随着世界上石油、天然气资源的日渐耗尽, 具有清洁能源的天然气水合物被称为21世纪最具有价值的战略资源。

目前发现的天然气水合物主要分布在海域大陆架和陆域永冻土区。海域天然气水合物勘探开发较早, 其方法技术相对比较成熟, 陆域天然气水合物勘探开发较晚, 目前仅在俄罗斯西伯利亚、加拿大马更些三角洲地区(Mackenzie De1ta)以及美国的阿拉斯加北斯洛普(North Slope)地区通过勘探发现了天然气水合物。我国陆域天然气水合物勘探起步较晚, 直到2008年才在青海祁连山木里冻土区发现天然气水合物实物样品^{[1, 2]}。世界上陆域天然气水合物主要集中在北极圈附近, 而祁连山永久冻土分布在中纬度地带, 与极地永久冻土区天然气水合物的赋存条件和基本特征存在着显著差异^{[3, 4, 5, 6]}。

在天然气水合物勘探中, 反射地震方法是一种最有效的方法, 在加拿大Mackenzie(马更些)三角洲Mallik地区^{[7, 8, 9, 10]}利用反射地震勘探技术, 取得了较好的探测效果。依据地震探测结果, 认为天然气水合物分布与深部断裂带有关, 在未胶结成岩地层中, 含水合物地层反射波的速度相对较高, 含水合物地层反射波的振幅与水合物的含量成正比, 水合物含量越高, 反射波振幅越强。

为配合青海木里地区天然气水合物资源勘查工作, 2010年, 我们在木里地区开展了反射地震方法探测天然气水合物的有效性试验研究(图1), 通过试验研究, 取得了一些利用地震属性识别含天然气水合物地层的初步认识, 根据已知钻孔揭示的含天然气水合物地层的地震属性, 结合其它物化探资料, 推测了天然气水合物分布范围, 该推断解释结果于2013年得到了钻探验证, 在验证孔内发现了厚度较大的天然气水合物实物样品。

图1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 测区地理位置示意

自震旦纪以来, 祁连山先后经历了大陆裂谷阶段、海底扩张及沟弧盆体系阶段、造山等演化阶段, 形成了现今的地质构造格局^[3]。

木里地区位于中祁连与南祁连两构造单元间的拗陷区内, 主要地层有侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系。侏罗系地层岩性主要为泥岩、粉砂岩、细粒砂岩及炭质泥岩。白垩系、古近系和新近系以细粒红色碎屑岩、粘土岩为主, 第四系分布广泛, 以冰水— 洪积和冰川堆积物为主^[4]。含天然气水合物的地层为侏罗系煤系地层, 该含煤地层沉积于三叠系为基底的坳陷中。

测区区域地质构造线总体方向为北西向, 大多断层以逆冲推覆断层为主, 与之相应的是在北西向、北东向拉伸作用下形成的走滑正断裂(图2)。试验区局部地质构造为一受断层切割的单斜构造, 主要断层为北西西和北东东向的逆冲断层, 地层产状整体为向南倾斜。

祁连山地区水资源丰富, 且具有丰富的煤层气, 并发现有长达将近1年的烃类气体漏泄, 在这面积约10× 10⁴ km²的多年冻土地区具备形成天然气水合物的物源条件和所需的冻土条件及温压条件^[4]。

图2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 试验区构造示意

在祁连山木里地区, 经钻井发现的天然气水合物位于永久冻土层之下, 钻孔揭示的天然气水合物呈薄层状、团块状赋存于泥质粉砂岩、细砂岩、泥岩的裂隙面上。图3为在祁连山木里冻土区天然气水合物DK-1科学钻探试验孔得到的速度、密度测井曲线^[2]。由该测井结果可以看出, 密度、纵横波速度与泊松比的测井曲线特征类似, 即含天然气水合物地层具有较低的密度和纵、横波速度及泊松比。而冻土区则具有较高的密度和纵、横波速度及泊松比。

从图3所示的测井结果, 推断75 m深度为永冻岩层的下界, 75~95 m之间为永冻岩层的过渡带。在永冻岩层以下, 密度降低似乎与常理不符, 推测该深度范围内密度的降低可能与岩层破碎有关。在天然气水合物分布的地层深度范围内, 具有密度、速度整体减小的趋势。煤层具有很明显的低速、低密度的特征。

图3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 DK-1科学钻探试验孔测井曲线

根据地震剖面上反射波的波组特征, 结合测区地质资料, 对获得的试验地震剖面进行了推断解释, 图5表示了经推断解释的L1线地震深度剖面。

图5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 L1线地震深度剖面

在解释后的L1线地震剖面上, 分布有多条逆冲断裂, 其中分布在剖面左侧倾向SW的逆冲断层断距相对较大, 且向地表延伸较浅, 而分布在剖面右侧的2条倾向NE的逆冲断层断距相对较小, 其活动性也不如向SW倾斜的断层。在这两条倾向SW的逆冲断层之间形成明显的断层破碎带, 在断裂破碎带内, 反射波振幅相对较弱。

对海洋天然气水合物的研究结果表明^[5], 天然气水合物稳定带与深部气源密切相关。在木里试验区, 十分发育的逆冲断层的上断点埋深较浅, 较厚永久冻土层(图3)作为良好的盖层, 使断裂破碎带有可能成为甲烷气体局部富集的空间。如果没有永久冻土层作为封闭盖层, 由深部运移的气源有可能通过断裂向上飘逸到地表, 形成不了天然气水合物。由此可见, 深部断裂带和烃源岩地层是形成天然气水合物的充分条件, 而永久冻土层则是天然气水合物富集成藏的必要条件。

在图5所示的L1线地震剖面上, 在相应的位置标出了了DK3、DK4和DK10钻孔(DK3与DK1相距很近, 如图2所示)。综合分析地震剖面上的波组特征、地震波的频率、振幅、速度和电阻率测井曲线^[12]分析, 不支持DK4钻孔钻遇天然气水合物。实际上, 由于DK4附近冻土层厚度较薄, 尽管该钻孔位置断裂构造发育, 也没有钻遇天然气水合物实物样品。根据所获得的地球物理资料, 结合钻孔资料, 推断解释了天然气水合物富集地带, 如图5上的半透明黄色条带所示。

剖面上的DK10是依据其它非地震资料确定的钻孔位置。在DK10中, 未发现天然气水合物, 但发现了大量气体。由图5所示的地震剖面看出, DK10位于一个断层圈闭的构造上, 受断层圈闭影响, 钻孔揭示的孔中气体压力较大。在DK10附近地震波频率低、振幅弱, 与已发现天然气水合物的DK3附近的地震波组特征明显不同, 显然, 地震资料本身不支持在该处钻遇天然气水合物。

图6表示了经解释后的L4线地震深度剖面, 由于该剖面基本沿构造走向布置, 地震剖面上反映的地层产状比较平缓。在该剖面上解释了4条倾向NW的正断层和一组倾向SE的逆断层。根据DK3揭示的天然气水合物层段在地震剖面上的波组特征, 结合其他物化探资料, 特别是由电阻率解释的冻土层厚度, 提出了DK9验证孔位。实际上, 在建议的钻孔位置反射地震波组还有微隆起, 该隆起更有利于甲烷气体富集, 在合适的冻土及温压条件下形成天然气水合物。

图6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 L4线地震深度剖面

图7为2013年实施的DK9验证孔综合柱状图, 可以看出, 在DK9验证钻孔188.2~209.45 m处发现有含天然气水合物地层A, 单层厚度大于20 m。此外, 在270 m和360 m深度附近, 还发现有2套约10 m厚度的含天然气水合物地层B和C, 证实了地震推断解释结果。在图6所示地震剖面上, B和C含天然气水合物地层反射波呈杂乱中弱振幅出现。

图7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 DK9钻孔综合柱状图

在图7所示的验证孔柱状图上, 发现含天然气水合物地层的声波速度变化较大, 含天然气水合物地层A的岩性主要为泥岩和油页岩, 其平均速度为3 362 m/s, 含天然气水合物地层B的岩性主要为油页岩和钙质泥岩, 其平均速度为2 711 m/s, 而含天然气水合物地层C的岩性主要为泥岩和中、细砂岩, 其平均速度为3 372 m/s。由于木里地区硬岩层中天然气水合物含量较低, 含水合物储层的速度与储层的岩性和地层的破碎程度有关, 与天然气水合物的含量关系不是很大。

在断裂破碎带内, 孔隙度较大, 天然气水合物以晶体形态出现, 该结晶晶体产生的高频散射波经叠加后呈现相对高的频率, 如DK3钻孔中含天然气水合物层段处的反射波; 而非破碎完整地层的孔隙度较低, 在这种情况下, 天然气水合物以侵染状形式出现, 该含天然气水合物地层形成的反射波振幅相对较弱, 频率中等, 如DK9钻孔中深度约360 m处的反射波。

由测井密度(图8a)与纵波速度(图8b)通过公式

Ri=vi+1ρi+1-viρivi+1ρi+1+viρi

计算的反射系数R如图8c所示。

使用带宽为10~80 Hz的地震Rick子波与反射系数R褶积得到的合成记录(图8d)与实际地震记录(图8e)对比后得出, 在发现水合物的层段(图中黄色标注位置), 合成记录与实际地震记录具有较好的可对比性, 含天然气水合物地层反射波的振幅相对较弱, 频率相对较高。

图8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 合成记录与实际记录的对比a— 测井密度; b— 纵波速度; c— 反射系数; d— 合成记录; e— 实际地震记录

陆域天然气水合物的形成与深部气源向上运移、温压和冻土条件密切相关。深部烃源气只有通过深部断裂通道才能向上运移至水合物稳定带, 富集在断裂附近的破碎带内, 在合适的温度压力条件及永久冻土封闭环境下, 形成天然气水合物。

陆域含天然气水合物地层形成反射波的地震属性十分复杂, 通常情况下, 若水合物出现在孔隙度较高的断裂破碎带内, 该反射波的频率相对较高, 速度相对较低; 若水合物出现在孔隙度较低的完整地层内, 该反射波的振幅相对较弱, 频率中等, 速度相对较高。

地震方法探测陆域天然气水合物的有效性试验研究表明, 采用地震方法能够对深部断裂的位置、产状和断裂破碎带进行探测, 根据含天然气水合物地层反射波的运动学和动力学特征及其钻孔资料解释的地震异常已被钻探验证, 验证结果与地震推断解释相一致。

由于木里地区天然气水合物含量较低(木里地区DK-1钻孔天然气水合物含量约为0.28%), 利用地震方法直接探测天然气水合物难度较大, 但综合分析测区物化探和地质资料, 结合钻井资料, 能够探测天然气水合物富集地带, 达到间接寻找天然气水合物的目的。

致谢:本项目得到“ 863” 课题“ 冻土带天然气水合物地球物理勘查技术” 项目经费资助, 在野外数据采集期间, 青海煤炭地质105勘探队给予了帮助; 在该项目研究期间, 中国地质科学院祝有海、方慧和孙忠军研究员对该项目的开展提出了许多合理化的建议。对上述单位、专家的帮助和支持表示衷心的感谢。

(本文编辑:叶佩)