祁连山木里盆地陆域水合物

天然气水合物

引言：
2008年，在祁连山木里煤矿区首次发现了中国陆域冻土带天然气水合物实物样品，使我国成为世界上第一个在中低纬度冻土区发现天然气水合物的国家，也是继俄罗斯、美国、加拿大陆域冻土区钻遇天然气水合物实物样品的第四个国家。而后进行了一系列的钻探勘查工作。2013年7月起，启动了“青海省天峻县聚乎更煤矿区三露天天然气水合物调查评价”，总投资6600万，这也是中国首个陆域水合物资源评价项目。2015年年底完成初步工作，为中国陆域水合物研究提供了大量一手、原始资料。


一、地质概况

     本次调查研究区为青海木里聚乎更煤矿区三露天井田。调查研究区大地构造处于青藏高原北部西域板块中祁连陆块西段。在聚乎更煤矿区内，中部三叠系地层隆升，两侧次一级向斜内残留中侏罗统煤系地层，构造形态整体显示为北西走向的复式向斜，其内北西向逆冲断层显著发育，北东向规模较大的剪切断裂则将其切割成断续的不同大小块段，由此，聚乎更煤矿区呈现南北分带、东西分区的构造特征，并将聚乎更煤矿区划分为如今3个露天、4个井田的平面格局。三露天天然气水合物调查研究区即位于聚乎更煤矿区复式向斜南向斜构造单元内。

     调查研究区内地形总体呈西高东低、南高北低之势，标高在3999～4287m，常年发育冻土。冻土层深度在60～120m，冻土由于受季节、气温变化的影响，每年4月份开始融化，至9月份回冻，最大融化深度小于3m。调查研究区内上三叠统地层直接出露为老山或作为沉积基底直接与中侏罗统煤系呈低角度不整合接触。含煤地层包括以黑色、灰色油页岩(页岩)、泥岩为主并夹薄煤层、灰色粉砂岩、细砂岩、中砂岩的江仓组(J2j)和以主可采煤层、灰(白)色粉砂岩、细砂岩、中砂岩、(含砾)粗砂岩为主的木里组(Jm)。其中，江仓组和木里组又可分别分为上段和下段。

调查研究区内地层呈北西向狭长的条带状，向南西方向倾斜。受断层逆冲推覆控制，在调查研究区西南侧，有下部正常煤系地层倒转并被推覆至地表，平面上显现重复的两套煤系地层。

图1 三露天井田地质图

二、工程部署

       2008—2009年在调查研究区，中国地质调查局与青海煤炭地质一0五勘探队共同施工了DK-1、DK-2、DK-3等7个钻孔，其中，在DK-1孔及其20～30m范围内的DK-2、DK-3孔等3个钻孔均钻获到天然气水合物实物样品。2013年，神华集团青海能源发展有限责任公司投资的项目在调查工作区西北部施工4个钻孔，其中，DK13-11、DK12-13、DK11-14钻孔中钻获了天然气水合物实物样品。2014年，青海省天峻县聚乎更煤矿区三露天天然气水合物调查评价项目又在调查研究区中至东部推进，施工10个钻孔，其中仅有DK8-19钻孔钻获了天然气水合物实物样品。

       2013年底至2015年，神华集团青海能源发展有限责任公司投资的青海省天峻县聚乎更煤矿区三露天天然气水合物调查评价项目野外累计完成了三维地震、化探、微生物调查、钻探、测井、气测录井、随钻地质、样品采集与分析测试等多项工作。其中，三维地震调查工作覆盖了研究区西北部5.31km2范围，化探、微生物调查、钻探等其他工作均覆盖了全区11.72km2面积。应该指出的是，本次工作首次实施了我国陆域冻土区天然气水合物三维地震调查。相比以往，本次工作采用的勘查方法更为全面，更具针对性。

三、区域沉降演化史

沉降史模拟参数的确定

       采用回剥法反演聚乎更矿区三露天井田构造沉降史。研究区中新生代以来为河流、湖泊相陆内盆地，古水深变化较小，故忽略不计。剥蚀量的确定采用区域地层对比法，应用区域综合地质柱状图和三露天钻孔柱状图，根据厚度递减原则，将研究区被剥蚀的岩性层段与邻区未被剥蚀的层段进行对比，从而估算被剥蚀岩层的厚度。

沉降史分析

       根据基础地质数据、地层单位年龄值、剥蚀量等沉降史模拟参数，利用中国矿业大学(北京)的沉降史模拟系统，反演出研究区沉降史模拟图(图2)。研究区沉降史曲线大致可以分为7个阶段(图4中编号①—⑦)，自石炭纪以来主要经历了4期沉降和3期抬升。

(1)第1期沉降:从石炭纪至晚三叠世中期，研究区持续接收稳定的沉积，其中石炭纪—二叠纪沉降曲线斜率的较小，平均总沉降速率为15m/Ma，沉降较缓慢，早三叠世至晚三叠世中期沉降曲线斜率较大，平均总沉降速率为44 m/Ma，沉降较快速。

(2)第1期抬升:晚三叠世末期，由于晚印支运动影响，古特提斯洋闭合，地表抬升，地层接收剥蚀，剥蚀厚度较小。

(3)第2期沉降:早中侏罗世，该段沉降曲线表现为上凸形，代表了裂陷旋回。早侏罗世经历了较缓慢热沉降，中侏罗世经历了较快热沉降，晚侏罗世和早白垩世经历了快速沉降。

(4)第2期抬升:晚白垩世燕山运动尾幕，研究区经历了坳陷－隆升的过程，区域隆升遭受剥蚀，剥蚀厚度大于1 000 m，构造作用使沉降作用减弱，缺失晚白垩世及早白垩世地层，并导致古近系部分沉积间断。

(5)第3期沉降:中新世，构造沉降速率为16m/Ma，总沉降速率为45 m/Ma，沉降速率较快，沉降曲线斜率较大。

(6)第3期抬升:上新世，地层受喜马拉雅碰撞和青藏高原隆升影响，快速隆升;新近纪所沉积地层抬升并剥蚀，中侏罗世地层出露地表。

(7)第4期沉降:第四纪，构造沉降速率为9m/Ma，总沉降速率为27 m/Ma。地层沉降速率较快。

图2 沉降演化史模拟图

四、气源分析

       在研究区西部地区水合物气源成因研究中表明，水合物气体以热解成因为主，气体来源与油型气密切相关，热解成因气主要为原油裂解气、原油伴生气，含少量凝析油伴生气、干酪根裂解气。由于本次未获得6个钻井顶空气样品的同位素数据，仅仅根据顶空气组成来判断气体成因结论并不全面，结合之前对该地区水合物气体成因的判别，将青海木里三露天地区岩心顶空气综合判定为有机成因，主要为热解成因气，并可能混有少部分微生物气，热解成因气或主要为原油裂解气、原油伴生气及凝析油伴生气。这种推论也与本次6个钻井揭示的水合物产出与油气伴生等地质现象相符。

       根据对DK13-11、DK12-13、DK11-14、DK8-19等井中含水合物岩心样品自然释放出的气体进行分析和综合研究，结果显示:研究区含水合物岩心气体以轻烃为主，具湿气特征，其同位素表现为正碳同位素系列，除DK8-19井的部分浅层岩心烃类气体可能含有少量生物成因气外，研究区其余所有井中含水合物样品的气体组成均以热解成因气为主。由于顶空气样品主要采自研究区西部地区，如果结合研究区内解析气样品的分析结果，可以初步认为:研究区内气体为混合成因，其中东部地区烃类气体以微生物成因气体为主，并混合少量热成因气体;中西部地区烃类气体以热成因气体为主，其热解气具有原油裂解气特征，少部分气体具微生物改造的特征，同时还混合有部分微生物成因气及少量煤成气。

五、储层分析

       根据在青海祁连山木里地区三露天施工完成的14口天然气水合物钻孔揭露的地质信息，从天然气水合物产出、赋存等方面介绍工作区天然气水合物基本特征。产出在冻土层以下、江仓组及其上覆空间120～400m深度范围内，其层段厚度变化大且在垂向上不连续，横向对比性差。储层主要为大套孔渗整体偏低的暗色泥(页)岩层系。从储层方面分析， 受岩相的控制作用三露天天然气水合物在空间上的分布有一定的选择性、延展性和可追索性， 即其储层具有相对稳定性; 三露天天然气水合物在储层内部的分布除了受有利储层产状变化限制外， 还受到裂隙产状的控制， 致使其在空间上分布既不规则、又往往突然消失或突然出现。

       钻探揭示三露天天然气水合物平面上集中分布在第8勘探线以西至第13勘探线之间范围内F2断层以南的与构造走向和地层走向相近的狭长条带内。三露天天然气水合物纵向上产出在冻土层以下、江仓组及其上覆空间120～400m深度范围内，其层段厚度变化大且在垂向上不连续，横向对比性差。

       三露天天然气水合物储层主要为大套孔渗整体偏低的暗色泥(页)岩层系，如大套连续以暗色泥岩、(油)页岩为主的江仓组上段(J2j2)。由于其受构造应力作用，天然气水合物储层更容易形成裂隙而使其孔渗性得到优化，其中有一定硬度、有钙质胶结或非粘土矿物含量偏高且裂隙发育又相对较整状的泥质、粉砂质和二者岩性过渡的细粒岩为较好储层。

六、构造演化史

石炭纪—三叠纪

       研究区在石炭纪—二叠纪为浅海陆棚沉积环境，接收较缓慢的沉积;三叠纪沉积活动加剧，沉积速率加快，沉积幅度加大。晚三叠世晚期，由于印支运动影响，地表抬升，接收剥蚀，陆地内部起伏不平，形成了一系列具方向排列的、规模大小不等的内陆湖盆作为侏罗系的沉积场所。

侏罗纪—早白垩世

       早侏罗世，由于燕山运动研究区由三叠纪受压环境转变为伸展环境，并在伸展构造应力(剪切－拉张应力)作用下发生沉降，裂陷作用加强并形成断陷盆地，在沉积盆地内形成NW向或NE向伸展型的同沉积正断裂。中侏罗世，研究区在伸展环境中继续沉积，沉积范围增大。晚侏罗世，燕山运动第二幕使祁连地区构造应力场发生重大变化，造山带地壳发生大规模缩短，受力状态由伸张转变为挤压，形成逆冲断裂和褶皱。早白垩世，研究区在侏罗纪盆地基础上继续沉降，由于遭受挤压构造应力形成褶皱和逆冲断裂。

晚白垩世—第四纪

      晚白垩世至古近纪，研究区经历了燕山运动Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ幕，使盆地总体一直遭受挤压，地层抬升并遭受剥蚀。研究区经历了坳陷－隆升的过程，区域地层隆升遭受剥蚀，构造作用使沉降作用减弱，早白垩世地层几乎全被剥蚀，并导致晚白垩世与古近纪地层部分沉积间断。在强烈构造挤压应力下，研究区形成了褶曲与断裂构造。中新世，研究区部分接收沉积，沉降量和沉降速率变大。上新世，由于新构造运动的影响，研究区大幅度抬升并接收剥蚀，形成大量的逆冲推覆断层，呈后展式的叠瓦扇状，同时褶皱构造被逆冲断裂所切割。

图3 三露天埋藏史与古地温图

七、水合物成藏模式

       研究区形成天然气水合物的气源以热解成因气为主，主要为原油裂解气、原油伴生气及凝析油伴生气，只有少部分在浅部混有部分微生物成因气及少量煤成气。这说明研究区天然气水合物的主要气源由下部或更深部提供。研究区下部或深部烃类气体沿断裂带向上运移，要形成天然气水合物本质上取决于天然气水合物温、压即冻土条件。过去模拟结果显示，研究区及外围地区烃源岩在晚三叠世和中侏罗世有两期生油，在中侏罗世有一期生气，排油气都表现为中侏罗世一期。根据中国地质调查局的已有资料，祁连山地区冻土形成时间不晚于中更新世早期。这就是说，下部或深部气体经运移作用至浅部的时间与冻土形成满足天然气水合物形成的温、压即冻土条件在时间上并不匹配，这就要求运移至浅部的烃类气体在形成天然气水合物之前得以聚集和保存。本次在研究区中西部钻获的天然气水合物赋存层段与F1、F2断层密切相关，特别是产出在这些断层下盘，它们大多还产出在油页岩、泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩裂隙中。这些岩性对从下部或深部运移而来的气体具有较好的封堵作用，从而使这些烃类气体能在该岩层段裂隙中得以聚集和保存。这些层段的下部或附近如果存在砂岩层段，也可使得该砂岩层段成为烃类气体的有利储集体。      

       此外，F1、F2断层本身强压扭性质在浅部也能使运移而来的烃类气体被封堵而发生聚集。当研究区形成冻土特别是形成岛状永久冻土后，先前聚集的烃类气体在天然气水合物稳定带内就可与水结合便形成天然气水合物。其中，当先前聚集的烃类气体在浅部加入了微生物烃类气体或煤成气体后，这些混合气体达到天然气水合物稳定带后形成天然气水合物，就表现为混合气体成因特征。当先前聚集的烃类气体处于天然气水合物稳定带之外，即表明这些聚集的烃类气体埋藏深度太浅，它们不可避免地继续不断向上渗漏，甚至以分散的游离气体形式处在更浅部地层中，即如过去中国地质调查局实施的及本次神华投资项目实施的许多钻井中曾遇到过，在较浅部地层中观察到不同程度的气体异常现象。如果在浅部微生物气体的不断供应下继续得以保存，便可形成异常高压浅层气层，如过去中国地质调查局实施的DK-10井即遇到这种情况。

       因此，研究区可以初步建立如下天然气水合物成藏模式(图4):气源岩生成烃类气体后运移至浅部直接或间接由中侏罗世晚期—早白垩世早期形成的F1、F2具压性断裂连同泥岩、油页岩等封堵形成浅部气体聚集;浅部气体聚集体局部可加入微生物烃类气体或煤成气体，它们在不晚于中更新世早期形成的岛状永久冻土作用下，在天然气水合物稳定带内与水结合形成天然气水合物，或处在天然气水合物稳定带之外便以更浅部的异常高压气层或游离(吸附)气存在于地层中。显然，研究区由于气源类型与供应条件、运移与聚集条件、天然气水合物稳定带范围的差异，这些要素之间的匹配关系在不同井位上具有很大的差异性，从而影响该区天然气水合物在横向平面上和纵向剖面上形成与分布的不均性。

图4 研究区水合物成藏模式图

八、资源初步评价      

       以青海煤炭地质一 0 五勘探队在青海木里三露天实施的系列天然气水合物钻井资料为基础， 根据已发现天然气水合物产出层位、岩性、深度、气体异常、厚度变化、主控断层等信息， 同时通过对地质异常、三维地震、测井化探、微生物多种方法技术的成果对比和分析， 在平面上确定出研究区天然气水合物分布区块，进一步运用体积法估算了青海木里聚乎更煤矿区三露天地区天然气水合物资源量， 并对其经济可采性进行了初步评价。结果显示， 三露天地区天然气水合物烃类气体控制的地质储量和推测的地质储量分别为 213. 85 万 m3 和 452. 60 万 m3 ;结合对三露天调查区天然气水合物的地质认识、资源量、开采技术条件等因素的综合分析， 认为调查区天然气水合物赋存情况复杂、资源量偏低、开采技术不成熟， 目前暂不具备经济开采价值。

图5 研究区水合物平面分布评价图

资料来源：

青海省天峻县聚乎更煤矿区三露天天然气水合物调查评价项目

编辑：许佳锐、杨瑜

侵权立删。

我爱发明

请问楼主，盆地模拟方法在水合物成藏演化中，前景如何？

天然气水合物

我爱发明 发表于 2016-4-18 08:38

不是做这方面的，所以说得不好还请见谅。但个人觉得盆地模拟的相关工作还是非常有意义的。目前我们国家水合物的研究相比领先国家还存在很大的差距，包括勘探程度、技术水平、基础理论等。盆地模拟能帮助我们从理解盆地格架盆地结构，从而更好的理解有关水合物各个方面的演化过程和规律，例如水合物气源运移通道和储存空间常与构造有关。实际上我们现阶段很多勘探工作，都是把油气地质甚至固体矿产勘查的东西照搬过来用，但实际上，水合物既不完全是传统油气，也不是传统固体矿产，水合物需要属于自己的一套独立完整的体系，这就需要我们这一代人去努力构建。我想这个过程，盆地模拟的手段也许恰恰能起到重要作用。