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漠河永久冻土带天然气水合物的形成条件及成藏潜力研究

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  Vol.85 No.9Sept. 2011注:本文为国土资源大调查项目(编号GZHL20110317)资助的成果。收稿日期:20101010;改回日期:20110627;责任编辑:郝梓国。作者简介:赵省民,男,1964年生。1997年获得中国地质大学(北京)能源系理学博士学位。主要从事石油地质、天然气水合物等领域的研究。Email:xxmmzh@163.com。DOI:CNKI:111951/P.20110907.1209.013 网络出版时间:20119712:09网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1951.P.20110907.1209.013.html漠河多年冻土区天然气水合物的形成条件及成藏潜力研究赵省民,邓坚,李锦平,陆程,宋健中国地质科学院矿产资源研究所,北京,100037内容提要:作为我国多年冻土发育的主要地区之一,漠河地区具有天然气水合物形成的良好条件,发育了天然气水合物的成藏系统。漠河地区发育有多年冻土,一般厚20~80m,地表温度-0.5℃~-3.0℃,地温梯度1.6℃/100m,具有与已发现天然气水合物的美国阿拉斯加北坡Prudhoe湾、西伯利亚Messoyakha和我国祁连山木里地区类似的地温条件;漠河盆地中侏罗统厚达千余米的暗色泥岩,204.66×1012m3的烃类气体生成量,乃天然气水合物形成的重要母质和气体来源;盆内隆起、凸起及其边界断裂和地层裂缝,分别构成了水合物形成聚集的良好圈闭和烃类运移系统,其中的砂岩、粉砂岩为良好储层,上部的巨厚泥岩为封盖层。进一步看,漠河盆地发育的大量方解石脉、后生黄铁矿及钻探烃类异常等天然气水合物赋存标志。所有这些,无不显示该区域天然气水合物形成的良好条件及巨大成藏潜力。关键词:天然气水合物;多年冻土区;赋存标志;石油地质;漠河天然气水合物(gashydrates)主要是由水分子和气体分子在低温高压条件下形成的、具笼状结构的、貌似冰状的结晶化合物,系一种特殊形式(固态)或特殊类型(非常规)的天然气(潘忠祥等,1986;戴金星等,1989;张厚福等,1989)。因其中的气体主要是甲烷,故又称甲烷水合物(methanehydrates)。在自然界,特殊的形成条件,决定了此类化合物主要分布于近大陆边缘的海底和多年冻土区(Sloan,1998;Majorowiczetal.,2000;Makogonetal.,2007;Makogon,2010)。近年来,因在能源、灾害环境和气候变化等方面的潜在影响(Kvenvolden,1988a,1988b;Collett,2002;Macdonald,1990;Nisbet,1990;Paulletal.,1991;Maslinetal.,1998;Bouriaketal.,2000;Milkovetal.,2000;Kennedyetal.,2001;Collett,etal.,2009),这种化合物已成为包括地学在内的当代科学研究的热点。多年冻土区是天然气水合物的主要形成及分布环境之一,虽然海底的水合物分布更广,资源规模更大(Makogon,2010)。尽管北极地区天然气水合物的有关勘探成果显示,多年冻土区的这类化合物可能主要分布于地下130~2000m的沉积地层中(Collett2002;Makogon,2010),但西伯利亚西部Yamal半岛的勘探表明,由于多年冻土本身的自保护效应,地下60~80m的冻土层内仍可有残留天然气水合物分布(Chuvilinetal.,1998;Yakushev,2000)。西伯利亚北极陆架Laptev海S2井在68.2m井段钻遇天然气水合物(Safronov,etal.,2010)的事实则进一步说明,多年冻土区的天然气水合物可能具有更浅的分布深度。东北漠河地区地处我国大兴安岭北端。区域上,森林广布,水系纵横,年气温低。不仅是我国最为寒冷的地区,也是我国多年冻土的主要分布区之一。与已经发现天然气水合物并进行开采或试开采的西伯利亚的Messoyakha、阿拉斯加北部的Prudhoe湾和加拿大北部的BeaufortMackenzie盆地同属高纬度冻土,理应具有天然气水合物形成的良好条件。近几年,我们以天然气水合物为目标,在充分开展成藏地质背景调查的基础上,通过地球物理、地球化学勘查,借助水合物形成的温压条件、地下水盐度、气体组成和异常标志分析,初步展示出该:漠河多年冻土区天然气水合物的形成条件及成藏潜力研究区域天然气水合物成藏的良好前景。而且最为重要的是,与该区域一系列成藏条件类似的西伯利亚北极陆架LaptevSea和我国祁连山多年冻土区天然气水合物的相继发现(Safronov,etal.,2010;祝有海等,2010),更显示了该区域天然气水合物的形成潜力。该区域已成为我国多年冻土区天然气水合物形成最具潜力的地区之一。虽然我国已先后在南海和青藏高原北缘的祁连山多年冻土区发现了天然气水合物,但关于我国高纬度多年冻土区———东北漠河地区天然气水合物的形成、分布及研究的相关报道迄今尚未见到。基于此,本文将从对天然气水合物形成至关重要的区域构造及地层充填等区域地质背景分析入手,以3年来区内大多数露头(大约11条)和4口钻井岩心剖面的油气地质调查研究为基础,结合区域多年冻土厚度、温压条件、11个岩心吸附烃和42个泉水水溶烃的系统分析,运用上世纪90年代兴起于国际石油地质界(即含油气系统,petroleumsystem),新近又被国外有关学者引入天然气水合物勘查研究领域,但在国内天然气水合物勘查研究领域尚未引起关注的天然气水合物系统(gashydratepetroleumsystem)(Boswelletal.,2010;Collette,2008,2009,2011)的理论和方法,探讨漠河多年冻土区天然气水合物的形成、分布及成藏潜力。1 区域地质背景及对水合物形成的制约漠河地区主要发育的漠河盆地位居我国大兴安岭北部,横跨黑龙江省和内蒙古自治区,地处北纬52°20′以北。北至黑龙江,南抵漠河、塔河一线,南缘多有元古代花岗岩出露(图1)。面积约21000km2。是我国纬度最高、勘探程度最低,且具多年冻土发育的沉积盆地。大地构造上,漠河盆地位居鄂霍茨克褶皱带内额尔古纳微板块之上(张顺等,2003),地处西伯利亚板块与中国拼贴板块碰撞缝合部位(张顺等,2003;吴根耀等,2006);古地理上,属表1 漠河盆地的地层充填(据张顺等,2003修改)犜犪犫犾犲1 犛狋狉犪狋犻犵狉犪狆犺狔犳犻犾犾狊犻狀犕狅犺犲犫犪狊犻狀(犚犲狏犻狊犲犱犪犳狋犲狉犣犺犪狀犵狊犺狌狀,2003)7351 漠河盆地地质图Fig.1 GeologicalmapofMohebasin1—第四系;2—甘河组;3—九峰山组;4—光华组;5—龙江组;6—塔木兰沟组;7—开库康组;8—漠河组;9—二十二站组;10—绣峰组;11—早白垩世闪长玢岩;12—晚侏罗世二长花岗岩;13—侏罗纪花岗岩;14—新太古代二长花岗岩1—Quaternarysystem;2—GanheFormation;3—JiufengshanFormation;4—GuanghuaFormation;5—LongjiangFormation;6—TamulangouFormation;7—KaikukangFormation;8—MoheFormation;9—ErshierzhanFormation;10—XiufengFormation;11—DioriteporphyriteofearlyCretaceous;12—monzoniticgraniteoflateJurassic;13—Jurassicgranite;14—monzoniticgraniteofnewArchean1:漠河多年冻土区天然气水合物的形成条件及成藏潜力研究蒙古鄂霍茨克洋的一部分(张顺等,2003;吴根耀等,2006)。蒙古鄂霍茨克洋壳俯冲,西伯利亚板块与中国拼贴板块的相互作用,以及后来的太平洋板块俯冲,共同控制了该盆地的地层充填、沉积类型及构造演化。而后三者则共同制约着天然气水合物的形成与赋存,其中:地层充填既是水合物形成所需烃类气体的母质来源,也是水合物储集的地质体;岩性及沉积相类型,不仅决定了水合物生成和聚集所依赖的烃源岩(或气源岩)和储集岩,而且影响着水合物形成所必需的盖层的岩性、分布及规模,沉积相类型还影响着烃源岩生烃的类型及强度;构造演化不仅制约了地层的沉积类型,而且控制了水合物形成所必需的烃类流体运移通道的发育样式、规模及活动程度,还制约着水合物聚集所必需的圈闭的样式和位态。从盆地本身来看,漠河盆地为一中生代陆相盆地。泥盆系为其基底,之上主要充填了一套中上侏罗统的河湖相碎屑岩和火山岩沉积,上为少量下白垩统和新生界覆盖。地层厚达6000m以上(表1),中侏罗统是其主体,主要是一套河湖相的陆源碎屑建造,自下而上依次为绣峰组、二十二站组、漠河组和开库康组。其中,二十二站组和漠河组分布广、厚度大,为区内最重要的生烃和储集层系;绣峰组分布虽广,但主要是储集层系;开库康组仅分布于东北部局部。而上侏罗统主要是一套火山岩、火山碎屑岩夹河湖相碎屑岩的混合沉积建造,分布局限。盆地充填中晚期,西伯利亚板块、中国拼贴板块和太平洋板块的相互作用,不仅导致了区内大量北东北北东向逆掩断裂及其伴生断裂的发育,而且造成了区内拗隆相间、凹凸交替的构造格局,还引起了区内的大规模火山喷发(张顺等,2003)。其中,断裂是水合物形成所需烃类持续补给的通道,隆起或凸起则是水合物聚集的场所。2 天然气水合物系统2.1 多年冻土的厚度及地温漠河地区地处连续多年冻土区(周幼吾等,2000;金会军等,2009),多年冻土厚度具有向西北增大的规律(金会军等,2009)。据此前公开发表的数据,有人认为该区域多年冻土厚50~100m(周幼吾等,2000),有人认为该区域多年冻土厚0~60m(金会军等,2009)。但据我们2003~2005年在漠河盆地西北部开展的电法勘查,这一地区的多年冻土厚约20~80m,最厚可达140余m。这不仅与已发现天然气水合物的我国祁连山地区(祝有海等,2010)极为接近,而且也与推测有天然气水合物分布的西伯利亚Yamal半岛的多年冻土厚度相当(Chuvilin,1998;Yakushev,2000)。所以,该区域的多年冻土厚度,应能满足天然气水合物形成的基本要求。地温是影响天然气水合物形成及分布的最重要因素,其表征参数主要有地表温度、大地热流和地温梯度等。据前人公开发表的数据(旺集等,1998a、b),我国东北多年冻土区的地表温度介于0.5~-2.5℃之间,大地热流介于30~71.2mW/m2,地温梯度1.0~4.54℃/100m。其中,地表温度以漠河一带最低,为-1.0~-2.5℃;大地热流和地温梯度以内蒙古和黑龙江北部(N49°26′以北)最低,分别约40mW/m2和1.2℃/100m。但据我们获得的资料计算,漠河盆地的地表温度约-0.5~-3.0℃,地温梯度约1.6℃/100m。与已发现天然气水合物的西伯利亚Messoyakha(-8~-12℃(Romanovskyetal.,2007),1.0~3.0℃/100m(Makogon,2010)、阿拉斯加北坡Prudhoe湾(-4.6~-12.2℃(Kamathetal.,1987),1.5~5.2℃/100m(Collettetal.,2011)、加拿大Mackenzie地区(2.5~4.0℃/100m(Judge,1992)以及我国祁连山地区(-1.5~-2.4℃,2.2℃/100m,祝有海等,2010)的地温梯度基本接近。由此可见,漠河多年冻土区已具备天然气水合物形成的温度条件。2.2 水合物形成的温压条件温度和压力是水合物系统相平衡的决定因素,是天然气水合物形成所必需的(尽管不是全部)(Sloanetal.,2008)。对于地下水合物的形成、产出而言,制约因素主要为温度和孔隙压力。具体确定潜在的天然气水合物稳定带时,则主要运用的是地表温度、地温梯度和地层压力。据前人资料,漠河地区的年平均地表温度约-2.4℃。地温梯度,利用该区域的钻井测温数据计算得出,约1.6℃/100m。地层压力则是多年冻土区静岩压力和之下地层静水压力之和,分别根据二者厚度、密度计算求得。多年冻土区厚度,按上述分别取20m和80m;岩层密度,据笔者测试及前人成果,大体约2600kg/m3;水的密度则利用纯水密度(即1000kg/m3)。除了温度和压力外,影响水合物形成及稳定的因素还包括:盐度和气体组分。由于该区域地下水盐度很低(见下文),此处暂忽略盐度的影响;气体则利用准确可靠的钻井岩心的吸附烃类气体,以保证确定的9351。据上述,我们利用Sloan(1998)编制的基于PCDOS系统的CSMHYD程序,对漠河地区天然气水合物形成的温压条件进行了计算(图2)。计算表明,除了气体组成外,多年冻土区厚度对天然气水合物形成及稳定性有决定性影响。图2显示,在多年冻土厚度20m时,地温梯度线与纯甲烷水合物的相平衡线基本相切,不能形成水合物;而与该区钻井岩心吸附烃类水合物的相平衡线相交,形成水合物稳定带,可有水合物生成。多年冻土厚度80m时,地温梯度线与纯甲烷和本区钻井岩心吸附烃类的水合物相平衡线均相交,也形成了水合物稳定带,预示两种烃类气体皆可形成天然气水合物。同时,考虑到重烃的组成及丰度对天然气水合物的积极影响,笔者认为,就漠河地区的温压条件和水体盐度而言,无论何种组成的烃类气体,在多年冻土厚度大于20m的区域,皆有天然气水合物形成的可能。至于能否成藏,成藏规模有多大,则另当别论。2.3 烃类气体来源及数量2.3.1 烃类气体生成母质据目前所知,天然气水合物中的烃类气体,主要有两种来源,即:生物成因和热解成因。无论哪种成因,其生气母质均来自地层或沉积物中的有机质。从石油地质角度看,地层或沉积物中的有机质主要来自于泥岩、碳酸盐岩和煤(或其沉积物),它们是烃类气体生成的主要岩石(气源岩)类型。因此,对天然气水合物的形成而言,地层或沉积物中气源岩的类型、成因及数量,就显得非常重要。如前所述,漠河盆地充填了6000余米的主要由陆源碎屑组成的沉积岩。据迄今研究,这是一套滨浅湖相、辫状三角洲相和辫状河相的砂泥互层沉积。区域地质调查及钻井岩心分析表明,其中的泥岩为区内气源岩的主要岩石类型(>85%),主要包括深灰色~黑灰色的泥岩、含粉砂泥岩和粉砂质泥岩等。按照区内144件样品的测试分析,本文将区内总有机碳(TOC)大于0.75%(陈建平等,1997),颜色深于深灰色的泥质类岩石(包括炭质泥岩和煤)作为气源岩。据此`,依照所有实测剖面的烃源岩比例,结合前述中侏罗统厚度,推算其中的气源岩累计厚度达1000m以上(表2)。其中,绣峰组气源岩142~477m,二十二站组120~660m,漠河组797~1631m,开库康组几乎没有气源岩。由此可见,该区域的气源岩十分丰富,是区内烃类气体生成母质———有机质的重要物质来源。图2 漠河盆地天然气水合物温压条件计算Fig.2 TemperaturepressureconditionfromgashydrateinMohebasin1—底深20m的多年冻土底界;2—底深80m的多年冻土底界;3—多年冻土内地温梯度(底界20m);4—多年冻土内地温梯度(底界80m);5—永冻层下的地温梯度;6—纯甲烷水合物相平衡边界;7—岩心吸附烃类水合物相平衡边界1—permafrostbottomboundaryof20mindepth;2—permafrostbottomboundaryof80mindepth;3—thermalgradientofpermafrost(20minbottomdepth);4—thermalgradientofpermafrost(80minbottomdepth);5—thermalgradientbelowpermafrost(20minbottomdepth);6—phasebalanceboundaryofpuremethane;7—phasebalanceboundaryofabsorbedhydrocarbongasfromdrilledcores表2 漠河盆地烃(气)源岩的发育程度犜犪犫犾犲2 犜犺犲狅犮犮狌狉狉犲狀犮犲狊狅犳狊狅狌狉犮犲狉狅犮犽狊犻狀犕狅犺犲犫犪狊犻狀地层组实测地层厚度(m)实测烃(气)源岩厚度(m)烃源岩/地层比充填地层厚度(m)推测烃(气)源岩厚度(m)开库康组254.60.60.0020~27341~5漠河组2284.27946.890.411945~3979797~1631二十二站组3079.16466.060.15799~4400120~660绣峰组977.3163.80.17836~2806142~477累计6595.331577.350.24(平均)3580~139191060~27730451:漠河多年冻土区天然气水合物的形成条件及成藏潜力研究2.3.2 烃类气体的生成及数量气源岩固然重要,但其中生烃的有机质的丰度更为关键。区内125件泥岩样品的分析显示,总有机碳(TOC)含量>0.75%的样品,占整个地层的80%以上,其中,绣峰组>64%,二十二站组>73%,漠河组>89%;20件氯仿沥青“A”测试表明,含量>0.015%的样品,约占整个地层的50%,其中,绣峰组很少>0.015%,二十二站组占近55%,漠河组>65%;62件泥岩样品的热解分析显示,生烃潜量(S1+S2)>0.5mg/的样品,占整个地层的70%以上,其中,绣峰组仅30%,二十二站组>80%,漠河组近70%。考虑到这些样品多采自地表,风化作用可能使其中有机质大量损失,总有机碳、氯仿沥青“A”和生烃潜量可能分别仅相当于地下泥岩的56%、17%和70%?。据此推测,本区泥岩的有机质丰度可能远优于此处的测试结果。由此可见,从有机质丰度看,研究区的生烃物质非常丰富。对区内46件泥岩的干酪根镜检和57件泥岩有机质成熟度(Ro)分析得知,该区域的有机质类型主要为Ⅲ型(>70%),Ⅱ型少量(约25%);Ro多分布于0.90%~1.35%之间(近60%),其次为0.65%~0.90%(占16%),1.35%~2.00%(占16%)。按照现代石油地质理论,这些有机质为热成因气态烃类生成的主要母质。现代油气地球化学研究也表明,其中部分有机质(Ⅱ型湖相有机质),也是生物成因烃类气体主要来源(刘文汇等,2009)。而且国内外新近研究成果也表明,多年冻土区(Wardetal.,2004)和非多年冻土区岩石中的有机质形成生物气的例子(Rice,1993;Scottetal.,1994;Smithetal.,1996;Manzuretal.,2011;罗毅等,2003;朱扬明,2006)也很多。关于漠河盆地中侏罗统的烃类气体生成量,笔者尝试按照热解气和生物气两种模型分别进行了计算。其中,前者利用Schmoker(1994)的计算模型(Magoon,1994),后者利用国内学者王川等(1996)的模型(王川等,1996)。据此分别得出,漠河盆地热解气生成量约52.9×1012m3,生物气生成量约151.76×1012m3,共计204.66×1012m3。由此可见,两种成因的烃类气体量均十分可观,均可作为漠河地区水合物形成的潜在气源。而且尤为重要的是,数量巨大的生物气,其形成时间或许与本区多年冻土的发育时间(晚更新世(周幼吾等,2000)匹配得更好,更利于该区域天然气水合物的形成及成藏。2.3.3 烃类气体组成及成因为了查明漠河盆地烃类气体的成因,笔者重点对采自钻井岩心的11件吸附烃类气体进行了分析。结果表明,其中的甲烷占绝对优势,含量11.5×10-6~135×10-6,约占87%~94%;乙烷0.27×10-6~4.85×10-6,正己烷1.38×10-6~2.62×10-6,各占2%~3%。另有少量丙烷和丁烷。与已发现天然气水合物的多年冻土区相比,其中的甲烷含量十分接近阿拉斯加北坡(甲烷91.19%~99.53%)(Majorowiczetal.,2000),低于西伯利亚的Messsoyakha(甲烷98.6%,乙烷0.1%,丙烷0.1%)(Makogon,2010),但高于已钻获水合物的我国祁连山地区(甲烷54%~76%,乙烷8%~15%和丙烷4%~21%)(祝有海等,2010)。同时,对漠河地区42个泉水样品的溶解气的分析也表明,甲烷一般介于8×10-6~180×10-6,个别达14423.3×10-6,约占96%~98%;乙烷一般0.3×10-6~3.4×10-6,约占2%~4%。高于疑似有天然气水合物分布的加拿大地盾的多年冻土区(甲烷64%~87%)(Scotleretal.,2010)。由此可见,就气体组成而言,漠河盆地的烃类气体,完全能够满足天然气水合物形成的基本要求。从上述气体组成看,该地区的乙烷等重烃含量较高(>2%),显现出非生物成因烃类的特征(刘文汇等,2009)。然而,为进一步探讨这些烃类气体的成因,笔者还分别对该区域10件岩心吸附气和11件泉水溶解气的δ13C-CH4进行了测试。结果表明,前者除3件样品的δ13C-CH4<-55‰外,其余皆介于-47.7‰~-22.7‰之间,显示热解气和生物气并存,并混有少量煤成气的特征;后者的δ13C-CH4多介于-78.9‰~-64‰,具生物成因气的特征。同时,对二者气体组成和δ13C-CH4的综合考察表明,岩心吸附气主要为热成因,泉水溶解气主要为混合成因(图3)。可见,热成气、生物气对本区烃类气体皆有贡献,前文将热成因气、生物成因气全部纳入本区天然气水合物生成的潜在气源是可行的。2.4 圈闭条件圈闭乃石油地质学的概念,是石油和天然气成藏的必要条件。它在天然气水合物成藏中的作用,目前尚未到得到国内水合物勘探研究者的关注,但在国外水合物勘探研究中已受到高度重视(Makogon,2010;Collett,2008a,2011;Scotleretal.,2010;Bunzetal.,2003;Wintersetal.,2011;Boswelletal.,2010)。这是因为,无论是已钻获天1451 漠河盆地烃类气体成因图解Fig.3 OrigindiagramonofhydrocarbongasfromMohebasin1—泉水溶解气;2—岩心吸附气1—dissolvedhydrocarbongasinspringwater;2—absorbedhydrocarbongasfromdrilledcores然气水合物样品的阿拉斯加北坡的Prudhoe湾,还图4 漠河盆地砂岩中的裂隙Fig.4 FracturesinsandstonesinMohebasin是已进行试开采的加拿大北部的BeaufortMackenzie地区,天然气水合物要么主要聚集在大型背斜的脊部或隆起部位,要么在储层中的饱和度向隆起方向增加(Collettetal.,1999;Majorowiczetal.,2000;Safronovetal.,2010)。漠河盆地的圈闭条件,尽管因勘探程度很低而不太明确,但初步勘查表明,其北部为滨黑龙江隆起,南部为古莲河隆起,二者之间为中央坳陷,呈现“两隆夹一坳”的构造格局。在此构造背景下,各构造单元内部又呈凹凸相间的次级构造样式。这样的构造格局,极利于地势低洼处生成的烃类向构造高地运移。具体来说,宏观上,盆地中部中央坳陷生成的烃类,可以源源不断地向南、北隆起运移;微观上,各个次级凹陷生成的烃类,可向相邻的凸起部位运移。从而利于该区域的气态烃类向地表附近的多年冻土区运移而形成天然气水合物。储层作为圈闭的重要组成之一,其在天然气水合物成藏过程中的作用,已得到该领域勘探研究者的广泛认同。其原因在于,无论天然气水合物的成2451:漠河多年冻土区天然气水合物的形成条件及成藏潜力研究藏理论,还是迄今勘探的成功实践,均已明显展示出:自然界形成的这种化合物,多分布于以砂质为主的沉积物或岩石(Makogon,2010;Safronovetal.,2010;Collettetal.,2008a,2011)及裂缝发育的岩层(Collettetal.,2011)内。而且最新的研究也显示,阿拉斯加北坡的天然气水合物就主要富集于细砂岩、极细砂岩和粉砂岩内(Collettetal.,2011;Wintersetal.,2011)。从前面叙述也可以看出,该区域中侏罗统的砂岩、砂砾岩,尤其是漠河组的粉砂岩、细砂岩非常丰富,而且裂缝广泛发育(图4),具备了天然气水合物形成的储集条件。进一步看,区内130件砂岩样品的物性测试显示,孔隙度介于0.5%~9.1%之间,平均3.17%;渗透率0.03~2.11mD,平均0.14mD。仅从这些数据看,漠河盆地储集岩的物性的确不及地质条件、成藏条件和冻土条件与之类似的西伯利亚Messoyakha地区(孔隙度16%~38%,渗透率几mD~1mD)(Makogon,2010)),但考虑到可采集样品的多为完整性好、裂缝不发育的层段,而裂缝发育层段往往难以采到测试样品,据此有理由相信,本区储层的物性肯定优于这里的测试结果。同时,该区域钻探过程中普遍发生的泥浆漏失现象,也进一步证实了该区域地层良好的孔渗特征。所以,对于天然气水合物的形成和聚集而言,本区并不乏所需的储集层。盖层系圈闭的又一重要组成,它在天然气水合物成藏中的作用,也已得到该领域多数学者及专家的认可(Majorowiczetal.,2000;Makogon,2010;Boswelletal.,2010)。实际上,无论是国外勘探较为成熟的加拿大北部的BeaufortMackenzie盆地(Majorowiczetal.,2000)、美国阿拉斯加北坡的Prudhoe湾(Boswelletal.,2010),还是我国已钻获天然气水合物的祁连山地区,凡规模大、饱和度高、肉眼可见的天然气水合物矿藏,其上大都有区域稳定、厚度较大(>10m)的泥岩封盖。根据前面的叙述,漠河地区的漠河组是该区域分布最广、泥岩最丰富的上部地层单元,其中不乏巨厚泥质沉积(>40%),它们可为该区域天然气水合物的形成及成藏起到很好的封盖作用。尤为值得一提的是,作为区内最重要生烃层系的漠河组,地层巨厚,利于天然气水合物聚集的细砂岩、粉细砂岩发育;砂泥岩基本呈等比例交互,具有类似于阿拉斯加北坡Prudhoe湾、加拿大北部BeaufortMackenzie盆地(Majorowiczetal.,2000;Boswelletal.,2010)和我国祁连山木里地区的地层结构及岩性特征;时空上,该地层单元因位居盆地充填上部而多处于或邻近多年冻土区。所以,该区域的漠河组本身就具有天然气水合物生成聚集的良好生储盖条件。2.5 运移条件与常规油气成藏一样,流体运移对天然气水合物的成藏至关重要。正如一些学者指出的那样,天然气水合物的含气量如此巨大,仅靠水合物稳定带及其附近地层或沉积物中有机质生成的烃类气体是远远不够的。同时,由于水合物形成对地层或沉积物的胶结对有机质生烃的抑制作用(Safronovetal.,2010),外部烃类气体沿断裂、裂缝和渗透性岩层等运移系统的持续补给对形成天然气水合物成藏是必不可少的(Safronovetal.,2010;Boswelletal.,2010)。关于这一点,无论是已发现水合物的墨西哥湾、加利福尼亚北部海域、俄勒冈北部Cascadia边缘(Brooksetal.,1986、1991;Kastneretal.,1993)及西伯利亚北部(Yakushevetal.,2000;Safronov,2010),还是已钻获此类化合物的阿拉斯加北坡的Prudhoe湾(Collettetal.,2011;Daietal.,2010;Lorensonetal.,2010)和我国的祁连山木里地区,其中天然气水合物的形成,无不显示断裂所发挥的输导作用。就漠河地区而言,作为潜在运移系统的断裂的发育特征尽管尚不明确,但迄今初步的调查及勘探表明,区域上,北东向断裂和近东西向向北突出的弧形断裂是比较发育的;漠河盆地内部,断裂也十分发育,许多断裂还构成了凹陷、凸起等次级构造单元的边界。同时,如前所述的岩层裂缝也很发育。这些断裂、裂缝空间上的相互连通,形成了本区良好的流体运移系统。本区钻探过程中,经常发生的泥浆大量流失以足以说明,该区域发育有畅通的运移系统。2.6 地下水盐度盐度对天然气水合物形成、成藏规模的影响,也为大家所共识。然而,新近的研究表明,当盐度低于4%时,对水合物的形成及稳定性影响已经很小了(Husebetal.,2009)。根据该盆地及邻近区域的资料,黑龙江北部地下水的盐度普遍小于1‰。据我们对该盆地3个泉水样品的分析,这里地下水的盐度(Cl-离子浓度)大体约2.94×10-6~17.6×10-6。高于阿拉斯加北坡的Prudhoe湾(<1.0×10-12~19×10-12)(Collettetal.,2011),但低于西伯利亚的Messoyakha(≤1.5%)(Makogon,2010)。很显然,这样的盐度对本区天然气水合物的形成不3451 漠河盆地钻井岩心中的方解石充填Fig.5 CalcitefillsinthecoresdrilledinMohebasin会有显著影响,实际的勘探及研究中,完全可以忽略不计。3 天然气水合物赋存的疑似标志首先,钻井岩心中发育大量方解石脉(图5)和4451:漠河多年冻土区天然气水合物的形成条件及成藏潜力研究图6 漠河盆地钻井岩心中的黄铁矿充填Fig.6 PyritefillsinthecoresinMohebasin(a)—粒间孔隙及颗粒裂缝充填的黄铁矿;(b)—粒内溶孔及裂缝充填的黄铁矿;(c)—粒间孔隙充填的黄铁矿;(d)—粒内溶孔及粒间孔隙充填的黄铁矿(a)—Pyritesfilledintheintergranularporesandfracturesintheclasticparticles;(b)—pyritesfilledintheintragranularporesandfracturesintheclasticparticles;(c)—pyritesfilledintheintergranularpores;(d)—pyritesfilledintheintragranulardissolvedandintergranularpores5451、粒内孔隙或碎屑裂缝的后生黄铁矿(图6)。这是油气田上方常见的次生蚀变效应,为油气化探的一个重要标志,也是海域(Sassenetal.,2004)和多年冻土区(Mazzinietal.,2004;Roseetal.,2011)天然气水合物赋存的常见指示矿物,系地下烃类流体强烈活动的表现。这是因为,地下深处活动的烃类流体,在厌氧细菌的作用下会发生以下系列化学反应(程同锦等,1999):CH4+SO2-4→HS-+HCO-3+H2O生成的HCO-3阴离子与地下水中的钙离子结合即可生成方解石,即:HCO-3+Ca2+→Ca(HCO3)2Ca(HCO3)2→CaCO3(方解石)↓+CO2↑+H2O同时,在烃类被氧化造成的还原环境中,硫离子和铁离子结合,便可形成黄铁矿沉淀,即:HS-+Fe2+→FeS2(黄铁矿)↓+H+由此可见,方解石脉和黄铁矿的伴生出现,尽管尚不能完全确定其与天然气水合物的分解有关,但至少是地下烃类流体异常活跃的标志。其次,在漠河盆地西北部的电法勘探中,笔者还发现了双高阻层的电性结构(图7)。其特征与加拿大北部Beaufort8井钻遇的上部冻土层和下部水合物层的地层结构(Majorowiczetal.,2000;Collettetal.,2011;Roseetal.,2011)非常类似。尽管还不能确定下部高阻层系天然气水合物所致,但是一个非常值得注意的可疑现象。最后,个别泉水的溶解甲烷高达14000×10-6以上,显示了极高的烃类气体异常。更为重要的是,黑龙江某部门最近在我们预测的水合物形成有利区块(漠河盆地西北部)钻探时,井口及泥浆池均意外发生了与已发现天然气水合物的西伯利亚北极陆架LaptevSea的S2井(Safronov,etal.,2010)类似的遇火燃烧事件。虽然目前尚不能证实此乃天然气水合物分解所致,但很难令人相信泥浆池表面着火是游离烃类气体引起的,极可能预示着该区域有天然气水合物分布。4 讨论(1)漠河地区发育有天然气水合物的成藏系统。该区域不仅具有利于天然气水合物形成的多年冻土和地温梯度,而且还有其形成所需烃类气体的丰富母质及充足气源;不仅具有天然气水合物成藏所需的烃类气体持续供给的运移系统,而且具有水合物成藏所需的圈闭及其中的储层和封盖条件。(2)漠河盆地西部发育的多年连续冻土和区域低温条件,利于天然气水合物的形成。漠河盆地西北部20~80m的多年冻土,与已发现天然气水合物的我国祁连山地区相近;-0.5~-3.0℃的地表温度,1.6℃/100m的地温梯度,与已发现水合物的美国阿拉斯加北坡Prudhoe湾、西伯利亚Messoyakha和我国祁连山地区相当,预示该区域西部具有水合物形成的多年冻土和地温条件。(3)该盆地中侏罗统千余m的暗色泥岩,是本区天然气水合物形成所需烃类气体的重要母质。区内的暗色泥岩不仅是热成因气的物质基础,而且是生物成因气的物质来源。作为热解气的生成母质,总有机碳>0.75%的有机质丰度,以Ⅲ型为主的有机质类型,Ro多大于0.90%(70%以上)的热成熟度,保证了充足热成因气的形成;作为生物成因气的母质,湖相成因的Ⅱ型有机质,则利于生物成因气的形成。(4)漠河盆地中侏罗统的烃类气体的生成量巨大,预示该区域天然气水合物形成的气源充足。据初步计算,漠河盆地中侏罗统的热解气生成量52.9×1012m3,生物气生成量约151.76×1012m3,共计204.66×1012m3。它们乃本区天然气水合物形成的重要气体来源。尤其是高达75%以上的生物气,可以与本区多年冻土的形成时间很好匹配,极利于本区天然气水合物的形成。(5)该区域的构造格局,利于造就天然气水合物形成所需的圈闭。漠河盆地南、北隆部起,中部坳陷,以及内部凸、凹陷相间的构造格局形成的隆起和凸起,造就了天然气水合物形成的圈闭条件
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本文标题:漠河永久冻土带天然气水合物的形成条件及成藏潜力研究
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