青海木里煤田天然气水合物特征与成因.pdf

第 3 7卷 第 6期 2 0 0 9年 l 2月 煤 田地质 与勘探 C 0A I ． G EI 3 GY E XP 1 0R [ 0N VO 1 ．3 7NO． 6 De c ． 2 0O9 文章编 号 1 0 0 1 1 9 8 6 2 0 0 9 0 6 ． 0 0 2 6 ． 0 5 青海木里煤田天然气水合物特征与成因 王 佟 1 ,2 刘天绩 ，邵龙义 ，曹代勇 ，郭晋宁 ，刘益芬 ，文怀军 ，王 丹 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，北京 1 0 0 0 3 9 ； 摘要青海木里煤 田成功钻获天然气水合物实物样品，使我国成为世界上首次在中低纬度冻土 区 发现天然气水合物的国家。通过对钻获天然气水合物样品的分析 ，以及对以往异常可燃气体涌出 钻孔的测井曲线的重新解释和对比分析，初步确定天然气水合物赋存于中侏 罗统江仓组油页岩段 的细粉砂岩夹层 内的孔 隙和裂隙中。研究结果显示，天然气水合物中的气体以重烃类为主， 烷 达 5 2％～ 6 8％；其 6 。 C值为一 5 0 ． 5 ％ 0 P D B标准 ，并具有 6 c l 6 c 2 6 c 3 6 i c 4 6 。 n c 4 的特征， 其 8 D值分别为一 2 6 6％ o 和一 2 6 2 ％ o VS MO W 标准 ，显示出明显的深部热解气特征。结合木里煤 田 煤层气地质特征 ，认为煤层气是木里煤田天然气水合物的主要来源，并将其命名为“ 煤型气源” 天 然气水合 物 。 关键词天然气水合物；冻土带；煤型气源；木里煤田 中图分类 号 P 6 1 8 ． 1 1 ； P 6 1 8 ． 1 3 文献标 识码 A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 0 ． i s s n ． 1 0 0 1 ． 1 9 8 6 ． 2 0 0 9 。 0 6 ． 0 0 7 C h a r a c t e r i s t i c s a n d o r i g i n s o f t h e g a s h y d r a t e s i n t h e Mu l i c o a l fi e l d o f Qi n g h a i WA NG T o n g ， L 1 U T i a n j i ， S HA O L o n g y i ， C A O D y o n g ， G U O J i n n i n g ， L I U Y i f e n ， WE NH u a i j u n z ， WA N GDa n 1 ． S t a t e k e y L a b o r a t o r yo fC o a l R e s o u r c e s a n dS a f e Mi n i n g ， C U MT B ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． 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 ifi n g 1 0 0 0 3 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Ga s h y d r a t e s s a mp l e s a r e s u c c e s s f u l l y o b t a i n e d b y d r i l l i n g i n t h e Mu l i c o a l fi e l d o f Q i n g h a i P r o v i n c e ， wh i c h ma k e s Ch i n a t h e c o u n t r y wh i c h fir s t l y d i s c o v e r s g a s h y d r a t e i n t h e p e r ma f r o s t o f t h e me d i u m a n d l o w l a t i - t u d e s ．T h e ga s h y d r a t e s a r e p r e s e r v e d i n t h e p o r e s a n d c r a c k s o f t h e s i l t s t o n e l a y e r s s a n d wi c h e d i n t h e o i l s h a l e memb e r of t h e M i ddl e J u r a s s i c J i a ng ca n g Fo r ma t i on．Th e ga s i n t he g as hy dr a t e s i s domi n a t e d by h ea v y h yd r o car b o n s ， wi t h t h e me t h a n e a c c o u n t i n g u p t o 5 2％- 6 8％． Th e 6 ” C o f t h e g a s h y d r a t e s i s- 5 0 ． 5％o P DBa n d d e mo n s t r a t e s a t r e n d o f 8 1 3 Cl 6 C2 6 C3 6 i C4 6 l 3 n C4 ．T h e 8 D v a l u e s r a n g e b e t we e n一 2 6 6％。 a n d一 2 6 2％ 。 VS MOW ． Th e s e f a c t s i n d i c a t e t h a t t h e g a s i n t h e g a s h y d r a t e s i n t h e M u l i Co a l fie l d i s f r o m p y r o l y s i s i n t h e d e e p Ea r t h ． I n c o n s i d e r a t i o n o f c o a l b e d me t h a n e g e o l o g y o f t he M u l i Co a l fie l d ， we p r o p o s e d t ha t t h e c o a l b e d me t h a n e i s t h e m a i n s o u r c e o f t h e g a s i n t h e g a s h y d r a t e s i n t h e M u l i Co a l fie l d a n d we n a me t h e g a s h y d r a t e s“ c o a l p r o n e g a s h y d r a t e s ’ ’ Ke y wo r d s g a s h y d r a t e s ； p e r ma f r o s t ；c o a l p r o n e g a s s o u r c e ； M u ff c o alfi e l d 天然气水合物 俗称可燃冰 是一种清洁能源，它 和常规天然气一样，燃烧后只剩下二氧化碳和水，不 会 留下任何污染 。此外 ，1 IT 1 天然气水合物释放出 的能量相当于 1 6 4 I n 。 的常规天然气l 】 】 。据估计 ，全 球天然 气水合 物 的总能 量是所 有煤 、石油 、天然 气 总和的 2 3 倍皿 】 。 在 自然界中，天然气水合物除分布 于水深大于 3 0 0 m的海底沉积物中外 ，还见于地表 1 3 0 m以下的多年冻土区中I 3 】 。 在导致全球气候变暖 方面 ，甲烷作为一种温室气体 ，所起的作用比二氧 化碳要大近 2 0倍。 而天然气水合物矿藏哪怕受到微 小的破坏，都足以导致 甲烷气体的大量泄漏 ，一旦 这种气体进入大气，无疑会增大温室效应。 木里煤田聚乎更矿区是当前青藏高原地质研究 的热点地区之一 ，也是区内煤炭地质研究和勘查开 发程度较高的地区。2 0世纪 5 0年代 ，中国煤炭地 质总局青海煤 田地质局发现了木里煤田，使之成为 青海的主要煤炭工业基地 。 进入 2 1 世纪以来 ， 随着 西部大开发的进展 ，尤其是青藏铁路的开通 ，加大 了本区煤炭资源的开发力度，与煤炭资源具有成因 联系的天然气水合物随之被发现I 4 { 】 。本文结合木里 收稿 日期 2 0 0 9 ． 0 9 1 9 基金项 目 中国煤炭地质总局科技发展专项基金项 目 2 0 0 8 ． 0 1 0 2 作者简介 王 佟 1 9 5 9 一 ， 男， 甘肃会宁人， 教授级高工，主要从事煤炭地质与勘查技术研究 第 6期 王 佟等青海木里煤 田天然气水合物特征与成因 2 7 煤田的勘探成果 ，拟对木里煤田聚乎更矿区天然气 水合物 的特征及成因予以阐述。 1 木里煤 田概况 木 里煤 田位于青 藏高原东北 部的 中祁连含煤 区。该区地域广阔 、自然地理条件复杂 ，属于高寒 山区，生态环境相对脆弱 ，多以草甸构成l 9 】 。木里 煤 田大地构造单元属于古亚洲动力学体系 秦祁 昆 造山系 的一部分 ， 其构造单元属中祁连褶皱隆拗带 的西段 ，具有 特 殊 的 区域 地 质 背 景 和 地 质 演 化 历 史【 1 0 】 。该煤 田包括聚乎更 、江仓和热水等矿区，其 中聚乎 更矿 区 因煤层厚 、储 量丰 富集 中及煤 质好 而 受到广 泛关 注 。 聚乎 更矿 区整 体 为一 复式背 向斜构 造，由一个 背斜和两个向斜组成 。 其中， 北 向斜分布有三井 田、 二井田和一露天 3个井 田；南部向斜由四井田、一 井 田 、三露 天和二 露天组 成 图 1 。矿 区基 底之 上 ， 三叠统广泛出露于矿区南北部及背斜轴部，岩性 以 黑色粉砂岩、泥岩及薄煤层为主，与上覆中侏罗统 呈假整合接触 。中侏罗统为研究区含煤地层，分为 下部木里组和上部江仓组 图 2 。木里组下段为辫 状河冲积平原相，沉积 了一套粗碎屑岩，底部砾岩 发育 ；上段 以湖泊一 沼泽相为主，发育本区主要可 采煤层下 和下 2煤 。江仓组下段主要为三角洲～ 湖泊相，含煤 2 ～ 6层；上段 以浅湖一半深湖相为主， 沉积了一套细碎屑泥岩、 粉砂岩，不含煤，由于后期 剥蚀，主要残留于一井 田中部。 上侏罗统不含煤，为 干旱气候下 的河流冲积相，主要残留于三露天东南 部，岩性以黄、 紫 、 紫灰色砾岩为主，夹灰黄色厚层 状粗砂岩，大型斜层理广泛发育 “ 。 图 1 研究 区地理位置及钻孔分布图 Fi g．1 Lo c a t i o n o f s t ud y a r e a a nd bo r e ho l e s 注 图中黑圆点 表示钻孔。 2天然气水合物的发现过程 木里煤 田为青 海 的主要煤 炭工业 基地 『 l 。进 入 2 1世纪 以来 ，特别是 2 0 0 4年 以来 ，青海 煤炭地 质 局进一步加强了该煤田的煤矿生产勘探和煤层气研 究与评价工作 。在聚乎更矿区勘探施工时 ，发现部 分钻孔 中有可燃气体涌出，以后施工的多个钻孔均 见 到这 种现象 ，而现场解 吸 时发现 这些 煤层 的煤层 气含量又相对较低。通过观测和研究认为，涌气层 位基本位于冻土带之下的煤层上部或下部的砂岩层 中。大量可燃气体涌出井 口的现象 ，引起 了地质工 作者 的高度重视 。经过初步研究 ，基本排除了可燃 气体是煤层气的可能性。那么 ，这种神秘的气体是 什么呢猜测是否为天然气水合物逸散的气体青 海煤炭地质工作者提出了疑似可燃冰的认识 ，测井 人员通过测井曲线解释出了疑似可燃冰层段 的深度 和厚度 ，对木里地 区永冻层的分布特征进行 了初步 研 究 。 同任何科学新发现一样 ，木里煤 田天然气水合 物的发现也经历 了一个认识过程。2 0 0 6年青海煤炭 地质局在开展高原冻土绳索取心钻探技术研究项 目 时 ，与 中 国地 质 科 学 院 勘 探 技 术 研 究所 开展 了合 作[ ，对疑似可燃冰的判断和认识引起了中国地质 科学院的重视 。祝有海 、张永勤等认为 ，木里煤田 基本具备形成天然气水合物 的温压条件[ 1 引 。2 0 0 8 年 ，中国地质调查局立项对青藏高原冻土带天然气 水合物进行勘查 ；张洪涛亲 自领导了青海天峻县木 里煤 田天然气水合物的科学钻探。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勘探队共同承担了高原冻土带天然气水合物勘 探钻孔的施工，青海煤炭地质 1 0 5勘探队提供了曾 有可燃气体涌出的钻孑 L 分布情况 ，并提出了科研试 验钻孔的井位布置建议。青海煤炭地质 1 0 5勘探队 与中国地质科学院矿产资源研究所、勘探技术研究 所共同在 2 0 0 9年成功采集到了可燃冰的实物样品。 2 8 煤田地质与勘探 第 3 7卷 地层 比 岩性 煤 沉积体 系 例 层 尺 剖面 编 统 组 m 号 相沉积 相 第四 系 一 Ⅱ 一 湖 一 滨浅湖 泊 一 5 0 - 分流 一 见湾 江 一 二 二 ] 分流 中 河道 1 0 0 一 一 曲 仓 二 二 ] 滨湖 一 一 流 一 河 侏 l 5 O 一 河 r 1 坝 三 组 一 远砂坝 角 一 泥炭 洲 一 沼泽 一 分流 2 O O 一 罗 问湾 一 分流 河道 一 一 泥 炭 一 I 下 1 沼 泽 统 2 5 0 一 分流 河道 一 未 一 湖 一 浅湖 里 泊 一 组 3 O 0 一 i 下 泥 炭 沼 泽 一 辨 一 分流 河道 状 一 河 同日曰口 表 土或积土层 泥岩 泥质粉 砂岩 粉砂 岩 口口曰口 细砂岩 粗砂岩 细砾 岩 中砂 岩 口_ 含砾粗砂岩 煤层 图 2 聚乎更矿区 3 1 号孔侏罗纪地层和沉积相柱状图 Fi g． 2 Th e 31 c ol umn o f s e di me n t a r y f a c i e s a nd s t r a t i g r a p hy o f J u r r as i c i n t he J u h ug e ng mi n i ng a r e a 3 天然气水合物 的基本特征 3 ． 1 产 出层位及赋存状态 木里煤 田聚乎更矿区的天然气水合物主要赋存 于常年冻土带之下的煤系中。科考 D K 一 1钻孑 L 发现 的3 个天然气水合物层位和此前在 3 3 号钻孔的疑似 可燃冰层位 ，均位于中侏罗统江仓组油页岩段的细 粉砂岩夹层内 图 2 ；赋存状态为孔隙或裂隙 中分 布 ，裂隙宽一般为 0 ． 5 1 mi l l ，最宽可达 3 mm。 3 ． 2 物理特征 通过钻孔岩心研究发现 ，1 3 0 m 以下存在 4层 异常高压气体，其中上部 3层的井深与水合物层段 基本一致。钻孔所取岩心面上不断有气体和水滴 冒 出， 遇泥浆污染呈米黄色 ， 岩心裂隙面上可见白色、 乳白色的水合物晶体以及晶型完好的自生碳酸盐矿 物 ；水合物样品点火能直接燃烧 ，甚至持续 0 ． 5 m i n 以上 ，并不断释放出气体和水 ；将岩心放进水里 ， 能不断冒泡，放进瓦斯罐内，能解吸出大量气体 ， 天然气水合物分解后岩心呈蜂窝状构造。 通过对采集样品的激光拉曼光谱测试 ，发现其 结果与青岛所及国外人工合成样品的激光拉曼光谱 非常相似 图 3 。谱峰在 2 9 0 0 ～ 2 9 4 0 c m- 之间表现 出最大峰值 ，而在 3 1 0 0 c m 左右处显示次高值 ， 曲线形态也很相似 。此外 ，天然气水合物在测井曲 线中还表现出明显的高电阻率和高声速特征。 2 8 0 0 2 9 0 0 3 0 0 0 31 0 0 3 2 0 0 R a ma n S hif t／ c m一 2 9 1 4 2 8 5 0 2 9 0 0 2 9 5 0 RB iT t a n S h i f l ／ c m- 图 3 样品的激光拉曼光谱对比图 Fi g ．3 La s e r Ra ma n s p e c t r a o f t h e g a s h yd r a t e s a mp l e s 据国土资源部 2 0 0 9年 9月 2 5日新闻发布稿 3 ． 3 天然气水合物的成分特征 根据测试成果可知 ，木里煤田天然气水合物中 含有较多重烃类气体。 在一井 田 3 3号钻孔井 口采集 的气体成分中，甲烷为 9 6 ． 6％ 乙烷 、丙烷分别为 3 ． 3％和 0 ． 1％ ； D K ． 1 井的天然气水合物样品，甲 烷可达 5 2％～6 8％ 表 1 。中国地质科学院矿产资 源研究 所对 其 中 甲烷 的碳 氢 同位 素进 行 了测试 第 6期 王 佟等青海木里煤 田天然气水合物特征与成因 2 9 注 标题栏 中分子式依次表示 甲烷、乙烷 、丙烷 、异丁烷 、正丁烷 、异戊烷 、正戊烷 、六 烷及 以上 碳数烷烃 、二氧化碳。 表 2 木里煤田冻土区天然气水合物气体碳氢同位素分析结果表 据青海煤炭地质 1 0 5勘探队，2 0 0 9 ‰ T a b l e 2 S t a b l e c a r b o n i s o t o p e c o mpo s i t i o n s o f t h e g a s h y d r a t e s f r o m t h e p e r ma f r o s t o f t h e M u l i Co a l f i e l d 注标题栏 中分子式依次表示 甲烷碳同位素 、乙烷碳同位素 、丙烷碳 同位素 、异构丁烷碳同位素 、丁烷碳同位素、二氧化碳碳同位素 、甲 烷氢同位素 、乙烷氢同位素。 分析 表 2 ，其 8 1 3 C值为- 5 0 ． 5 ％ o P D B标准 ，并具 有 6 1 3 C I 6 C 2 6 ” C 3 6 n i C 4 一 5 0％ 。 为热成因气 ；甲 烷 B 1 3 C 1 0 0 0 ，指 示典型微生物成因气【 l 刚 。 木 里 煤 田 的 天 然 气 水 合 物 的6 C 为 一 5 0 ． 5 ％ o P D B标准 ，与煤层气组成相近，显示出热 成 因气 的特 征 ，而 C1 ／ c 2 c 3 也小 于 1 0 0 ， 显示 出明 显的深部热解气特征，而非浅部微生物气。 在 甲烷碳同位素值与 C 。 ／ c 2 c 3 散点图上 ，木 里煤 田天然气水合物的样品落在深部热解气范围内 图 4 ，在 6 “ C ． 8 D散点图上 ，木里煤 田天然气水合 物的样品亦落在深部热解气 区 图 5 。 综合分析认为，木里煤 田天然气水合物 中的甲 烷主要来 自煤层气。理由如下 图 4 木里煤 田冻土区 DK 一 1 孔 甲烷碳同位素值与 C1 ／ C 2 c 3 分布图 据国土资源部 2 0 0 9年 9月 2 5日 新 闻发布稿 F i g ． 4 A p l o t o f 6 ” C a n d C1 ／ C2 C3 o f t h e me t h a n e r e l e a s e d f r o m t h e DK一 1 bo r e h ol e i n t h e co l l e c t ed from t he pe r ma f r o s t o f M ul i Co a l f i el d 图 5 木里煤田冻土区 D K- 1 孔甲烷碳、氢同位素值分布图 Fi g． 5 A p l o t o f8 C a n d 8 D o ft h eme t h an e r e l e a s e df r om me DK一 1 b Or e hO l e f r o m the p e rm a f r o s t o f Mul i Coa l fie l d 3 0 煤 田地质与勘探 第 3 7 卷 a ．木里煤 田侏罗纪煤层及有机质曾产 出相当 数量的煤层气 ，但根据测试和研究发现，目前赋存 于煤层中的气量偏低。这可能是在地质历史中甲烷 气体大量逸出并富集于冻土带中，进而成为天然气 水合物的主要气体来源。 b ．木里坳陷分布有石炭系暗色泥 灰 岩 、下二 叠统草地沟组暗色灰岩、上三叠统尕勒得寺组暗色 泥岩和侏罗系暗色泥页岩等数套烃源岩。这些烃源 岩 质量较好 ，处 于成熟过 成熟阶段 ，具有 良好 的生 油 、生气潜力l l 7 ；但因其资源有限，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甲烷的次要来源。 c ．根据煤 炭勘 查钻 孑 L 涌 出的气 体成分 和 DK ． 1 孔采集的气体成分 表 1 数据分析 ， 气体具有较多的 重烃类气体； 碳氢同位素分析 表 2 显示出明显的深 部热解气特征 ，基本排除浅部微生物气的可能。 d ．根据测井 曲线解释的天然气水合物疑似层 位均分布在煤系中 江仓组 。 为表征木里煤田天然气水合物的特点 ，故将其 称为 “ 煤型气源”天然气水合物。 5结论 在对 木里 煤 田多年冻 土层 的煤炭 地质勘 查施 工 中，发现了天然气水合物的存在 ，通过对钻获天然 气水合物样品的分析 ，以及对以往异常可燃气体涌 出钻孔 的测井 曲线 的重新解 释 和对 比分析 ，初步 确 定 了天然气水合物赋存于中侏罗统江仓组油页岩段 的细粉砂岩夹层内的孔隙和裂隙中；由气体成分组 成 可 知 ，其 含 有 较 多 重 烃 类 气 体 ， 甲烷 可 达 5 2％一 6 8％；同时 ，根据 碳 同位 素分 析结 果 ，认 为 该 区天然气水合物主要源于木里煤田的煤层气 ，并 将其命名为 “ 煤型气源”天然气水合物。 参考文献 【 l 】郭平 ，刘 士鑫 ，杜建芬 ．天然 气水合 物气藏开发[ M] ．北京 石油工业 出版社 ，2 0 0 6 1 - 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