凍土區天然氣水合物形成的“風水寶地”

■ 王大銳

陸上極地環境下天然氣水合物的特征與永凍帶密切相關。一般認為，從上新世（距今約1.88Ma）以來的熱條件導致了永凍帶的形成和天然氣水合物的持續存在。北半球大約20%的土地被永凍帶所覆蓋。地質學研究和關于海底條件的熱力學建模也表明，在北極海的大陸架內可能存在永凍帶和天然氣水合物。在更新世的多次冰期時期，從北極的地面區域到大陸架水深120米以內的廣大范圍內的溫度條件都非常適宜永凍帶和天然氣水合物“遺留”下來。實際上，陸上近岸處的天然氣水合物也只能與永凍帶緊密相存。

未來能源——天然氣水合物

圖1 大洋鉆探計劃（ODP）水合物巖心

圖2 祁連山凍土區水合物巖心在燃燒

物是“化學”性的，具有獨特的非鍵合性質，科學家對它們的研究已經延續了二百多年。

在20世紀30年代和40年代，由于天然氣工業管線在自然環境中會因形成像蠟一樣的硬殼結晶而發生堵塞，這種情況在較冷區域尤甚。這種管線的結晶物質通常十分穩定，而且即使在冬季的溫度和壓力環境下，也會給油氣工業造成經濟損失。研究發現這種結晶物為烴類混合氣體構成的水合物（絕大部分為甲烷，還有一些乙烷、丙烷和/或丁烷）。它的穩定性要比由純甲烷構成的水合物的穩定性范圍寬得多。在輸送前通過對天然氣進行干燥處理可以解決這種結晶問題。如果沒有水，就不會形成天然氣水合物。

天然氣中80%～99.9%的成分是甲烷，故也有人將天然氣水合物稱為甲烷水合物。天然氣水合物多呈白色或淺灰色晶體，外貌似冰狀，易點

19世紀20年代早期，在英格蘭工作的John Faraday開始研究新發現的天然氣和氯氣。許多分子在特定條件下都可以形成水合物，一般以各種籠形包合物的形式存在。這些籠形包合燃，故俗稱其為“可燃冰”（圖1）。

全球凍土帶與天然氣水合物資源

天然氣水合物的形成受控于多種因素的相互作用，其中包括溫度、壓力、氣體組分，以及水的離子張力。

天然氣水合物資源在陸地上主要分布于高海拔、北極地區的永久凍土區。據不完全統計，全球直接或間接發現水合物礦點123處，其中海洋及少數深水湖泊114處，陸地永久凍土帶9處。北半球20%的陸地由永久凍土覆蓋，目前發現的天然氣水合物也主要位于該區域，包括加拿大馬更些三角洲、美國阿拉斯加北坡、俄羅斯西伯利亞等地，這些地區凍土厚度大、地溫梯度低、天然氣水合物資源規模大。

加拿大馬更些三角洲是目前世界上凍土區水合物研究最為詳細的地區，該區位于加拿大西北部的波弗特（Beaufort）海-馬更些盆地。鉆探取芯和測井資料證實在800～1100 m區間共有約110 m厚的天然氣水合物層。水合物產于第三系陸相碎屑沉積巖層段內，以中細粒砂巖為主，孔隙度在32%～45%，天然氣水合物的飽和度最高達90%，氣體來源既有微生物分解產生的甲烷，又有來自于深部地層的熱解甲烷。2002年和2008年的兩次短期試生產分別獲得468 m3和13000 m3的天然氣。盆地內水合物穩定區分布面積約12.5萬km2，水合物穩定帶的底界位于地表以下200～1400 m，水合物層厚度平均為82m，2005年計算資源量約為1-10×1012m3。

目前已經確認富含或可能富含天然氣水合物資源的永凍帶地區有：丹麥格陵蘭、挪威斯瓦爾巴特群島（Svalbard）、俄羅斯東北西伯利亞與堪察加地區、俄羅斯Timan-Pechora盆地、俄羅斯Lena-Tunguska盆地、俄羅斯西西伯利亞盆地、加拿大Sverdrup盆地、加拿大Mackenzie三角洲-Beaufort海域和美國阿拉斯加地區。

我國永凍帶的天然氣水合物資源

我國天然氣水合物的調查始于1999年南海西沙海槽的試驗性地球物理調查，此前從1995年已經開始大量的研究工作，2007年5月1日在珠江口盆地南部的神狐地區成功鉆獲天然氣水合物實物樣品。從1999年開始，我國一些專家陸續提出在青藏高原開展水合物調查研究的建議，2002年中國地質調查局開始設立調查研究項目，2008年11月5日在祁連山木里地區DK-1孔井深133.5～135.5m處發現天然氣水合物實物樣品，使我國成為世界上第一個在中低緯度凍土區發現天然氣水合物的國家，具有重要的科學意義和經濟意義（圖2）。

國內專家與學者根據高原地區的凍土層厚度、地溫梯度以及不同資料獲得的氣體組分，運用天然氣水合物的熱力學穩定域預測方法，確定我國青藏高原具備形成天然氣水合物的基本條件，計算出了高原地區（包括祁連山木里地區）凍土帶天然氣水合物的產出特征。凍土層越厚、凍土層及凍土層之下沉積層的地溫梯度越小的地區，越有利于天然氣水合物的發育；資源量預測最高達2.98×1014m3，比極地凍土區資源大很多，預示著青藏高原具有很好的勘探前景。由于該區勘探程度還很低，很多計算參數還不準確，無論天然氣水合物的埋深、厚度還是資源量都有待進一步的勘探證實與校正。

祁連山木里地區是我國陸上凍土區首次鉆探并發現天然氣水合物的地區，該地區位于青藏高原的東北端，海拔4000～4300m，實測凍土層厚度60～95m，具備水合物形成的溫壓條件；構造上該地區為南祁連盆地的一個次級坳陷，坳陷內發育石炭系、下二疊統、上三疊統、侏羅系4套以暗色泥頁巖為主的烴源巖，烴源巖質量較好，大部分已經進入高成熟-過成熟階段，以生氣為主，另外侏羅系含有豐富的煤層氣資源，這些條件皆有利于天然氣水合物的形成，2008年至2009年4口鉆井均獲得了水合物樣品或異常顯示。

西藏羌塘盆地面積約18萬km2，是目前我國高原地區石油地質條件最好的中生代海相沉積盆地，該盆地從第三系到二疊系發育十余套烴源層，為盆地油氣生成的重要物質來源。

上新世末期開始的全球降溫事件以及青藏高原的強烈隆升，使得羌塘盆地一直處于嚴寒、干旱的冰緣環境，形成大面積的多年凍土；而同期構造運動破壞的油氣藏中的油氣會重新聚集成藏，較輕的烴類氣體則會沿斷層或裂隙、孔隙、不整合面，繼續向上運移，并在適宜的溫壓條件（凍土層下）下聚集形成天然氣水合物藏。從烴源巖的厚度、演化程度以及油氣成藏與凍土形成時間的匹配關系來看，羌塘盆地非常有利于天然氣水合物的成藏。

羌塘盆地位于藏北高原腹地，海拔在4500m以上，是青藏高原溫度最低、凍土最發育的地區，該區發育了大片連續多年凍土區，面積達40萬km2，計算凍土層厚度主要在100～200m。由于工作條件極為惡劣，羌塘盆地中西部凍土的研究基本空白，現有的研究資料主要集中在東部邊緣青藏公路沿線的狹窄地帶，多年凍土厚度30～120m，但據氣溫分布特征估計，西北部多年凍土應該更為發育。結合盆地烴源巖厚度分布以及成熟度分布特征，推測盆地北羌塘坳陷的西部（東經88°30′以西）以及南羌塘坳陷的東部（土門地區）是天然氣水合物形成最有利的地區。

地質學研究和熱力學建模表明，地球上的永凍帶的確是天然氣水合物——這個未來烴類能源的“風水寶地”。