昆仑山垭口盆地天然气水合物形成条件研究

张金华，魏　伟，魏兴华，肖红平，彭　涌，张巧珍，王　培

(1.中国地质大学(北京)海洋学院，北京 100083；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007)



昆仑山垭口盆地天然气水合物形成条件研究

张金华1,2，魏伟2，魏兴华2，肖红平2，彭涌2，张巧珍2，王培2

(1.中国地质大学(北京)海洋学院，北京 100083；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007)

摘要：昆仑山垭口盆地具有良好的天然气水合物的形成条件，钻探显示，该盆地具有天然气水合物赋存特征。在该盆地构造和沉积分析的基础上，结合天然气水合物油气系统理论探讨了昆仑山垭口盆地天然气水合物成藏条件。通过该盆地冻土厚度、地温条件、气源和气体组分条件、运移及储层条件等方面分析，认为昆仑山垭口盆地具备形成天然气水合物较好的温度和压力条件，高含量的CO2等气体组分有利于天然气水合物的形成。模拟显示，昆仑山垭口盆地冻土区天然气水合物稳定带厚度最大可达450m。发育的断裂及裂缝，以及砂岩和页岩的互层组合为天然气水合物的储存提供了良好的空间。

关键词：天然气水合物；成藏条件；昆仑山垭口盆地；水合物油气系统

天然气水合物是由水与烃类等气体分子在低温高压及气体浓度大于其溶解度条件下形成的貌似冰的结晶状固体物质，其广泛存在于永久冻土带和海底沉积物孔隙中[1-2]。宏观上天然气水合物主要有3种赋存方式[3]：①呈分散状胶结沉积物颗粒；②以结核状、弹丸状和薄层状的集合体形式赋存于沉积物或岩石中；③以细脉状充填于沉积物或岩石的裂缝中。中国多年冻土面积达2.15×106km2，主要分布于青藏高原和东北大兴安岭地区[4]。近年来，中国在羌塘盆地、祁连山、漠河盆地等区域开展了天然气水合物调查和钻探研究，2008年冬季和2009年夏天首次在中国陆域祁连山冻土区钻获天然气水合物实物样品，野外观察到白色冰状天然气水合物及其点火燃烧现象，室内激光拉曼光谱检测到天然气水合物笼状体峰及其包含的烃类气体峰[5]。这表明中纬度地区只要具备天然气水合物形成的控制因素，同样可成为天然气水合物的赋存区域。本文在对昆仑山垭口盆地区域地质背景分析的基础上，结合天然气水合物油气系统及钻探情况，初步探讨研究区天然气水合物成藏条件。

1 地质条件

昆仑山垭口盆地海拔为4000～5100m，年均气温为-5.7℃[6]，属于中纬度、高海拔、多年连续冻土分布区，上新统—更新统羌塘组湖相地层发育，富含大量有机质，同时区域构造运动较为活跃，有利于烃源岩成熟及油气运移。

1.1 构造地质背景

昆仑山垭口盆地位于青藏高原腹地的青海省治多县昆仑山主脊垭口地区，构造上处于羌塘高原东北缘和东昆仑山脉中段，属于昆仑山海西—印支纬向褶皱带，是上新世—中更新世断陷盆地，其紧邻的羌塘高原北部巨型主断裂控制着它的形成和发展[7](图1)。

盆地内断裂十分发育，其主干断裂多为深大断裂，直接控制着该区大的地貌轮廓，次一级的横向断裂夹杂其中，使山体切割破碎，沟谷纵横，昆仑河沿着这些纵横沟谷发育，形成蜿蜒于高山之中的宽谷河道[8]。西大滩和东大滩谷地，以及小南川、野牛沟和昆仑河谷地，皆系断陷而成，为相对沉降堆积区。

1.2 区域地层及沉积环境

昆仑山垭口盆地在以三叠系为主的基岩上充填了较完整的晚上新世至第四纪中期沉积序列，经构造抬升及流水切割形成较为平缓的低山丘陵和台状地貌。

根据地层接触关系、沉积充填序列、沉积组合、岩石岩性、沉积结构、沉积构造及沉积速率等特征，昆仑山垭口盆地可识别出冰川、湖泊、扇三角洲和洪积扇4种沉积相[8](图2)。洪积扇相发育于盆地底部昆仑组，其底部砾石层砾石成分主要为盆地北部三叠系变质岩；扇三角洲相分布于羌塘组下段底部和上段上部，盆地充填由前期昆仑组远端洪积扇沉积的砾岩、砂质砾岩和砾质砂岩转变为羌塘组下段底部扇三角洲沉积的块状、杂基支撑砂岩、砾质砂岩夹湖相粉砂质泥岩，由前期水上粗碎屑洪积转变为不稳定湖泊、扇三角洲沉积；湖泊相分布于羌塘组下段，主要由巨厚泥质细砂岩和粉砂岩、砂质细砾岩、砾质砂岩组成，富含水生植物，水平层理发育；冰川相分布于望昆冰碛层，主要由板岩、变砂岩、花岗岩、花岗片麻岩和辉石岩组成，具冰碛结构。

2 勘探情况

昆仑山垭口盆地常规油气和天然气水合物勘探程度均较低，前期未发现明显的烃源岩，也未有煤、石油、天然气等显示的报道[4]。祝有海等[4]认为,昆仑山垭口断裂带的持续活动为地下深处的烃类气体向上运移提供了便利通道，有利于天然气水合物形成。卢振权等[9]通过多年冻土区野外冻胀、坍塌、冷泉冒气现象的观测及低空大气、冷泉气体、表层冻土沉积物、地下冰等不同介质中气体的地球化学分析，发现昆仑山口存在明显的地质地球化学异常，认为这些异常可能与天然气水合物有关。

吴青柏团队[7,10]在昆仑山垭口盆地勘探研究中发现天然气水合物赋存的证据。2009年和2010年在昆仑山开展了天然气水合物试验孔的钻探工作，钻探浅钻两口，获得了多年冻土、气体组分和测井等第一手资料。2个钻孔的气体组分和同位素数据显示气体来源为有机成因气，烃类气体以CH4为主，含微量的C2H6、C3H8和C4H10；与世界上其他多年冻土区地温梯度相比，此两个钻孔的地温梯度对水合物的形成非常有利。2013年6月在昆仑山垭口断裂南侧钻探了第3个试验孔，钻孔岩心气体释放异常、地球物理测井和气体化学特征分析揭示了昆仑山垭口盆地冻土区天然气水合物的赋存证据。钻探结果显示，部分岩心表面直接可观察到气体释放，用液氮冷冻后岩心表面可见蜂窝状的细小气孔分布。同时，钻探过程中多个深度钻探孔口可直接观察到气体释放异常，岩心浸水后冒气泡并最终呈淤泥状，测井曲线显示在250～450m之间具有多层低密度、高电阻率和高声波速率(高波速)特征(图3)，并与实际钻探中岩心气体释放和钻孔孔口气体释放异常具有明显一致性，标明该区可能赋存天然气水合物。

从深度210～580m的岩心中取20块样品，进行薄片岩矿鉴定分析。结果显示，样品受动力作用明显，呈糜棱化(图4)，主要为糜棱岩—糜棱片岩。综合分析显示，钻井钻遇地层自上而下依次为更新统望昆冰碛层、上新统—更新统羌塘组湖泊相沉积层，下伏三叠系巴颜喀喇群轻变质泥板岩、糜棱岩层。

3 形成条件

天然气水合物油气系统概念在国际上已逐步获得共识。在天然气水合物油气系统中，控制天然气水合物形成的主要因素包括天然气水合物稳定条件(地层温度、地层压力、气体组分及孔隙水盐度)、气源、气体的运移、水的有效性及合适的储层等[11]。

3.1 冻土厚度及地温条件

昆仑山垭口盆地年平均地温为-3.5～-2.8℃，根据钻孔测温数据[7]，地温梯度为2～5℃/100m，地温梯度变化较大。多年冻土广泛分布，多年冻土层内地下冰较为发育，地下冰赋存最大深度约为90m。钻孔1，多年冻土年平均地温为-2.4℃，多年冻土厚度为82m，多年冻土层内地温梯度为3.3℃/100m，多年冻土层下地温梯度为4.9℃/100m；钻孔2，多年冻土年平均地温为-2.9℃，多年冻土厚度达112m，多年冻土层内地温梯度为3.6℃/100m，多年冻土层下地温梯度为4.3℃/100m；钻孔3，多年冻土厚度约为81.5m，地温梯度较低，多年冻土层下地温梯度约为2.5℃/100m。祁连山木里地区平均地表地温约为-2.6℃，冻土厚度约为88m，冻土层下地温梯度为1.3～4.5℃/100m，平均为2.2℃/100m[12]，昆仑山垭口盆地年平均地温及地温梯度与祁连山木里地区相当，表明昆仑山垭口盆地具备天然气水合物形成的温压条件。

3.2 气源条件

昆仑山垭口盆地62道班常年有气体逸出现象(冷泉气)。垭口盆地多年冻土区钻孔气体组分和同位素数据显示[7]，气体中烃类组分以CH4为主，含微量的C2H6、C3H6和C4H10。钻孔1，钻井液气体的C1/(C2+C3)值为163～1642；钻孔2，岩心和钻井液气体组分主要为CH4，未检出C2H6等气体组分，同时δ13CCH4<-60‰，属于微生物成因气。两个钻孔均发现较高含量的CO2，而且δ13CCO2值为-26.8‰～-20‰，小于-10‰，说明其为有机成因气。

钻探岩心中灰黑色—黑色页岩大量发育，钻探过程中井筒气泡明显(图5)，显示气源条件较好。

3.3 运移及储层条件

昆仑山垭口盆地构造运动活跃，岩心观察发现岩样受挤压作用明显，发生了明显的变形，断裂及裂缝发育。昆仑山垭口断裂带的持续活动为地下深处的烃类气体向上运移提供了便利的通道，有利于天然气水合物的形成。

从钻探情况看，钻孔穿越的地层沉积相主要为冰川相、扇三角洲相和湖泊相，上部发育冰碛物及第四纪松散沉积物，厚度约为160m；下部为砂岩和页岩互层，裂缝发育，为天然气水合物的形成提供了较好的储集空间。

3.4 综合分析

昆仑山垭口盆地断裂构造发育、冻土广泛分布、气源充足且含有较多的CO2组分，具有天然气水合物形成的基本条件；而断裂、裂缝、砂岩和页岩互层为天然气水合物的储存提供了良好的空间。根据研究区的基本条件，结合钻孔气体组分，利用Sloan的CSMHYD软件对该盆地天然气水合物形成进行了模拟，模拟主要参数如下：年平均地表温度为-3℃，多年冻土层平均厚度为82m，冻土层下平均地温梯度为3℃/100m和4.5℃/100m两种情况，CH4含量为50%，CO2含量为42%，C2H6含量为5%，C3H8含量为3%。结果显示(图6)，该盆地具备形成天然气水合物较好的温压条件，稳定带厚度约为260～450m，冻土层下地温梯度对稳定带厚度影响较大。

4 结论

昆仑山垭口盆地为中纬度、高海拔、多年连续冻土分布区，年平均地温低，发育富含有机质的湖泊相及湖沼相灰黑色页岩，区域构造运动活跃，有利于区域烃源岩的成熟及油气运移。

通过昆仑山垭口盆地冻土厚度、地温条件、气源条件、运移及储层条件的研究表明，该盆地具有较好的天然气水合物成藏基础。此外，钻探过程中发现的天然气水合物异常显示初步证实了研究区存在天然气水合物。

今后需加强低温钻井液和取样技术等攻关工作，保障钻探获取更详细的第一手资料。同时，还需结合昆仑山地区的隆升史进一步探讨烃源岩演化、区域抬升与变质作用、冻土演化、油气运移与水合物成藏之间的相互关系。

致谢：对于在野外采样、室内描述等资料收集过程中，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所吴青柏老师、邓友生老师和张鹏老师、蒋观利老师给予的帮助和支持，在此表示感谢。

参考文献

[1]王丽忱, 甄鉴.天然气水合物项目研究典型案例及对我国的启示[J].非常规油气, 2014, 1(3): 79-84.

[2]张金华, 魏伟, 魏兴华, 等. 我国天然气水合物勘探及研究进展 [J]. 非常规油气, 2014, 1(1): 75-81.

[3]蒋国盛, 向先超, 汤凤林, 等. 天然气水合物成矿特征与分布[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2001, 28(S1): 169-171.

[4]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.

[5]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.

[6]许清海, 阳小兰, 王子惠, 等.晚更新世晚期以来昆仑山垭口区的植被与环境[J]. 微体古生物学报, 1996, 13(4):387-393.

[7]杨玉忠, 吴青柏, 邓友生, 等.昆仑山垭口多年冻土区钻孔气体组分分析[J]. 天然气地球科学, 2011, 22(6):1076-1081.

[8]张振. 青藏高原昆仑山垭口盆地沉积记录的气候变化[D].兰州:兰州大学, 2007.

[9]卢振权, 吴必豪, 饶竹, 等. 青藏铁路沿线多年冻土区天然气水合物的地质、地球化学异常[J]. 地质通报, 2007, 26(8): 1029-1040.

[10]吴青柏，蒋观利，张鹏，等.青藏高原昆仑山垭口盆地发现天然气水合物赋存的证据[J]. 科学通报, 2015, 60(1): 68-74.

[11]Timothy S Collett. The Gas Hydrate Petroleum System[C].Proceedings of the 8th International Conference on Gas Hydrates (ICGH8-2014),Beijing, China, 28 July—1 August, 2014.

[12]祝有海, 刘亚玲, 张永勤. 祁连山多年冻土区天然气水合物的形成条件[J]. 地质通报, 2006, 25(1-2): 58-63.

Formation Conditions of Natural Gas Hydrates in Kunlun Mountain Pass Basin

Zhang Jinhua1, 2, Wei Wei2, Wei Xinghua2, Xiao Hongping2, Peng Yong2, Zhang Qiaozhen2，Wang Pei2

(1. School of Ocean Sciences, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;2. Research Institute ofPetroleumExplorationandDevelopment-Langfang,Langfang,Hebei065007,China)

Abstract:Kunlun Mountain Pass Basin holds good conditions for the formation of natural gas hydrate. Drilling results indicated the presence traits of natural gas hydrate in the basin. Based on the tectonics and deposition condition analysis, and combined with the natural gas hydrate petroleum system theory, we discussed the natural gas hydrate reservoir conditions in the basin. Through analyzing permafrost thickness and ground temperature conditions, the gas source and gas component conditions, migration and reservoir conditions, etc., we believe that the basin has good temperature and pressure conditions for gas hydrates formation, and high CO2 content in the area is more conducive to the formation of gas hydrates. Numerical simulation reveals that the maximum value of gas hydrate stability zone thickness can up to about 450 meters in the area. The formations with well-developed cracks and inter-bedded sandstone-shale provide good reservoir space for gas hydrates.

Key words:Natural gas hydrate; accumulation condition; Kunlun Mountain Pass Basin; hydrate petroleum system

基金项目：中国石油科技管理部项目(2014A-4806)。

第一作者简介：张金华(1983年生)，男，在读博士，工程师，主要从事天然气水合物等非常能源研究工作。邮箱：zhangjh69@petrochina.com.cn。

中图分类号：TE122

文献标识码:A