方解石膠結及膠結 物溶蝕形成的大量孔洞

(d) QK-8井,深588.28 m,深灰色 微晶灰?guī)r,方解石膠結及膠結物 溶蝕形成的大量孔洞 (e) QK-8井,深618.68 m,深灰色微晶灰?guī)r, 裂縫發(fā)育,早期裂縫被方解石完全充填, 晚期裂縫基本呈直立狀,少量被充填

2.4 疏導系統(tǒng)

輸導體是溝通氣源和水源至天然氣水合物穩(wěn)定帶的必要運移載體，其中斷裂和裂縫無疑是最為高效的一種輸導體。雀莫錯地區(qū)共部署了4條二維地震測線(圖1)，由QMC-L13測線過井地震剖面可見波藏隴巴背斜的整體形態(tài)，其核部位于QMC-L13線，向QMC-L6線和QMC-L20線方向背斜趨于平緩(圖6)。研究區(qū)區(qū)域上以擠壓機制為主，走滑為輔，決定了其主控斷層為逆斷層，從斷層的溝通能力上，區(qū)域主控斷層F1、F2為深大斷裂，周緣存在火山活動形成的侵入巖條帶及溫泉，表明其形成以后一直在強烈活動，故斷層附近的天然氣水合物成藏條件相對較差； 地震剖面F3斷層與AMT解釋的F5斷層相對應，F3、F4斷層為該背斜核部以北油氣運移主斷層，既能溝通源巖與圈閉，也能作為中轉斷層運移烴類氣體，QK-8井位于F3斷層上盤，并在巴貢組與波里拉組發(fā)現豐富的烴類氣體，進一步證實了這類斷層為深部烴類氣體向淺層運移提供了有效通道(圖1，圖6)。同時，井中巖心中裂縫較為發(fā)育，密度大，條數多，多為高角度縫，并有方解石脈和石英脈部分或全部充填，可作為有效次級運移通道。

圖6 雀莫錯地區(qū)過井二維地震解釋剖面(QMC-L13)

2.5 礦物特征及蓋層條件

已有的凍土區(qū)天然氣水合物研究表明，在天然氣水合物成藏體系中方解石和黃鐵礦是2種常見的伴生礦物，“裂隙型”方解石和黃鐵礦?？梢灾甘鞠路綗N類氣源或水合物的存在[34-35]。QK-8井中發(fā)現的特征礦物以方解石和黃鐵礦為主，方解石主要以裂隙充填型分布于全井段巖心，黃鐵礦全井段同樣較發(fā)育，主要以浸染狀、薄膜狀、細脈狀產出于巴貢組泥巖和波里拉組泥灰?guī)r中(圖7)。多層段發(fā)育的與天然氣水合物分解密切相關的自生碳酸鹽和黃鐵礦礦物與裂隙關系密切，反映其產生與流體活動密切相關，存在烴類氣體的運移，可能為天然氣水合物曾經存在的證據。蓋層直接影響著油氣的聚集和保存，而對于陸域天然氣水合物來說凍土層即蓋層，除雀莫錯地區(qū)發(fā)育的厚層凍土層外，上三疊統(tǒng)巴貢組上段發(fā)育的厚層泥巖(274.05～401.94 m，單層厚度達127.44 m)，亦對烴類氣體起到了很好的封堵作用，有利于天然氣水合物聚集成藏，同時，雀莫錯地區(qū)南緣的QZ-16井中揭示在該區(qū)中侏羅統(tǒng)雀莫錯組存在一套巨厚石膏層(約372 m)，直接表明該區(qū)具有非常良好的區(qū)域蓋層條件。

(a) 深325.64 m,含鈣泥巖裂隙中方解石充填(b) 深565.48 m,微晶灰?guī)r中方解石晶體充填,見溶蝕孔洞

3 討論

(1)QK-8天然氣水合物鉆探試驗井揭示，雀莫錯地區(qū)局部地區(qū)凍土厚度較大(約100 m)，上三疊統(tǒng)主力烴源巖巴貢組與波里拉組整體表現為有機質豐度高，為Ⅱ2型干酪根，成熟度較高，儲集空間以縫洞型儲層為主，裂隙、孔隙型次之，同時具備有效的運移通道。上述結果均表明該區(qū)具備一定的天然氣水合物成藏潛力，同時，QK-8井發(fā)現的高烴類氣體顯示是羌塘盆地天然氣水合物調查以來的首次發(fā)現，為天然氣水合物、常規(guī)油氣勘查提供了良好線索。

(2)與祁連山凍土區(qū)天然氣水合物已知發(fā)現區(qū)相比較，烴源巖條件相當，儲集空間與構造條件相似，凍土厚度相對較好，卻無天然氣水合物的直接發(fā)現，初步分析可能有以下2方面原因： 一是祁連山發(fā)現井均位于高寒沼澤草甸區(qū)，水源充足，地下水較豐富，而QK-8井中實鉆未見地下冰，凍土層為非含冰基巖凍土層，因其位置位于高山區(qū)的山坡且離水源地距離遠，導致形成天然氣水合物的水源這一要素的缺失； 二是雀莫錯地區(qū)地溫梯度較高，而凍土層下巖石地層多表現為低壓特征，導致該井凍土層以下形成天然氣水合物的溫壓條件相對較差。

4 結論

(1)雀莫錯地區(qū)除QK-8井中揭示的上三疊統(tǒng)主力烴源巖外，該區(qū)的侏羅系布曲組泥晶灰?guī)r、索瓦組泥晶灰?guī)r以及雀莫錯以東的中下二疊統(tǒng)泥巖(TOC含量>1%，Ⅲ型，Ro為0.89%～1.44%)均為潛在烴源(氣源)巖，可為天然氣水合物成藏提供較為有利的氣源條件。

(2)通過對雀莫錯地區(qū)的油氣“生、儲、蓋”初步研究，結合油氣顯示的空間分布，初步確定了雀莫錯地區(qū)油氣成藏存在3套有利組合: 一是自生自儲型，即T3bg-T3bg-J1-2q組合，J2q泥巖與雀莫錯組石膏層為有效蓋層； 二是上生下儲型，即T3bg-T3b-T3bg(J2q)組合，巴貢組泥巖與雀莫錯組石膏層提供有效蓋層； 三是下生上儲型，即T3bg-J2q組合，雀莫錯組石膏層為有效蓋層。上述均表明了該區(qū)具備良好的油氣成藏組合，但由于后期的構造隆升使油氣藏遭到了破壞，因此，在保存條件相對較好的區(qū)域尋找油氣藏以及天然氣水合物藏是存在較大可能性的。

(3)我國陸域天然氣水合物與含油氣系統(tǒng)息息相關，其可以理解為“油氣的復雜二次成藏”，氣源條件成為羌塘盆地天然氣水合物勘查突破的最關鍵因素，區(qū)域油氣調查的發(fā)現更是關注的焦點。QK-8井結合周緣鉆井揭示研究區(qū)曾經歷大規(guī)模的油氣生成、運移和聚集，遵循天然氣水合物含油氣系統(tǒng)理論，雀莫錯地區(qū)及其東部地區(qū)應是下一步天然氣水合物及油氣綜合能源資源調查的主要方向。