摘要: 天然气水合物作为21世纪极具开发潜力的清洁能源，其在冻土区的广泛分布引起了广泛关注。祁连山冻土区是中国首个成功实现陆域水合物试采的区域，具有独特的地质构造和稳定的多年冻土环境，为水合物赋存提供了良好基础。本文系统梳理了祁连山地区水合物的地质背景、冻土层特征及成藏类型，重点分析了木里盆地等优势区带的赋存状态与控藏机制。研究表明，断裂构造、储层岩性、气源类型及热力条件的耦合作用控制了该区水合物的成藏与保存。然而，在推进商业化开发过程中仍面临资源赋存复杂、开采技术适应性差、生态环境脆弱以及经济可行性不足等多重制约。针对上述问题，本文提出了增强资源评价精度、开展工程技术突破等解决路径。相关研究有助于提升冻土区水合物的开发效率与可持续性，为我国非常规能源开发战略提供理论支持与实践参考。旨在为祁连山冻土区天然气水合物的高效、安全、可持续商业化开发提供理论支持与工程思路。
Abstract: As a clean energy with great development potential in the 21st century, natural gas hydrates have attracted widespread attention for their widespread distribution in permafrost areas. The Qilian Mountains permafrost area is the first area in China to successfully achieve onshore hydrate trial production. It has a unique geological structure and a stable permafrost environment, which provides a good foundation for the occurrence of hydrates. This paper systematically sorts out the geological background, permafrost characteristics and reservoir types of hydrates in the Qilian Mountains, and focuses on analyzing the occurrence state and reservoir control mechanism of advantageous zones such as the Muli Basin. The study shows that the coupling effect of fault structure, reservoir lithology, gas source type and thermal conditions controls the accumulation and preservation of hydrates in this area. However, in the process of promoting commercial development, it still faces multiple constraints such as complex resource occurrence, poor adaptability of mining technology, fragile ecological environment and insufficient economic feasibility. In response to the above problems, this paper proposes solutions such as enhancing the accuracy of resource evaluation and carrying out engineering technology breakthroughs. Related research is helpful to improve the development efficiency and sustainability of hydrates in permafrost areas, and provide theoretical support and practical reference for my country’s unconventional energy development strategy. The aim is to provide theoretical support and engineering ideas for the efficient, safe and sustainable commercial development of natural gas hydrates in the permafrost region of Qilian Mountains.
1. 引言
天然气水合物(Natural Gas Hydrates, NGHs)是由天然气分子与水分子在低温高压的情况下形成的笼型晶体化合物[1]，其外观似冰且遇火可燃，故俗称“可燃冰”。这种独特的笼型结构(clathrate structure)使其具备极高的气体储存能力，单位体积水合物中可容纳约160倍体积的天然气，能量密度远超常规化石能源[2]。作为21世纪最具潜力的战略资源之一，天然气水合物具有三大核心优势：其一，全球储量巨大，广泛分布于冻土区及大陆边缘海底沉积层中，预估资源量相当于现有化石能源总量的两倍以上[3]；其二，燃烧效率高且碳排放强度低，相较于煤炭和石油，甲烷水合物燃烧产生的单位能量二氧化碳排放量减少40%~60% [4]；其三，赋存形式稳定，在特定温压条件下可实现气体的长期封存，为低碳能源转型提供了潜在解决方案[5]。
全球冻土区内已发现9处产出天然气水合物，主要分布于美国、俄罗斯、加拿大等国[6]，包括俄罗斯的西伯利亚、加拿大麦肯锡三角洲、美国阿拉斯加北坡、我国祁连山冻土区、藏北高原、青藏高原南缘、南极洲边缘冻土带、格陵兰岛西部和挪威的斯瓦尔巴群岛，这些地区均处于多年冻土分布带，具有低温、封闭性强、气源丰富等有利水合物赋存条件。目前祁连山(中国)、麦肯锡三角洲(加拿大)与阿拉斯加北坡(美国)是技术推进最积极的冻土区，但均未进入商业化开采阶段。本文旨在全面分析祁连山冻土区水合物商业化开发的制约因素，提出针对性解决策略，以推动相关理论与工程技术的发展。
2. 祁连山冻土区水合物赋存特征
2.1. 地质构造与冻土层特征
祁连山位于青藏高原北部，是我国西部典型的多年冻土广泛分布区。该区地形由山系与盆地相间构成，主要包括北祁连的走廊南山、中祁连的托来山，以及南祁连的党河南山、宗务隆山、拉脊山等山脉。构造上一般划分为三大构造单元：北祁连构造带(含河西走廊及走廊南山)、中祁连陆块(托来山)和南祁连构造带[7]。
地质演化方面，祁连山自震旦纪以来经历了多阶段的构造发展：包括震旦纪至中寒武世的大陆裂谷阶段、晚寒武世至中奥陶世的海底扩张与沟弧盆体系阶段，以及自中奥陶世以来的造山阶段，分别经历了俯冲造山、碰撞造山和陆内造山作用。这些地质过程共同塑造了现今复杂的地质构造格局。白垩纪以来，区域以细粒红色碎屑岩和粘土岩为主，第四系沉积广泛，以冰水–洪积物和冰川堆积物为主[8]。
祁连山地区地处高原亚寒带半干旱气候区，气温低、冻融显著，是我国多年冻土最广泛分布的区域之一，多年冻土面积超过4万平方公里。山脉海拔多在4000米以上，盆地多为3000~3700米之间。年日均气温低于0℃的天数超过200天，年平均气温在海拔3500~4200米地带范围内为−3℃至−5℃，为多年冻土的发育提供了稳定的热力条件。冻土分布具有显著的高程控制性。南坡冻土下界大致位于海拔3900~4200米之间，北坡冻土下界稍低，为3700~4000米左右，实测资料显示，祁连山冻土区年平均地表温度为−3℃至−5℃，冻土层厚度一般为20~130米。冻土层厚度从几米至数十米不等。随着海拔升高，地温呈下降趋势，通常每升高100米，地表地温下降约0.6℃ [9]。
其中木里盆地位于祁连山中段核心地带，夹于托来山与大通山之间，海拔多在3700~4000米之间。该区域多年冻土连续分布，年平均地表温度最低可达−5.5℃，冻土层厚度可超过150米，局部地区发育有厚层地下冰，具备典型的深厚冻土特征，是祁连山冻土区内水合物赋存最有利的区域之一。
2.2. 水合物的成藏类型
国内学者围绕木里冻土区天然气水合物气体组分、岩性分布及储层特征等方面开展了较为系统的研究工作，但从油气系统与天然气水合物成藏系统的角度进行的综合分析仍较为有限。结合区域地质背景、气源条件、构造特征与热力学环境，祁连山冻土区天然气水合物主要呈现出多种成藏类型，具有典型的冻土带赋存特征。
在赋存状态上，木里地区已识别出两种主要类型：一类为赋存在油页岩、泥岩等裂隙面中的“裂隙型”水合物，以片状、团块状形式存在；另一类为赋存在粉砂岩、细砂岩孔隙中的“孔隙型”水合物，以浸染状充填为主。就控藏因素而言，目前研究认为祁连山水合物主要发育四种成藏类型：一是断裂控藏型，断裂构造(如F1、F2)不仅为深部热成因气体提供运移通道，也与储层空间密切耦合，构成有利成藏带；二是构造圈闭型，由印支–燕山期构造活动形成的背斜核部或逆冲构造构成圈闭单元，为水合物富集提供空间保障；三是层控型，水合物主要赋存在中侏罗统江仓组特定岩性组合中，层间泥岩与页岩构成良好封盖；四是热力控藏型，区域地温梯度为0.031~0.041℃/m，形成深度在171~574 m之间的稳定带，埋深与实际赋存层位匹配良好。
气源条件是水合物成藏的关键前提。木里地区具备良好的热成因气来源，气体以甲烷为主，δ¹³C₁值多大于–50‰，C1/(C2 + C3)值普遍小于100，呈现明显的热解气特征，推测主要来源于深部油型气，并伴有少量煤成气混合[10]。相比之下，哈拉湖坳陷虽有一定的烃源基础(如尕勒得寺组暗色泥岩)，但因早期剥蚀、断裂活动弱化及冻土与运移通道耦合性较差，近年来QH-1、QH-2钻探均未获得水合物显示，表明其成藏条件尚不成熟。
综合来看，木里地区天然气水合物成藏以“断裂–储层–冻土”三要素协同控制为主，成藏类型以断裂控藏型和孔隙型为核心，具有良好的保存条件与开发前景。而哈拉湖坳陷等地虽在冻土厚度与热力条件上具备一定优势，但气源供给与成藏耦合性不强，仅在局部逆冲断裂发育区具备潜在成藏可能，未来需进一步开展地球化学与构造精查以明确其水合物远景区的空间分布。
3. 商业化开发面临的主要制约因素
3.1. 资源赋存复杂性
祁连山冻土区天然气水合物的资源赋存具有明显的复杂性。一方面，水合物多赋存在第四系或新近系粉砂岩、细砂岩、油页岩与泥岩中，具有强烈的岩性非均质性，储层连续性差，物性变化剧烈；另一方面，成藏受控于断裂构造、冻土层厚度、地温梯度等多种因素，稳定带顶底界变化大，控制难度高。已知的水合物多以薄层状、片状、团块状形式存在，赋存状态以孔隙型和裂隙型为主，分布离散、不连续，增加了开采单元划分和井位部署的困难。此外，水合物稳定带埋深较浅，受季节温变影响大，稳定性相对较弱，进一步提高了开采的不确定性和技术复杂度。因此，如何精准识别资源富集区、厘清赋存规律，是实现商业化开发的前提与基础。
3.2. 开采技术适应性差
现阶段针对冻土区水合物的开采技术尚不成熟，现有海域试采中应用的降压法、热激法和CO2/N2置换法等技术在冻土环境中推广存在明显适应性不足的问题。冻土带的低温、低渗透性和浅埋深特点，使得常规降压法可能导致局部地层解冻、地温扰动剧烈，从而引发冻土软化甚至地层塌陷。此外，水合物开采过程中的热量传输与相变动力学在冻土介质中的行为机制尚不清晰，气体产出效率低、稳产时间短、储层恢复困难。木里地区曾进行过试验性产气尝试，但仍存在流体采集困难、砂岩破坏严重等问题，难以实现工程规模的可控开采。缺乏针对冻土地区专门研发的低扰动、高效率开采技术，是制约其商业化开发的核心技术瓶颈。
3.3. 冻土区环境与地质灾害风险
祁连山冻土区属于生态环境脆弱带，海拔高、气温低、年冻结时间长，生态系统对温度扰动极为敏感。水合物开采过程中若诱发冻土融化、地下水扰动或局部地温升高，极有可能造成地表塌陷、滑坡、泥石流等地质灾害，威胁工程安全与区域生态稳定。此外，水合物分解释放的甲烷作为强效温室气体，其逸散问题备受关注，一旦控制不当，不仅造成资源损失，还将对大气环境产生不利影响。祁连山冻土区的山间盆地多为封闭地形，气体积聚风险较高，若开采诱发断裂激活或诱导小震，也可能带来次生灾害。因此，商业化开发必须配套高精度地质监测系统和灾害评估机制，确保生态可承受性与工程可控性。
3.4. 经济可行性与产业支撑不足
尽管水合物理论资源量巨大，但目前冻土区水合物开发在技术、成本与收益之间尚难形成有效闭环。一方面，现阶段单井产气量低，开采周期短，单位成本高昂，尚无法与常规天然气或页岩气竞争；另一方面，冻土区地处偏远，交通、通讯、电力等基础设施薄弱，开发所需的设备运输、井场建设、环境保护等成本显著提升。此外，目前我国尚缺乏完善的水合物产业链支撑体系，诸如专用钻采设备、长输管道、低温气处理与储运技术等均有待突破。同时，水合物商业开发涉及能源、安全、环保等多部门监管，相关法规体系不健全，也对资本进入和风险控制形成制约。因此，在缺乏强有力政策扶持与市场机制保障的背景下，冻土区水合物开发的经济可行性尚不具备大规模推广的现实基础。
4. 解决路径与关键技术展望
4.1. 增强资源评价技术
祁连山冻土区水合物赋存条件复杂，资源分布非均质性强，开发前首先应实现高精度、高分辨率的资源评价。当前亟需推进多源地质信息的集成处理技术，将地震属性反演、地球物理成像、地球化学探测、井中测录井等手段耦合，建立“构造–岩性–气源–冻土”多维度耦合模型。同时，应引入机器学习与反演算法，对已有钻井与地球物理数据进行智能解译，提高水合物富集区识别的准确性与效率。通过构建三维可视化模型，精准描绘稳定带顶底界、储层厚度与富集性，为工程部署提供可靠基础。
4.2. 工程技术突破
技术突破是水合物实现规模化开发的关键。针对冻土区的特殊地层与热力环境，应开发具备“低扰动、高控产”能力的开采技术。首先，对现有降压法进行优化，研究浅层封闭储层下的局部控压方案，减少冻土层破坏风险；其次，可开展基于太阳能或地热驱动的热激技术试验，实现低碳能源与水合物协同开发；此外，应重点攻关CO2/N2气体混合置换技术，实现产气与碳封存双重目标。配套上，需研发适应高寒环境的智能化钻采平台、井下传感器、保温输气管道等工程装备，全面提升冻土区作业的稳定性与效率。
4.3. 环境保护与灾害预警机制
祁连山地区生态环境脆弱、地质灾害频发，因此环境保护必须前置纳入工程设计与全生命周期管理。应构建“热–力–流”多场耦合数值模型，对开采过程中的冻土融化、地层变形与气体逸散风险进行模拟预测。在工程布井、分段开发过程中，结合环境敏感性区划定，实施局部扰动、动态调控的开采策略。同时，建设基于地温、孔压、地表变形、甲烷浓度的综合监测系统，实现灾害风险的实时感知与预警响应。针对气体逸散问题，应强化尾气处理系统与采气井口密封技术，确保资源开发过程的生态安全与气候友好性。
4.4. 开发经济模型与标准体系构建
水合物商业化开发不仅是技术问题，更是经济与制度体系协同推进的过程。应构建适用于冻土区水合物的经济评估模型，系统考虑井场部署成本、能源回收效率、基础设施投资与环境修复开支等多重因素，量化资源开发的综合经济性。同时，应加快制定与冻土区开发相适应的工程技术规范、环境保护标准和风险评估指南，填补法规空白。在政策层面，建议设立水合物专项扶持基金，推动产学研协同攻关，吸引社会资本参与开发，并构建涵盖勘探、开发、油气处理、利用的完整产业链与人才支撑体系。
5. 结论
祁连山冻土区作为我国天然气水合物研究与开发的重点区域，具备良好的气源基础、地质封存条件与冻土稳定环境，是未来陆域水合物商业化开发的重要突破口。通过对地质构造与冻土层特征的系统分析，明确了木里地区水合物主要以裂隙型和孔隙型赋存，并受断裂–储层–冻土三要素协同控制。尽管如此，当前在实现商业化开采方面仍面临资源分布复杂性、开采技术适配性差、生态环境敏感性强以及经济效益不足等诸多挑战。
为此，需从四个方面协同发力：一是提升资源评价精度与富集区识别能力，为开发部署提供可靠依据；二是突破适应冻土区特点的开采技术，发展低扰动、高效率、多模式联合开采工艺；三是构建全流程环境保护与灾害预警体系，保障生态安全与工程稳定；四是建立适应性强的经济模型和法规体系，推动形成完整的水合物产业链。未来应持续推动多学科融合与产学研协同创新，逐步实现祁连山冻土区天然气水合物从资源潜力向产业化开发的转变。
基金项目
重庆科技大学研究生创新计划项目(YKJCX2420120)。
NOTES
*第一作者。