天然气结课论文

漠河盆地天然气水合物形成条件分析梁文君长江大学地球科学学院，矿普S131班,201371061摘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。关键词漠河盆地，天然气水合物，油气特征，地质特征1.概述天然气水合物是一种在一定条件下，主要由甲烷气体（也有某些挥发性液体）与水相互作用形成的白色固态结晶物质。天然气水合物也称为固态气水合物（SolidGasHydrate）、冰冻甲烷、水化甲烷、可燃冰等。天然气水合物属包体化合物的一种特殊范畴，天然气分子被包围在水分子构成的像笼子一样的多面体格架内，二者之间没有化学键相连接。1m3的天然气水合物可以释放出164m3的天然气和0.8m3的水。其能量密度是煤和黑色页岩的10倍左右，具有使用方便、燃烧值高、清洁无污染等特点。是公认的地球上尚未开发的最大新型能源，被誉为21世纪最有希望的战略资源。天然气水合物的形成主要受3个因素的控制，一是低温（0~10℃）；二是高压（100MPa或水深300m及更深）；三是充足的气源。由此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。因为标准的地表温度梯度约为20℃∕㎞，所以甲烷水合物只能形成于地表温度低的地区。我国冻土带的面积居世界第三，约为215×104km2，因此具有广阔的天然气水合物分布远景。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。2.区域地质背景漠河盆地位于黑龙江省的西北部，分属漠河、呼玛、塔河三县管辖。地理座标为东经121007'-125045'，北纬52020'-53003'（图1-2）。漠河盆地处于山区，大部被原始森林覆盖，交通以森林公路和国防公路为主，南部有塔河一西林吉铁路。盆地内水系较发育，除界河黑龙江外还有呼玛河、额木尔河、盘古河等。盆地中西部海拔700--900m，东部仅400m左右，高差可达500m，西高东低。本区属于大陆高寒气候，结冰期一年长达七个月左右，年平均气温-4.90C，年降水量394mm，集中在秋季。图1漠河盆地构造位置图漠河盆地区域构造上隶属兴安-内蒙地槽褶皱带额尔古纳地块中的上黑龙江中生代断(坳)陷带，南部受得尔布干岩石圈断裂控制。盆地呈东西向展布，长约300km，宽约80km。在我国境内面积为21500km2，与北部俄罗斯境内的乌舒蒙盆地（17000km2)相连为同一盆地。大地构造上，该盆地位居蒙古-鄂霍茨克褶皱带中的额尔古纳微板块的东北端(图1-3)。而该微板块则是中国东北拼贴板块的一部分(谢鸣谦，2000)，其北、西与西伯利亚板块相邻，东接布列雅微板块，南与大兴安岭北端相接，处于西伯利亚板块和中国东北拼贴板块碰撞缝合的部位。在现今大地构造上，特别是在东北亚大地构造演化上占有非常重要的地位。3.研究区的温度与压力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(旺集旸等,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。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。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)。4.研究区地质特征漠河盆地地层层序特征见表1。在前三叠纪结晶变质基底之上,发育了上侏罗统、下白垩统、上第三系和第四系多套盖层[1,3,5,9-10]。漠河盆地具有双层结构特征[11]:下部的盆地受南北向发育的大型逆冲推覆构造控制,呈东西向展布,主要充填物为晚侏罗世碎屑岩;上部的盆地是早白垩世形成的受北东向伸展断层控制的小型断陷盆地,叠加在早期近东西向分布的构造带之上,主要充填物为火山碎屑岩和火山岩。表1漠河盆地地层层序简表如表所示,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。4.1秀峰组秀峰组露头出现了良好的冲积扇相，分选差，砂砾混杂。下部以砂砾岩、砾岩为主夹细砂岩;中部以岩屑长石砂岩为主夹砂质凝灰岩、粉砂岩、泥岩及煤线;上部以砂砾岩、砾岩为主夹细砂岩;产植物和孢粉化石;厚606.46m。4.2二十二站组其岩性以灰黑色、灰绿色粉、细、中、粗粒长石岩屑砂岩、泥质粉砂岩互层为主,局部夹含砾砂岩、砂砾岩、泥岩及煤线;产双壳类、介形类、植物和孢粉化石;厚969.40m。4.3额木尔河组下部以中细砂岩、粗砂岩为主夹砾岩、粉细砂岩及泥质页岩;上部以中细砂岩与粉砂岩、碳质页岩、泥质页岩互层夹粗砂岩及煤层;产腹足类、介形类、植物和孢粉化石;厚2650m。4.4开库康组为一套河流相粗碎屑沉积,下部为曲流砂坝相沉积,以灰色、黄褐色复成分砂岩为主,砾岩次之,夹灰黑色粉、细砂岩、泥质粉砂岩;上部为河道相沉积,以灰色、灰褐色砾岩为主,黄绿、灰色复成分砂岩次之,夹灰黑色细砂粉砂岩、粉砂岩;含有植物化石;厚为741.10m。5.研究区油气特征5.1烃类气体的生成及数量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。表2漠河盆地烃（气）源岩的发育程度区内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。由此可见本区的有机物类型好、丰度高、成熟度高，非常有利于形成天然气。5.2烃类气体成因对漠河地区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%。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。图2漠河盆地烃类气体成因图解5.3圈闭条件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。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