引用本文
肖红平, 林畅松, 彭涌, 魏伟, 张金华, 张巧珍. 天然气水合物油气系统概念内涵及实例分析[J]. 地球科学进展, 2017, 32(1): 21-33.
Xiao Hongping, Lin Changsong, Peng Yong, Wei Wei, Zhang Jinhua, Zhang Qiaozhen. .Concept and Intension of Natural Gas Hydrate Petroleum System and Case Analysis[J]. Advanced Earth Science, 2017, 32(1): 21-33.  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.01.0021
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天然气水合物油气系统概念内涵及实例分析
肖红平1,2,3, 林畅松4, 彭涌2,3, 魏伟2,3, 张金华2,3, 张巧珍2,3
1. 中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083
2. 中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北 廊坊 065007
3. 中国石油天然气集团公司非常规油气重点实验室,河北 廊坊 065007
4. 中国地质大学(北京)海洋学院,北京 100083

作者简介:肖红平(1979-),男,四川宜宾人,高级工程师,主要从事非常规油气地质综合研究.E-mail:xiaohp_hdpu@163.com

基金资助:*中国石油天然气股份有限公司科学技术开发项目“天然气水合物富集规律、目标优选及开发技术”(编号:2016B-4901); 国家自然科学基金项目“南海北部新近纪陆架坡折的发育演化对南海盆地动力学过程的沉积响应”(编号:91328201)资助.
摘要

针对天然气水合物的形成条件、分布规律、成藏过程与成藏模式等热点问题,介绍了“天然气水合物油气系统”概念,综述分析其主要构成要素——气源、水合物稳定带、储集层、水源、运聚通道、时间等的内涵,总结归纳了地质构造条件、沉积条件和地理气候环境变化等三大影响水合物富集成藏的控制因素,在此基础上,结合昆仑山垭口盆地多年冻土区天然气水合物成藏实例分析探讨了“天然气水合物油气系统”的研究方法,认为基于地质背景研究分析诸多静态成藏要素,如何在时间与空间上耦合匹配是解剖天然气水合物成藏过程和评价天然气水合物成藏潜力的关键。

关键词: 天然气水合物油气系统; 成藏系统; 成藏要素; 成藏过程; 实例分析
中图分类号:P744.4 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2017)01-0021-13
Concept and Intension of Natural Gas Hydrate Petroleum System and Case Analysis
Xiao Hongping1,2,3, Lin Changsong4, Peng Yong2,3, Wei Wei2,3, Zhang Jinhua2,3, Zhang Qiaozhen2,3
1.School of Energy Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
2.Petro-China Research Institute of Petroleum Exploration & Development-Langfang Branch, Langfang 065007,China;
3.Key Laboratory of Unconventional Oil and Gas,China National Petroleum Co., Ltd.,Langfang 065007,China
4.School of Ocean Sciences, China University of Geosciences (Beijing),Beijing 100083, China

First author:Xiao Hongping(1979-),male,Yibin City, Sichuan Province,Senior engineer. Research areas include unconventional oil and gas geological.E-mail:xiaohp_hdpu@163.com

Fund:Project supported by the China National Petroleum Co., Ltd. Science and Technology Development Projects “Accumulation regularity, exploration target selection & development technology of natural gas hydrate”(No. 2016B-4901); the National Natural Science Foundation of China “Development and evolution of the northern shelf slope of the South China Sea and its response to the basin geodynamic setting”(No.91328201).
Abstract

According to the hot topics of the natural gas hydrate distribution regularity,formation conditions,accumulation process and accumulation pattern, gas hydrates reservoir forming conditions including gas source, gas hydrate stability zone, reservoir stratum, water source and migration passage were summarized by literature review first. Then, three main factors, geological structure condition, sedimentary condition and geographical climate change were summarized and analyzed, which control the accumulation and distribution of gas hydrates. On basis of this,basic concepts and research methods of natural gas hydrate petroleum system were analyzed and discussed by the example of gas hydrate accumulation conditions and process in permafrost regions of Kunlun mountain pass. The results show that the key of studying gas hydrate accumulation process and evaluating gas hydrate reservoir forming potential is analyzing how the static accumulation elements couple and match in geological time and space.

Keyword: Natural gas hydrate petroleum system; Reservoir system; Accumulation elements; Accumulation process; Case analysis.
1 引 言

天然气水合物(Gas Hydrates)是由气体分子与水分子在低温高压条件下结合形成的、具笼状结构的结晶状化合物。因其气体主要成分是甲烷且貌似冰状, 故也称甲烷水合物(Methane Hydrates)或可燃冰, 它是一种潜力巨大的新型化石能源[1, 2]。自然界中形成的天然气水合物主要赋存于海底沉积物和陆上永久冻土带中[1]。从区域地质环境上来看, 目前全球发现的天然气水合物矿藏主要集中分布在2类地区:一类为活动和被动大陆边缘的加积楔顶端、陆坡盆地、弧前盆地、滨外海底, 乃至内陆海或深水湖区(如贝加尔湖), 这些地区天然气水合物多分布于水深为300~4 000 m的深水海域海底以下0~1 500 m的松散黏土或未成岩的沉积岩中, 以及100~250 m以下极地陆架海的砂砾岩中[3]。另一类天然气水合物富集区则是大陆永久冻土带区域, 这些地区的天然气水合物主要分布在冻土带下130~2 000 m的沉积地层中[4, 5]。目前, 勘查发现的冻土带天然气水合物主要分布于阿拉斯加北坡、加拿大马更些三角洲高纬度环北冰洋等极地冻土区域[6, 7]。我国近年来加强天然气水合物调查研究, 通过勘查钻探证实在南海北坡神狐海域、青藏高原中低纬度永久冻土带的祁连山区域(木里煤矿区)和昆仑山垭口地区也可能赋存有天然气水合物[8, 9]。

天然气水合物的形成条件、分布规律、成矿模式一直是众多科学家研究讨论的热点问题, 与常规油气成藏理论一样, 天然气水合物成藏理论的产生和发展对于寻找天然气水合物富集区和指导勘探开发具有极其重要的意义。国内外学者基于目前全球已发现的天然气水合物矿藏, 通过研究探索它们的成矿机理、控制因素、发育分布规律, 建立了不同的水合物成藏地质模式[10~21]。例如, 前苏联学者Ginsburg[10]提出的静态系统模式(包括冷却作用低温模式、挤压作用“ 海侵” 模式和成岩作用模式)和动态系统模式(包括渗流模式、分子扩散模式、水下泥火山作用模式、沉降模式和岩块位移模式); 陈永峤等[12]提出的基于气源条件分为生物甲烷气和热解甲烷气的水合物成藏模式; 樊栓狮等[20]和陈多福等[21]基于流体运移疏导方式, 提出扩散型和渗漏型2类概念型天然气水合物成藏模式。总的来看, 这些成藏模式由于缺乏对天然气水合物成藏过程的详细描述, 尚不能清晰回答Dickens[22]提出的“ 甲烷是如何产生, 如何传输, 又是如何在沉积层中形成天然气水合物的过程” 这样的疑问。为了描述和研究自然界中天然气水合物的动态形成过程, 近年来一些科学家提出利用像传统石油地质学中“ 含油气系统” (Petroleum System)概念来研究天然气水合物的成藏过程[23~30]。 其中, 以Collett等[24, 25]提出的“ 天然气水合物油气系统” (Natural Gas Hydrate Petroleum System)最为典型, 基本获得同行的认可; 在国内, 吴能友等[26]和卢振权等[27]对与之类似的“ 天然气水合物成藏系统” 进行了讨论。本文分析天然气水合物油气系统的概念、构成要素、成藏主控因素, 并结合实例探讨“ 天然气水合物油气系统” 的研究方法, 旨在对其他地区天然气水合物成藏过程的剖析与成藏潜力评价起到一定的借鉴作用。

2 天然气水合物油气系统的概念

石油地质学中的“ 含油气系统” 理论描述了从烃源岩到油气藏的油气生成、运移和聚集的整个过程, 揭示了油气成藏各地质要素之间的有机联系, 强调了油气藏形成的时间和空间概念[23]。受此启发, 一些学者开始倡导采用“ 系统论” 的思想和方法来研究天然气水合物复杂的成藏过程[24~30], 吴能友等[26]指出, 天然气水合物成藏系统 (Gas Hydrate Reservoir System)是采用系统论方法, 将烃类气体供应、气体运移和天然气水合物形成作为一个有机整体在时空尺度上开展研究。卢振权等[27]认为天然气水合物成藏系统包括烃类生成体系、流体运移体系和成藏富集体系, 三者在时间和空间上的有效匹配将共同决定天然气水合物的成藏特征。在总结海域天然气水合物和陆地永久冻土区天然气水合物成藏地质背景的前提下, Collett等[24, 25]提出了“ 天然气水合物油气系统” (Natural Gas Hydrate Petroleum System)的概念, 认为天然气水合物油气系统的研究包括温度— 压力、气源、水源、气体运移、储层和时间六大要素。剖析天然气水合物油气系统的关键是:烃源岩评价, 温度— 压力条件, 储集层性能, 水源供给以及气体运移、聚集期次、时间。针对烃源岩评价、油气运移、储层性能、温度— 压力条件和水源的分析方法与传统石油地质学中的“ 含油气系统” 的分析方法相似(表1)。

表1 常规含油气系统和天然气水合物油气系统的构成要素对比(据参考文献[23, 24]整理) Table 1 Elementscomparison between conventional petroleum system and natural gas hydrate gas system (reorganized after references[23, 24])
3 天然气水合物油气系统构成要素及内涵
3.1 气源条件

天然气水合物主要是由深水海底或冻土带浅层沉积物中生物化学作用形成的生物气(自源)或深部沉积物中有机质成熟热解生成的油型或煤型气(他源)组成, 通过不同运聚通道进入具备特定高压低温条件的天然气水合物稳定带中形成[31, 32], 充足的气源是天然气水合物形成富集的物质基础。成矿成藏气体的气源构成特点决定了天然气水合物成因类型, 采用气体组分和甲烷的碳同位素值(δ 13C1)来判定气源成因已是成熟的方法[32, 33], 即依据形成天然气水合物的甲烷气体的碳同位素特征与烃类气组成中C1与(C2+C3)比值的相互关系, 即可综合判识和确定天然气水合物成藏气体的成因类型、剖析其气源构成特点并追踪其气源[34]。目前全球范围勘查发现的天然气水合物均为有机成因气, 无机成因尚未发现, 且大多数天然气水合物均由微生物气组成, 只有少数如墨西哥湾、加拿大Mallik等地区的水合物气源为热解气[35], 此外, 还存在生物— 热解混合成因气、亚生物气等[36, 37], 例如, 我国南海北部大陆边缘神狐陆坡深水调查区白云凹陷及周缘, 近年来勘查及钻探发现的天然气水合物类型, 主要属生物成因和生物— 热解混合成因2种, 但以生物成因类型为主[36]。

3.2 水合物稳定带

天然气水合物形成并赋存于特定的低温高压环境, 相平衡边界曲线将天然气水合物赋存的温度和压力条件准确量化(图1)[38], 位于该曲线左侧区域的温度、压力条件下天然气水合物形成并稳定存在, 反之, 该曲线右侧区域的温度、压力条件下不能形成天然气水合物。实际地质条件下, 天然气水合物相平衡边界曲线和地温(水温)梯度曲线所包围的区域就是温度、压力条件适合于天然气水合物形成的区域, 这个区域的深度范围称为水合物稳定带[38, 39]。已有研究表明, 地温梯度、海底表层温度、地层埋深、水深、气体组成、孔隙水盐度等是影响稳定带厚度的主要因素[38~40]。

对于多年冻土区而言, 控制水合物形成的主要因素为多年冻土地温梯度和年平均地温以及多年冻土层下融土的地热梯度, 前两者控制多年冻土厚度, 后者控制天然气水合物稳定带的底界深度。多年冻土地温梯度与多年冻土层下地热梯度(黑色虚线)与天然气水合物的相平衡边界(黑色实线)共同构成了天然气水合物的稳定带, 理论上天然气水合物均可以在这一区域内形成(图1a)。多年冻土地温梯度越小, 多年冻土厚度越大, 温度和压力条件就越有利于形成天然气水合物, 其稳定带厚度也越大。由于多年冻土底板处温度为0 ℃, 所以多年冻土底板深度越大, 多年冻土层下天然水合物稳定带的下界深度越大[41]。同理, 海底天然气水合物的稳定带则是由海水温度梯度、海底地热梯度(虚线)与天然气水合物的相平衡边界(实线)共同构成(图1b)。

图1 天然气水合物相平衡曲线(参考据文献[24, 38] 修改)
(a)永久冻土区水合物稳定相态曲线; (b)海底水合物稳定相态曲线Fig.1 Natural gas hydrate phase equilibrium curve(modified after references[24, 38])
(a)Stable phase curve of gas hydrate in permafrost region; (b)Stable phase curve of gas hydrate under ocean floor

3.3 储集层

海底富砂质浊积水道、浊积朵体、块体流沉积体、深海扇、增生楔等沉积体, 冻土带下松散砂质沉积层都可作为天然气水合物的储集体。已有勘探显示[42], 不同粒度的砂岩孔隙、未被充填或仅被部分充填的裂缝(裂隙)是天然气水合物赋存的主要储集空间。水合物储层类型和赋存状态分为以下4类:①富砂储层; ②富黏土的裂缝型储层; ③位于海底的天然气水合物块状体; ④弥散沉积于非渗透性黏土中的低浓度部分(图2)[24, 43]。裂缝或粗粒沉积物对天然气水合物的富集较为有利, Collett等[44]对阿拉斯加测井曲线研究后认为水合物主要充填在粗粒储集岩的孔隙中; 另外, 在中美洲海槽DSDP570站位中, 出现水合物的沉积物粒度要比上、下层位未出现水合物的沉积物粒度大得多[45]。Boswell等[46]认为天然气水合物之所以优先聚集在粗粒沉积物中, 是因为其较低的毛细管压力可以实现天然气和水合物晶核的运移。对于富黏土的储集层, 当水中天然气的浓度超过溶解度时, 水合物即可形成于断裂面上。

图2 天然气水合物赋存于不同类型储集层Fig.2 Natural gas hydrate occurrence in different types of reservoir

3.4 水源供给

天然气水合物的形成离不开充足的水, 海底浅层沉积物中富含孔隙水, 陆地多年冻土区的冻土层之下一般也存在地下水, 它们均可作为天然气水合物形成所必须的水源条件, 但这不排除某些地区由于地理气候、地层岩性非均质性而缺乏水的供给。在阿拉斯加北部斜坡多年冻土区的一些区域, 天然气水合物稳定带中的砂岩储层中富含游离气, 就是因为缺乏可利用的孔隙水而阻止了天然气水合物的形成[24, 25, 43]。

3.5 运聚通道

运聚通道是深部天然气向上运移聚集在水合物稳定带中形成天然气水合物富集的一个关键要素。地层中烃类或其他气体通常以3种方式运移:①游离气相扩散作用; ②水溶气相随水介质运移; ③独立气相的浮力作用。扩散作用过程非常缓慢, 气体通过这种方式运移通常很难形成天然气水合物富集体; 而天然气以水溶气或独立气相通过高效的运移通道进行运移却非常有效[47, 48]。裂缝作为天然气水合物形成过程中气体的高效运移通道已被实验证实, 图3为实验结果的模式图[24, 25]。在实际的地质条件下, 除断裂构造外, 地层不整合面、增生楔、气烟囱、盐底辟构造等也可能是将深部地层中的天然气与浅层水合物稳定带沟通的重要桥梁(图4)[24, 30, 47]。

图3 断裂在天然气水合物形成中的作用(据参考文献[24, 25]修改)
(a)天然气以溶解气或独立气相通过断裂向上运移至水合物稳定带在断裂中形成天然气水合物; (b)无断裂沟通, 天然气依靠扩散作用很难进入富水砂体, 无法形成天然气水合物; (c)天然气以溶解气或独立气相通过断裂向上运移至断裂沟通的水合物稳定带中的砂体均可形成天然气水合物Fig.3 The role of fracture for the formation of gas hydrate(modified after references[24, 25] )
(a)Natural gas hydrates came into being when natural gas migrated upward to hydrate stability zone through fracture; (b)Natural gas is difficult to migrate into sand body filled of water by diffusion and gas hydrate is unable to form without connection of fault; (c)Gas hydrate came into being when natural gas migrated upward to the hydrate stability zone through fracture with dissolved gas or independent gas phase

图4 实际地质条件下多种形式的天然气运聚通道[30]
(a)盐底辟构造; (b)地层不整合面; (c)增生楔; (d)气烟囱Fig.4 A variety of forms of gas transport channels in actual geological conditions[30]
(a)Salt diapir; (b)Stratigraphic unconformity surface; (c)Accretionary wedge; (d)Gas chimney

3.6 时间

如果说气源、温压、水源、运聚通道、储集层是构成“ 天然气水合物油气系统” 的静态要素, 那么时间要素则是将诸多静态要素贯串统一发挥作用的灵魂, 只有诸多静态要素在地质演化历史的不同时期恰当配置, 才能构成一个完整的“ 天然气水合物油气系统” 。比如, 天然气水合物稳定带应当在气体运聚之前形成, 否则气体则会因缺失稳定带的“ 圈闭” 作用而逃逸, 这与常规含油气系统的“ 生、储、盖” 要素的时空组合是相似的。

4 天然气水合物成藏主控因素

地质条件和地理气候控制气源、温度、压力、储集层和运聚通道等水合物成藏要素, 进而影响水合物成藏的分布范围、富集程度。总体来看, 地质构造条件、沉积条件和地理气候环境变化是影响水合物富集成藏的主要因素。

4.1 地质构造对水合物成藏的影响

全球已发现的天然气水合物主要分布于大陆边缘深水区和陆地多年冻土区。这些区域具备水合物聚集成藏的有利构造环境。在主动大陆边缘, 板块俯冲使富含有机质的洋壳物质被刮落到增生楔内, 堆积于变形前缘, 使俯冲带沉积物不断加厚。同时, 由于构造挤压作用, 增生楔沉积物脱水脱气, 所形成的孔隙流体沿一系列叠瓦状逆冲断层快速向上运移, 当到达适宜的温压稳定带, 便聚集形成水合物矿藏[47~49]。在被动大陆边缘, 受拉张和剪切地应力场的作用, 通常形成断褶、底辟、“ 麻坑” 、滑塌等特殊构造体, 较深部位的热解气、生物气或混源气沿断裂、泥火山或其他构造通道快速运移至水合物稳定域内形成相应的水合物矿藏。已有研究表明, 尤其在构造坡折带(断裂坡折带), 具备天然气水合物富集的有利条件[47~49]。在低纬度高原山地多年冻土区, 例如, 我国青藏高原, 板块碰撞运动一方面使陆地抬升为高原, 环境气温下降形成多年冻土和适宜于天然气水合物发育的冻土层下的温压稳定带[50, 51]; 同时, 构造运动形成的晚期断裂又可作为沟通深部气源与稳定带的有效通道, 有利于水合物的形成。另一方面, 构造活动如地震诱发海底失稳、沉积物滑塌可能引起已形成的天然气水合物分解; 多年冻土区早期(冻土形成之前)构造运动形成的“ 通天” 断裂可使深部气体大量逸散出地表, 导致晚期(冻土形成之后)气源缺乏而不能形成天然气水合物。此外, 构造运动引发的地层热流值升高、海平面降低都可能成为影响天然气水合物赋存的不利因素[52]。

4.2 沉积条件对水合物成藏的影响

沉积环境和沉积相类型控制沉积地层的岩性、沉积速率、沉积物中有机碳含量等, 进而影响储集层厚度、物性、气源岩分布等天然气水合物成藏基本要素[53]。从沉积地层岩性看, 砂泥比直接影响储集空间和孔隙水的发育, 从而影响天然气水合物的发育。大量的岩心资料表明:砂泥比值过高或过低均不利于水合物的发育。地层中含砂率过低, 储集空间小, 孔隙水少, 不利于天然气水合物的形成; 反之, 如果含砂率过高, 封闭性随之减弱, 同样不利于水合物的形成[54]。从沉积速率看, 较高的沉积速率有利于水合物的生成和聚集。沉积速率高的区域, 大量的有机碎屑物由于迅速埋藏在海底未遭受氧化作用而保存下来, 在沉积物中经细菌作用转变为大量的甲烷, 并且, 快速堆积的沉积体易形成欠压实区, 从而可构成良好的流体输导体系, 有利于水合物的形成与成藏[54, 55]。

从沉积相分布来看, 大陆边缘发育的等深流、重力流沉积和各类扇体(如三角洲、扇三角洲、低位扇等)的前缘为水合物沉积的有利相带[53]。在被动陆缘三角洲前缘发育滑塌扇沉积体, 其沉积厚度大, 具有较高的沉积速率, 有机质含量丰富, 能为天然气水合物的形成提供充足气源[56, 57], 此外, 构造坡折带发育的斜坡扇也具有较高的沉积速率和丰富的有机质含量, 不仅有利于气体的生成, 也有利于天然气水合物的富集[54, 58]。

4.3 地理气候环境对水合物成藏的影响

由全球气温变化导致的冰期和间冰期可对天然气水合物的成藏富集产生重要影响。在极地和高纬度的多年冻土区, 冰期使多年冻土层的厚度增大, 从而使水合物稳定带的厚度增加。当全球气温升高, 间冰期到来使多年冻土层的厚度减小, 冻土内冰体消融, 水合物稳定带的厚度减小, 天然气水合物将逐渐分解为游离气。对于海洋大陆斜坡区域的天然气水合物而言, 冰期带来的效应是海平面下降的同时海底温度降低; 而间冰期带来的效应是海平面上升的同时水温升高, 海底天然气水合物的赋存与分解主要取决于海平面升降的幅度和海水温度的变化[12, 59]。

5 天然气水合物油气系统研究方法及实例分析

科学合理地评价一个地区是否具备完整的“ 天然气水合物油气系统” 和该区天然气水合物的成藏潜力, 应当以该区的地质演化历史为依据, 从构造、沉积和地理气候环境变化等因素综合分析“ 天然气水合物油气系统” 的诸多静态要素是否具备, 同时评价这些静态要素是否在时间与空间上合理匹配。下面, 从评价天然气水合物油气系统构成要素入手, 结合地质背景及演化历史探讨昆仑山垭口盆地多年冻土区天然气水合物油气系统, 分析该区水合物形成演化过程。

5.1 地质背景及概况

昆仑山垭口盆地位于青藏高原腹地东昆仑山脉中段, 面积约为50 km2, 是受南昆仑山大型左旋走滑逆冲断裂新生代活动控制的一个小型走滑拉分盆地[60], 盆地的基底为三叠系巴颜喀拉群浅变质岩系, 上覆沉积充填了较完整的晚上新世— 新近纪中期的羌塘组湖相— 扇三角洲沉积序列。目前该区海拔约4 800 m, 发育多年冻土。自2013年开始, 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所在昆仑山垭口地区先后实施了KZ1~KZ4 4口天然气水合物地质浅钻孔, 在该区发现了天然气水合物赋存的证据[9]。

5.2 水合物油气系统静态要素评价

(1) 气源

昆仑山垭口地区三叠纪位于古特提斯巴颜喀拉残留洋盆, 以半深海— 深海沉积环境为主[61], 巴颜喀拉群发育了厚达上万米的复理石、砂板岩和黑色页岩沉积, 有机质十分丰富。受构造热事件与动力变质作用[62, 63], KZ4钻孔中巴颜喀拉群糜棱化灰黑色页岩的镜质体反射率(ROmax)为3.15%~3.5%, 其残余总有机碳(TOC)为0.49%~1.5%。说明三叠系巴颜喀拉群中已发生浅变质作用的灰黑色页岩已达到过成熟热演化阶段, 应当经历过生、排烃过程。据实钻资料, 昆仑山垭口盆地第四系羌塘组残余厚度大于200 m, 为扇三角洲— 湖沼相沉积, 灰黑色湖相泥页岩富含大量的有机质, 这些浅埋地层中的有机质经过微生物分解可产生少量CH4和CO2等气体。

从钻孔中收集到的岩心解析气体和泥浆气体的色谱和质谱分析结果来看, 这些气体包括烃类气体和非烃类气体。烃类气体包括CH4, C2H6, C3H8和C4+ , 其中以CH4为主。非烃类气体包括H2, He, Ar, N2, O2和CO2, 其中以N2和O2为主。主要烃类气体组分含量及其碳同位素分析结果见表2。从甲烷的碳同位素(δ 13C1)和C1/(C2+C3)值来看[34, 35], KZ1和KZ2钻孔中产出的少量CH4气组分为微生物成因, 这和KZ1, KZ2未钻穿第四系, 气源仅来自羌塘组微生物成因气有关; KZ3和KZ4钻孔中CH4气组分含量较KZ1和KZ2钻孔明显增加, 且天然气属于热成因和微生物成因的混合成因, 说明下覆三叠系巴颜喀拉群及深部地层中残存的热解气也提供了气源。

表2 烃类气体组分及碳同位素特征 Table 2 Hydrocarbon gas composition and carbon isotope characteristics

(2) 温度、压力稳定条件

依据钻孔资料, 昆仑山垭口地区多年冻土层的年平均地温为-2.9~-2.4 ℃, 实钻结果显示多年冻土厚度为81.4~112 m, 冻土层下地温梯度为2.5~4.9 ℃/100 m, 选取4口钻孔中出气量较大且地温梯度最低的KZ3孔的气组分实测数据, 采用CSM软件[64]计算得到水合物相平衡曲线; 再根据该钻孔中冻土内和冻土层下的地温梯度值推算出温度随深度的变化曲线(图5)。从图5可知, KZ3钻孔中天然气水合物稳定带分布深度位于80~520 m。

(3) 水源

研究区周边地下水活动频繁, 发育众多的矿泉群, 如不冻泉、西大滩大型饮用矿泉群等, 前人对与研究区相邻的昆仑山北坡岛状冻土区西大滩大型饮用矿泉群的水文地质、导水与控水断裂、水化学等方面实地进行调查, 研究表明昆仑山玉珠峰一带的现代冰川底部冰雪消融水、大气降水通过具多期活动性的断裂和破碎带补给深层地下水[65], 为天然气水合物的形成提供必须的水源条件。

(4) 储集层

水合物稳定带内的三叠系巴颜喀拉群中发育大量因断裂作用形成的裂缝、破碎带等孔隙空间, 可作为适宜天然气水合物赋存的储集层; 此外, 新近系羌塘组的河、湖相碎屑岩是该区另一种储集层, 其中的砂砾岩未经过强烈的压实成岩作用, 储集层孔隙度可达20%以上。

图5 昆仑山垭口地区KZ3井天然气水合物相平衡曲线Fig.5 Natural gas hydrate phase equilibrium curve of KZ3 in Kunlun Pass area

(5) 断裂体系与运聚条件

昆仑山垭口盆地北邻东昆仑走滑断裂系, 该断裂系由不同时期走滑断层、韧性剪切带、韧脆性剪切带组成, 如新生代最早期发育的东昆仑南缘韧性剪切带、西大滩北剪切带, 中新世早期发育的昆仑桥剪切带, 在第四纪(晚期)尤其晚更新世以来, 左旋走滑运动强烈, 且至今仍在活动, 发生过至少9次强烈的古地震事件, 与此伴生了“ 西大滩— 玛曲” 断裂等一系列新构造主断裂以及次级断裂[63]。受此影响, KZ4钻孔的三叠系岩心中裂缝极为发育, 早期形成的部分裂缝被石英脉、方解石脉充填, 反映裂缝的形成受不同期次断裂活动控制。对于昆仑山垭口盆地天然气水合物的形成和赋存而言, 早期(冰川及多年冻土形成之前)构造运动产生的断裂和裂缝作为运移通道使大量的深部热解气向上运移至地表散逸, 不利于天然气水合物的形成; 而新构造运动(冰川及多年冻土形成之后)产生的晚期断裂和裂缝沟通了深部残余热解气与浅层天然气水合物稳定带, 是该区天然气水合物赋存的关键因素之一。

5.3 水合物油气系统与成藏过程

(1) 烃类供给过程

昆仑山垭口地区三叠纪之后先后经历了印支晚期大陆拼合古特提斯洋消减, 燕山期隆升为陆地遭受剥蚀, 以及喜山期全面碰撞造山等多个构造运动阶段[61, 62]。该区三叠系及深部地层中的油气的生成、运移、聚集与散失贯穿于侏罗纪至今的整个地质历史时期。在高原间歇性幕式隆升过程中, 构造挤压驱烃以及岩浆侵入活动的热动力驱烃作用使得早期形成的油气藏遭受严重破坏而散失, 同时新的油气藏也不断产生。尤其是上新世— 更新世青藏运动以来, 强烈的构造热事件作用使昆仑山垭口地区三叠系及深部地层中的烃源岩有机质进入高成熟阶段, 然而大量气态烃类由于早期构造断裂的破坏作用难以保存而逃逸, 仅有少量剩余气体以游离气或吸附气的形式残存于岩层中。

(2) 稳定带形成时限

发生在早更新世晚期— 中更新世初期(1.1~0.7 Ma BP)的昆(仑)黄(河)运动是青藏高原形成过程中的重要抬升时期, 这次运动以后, 青藏高原整体升高到海拔3 000 m以上[66, 67]。高原隆升和称为“ 更新世中期革命” 的轨道转型导致的全球性降温共同作用使高原山地进入冰冻圈, 青藏高原发育了最大的第四纪冰川, 多年冻土开始形成[67, 68]。多年冻土既是形成天然气水合物稳定带的必要条件, 同时由于多年冻土中的冰层渗透性极低, 可以有效地阻止其下部游离气体向地表迁移和散失, 因而多年冻土层构成了水合物形成所必要的“ 圈闭” 条件。

(3) 有效断裂发育时限与运聚成藏过程

晚期构造运动形成的断裂和裂缝对昆仑山垭口地区天然气水合物的形成发挥了重要作用, 尤其是晚更新世(0.6 Ma BP)以来, 东昆仑地区左旋走滑运动强烈, 新构造运动形成的部分断裂现今仍然具有非常强烈的构造活动性, 构成青藏高原现今主要地震活动带[63]。晚期断裂及其伴生的次级裂缝使残存于岩层中的气体得以逃逸排出并向上运移, 当这些气体向上运移至温度和压力条件适宜的天然气水合物稳定带, 与研究区多年冻土层之下丰富的地层孔隙水结合, 从而形成天然气水合物(图6)。

图6 昆仑山垭口地区地质演化与天然气水合物油气系统模式图Fig.6 Sedimentary tectonic evolution and natural gas hydrate reservoir system model of the Kunlun Pass area

6 结 论

“ 天然气水合物油气系统” 构成要素包括气源、水合物稳定带、储集层、水源、运聚通道等, 地质构造、沉积条件和地理气候环境变化控制气源、温压、储集层和运聚通道等水合物成藏要素, 进而影响水合物成藏的分布范围、富集程度。

研究分析诸多成藏要素在地质演化历史的不同时期是否恰当配置, 是评价某一地区天然气水合物油气系统和成藏潜力的关键。昆仑山垭口盆地基本具备诸多天然气水合物成藏要素, 然而由于多年冻土及水合物稳定带形成时间较晚, 大量热解气沿早期构造活动产生的断裂散失, 晚期气源供给不足是该区未能形成适合工业开采利用的天然气水合物富集矿藏的主要原因。

结合地质演化历史, 综合考虑气源、温压等诸多成藏要素的时空匹配及其对天然气水合物形成过程的控制作用是“ 天然气水合物油气系统” 研究方法的主要内涵, 该方法可对天然气水合物成藏潜力进行客观和科学的评价。

致 谢:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所吴青柏研究员为本文的实例研究提供了资料支持, 并提出了宝贵意见, 在此表示衷心的感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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