祁连山木里地区天然气水合物成藏模式分析

张金华，魏 伟，魏兴华，肖佳蕊，王 培

(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；2.中国石油非常规油气重点实验室，河北 廊坊 065007)

1 概述

天然气水合物的形成，主要受温度、压力、接近饱和的气源和气体组分、水源等因素的控制[1-2]。由于形成条件的制约，自然界中的天然气水合物主要分布在海域和冻土带两类地区，如海洋大陆架外的陆坡、深海和深湖以及永久冻土带等。

冻土带作为天然气水合物发育的两个重要地质环境之一，目前已在世界上多处多年冻土区发现了天然气水合物，但主要集中在极地多年冻土地区，如俄罗斯东西伯利亚、西西伯利亚，美国的阿拉斯加以及加拿大的麦肯齐三角洲等地；我国青海木里地区发现的天然气水合物赋存于高原冻土带，钻获到天然气水合物实物样品野外直接观察到白色冰状天然气水合物与点火燃烧现象，并通过室内激光拉曼光谱检测到天然气水合物笼状体峰及其包含的烃类气体峰[3]，进一步证实了祁连山冻土区存在和探获天然气水合物，这也表明中纬度地区只要具备上述控制因素，同样可以成为天然气水合物成藏的有利环境。

对于天然气水合物成藏模式，国内一些专家学者主要针对海域开展相应的研究并取得了一些认识。樊栓狮和陈多福等学者[4-5]提出了扩散型和渗漏型两类概念型天然气水合物成藏模式。张光学等人[6]认为，构造环境是天然气水合物富集成藏的重要控制因素，气体沿断裂、泥火山或其他构造通道从深部运移至水合物稳定域中形成水合物矿藏。卢振权等人[7]认为，天然气水合物成藏系统是由烃类生成体系、流体运移体系、成藏富集体系等组成的一种复杂系统，它们彼此之间在时间和空间上的有效匹配共同决定着天然气水合物的成藏特征。吴能友等人[8]对神狐海域天然气水合物成藏系统研究认为，天然气水合物在空间尺度上是不均匀分布的，纵向上主要分布于天然气水合物稳定带底界以上一定深度范围内。

2 木里地区水合物成藏条件

木里地区已勘探发现的天然气水合物赋存层位主要为中侏罗统江仓组[9]，产于冻土层之下，埋深范围大多位于133.0～396.0m之间。赋存类型主要包括[9-10]以薄层状、片状赋存于粉砂岩、泥岩和油页岩裂隙面中的“裂隙型天然气水合物”，和以浸染状赋存于细粉砂岩、中砂岩孔隙中的“孔隙型天然气水合物”。从天然气水合物成藏系统的角度出发，对木里冻土区天然气水合物的成藏条件及模式进行进一步的分析。

2.1 烃类生成体系

“源控论”是目前流行的天然气水合物成藏的主要理论[11]，如果没有烃源或烃源潜力不足，就不可能或很难成藏；同时，气源成因关系到天然气水合物的成藏机制[12]，生物成因气可以在原地或附近形成天然气水合物矿藏，热解成因气则需要通过断层或裂隙向上运移到水合物稳定带才能形成水合物矿藏。木里地区含煤层位为下侏罗统热水组、中侏罗统江仓组和木里组，煤质较齐全[13]，从长焰煤到低级无烟煤均能见到，煤的变质作用以深成变质为主。笔者针对木里聚乎更矿区的井下不同层段的所取的泥岩和粉砂岩等岩样进行了测试(图1)，分析显示其有机碳含量(TOC)平均值为2.62%，最高达到7.85%，镜质体反射率(Ro)平均为0.85%，处于成熟阶段，具有良好的生油生气潜力。

图1 聚乎更某钻井岩样测试数据与埋深关系图

已有钻探及研究也表明，木里地区具有较丰富气源，主要为热成因气，气体成分以甲烷为主，此外还含有较高的乙烷、丙烷等重烃组分。例如，黄霞等人[14]分析木里地区水合物气样显示，δ13C1均大于-50‰，R值普遍小于100，显示出明显的热解气特征，认为气体大多来源于深部迁移上来的油型气，并有部分原地煤成气的混合。王佟等人[15]分析表明，δ13C值为50.5‰，并具有δl3Cl<δ13C2<δ13C3<δ13iC4<δ13nC4的特征，认为煤层气是木里煤田天然气水合物的主要来源。文怀军等人[16]认为，该天然气水合物与页岩气源具有成因联系。卢振权等人[17]通过对气体组成和同位素特征等分析认为，木里水合物的气体为有机成因，且以热解成因为主，主要与原油裂解气、原油伴生气有关。

2.2 流体运移体系

木里地区聚乎更矿区内断裂构造发育，构造演化使该地区现今成为中部以三叠系地层组成的一个背斜和南北两侧以侏罗系含煤地层组成的两个向斜[10](图2)。

图2 木里聚乎更矿区构造发育及井田分布

背向斜的南北两侧大部发育有规模较大的向盆地内逆冲推覆断裂，南北两个向斜中发育有一组北东向规模较大的剪切断裂。聚乎更煤矿区南向斜东部，受区域普遍发育的南北两侧逆冲推覆构造向区内的水平推挤作用，形成煤系地层的波状褶皱和断裂，部分区域被断层切割成前展式叠瓦扇构造形态，断裂构造为地壳深部热解作用形成的烃类气体提供了运移的重要通道，为深部油气运移创造了有利条件。

2.3 成藏富集体系

木里地区中侏罗统木里组和江仓组以砂岩、泥岩和煤层为主[16]，其中，勘探发现水合物赋存的江仓组可分为下部含煤段和上部泥岩段。含煤段的上部以深灰-灰绿色粉砂岩和黑色泥岩为主，中部以砂岩为主，中下部以黑色粉砂岩、泥岩、细砂岩为主；泥岩段为黑色泥岩，夹薄层油页岩。岩层孔隙-裂隙条件较好，笔者对所取样品进行孔隙度分析得出，其平均值为2.35%，孔隙-裂隙条件为水合物的赋存提供了有利的场所。同时，木里煤田的冻土在第四纪冰川时期形成[18]，之后新构造运动使之不断上升，并保持了高寒的特点，使冻土保存至今，冻土层的封盖作用以及泥岩的封盖作用可以防止烃类气体逸散，从而有利于天然气水合物矿藏的形成。

木里地区断裂等构造发育，气源充足，并含有较高重烃组分，年平均地表温度-2.4℃，多年冻土层平均厚度为80m[2]，平均地温梯度为2.2℃/100m。一井田33#钻孔采集气体中[1]，甲烷为96.6%，乙烷为3.3%，丙烷为0.1%；聚乎更DK-1钻孔气体组分复杂[15]，其泥浆气组分分析显示，包括约为74%的甲烷、8%的乙烷、12%的丙烷以及2%的二氧化碳等。针对这些参数，利用Sloan的CSMHYD软件对木里地区的温度和压力条件进行了计算，同时根据地层压力计算，由地层沉积物/岩石平均密度、重力加速度等参数，编制了木里地区天然气水合物温度-压力/埋深条件(图3)。从图3中可以明显看出，木里地区具备形成天然气水合物较好的温压条件，并且富含重烃等气体组分更有利于天然气水合物的成藏，而纯甲烷气体不易于形成天然气水合物。在钻探过程中[10]，也发现了水合物证据及异常现象，33#钻孔在冻土层内就发生气体漏泄现象，点火能燃烧，泄漏持续时间近1年，说明气源充足且气体可能源自于水合物的缓慢分解；DK-1由于遭遇异常高压气体且引发岩芯破碎和塌孔等因素停钻，终孔深度约182m，并在深100m附近钻获了天然气水合物实物样品。

图3 木里地区天然气水合物温度-压力/埋深条件

3 木里地区水合物成藏模式

通过综合分析，笔者认为，木里地区天然气水合物成藏条件较好，烃源岩热解形成的烃类气体通过断裂等构造向上运移到水合物稳定带，在粉砂岩及裂隙中形成脉状或颗粒状水合物。同时，随着气温及冻土层厚度的变化，水合物稳定带及水合物赋存底界将发生变化，并在水合物下方还可能赋存常规气藏或(和)非常规煤层气、页岩气藏。分析认为，木里地区天然气水合物为动态的以热解气-低温冷冻-地层型为主的成藏模式(图4)。

图4 木里冻土区天然气水合物成藏模式

4 结束语

从天然气水合物成藏系统的角度分析显示，木里地区具有较好的天然气水合物成藏基础。通过烃类生成体系、流体运移体系、成藏富集体系等要素分析，初步认为木里地区天然气水合物的形成属于下部热解气在断层等构造通道作用下运移而形成的一种热解气-低温冷冻-地层型为主的动态成藏模式。根据其成藏模式，笔者认为在木里地区进行天然气水合物钻探有利区块选择，应尽可能避开煤矿开采区域，优选煤系地层发育、冻土层厚度较大、断裂较发育、多口钻井出现气体漏泄现象且气量小而持续时间较长的区域。

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