祁连山冻土区天然气水合物地球化学迁移机理探讨*

张富贵，秦爱华，祝有海，孙忠军，张舜尧，王惠艳，杨志斌，周亚龙

（1成都理工大学地球科学学院，四川成都 610059；2地球表层碳-汞地球化学循环重点实验室，河北廊坊 065000；3中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊 065000；4中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029）

天然气水合物是在低温和高压条件下由水和气体分子（主要是甲烷）形成的一种结晶状固体物质，广泛分布于海底沉积物和陆地永久冻土层中（Kven‐volden,1993;Collett,1994;Collett et al.,2003;2009;2011）。随着全球对能源需求的增大，环境要求的增加，各国政府都十分重视天然气水合物的开发和利用（Makogon et al.,2007;邹才能等,2015;傅飘儿等,2016）。2017年，中国南海神狐地区天然气水合物试采实现连续8天的稳定产气，累计产气超12万m3，取得天然气水合物试开采的历史性突破（Li et al.,2018）。除了海域巨大的天然气水合物资源外，中国多年冻土区天然气水合物资源也具有极大的潜力（祝有海等,2011a;2011b;Zhu et al.,2010;Lu et al.,2011）。特别是2008年，中国地质调查局在祁连山首次获得天然气水合物实物样品（Zhu et al.,2010），在冻土区天然气水合物勘查方面取得了重大突破，也拉开了天然气水合物勘查的序幕，在之后的10年里取得了勘查方法技术、试采试验成功等系列成果，与此同时，在基础研究领域也形成了新的认识（徐明才等,2011;Lu et al.,2013;Sun et al.,2014;Wang et al.,2014;2015;韩建光等,2016;Fang et al.,2017;Lin et al.,2018;王平康等,2019;张富贵等,2019）。天然气水合物的聚集包括一系列过程，如气体的生成、运移、聚集和储存等，以往多侧重于对气体成因的研究（卢振权等,2010;黄霞等,2011;2016;谭富荣等,2017），近年来人们对气体运移和聚集过程也有了进一步的了解（Wang et al.,2014;卢振权等,2015），但是对陆域天然气水合物的迁移过程，目前还未达成共识。气体运移机理研究仍然是薄弱环节，有关气体来源还存在不同的见解（曹代勇等,2009;Lu et al.,2011;Lu et al.,2013;戴金星等,2014;张家政等,2017）。研究区构造和岩性变化复杂，即便钻孔相距不足百米，水合物仍难以横向对比，天然气水合物迁移机理研究还不够深入，仅停留在推测阶段（何家雄等,2013;翟刚毅等,2014）。本次在近几年地球化学工作的基础上，通过烃源岩评价、气体来源及成因类型、烃类垂向运移机制、生烃史等方面，提出了冻土区天然气水合物迁移机理。

1 地质概况

研究区地处祁连山木里煤田聚乎更矿区，是中生代形成的拗陷型含煤盆地。晚三叠纪末期，受印支运动影响，整个祁连山抬升成陆，成为剥蚀区，中祁连盆地沉积了一套侏罗纪的山间河湖沼泽相含煤碎屑岩建造，晚侏罗世末期—早白垩世期间强烈的造山运动导致白垩系与前白垩系的区域角度不整合，自新生代地层不整合覆盖于前新生代地层之上。新生代以来，受青藏高原东北缘地壳缩短变形和西缘阿尔金断裂活动的影响，祁连山地区发育一系列的北西西向和北北西向逆冲断裂（图1）（文怀军等,2011）。聚乎更矿区为一复式背向斜构造，向斜轴方向为北西向50°～70°之间，由1个背斜和2个向斜组成（符俊辉等,1998）。矿区出露地层主要包括中侏罗统江仓组（J2j）和木里组（J2m），每套地层含多个含煤地层（谢其锋等,2015;牛志新等,2015）（图1）。

图1 研究区位置示意图（a）及祁连山聚乎更矿区天然气水合物矿藏地质简图（b）（据青海煤炭地质105队,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 样品采集与分析测试

本次在祁连山木里冻土区采集4口钻井的岩芯样品，分别为DK-8井、DK13-11井、DK12-13井、DK6-6井，DK6-6井离水合物发现区较远，图中未标识。其中在DK-8井采集400件岩芯样品，将一部分岩芯样品置于预先倒入200 mL饱和盐水的盐水瓶中，使饱和盐水的液面升至400 mL，拧紧盐水瓶螺丝和瓶盖，倒置摆放在室内，最大限度地保存样品中的顶空间气体，分析顶空气轻烃；采集的另一部分岩芯样品内衬玻璃纸装入样带后，直接送实验室分析甲烷碳同位素，由中石化合肥培训测试中心完成。

在DK13-11井和DK12-13井中分别采集岩芯样品56件、44件，采集样品深度为9.20～604.90 m，采集的岩芯样品内衬玻璃纸装入样带后，直接送实验室分析甲烷碳同位素，由中石化合肥培训测试中心完成。

在DK6-6井采集岩芯40件，其中，侏罗统样品6件，上三叠统样品34件，进行烃源岩分析，主要测试指标为总有机碳含量（TOC）、氯仿沥青“A”、干酪根化学元素的含量、镜质组反射率（Ro），这部分样品由长江大学地球化学实验室完成。

按分析测试的相关要求，实验室对10%的样品进行了基本测量和检查测量，基本测量和检查测量的相对误差小于10%，分析测试结果通过了中国地质调查局分析测试质量中心的验收，分析质量可靠。

3 烃源岩评价

烃源岩的定性评价是烃源岩评价的重要部分，是判断研究区是否有足够气源的重要依据（卢双舫等,2008）。烃源岩体积是决定生烃量的主要因素，但烃源岩的体积受其发育厚度和分布面积的控制，这是一个地质问题，而不是一个地球化学问题，因此，本文不讨论烃源岩体积。本次研究区钻井岩芯样品的分析结果基于中国石油天然气集团公司1995年发布的行业标准（SY/T 5735-1995）（表1），从有机质的丰度、类型、成熟度来比较中侏罗统木里组和上三叠统尕勒得寺组烃源岩特征。

表1 陆相烃源岩有机质丰度评价指标Table1 Evaluation index of organic matter abundance of continental source rocks

3.1 有机质丰度

有机质丰度是衡量生烃能力的重要指标。

本次共测试有机碳样品40件，中侏罗统木里组样品6件，采样深度630.50～678.10 m，上三叠尕勒得寺组样品34件，采样深度37.52～610.50 m。中侏罗统木里组烃源岩和上三叠统尕勒得寺组烃源岩有机碳含量均大于0.4%，木里组烃源岩有机碳含量较高，50%的样品为最好的烃源岩，超过83.33%样品为好烃源岩，尕勒得寺组烃源岩有机碳含量也较高，介于0.63%～1.50%，超过18.75%的样品有机碳含量大于1%，2套地层都具有较好的生烃潜力（表2）。中侏罗统木里组烃源岩氯仿沥青“A”含量较高，所有样品氯仿沥青“A”含量均大于0.015%，66.67%的样品氯仿沥青“A”含量超过0.1%，烃源岩评价等级为好烃源岩。上三叠统尕勒得寺组烃源岩氯仿沥青“A”含量大多小于0.05%，评价等级为差或非生油岩（表2）。

两个民族语言的对话，势必都把各自的民族文化根植于表达中，企业和商家在交流中就难免打上本阶级思维方式的烙印，也就难免使业务谈判和协商有了阻碍，影响了正常的经济来往。这时的翻译，就要站在中立的立场上，充分发挥跨文化交际技巧，把这种由于文化差异带来的负面因素降到最低。[2]

3.2 有机质类型

有机质类型是衡量有机质生烃能力的参数，同时决定了产物是以油为主还是以气为主，Ⅰ型干酪根具有较高的原始H/C原子比和较低的O/C原子比，生烃潜量大，形成产物以油为主，Ⅱ型干酪根生烃潜量中等，也是良好的生油母质，Ⅲ型干酪根生烃潜量较小，形成产物以气为主（卢双舫等,2008）。

研究区的中侏罗统木里组烃源岩O/C原子比平均值为0.13，上三叠统尕勒得寺组烃源岩O/C原子数比平均值为0.20，2套地层O/C原子数比值差异较大。中侏罗统样品H/C原子数平均值为0.71，上三叠统样品H/C原子数平均值0.75，差异不大。中侏罗统木里组烃源岩以Ⅱ2、Ⅱ1型干酪根为主，上三叠统尕勒得寺组烃源岩以Ⅲ、Ⅱ1型干酪根为主，极少样品为Ⅰ型干酪根（图2）。

3.3 有机质热演化程度

有机质成熟度是衡量有机质向油气转化程度的重要参数。镜质体反射率（Ro）测量结果显示，所有样品的Ro值均大于0.68%。中侏罗统木里组烃源岩Ro值介于0.68%～1.27%，处于有机质成熟阶段，为生油高峰期，是原油的形成阶段，产生大量的原油伴生气。上三叠统烃源岩Ro值介于1.04%～1.81%，处于有机质高成熟阶段，生成的烃类产物以低分子质量的轻烃（C1～C5）为主（表2）。

总体来看，中侏罗统木里组烃源岩与上三叠统尕勒得寺组烃源岩总有机碳含量均较高，有机质类型明显不同，中侏罗统木里组含煤岩系主要以Ⅱ1、Ⅱ2型为主,而上三叠统以Ⅲ、Ⅱ1为主，处于成熟阶段，以产油为主，油源对比也显示，DK-9井中侏罗统的含油层来自中侏罗统烃源岩（Cheng et al.,2018）。上三叠统干酪根处于高成熟阶段，生烃潜力较小，但产物以轻烃为主，可为天然气水合物形成提供持续稳定的气源。

表2 祁连山冻土区天然气水合物气源岩评价表Table2 Hydrocarbon source rock assessment in the Qilian Mountain permafrost

图2 祁连山冻土区干酪根化学元素分类Fig.2 Varieties of the chemical elements of kerogeninthe Qilian Mountain permafrost

4 天然气水合物起源成因及运移探讨

4.1 天然气水合物气体来源

祁连山木里地区获取天然气水合物实物样品以来，国内学者对于其气源开展了相关研究，取得了一系列成果，但目前尚未取得共识，主要有以下几种观点：①天然气水合物气源主要来自煤层和煤系分散有机质热演化的产物，天然气水合物的形成与煤或煤系有关，煤层气是其主要来源，并解释为“煤型气源”天然气水合物（曹代勇等,2009;王佟等,2009;张家政等,2017）；②天然气水合物的气体以热解成因为主，主要为原油伴生气，少部分凝析油伴生气、煤成气，与煤型气关系不大（卢振权等,2010）；③天然气水合物气源为混合成因，煤成气来自侏罗系煤层，油型气可能来自于下伏上三叠统尕勒得寺组甚至更深的地层（黄霞等,2011）。

笔者采集DK-8井、DK13-11井、DK12-13井岩芯样品500件。DK-8井400件岩芯样品δ13C1均大于-50‰，平均为-47.41‰，R值（干燥系数）一般小于100，平均为13.70，显示出明显的热解气和混合气特征。DK13-11井56件岩芯样品δ13C1均大于-50‰，平均-44.20‰，R值普遍小于100，显示出明显的热解气特征。DK12-13井44件岩芯样品δ13C1都大于-50‰，平均为-43.60‰，R值普遍小于100，显示出明显的热解气特征，甲烷相对含量高，但还有较大比例的重烃（乙烷、丙烷、丁烷等），呈现湿气的特征（图3a）。为了研究祁连山冻土区烃类气体的成因类型，进而初步判断气体的来源，笔者根据戴金星的鉴别图版（戴金星,1993），将测试数据δ13C1及R值投点到鉴别图版中，DK-8井、DK13-11井、DK12-13井投点所落区域大体相同，大多数为原油伴生气、凝析油伴生气和煤成气（图3b）。

图3 祁连山冻土区钻井岩芯气体组成（a）和碳同位素判别（b）（据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)

中侏罗统木里组和上三叠统尕勒得寺组均为较好的烃源岩。中侏罗统烃源岩正处于有机质成熟阶段，为生油高峰期，在生成原油的过程中，产生大量的原油伴生气。上三叠统烃源岩处于高成熟阶段，以生干气为主，为天然气水合物提供了充足的气源，体现了祁连山天然气水合物多源的特点。

4.2 烃类气体运移及输导体系

烃类气体沿断裂、裂缝等运移通道持续补给对形成天然气水合物成藏至关重要（Boswell et al.,2011）。研究区侏罗系及其下伏晚古生代—中生代地层褶皱，形成宽缓的北、向斜构造，在形成纵弯褶皱的过程中形成一系列顺层剪节理及层间破碎带，同时在区域近南北向挤压构造应力场作用下，形成切层的共轭节理，这些层间破碎带、顺层剪节理、微裂隙、岩石中的孔隙特别是区域角度不整合面之上粗碎屑岩中的孔隙为油气运移提供了通道。

DK-8井天然气水合物主要分布在144.4～152.0m和235～291.3 m间，在剖面上均产出在F1、F2断层的下盘（卢振权等,2015）。这些特征表明，天然气水合物受逆冲构造控制明显。在水合物发现层均有较高的甲烷含量、较高的有机碳含量和较低的R值（普遍小于10），各烃类气体含量平均值表现为CH4＞C2H6＞C3H8＞C3H6＞C2H4＞nC4H10＞iC4H10，显示出湿气的特征，即祁连山冻土区钻获的天然气水合物属于Ⅱ型水合物，烃类气体并非简单地只有原地有机质转化而成，还存在深部烃类气体沿断裂系统向上运移形成的。随着埋深增加，R值上升，甲烷含量比例增加（图4），天然气水合物赋存层位R值较低，这是由于甲烷形成水合物，游离甲烷含量降低，而乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳等含量增大，在自然地质条件下，形成上部溶解气带、水合物稳定带及下部游离气带（或常规气藏）3个分带，甲烷含量分别呈现呈“中-低-高”特点。

DK8井131.4～386.4 m区间的岩芯顶空气含量较高，对应发育多层明显的破碎带，岩芯裂隙发育，有断层发育，显示出烃类气体沿着断层或断层破碎带向上运移的特点（图4）。且在此破碎带内多见有天然气水合物异常层，这些断层和断层破碎带的存在，为深部气体运移提供了通道，而浅部断层和断裂破碎带为天然气水合物提供了自生自储的气体扩散和储存空间。

4.3 生烃史

生烃史研究表明，木里组烃源岩在早白垩世早期（140 Ma左右）进入生烃门限（Ro=0.5%），在早白垩世晚期（100 Ma）进入成熟热演化阶段（Ro＞0.7%），目前处于生烃高峰附近（Ro=1.0%）。

尕勒得寺组底部烃源岩早侏罗世（190～180 Ma）进入生烃门限（Ro=0.5%），在中侏罗世（165 Ma）进入成熟热演化阶段（Ro＞0.7%），进入生烃高峰阶段，在晚白垩世早期（100～90 Ma）进入高成熟热演化阶段，目前底部处于高成熟热演化阶段，顶部处于生烃高峰附近（Ro=1.0%），整体处于成熟-高成熟热演化阶段，生烃潜力大（图5）。

4.4 冻土区天然气水合物运移模式

祁连山冻土区天然气水合物气源主要以原油伴生气为主，主要来自中侏罗统木里组烃源岩和上三叠统尕勒得寺组烃源岩。木里组与尕勒得寺组烃源岩达到成熟条件后生成的油气连续发生初次运移和二次运移，一起圈闭聚集，晚侏罗纪世末期，随着盆-山差异抬升剥露，已经圈闭聚集的油气可能发生再次运移，早期形成的深部油气圈闭进一步抬升到接近地表位置。进入新生代后，开始于3.6 Ma的青藏运动使祁连山迎来最强烈的隆升，直到0.8～1.2 Ma的昆仑-黄河运动才整体抬升到冰川作用所需要的3000 m临界高度以上，0.15 Ma的共和运动最终抬升到现在的高度（崔之久等,1997;李吉均等,1998），青藏高原出现第四纪以来最大的冰川（李吉均等,1999;2013），而且至今仍处于稳定的环境。

祁连山冻土形成于稳定冻土带形成之后，时间不早于1.2 Ma左右。天然气水合物可在充足的气源供给、有利的气体组成、稳定带内储层特征等多种因素下形成。根据地质和地球化学分析，初步建立了祁连山冻土区天然气水合物运移机理（图6），晚侏罗世-早白垩世，中侏罗统木里组和上三叠统尕勒得寺组生成的油气发生运移和聚集，新生代以来祁连山地区迎来一系列强烈的构造运动，油气随地层隆升至冰川冻土作用需要的临界高度，油气沿断裂发生再次运移，冻土层为油气提供了盖层，第四纪出现大规模冰川，温度降低，环境趋于稳定，祁连山地区开始具备天然气水合物的形成条件，游离气在合适的温压条件下转化为天然气水合物。

5 结论

（1）祁连山冻土区天然气水合物以热解气为主，主要为原油伴生气，少量煤成气。中侏罗统木里组和上三叠尕勒得寺组均为较好的烃源岩，分别以扩散作用和迁移作用沿断层和裂隙运移聚集，为天然气水合物形成提供充足的气源，显示多源、多期次的特点。

图4 祁连山冻土区DK-8钻孔甲烷含量变化及天然气水合物异常主要分布Fig.4 Hydrocarbon concentrations and abnormal distribution of gas hydrate from borehole DK-8 in the Qilian Mountain permafrost

（2）祁连山冻土区钻井显示，在水合物发现层均有较高的甲烷含量、较高的有机碳含量和较低的干燥系数，显示出湿气的特征。钻井岩芯顶空气高含量的区间内发育多层明显的破碎带，显示出断层或破碎带是烃类气体运移的桥梁。

（3）根据地质和地球化学分析，初步建立了祁连山冻土区天然气水合物迁移机理。祁连山的构造隆升不仅将深部气藏抬升到接近地表位置，而且提供了水合物形成所需要的温度条件，是构造-气候耦合作用的结果。祁连山天然气水合物的形成经历了晚侏罗世—早白垩世的气体运移与聚集、中新世中晚期—上新世整体抬升、第四纪游离气体转化成天然气水合物矿藏3个阶段，经历了“先聚集-再抬升-后成藏”的过程。

图5 祁连山冻土区烃源岩生烃史Fig.5 Hydrocarbon generation history of source rocksin the Qilian Mountain permafrost

图6 祁连山冻土区天然气水合物运移机理示意图Fig.6 Schematic diagram of gas hydrate migration mechanism in Qilian Mountain permafrost

致 谢衷心感谢中国地质调查局青藏高原天然气水合物长期观测基地提供的研究平台。项目实施过程中得到中国地质调查局油气资源调查中心卢振权研究员、庞守吉博士、张帅博士等的大力帮助，吉林大学李冰博士等提供野外帮助，中国地质科学院物化探所王小江提供了地震剖面数据，中国地质科学院力学所胡道功研究员提供生烃史数据，分析测试数据由长江大学地球化学实验室和中石化合肥培训测试中心完成，均深表感谢。