張金華，魏 偉，魏興華，肖佳蕊，王 培

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；2.中國石油非常規(guī)油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065007)

1 概述

天然氣水合物的形成，主要受溫度、壓力、接近飽和的氣源和氣體組分、水源等因素的控制[1-2]。由于形成條件的制約，自然界中的天然氣水合物主要分布在海域和凍土帶兩類地區(qū)，如海洋大陸架外的陸坡、深海和深湖以及永久凍土帶等。

凍土帶作為天然氣水合物發(fā)育的兩個(gè)重要地質(zhì)環(huán)境之一，目前已在世界上多處多年凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，但主要集中在極地多年凍土地區(qū)，如俄羅斯東西伯利亞、西西伯利亞，美國的阿拉斯加以及加拿大的麥肯齊三角洲等地；我國青海木里地區(qū)發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物賦存于高原凍土帶，鉆獲到天然氣水合物實(shí)物樣品野外直接觀察到白色冰狀天然氣水合物與點(diǎn)火燃燒現(xiàn)象，并通過室內(nèi)激光拉曼光譜檢測(cè)到天然氣水合物籠狀體峰及其包含的烴類氣體峰[3]，進(jìn)一步證實(shí)了祁連山凍土區(qū)存在和探獲天然氣水合物，這也表明中緯度地區(qū)只要具備上述控制因素，同樣可以成為天然氣水合物成藏的有利環(huán)境。

對(duì)于天然氣水合物成藏模式，國內(nèi)一些專家學(xué)者主要針對(duì)海域開展相應(yīng)的研究并取得了一些認(rèn)識(shí)。樊栓獅和陳多福等學(xué)者[4-5]提出了擴(kuò)散型和滲漏型兩類概念型天然氣水合物成藏模式。張光學(xué)等人[6]認(rèn)為，構(gòu)造環(huán)境是天然氣水合物富集成藏的重要控制因素，氣體沿?cái)嗔?、泥火山或其他?gòu)造通道從深部運(yùn)移至水合物穩(wěn)定域中形成水合物礦藏。盧振權(quán)等人[7]認(rèn)為，天然氣水合物成藏系統(tǒng)是由烴類生成體系、流體運(yùn)移體系、成藏富集體系等組成的一種復(fù)雜系統(tǒng)，它們彼此之間在時(shí)間和空間上的有效匹配共同決定著天然氣水合物的成藏特征。吳能友等人[8]對(duì)神狐海域天然氣水合物成藏系統(tǒng)研究認(rèn)為，天然氣水合物在空間尺度上是不均勻分布的，縱向上主要分布于天然氣水合物穩(wěn)定帶底界以上一定深度范圍內(nèi)。

2 木里地區(qū)水合物成藏條件

木里地區(qū)已勘探發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物賦存層位主要為中侏羅統(tǒng)江倉組[9]，產(chǎn)于凍土層之下，埋深范圍大多位于133.0～396.0m之間。賦存類型主要包括[9-10]以薄層狀、片狀賦存于粉砂巖、泥巖和油頁巖裂隙面中的“裂隙型天然氣水合物”，和以浸染狀賦存于細(xì)粉砂巖、中砂巖孔隙中的“孔隙型天然氣水合物”。從天然氣水合物成藏系統(tǒng)的角度出發(fā)，對(duì)木里凍土區(qū)天然氣水合物的成藏條件及模式進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

2.1 烴類生成體系

“源控論”是目前流行的天然氣水合物成藏的主要理論[11]，如果沒有烴源或烴源潛力不足，就不可能或很難成藏；同時(shí)，氣源成因關(guān)系到天然氣水合物的成藏機(jī)制[12]，生物成因氣可以在原地或附近形成天然氣水合物礦藏，熱解成因氣則需要通過斷層或裂隙向上運(yùn)移到水合物穩(wěn)定帶才能形成水合物礦藏。木里地區(qū)含煤層位為下侏羅統(tǒng)熱水組、中侏羅統(tǒng)江倉組和木里組，煤質(zhì)較齊全[13]，從長焰煤到低級(jí)無煙煤均能見到，煤的變質(zhì)作用以深成變質(zhì)為主。筆者針對(duì)木里聚乎更礦區(qū)的井下不同層段的所取的泥巖和粉砂巖等巖樣進(jìn)行了測(cè)試(圖1)，分析顯示其有機(jī)碳含量(TOC)平均值為2.62%，最高達(dá)到7.85%，鏡質(zhì)體反射率(Ro)平均為0.85%，處于成熟階段，具有良好的生油生氣潛力。

圖1 聚乎更某鉆井巖樣測(cè)試數(shù)據(jù)與埋深關(guān)系圖

已有鉆探及研究也表明，木里地區(qū)具有較豐富氣源，主要為熱成因氣，氣體成分以甲烷為主，此外還含有較高的乙烷、丙烷等重?zé)N組分。例如，黃霞等人[14]分析木里地區(qū)水合物氣樣顯示，δ13C1均大于-50‰，R值普遍小于100，顯示出明顯的熱解氣特征，認(rèn)為氣體大多來源于深部遷移上來的油型氣，并有部分原地煤成氣的混合。王佟等人[15]分析表明，δ13C值為50.5‰，并具有δl3Cl<δ13C2<δ13C3<δ13iC4<δ13nC4的特征，認(rèn)為煤層氣是木里煤田天然氣水合物的主要來源。文懷軍等人[16]認(rèn)為，該天然氣水合物與頁巖氣源具有成因聯(lián)系。盧振權(quán)等人[17]通過對(duì)氣體組成和同位素特征等分析認(rèn)為，木里水合物的氣體為有機(jī)成因，且以熱解成因?yàn)橹?，主要與原油裂解氣、原油伴生氣有關(guān)。

2.2 流體運(yùn)移體系

木里地區(qū)聚乎更礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造演化使該地區(qū)現(xiàn)今成為中部以三疊系地層組成的一個(gè)背斜和南北兩側(cè)以侏羅系含煤地層組成的兩個(gè)向斜[10](圖2)。

圖2 木里聚乎更礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育及井田分布

背向斜的南北兩側(cè)大部發(fā)育有規(guī)模較大的向盆地內(nèi)逆沖推覆斷裂，南北兩個(gè)向斜中發(fā)育有一組北東向規(guī)模較大的剪切斷裂。聚乎更煤礦區(qū)南向斜東部，受區(qū)域普遍發(fā)育的南北兩側(cè)逆沖推覆構(gòu)造向區(qū)內(nèi)的水平推擠作用，形成煤系地層的波狀褶皺和斷裂，部分區(qū)域被斷層切割成前展式疊瓦扇構(gòu)造形態(tài)，斷裂構(gòu)造為地殼深部熱解作用形成的烴類氣體提供了運(yùn)移的重要通道，為深部油氣運(yùn)移創(chuàng)造了有利條件。

2.3 成藏富集體系

木里地區(qū)中侏羅統(tǒng)木里組和江倉組以砂巖、泥巖和煤層為主[16]，其中，勘探發(fā)現(xiàn)水合物賦存的江倉組可分為下部含煤段和上部泥巖段。含煤段的上部以深灰-灰綠色粉砂巖和黑色泥巖為主，中部以砂巖為主，中下部以黑色粉砂巖、泥巖、細(xì)砂巖為主；泥巖段為黑色泥巖，夾薄層油頁巖。巖層孔隙-裂隙條件較好，筆者對(duì)所取樣品進(jìn)行孔隙度分析得出，其平均值為2.35%，孔隙-裂隙條件為水合物的賦存提供了有利的場(chǎng)所。同時(shí)，木里煤田的凍土在第四紀(jì)冰川時(shí)期形成[18]，之后新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使之不斷上升，并保持了高寒的特點(diǎn)，使凍土保存至今，凍土層的封蓋作用以及泥巖的封蓋作用可以防止烴類氣體逸散，從而有利于天然氣水合物礦藏的形成。

木里地區(qū)斷裂等構(gòu)造發(fā)育，氣源充足，并含有較高重?zé)N組分，年平均地表溫度-2.4℃，多年凍土層平均厚度為80m[2]，平均地溫梯度為2.2℃/100m。一井田33#鉆孔采集氣體中[1]，甲烷為96.6%，乙烷為3.3%，丙烷為0.1%；聚乎更DK-1鉆孔氣體組分復(fù)雜[15]，其泥漿氣組分分析顯示，包括約為74%的甲烷、8%的乙烷、12%的丙烷以及2%的二氧化碳等。針對(duì)這些參數(shù)，利用Sloan的CSMHYD軟件對(duì)木里地區(qū)的溫度和壓力條件進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)根據(jù)地層壓力計(jì)算，由地層沉積物/巖石平均密度、重力加速度等參數(shù)，編制了木里地區(qū)天然氣水合物溫度-壓力/埋深條件(圖3)。從圖3中可以明顯看出，木里地區(qū)具備形成天然氣水合物較好的溫壓條件，并且富含重?zé)N等氣體組分更有利于天然氣水合物的成藏，而純甲烷氣體不易于形成天然氣水合物。在鉆探過程中[10]，也發(fā)現(xiàn)了水合物證據(jù)及異?，F(xiàn)象，33#鉆孔在凍土層內(nèi)就發(fā)生氣體漏泄現(xiàn)象，點(diǎn)火能燃燒，泄漏持續(xù)時(shí)間近1年，說明氣源充足且氣體可能源自于水合物的緩慢分解；DK-1由于遭遇異常高壓氣體且引發(fā)巖芯破碎和塌孔等因素停鉆，終孔深度約182m，并在深100m附近鉆獲了天然氣水合物實(shí)物樣品。

圖3 木里地區(qū)天然氣水合物溫度-壓力/埋深條件

3 木里地區(qū)水合物成藏模式

通過綜合分析，筆者認(rèn)為，木里地區(qū)天然氣水合物成藏條件較好，烴源巖熱解形成的烴類氣體通過斷裂等構(gòu)造向上運(yùn)移到水合物穩(wěn)定帶，在粉砂巖及裂隙中形成脈狀或顆粒狀水合物。同時(shí)，隨著氣溫及凍土層厚度的變化，水合物穩(wěn)定帶及水合物賦存底界將發(fā)生變化，并在水合物下方還可能賦存常規(guī)氣藏或(和)非常規(guī)煤層氣、頁巖氣藏。分析認(rèn)為，木里地區(qū)天然氣水合物為動(dòng)態(tài)的以熱解氣-低溫冷凍-地層型為主的成藏模式(圖4)。

圖4 木里凍土區(qū)天然氣水合物成藏模式

4 結(jié)束語

從天然氣水合物成藏系統(tǒng)的角度分析顯示，木里地區(qū)具有較好的天然氣水合物成藏基礎(chǔ)。通過烴類生成體系、流體運(yùn)移體系、成藏富集體系等要素分析，初步認(rèn)為木里地區(qū)天然氣水合物的形成屬于下部熱解氣在斷層等構(gòu)造通道作用下運(yùn)移而形成的一種熱解氣-低溫冷凍-地層型為主的動(dòng)態(tài)成藏模式。根據(jù)其成藏模式，筆者認(rèn)為在木里地區(qū)進(jìn)行天然氣水合物鉆探有利區(qū)塊選擇，應(yīng)盡可能避開煤礦開采區(qū)域，優(yōu)選煤系地層發(fā)育、凍土層厚度較大、斷裂較發(fā)育、多口鉆井出現(xiàn)氣體漏泄現(xiàn)象且氣量小而持續(xù)時(shí)間較長的區(qū)域。

[1] 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.

[2] 曹代勇,劉天績,王丹,等.青海木里地區(qū)天然氣水合物形成條件分析[J].中國煤炭地質(zhì),2009,21(9):3-7.

[3] 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.

[4] 樊栓獅,劉鋒,陳多福.海洋天然氣水合物的形成機(jī)理探討[J].天然氣地球科學(xué),2004,15(5):524-530.

[5] 陳多福,蘇正,馮東,等.海底天然氣滲漏系統(tǒng)水合物成藏過程及控制因素[J].熱帶海洋學(xué)報(bào),2005,24(3):38-46.

[6] 張光學(xué),祝有海,梁金強(qiáng),等.構(gòu)造控制型天然氣水合物礦藏及其特征[J].現(xiàn)代地質(zhì),2006,20(4):605-612.

[7] 盧振權(quán),吳能友,陳建文,等.試論天然氣水合物成藏系統(tǒng)[J].現(xiàn)代地質(zhì),2008,22(3):363-375.

[8] 吳能友,張海啟,楊勝雄,等.南海神狐海域天然氣水合物成藏系統(tǒng)初探[J].天然氣工業(yè),2007,27(9):1-6.

[9] 王平康,祝有海,盧振權(quán),等.祁連山凍土區(qū)天然氣水合物巖性和分布特征[J].地質(zhì)通報(bào),2011,30(12):1839-1851.

[10] 祝有海,張永勤,文懷軍.祁連山凍土區(qū)天然氣水合物科學(xué)鉆探工程概況[J].地質(zhì)通報(bào),2011,30(12):1816-1822.

[11] 蘇丕波,雷懷彥,梁金強(qiáng),等.神狐海域氣源特征及其對(duì)天然氣水合物成藏的指示意義[J].天然氣工業(yè),2010,30(10):103-108.

[12] 龔建明,張敏,陳建文,等.天然氣水合物發(fā)現(xiàn)區(qū)和潛在區(qū)氣源成因[J].現(xiàn)代地質(zhì),2008,22(3):415-419.

[13] 欒紹堃.青海祁連含煤區(qū)侏羅紀(jì)含煤巖系沉積環(huán)境[J].沉積學(xué)報(bào),1987,5(1):132-137.

[14] 黃霞,祝有海,王平康,等.祁連山凍土區(qū)天然氣水合物烴類氣體組分的特征和成因[J].地質(zhì)通報(bào),2011,30(12):1851-1856.

[15] 王佟,劉天績,邵龍義,等.青海木里煤田天然氣水合物特征與成因[J].煤田地質(zhì)與勘探,2009,37(6):26-30.

[16] 文懷軍,邵龍義,李永紅,等.青海省天峻縣木里煤田聚乎更礦區(qū)構(gòu)造輪廓和地層格架[J].地質(zhì)通報(bào),2011,30(12):1823-1828.

[17] 盧振權(quán),祝有海,張永勤,等.青海祁連山凍土區(qū)天然氣水合物的氣體成因研究[J].現(xiàn)代地質(zhì),2010,24(3):581-588.

[18] 張鳳鳴,高鴻烈.青海木里煤田多年凍土水文地質(zhì)工程地質(zhì)特征[J].青海地質(zhì),1981(3):52-57.