祁連山凍土區天然氣水合物地球化學遷移機理探討*

張富貴，秦愛華，祝有海，孫忠軍，張舜堯，王惠艷，楊志斌，周亞龍

（1成都理工大學地球科學學院，四川成都 610059；2地球表層碳-汞地球化學循環重點實驗室，河北廊坊 065000；3中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，河北廊坊 065000；4中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100029）

天然氣水合物是在低溫和高壓條件下由水和氣體分子（主要是甲烷）形成的一種結晶狀固體物質，廣泛分布于海底沉積物和陸地永久凍土層中（Kven‐volden,1993;Collett,1994;Collett et al.,2003;2009;2011）。隨著全球對能源需求的增大，環境要求的增加，各國政府都十分重視天然氣水合物的開發和利用（Makogon et al.,2007;鄒才能等,2015;傅飄兒等,2016）。2017年，中國南海神狐地區天然氣水合物試采實現連續8天的穩定產氣，累計產氣超12萬m3，取得天然氣水合物試開采的歷史性突破（Li et al.,2018）。除了海域巨大的天然氣水合物資源外，中國多年凍土區天然氣水合物資源也具有極大的潛力（祝有海等,2011a;2011b;Zhu et al.,2010;Lu et al.,2011）。特別是2008年，中國地質調查局在祁連山首次獲得天然氣水合物實物樣品（Zhu et al.,2010），在凍土區天然氣水合物勘查方面取得了重大突破，也拉開了天然氣水合物勘查的序幕，在之后的10年里取得了勘查方法技術、試采試驗成功等系列成果，與此同時，在基礎研究領域也形成了新的認識（徐明才等,2011;Lu et al.,2013;Sun et al.,2014;Wang et al.,2014;2015;韓建光等,2016;Fang et al.,2017;Lin et al.,2018;王平康等,2019;張富貴等,2019）。天然氣水合物的聚集包括一系列過程，如氣體的生成、運移、聚集和儲存等，以往多側重于對氣體成因的研究（盧振權等,2010;黃霞等,2011;2016;譚富榮等,2017），近年來人們對氣體運移和聚集過程也有了進一步的了解（Wang et al.,2014;盧振權等,2015），但是對陸域天然氣水合物的遷移過程，目前還未達成共識。氣體運移機理研究仍然是薄弱環節，有關氣體來源還存在不同的見解（曹代勇等,2009;Lu et al.,2011;Lu et al.,2013;戴金星等,2014;張家政等,2017）。研究區構造和巖性變化復雜，即便鉆孔相距不足百米，水合物仍難以橫向對比，天然氣水合物遷移機理研究還不夠深入，僅停留在推測階段（何家雄等,2013;翟剛毅等,2014）。本次在近幾年地球化學工作的基礎上，通過烴源巖評價、氣體來源及成因類型、烴類垂向運移機制、生烴史等方面，提出了凍土區天然氣水合物遷移機理。

1 地質概況

研究區地處祁連山木里煤田聚乎更礦區，是中生代形成的拗陷型含煤盆地。晚三疊紀末期，受印支運動影響，整個祁連山抬升成陸，成為剝蝕區，中祁連盆地沉積了一套侏羅紀的山間河湖沼澤相含煤碎屑巖建造，晚侏羅世末期—早白堊世期間強烈的造山運動導致白堊系與前白堊系的區域角度不整合，自新生代地層不整合覆蓋于前新生代地層之上。新生代以來，受青藏高原東北緣地殼縮短變形和西緣阿爾金斷裂活動的影響，祁連山地區發育一系列的北西西向和北北西向逆沖斷裂（圖1）（文懷軍等,2011）。聚乎更礦區為一復式背向斜構造，向斜軸方向為北西向50°～70°之間，由1個背斜和2個向斜組成（符俊輝等,1998）。礦區出露地層主要包括中侏羅統江倉組（J2j）和木里組（J2m），每套地層含多個含煤地層（謝其鋒等,2015;牛志新等,2015）（圖1）。

圖1 研究區位置示意圖（a）及祁連山聚乎更礦區天然氣水合物礦藏地質簡圖（b）（據青海煤炭地質105隊,2006修改）Fig.1 Location of the study area(a)and geological map of the gas hydrate deposits(b)in Juhugeng in the Qilian Mountain(modified after Qinghai No.105 Coal Geological Exploration Party,2006)

2 樣品采集與分析測試

本次在祁連山木里凍土區采集4口鉆井的巖芯樣品，分別為DK-8井、DK13-11井、DK12-13井、DK6-6井，DK6-6井離水合物發現區較遠，圖中未標識。其中在DK-8井采集400件巖芯樣品，將一部分巖芯樣品置于預先倒入200 mL飽和鹽水的鹽水瓶中，使飽和鹽水的液面升至400 mL，擰緊鹽水瓶螺絲和瓶蓋，倒置擺放在室內，最大限度地保存樣品中的頂空間氣體，分析頂空氣輕烴；采集的另一部分巖芯樣品內襯玻璃紙裝入樣帶后，直接送實驗室分析甲烷碳同位素，由中石化合肥培訓測試中心完成。

在DK13-11井和DK12-13井中分別采集巖芯樣品56件、44件，采集樣品深度為9.20～604.90 m，采集的巖芯樣品內襯玻璃紙裝入樣帶后，直接送實驗室分析甲烷碳同位素，由中石化合肥培訓測試中心完成。

在DK6-6井采集巖芯40件，其中，侏羅統樣品6件，上三疊統樣品34件，進行烴源巖分析，主要測試指標為總有機碳含量（TOC）、氯仿瀝青“A”、干酪根化學元素的含量、鏡質組反射率（Ro），這部分樣品由長江大學地球化學實驗室完成。

按分析測試的相關要求，實驗室對10%的樣品進行了基本測量和檢查測量，基本測量和檢查測量的相對誤差小于10%，分析測試結果通過了中國地質調查局分析測試質量中心的驗收，分析質量可靠。

3 烴源巖評價

烴源巖的定性評價是烴源巖評價的重要部分，是判斷研究區是否有足夠氣源的重要依據（盧雙舫等,2008）。烴源巖體積是決定生烴量的主要因素，但烴源巖的體積受其發育厚度和分布面積的控制，這是一個地質問題，而不是一個地球化學問題，因此，本文不討論烴源巖體積。本次研究區鉆井巖芯樣品的分析結果基于中國石油天然氣集團公司1995年發布的行業標準（SY/T 5735-1995）（表1），從有機質的豐度、類型、成熟度來比較中侏羅統木里組和上三疊統尕勒得寺組烴源巖特征。

表1 陸相烴源巖有機質豐度評價指標Table1 Evaluation index of organic matter abundance of continental source rocks

3.1 有機質豐度

有機質豐度是衡量生烴能力的重要指標。

本次共測試有機碳樣品40件，中侏羅統木里組樣品6件，采樣深度630.50～678.10 m，上三疊尕勒得寺組樣品34件，采樣深度37.52～610.50 m。中侏羅統木里組烴源巖和上三疊統尕勒得寺組烴源巖有機碳含量均大于0.4%，木里組烴源巖有機碳含量較高，50%的樣品為最好的烴源巖，超過83.33%樣品為好烴源巖，尕勒得寺組烴源巖有機碳含量也較高，介于0.63%～1.50%，超過18.75%的樣品有機碳含量大于1%，2套地層都具有較好的生烴潛力（表2）。中侏羅統木里組烴源巖氯仿瀝青“A”含量較高，所有樣品氯仿瀝青“A”含量均大于0.015%，66.67%的樣品氯仿瀝青“A”含量超過0.1%，烴源巖評價等級為好烴源巖。上三疊統尕勒得寺組烴源巖氯仿瀝青“A”含量大多小于0.05%，評價等級為差或非生油巖（表2）。

兩個民族語言的對話，勢必都把各自的民族文化根植于表達中，企業和商家在交流中就難免打上本階級思維方式的烙印，也就難免使業務談判和協商有了阻礙，影響了正常的經濟來往。這時的翻譯，就要站在中立的立場上，充分發揮跨文化交際技巧，把這種由于文化差異帶來的負面因素降到最低。[2]

3.2 有機質類型

有機質類型是衡量有機質生烴能力的參數，同時決定了產物是以油為主還是以氣為主，Ⅰ型干酪根具有較高的原始H/C原子比和較低的O/C原子比，生烴潛量大，形成產物以油為主，Ⅱ型干酪根生烴潛量中等，也是良好的生油母質，Ⅲ型干酪根生烴潛量較小，形成產物以氣為主（盧雙舫等,2008）。

研究區的中侏羅統木里組烴源巖O/C原子比平均值為0.13，上三疊統尕勒得寺組烴源巖O/C原子數比平均值為0.20，2套地層O/C原子數比值差異較大。中侏羅統樣品H/C原子數平均值為0.71，上三疊統樣品H/C原子數平均值0.75，差異不大。中侏羅統木里組烴源巖以Ⅱ2、Ⅱ1型干酪根為主，上三疊統尕勒得寺組烴源巖以Ⅲ、Ⅱ1型干酪根為主，極少樣品為Ⅰ型干酪根（圖2）。

3.3 有機質熱演化程度

有機質成熟度是衡量有機質向油氣轉化程度的重要參數。鏡質體反射率（Ro）測量結果顯示，所有樣品的Ro值均大于0.68%。中侏羅統木里組烴源巖Ro值介于0.68%～1.27%，處于有機質成熟階段，為生油高峰期，是原油的形成階段，產生大量的原油伴生氣。上三疊統烴源巖Ro值介于1.04%～1.81%，處于有機質高成熟階段，生成的烴類產物以低分子質量的輕烴（C1～C5）為主（表2）。

總體來看，中侏羅統木里組烴源巖與上三疊統尕勒得寺組烴源巖總有機碳含量均較高，有機質類型明顯不同，中侏羅統木里組含煤巖系主要以Ⅱ1、Ⅱ2型為主,而上三疊統以Ⅲ、Ⅱ1為主，處于成熟階段，以產油為主，油源對比也顯示，DK-9井中侏羅統的含油層來自中侏羅統烴源巖（Cheng et al.,2018）。上三疊統干酪根處于高成熟階段，生烴潛力較小，但產物以輕烴為主，可為天然氣水合物形成提供持續穩定的氣源。

表2 祁連山凍土區天然氣水合物氣源巖評價表Table2 Hydrocarbon source rock assessment in the Qilian Mountain permafrost

圖2 祁連山凍土區干酪根化學元素分類Fig.2 Varieties of the chemical elements of kerogeninthe Qilian Mountain permafrost

4 天然氣水合物起源成因及運移探討

4.1 天然氣水合物氣體來源

祁連山木里地區獲取天然氣水合物實物樣品以來，國內學者對于其氣源開展了相關研究，取得了一系列成果，但目前尚未取得共識，主要有以下幾種觀點：①天然氣水合物氣源主要來自煤層和煤系分散有機質熱演化的產物，天然氣水合物的形成與煤或煤系有關，煤層氣是其主要來源，并解釋為“煤型氣源”天然氣水合物（曹代勇等,2009;王佟等,2009;張家政等,2017）；②天然氣水合物的氣體以熱解成因為主，主要為原油伴生氣，少部分凝析油伴生氣、煤成氣，與煤型氣關系不大（盧振權等,2010）；③天然氣水合物氣源為混合成因，煤成氣來自侏羅系煤層，油型氣可能來自于下伏上三疊統尕勒得寺組甚至更深的地層（黃霞等,2011）。

筆者采集DK-8井、DK13-11井、DK12-13井巖芯樣品500件。DK-8井400件巖芯樣品δ13C1均大于-50‰，平均為-47.41‰，R值（干燥系數）一般小于100，平均為13.70，顯示出明顯的熱解氣和混合氣特征。DK13-11井56件巖芯樣品δ13C1均大于-50‰，平均-44.20‰，R值普遍小于100，顯示出明顯的熱解氣特征。DK12-13井44件巖芯樣品δ13C1都大于-50‰，平均為-43.60‰，R值普遍小于100，顯示出明顯的熱解氣特征，甲烷相對含量高，但還有較大比例的重烴（乙烷、丙烷、丁烷等），呈現濕氣的特征（圖3a）。為了研究祁連山凍土區烴類氣體的成因類型，進而初步判斷氣體的來源，筆者根據戴金星的鑒別圖版（戴金星,1993），將測試數據δ13C1及R值投點到鑒別圖版中，DK-8井、DK13-11井、DK12-13井投點所落區域大體相同，大多數為原油伴生氣、凝析油伴生氣和煤成氣（圖3b）。

圖3 祁連山凍土區鉆井巖芯氣體組成（a）和碳同位素判別（b）（據Whiticar,1999;戴金星,1993修改）Fig.3 Gas compositionfrom the drilled cores in the Qilian Mountain permafrost(a)and carbon isotopes identification plate(b)(modified after Whiticar,1999;Dai,1993)

中侏羅統木里組和上三疊統尕勒得寺組均為較好的烴源巖。中侏羅統烴源巖正處于有機質成熟階段，為生油高峰期，在生成原油的過程中，產生大量的原油伴生氣。上三疊統烴源巖處于高成熟階段，以生干氣為主，為天然氣水合物提供了充足的氣源，體現了祁連山天然氣水合物多源的特點。

4.2 烴類氣體運移及輸導體系

烴類氣體沿斷裂、裂縫等運移通道持續補給對形成天然氣水合物成藏至關重要（Boswell et al.,2011）。研究區侏羅系及其下伏晚古生代—中生代地層褶皺，形成寬緩的北、向斜構造，在形成縱彎褶皺的過程中形成一系列順層剪節理及層間破碎帶，同時在區域近南北向擠壓構造應力場作用下，形成切層的共軛節理，這些層間破碎帶、順層剪節理、微裂隙、巖石中的孔隙特別是區域角度不整合面之上粗碎屑巖中的孔隙為油氣運移提供了通道。

DK-8井天然氣水合物主要分布在144.4～152.0m和235～291.3 m間，在剖面上均產出在F1、F2斷層的下盤（盧振權等,2015）。這些特征表明，天然氣水合物受逆沖構造控制明顯。在水合物發現層均有較高的甲烷含量、較高的有機碳含量和較低的R值（普遍小于10），各烴類氣體含量平均值表現為CH4＞C2H6＞C3H8＞C3H6＞C2H4＞nC4H10＞iC4H10，顯示出濕氣的特征，即祁連山凍土區鉆獲的天然氣水合物屬于Ⅱ型水合物，烴類氣體并非簡單地只有原地有機質轉化而成，還存在深部烴類氣體沿斷裂系統向上運移形成的。隨著埋深增加，R值上升，甲烷含量比例增加（圖4），天然氣水合物賦存層位R值較低，這是由于甲烷形成水合物，游離甲烷含量降低，而乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳等含量增大，在自然地質條件下，形成上部溶解氣帶、水合物穩定帶及下部游離氣帶（或常規氣藏）3個分帶，甲烷含量分別呈現呈“中-低-高”特點。

DK8井131.4～386.4 m區間的巖芯頂空氣含量較高，對應發育多層明顯的破碎帶，巖芯裂隙發育，有斷層發育，顯示出烴類氣體沿著斷層或斷層破碎帶向上運移的特點（圖4）。且在此破碎帶內多見有天然氣水合物異常層，這些斷層和斷層破碎帶的存在，為深部氣體運移提供了通道，而淺部斷層和斷裂破碎帶為天然氣水合物提供了自生自儲的氣體擴散和儲存空間。

4.3 生烴史

生烴史研究表明，木里組烴源巖在早白堊世早期（140 Ma左右）進入生烴門限（Ro=0.5%），在早白堊世晚期（100 Ma）進入成熟熱演化階段（Ro＞0.7%），目前處于生烴高峰附近（Ro=1.0%）。

尕勒得寺組底部烴源巖早侏羅世（190～180 Ma）進入生烴門限（Ro=0.5%），在中侏羅世（165 Ma）進入成熟熱演化階段（Ro＞0.7%），進入生烴高峰階段，在晚白堊世早期（100～90 Ma）進入高成熟熱演化階段，目前底部處于高成熟熱演化階段，頂部處于生烴高峰附近（Ro=1.0%），整體處于成熟-高成熟熱演化階段，生烴潛力大（圖5）。

4.4 凍土區天然氣水合物運移模式

祁連山凍土區天然氣水合物氣源主要以原油伴生氣為主，主要來自中侏羅統木里組烴源巖和上三疊統尕勒得寺組烴源巖。木里組與尕勒得寺組烴源巖達到成熟條件后生成的油氣連續發生初次運移和二次運移，一起圈閉聚集，晚侏羅紀世末期，隨著盆-山差異抬升剝露，已經圈閉聚集的油氣可能發生再次運移，早期形成的深部油氣圈閉進一步抬升到接近地表位置。進入新生代后，開始于3.6 Ma的青藏運動使祁連山迎來最強烈的隆升，直到0.8～1.2 Ma的昆侖-黃河運動才整體抬升到冰川作用所需要的3000 m臨界高度以上，0.15 Ma的共和運動最終抬升到現在的高度（崔之久等,1997;李吉均等,1998），青藏高原出現第四紀以來最大的冰川（李吉均等,1999;2013），而且至今仍處于穩定的環境。

祁連山凍土形成于穩定凍土帶形成之后，時間不早于1.2 Ma左右。天然氣水合物可在充足的氣源供給、有利的氣體組成、穩定帶內儲層特征等多種因素下形成。根據地質和地球化學分析，初步建立了祁連山凍土區天然氣水合物運移機理（圖6），晚侏羅世-早白堊世，中侏羅統木里組和上三疊統尕勒得寺組生成的油氣發生運移和聚集，新生代以來祁連山地區迎來一系列強烈的構造運動，油氣隨地層隆升至冰川凍土作用需要的臨界高度，油氣沿斷裂發生再次運移，凍土層為油氣提供了蓋層，第四紀出現大規模冰川，溫度降低，環境趨于穩定，祁連山地區開始具備天然氣水合物的形成條件，游離氣在合適的溫壓條件下轉化為天然氣水合物。

5 結論

（1）祁連山凍土區天然氣水合物以熱解氣為主，主要為原油伴生氣，少量煤成氣。中侏羅統木里組和上三疊尕勒得寺組均為較好的烴源巖，分別以擴散作用和遷移作用沿斷層和裂隙運移聚集，為天然氣水合物形成提供充足的氣源，顯示多源、多期次的特點。

圖4 祁連山凍土區DK-8鉆孔甲烷含量變化及天然氣水合物異常主要分布Fig.4 Hydrocarbon concentrations and abnormal distribution of gas hydrate from borehole DK-8 in the Qilian Mountain permafrost

（2）祁連山凍土區鉆井顯示，在水合物發現層均有較高的甲烷含量、較高的有機碳含量和較低的干燥系數，顯示出濕氣的特征。鉆井巖芯頂空氣高含量的區間內發育多層明顯的破碎帶，顯示出斷層或破碎帶是烴類氣體運移的橋梁。

（3）根據地質和地球化學分析，初步建立了祁連山凍土區天然氣水合物遷移機理。祁連山的構造隆升不僅將深部氣藏抬升到接近地表位置，而且提供了水合物形成所需要的溫度條件，是構造-氣候耦合作用的結果。祁連山天然氣水合物的形成經歷了晚侏羅世—早白堊世的氣體運移與聚集、中新世中晚期—上新世整體抬升、第四紀游離氣體轉化成天然氣水合物礦藏3個階段，經歷了“先聚集-再抬升-后成藏”的過程。

圖5 祁連山凍土區烴源巖生烴史Fig.5 Hydrocarbon generation history of source rocksin the Qilian Mountain permafrost

圖6 祁連山凍土區天然氣水合物運移機理示意圖Fig.6 Schematic diagram of gas hydrate migration mechanism in Qilian Mountain permafrost

致 謝衷心感謝中國地質調查局青藏高原天然氣水合物長期觀測基地提供的研究平臺。項目實施過程中得到中國地質調查局油氣資源調查中心盧振權研究員、龐守吉博士、張帥博士等的大力幫助，吉林大學李冰博士等提供野外幫助，中國地質科學院物化探所王小江提供了地震剖面數據，中國地質科學院力學所胡道功研究員提供生烴史數據，分析測試數據由長江大學地球化學實驗室和中石化合肥培訓測試中心完成，均深表感謝。