祁連山木里地區(qū)天然氣水合物成藏模式分析

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)油氣重點實驗室，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物樣品野外直接觀察到白色冰狀天然氣水合物與點火燃燒現(xiàn)象，并通過室內(nèi)激光拉曼光譜檢測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)者主要針對海域開展相應(yīng)的研究并取得了一些認(rèn)識。樊栓獅和陳多福等學(xué)者[4-5]提出了擴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，氣體沿斷裂、泥火山或其他構(gòu)造通道從深部運移至水合物穩(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，氣源成因關(guān)系到天然氣水合物的成藏機制[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)行了測試(圖1)，分析顯示其有機碳含量(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成因，且以熱解成因為主，主要與原油裂解氣、原油伴生氣有關(guān)。

2.2 流體運移體系

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背斜和南北兩側(cè)以侏羅系含煤地層組成的兩個向斜[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移的重要通道，為深部油氣運移創(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所。同時，木里煤田的凍土在第四紀(jì)冰川時期形成[18]，之后新構(gòu)造運動使之不斷上升，并保持了高寒的特點，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。針對這些參數(shù)，利用Sloan的CSMHYD軟件對木里地區(qū)的溫度和壓力條件進(jìn)行了計算，同時根據(jù)地層壓力計算，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，點火能燃燒，泄漏持續(xù)時間近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，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)造通道作用下運移而形成的一種熱解氣-低溫冷凍-地層型為主的動態(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)時間較長的區(qū)域。

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