南祁连盆地冻土区天然气水合物形成机理研究

胡荣杰，傅军，张孝攀，李程，董跃华

（1.成都理工大学管理科学学院，成都610059；2.数学地质四川省重点实验室，成都610059）

南祁连盆地冻土区天然气水合物形成机理研究

胡荣杰1，2，傅军1，2，张孝攀1，2，李程1，2，董跃华1，2

（1.成都理工大学管理科学学院，成都610059；2.数学地质四川省重点实验室，成都610059）

天然气水合物是继煤和石油之后的重要的、潜在的能源资源。介绍了天然气水合物在全球、我国陆域以及在南祁连盆地的分布。但是由于冻土区的气候环境、地质特征等复杂性，使得冻土区水合物的研究一时无法展开，文章详细分析了南祁连盆地的冻土区天然气水合物的形成条件、赋存环境，以及天然气水合物的形成与温度、压力、构造和沉积的关系，为我国其它冻土区天然气水合物的开发利用提供依据。

天然气水合物；南祁连盆地；冻土区；形成条件

引言

天然气水合物是广泛分布于海底沉积物和陆上永久冻土带中的一种洁净能源，可作为我国将来重要的能源来源之一。各国均已投入很大力量来开展天然气水合物的调查研究。美国在天然气水合物研究方面处于领先地位，俄罗斯最早发现天然气水合物，还拥有目前全球唯一正在工业性开采的永久冻土带气田，日本由于国内资源匮乏，力求在天然气勘探开发方面取得突破［1］。我国多年冻土主要分布于青藏高原和东北大兴安岭地区，面积达2.15×106km2，占国土总面积的22.3%，是世界第三冻土大国［2］。通过对南祁连盆地冻土带天然气水合物研究和勘探，特别是2009年青海木里煤田成功钻获天然气水合物实物样品，必将极大地拓展我国寻找新资源的视野，为我国经济社会可持续发展提供新型能源。但是我国的冻土区天然气勘查处于开始阶段，距离开发应用还有些距离，而对于富含天然气水合物的羌塘盆地等地区，由于气候条件险恶，对水合物的形成机理还没有研究透彻，所以，对南祁连盆地的水合物形成机理的研究就有了很高的理论价值。

1 天然气水合物的概念

天然气水合物（Natural Gas Hydrate）是在低温高压下由水分子与小客体气体分子组成的类冰，非化学计量、笼形固体化合物（Benit BeauchamP，2004）［3_4］。因其外观像冰且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”，它是近几十年来发现的一种新型的战略资源［5］。天然气水合物是高密度的能源矿产，理论上1m3的水合物分解可以产生164 m3的天然气（标况下）［6］。甲烷、乙烷和其它烃类气体能够被包含在笼状结构中形成水合物，甲烷水合物是自然界最常见的一种水合物。

2 天然气水合物的分布

2.1 全球多年冻土区天然气水合物的分布

天然气水合物的主要分布地域是陆域冻土带和海底沉积物。经过科学家的共同努力，已在全球132处发现水合物，其中冻土区9处。目前在多年冻土区已经发现有大量的天然气水合物，如加拿大马更些三角洲、阿拉斯加北坡和俄罗斯西伯利亚，以及我国青藏高原、东北漠河地区。

2.2 我国多年冻土区天然气水合物的分布

我国冻土区主要分布在东北大兴安岭地区和青藏高原地区，并零星分布在一些高山上（图1）。青藏高原冻土是典型的高山冻土，纬度和海拔是冻土的主要控制因素。青海南部和西藏北部，特别是羌塘盆地是多年冻土最发育的地区，基本是连续或大片分布，随着海拔降低，年平均地表地温逐渐升高，由连续的大片冻土逐渐过渡为岛状冻土［7］。

图1中国冻土区天然气水合物找矿远景区预测图

2.3 天然气水合物在南祁连盆地的分布

祁连山位于青藏高原北缘，虽然海拔相对不高，但因纬度偏北，也成为青藏高原冻土分布比较广泛的地区之一，多年冻土面积达10×104km2，实测冻土层厚度为50～139 m，理论计算的冻土层厚度最大值为400 m［S］，基本具备形成天然气水合物的冻土条件。南祁连冻土区发现的水合物埋深为133～396 m。目前，在祁连山冻土区共有S口水合物钻探井（图2），其中，DK-1、DK-2、DK-3、DK-7、DK-S井钻获到水合物样品，在岩芯裂隙面上可观测到薄层白色、乳白色的天然气水合物晶体，有的则因泥浆污染而呈土黄色，且点火就能直接燃烧，燃烧时间长短不一，最长可持续到1分种以上。DK-4、DK -5、DK-6井观察到岩芯中不断冒出的气泡和水珠，通过红外测温中的分散状低温异常可证实为天然气水合物。

图2祁连山冻土区DK_1～DK_8科学钻探试验井地形地质图

3 南祁连盆地冻土区的地质特征

3.1 天然气水合物的赋存

2009年5 月至10月间对木里地区天然气水合物科学试验孔进行钻探施工，发现了明显的相关异常现象［9］。对样品进行热红外照像仪扫描后可见相对低温异常现象（0℃左右或1～2℃，背景温度一般为10℃左右或十几度），可见明显的热红外低温异常，表明该样品含有天然气水合物。

根据岩性分析，以及从木里煤矿矿井中得到的水合物样品分析，南祁连盆地水合物赋存于油页岩、泥岩、粉砂岩和细砂岩等岩性相对较细的岩层中，横向对比难度较大，赋存空间以裂隙为主，其次是孔隙［10］。

3.2 天然气水合物的成因研究

南祁连盆地冻土区的天然气水合物样品中气体多为微生物成因、热解气成因，还有微生物和热解气混合成因。通过测试天然气水合物的基本特征、测井响应特征研究，气体组成和同位素基本特征及δ13C1-1/n、C1/（C2+C3）-δ13C1、δDCH4-δ13CCH4、（δ13C2-δ13C3）-ln（C2/C3）、ln（C2/C3）-ln（C1/C2）的天然气水合物或常规天然气成因判别图解综合显示，南祁连盆地冻土区水合物气体为有机成因，以热解成因为主，夹少量微生物成因，其中，热解成因气主要与原油裂解气、原油伴生气有关，少部分与凝析油伴生气、煤成气、干酪根裂解气有关。这一分析结果可能表示研究区水合物的气体的来源与油型气有密切关系，但与煤型气关系不大。研究表明，在南祁连盆地，水合物分解的气体具湿气特征，以轻烃为主，同位素表现为正碳同位素系列特征

3.3 天然气水合物与温度、压力的关系研究

天然气水合物在自然界中极不稳定，温压条件的一些微小变化都将会引起它的分解或生成。控制天然气水合物形成的主要因素为温度和压力（图3）。

图3温度和压力对天然气水合物形成的影响

温度梯度对水合物形成和分布的影响也比较大，当温度梯度增大时，水合物的分布就越不均匀，水合物更容易在高温端富集；同时，水合物发生富集的时间间隔也就越短。由图3可知，当甲烷和水处于A点形成天然气水合物时，其温度和压力分别为27S.SS K（5.73 e）、5000 kPa；当条件处于B点形成天然气水合物时，其温度和压力则分别为2S6.02 K（12.S7 e）、10 000 kPa。可以看出，从A点变化到B点，温度每升高1 e，形成天然气水合物所需的压力将增大约700 KPa［12］。在冻土区，压力主要表现为地下深度，在一定的深度和温度条件下，在富含水合物的地方就会形成水合物稳定带（图4）。

图4多年冻土层下气水合物的形成

图5显示出了多年冻土区天然气水合物的稳定带的示意图。由图5可知，多年冻土地温梯度与多年冻土层下地热梯度与气水合物的相平衡边界共同构成了天然气水合物的稳定带，灰色区域内为天然气水合物的稳定带［13］。冻土区地温梯度越小，冻土厚度就越大，温度和压力条件就越有利于形成天然气水合物，其稳定带厚度也越大。因为多年冻土底板处温度为0℃，所以多年冻土底板深度越大，多年冻土层下天然水合物稳定带的下界深度越大。一旦多年冻土发生退化，多年冻土底板变浅，多年冻土减薄，温度升高可能导致气水合物分解。可以看出，控制多年冻土区天然气水合物形成的主要因素为多年冻土地温梯度和年平均地温以及多年冻土层下融土的地热梯度，前二者控制多年冻土厚度，后者控制天然气水合物的底板深度。根据研究表明，木里盆地天然气水合物的温压条件如图6所示［10］。

图5多年冻土与气水合物关系示意图

图6木里盆地天然气水合物的温压条件

3.4天然气水合物与构造的关系研究

天然气水合物的形成与构造也有一定的关系，研究区处于青藏高原的北部，主要位于青海和甘肃的相接地带。其大地构造单元一般划分为北祁连构造带、中祁连陆块和南祁连构造带三大构造单元（图7）。3个单元之间及其两侧依次被北祁连北缘、中祁连北缘、中祁连南缘、土尔根达坂山-宗务农山-青海湖南缘4条断裂所分割［14］。与极地多年冻土区相比，祁连山冻土区冻土层较薄，且地处青藏高原北部，长期处于古欧亚大陆的边缘活动带，受构造作用影响明显，加之受储集岩性和成藏气源的影响，该区天然气水合物的产出和分布具有一定的特殊性。

图7木里地区大地构造单元背景下的构造纲要图

南祁连盆地野外地质勘查显示发育有四套烃源岩［15］。按岩性可以分为碳酸盐岩型、暗色泥岩和暗色页岩型。碳酸盐岩类主要见于下二叠统和中三叠统；暗色泥岩、页岩类烃源岩主要见于上石炭统、上三叠统和中下侏罗统。

3.5 天然气水合物与沉积的关系研究

天然气水合物在岩石中的富集方式主要是两种：在孔隙度较大的岩层中，呈侵染状分布；在低渗岩层中，呈薄膜状分布。大多数冻土区天然气水合物赋存于固结沉积岩中，从钻取样品来看，能以胶结物、颗粒包壳、杂基、孔隙充填物、结核或裂隙充填物等多种方式存在［2］，最普遍的是以结核或裂隙充填物的方式赋存于沉积物中。

在木里煤田中，侏罗统含煤地层分为下部木里组和上部江仓组［16］。江仓组的砂岩、泥岩层段，经过构造运动的作用，具有较多的节理裂隙。江仓组下段主要为三角洲-湖泊相，含煤2～6层；上段以浅湖-半深湖相为主，沉积了一套泥岩、粉砂岩组合，不含煤。总的来说，岩层内的孔隙-裂隙条件较好的地层，可以作为为水合物的赋存的有利的场所。

4 南祁连盆地天然气水合物的成藏模式

天然气水合物成藏需具备5个基本条件：大量气源和水；较低的温度（2.5～25℃）；较高的压力（4.5MPa以上）；一定的孔隙空间；合适的圈闭条件［17］。天然气水合物的成藏与其所处地质构造环境密切相关，陆缘地区天然气水合物成藏地质模式可分为成岩型、构造型和复合型三类。成岩型水合物主要受沉积因素控制，成藏气体以浅层生物成因气为主，水合物大多呈分散状存在于相对渗透层中，丰度较低。构造型水合物主要受构造因素控制，由热成因气或者混合气从较深部位沿断裂、泥火山或其它通道快速运移至水合物稳定域而形成，水合物主要分布在构造活动带周围，丰度较高。复合型水合物同时受到成岩作用和构造作用控制，水合物主要分布在构造活动带周围的相对渗透层中。

在2010年，木里地区开展了反射地震方法探测天然气水合物的试验研究，通过综合分析解释反射地震和测井及地质资料，初步认为含天然气水合物介质形成的反射波在地震剖面上具有低速、弱振幅、高频的特征。在成藏机制上，天然气水合物的分布与深部断裂破碎带有关，天然气沿深部断裂构造向上运移，并受冻土层的封闭而富集，在合适的温压条件下形成天然气水合物矿藏［15］（图S）。

5 南祁连盆地天然气水合物的含量预测

祁连山冻土区天然气水合物DK_1、DK_2、DK_3、DK_4号钻孔揭示，该区天然气水合物及其异常主要产出于破碎岩层裂隙中和砂岩孔隙中，根据不同的赋存类型分别赋予具体地质含义，并运用体积法建立了2种产状天然气水合物资源量的计算方法。体积法的基本思路是假定天然气水合物在一定范围内是连续分布的，然后按公式计算资源量：

式中， 为天然气水合物的资源量（m3）；A为天然气水合物分布区的面积，m2；Δz为天然气水合物层的厚度（m）；φ为沉积物的孔隙度（%）；H为充填在孔隙中的天然气水合物饱和度（%）；E为产气因子系数，即1 m3天然气水合物在常温常压下分解成甲烷气的体积数［1S］。基于野外地质观测统计数据和室内分析测试结果，在钻探区约40×104m2的范围内，计算得到砂岩孔隙中的天然气水合物资源量约为6.24×104m3天然气，破碎岩层裂隙中的天然气水合物资源量约为SS×104m3天然气，总的资源量约为94.2×104m3天然气［19］。

图8木里煤田成藏模式图

6 结论

从以上研究可以得出祁连山冻土区虽然冻土条件比较差，但气候条件较优越，便于开展工作，且已经钻采出水合物实物样品，目前是我国研究价值比较高的地区。并且通过对科学勘探井所得的资料进行了全面的解释与处理，得出如下结论：

（1）南祁连盆地天然气水合物的形成条件与油型气有密切关系，但与煤型气关系不大。

（2）南祁连盆地天然气水合物赋存在岩性相对较细的岩层中，横向对比难度较大，赋存空间以裂隙为主，其次是孔隙。

（3）温度、压力对冻土区天然气水合物影响很大，当超过一定的条件，水合物稳定带将很难形成。

（4）南祁连盆地天然气水合物与构造、沉积等控制因素之间的关系也很密切，但由于缺少全面的勘测数据，所以还没有形成对南祁连盆地天然气水合物的全面的、立体的框架体系。

［1]吕丽新，陈永进，张硕，等.冻土区天然气水合物基本特征及国内研究现状［J].资源与产业，2012，14(5):69_ 75.

［2]郭祖军，陈志勇，胡素云，等.天然气水合物分布及青藏高原有利勘探区［J].新疆石油地质，2012，33(3): 266_271.

［3]Makogon Y F，Holditch S A，Makogon T Y.Natural gas_ hydrates A potential energy source for the 21st Century［J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2007，56:14_31.

［4]Taylor C，Qwan J.Collett T S.Gas production from Class 1 Hydrate accumulations［A].Recent Advances in the Study of Gas Hydrates［C].New York:Kluwer Aca_ demic/Plenum Publishers，2004:75_88.

［5]唐瑞玲，孙忠军，张富贵，等.天然气水合物勘查技术及环境效应研究进展［J].岩性油气藏，2011，23(4): 20_24.

［6]金庆焕.天然气水合物—未来的新能源［J].中国工程科学，2000，2(11):29_34.

［7]吕丽新，陈永进，张硕，等.冻土区天然气水合物基本特征及国内研究现［J].资源与产业，2012，14(5):69_ 75.

［8]祝有海，张永勤，文怀军，等.青海祁连冻土区发现天然气水合物［J].地质学报，2009，83(11):1762_1771.

［9]卢振权，祝有海，张永勤，等.青海省祁连山冻土区天然气水合物存在的主要证据［J].现代地质，2010，24 (2):329_336.

［10]李宽.冻土区天然气水合物蒸汽法开采系统数值模拟与野外试验［D].吉林:吉林大学，2012.

［11]卢振权，祝有海，张永勤，等.青海祁连山冻土区天然气水合物的气体成因研究［J].现代地质，2010，24 (3):581_588.

［12]吴青柏.多年冻土区天然气水合物研究综述［J].地球科学进展，2008，23(2):111_119.

［13]卢振权.天然气水合物形成条件与含量影响因素的半定量分析［J].地球物理学报，2008，51(1):125_ 132.

［14]卢振权，祝有海，刘晖，等.祁连山冻土区含天然气水合物层段的油气显示现象［J].现代地质，2013，27 (1):231_238.

［15]艾贵成，张永海，喻著成，等.南祁连地质构造特征及钻探难点分析［J].西部探矿工程，2011(11):87_88.

［1 6]李靖，曹代勇，豆旭谦，等.木里地区天然气水合物成藏模式［J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版，2012(4):484_488.

［17]杨木壮，潘安定，沙志彬.陆缘地区天然气水合物成藏地质模式［J].海洋地质与第四纪地质，2010，30 (6):85_90.

［18]祝有海，赵省民，卢振权.中国冻土区天然气水合物的找矿选区及其资源潜力［J].天然气工业，2011，31 (1):13_19.

［19]卢振权，祝有海，张永勤，等.青海祁连山冻土区天然气水合物资源量的估算方法—以钻探区为例［J].地质通报，2010(9):1310_1318.

Study on the Formation Mechanism of NaturalGas Hydrate in Permafrost Regions of Southern Qilian Basin

HU RongJie1，2，FU Jun1，2，ZHANG Xiaopan1，2，LICheng1，2，DONG Yuehua1，2
（1.College of Management Science，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2.Geomathematics Key Laboratory of Sichuan Province，Chengdu 610059，China）

Natural Gas Hydrate is a imPortant and Potential energy resource after coal and oil.In this PaPer，the distri_ butions of Gas Hydrate in thewholeworld，our land and the South Qilian basin are introduced in detail.However，due to the comPlexity of climate and geological characteristics in Permafrost regions，the study of Gas Hydrate in Permafrost regions can not be started timely.For this Problem，there is a detailed analysis of the formation conditions and existing environmentof the Gas Hydrate in South Qilian basin Permafrost regions，aswell as the relationshiPof formation of the Natural Gas Hydrate and temPerature，Pressure，tectonic，sedimentation，which Provides a basis for the develoPment and utilization of Gas Hydrate in our other Permafrost regions.

Natural Gas Hydrate；South Qilian basin；Permafrost region；formation condition

P61S.13

A

1673_1549(2014)02_0064_06

10.11863/j.suse.2014.02.14

2013_11_13

国土资源部专项基金（JZ20110311）

胡荣杰（19S5_），男，甘肃天水人，硕士生，主要从事油气勘探开发中的数学方法方面的研究，（E_mail）1S14626964@qq.com