2008年中国地质调查局首次在祁连山冻土区钻采到天然气水合物实物样品, 实现了陆上冻土区天然气水合物的勘查突破^{[1, 2]}。到目前为止, 中国地质调查局和神化青海能源有限公司已经在三露天钻探26口天然气水合物钻井, 其中11口井(DK-1、DK-2、DK-3、DK-7、DK-8、DK-9、DK-12、DK13-11、DK12-13、DK11-14、DK8-19)钻到天然气水合物实物样品。同时期, 国土资源部和中国地质调查局在该区安排了7个天然气水合物地质和物化探项目, 取得了中纬度冻土区天然气水合物勘查的一些成果^{[3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]}, 为天然气水合物地质模式和勘查模型的研究提供了基础。

研究天然气水合物的地质模型, 有助于理解天然气水合物控矿因素和成藏理论。天然气水合物勘查模型的建立可以提升物化探勘查技术的水平, 为水合物物化探异常解释评价提供理论依据。

Milkov等提出了海域与常规油气圈闭概念相似的构造圈闭、地层圈闭、泥火山圈闭和复合圈闭4种类型水合物成藏模式(图1)^[11]。构造圈闭型水合物矿藏主要由热成因气、生物成因气和混合气从较深部的含油气系统沿断裂、泥火山或其他构造通道快速运移到水合物稳定域形成, 如墨西哥湾西北部、水合物脊、哈肯摩滋比泥火山等, 该圈闭类型水合物矿藏的三维形态受流体通道的几何形态、流体的流速、天然气的组成和温压场等因素控制。地层圈闭水合物矿藏产于渗透性较高的沉积物中, 主要是生物成因气形成的, 如布莱克海台、墨西哥湾的小型盆地、日本南海海槽等, 矿藏的三维形态受到渗透性相对较高的地层的几何形态控制。复合型圈闭的水合物矿藏则主要由活动断裂或底劈构造快速供应的流体(天然气或水)在渗透性较高的沉积物中形成, 如水合物脊、布莱克海台、日本南海海槽等。

图1

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	图1 海域天然气水合物成藏模式(据Milkov等, 2002)

卢振权综合分析了三露天钻井的地质资料和样品分析测试结果, 研究了祁连山木里三露天天然气水合物成藏模式^[12], 对浅部微生物气体加入给予了重视, 并认为中更新世早期形成的岛状冻土对天然气水合物的形成起到了重要作用。

虽然, 陆域天然气水合物控矿因素与海域有较大的差异, 但是海域的成果和研究思路值得借鉴。我们依据天然气水合物油气系统理论^{[13, 14]}, 总结了祁连山三露天地质、化探、地震、电磁法、钻探和测井的主要成果, 建立了祁连山冻土区天然气水合物地质模型(图2)。

图2

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	图2 祁连山三露天天然气水合物勘查模型

三露天水合物矿藏位于南祁连盆的木里坳陷, 青海省著名的煤田位于该坳陷。研究表明, 天然气水合物的气源主要是上三叠统和(或)二叠系烃源岩和煤层气^{[3, 4, 5, 6, 15, 16, 17]}。测区DK-3水合物钻孔烃源岩镜质体反射率R₀值为0.78%~1.1%, 最高热解峰峰温T_max在44~470 ℃, 说明烃源岩进入生油高峰, 开始生成少量天然气^[18]。有机地化和碳同位素研究表明, 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和吸附气存在于地层中^[19]。总之, 测区内具有良好的气源条件, 下伏地层中的烃源岩、油页岩和煤层气均可为水合物矿藏提供气源。

冻土区天然气水合物形成于低温高压环境, 并受沉积物中孔隙流体的盐度、气体组分等因素的影响^[20]。祝有海等根据木里煤田聚乎更矿区一井田33号孔气体组分数据, 利用Sloan的CSMHYD软件对祁连山天然气水合物形成的温压条件进行了计算^[21]。计算结果表明, 33号钻孔具备形成天然气水合物的条件, 其稳定带的顶、底界埋深分别为171~574 m, 稳定带厚度为403 m。近几年木里天然气水合物钻探确定的天然气水合物稳定带深度为140~330 m, 厚度将近200 m。极地天然气水合物存在于地下130~2 000 m^[14]。由此可见, 中纬度冻土区天然气水合物产出深度低于极地冻土区。

地质、地震、化探和钻井岩心研究表明, 木里水合物受到NE向的F₁、F₂逆断层(图2)、NEE向次级断裂和层间破碎带的控制^{[2, 3, 4, 5, 22]}。F₁和F₂断裂为燕山期形成的逆冲推覆断裂, 具持续压性特征, 是油气运移的主要通道^{[12, 23]}。NEE向的次级断裂与水合物矿藏的形成关系密切, 与层间破碎带一起控制了水合物矿藏的形成。水合物钻探结果表明, 天

然气水合物矿藏位于F₂断层的南部, 而且F₂断层北部钻探的DK-4、DK-10、DK10-18、DK-6和DK5-22均为干井。F₂断层北部存在浅层气藏(图2), 2013年钻探的DK-10井, 钻探到50多米, 发生气喷现象, 这说明该气藏埋藏很浅。

祁连山三露天可能深部是油气, 中部是天然气水合物, 浅部存在浅层气。目前已钻探水合物发现井11个, 包括DK-1、DK-2、DK-3、DK-7、DK-8、DK-9、DK13-11、DK11-14、DK12-13、DK11-14、DK8-19井, 天然气水合物分布在140~330 m深度区间, 赋存于侏罗统江仓组上段含油页岩段和江仓组下段的细砂岩、泥质粉砂岩、泥岩和油页岩中。“ 裂隙型” 以薄层状、片状、团块状赋存于粉砂岩、泥岩和油页岩的裂隙面上; “ 孔隙型” 呈浸染状赋存于粉砂岩、中砂岩的孔隙中^[22]。水合物层甲烷含量为54%~76%, 乙烷含量为8%~15%, 丙烷含量为4%~21%, 并有少量的丁烷、戊烷等, CO₂含量一般为1%~7%, 高的可达15%~17%。水合物光谱曲线与墨西哥海底水合物样品相似, 属于II型水合物^[24]。

应用含油气系统理论建立了三露天天然气水合物矿藏的“ 五位一体” 地质模型, 五位是指五种控矿因素, 分别是成熟烃源岩和煤层、热解成因气、温压条件、控矿断裂和层间破碎带, 一体为水合物矿藏, “ 五位一体” 地质模型可以帮助我们对该区水合物远景进行科学的预测。

以天然气水合物油气系统理论为指导, 系统研究天然气水合物的控矿要素的物化探探测技术, 总结祁连山冻土区天然气水合物的勘查模型。

2.1 气源条件探测技术

地球化学研究气源条件主要内容包括水合物矿藏的物质来源、地球化学异常和地球化学勘查模式。

图3是三露天DK-8井顶空气C₁/(C₂+C₃)-δ ¹³C₁分布图, 样品采自三露天DK-8井的岩屑, 分析指标有顶空气轻烃和甲烷碳同位素等。从图中可以看出, 天然气水合物成藏物质主要是凝析油伴生气和煤层气, 其次是原油伴生气。这与木里地区土壤样品的判断结果一致^{[5, 6]}。

图3

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	图3 祁连山三露天DK-8井顶空气C1/(C2+C3)-δ 13C1图(底图自戴金星, 1992)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

研究表明, 祁连山木里天然气水合物矿藏存在明显的地球化学异常, 它们或者是水合物的主要成分, 或者是水合物矿藏的微量组分, 或者是烃类微渗漏的地球化学蚀变产物。顶部异常组合:主要有酸解烃、顶空气、游离烃和热释烃的异常^{[5; 8, 9]}, 顶空气氦和氖的异常, 微量元素Ba、V、Fe、Ca、Hg等的异常^[7], 热释光异常^[4]。

环状异常组合:UV222、UV254、UV280的异常, 土壤I和I/Cl的异常^[25]。

负异常组合:土壤有机碳、游离烃甲烷碳同位素和土壤Cl元素的负异常(图4)。

图4

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	图4 三露天天然气水合物矿藏甲烷碳同位素负异常平面

祁连山三露天天然气水合物矿藏地球化学异常最大面积是4.3 km², 最小面积是1.2 km², 目前钻探确定的水合物矿藏面积约1.3 km²。

2.2 冻土条件探测技术

冻土区天然气水合物温压条件的主要衡量标准是冻土层的厚度。冻土厚度的测量技术主要是测井、探地雷达、音频大地电磁测深等地球物理技术。祁连山三露天钻井SK-2井测温确定的冻土厚度为50 m。音频大地电磁测深在冻土层的反映是连续分布的高阻, 祁连山木里剖面测量的冻土厚度为40~150 m (图5)。冻土层探地雷达的特征是电磁波速度快、衰减慢, 在冻土底界处有明显的反射信号, 木里探地雷达探测的冻土厚度是65~105 m。虽然不同方法确定的冻土厚度有差异, 但是可以确定冻土水合物的形成需要的冻土条件大于50 m。

图5

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	图5 木里L10测线反演电阻率剖面

2.4 天然气水合物矿层探测技术

此次探测天然气水合物矿藏的主要技术是测井、地震和井中化探。三露天含天然气水合物层位测井响应特征表现为高电阻率、低声波时差、低自然伽马、低密度(“ 一高三低” ), 与国外其他已发现水合物地区测井响应特征一致^[26]。在木里地区含天然气水合物的矿层形成的反射波组呈现低速、高频、弱振幅的特征^[27](图6)。天然气水合物稳定带范围(140~300 m)的地球化学特征:C₁/(C₂+C₃)、iC₄/nC₄、iC₅/nC₅和δ ¹³C₁呈现低值特征, C2+为高值异常, 天然气水合物矿层CH₄呈现负异常(见图4)。浅层气的酸解烃、顶空气和δ ¹³C₁呈现高值异常。深部油气的主要标志是钻孔中发现油气显示, 土壤紫外吸收光谱呈现环状异常。

图6

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	图6 过DK-3井地震剖面构造解释

本文研究了祁连山木里三露天天然气水合物矿藏的地质模型, 从成熟烃源岩和煤层、热解成因气、冻土温压条件、气体运移通道、水合物成藏特征五方面研究出三露天水合物控矿因素, 研究出“ 五位一体” 的耦合地质模型。

建立了冻土区天然气水合物勘查模型。近地表地球化学异常存在三种模式, 分别是顶部异常、环状异常和负异常; 冻土层AMT的反映是连续分布的高阻, 探地雷达的特征是电磁波速度快、衰减慢, 在冻土底界处有明显的反射信号; 断层的地震标志主要是反射波同向轴发生错断、终止、扭曲、突变或分叉合并等, AMT的主要特点是电性不连续; 天然气水合物矿层形成的反射波组呈现低速、高频、弱振幅的特征, 测井响应特征表现为高电阻率、低声波时差、低自然伽马、低密度。总结出中纬度冻土区冻土区天然气水合物勘查的有效技术组合为:水合物化探、AMT、探地雷达、地震、综合测井和井中化探。

冻土区天然气水合物较海底天然气水合物在成藏和围岩方面有很大的差异, 只有提高地球物理探测精度, 才能攻克冻土区水合物矿体与固化围岩物性差异小的难题, 大幅提高中纬度冻土区天然气水合物勘查的成功率。

(本文编辑:沈效群)