2008年11月, 在祁连山木里地区成功钻获天然气水合物实物样品, 我国是世界上第一个在中纬度高山冻土区发现天然气水合物的国家(图1)。木里地区天然气水合物均产于冻土层之下, 埋深133~396 m, 主要赋存于中侏罗统江仓组, 水合物以薄层状、片状、团块状赋存于粉砂岩、泥岩、油页岩的裂隙面中, 或是以浸染状赋存于细粉砂岩的孔隙中。水合物中的气体组分较为复杂, 除甲烷外还含有较高的乙烷、丙烷等重烃组分, 部分样品还含有一定量的CO₂, 是一种较为罕见的水合物类型^[3]。

图1

Fig.1

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	图1 中国天然气水合物主要分布Fig.1 Distribution of natural gas hydrate in Chinese mainland

昆仑山垭口盆地为上新世— 中更新世断陷盆地, 面积约50 km², 沉积了约600 m厚的新近纪至第四纪沉积物。2013年施工的昆钻3井, 发现了一系列天然气水合物赋存证据, 如在250 m以下的多个岩层中发现大量气体释放现象, 甲烷含量达22%~32%, 且具有天然气水合物分解的间歇性释放特征, 这些气体释放层位还伴有密度降低、侧向电阻率和声波波速增大等测井标志, 并发现有与水合物分解有关的自生碳酸盐、黄铁矿等自生矿物标志, 显示这一地区可能赋存有天然气水合物^[4]。

2015年, 青海南部乌丽地区TK-2井于52~241 m间的二叠系那益雄组岩心中, 发现有强烈冒泡、“ 冒汗” 现象(水合物分解后释放出气体和水), 并有红外低温异常、点火助燃等标志, 测井曲线上呈现出密度降低、声波速度增大、侧向电阻率增高等标志, 并有泄气构造、自生矿物及盐析现象等, 具有明显的天然气水合物赋存标志^[5]。此外, 2016年施工的TK-3井也有类似现象, 且气测录井结果显示, 在那益雄组多层段发现丰富的CO₂显示, CO₂含量最高达91.09%, 平均为31.03%, 暗示该地区有可能存在CO₂水合物。

此外, 在羌塘盆地、南祁连盆地和漠河盆地发现一系列天然气水合物和油气找矿线索, 主要包括: ①羌塘盆地雀莫错地区发现厚层烃源岩和良好的烃类气体显示, 其中, QK-8井三叠系巴贡组深灰、灰黑色泥岩厚度达342 m, 总烃最高5.425%(甲烷最高0.825%), 波里拉组总烃最高5.349%(甲烷最高3.596%); ②羌塘盆地鸭湖地区发现浅层高压气体; ③羌塘盆地戈木错、唢呐湖、吐错地区发现泥火山群, 有些泥火山还有气体正在冒出, 为现代泥火山; ④班公湖— 怒江缝合带及新疆甜水海盆地发现大规模泥火山群及伴生的现代冷泉、冷泉碳酸盐; ⑤藏北尼玛盆地发现良好含油显示, 其中盆地东部发现东西长约80 km的地表沥青显示带, 藏双地1井古近系牛堡组二段油页岩中发现一厚1.04 m的油斑、油迹显示层; ⑥南祁连盆地木里坳陷发现良好油气显示, 其中DK-9井于362.79~370.58 m钻遇厚约7.8 m的含油层段^[6], DK-10井钻进至52.9 m时出现气体持续涌出现象, 现场简易测量显示气体流量约4 800 m³/d, 达到工业气流标准; ⑦南祁连盆地疏勒坳陷发现油迹油气显示现象; ⑧漠河盆地MK-2井700 m以下发现多层烃类气体异常, MK-4井发现厚度超过300 m的漠河组湖相泥质烃源岩^[7]。

天然气水合物资源量是指地层(沉积物)中所蕴藏的水合物资源总量, 不管发现与否以及能否被开发利用。国内外早期估算的水合物资源量均先依据温度、压力、气源等条件圈定出天然气水合物的潜在分布区分布面积, 计算出稳定带厚度, 再假定一些参数估算出潜在资源量^[8]。我国陆域天然气水合物资源量的早期估算结果差异较大, 陈多福等^[9]估算的青藏高原资源量为0.12× 10¹²~240× 10¹² m³, 库新勃等^[10]估算的青藏高原资源量为4.5× 10¹²~298× 10¹² m³。祝有海等^[11]预测羌塘盆地为I级远景区, 风火山— 乌丽地区、祁连山和漠河盆地为II级远景区, 并运用体积法估算出青藏高原资源量为10.8× 10¹²~90.7× 10¹² m³, 运用蒙特卡罗法估算出的资源量则为21.9× 10¹²~153× 10¹² m³, 综合体积法和蒙特卡罗法后青藏高原的资源量约为70× 10¹² m³, 漠河盆地资源量约为5.5× 10¹² m³, 我国陆域总资源量约为75.5× 10¹² m³。

近年来, 系统梳理了我国陆域天然气水合物调查研究成果, 并依据冻土条件、气源条件、地质构造条件和已发现的各项异常标志(如泥火山、冷泉、自生矿物等)等, 共评价出南祁连盆地、羌塘盆地及漠河盆地三大成矿远景区, 并展开成矿区带划分与评价, 共圈定12个成矿区带, 其中羌塘盆地7个、南祁连盆地2个(图2)、漠河盆地3个, 在调查程度较高的地区进一步评价到成矿区块。

图2

Fig.2

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	图2 中国陆域冻土区天然气水合物成矿区带分布Fig.2 Classification of natural gas hydrate zones in permafrost regions of China

同时, 选取勘查程度较高并已发现水合物实物的南祁连盆地木里坳陷聚乎更矿区作为刻度区, 运用体积法评价出天然气水合物资源量, 再运用类比法和成因法推广到南祁连盆地、羌塘盆地及漠河盆地, 计算出三大远景区的资源量接近十万亿立方米, 显示出巨大的资源潜力。

近年来, 国内外均非常重视天然气水合物的试验性开采, 先后在俄罗斯麦索雅哈、加拿大马更些三角洲、中国祁连山、美国阿拉斯加北坡冻土区、日本南海海槽和中国南海神狐地区进行过开采试验(表1), 水合物领域调查研究的重点有从资源调查逐渐向试采转变的发展趋势, 且水合物试采都从陆域冻土区先行试验, 再推广到海域水合物中。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 全球天然气水合物试采状况 Tab.1 Summary of global natural gas hydrate test production 区域 试采地点 试采时间 试采方法 试采井型 试采时长 最高日产量/ m3 总产气量/ m3 陆域冻土区 俄罗斯麦索雅哈[12] 1971 降压+注入化学试剂 未知 断续生产近50 a 未知 加拿大马更些[13] 2002 加热 单直井 123.65 h 未知 516.0 2007 降压+加热 单直井 12.5 h 搅乱 830.0 2008 降压 单直井 6.8 d(139 h) 未知 13 000.0 中国青海木里 2011 降压+加热 单直井 101 h 未知 95.0 2016 降压 水平井(3井对接) 23 d 136.6 1 078.4 美国阿拉斯加[14] 2012 CO2置换+降压 单直井 30 d 5 000.0 24 000.0 海域 日本南海海槽[15, 16] 2013 降压 单直井 6 d 20 000.0 120 000.0 2017 降压 直井(2井) (12+24) d 8 330.0 235 000.0 中国南海神狐[17, 18] 2017 降压 单直井 60 d 35 000.0 309 000.0 2017 固态硫化法 直井 未知 未知 81.0 2020 降压 水平井 30 d 日均28 700.0 861 400.0

表1 全球天然气水合物试采状况 Tab.1 Summary of global natural gas hydrate test production

2011年9— 10月, 运用降压法和加热法对祁连山木里地区天然气水合物成功进行了单直井试采。在DK-8试采井确定水合物产出层位后, 安装开采套管(花管)并固井止水, 然后在井底安装高压潜水泵, 对井深146~305 m间的水合物层进行分层试采。试采过程中, 启动孔底潜水泵进行排水, 随着水位的降低, 水合物储层的压力下降, 促使水合物分解释放出甲烷气体(图3), 然后在地表回收。降压开采结束后, 采用电磁加热、太阳能加热和水蒸气加热进行试采。试采共断续进行9 d, 累计101 h, 产气量为95 m³。

图3

Fig.3

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	图3 祁连山木里地区DK-8试采井降压法试采的产气量及井底压力曲线Fig.3 Gas production by depressurization and bottomhole pressure curve of Hole DK-8, Muli area of Qilian Mountains

2016年10— 11月, 为提高开采效率和产气量, 我们创新运用“ 山” 字型水平对接井对祁连山木里地区的天然气水合物再次进行试采, 由1口主井(SK-0)和水平距达629.7 m的2口分支井(SK-1和SK-2)组成(图4)。试采目标层为地下350 m处的水合物富集层, 试采方法为排水降压法。试采分2个阶段进行, 累计生产23 d, 总产气量1 078.4 m³, 最高日产量136.55 m³。与2011年的单井试采相比, 水平井试采产量明显提高, 说明水平井是提高产量的有效方法。

图4

Fig.4

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	图4 祁连山木里地区“ 山” 字型水平对接井结构Fig.4 Epsilon-type horizontal butt well structure in Muli area of Qilian Mountains

我国陆域天然气水合物可能存在2种成矿模型(图5): 一是以祁连山木里地区为代表的气源、断裂、冻土 “ 三位一体” 耦合的断裂式成矿模型, 木里水合物的成矿气源应是来自于下伏侏罗系、三叠系、二叠系烃源岩的热解气, 经断层或破碎带向上运移到水合物稳定带, 在冻土层及压性断层的封堵作用下, 形成天然气水合物; 二是推测青藏高原还有可能存在泥火山式天然气水合物成矿模型, 泥火山的形成需塑性地层、异常高压和运移通道3个要素, 但要形成天然气水合物, 还需深部含气流体缓慢运移到水合物稳定带等良好的匹配条件, 否则, 泥火山快速喷发并不利于形成天然气水合物, 甚至其带来的高热量含气流体会引起热异常, 可能导致天然气水合物的分解。

图5

Fig.5

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	图5 青藏高原天然气水合物成矿模型Fig.5 Natural gas hydrate formation model of Qinghai-Tibet Plateau

初步集成陆域水合物勘查技术^[18](图6)、试采技术^[19]和资源评价技术, 主要包括: ①集成了有效的冻土探测技术, 运用温度测井、音频大地电磁(Audio-Frequency Magnetotellurics, AMT)技术, 结合核磁共振、电磁频谱(Eloctro Magnetic Susceptibility, EMS)等新技术可有效探测冻土层厚度; ②攻关高原冻土区地震采集技术, 集成低频可控震源及3炮1线宽线观测系统, 采用冬季施工、小道距、长排列、高覆盖次数和全频带接收等采集技术, 能克服冻土层的屏蔽效应, 在羌塘盆地获得较高品质的浅部地震数据; ③探索创新了超深低频探地雷达技术、光谱遥感化探技术、微生物化探等新技术并取得了初步成效; ④形成了较完善的陆域水合物钻探取心及低温泥浆技术, 能基本满足实际需要; ⑤深化了陆域水合物“ 排水降压+井内加热” 的组合试采技术, 创新运用加热气体回灌井筒而不是传统上的加热液体回灌目的层的加热试采法, 极大提高了试采效能; ⑥创新研发浅层水平对接井施工技术, 采用随钻测斜(Measure While Drilling, MWD)、慧磁引导系统, 研发小直径单弯短螺杆马达、小直径外平钻杆, 实现了全球首例水平对接井试采天然气水合物; ⑦研发了陆域天然气水合物物化探靶区预测系统和基于大数据技术的陆域水合物资源评价方法。

图6

Fig.6

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	图6 祁连山木里天然气水合物成藏模式及综合勘查模型Fig.6 Schematic diagram of the natural gas hydrate reservoir formation model and the comprehensive exploration model in Muli aera of Qilian Mountains

(1)木里地区天然气水合物的形成与晚更新世以来的气候变迁密切相关。晚更新世末次冰期期间, 木里地区处于严寒、干旱的冰缘环境, 总体气候寒冷, 形成大面积冻土, 且冻土层较厚, 有利于天然气水合物的形成^{[20, 21]}。晚更新世以来的几次冷事件中, 这种耦合关系更为明显。冰消期及全新世期间, 虽仍有短暂的冷事件发生, 但气候总体转暖, 导致冻土区收缩, 冻土层厚度减薄, 对下部游离气体的封盖效果也会下降, 不利于天然气水合物的形成, 甚至可导致已形成的天然气水合物发生分解。

(2)天然气水合物试采前后近地表大气中甲烷含量未发生明显变化。在2011年天然气水合物试采过程中, 我们在试采孔附近2 km范围内部署了64个网格状监测点, 对试采前、试采中、试采后的近地表大气中甲烷含量、二氧化碳含量进行监测。监测结果表明, 试采前近地表大气甲烷含量平均为4.65 μ L/L, 试采中和试采后则为4.26 μ L/L, 甲烷含量在试采期间未发生明显变化(表2), 说明这次天然气水合物试采并未造成甲烷的明显排放, 但二氧化碳含量有所升高, 这可能与试采中的甲烷直接点火燃烧有关。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 祁连山天然气水合物试采前后大气中甲烷、二氧化碳含量变化 Tab.2 Summary of atmospheric methane and carbon dioxide content before and after natural gas hydrate test production in Qilian Mountains 时间 近地表大气甲烷含量/(μ L· L-1) 近地表大气二氧化碳含量/(μ L· L-1) 最大值 最小值 平均值 标准偏差 变异系数 最大值 最小值 平均值 标准偏差 变异系数 试采前 7.20 2.24 4.65 1.44 0.31 712 434 575 74.7 0.13 试采中 4.99 2.82 4.26 0.46 0.11 1 089 581 754 129.0 0.17 试采后 6.44 3.29 4.26 0.79 0.19 1 110 541 754 166.0 0.22

表2 祁连山天然气水合物试采前后大气中甲烷、二氧化碳含量变化 Tab.2 Summary of atmospheric methane and carbon dioxide content before and after natural gas hydrate test production in Qilian Mountains

(3)初步掌握了木里地区甲烷、二氧化碳排放规律。在祁连山木里地区开展了“ 单日— 月度— 季度— 年度— 多年” 的环境监测工作, 获取了大量的环境监测数据。结果表明: 木里地区甲烷、二氧化碳通量的日变化曲线呈单峰状态, 午后均为极大值, 温度是其主要影响因子。从年度尺度上看, 木里地区甲烷总体上处于吸收状态, 夏季的吸收能力较强, 冬季则基本处于平衡状态; 二氧化碳则全年处于排放状态, 冬季排放量最低, 春季不断升高, 夏季最高^[22](图7)。

图7

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	图7 祁连山木里地区温度、甲烷通量和二氧化碳通量变化Fig.7 Variation diagram of the temperature, methane flux and carbon dioxide flux in Muli area of Qilian Mountains

相关分析结果表明, 甲烷、二氧化碳的排放受温度、湿度、pH值等影响, 温度是最重要的影响因子, 甲烷、二氧化碳通量与大气温度具有明显的正相关关系。

木里地区是我国陆域首个水合物发现地、全球中纬度高山冻土区首个水合物发现地、国内首次水合物试采地、国际首次水合物水平对接井试采地, 更是我国天然气水合物矿种(173号矿种)唯一的陆域矿产保护地, 是目前陆域天然气水合物调查研究程度较高的地区, 同时该区地处青藏高原北缘, 对气候变化高度敏感, 是不同圈层相互作用的天然实验室。为充分发挥木里地区在天然气水合物勘查、试采、科学研究和环境监测等方面的优势, 于2013年启动野外站建设, 现已初步建成占地面积约5 000 m²、科研用房23套的野外站(图8), 并于2019年成功入选中国地质调查局首批野外站建设名单。

图8

Fig.8

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	图8 祁连山木里天然气水合物野外站Fig.8 Field station of natural gas hydrate in Muli aera of Qilian Mountains

木里天然气水合物野外站位于青海省天峻县木里镇(38° 05'34.74″N、99° 10'16.18″E, 海拔4 060 m), 现拥有国际上最深的冻土观测孔, 安装有深达600 m的井下原位测温系统, 并配备有井下水体原位监测系统、气体组分/通量监测系统、甲烷/二氧化碳分析仪等长期观测设备17台套, 可开展水合物、冻土、环境和地层稳定性等长期观测, 现已初步实现低空-地表-地下“ 三位一体” 、共约30项参数的长期监测, 积累各类观测数据约6 GB, 并取得一系列原创性发现。

我国是世界上既有海域水合物也有陆域水合物的少数几个国家之一, 鉴于天然气水合物具有重要的能源、环境和地质灾害防治意义, 我国政府高度重视天然气水合物的调查研究, 于2011年正式设立为期10 a的天然气水合物资源勘查试采国家专项(“ 127” 工程), 坚持海陆并举、资环并重的原则部署各项工作, 其中陆域水合物资源调查、试采、环境调查及综合研究是其重要组成部分。

国务院于2017年11月3日正式批准将天然气水合物列为我国第173号新矿种, 其中南海神狐海域和祁连山木里地区分别作为我国海陆水合物发现地予以公布。同年11月16日, 原国土资源部召开的新闻发布会上对陆域水合物的发现予以充分肯定, 认为2008年在青海省祁连山冻土区首次钻获天然气水合物实物样品, 使得我国成为世界上第一个在中纬度高山冻土带钻获天然气水合物实物样品的国家, 2009— 2015年在祁连山冻土区多次发现天然气水合物, 显示出良好的资源前景, 并于2011年和2016年成功实施2次天然气水合物试采试验, 形成了具有自主知识产权的陆域天然气水合物试采技术。

陆域天然气水合物的系列进展吸引了多家企业的高度关注, 2013年由神华集团、青海省木里煤业开发集团有限公司、青海省煤炭地质局联合成立神华青海能源发展有限责任公司, 投资近7 000万元开展木里天然气水合物调查评价工作, 在天然气水合物开发领域首次实现了“ 公益先行、商业跟进” 的模式。同时, 在木里地区钻获的厚层含油层与浅层高压气层(达到工业气流标准)也引起石油公司的关注, 中国地质调查局油气资源调查中心与中国石油玉门油田分公司先后合作在该地区部署实施2口油气参数井, 探索木里坳陷油气前景。