引用本文
周亚龙, 张富贵, 杨志斌, 唐瑞玲, 孙忠军, 张舜尧, 王惠艳. 祁连山冻土区天然气水合物游离气测量技术试验[J]. 物探与化探, 2017,41(6): 1075-1080.
ZHOU Ya-Long, ZHANG Fu-Gui, YANG Zhi-Bin, TANG Rui-Ling, SUN Zhong-Jun, ZHANG Shun-Yao, WANG Hui-Yan. Test of natural hydrate free-gas measuring technique in permafrost region of Qilian Mountain[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(6): 1075-1080.
Doi:10.11720/wtyht.2017.6.12  
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祁连山冻土区天然气水合物游离气测量技术试验
周亚龙1,2,3, 张富贵1,2,3, 杨志斌1,2,3, 唐瑞玲1,2,3, 孙忠军1,2,3, 张舜尧1,2,3, 王惠艳1,2,3
1.国家现代地质勘查工程技术研究中心,河北 廊坊 065000
2.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000
3.中国地质科学院 地球表层碳—汞地球化学循环重点实验室,河北 廊坊 065000;

作者简介: 周亚龙(1984-),男,工程师,硕士研究生,毕业于中国地质大学(武汉)石油地质专业,主要从事油气与天然气水合物地球化学勘查研究。Email:zhouyalong@igge.cn

收稿日期: 2017-09-08
基金: 国家127专项项目(GZHL20110324); 中央公益性科研院所基本科研业务专项基金(AS2015J02)
摘要

在青海木里已知水合物发现区,利用west便携式土壤通量测量仪和Picarro公司的G2132-iAnalyzer甲烷碳同位素分析仪开展游离气甲烷现场测量技术试验。游离气甲烷含量特征值和地球化学异常空间分布特征显示,研究区已知水合物矿藏上方存在良好的游离气甲烷地球化学异常,异常展布受到控矿断裂和地下水合物矿藏的影响,具有对应关系。有机地化和甲烷碳同位素证实祁连山冻土区天然气水合物属于热解成因。研究区游离气甲烷地球化学异常成因主要为热解成因与微生物成因,冬季开展游离气甲烷试验能减少地表微生物作用的干扰。试验结果表明,游离气甲烷现场测量技术适用于木里地区天然气水合物地球化学勘查,能够指示水合物矿藏,其最佳采样时间为冬季,是天然气水合物勘查的有效补充技术。

关键词: 游离气; 甲烷通量; 冻土区; 天然气水合物; 祁连山
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)06-1075-06
Test of natural hydrate free-gas measuring technique in permafrost region of Qilian Mountain
ZHOU Ya-Long1,2,3, ZHANG Fu-Gui1,2,3, YANG Zhi-Bin1,2,3, TANG Rui-Ling1,2,3, SUN Zhong-Jun1,2,3, ZHANG Shun-Yao1,2,3, WANG Hui-Yan1,2,3
1.State Research Center of Modern Geological Exploration Engineering Technology,Langfang 065000,China
2.Key Laboratory of Geochemical Cycling of Carbon and Mercury in the Earth's Critical Zone,Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China;
3.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China
Abstract

The field measuring test of free-gas methane was carried out in Muli known hydrate region of Qinghai through west portable soil flux measuring instrument and G2132-iAnalyzer Methane-carbon isotope analyzer. The spatial distribution of free-gas methane characteristic values and geochemical anomaly reveals that there exist good free-gas methane geochemical anomalies above the hydrate deposit, while the spatial distribution of the anomalies is controlled by ore-controlling fractures and underground mineral resources, showing corresponding relation. The research on organic geochemistry and carbon isotope indicates that the gas hydrates in Qilian permafrost region is of thermal origin. The free-gas methane field analysis shows that the free-gas methane geochemical anomaly is mainly of thermal and microorganism origin, and the free-gas methane experiment in winter can reduce the interference of the surface microbial action. The study results indicates that the free-gas methane field measuring technique is applicable to the natural gas hydrate exploration, which can not only indicate the hydrate deposits but also serve as the mutual supplement to other hydrates geochemical exploration techniques, with the best sampling time being winter.

Keyword: free-gas; methane flux; permafrost region; natural gas hydrate; Qilian Mountain
0 引言

2008年在我国青海祁连山木里永久冻土区首次钻获天然气水合物实物样品[1]。目前, 陆域冻土区天然气水合物勘查主要是地质、地震、非震物探和钻探等方法, 但是冻土区反射地震没有发现海洋水合物矿藏特征的“ BSR” 现象, 其应用受到限制[2, 3]。部分学者在多年冻土区开展了土壤顶空气(物理吸附烃)、酸解烃(化学吸附烃)等地球化学勘查方法试验[4, 5, 6, 7, 8, 9], 然而, 陆域冻土区天然气水合物勘查技术研究还处于起步阶段, 到目前为止还没有发现一种行之有效的勘查技术[9, 10]。

为了探索陆域冻土区天然气水合物地球化学勘查技术的有效性, 以祁连山天然气水合物矿藏为试验区, 在目前冻土带水合物勘探尚未探索出一套行之有效方法的情况下, 进行了游离气现场测量地球化学方法试验, 以期为陆域冻土区天然气水合物勘查研究提供有效的地球化学勘查技术。

游离气分析技术是国内外油气化探发展迅速的技术, 而且取得了一定的地质效果[11, 12, 13, 14]。有几方面的原因[14]:① 游离气技术测定的是现在正在进行微渗漏的烃类组分; ② 该技术不受或少受地表景观因素的影响; ③ 可以排除环境污染等人为因素的影响; ④ 游离烃组分与其他化探指标如酸解烃、热释烃、顶空气、Δ C和热释汞等不相关或微弱的负相关, 游离烃在其他化探指标中是独立的因子, 具有独立的化探作用[11]。

1 研究区地质特征

祁连山木里凹陷是南祁连盆地的一个次级坳陷, 是青海省著名的煤田。研究区位于祁连山木里煤田聚乎更矿区, 矿区总体上是一个复式背斜构造。已发现的天然气水合物矿藏位于聚乎更矿区南向斜三露天井田内。区内发育两组断裂, 一组是与区域推覆构造方向基本一致、规模较大的逆冲断层, 另一组生成时代较早, 为与之相斜交呈NW、NE向的平移正断层。区内F1、F2逆冲断层形成时间相对最晚, 自燕山期形成以来, 其性质表现为强压性特征, 对深部气体的运移作用和对浅部气体的聚集作用最为有利, 为研究区天然气水合物的主控断层[15]。

祁连山木里天然气水合物钻探揭示矿区天然气水合物产于中侏罗统江仓组细砂岩、粉砂岩、泥岩和油页岩中, 产出深度133~396 m, 产出状态为“ 裂隙型” 和“ 孔隙型” , 未见“ 集块型” [16]。DK-1等钻孔天然气水合物实物样品测试显示, 其甲烷质量分数为54%~76%, 乙烷为8%~15%, 丙烷为4%~21%, 并有少量的丁烷、戊烷等, 属于Ⅱ 型水合物[17]。目前, 大家认为天然气水合物的气源主要是来源于烃源岩和煤层气[18, 19, 20, 21]。

2 测量方法

2011年在木里已知水合物发现区, 开展游离气甲烷通量测量, 监测点160个(图1)。

图1 木里地区土壤游离烃甲烷测量点位

游离气通量测量主要是定量监测土壤/大气之间甲烷和二氧化碳的交换量。测量仪器采用意大利west便携式土壤通量测量仪。测量仪器主要有3部分组成:主机、内置GPS的手持数据管理器(PDA)和叶室(accumulation chamber)。测量时将叶室埋藏于测量点近地表土壤中, 叶室用土壤密封, 防止叶室内气体与大气流通; 主机开机后预热20 min, 待叶室内排除空气干扰, 主机系统内置红外分光光度计测量的读数稳定之后, 利用PDA读取测量值。测量参数为CH4和CO2, 测量精度为读数的3%, 重复性1.5%, CH4通量测量范围:0.5~150 mol/m2· day, CO2量程0~3 000 ppm。野外现场监测出甲烷、二氧化碳的通量值, 相关系数大于0.8时的读数为有效数据。

为对比土壤中不同存在形式的烃类特征, 同时还开展了土壤酸解烃(化学吸附态)、土壤顶空气(物理吸附态)调查工作, 采集样品300件。

3 试验结果
3.1 土壤中CH4主要存在形式

土壤中烃类气体一般以不同形式存在, 包括游离气、化学吸附气以及物理吸附气, 分别可以通过现场测量技术、酸解烃法和顶空气法测定。二氧化碳主要以游离态和碳酸盐形式存在。表1为采集的土壤样品分析检测数据及野外现场160件浅层甲烷和二氧化碳测量数据。分析表中数据可以发现, 区内各烃类组分含量表现为:物理吸附气(顶空气)> 游离气> 化学吸附气(酸解烃)。除低空气甲烷以外, 游离甲烷和顶空气甲烷、酸解烃甲烷一样, 变异系数都大于1, 为非均匀场, 说明该区存在烃类富集。

表1 祁连山木里浅层土壤地球化学指标特征值
3.2 游离态CH4的空间展布特征

从木里地区土壤游离烃甲烷含量地球化学图(图2)中可以看出:①天然气水合物矿藏上方存在明显的土壤游离烃甲烷地球化学顶部异常, 发现水合物的DK-1、DK-2、DK-9等井均位于异常上; ②土壤游离烃甲烷地球化学异常平面沿NW— NE向逆冲断裂F1展布, 最高值位于研究区的南部, 处于NNE向走滑断裂与NW— SE向逆冲断裂F0交汇处, 据邵龙义[22]对木里聚乎更天然气水合物潜在区中侏罗世岩相古地理的研究, 由WS— EN发育滨浅湖— 三角洲相沉积推测游离烃甲烷可能沿NNE向走滑断裂由南向北运移; ③通常水合物地球化学正异常有两种解释:一是水合物矿藏的微渗漏, 造成其近地表产生地球化学正异常, 另一种是水合物矿藏上方的烃类氧化菌微生物作用形成的, 目前来看, 在祁连山木里地区, 这两种地球化学作用均存在[6]。

木里地区土壤游离烃甲烷通量地球化学图显示(图3):①土壤游离烃甲烷通量地球化学空间展布特征与其含量地球化学空间展布特征存在明显的差异; ②天然气水合物矿藏顶部呈现游离烃甲烷通量负异常, 其边界呈现环状正异常, 反映出钻探证实存在水合物的DK-1、DK-9井上方土壤是吸收大气中游离烃甲烷的; ③该异常模式由两种地质作用形成, 一种是深部水合物(烃类)矿藏的微渗漏, 另一种是地表噬烃菌的生物作用; ④噬烃菌与氧化菌不同, 一种是消耗甲烷, 一种是产生甲烷, 顶部负异常主要是噬烃菌消耗甲烷引起。

图2 木里地区土壤游离烃甲烷含量平面等值线

图3 木里地区土壤游离烃甲烷通量平面等值线

4 异常成因

目前, 在轻烃的形成机理方面主要有两种理论体系, 一种是热解成因论, 一种是催化成因论, 生物气轻烃生成主要有微生物作用和催化作用[23, 24, 25]。根据形成作用的不同, 冻土区天然气水合物成因类型可分为热解成因和微生物成因, 少数地区的水合物中烃类气体同时包括上述两种成因[10]。

研究区有机地化分析表明:中侏罗统和上三叠统烃源岩整体有机质丰度较高, 有机质类型以Ⅱ 2型和Ⅲ 型为主。DK-3、DK10-16、DK11-14等水合物钻孔烃源岩样品镜质体反射率R0值均在0.78%~1.1%之间, 表明研究区内烃源岩处于热演化成熟并大量生成油气的阶段, 最高热解峰峰温Tmax在440~470 ℃, 说明烃源岩进入生油高峰, 开始生成少量天然气[26, 27]。

DK-2钻孔水合物储集层岩芯气样的甲烷碳同位素分布范围为-24.5‰ ~-47.2‰ , 平均值为-39.6‰ [20]; 木里已知水合物发现区土壤酸解烃样品中的甲烷碳同位素分布范围为-33.53‰ ~-47.93‰ [28]。甲烷碳同位素研究表明, 祁连山冻土区天然气水合物属于热解成因。祁连山天然气水合物的气源主要在深部, 气源岩生成的气体运移至浅部, 直接或间接由较晚形成具有压型断裂封堵形成浅部气体聚集, 经晚更新世以来冰期作用, 形成水合物或仍以游离或吸附气存在于地层中[26]。

针对研究区游离气甲烷地球化学异常成因问题, 利用美国Picarro公司的G2132-iAnalyzer甲烷碳同位素分析仪对甲烷地球化学异常区的游离气甲烷碳同位素(δ 13C1)开展了现场测试分析。研究区位于祁连山木里沼泽区, 考虑季节因数, 分夏、冬两季对游离气甲烷碳同位素进行了测试, 结果显示, 夏季游离气甲烷的主要成因是生物气、亚生物气、原油伴生气、和煤层气, 冬季则以凝析油伴生气和煤型气、原油伴生气为主, 裂解气为辅(图4)。

图4 土壤酸解烃C1/(C2+C3)与游离烃甲烷δ 13C1图解Ⅰ 1— 生物气; Ⅰ 2— 生物气和亚生物气; Ⅰ 3— 亚生物气; Ⅱ 1— 原油伴生气; Ⅱ 2— 油型裂解气; Ⅲ 1— 油型裂解气和煤成气; Ⅲ 2— 凝析油伴生气和煤成气; Ⅳ — 煤成气; Ⅴ 1— 无机气; Ⅴ 2— 无机气和煤成气

在冻土区甲烷形成带, 微生物作用生成游离气甲烷是通过两种作用形成的:①微生物通过二氧化碳还原反应[29]:

CO2+8H++8e-→ CH4+2H2O ;

②醋酸根发酵作用[30]:

CH3COOH→ CH4+CO2 。

这是微生物甲烷形成的主要地球化学作用。

木里沼泽地夏季微生物活动频繁, 微生物产生了大量的甲烷气, 增加了游离气甲烷通量, 在祁连山冻土区开展水合物游离气甲烷化探的最佳采样季节为冬季, 这个季节微生物甲烷含量最低, 甲烷通量异常与水合物对应关系最好。

5 结论

1)研究区已知水合物矿藏上方存在良好的游离气甲烷地球化学异常, 异常展布受到控矿断裂和地下水合物矿藏的影响, 具有对应关系。

2)游离烃甲烷碳同位素显示异常其成因既受到地下烃类物质的微渗漏影响, 同时还受到地表微生物活动的干扰, 其最佳采样季节为冬季, 可以减少地表微生物作用的影响。

3)游离气甲烷现场测量探索性试验证明在祁连山地区天然气水合物调查中游离烃甲烷指标具有很好的指示效果, 它不经任何化学处理, 也不经过任何改造, 又能定性和定量。该技术不受或少受地表景观因素的影响, 排除环境污染等人为因素的影响, 是天然气水合物勘查的有效补充技术。

(本文编辑:王萌)

The authors have declared that no competing interests exist.

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