青海木里地区天然气水合物形成条件分析.pdf

第 2 1 卷 9期 2 0 0 9年 9月 中国煤炭地质 COAL GEoL0GY OF CHI NA Vo 1 ． 21 No ． 9 S e p． 2 00 9 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 6 ．i s s n ． 1 6 7 4 1 8 0 3 ． 2 0 0 9 ． 0 9 ．0 0 2 文章编号 1 6 7 4 1 8 0 3 2 0 0 9 0 9 0 0 0 3 0 4 青海木里地区天然气水合物形成条件分析 曹代 勇 ， 刘天绩 。 ， 王 丹 ， 王 佟 一 ， 文怀军 ， 潘语录 1 ． 中国矿业大学煤炭资 源与安全开采 国家重点实验室 ， 北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 中国煤炭地质总局青海煤炭地质局 ， 青海 西宁8 1 0 0 0 1 ； 3 ． 中国煤炭地质总局 ， 北京1 0 0 0 3 9 摘要 我 国的青 藏高原地区有大面积的多年冻土分布 ， 其适宜 的温压条件 为天然气水合物的形成创造 了有利 的环 境 。 在青藏高原北部祁连山区木里煤 田多年冻 土层煤炭地质勘查施工 中， 发现天然气水合物存在 的证据 。通过分析 木里地区多年冻 土带天然气水合物的形成条件 ， 对天然气水合物烃类气体的来源进行 了探讨 ， 提 出煤层和煤系分散 有 机质 热演化过程中形成的烃类气体是木里煤 田天然 气水 合物主要来源 的观点 ， 将并其称 之为 “ 煤型气源 ” 天然气 水合物 。 关键词 天然气水合物 ； “ 煤型气源 ” 天然气水合物 ； 木里煤 田； 形成条件 中图分类号 P 6 1 8 ． 1 文献标识码 A A n a l y s i s o f F o r ma t i o n Co n d i t i o n s o f N a t u r a l Ga s Hy d r a t e i n Mu l i Co a l fi e l d ， Qi n g h a i P r o v i n c e C a o D a i y o n g ， L i u T i a n j i 2 , Wa n g D a n ， Wa n g T o n g 1 , 3 , We n Hu a i j u n , P a n Y u e l u 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e s a n d Mi n e S a f e t y ， C U M T B ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． Q i n g h a i B u r e a u o f C o a l G e o l o g i c a l E x p l o r a t i o n ， X i n i n g ， Q i n g h a i 8 1 0 0 0 1 ； 3 ． C h i n a N a t i o n a l A d mi n i s t r a t i o n o f C o a l G e o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 3 9 A b s t r a c t T h e r e a r e l a r g e a r e a s o f p e r maf r o s t i n t h e Q i n g h a i - T i b e t p l a t e a u ， w h e r e t h e a p p r o p ri a t e t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e c o n d i t i o n s c r e a t e d a f a v o r a b l e e n v i r o n me n t f o r t h e f o r ma t i o n o f n a t u r a l g a s h y d r a t e ．I n r e c e n t y e a r s ，s o me e v i d e n c e s o f t h e g a s h y d r a t e we r e d i s c o v e r e d d u ri n g c o a l g e o l o g i c a l e x p l o r a t i o n i n p e rma f r o s t z o n e s o f Mu l i c o a l f i e l d ， Q i l i a n Mo u n t a i n ， n o r t h e r n Q i n g h a i T i b e t p l a t e a u ． T h i s p a p e r a n a l y z e d t h e f o rm a t i o n c o n d i t i o n s o f n a t u r al g a s h y d r a t e i n Mu l i c o a l fi e l d ， p a rt i c u l a r t h e s o u r c e s o f h y d r o c a r b o n g a s e s i n n a t u r al g a s h y d r a t e ，t h e n p r o p o s e d a v i e w t h a t t h e ma i n s o u r c e o f g a s h y d r a t e c o me f r o m t h e h y d r o c a r b o n g a s e s p r o d u c e d d u ri n g t h e rm a l e v o l u t i o n o f c o a l a n d d i s p e r s e d o r g a n i c ma t t e r i n t h e c o a l me a s u r e s ，a n d c all t h i s t y p e i n Mu l i c o alfi e l d a s” c o a l r e l a t e d g a s s o u r c e ”o f n a t u r a l g a s h y d r a t e ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s h y d r a t e ； ” c o a l r e l a t e d g a s s o u r c e ”o f n a t u r al g a s h y d r a t e； Mu l i c o a l fi e l d； f o rm a t i o n c o n d i t i o n s 天然气水合物 N a t u r a l G a s Hy d r a t e 是 由水 和 天然气在 中高压 和低温条件下 ，混合组成 的类冰 的 、 笼形结晶化合物。形成天然气水合物的主要气 体为甲烷。l m 的天然气水合物可以释放 出 1 6 4 m 的天然气和 0 ． 8 m 的水 。其能量密度是煤和黑色页 岩的 1 0倍左 右 ， 具有使用方便 、 燃烧值高 、 清洁无 污染等特点【 l J 。是公认 的地球上 尚未开发的最大新 型能源 ， 被誉为 2 1 世纪最有希望的战略资源。 天然气水合物 主要 赋存 在多年冻土 区和海 洋 沉积物等低温高压环境 中闭， 目前 ， 已发现 的天然气 水合物主要分布于海洋环境 。我 国是世界上多年冻 基 金项 目 国家 自然科学基 金 4 0 8 7 2 1 0 5 ； 中 国煤 炭地质 总 局科技发展专项 基金 2 0 0 8 一I一 0 2 。 作者简介 曹代勇 1 9 5 5 一 ， 男 ， 重庆人 ， 教授 ， 从 事煤 炭地质 教学和科研工作 。 收 稿 日期 2 0 0 9 0 7 2 2 责任编辑 唐锦秀 土分布面积第三大 国， 青藏高原多年冻土区活动带 具备形成天然气水合物 的特殊地质条件 ， 近年来已 经引起学术界 的高度重视 ， 相继开展了一系列研究 工作l3 1 。 2 0 0 4年， 青海省煤炭地质 1 0 5勘探 队在木里 煤 田聚乎更矿区煤炭地质勘查 中发现钻孔强烈涌 气 现 象 ， 2 0 0 8年 底 至 2 0 0 9年初 ， 由 中 国地质 科 学 院 矿产资源研究所 、 勘探技术研究所 和青海煤炭地质 1 0 5勘探 队承担 的 “ 祁连 山冻 土 区天然气 水合物 D K一 1科学钻探试验孔 ” 项 目， 取得 重大突破 ， 在木 里煤 田聚乎更矿区钻获天然气水合物实物样品 ， 使 我 国成为第一个在 中低纬度高 山冻 土区发现天然 气水合物实物的国家。这一重大发现 ， 必然 引起对 该区天然气水合物形成条件的深入思考 。 1 天然气水合物 的赋存环 境 天然气水合物 的形成 ，主要受 3个 因素 的控 制 ， 一是低温 0 ～ 1 0 o C ； 二是高压 1 0 MP a或水 深 4 中 国 煤 炭地 质 第2 1 卷 3 0 0 m及 更深 ； 三 是充 足 的气源 如沉 积物 中 的有机 物 、 地壳深处和海气田渗出的碳氮气体 条件[2 1 。由 于形成条件的制约 。天然气水合物通常仅分布在海 洋大陆架外的陆坡 、 深海和深湖以及永久冰土带 。 冻 土带是 天然 气水合 物 发育 的两个 重要地 质 环 境之一。 中国多年冻土面积达 2 1 5 x 1 0 4 k m ， 仅次于俄 罗斯和加拿大。目前世界上多年冻土区发现的天然 气水合物主要集中在俄罗斯东西伯利亚、西西伯利 亚 、美国的阿拉斯加以及加拿大的马更些三角洲等 地『5 ， 这些地 区的地理位置都在北极圈附近 ， 因而 有极地多年冻土之称。我国青藏高原高山多年冻土 却分布在中纬度地带 ，与极地多年冻土的状态不完 全相同，由此可能引起天然气水合物赋存条件和基 本特 征 的差 异 。 青藏高原多年冻土区活动带具备形成天然气水 合物的特殊地质条件 。首先青藏高原是我国最大的 冻土区， 面积多达 8 8 x 1 0 4 k m ， 冻土厚度均大于 1 0 m， 是 良好 的盖层 ；其次 ，多年冻 土区 日均气 温低于 0 c I 二 ， 年均气温低于一 6 C， 地表低温既能抑制 甲烷的 生成 。 又可使 甲烷在冻土带中形成水合物 ， 阻止甲烷 散 逸 ， 从 而形 成 天然 气水 合 物 矿藏 ； 再 次 ， 研究 区存 在良好的烃源岩 ，可为天然气水合物的形成提供丰 富的 生烃潜 量 。另外 ，区内存 在 良好 的 圈闭边界 条 件 ． 如岩性圈闭、 冻土层圈闭等 ， 对形成天然气水合 物矿藏非常有 lJ [ 8 1 。 2 木里地区地理状况和冻土带特征 近年来对于青藏高原赋存天然气水合物的研究 成果众多，通过各种途径和各种试验证明了青藏高 原确实具有存在天然气水合物的良好的温压和气源 条件 ，而其中青藏高原 的祁连山和羌塘地区条件尤 为优越[9 1 。位于祁连山地区的木里煤 田正是这样一 个天然气水合物赋存区域。 祁连山木里煤 田位于青藏高原北部高寒地区 ， 海拔 4 1 0 0 ～ 4 3 0 0 m， 年平均气温一 5 ． 1 ℃， 煤 田范 围内 多年 冻土层 广泛 发育 ， 冻 土层呈 岛状 分布 ， 平均 厚度 8 0 m， 相当一部分地区多年冻土层厚度大于 1 0 0 m [ 0 l 。 中国地质科学院矿产资源研究所 2 0 0 9 根据木里地 区逸出的冷泉气含有 3 ． 4 ％重烃 乙烷 、 丙烷等 的特 点 ，分析形成这种组分水合物的年平均地表温度应 低于一 2 ． 4 。 【 、相应的冻土层厚度应大于 1 0 8 ． 1 m。显 然 ，木里煤田自然地理现状满足了上述天然气水合 物形成的临界条件 ，尤其是木里地区赋存丰富的煤 炭资源 ，煤化作用进程中产生大量以甲烷为主的煤 成 层 气 ， 为多年冻 土带天然气水合物的形成提供 了充分的物质来源。 3 木里煤 田天然气水合物存在的证据 冻土层 内及层下的气喷或气体漏泄现象广泛出 现于俄罗斯 的西西伯利亚和东西伯利亚【 1 】 l 、 加拿大 Ma c k e n z i e三角洲 的T a g l u钻孔[ 2 1 和美国阿拉斯加的 P r u d h o e湾地区口 l ， 这些地 区往往都是天然气水合物 或天然气 田分布区。冻土层内的气喷多来 自于浅层 的微生物气 ，也有部分是 由深部的热解气或天然气 储层经活动断层迁移上来 的， 组分以甲烷为主。 2 0 0 4年 ， 青海 煤炭 地 质 1 0 5勘 探 队在木 里 煤 田 聚乎更 矿 区一井 田进行 首勘 区勘查 ， 在施 工 3 1 号钻 孔 、 3 3号钻孑 L 时 ， 发现有强烈的涌气现象 ， 泥浆 中涌 出的大量气体 ， 在井 口即可燃烧。 青海煤炭地质局总 工程师刘天绩在听取了项 目负责人及钻机施工人员 的情况汇报后 ，指出涌出的气体有可能是可燃冰释 放出来 的。 随即项 目组采集气样进行分析测试 ， 混合 气体样中烃类总成分占 3 9 ． 4 3 ％， 其中甲烷大于 9 6 ％ 表 1 。 表 1 木 里 煤 田聚 乎 更 矿 区 3 3号 孔 井 口 采 集 的 气体 成 分 测 试 成 果 Ta b l e 1 Re s ul t s o f g a s a n a l y s i s f r o m b or e ho l e 3 3 i n t h e J u hu g e n g mi ni n g a r e a ． M u l i c o a l fie l d 2 0 0 7年一2 0 0 8年 ， 青海煤炭地质 1 0 5勘探队在 聚乎更矿区三露天勘探时也有类似 的情况发生 ， 青 海 煤炭地 质勘 查 院在 聚乎更矿 区四井 田也见 到了类 似的现象 ，钻井资料和测井曲线可以识别疑似天然 气水合物赋存 的层位。基于天然气水合物在测井曲 线上电阻率 、 自然电位 、 天然伽马等参数 的异常特征 [ 1 3 1 ．对出现明显涌气现象的煤炭勘查钻孑 L 测井数据 ， 开展了天然气水合物带的定量解释研究，定位和定 厚解译 。各钻孔普遍发育两层天然气水和物疑似层 位 ． 测井解释厚度为 0 ． 7 0 ～ 2 ． 5 0 m， 平均值为 1 ． 4 5 m。 2 0 0 8年 ，布置在聚乎更矿区三露天 井 田 的 D K 一 1科学钻探试验孔首次钻获天然气水合物实物 样品，直接证实了木里煤 田多年冻土带内天然气水 合物 的存在。 9期 曹代 勇。 等 青海木里地 区天然气水合物形成条件分析 5 4 木里 煤 田天 然 气 水合 物 烃 类气 体 来 源分 析 天然气水合物 中甲烷的成因有三种 热成因、 微 生物成因和二者混合成因。已有的研究表明， 青藏高 原多年冻土区地下的烃源气有以下 4种来源 ㈣ ① 地球排气作用产生的烃源气 ；②地下可能存在的油 气藏产生的烃源气 ； ③生物气 ； ④有可能出现 的 C O 转换气 。作为青藏高原多年冻土地带天然气水合物 调查首次取得突破的地区， 木里煤 田特有 的地理 、 地 质条件必然造成天然气水合物成因的特殊性 。 木里煤 田煤炭资源丰富， 资源总量达 1 4 5 ． 8 4 4 9 亿 t ① 。煤质较齐全， 从长焰煤到低级无烟煤 ， 煤的变 质作用以深成变质为主， 有利于烃类气体生成。 实测 结果表明， 煤层现存煤层气含量较低 ， 多数矿区煤层 气平 均含量 不 足 3 m 3 ／ t 。 尽管木里煤 田 3 3号钻孔喷出的气体成因尚不 清楚 ， 但持续时间将近 l a以上的冻土层 内气体漏泄 说明有源源不断的气源补给 ，很有可能是深部的煤 层气沿活动断层迁移上来的 因冻土层本身的渗透 性很差 。 若这里具备适宜的温压条件就有可能形成 天然气水合物，甚至这些气体有部分可能就是天然 气水合物分解所释放的气体 。 综合分析 ， 我们认为， 木里煤 田天然气水合物的 形成 与煤 或煤 系有 关 ，其 中的烃类 气 体 主要来 自煤 层和煤系分散有机质热演化的产物。 理由有 4 ①木 里煤 田侏罗纪煤 系曾产出相 当数量的烃类气体 ， 但 是 目前保存在煤层 中的煤层气总量偏低 ，在地质历 史 中大量逸出的甲烷气体可能会 在冻土带 中富集 ， 成为天然气水合物的主要气体来源。②木里坳陷发 育石炭系暗色泥 灰 岩 、 下二叠统暗色灰岩、 上三叠 统暗色泥岩 、 侏罗系暗色泥页岩等数套烃源岩 ， 烃源 岩质量较好 ， 处于成熟一过成熟阶段 ， 具有 良好 的生 ①青海煤炭地质局、 中国矿业大学 北京 ． 青海省木里煤田煤炭资源 潜力评 价报告 ． 2 0 0 8 ②中国煤炭地质总局、 中国矿业大学 北京 、 青海煤炭地质局． 青海 省木里地 区多能源资源综合研究 ， 2 0 0 9 油生气潜力【 1 5 】 ； 但其资源有 限， 迄今在木里煤 田及其 邻区尚未发现具规模的常规油气藏 ， 因此 ， 常规天然 气至多是本区天然气水合物 中的甲烷 的次要来源。 ③ 煤炭 勘查 钻孔涌 出气体具 有较多 的重烃成 份 ， D K 一 1孑 L 采集 的气体碳氢同位素分析分析显示 出明 显的深部热解气特征 ，基本排除了浅部微生物气的 可能。④根据测井曲线解释的天然气水和物疑似层 位均分布在煤系 中 江仓组 ， 也是二者存在成因联 系的证 据 。 为表征木里煤 田天然气水合物的特点 ，本文将 其称为“ 煤型气源” 天然气水合物 。 5 讨论 在青藏高原多年冻土区北部的木里地区发现天 然气水合物 ，对于我国乃至世界能源都是一个令人 振奋 的消息 ， 这是我国继 2 0 0 7年 5月在南海北部钻 获天然气水合物之后的又一重大突破 ，证明了我国 冻土区存在丰富的天然气水合物资源。 对木里煤 田天然气水合物成因的研究 ， 是天然 气水合物资源调查和评价的基础性工作。本文提出 “ 煤型气源” 天然气水合物的成 因解释 ， 不仅有助于 深化对特定环境条件下天然气成藏规律的认识 ， 而 且对于青藏高原多年冻土区天然气水合物调查优选 靶区的确定 ． 也具有重要的参考价值。 参 考文 献 【 l 】 张金华 ， 魏伟 ， 王红岩． 天然气水合物研究进展 与开发 技术概述【 J J ． 天然 气技术 ， 2 0 0 9 ， 3 2 6 7 6 9 ． 【 2 】乔繁盛．未来 能源 天然 气水 合物[ J 】 _ 国土 资源情 报 ， 2 0 0 6， 5 4 7 4 9 ． [ 3 】张洪 涛 ， 张海启 ， 祝有 海． 中国天然气水合物调 查研 究现状及其进 展[ J ] ． 中国地 质 ， 2 0 0 7， 3 4 6 9 5 3 - 9 6 1 ． 【 4 】 吴青 柏 ， 蒋 观利 ， 蒲毅彬 ， 等． 青藏 高原天 然气水合 物的形成 与多 年冻土 的关系． 地质通报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 1 - 2 2 9 3 3 ． [ 5 1 C o l l e t t T S ． P e r ma f r o s t - a s s o c i a t e d g a s h y d r a t e a c c u mu l a t i o n s [ G ] ／ ／ I n S l o a n E D，Ha p p e r J ，Hn a t o w M e d s ．I n t e rna t i o n a l c o n f e r e n c e o n n a t u r a l g a s h y d r a t e s ．An n Ms o f t h e Ne w Yo r k Ac a d e my o f S c i e n c e ， 1 9 93 ，71 5 2 4 7 -2 6 9 ． 『 6 1 Ya k u s h e v V S ，C h u v i l i n E M．N a t u r a l g a s a n d g a s h y d r a t e 6 中 国 煤炭 地 质 第2 1 卷 a c c u m u l a t i o n s wit h i n p e r m a f r o s t i n R u s s i a ] J ] ． C o l d R e g i o n s S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， 2 00 0， 3 l l 8 9 1 9 7 ． [ 7 ] Wa s e d a A， U c h i d a T ． O ri g i n o f m e t h a n e i n n a t u r a l g a s h y d r a t e s f r o m t h e Ma c k e n z i e De l t a a n d N a i k a i T r o u g h [ J ] ． S c i e n c e ， 2 0 0 2 ， 1 2 3 1 6 9 - 1 7 4． [ 8 】 陈多福 ， 王茂春 ， 夏斌． 青 藏高原冻土带天然气水合物的形成条件 与分布预测『 J ] ． 地球物理学报 ， 2 0 0 5， 4 8 1 1 6 5 1 7 2 ． 【 9 ] 祝有海 ， 刘亚玲 ， 张永勤． 祁连“ 1 多年冻土区天然气水合物 的形成 条件f J ] ． 地质通报 ， 2 0 0 6， 2 5 1 - 2 5 8 6 3 ． 【 l O 】 潘语 录， 田贵发 ， 栾 安辉 ， 等坝9 井方法在青海木里煤 田冻土研究 中的应用I J 】． 中国煤炭地质 ， 2 0 0 8 ， 2 0 1 2 7 - 9 ． [ 1 1 】Ya k u s h e v V S ，C h u v i l i n E M．N a t u r a l g a s a n d g a s h y d r a t e a c c u mu l a t i o n s w i t h i n p e r mafr o s t i n R u s s i a [ J ] ． C o l d R e g i o n s S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， 2 0 0 0， 31 1 8 9 1 9 7 ． 【 1 2 ]D a l l i m o r e S R ，C o l l e t t T S ．I n t r a p e r m a f r o s t g a s h y d r a t e s f r o m a d e e p c o r e h o l e i n t h e Ma c k e n z i e Da h e ，No r t h we s t T e r rit o ri e s ，C a n a d a [ J 1 ． G e o l o g y ， 1 9 9 5 ， 2 3 6 5 2 7 5 3 0 ． 【 l 3 1王虑远， 徐振 中， 陈世悦， 等． 天然气水合物 的识别标志及研究进展 [ J 1 ． 海洋通报 ， 2 0 0 6， 2 5 2 5 5 - 6 3 ． [ 1 4 1 吴 自成 ， 吕新彪 ， 王造成． 青 藏高原 多年冻土 区天然气 水合物 的 形成及地球 化学勘查【 J 】 ． 地质科技情报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 4 9 - 1 4 ． [ 1 5 1 符俊辉 ， 周立发． 南祁连盆地石炭一侏罗纪地层 区划及石油地质 特征叨． 西北地质科学 ， 1 9 9 8， 1 9 2 4 7 5 4 ． 上接第 2页 按 l m 。 的水合物含有 1 6 4 m 天然气计算，则木 里煤 田天然气水合物潜在天然气总量为 1 ． 65 3 xl 0 9 x1 6 4 2． 71 0 92 x1 0 ” i n 。 2 ． 3天然 气水合 物 稳定带 体积 估算 法 根据 对木 里煤 田冻 土带 的有 限研究 资料 ，多 年 冻土层厚度 1 3 ． 6 0 ～ 1 5 9 m， 平均厚度为 7 9 m _9 ] 。 陈多福 等计算青藏高原冻土中天然气水合物资源量时 ， 取 青藏高原有 1 0 ％的多年冻土发育有水合物 。 参考上述成果 ， 取木里煤 田总面积7 6 0 0 k m ， 设 岛状 永 久 冻 土 带 分 布 占总 面积 的 2 0 ％ ，平 均 厚 度 8 0 r n ， 水合物层稳定带厚度 占冻土带厚度 1 0 ％， 仍取 平均空隙度 1 5 ％， 则 纯天然气水合物总体积 7 6 0 0 k i n x 2 0 ％x 8 O mx 1 0％ x O． 1 51 ． 8 2 4x1 09 m 按 l m 的水合物含有 1 6 4 m 天然气计算 ，则木 里煤 田天然 气水 合物潜 在 天然气 总量 为 1 ． 8 2 4 1 0 x1 6 4 2． 9 91 3 6x1 0” In 3 结论 采用三种方法所估算 出的天然气水合物潜在资 源量较为接近 ， 其释放的天然气总量可达 2 ． 7 1 0 9 2 ～ 2． 9 9 l 3 6 x l 0 “ m ，是煤层气地质 资源量 9 ． 1 4 4 x 1 0 m 。 的 3 0倍 ， 显示 了木里煤 田冻土带天然气水合 物 的巨大资源潜力 。 参考文献 【 1 ]武凯． 未来新能源 可燃冰[ J J _北方经贸 ， 2 0 0 8 ， 1 1 1 3 5 1 3 7 ． [ 2 】Mi l k o v A V．G l o b a l e s t i ma t e s o f h y d r a t e b o u n d g a s i n m a ri n e s e d i me n t s h o w mu c h i s r e a l l y o u t t h e r e f J 1 ． E a rt h S c i e n c e R e v i e w s ， 2 0 0 4． 6 6 l 8 3 1 9 7． [ 3 ] 吴青柏 ， 程 国栋． 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