14
A natural gas hydrate-oil-gas system in the Qilian Mountain permafrost area, northeast of Qinghai-Tibet Plateau Zhen-quan Lu, Shi-qi Tang, Xiao-ling Luo, Gang-yi Zhai, Dong-wen Fan, Hui Liu, Ting Wang, You-hai Zhu, Rui Xiao Citation: Zhen-quan Lu, Shi-qi Tang, Xiao-ling Luo, Gang-yi Zhai, Dong-wen Fan, Hui Liu, Ting Wang, You-hai Zhu, Rui Xiao, 2020. A natural gas hydrate-oil-gas system in the Qilian Mountain permafrost area, northeast of Qinghai-Tibet Plateau, China Geology, 3, 511-523. doi: 10.31035/cg2020075. View online: https://doi.org/10.31035/cg2020075 Related articles that may interest you Coexistence of natural gas hydrate, free gas and water in the gas hydrate system in the Shenhu Area, South China Sea China Geology. 2020, 3(2), 210 https://doi.org/10.31035/cg2020038 New discovery of the permafrost gas hydrate accumulation in Qilian Mountain, China China Geology. 2018, 1(2), 306 https://doi.org/10.31035/cg2018034 Seismic fine imaging and its significance for natural gas hydrate exploration in the Shenhu Test Area, South China Sea China Geology. 2020, 3(4), 524 https://doi.org/10.31035/cg2020037 The second natural gas hydrate production test in the South China Sea China Geology. 2020, 3(2), 197 https://doi.org/10.31035/cg2020043 The first offshore natural gas hydrate production test in South China Sea China Geology. 2018, 1(1), 5 https://doi.org/10.31035/cg2018003 Experimental simulations and methods for natural gas hydrate analysis in China China Geology. 2018, 1(1), 61 https://doi.org/10.31035/cg2018008

Related articles that may interest you - cgs.gov.cn

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

A natural gas hydrate-oil-gas system in the Qilian Mountain permafrost area, northeast of Qinghai-Tibet Plateau

Zhen-quan Lu, Shi-qi Tang, Xiao-ling Luo, Gang-yi Zhai, Dong-wen Fan, Hui Liu, Ting Wang, You-hai Zhu, Rui Xiao

Citation: Zhen-quan Lu, Shi-qi Tang, Xiao-ling Luo, Gang-yi Zhai, Dong-wen Fan, Hui Liu, Ting Wang, You-hai Zhu, RuiXiao, 2020. A natural gas hydrate-oil-gas system in the Qilian Mountain permafrost area, northeast of Qinghai-Tibet Plateau, ChinaGeology, 3, 511-523. doi: 10.31035/cg2020075.

View online: https://doi.org/10.31035/cg2020075

Related articles that may interest you

Coexistence of natural gas hydrate, free gas and water in the gas hydrate system in the Shenhu Area, South China Sea

China Geology. 2020, 3(2), 210 https://doi.org/10.31035/cg2020038

New discovery of the permafrost gas hydrate accumulation in Qilian Mountain, China

China Geology. 2018, 1(2), 306 https://doi.org/10.31035/cg2018034

Seismic fine imaging and its significance for natural gas hydrate exploration in the Shenhu Test Area, South China Sea

China Geology. 2020, 3(4), 524 https://doi.org/10.31035/cg2020037

The second natural gas hydrate production test in the South China Sea

China Geology. 2020, 3(2), 197 https://doi.org/10.31035/cg2020043

The first offshore natural gas hydrate production test in South China Sea

China Geology. 2018, 1(1), 5 https://doi.org/10.31035/cg2018003

Experimental simulations and methods for natural gas hydrate analysis in China

China Geology. 2018, 1(1), 61 https://doi.org/10.31035/cg2018008

 

 

A natural gas hydrate-oil-gas system in the Qilian Mountain permafrost area, northeastof Qinghai-Tibet PlateauZhen-quan Lua,*, Shi-qi Tangb, Xiao-ling Luoc, Gang-yi Zhaia, Dong-wen Fana, Hui Liua, Ting Wanga,You-hai Zhua, Rui Xiaoa a Oil and Gas Resources Survey, China Geological Survey, Ministry of Natural Resources, Beijing 100083, Chinab Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Langfang 065000, Chinac Development and Research Center, China Geological Survey, Ministry of Natural Resources, Beijing 100037, China

A  R  T  I  C  L  E      I  N  F  O A  B  S  T  R  A  C  T 

Article history:Received 2 December 2020Received in revised form 18 December 2020Accepted 19 December 2020Available online 22 December 2020  

Keywords:Natural gas hydrate-oil and gas systemHydrocarbon gas-generation seriesGas-fluid migration seriesHydrocarbon gas-accumulation seriesQilian Mountain permafrostSouthwest China

 

Natural gas hydrate, oil and gas were all found together in the Qilian Mountain permafrost area, northeastof  Qinghai-Tibet  Plateau,  China.  They are closely associated with each other  in space,  but  whether  theyare in any genetic relations are unknown yet. In this paper, a hydrocarbon gas-generation series, gas-fluidmigration series and hydrocarbon gas-accumulation series are analyzed to probe the spatial, temporal andgenetic relationships among natural gas hydrate, oil and gas. The subsequent results show that natural gashydrate, oil and gas actually form a natural gas hydrate-oil-gas system. Based on the Middle Jurassic andthe  Upper  Triassic  hydrocarbon  gas-generation  series,  it  is  divided  into  four  major  sub-systems  in  thestudy  area:  (1)  A  conventional  Upper  Triassic  gas-bearing  sub-system  with  peak  hydrocarbon  gas-generation in the late Middle Jurassic; (2) a conventional Middle Jurassic oil-bearing sub-system with lowto  mature  hydrocarbon  gas-generation  in  the  late  Middle  Jurassic;  (3)  a  natural  gas  hydrate  sub-systemwith  main  gas  source  from  the  Upper  Triassic  gas-bearing  sub-system  and  minor  gas  source  from  theMiddle Jurassic oil-bearing sub-system as well as little gas source from the Middle Jurassic coal-bed gasand  the  microbial  gas;  (4)  a  shallower  gas  sub-system  with  microbial  alteration  of  the  main  gas  sourcefrom  the  Upper  Triassic  gas-bearing  sub-system.  This  natural  gas  hydrate-oil-gas  system  and  its  sub-systems are not only theoretical but also practical, and thus they will play an important role in the furtherexploration of natural gas hydrate, oil and gas, even other energy resources in the study area.

 

©2020 China Geology Editorial Office. 

 1. Introduction

Natural  gas  hydrate  or  hydrate,  is  commonly  known  as“flammable ice”. It is composed of water and light-weightedgas  molecules  (such  as  methane,  ethane,  propane,  isobutane,hydrogen  sulfide,  carbon  dioxide,  etc.),  a  kind  of  crystallinesolid  substance  formed  with  sufficient  gases  at  lowtemperature  (generally  around  273.15  K)  and  high  pressure(generally greater than 3 MPa to 5 MPa) (Sloan ED and KohCA,  2008).  In  nature,  hydrates  are  usually  distributed  insubsurface sediments with a water depth of greater than 300 m(Kvenvolden KA, 1993) or in permafrost with a stratum depthof  greater  than  130  m  below  the  surface  (Shi  D  and  Zheng

JW,  1999).  In  addition  to  drilled  hydrates  (Wu  NY  et  al.,2009)  even with  test-production on the  northern  slope of  theSouth China Sea (Li JF et al., 2018; Ye JL et al., 2018, 2020),China  also  collected  hydrate  samples  by  drilling  for  the  firsttime  in  the  Qilian  Mountain  permafrost,  achieving  abreakthrough  in  the  investigation  of  hydrates  in  permafrostregions (Zhu YH et al., 2009; Lu ZQ et al., 2011). This is thefirst time in the world that hydrate has been discovered in themid-latitude permafrost.

Besides  hydrates,  various  oil  and  gas  indications  (oilspots,  oil  immersions,  etc.)  associated  phenomena  arecommon  in  the  Qilian  Mountain  permafrost,  e.g.  in  drillingholes of DK-1, DK-2, DK-3, DK-7, DK-8, DK-9, DK-12, etc.(Lu  ZQ  et  al.,  2018,  2013a,  2013b,  2015a;  Cheng  B,  2018;Tang  SQ,  2015a,  2020)  and  DK8-19,  DK10-16,  DK10-17,DK10-18, DK11-14, DK12-13, DK13-11, etc. (Wen HJ et al.,2015; Lu ZQ et al.,  2015b; Wang WC et al.,  2015; Li YH et

 

  

* Corresponding author: E-mail address: [email protected] (Zhen-quan Lu).

 doi:10.31035/cg20200752096-5192/© 2020 China Geology Editorial Office.

China Geology 4 (2020) 511−523

 

China GeologyJournal homepage: http://chinageology.cgs.cn

https://www.sciencedirect.com/journal/china-geology

al.,  2015;  Tang  SQ  et  al.,  2015b).  In  particular,  in  DK-9borehole,  apart  from  the  thick  layered  hydrates,  thick  oil-bearing  layers  were  encountered,  and  in  DK-10  borehole  anabnormally  shallow  natural  gas  layer  was  also  encountered.This is the first time in the South Qilian Basin to obtain the oiland gas bearing layer by drilling (Lu ZQ et al., 2018). On theone  hand,  this  new  discovery  indicates  that  the  QilianMountain  permafrost  contains  a  good  potential  of  hydrateresources and has a good prospect for oil and gas exploration,which can provide  a  new national  backup option for  hydrateand oil and gas resource security (Wu CG et al., 2011); on theother  hand,  it  also  poses  a  new important  scientific  questionwhether there is an inherent genetic link between hydrate andoil-bearing  layer,  abnormal  gas  layer  or  various  oil  and  gasindications in the Qilian Mountain permafrost.

In  the  past,  a  detailed  analysis  of  key  elements  wasconducted  in  the  world ’s  typical  marine  hydrateaccumulations, such as in the Blake Ridge offshore the UnitedStates, the Hydrate Ridge offshore Canada, the northern slopeof  the  Gulf  of  Mexico,  and  the  Storegga  landslide  offshoreNorway  and  it  revealed  that  they  all  developed  a  goodcombination  of  hydrocarbon  gas-generation  series,  gas-fluidmigration  series,  and  hydrocarbon  gas-accumulation  series,which together reflected the geological process and geologicalelements from the formation to preservation of hydrates. Thecombination  constitutes  a  natural  gas  hydrate  geologicalsystem  (Lu  ZQ  et  al.,  2008). Collett  TS  et  al.  (2009,  2011),Max  MD  and  Johnson  AH  (2014)  published  articles  thatclearly  put  forward  the  concept  of   “natural  gas  hydrate  andpetroleum  system ”,  and  made  a  keynote  report  at  the  8th

International  Gas  Hydrate  Conference  to  further  clarify  thatthe  geological  control  over  hydrate  occurrences  was  referredto as “natural gas hydrate and petroleum system” (Collett TS,2014).  Since  then,  the  natural  gas  hydrate  geological  systemor  natural  gas  hydrate  and  petroleum  system  has  graduallygained  attention  and  application  in  practice,  such  as  the“natural  gas  hydrate  system”  in  the  Krishna-Godavari  basinoffshore  India  (Riedel  M et  al.,  2010; Shankar  U and RiedelM,  2010;  Badesab  FP  et  al.,  2017)  or   “natural  gas  hydratepetroleum system” (Vedachalam N et al., 2016), “natural gashydrate system” in the southwest of the Barents Sea (Rajan Aet al., 2013; Vadakkepuliyambatta S et al., 2015), “natural gashydrate  system ”  in  the  Niger  Delta  Basin  off  Nigeria(Akinsanpe OT et al., 2017) or “natural gas hydrate petroleumsystem”  offshore  Angola  (Nyamapfumba  M and  McMechanGA,  2012),   “natural  gas  hydrate  system ”  in  Black  Sea(Hillman  JIT  et  al.,  2018),   “natural  gas  hydrate  system ”offshore  Northwest  Taiwan  in  the  northern  South  China  Sea(Han WC et  al.,  2019)  or  “natural  gas  hydrate  system” (ShaZB  et  al.,  2015;  Liang  YX  et  al.,  2013)  and  its  related“seepage  system ”  in  Dongsha  waters  (Wu  SG  et  al.,  2010;Zhang W et al., 2018).

In this study, the internal connections between hydrate andoil-bearing  layer,  shallow  gas  layer  are  revealed  by  theanalysis  of  the  sources  of  hydrate,  oil-bearing  layer,  andshallow gas layer in the Qilian Mountain permafrost under the

natural  gas  hydrate  geological  system  theory.  For  the  firsttime,  different  natural  gas  hydrate-oil  and  gas  subsystemshave  been  established  in  this  area,  and  the  understanding  ofnatural gas hydrate accumulation rules are gradually improvedin  the  Qilian  Mountain  permafrost,  which  provides  a  newtheoretical guidance for hydrate and oil and gas investigationsin permafrost regions in China.

2. Geological background

It  is  dominated  by  mountainous  permafrost  in  the  QilianMountain permafrost, covering an area of about 100×103 km2.The  permafrost  thickness  is  generally  60–95  m.  It  is  mainlydistributed  in  the  middle  and  western  sections  of  the  QilianMountain.  The  lower  boundary  of  the  permafrost  is  roughlythe  same  as  the  isotherm  equivalent  of  annual  averagetemperature –2 − –2.5 °C (Zhou YW et al., 2000).

The study area is located in Muli Town, Tianjun County,Qinghai  Province,  in  the  third  mining  pit  of  Juhugeng  CoalMine area in Muli Coal Field, with an altitude of 4026–4128 m.In tectonics,  it  is  in the western section of the Central  QilianBlock  formed  during  the  Caledonian  tectonic  movementperiod  (513–386  Ma)  (Wen  HJ  et  al.,  2006),  adjacent  to  theSouth Qilian structural belt, belonging to the Muli Depressionof  the  South  Qilian  Basin.  During  the  Yanshan  Movement,the  stratum  in  the  study  area  was  strongly  uplifted,  and  theolder  fault  blocks  in  the  flanking  strata  gradually  rose.  Itsmain  fault  properties  changed  from  tension  to  compression,resulting  in  a  series  of  secondary  fault  structures.Experiencing  a  series  of  the  tectonic  evolution  it  eventuallyformed the present-day thrust-nappe structure framework withNWW  and  NW  (Guo  JN  et  al.,  2011).  As  a  result  of  thetectonic movement and evolution, the central part of the studyarea  is  composed  of  an  anticline  consisting  of  Triassic,  andthe north and south sides are individually syncline consistingof  Jurassic  coal-bearing  strata.  Along  the  north  and  southsides  of  the  anticline-syncline  complex,  large  scaled  thrust-nappe  faults  develop,  controlling  the  boundaries  of  theexisting depression.  In the north and south synclines a set  oflarge-scale northeast-trending shear faults develop, which cutsthe  depression  into  intermittent  blocks  with  different  size.These  faults  become  the  natural  boundary  that  divides  themining pits in the Juhugeng coal mine area, making the studyarea present  a  structural  feature  of  various  north-south zonesand east-west blocks (Fig. 1).

In  addition  to  the  Quaternary,  drilling  results  reveal  thatthe  exposed  strata  in  the  study  area  also  include  the  MiddleJurassic and part of the Upper Triassic. The Upper Triassic iswidely exposed in the north and south of the study area. Thelithology  is  dominated  by  black  mudstone  and  siltstone  withthin coal  seams,  and is  in angular  unconformity contact  withthe  overlying  Jurassic.  The  Middle  Jurassic  can  be  dividedinto  Muli  Formation  (J2m)  and  Jiangcang  Formation  (J2j)from  bottom  to  top.  The  Muli  Formation  can  be  subdividedinto upper and lower lithological  sections:  The lower sectionis  mainly  braided-river  sediments,  dominated  by  gray-white

512 Lu et al. / China Geology 4 (2020) 511−523

medium-coarse-grained  sandstone,  developed  with  bottom-conglomerate;  the  upper  section  is  the  main  coal-bearingsection  with  two  sets  of  exploitable  coal  layers  and  locallywith thin coal seams, and is mainly gray fine-medium-grainedsandstone  and  dark  gray  fine-grained  to  siltstone  in  lake-marsh environment. The Jiangcang Formation (Fm.) can alsobe  subdivided  into  two  lithological  sections:  The  lowersection is composed of dark gray mudstone, siltstone and grayfine  sandstone  in  a  delta-lake  environment,  and  containsmultiple  thin  coal  seams;  the  upper  section  is  composed  ofdeposits  in  shallow  lakes  and  semi-deep  lakes,  and  darkmudstone and gray-black oil shale are developed.

3. Natural gas hydrate and oil and gas display characteristics

3.1. Natural gas hydrate characteristics

Since 2008, the China Geological Survey has deployed 12hydrate drilling holes in the study area, including DK-1, DK-2,  DK-3,  DK-7,  DK-8,  DK-9,  DK-12,  etc.  Hydrate  wasencountered  in  these  boreholes.  In  addition,  Shenhua  Groupalso implemented 14 hydrate boreholes in the study area andhydrate  was  also  obtained  by  drilling  in  DK8-19,  DK11-14,DK12-13,  DK13-11  and  other  boreholes.  Among  them,  inDK-9  borehole,  hydrate  has  the  most  obvious  characteristicsand the largest thickness.

The  main  characteristics  of  hydrate  observed  in  the  field

include  (Fig.  2):  (1)  White  and  milky  white  aggregates  arefound on the fracture surface of the hydrate-bearing core; (2) thehydrate-bearing core can be directly burned upon ignition; (3) thetemperature  of  the  hydrate-bearing  core  is  measured  byinfrared  thermal  imaging  camera  and  then  obvious  lowtemperature  anomalies  are  shown;  (4)  bubbles  and  waterdroplets  can  continuously  emerge  on  the  surface  of  thehydrate-bearing  core;  (5)  the  hydrate-bearing  corecontinuously  bubbles  in  the  water;  (6)  abnormal  gas  is  oftenencountered in the hydrate-bearing section during drilling andwhen  the  sample  is  put  into  the  gas  tank,  a  large  amount  ofgas can be resolved; (7) the honeycomb structure remains onthe surface of the hydrate-bearing core after being placed for acertain  time;  (8)  the  authigenic  carbonate  crystals  and  pyriteparticles are associated on the fracture surface of the hydrate-bearing core (Lu ZQ et al., 2010).

In  many  boreholes  in  the  study  area  the  drilling  resultsrevealed that hydrate mainly occurs at a shallow depth of 400m or less. It is visible with the naked eyes as a thin white ice-like  layer  (smoky gray when mixed with  mud)  in  fissures  ofstrata  or  occurs  as  a  fine  disseminated  state  in  pores  of  rockformations.  The  reservoir  lithology  is  mainly  mudstone,  oilshale, siltstone, fine sandstone, etc. On the contrary, hydrate israrely  seen  in  medium  sandstone  and  coarse  sandstone  (LuZQ et al., 2010; Zhu YH et al., 2010; Wang WC et al., 2015).

3.2. Oil and gas display characteristics

Preliminary  statistics  showed  that  oil  and  gas  displays

 

F2

F1

F2

F2

F1

F1

F2

N

1 km

Qilian

XiningQinghai Lake

Tianjun

Hala Lake

0

(a)

(b)

Fig. 1b

DK11-14

DK13-11

DK12-13

DK-4

DK10-16

DK-10

DK-6

DK-9DK10-18

DK8-19

DK10-17

DK2-26

DK4-23

DK2-25

DK5-22

DK6-21DK4-24

DK7-20

DK-3 (DK-1,

DK-2, DK-7, DK-8)

T3

T3

T3

J1

J1

J2m2

J2m2

J2m2

J2m1

J2m1

J1

J2m2

J2m1

J2m2

J2j2

J2j1

J2j1

J2j1

J2m2

J2m1

J2 j 2

J2j1

J2m2

J2j1

J2j2

J1

J2j2

J2m1

J2m2

T3

T3

J2m1

J2j2 Upper Jiangcang Fm. J

2j1 J

2m1 J

1

T3 Conformity

Presumed fault

Reverse fault

J2m2

Survey area

Unconformity

DK12-13

Drilling hole with GH

Normal fault

DK10-16

Drilling hole without GH

Lower Jiangcang Fm. Upper Muli Fm. Lower Muli Fm. Lower Jurassic

Upper Triassic

YilutianYijingtian

Erjingtian

SanjingtianSijingtian

Sanlutian

Erlutian

Leinike

 Fig. 1.   Geological characteristics and borehole locations in the study area.

Lu et al. / China Geology 4 (2020) 511−523 513

were encountered in 15 hydrate drilling holes such as in DK-1, DK-2, DK-3, DK-4, DK-5, DK-8, DK-9, DK-10, DK8-19,DK10-16,  DK10-17,  DK10-18,  DK11-14,  DK12-13,  DK13-11 etc. in the study area. In particular, a nearly 8 m thick oil-bearing  layer  was  encountered  in  DK-9  borehole.  The  oil-bearing  layer  is  within  362.79 –370.58  m  with  the  middle-sized sandstone of the Middle Jurassic. On the surface of theoil-bearing  core  it  can  be  seen  to  be  grayish  brown  to  lightbrown,  showing a  large area of  oil  immersion or  oil  staining(Fig.  3).  On-site  gas  logging  shows  that  the  content  of  totalhydrocarbons  and  that  of  methane  have  increasedsignificantly,  with  2.19% –8.35%  and  1.01% –5.62%respectively, while the content of total hydrocarbons and thatof  methane  in  non-oil-bearing  layers  are  only  0.10%–0.40%and 0.035%–0.225%.

In the meantime, in the hydrate scientific drilling test holeDK-10 in the study area, when drilled to a siltstone interval ata 52.9 m depth, a strong gas eruption occurred. The height ofthe burning flame exceeded 10 m. When the erupted gas wasintroduced  to  the  area  about  200  m  away  from  the  well

through a  simple  pipeline  and was ignited,  and gases  burnedviolently.  The  flame  height  arrived  at  3 –4  m  (Fig.  4).According to on-site estimates, the flow rate of high-pressureabnormal  gas  encountered  during  drilling  is  greater  than4800  m3/d.  Due  to  the  abnormally  high-pressure  gas  layer,DK-10 borehole was finished and sealed. The final hole depthis 52.9 m. The main formation lithology is: Quaternary gravelsand  at  0 –6.1  m,  gray  siltstone  partially  mixed  with  coal  at6.1 –10.2  m,  coal  inter-bedded  with  silt-bearing  mudstone,carbonaceous  mudstone  at  10.2 –37.21  m,  and  inter-beds  ofargillaceous  siltstone,  fine  sandstone,  silty  mudstone  at37.21 –52.9  m.  According  to  the  characteristics  of  lithologycombination  and  the  stratigraphic  comparison  amongboreholes,  apart  from  Quaternary  gravel-bearing  sand  layer,the  strata  encountered  by  the  borehole  drilling  are  coal-bearing  strata  of  the  upper  part  of  Muli  Formation  (to  thedepth of 37.21 m) in the shallower part, and it is the Triassicsiltstone  and  argillaceous  siltstone  of  Galedesi  Formation  inthe lower part.

 

 Fig. 2.   Characteristics of natural gas hydrate collected from drilling holes in the study area.

 

 Fig. 3.   Characteristics of oil-bearing cores in DK-9 in the study area.

514 Lu et al. / China Geology 4 (2020) 511−523

4. Sources of natural gas hydrate and oil and gas

4.1. Source of natural gas hydrate

Studies  have  shown  that  the  gas  from  hydrate  itself  ismainly  light  hydrocarbons  in  the  study  area,  with  thecharacteristics  of  moisture  gas,  and  its  isotopes  arecharacterized  by  a  series  of  positive  carbon  isotopes,indicating that  the  gas  of  hydrate  is  of  organic  origin,  and ismainly  sourced  by  pyrolysis,  with  a  small  amount  ofmicroorganisms.  Among  them,  the  pyrolysis  sourced  gas  ismainly  related  to  crude-oil  cracked  gas  and  crude-oilassociated  gas,  and  a  small  part  is  related  to  condensate-oilassociated  gas,  coal-derived  gas,  and  kerogen  cracked  gas.The organic geochemical analysis of mudstone, oil shale, andcoal  in  the  hydrate  layer  in  the  study  area  shows  that  themudstone,  oil  shale,  and  coal  in  the  hydrate  layer  cannot  bethe main gas source rock for hydrate by the abundance, type,thermal  evolution  degree  and  other  parameters  of  organicmatter, indicating the source for gas of hydrate may be mainlyfrom  deep  oil  or  crude  oil-associated  gas  or  mature/over-mature gas from deep gas source rock formations.

With the help of thermal simulation experiment methods,cores  such  as  mudstone,  oil  shale  and  coal  are  select  toconduct  thermal  simulation  experiments.  Under  thermalsimulation  conditions,  the  composition  and  carbon  isotopecomposition  of  newly  produced  hydrocarbon  gases  will  befurther  analyzed.  Their  gas  composition  and  isotopiccharacteristics are compared with those of hydrate to explorethe source for gas of hydrate. The results show that under thecondition  of  low temperature  below 300°C,  the  gas  productsare  mainly  non-hydrocarbon  CO2,  and  the  content  ofhydrocarbon gases is small. The amount of hydrocarbon gas-produced  in  mudstone  is  less  than  the  amount  of  thatproduced in oil shale. And the latter is less than that producedin coal.  As the  thermal  simulation temperature  increases,  theamount  of  produced  hydrocarbon  gases  increasessignificantly,  reaching the  highest  at  500°C;  on  the  contrary,

the amount of CO2 gas production does not change much. Asthe  temperature  of  the  thermal  simulation  increases,  thecarbon  isotopes  of  the  hydrocarbon  gas-produced  inmudstone,  oil  shale,  and  coal  show  the  characteristics  offirstly  become  lighter  and  then  become  heavier,  indicating  apositive carbon isotope sequence like δ13C1<δ13C2<δ13C3.

The  hydrocarbon  gas-composition,  carbon  isotopecomposition  produced  by  thermal  simulation  are  comparedwith gas composition and isotopic characteristics of gas fromhydrate. The results show that the gas composition and carbonisotope  composition  of  the  hydrocarbon  gas-produced  bymudstone at 350–400°C or oil shale at 380–400°C are similarto those of gas from hydrate (Figs. 5, 6). It is speculated thatthe gas source for hydrate corresponds to the deep mudstoneor  oil  shale  according  to  the  equivalent  thermal  simulationtemperature.  It  has  a  geochemical  relationship.  On  thecontrary,  although  the  hydrocarbon  gas-produced  in  coal  issimilar  in  composition  to  that  of  gas  in  hydrate,  the  isotopiccomposition  of  them  is  quite  different.  It  is  deemed  that  thesource for gas of hydrate is not much related to coal (Xue XHet al., 2013; Lu ZQ et al., 2013c). This conclusion is basicallyconsistent  with  the  view  of  other  scholars  (Zhai  GY  et  al.,2014).

4.2. Source of oil-bearing layer

DK-9  hole  is  taken  as  an  example  to  compareconventional  source  rock  with  oil  source  and  to  comparethermal  simulation  product  with  oil  source.  The  MiddleJurassic and Upper Triassic low-maturity source rock samplesare selected to conduct thermal simulation experiments at fivetemperature points of 300°C, 350°C, 390°C, 410°C and 460°Cto  simulate  the  process  of  hydrocarbon  gas-generation  andexpulsion  from  deep  source  rocks.  The  newly-producedhydrocarbon  gases  are  then  compared  with  the  oil  and  gasdisplay by their components to further explore the oil and gasdisplay sources.

Conventional  oil  source  analysis  shows  that  the  oil  andgas in this area can be divided into two categories. Type I oiland gas may suffer  from bio-degradation and have a  slightlyhigher  maturity,  while  Type  II  oil  and  gas  have  a  slightlylower maturity (Fig. 7); source rocks are mainly divided intothree  classes,  corresponding  to  depths  of  163.30 –207.42  m,207.42 –348.50  m,  357.90 –586.50  m.  Comparison  ofconventional  oil  sources  shows  that  Type  I  oil  and  gas  arehomologous to  Type I  source  rocks,  and Type II  oil  and gasmay be mainly homologous to Type II source rocks, and mayalso be similar to or related to Type III source rocks or deepersources.

Thermal simulation experiments show that the bio-markerparameters  from  the  Middle  Jurassic  thermal  simulationsamples  begin  to  coincide  with  those  of  Type  II  oil  and  gasfrom  390°C.  It  is  inferred  that  the  liquid  hydrocarbonproduced  by  the  Middle  Jurassic  source  rocks  above  390°C

 

 Fig. 4.   Blowout of gases from the abnormal gas layer in DK-10 inthe study area.

Lu et al. / China Geology 4 (2020) 511−523 515

are  equivalent  to  Type  II  oil  and  gas  (Fig.  8).  At  the  sametime,  starting  from 410°C,  the  thermal  simulation  biomarker

parameters  of  the  Upper  Triassic  samples  began  to  coincidewith  the  parameters  of  those  of  Type  II  oil  and  gas.  It  is

 

C1

C2

C3

IC4

NC4

IC5

NC5

C1

C2

C3

IC4

NC4

IC5

NC5

C1

C2

C3

IC4

IC5

NC5

C1

C2

C3

IC4

NC4

IC5

NC5

C1

C2

C3

IC4

NC4

IC5

NC5

C1

C2

C3

IC4

NC4

IC5

NC5

Gas

volu

me

rati

o/%

Temperature: 250°C 380°C 500°C350°C 450°C300°C 400°C

-Gas hydrateMudstone: Oil shale: Coal: -C-9; -OS-7; -OS-6;-OS-5,-OS-4;-OS-3;-M-1, -C-8,-M-2;

0

20

40

60

80

100

0

20

40

60

80

NC4

0

20

40

60

80

0

20

40

60

80

0

20

40

60

80

0

30

60

90

0

30

60

90

0

20

40

60

80

100

0

20

40

60

80

100

C1

C2

C3

IC4

NC4

IC5

NC5

C1

C2

C3

IC4

NC4

IC5

NC5 C

1C

2C

3IC

4NC

4IC

5NC

5

Mudstone M-1 Mudstone M-2 Oil shale OS-3

Oil shale OS-4 Oil shale OS-5 Oil shale OS-6

Oil shale OS-7 Coal C-8 Coal C-9

Gas

volu

me

rati

o/%

Gas

volu

me

rati

o/%

Gas

vo

lum

e ra

tio

/%

Gas

vo

lum

e ra

tio

/%

Gas

volu

me

rati

o/%

Gas

volu

me

rati

o/%

Gas

vo

lum

e ra

tio

/%

Gas

vo

lum

e ra

tio

/%

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

(g) (h) (I)

 Fig. 5.   Comparison of gas composition between natural gas hydrate and thermal simulation products.

 

δ13C1

δ13C2

δ13C3

δ13C1

δ13C2

δ13C3

δ13C1

δ13C2

δ13C3

C-i

soto

pe

of

gas

/‰

Temperature: 250°C 380°C 500°C350°C 450°C300°C 400°C

C-isotope of produced gas in gas hydrate;

−45

−40

−35

−30

−25 −27

−30

−33

−36

−39

−42

−45 −45

−40

−35

−30

−25

−20

C-i

soto

pe

of

gas

/‰

C-i

soto

pe

of

gas

/‰

(a) (b) (c)

C-isotope of produced gas in mudstone; C-isotope of produced gas in oil shale;

C-isotope of produced gas in mudstone;

Mudstone Oil shale Coal

 Fig. 6.   Comparison of carbon isotopes between natural gas hydrate and thermal simulation products.

516 Lu et al. / China Geology 4 (2020) 511−523

inferred  that  the  liquid  hydrocarbon  produced  by  the  UpperTriassic  samples  above  410°C  are  equivalent  to  Type  II  oiland gas (Fig. 9).

Combining  conventional  oil  source  comparison,  thermalsimulation experiments  and geological  conditions  analysis,  itis  speculated that  Type I  oil  and gas are mainly homologousto  Type  I  source  rocks;  Type  II  oil  and  gas  are  mainlyhomologous  to  Type  II  source  rocks,  and  there  may  also  be

some  contribution  from  Type  III  source  rocks  or  deepersource  rocks.  Namely  the  parent  material  sources  of  Type  IIoil  and  gas  are  related  to  both  the  Middle  Jurassic  sourcerocks  and  the  Upper  Triassic  source  rocks  (Lu  ZQ  et  al.,2015a; Tang SQ et al., 2015a).

4.3. Source of shallow gas layer

It was encountered with abnormally high pressure shallow 

C21

C22

C27

C27

DβαSC

27DβαR

C28

C29

C20C

19

C24

Tet

C30

RH

C24

DK9-O-01

160.51 m

DK9-O-09

237.15 m

DK9-O-18

360.93 m

DK9-O-19

366.90 m

C30

hopance

C31

C32

C33 C

34TmTs

TmTs

C31 C

32C

33 C34

TmTsC

31C32

C33 C

34

C27

C28

C29

C27

C28

C29

C27

C28

C29

(a) (b) (c)C30

hopance

C29

hopance

TsTm

C31C

32C

33 C34

C23

C16 C

31

C21

Pr Ph

C12 C

36

Pr Ph

C13

C31

C20

Pr Ph

C13

C23

C35

C29

hopance

C30

hopance

C29

hopance

C30

hopance

C29

hopance

 Fig. 7.     Characteristics  of  normal  alkanes  (a),  terpanes  (b),  and  steranes  (c)  from  oil  samples  in  DK-9  in  the  study  area.  Pr –Pristine;Ph–Phytane; Ts–22, 29, 30-Trisnorneohopane-II; Tm–22, 29, 30-Trisnorneohopane.

 

300℃(a) 350℃(b) 390℃(c)

460℃(e)410℃(d)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

Rat

eR

ate

DK9-M-16

DK9-M-26

DK9-M-41

DK9-M-44

DK9-M-51

Oil and gas display (Type I)

Oil and gas display (Type II)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

Rat

eR

ate

1 2 3 4 5 6 7 8 90

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

Rat

e

 Fig. 8.     Contrast  of  oil  and  gas  displays  with  thermal  simulation  products  from  the  Middle  Jurassic  samples  in  DK-9  in  the  study  area.1–Ts/(Ts+Tm); 2–C30RH/C29(H+Ts); 3–C29(H+Ts)/C30H; 4–C27D/C27-29-St; 5–C27αααR/C27-St; 6–C28αααR/C28-St; 7–C29αααR/C29-St; 8–C29-S/(S+R); 9–C29-ββ/(αα+ββ).

Lu et al. / China Geology 4 (2020) 511−523 517

gas  at  52.9  m  in  the  DK-10  borehole  in  the  study  area.Although in the upper coal-bearing formation, gas logging hasa total hydrocarbon and methane value of about 3%, the high-pressure abnormal shallow gas encountered in drilling can beexcluded from the influence of coal-bed methane because thesurface  casing  with  a  diameter  of  146  mm  is  put  down  tillabout  41  m.  And  the  possibility  of  direct  decomposition  ofhydrate can also be excluded within this depth range.

According  to  on-site  mud  gas  logging,  the  totalhydrocarbon content of the drilling mud gas is  about 60% inDK-10 in the study area.  The hydrocarbon gas-component  ismainly  methane,  and  its  content  is  about  60%.  The  ethanecontent  is  about  0.25%,  and  the  other  components  are  less

than 0.01% (Table 1), showing the composition characteristicsof pyrolysis gas.

The collected shallow gas samples were further sent to thelaboratory  for  testing,  and  the  results  showed  that  the  gassamples  contained  lots  of  nitrogen  and  oxygen  (Table  2),which  was  caused  by  the  inevitable  mixing  of  a  certainamount of air during the collection process. According to thegas  composition  and  isotopic  characteristics,  the  gas  fromDK-10  borehole  seemingly  shows  the  properties  of  biogenicgas  (Fig.  10).  Considering  that  the  sample  mixed  with  acertain  amount  of  air  may  affect  the  results  of  hydrocarbongas-analysis  and  testing,  it  is  speculated  that  the  abnormallyhigh  pressure  shallow  gas  may  be  due  to  the  microbial

Table 1. Gas composition recorded by gas logging in DK-10 in the study area (%).Depth/m Total HC CH4 C2H6 C3H8 iC4H10 nC4H10 iC5H12 nC5H12 CO2

50 57.27 55.99 0.25 0.004 0.0004 0 0 0 0.4451 63.15 62.02 0.25 0.005 0.0006 0.0002 0.0002 0.0001 0.2052 52.23 51.61 0.22 0.004 0.0007 0.0005 0.0004 0.0004 0.21

Table 2. Gas constituents (V-%) and isotopes (V-‰) of shallow gas in DK-10 in the study area.

Sample No. N2 O2 CO2 Ar He CH4 C2H6 C3H8 δ13C-C1 (V-PDB) δD-C1 (V-SMOW)DK10-K-01 26.66 2.54 1.43 0.32 0.12 68.81 0.12 0.00 –61.7 –248.6DK10-K-02 30.89 0.76 2.40 0.36 0.11 65.37 0.11 0.00 –60.1 –244.6DK10-K-03 18.35 0.51 1.03 0.21 0.14 79.62 0.14 0.00 –61.7 –247.3DK10-K-04 35.79 6.56 0.94 0.43 0.09 56.09 0.10 0.00 –61.6 –247.4DK10-K-05 33.17 5.41 0.71 0.39 0.10 60.12 0.10 0.00 –60.6 –248.1DK10-K-06 17.07 0.77 0.92 0.20 0.14 80.76 0.14 0.00 –61.6 –247.9DK10-K-07 36.12 1.18 2.74 0.46 0.03 59.47 0.00 0.00 –59.8 –240.0DK10-K-08 27.08 0.58 2.46 0.36 0.04 69.35 0.14 0.00 –60.5 –245.4DK10-K-09 30.36 1.08 2.48 0.39 0.04 65.53 0.12 0.00 –60.5 –242.5DK10-K-10 16.55 0.98 1.37 0.22 0.05 80.68 0.15 0.00 –60.9 –247.7Notes: Analyzed and tested by the laboratory of Lanzhou Oil and Gas Resources Research Center, Chinese Academy of Sciences.

 

DK9-M-53

DK9-M-006

DK9-M-54

DK9-M-55

DK9-C-008

Oil and gas display (Type I)

Oil and gas display (Type II)

300℃(a) 350℃(b) 390℃(c)

460℃(e)410℃(d)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

Rat

eR

ate

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

Rat

eR

ate

1 2 3 4 5 6 7 8 90

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

Rat

e

 Fig. 9.     Contrast  of  oil  and  gas  displays  with  thermal  simulation  products  from  the  Upper  Triassic  samples  in  DK-9  in  the  study.1–Ts/(Ts+Tm); 2–C30RH/C29(H+Ts); 3–C29(H+Ts)/C30H; 4–C27D/C27-29-St; 5–C27αααR/C27-St; 6–C28αααR/C28-St; 7–C29αααR/C29-St; 8–C29-S/(S+R); 9–C29-ββ/(αα+ββ).

518 Lu et al. / China Geology 4 (2020) 511−523

transformation  from  the  lower  or  deep  part  during  thepyrolytic gas migration to the shallow part.

5. Natural gas hydrate-oil and gas system

5.1. Natural gas hydrate and hydrocarbon gas-generationserials

According  to  the  analyses  of  hydrate  and  oil  and  gassources,  although  they  have  very  few  microbial  sources  oforganic matter, they are mainly sources of pyrolysis of sourcerocks.  Previous  studies  on  the  hydrocarbon  gas-generationpotential of the South Qilian Basin have shown that there arefour  main  sets  of  potential  source  rocks  in  the  study  area,namely  the  Middle  Jurassic  coal-bearing  strata,  the  UpperTriassic  mudstone  of  Galedsi  Formation,  the  Lower  Permianlimestone  of  Caodigou  Formation  and  the  Carboniferousmudstone or limestone (Fu JH and Zhou LF, 1998, 2000). Thefour  sets  of  source  rocks  have  relatively  high  abundance  oforganic matter. The organic matter types are mainly Type II2and  Type  III,  and  the  degree  of  organic  matter  evolution  isgenerally mature or over-mature with some in immature stage.They  have  good  hydrocarbon  generation  potentials  (Hao  ASet al., 2016; Tang SQ et al., 2015c; Ren YJ and Ji YL, 2000;Xie QF et al., 2011, 2015; Cheng QS et al., 2016; Zhang JZ etal., 2017; Gong WQ et al., 2013).

Based  on  analyses  of  current  geothermal  fieldcharacteristics,  and  basin  thermal  history,  sedimentary  burialhistory,  tectonic  subsidence  history,  source  rock  maturityevolution  history,  hydrocarbon  gas-generation  and  expulsionhistory,  etc.,  the  source  rocks  of  the  Middle  Jurassic  and theUpper  Triassic  Galedesi  Formation  were  simulated  in  thestudy  area.  The  results  showed  that  the  thermal  evolution  ofthe source rocks was controlled by the paleo-temperature fieldand  reached  the  maximum  in  the  late  Middle  Jurassic.  TheMuli  and  Jiangcang  Formations  of  the  Middle  Jurassicexperienced  one  stage  of  hydrocarbon  gas-generation  andexpulsion  in  the  late  Middle  Jurassic,  and  the  degree  of

maturity was from immature to mid-mature stage, mainly withoil  generation  and  very  little  gas  production.  The  UpperTriassic  Galedesi  Formation  experienced  two  stages  ofhydrocarbon gas-generation and expulsion, respectively in theLate  Triassic  and  the  Late  Middle  Jurassic.  However,  thesource rock did not  experience the peak of hydrocarbon gas-generation in  the first  stage,  and the most  of  the source rockexperienced  a  peak  of  hydrocarbon  gas-generation  in  thesecond  stage.  The  middle  and  lower  parts  of  source  rockreached the gas generation stage,  and the gas generation wasdominant on the whole (Zuo YH et al., 2016).

5.2. Natural gas hydrate and oil and gas migration serials

According  to  the  regional  geological  structure  evolutiondata, the NW-SE thrust fault was formed from the late MiddleJurassic  to  the  early  Early  Cretaceous  and  is  the  mostimportant  fault  in  the  study  area.  The  spatial  mutual  cuttingrelationship of  these different  faults  indicates  that  the F1 andF2 faults were formed at the relatively late stage of faulting inthis period. Judging from the current structural framework ofthe  study  area,  the  Himalayan  tectonic  activities  have  aninherited  influence  on  the  F1  and  F2  faults  in  this  area.Therefore,  the  thrust  nappe  faults  of  the  F1  and  F2  faultsformed  in  the  Yanshanian  period  in  the  study  area  have  thecharacteristics  of  continuous  compression,  which  can  beserved as a good blocking and sealing effect on the liquid andgaseous  hydrocarbons  migrated  from  the  deep  part,  togetherwith the Middle Jurassic  mudstone or  shale.  These faults  arebeneficial  to  the  final  formation  of  hydrate  and  theaccumulation of oil and gas. They are the main control faultsfor hydrate and oil and gas display in the study area.

The  drilling  data  in  the  study  area  show that  the  hydratedistribution is closely related to the F1 and F2 faults not onlyon  the  plane  but  also  on  the  borehole  profile,  and  isparticularly obviously controlled by the F2 fault. For example,the hydrate intervals are mainly distributed in the foot wall ofthe F2 fault. Hydrate is more obviously controlled by the foot

 

−80 −70 −60 −50 −40 −30 −20 −10 0

10

100

1000

10000I1

I2

I3II1

III2

III1

II2

IV

V2

V1

C1/( C

2+C3)

δ13C1/‰−70 −65 −60 −55 −50 −45 −40 −35 −30 −25 −20

−350

−300

−250

−200

−150

−100

AB

C

D

E

F

δDCH

4/‰

δ13CCH4/‰

(a) (b)

 DCH4 DCH4

Fig. 10.   Diagram of δ13C1 vs. C1/(C2+C3) (a) and δ13  vs.δ13  (b) in DK-10 in the study area. I1‒microbial; I2‒mixture of microbial andsub-mic rob ia l ;   I 3‒sub-microbial; II1‒crude oil associated; II2‒oil-typed cracking; III1‒mixture of oil-typed cracking and coal-generagted;I I I 2‒mixture of condensate-oil associated and coal-generated; IV‒coal-generated; V1‒inorganic; V2‒mixture of inorganic and coal-generated.A‒biogenic; B‒transtion from microbial to thermal catalyzed; C‒oil associated; D‒condensate-oil associated; E‒coal-typed; F‒marine-phasetransitional.

Lu et al. / China Geology 4 (2020) 511−523 519

wall of the F1 and F2 thrust faults (Lu ZQ et al., 2015c, d).The analysis and test results of the headspace of borehole

cores  in  the  study  area  also  show  that  methane  in  theheadspace  components  is  often  accompanied  by  heavyhydrocarbon components such as ethane,  propane,  isobutane,n-butane,  isopentane,  and  n-pentane.  The  appearance  ofbutane often indicates  the leakage and diffusion of  deep gas,indicating  that  hydrocarbon  gases  are  characteristic  of  deepmigration  (Han WC et  al.,  2019; Sha  ZB et  al.,  2015; LiangYX et al., 2013; Wu SG et al., 2010).

The  drilling  revealed  that  faults  and  fracture  zones  aregenerally developed in the boreholes in the study area. Manyboreholes  show  that  the  deep  hydrocarbon  gases  have  thecharacteristics  of  migrating  upward  along  the  faults  orfracture  zones.  In  the  shallow fracture  zones,  hydrate  and itsanomalies  (Han WC et  al.,  2019; Sha ZB et  al.,  2015; LiangYX  et  al.,  2013; Wu  SG  et  al.,  2010)  indicate  that  differentfault systems in the study area can provide upward migrationchannels  for  hydrocarbon  gases  in  the  deep,  and  shallowfaults or fracture zones can also provide space for hydrate toaccumulate.

5.3. Natural gas hydrate and hydrocarbon gas-accumulationserials

According to the evolution history of  hydrocarbon gases,

hydrate accumulation in the study area is mainly limited to thepermafrost  formation  stage.  The  formation  of  permafrost  inthe  Qilian  Mountains  is  mainly  related  to  the  Mesozoic-Cenozoic  tectonic  activity  and  uplift  process.  Through  thestudy of moraine sediments on the periphery of the study area,it  was  found  that  there  existed  the  penultimate  or  maximumglacial period formed between 0.5 Ma and 0.7 Ma, the bottomthird glacial period of 0.13 Ma to 0.30 Ma, and the last glacialperiod of 10 Ka to 70 Ka. The average annual temperature ofthe  bottom  third  glacial  period  was  not  higher  than   –7.5−–10°C, which was at least 9.2−11.7°C lower than the present.The  main  part  of  the  study  area  entered  the  cryosphere.  Theannual  average  temperature  of  the  penultimate  glacial  periodwas  not  higher  than   –9.5− –10°C,  which  was  at  least  11°Clower than the present (Qi BS et al., 2014). It is inferred thatthe hydrate formation in the study area was not later than theearly Middle Pleistocene.

Combined with geological analysis and previous research,the  following  hydrate-oil  and  gas  accumulation  relationshipmodel  can  be  preliminarily  established  (Fig.  11):  The  gassource of hydrate in the study area is dominated by oil-typedpyrolysis  gas,  and  only  a  small  part  is  mixed  with  somemicrobial  origin  in  the  shallow  part  and  a  small  amount  ofcoal-type gas. The gas source of this oil-typed pyrolysis originis  mainly  provided  by  the  lower  Upper  Triassic  or  deeper

 

F1 F

2

J2j1

J2m2

J2j1

100

300

500

700

900

1100

J2j1

J2m1

J2j2

T

J2m2

F1 FaultUnconformityConformity

T

Depth/m

Permafrost

J2j1

Q

Lower Muli Fm.J2m1Upper Muli Fm.J

2m2Upper Jiangcang Fm.J

2j2 Lower Jiangcang Fm.J

2j1

TriassicT

QuaternaryQ

J2j2

J2m2

J2m1

J2j1

J2m2

NE

Upper level of natural gas hydrate stability zone

Lower level of natural gas hydrate stability zone

Oil-typed gas and migration

Natural gas hydrate stability zone Natural gas hydrate accumulation

Coal-typed gas and migrationMicrobial gas and migration

Free gasCoal

 Fig. 11.   Illustration for natural gas hydrate-oil and gas system in the study area.

520 Lu et al. / China Geology 4 (2020) 511−523

source  rocks,  secondarily  followed  by  the  Middle  Jurassicmudstone  or  shale  source  rocks.  When  the  source  rockgenerates liquid and gaseous hydrocarbons and then migratesto  the shallow part,  they are  directly  or  indirectly  blocked toaccumulate by the F1 and F2 compressive faults formed in thelate  Middle  Jurassic  to  the  early  Early  Cretaceous  togetherwith  mudstone  or  oil  shale.  Oil  and  gas  accumulation  in  theshallow  part  was  partially  supplied  with  microbialhydrocarbon gases or coal-typed gas. Coupled with the island-like  permafrost  formed  no  later  than  the  early  MiddlePleistocene,  it  was  combined  with  water  in  hydrate  stabilityzone  to  form  hydrate.  When  gases  were  outside  the  hydratestability zone, they would exist in shallower abnormally highpressure gas layer or as free gas or adsorbed gas in formationsat different depths. The abnormally high pressure gas layer inthe  shallow  part  would  be  modified  by  microorganisms  andhad the characteristics of microbial gas (Lu ZQ et al., 2019).

In  particular,  from the view point  of  natural  gas  hydrate-oil  and  gas  system,  it  can  be  subdivided  into  several  mainnatural  gas  hydrate-oil  and  gas  subsystems,  according  to  thehydrocarbon gas-generation serials in the Middle Jurassic andUpper  Triassic  source  rocks,  and  hydrocarbon  gas-accumulation  serials  in  the  study  area.  The  first  one  is  theconventional  Upper  Triassic  gas-bearing  sub-system  withpeak hydrocarbon gas-generation in  the late  Middle  Jurassic.The  second  one  is  the  conventional  Middle  Jurassic  oil-bearing  sub-system  with  low  to  mature  hydrocarbon  gas-generation  in  the  late  Middle  Jurassic.  The  third  one  is  thenatural gas hydrate sub-system with main gas source from theUpper Triassic gas-bearing sub-system and minor gas sourcefrom the conventional Middle Jurassic oil-bearing sub-systemas  well  as  little  gas  source  from  the  Middle  Jurassic  coal-formed gas and the shallower microbial gas. The fourth one isthe shallower gas sub-system with microbial alteration of themain  gas  source  from  the  Upper  Triassic  gas-bearing  sub-system.  Once  the  gas  hydrate-oil  and  gas  system  is  furtherapplied in the Qilian Mountain permafrost, it will play a moreimportant  role  in  the  exploration  of  natural  gas  hydrate,  oiland  gas,  even  other  energy  resources  in  the  study  area.Accordingly,  it  is  of  important  theoretical  and  practicalsignificance.

6. Conclusions

(i) Natural gas hydrate, oil, and gas have been discoveredin  the  Qilian  Mountain  permafrost  area.  They  are  closelyrelated with each other in temporal, spatial, and genetic terms,and they mutually form a natural gas hydrate-oil-gas system.

(ii)  This  natural  gas  hydrate-oil-gas  system  in  the  QilianMountain permafrost area can be at least subdivided into fourmajor  natural  gas  hydrate-oil  and  gas  sub-systems:  Aconventional  Upper  Triassic  gas-bearing  sub-system  withpeak hydrocarbon gas-generation in the late  Middle Jurassic;a  conventional  Middle  Jurassic  oil-bearing  sub-system  withlow to mature hydrocarbon gas-generation in the late MiddleJurassic;  a  natural  gas  hydrate  sub-system  with  main  gas

source  from  the  Upper  Triassic  gas-bearing  sub-system  andminor  gas  source  from  the  Middle  Jurassic  oil-bearing  sub-system  as  well  as  little  gas  source  from  the  Middle  Jurassiccoal-bed  gas  and  the  microbial  gas;  a  shallower  gas  sub-system with microbial alteration of the main gas source fromthe Upper Triassic gas-bearing sub-system.

CRediT authorship contribution statement

Zhen-quan  Lu  and  Gang-yi  Zhai  conceived  of  thepresented idea. Shi-qi Tang and Dong-wen Fan carried out theexperiments.  Zhen-quan  Lu  and  Shi-qi  Tang  wrote  themanuscript  with  support  from  Xiao-ling  Luo.  Hua  Liu  andYou-hai  Zhu  helped  supervise  the  project.  Ting  Wangcontributed  to  the  interpretation  of  the  results.  Shi-qi  Tangand  Rui  Xiao  designed  the  figures.  All  authors  providedcritical  feedback and helped shape the research,  analysis  andmanuscript.

Declaration of competing interest

The authors declare no conflicts of interest.

Acknowledgment

This  work  was  supported  by  the  projects  of  ChinaGeological Survey (DD20160223, DD20190102).

References

Akinsanpe  OT,  Adepelumi  AA,  Benjamin  UK,  Falebita  DE.  2017.  3Dseismic  analysis  of  the  natural  gas  hydrate  system  and  the  fluidmigration paths  in  part  of  the  Niger  delta  basin,  Nigeria.  Journal  ofOcean University of China (Oceanic and Coastal Sea Research), 16,1027–1034. doi: 10.1007/s11802-017-3281-0.

Badesab FP, Dewangan AU, Kocherla M, Peketi A, Mohite K, SangodeSJ,  Deenadayalan  K.  2017.  Controls  on  evolution  of  gas-hydratesystem in the Krishna-Godavari basin, offshore India. Geochemistry,Geophysics, Geosystems, 18, 52–74. doi: 10.1002/2016GC006606.

Cheng B,  Xu JB,  Lu ZQ, Li  YH, Wang WC, Yang S,  Liu H,  Wang T,Liao  ZW.  2018.  Hydrocarbon  source  for  oil  and  gas  indicationassociated with natural gas hydrate and its significance in the QilianMountain  permafrost,  Qinghai,  Northwest  China.  Marine  andPetroleum  Geology,  89,  202–215.  doi:  10.1016/j.marpetgeo.2017.02.019.

Cheng  QS,  Gong  JM,  Zhang  M.  2016.  Geochemical  characteristics  ofhydrocarbon source rocks in the Qilian Mountain permafrost and gassources  for  natural  gas  hydrate.  Marine  Geology  and  QuaternaryGeology, 36(5), 139–147 (in Chinese with English abstract). doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2016.05.014.

Collett  TS,  Johnson  AH,  Knapp  CC,  Boswell  R.  2009.  Natural  gashydrates:  A  review.  In:  Collett  T,  Johnson  A,  Knapp  C,  Boswell  R(Eds.), Natural gas hydrates-energy resource potential and associatedgeologic hazards, AAPG Memoir, 89, 1‒76.

Collett  TS, Lee MW, Agena WF, Miller JJ,  Lewis KA, Zyrianova MV,Boswell R, Inks TL. 2011. Permafrost-associated natural gas hydrateoccurrences  on  the  Alaska  North  Slope.  Marine  and  PetroleumGeology, 28(2), 279–294. doi: 10.1016/j.marpetgeo.2009.12.001.

Collett TS. 2014. The natural gas hydrate petroleum system. Proceedingsof the 8th International Conference on Gas Hydrates, Beijing, China,from 28 July to 1 August.

Lu et al. / China Geology 4 (2020) 511−523 521

Fu JH, Zhou LF. 1998. Carboniferous-Jurassic stratigraphic provinces ofthe  southern  Qilian  Basin  and  their  petro-geological  features.Northwest  Geoscience,  19(2),  47–54  (in  Chinese  with  Englishabstract).

Fu  JH,  Zhou  LF.  2000.  Triassic  stratigraphic  provinces  of  the  southernQilian  basin  and  their  petro-geological  features.  NorthwestGeoscience, 21(2), 64–72 (in Chinese with English abstract).

Gong  WQ,  Zhang  YS,  Song  TR.  2013.  Evaluation  of  hydrocarbongeneration  potential  of  Jurassic  source  rocks  in  Muli  Depression,South  Qilian  Basin.  Journal  of  Petroleum  and  Natural  Gas,  3,177–179 (in Chinese with English abstract).

Guo JN, Li M, Shao LY. 2011. CBM enrichment conditions in Juhugengmine  area,  Qinghai.  Coal  Geology  of  China,  23(6),  18–32  (inChinese with English abstract).

Han WC, Chen LW, Liu CS, Berndt C, Chi WC. 2019. Seismic analysisof  the  natural  gas  hydrate  system  at  Pointer  Ridge  offshore  SWTaiwan. Marine and Petroleum Geology, 105, 158–167. doi: 10.1016/j.marpetgeo.2019.04.028.

Hao  AS,  Li  J,  Wang  DL,  Li  ZS,  Cui  JF,  Cui  HY,  Jiang  XH.  2016.Biomarker characteristics of source rock of carboniferous and upperTriassic  Galedesi  formation  in  Southern  Qilian  basin.Unconventional  Oil  &  Gas,  3(1),  7–13  (in  Chinese  with  Englishabstract).

Hillman  JIT,  Burwicz  E,  Zander  T,  Bialas  J,  Klaucke  I,  Feldman  H,Drexler  T,  Awwiller  D.  2018.  Investigating  a  natural  gas  hydratesystem  in  apparent  disequilibrium  in  the  Danube  Fan,  Black  Sea.Earth  and  Planetary  Science  Letters,  502, 1–11.  doi: 10.1016/j.epsl.2018.08.051.

Kvenvolden  KA.  1993.  Gas  hydrates  geological  perspective  and  globalchange.  Reviews  of  Geophysics,  31(21),  173–187.  doi:  10.1029/93RG0026.

Li JF, Ye JL, Qin XW, Qiu HJ, Wu NY, Lu HL, Xie WW, Lu JA, PengF,  Xu ZQ,  Lu C,  Kuang ZG,  Wei  JG,  Liang QY,  Lu HF,  Kou BB.2018. The first offshore natural gas hydrate production test in SouthChina Sea. China Geology, 1, 5–16. doi: 10.31035/cg2018003.

Li YH, Wang WC, Lu ZQ. 2015. Preliminary evaluation on natural gashydrate resources in Sanlutian of  Muli,  Qinghai. Geoscience,  29(5),1251–1260 (in Chinese with English abstract).

Liang YX, Zeng JH, Yang ZF. 2013. Characteristics of passway systemsand  their  influence  on  natural  gas  hydrate  accumulation  in  Shenhuarea  of  northern  South  China  sea.  Journal  of  Earth  Sciences  andEnvironment, 35(4), 30–38 (in Chinese with English abstract).

Lu  Z,  Zhu  Y,  Zhang  Y.  2011.  Natural  gas  hydrate  occurrences  in  theQilian Mountain permafrost, Qinghai Province, China. Cold RegionsScience and Technology, 66(2/3), 93–104. doi: 10.1016/j.coldregions.2011.01.008.

Lu ZQ, Wu NY, Chen JW. 2008. Preliminary discussion on natural gashydrate  geological  system.  Geoscience,  22,  363–375  (in  Chinesewith English abstract).

Lu ZQ, Rao Z, Zhu YH. 2013b. Gas geochemical  features of the DK-8natural  gas  hydrate  drilling  hole  in  the  permafrost  of  QilianMountain,  and  their  indicative  significance. Acta  Geologica  Sinica,87, 1167–1178 (in Chinese with English abstract).

Lu ZQ, Xue XH, Liao ZW. 2013c. Source rocks for gases from naturalgas hydrate and their burial depth in the Qilian Mountain permafrost,Qinghai: Results from thermal stimulation. Energy and Fuels, 27(12),7233–7244. doi: 10.1021/ef4010797.

Lu ZQ, Rao Z,  He JX,  Zhu YH, Zhang YQ, Liu H,  Wang T,  Xue XH.2015a.  Geochemistry  of  drill  core  headspace  gases  and  itssignificance  in  natural  gas  hydrate  drilling  in  Qilian  Mountainpermafrost.  Journal  of  Asian  Earth  Sciences,  98,  126–140.  doi:10.1016/j.jseaes.2014.10.009.

Lu ZQ, Tang SQ, Wang WC. 2015b. Study on the nature of gas sourcefor  permafrost-associated  natural  gas  hydrate  in  Sanlutian  of  Muli,

Qinghai.  Geoscience,  29(5),  995–1001  (in  Chinese  with  Englishabstract).

Lu ZQ, Zhai GY, Wen HJ. 2015c. Geological constraints on natural gashydrate  formation  and  distribution  in  Sanlutian  permafrost  of  Muli,Qinghai.  Geoscience,  29(5),  1002–1013  (in  Chinese  with  Englishabstract).

Lu ZQ, Li YH, Wang WC. 2015d. Study on the accumulation pattern forpermafrost-associated  natural  gas  hydrate  in  Sanlutian  of  Muli,Qinghai.  Geoscience,  29(5),  1014–1023  (in  Chinese  with  Englishabstract).

Lu  ZQ,  Zhai  GY,  Zhu  YH.  2018.  New  discovery  of  the  permafrostnatural  gas  hydrate  accumulation  in  Qilian  Mountain,  China. ChinaGeology, 2, 306–307. doi: 10.31035/cg2018034.

Lu ZQ, Zhai GY, Zuo YH, Wang QF, Fan DW, Tang SQ, Hu DD, LiuH,  Wang  T,  Zhu  YH,  Xiao  R.  2019.  The  geological  process  fornatural  gas  hydrate  formation  in  the  Qilian  Mountain  permafrost.Petroleum  Science  and  Technology,  37(13),  1566–1581.  doi:10.1080/10916466.2019.1594283.

Lu ZQ, Zhu YH, Liu H.  2013a.  Oil  and gas  indications at  gas  hydrate-bearing  intervals  in  the  Qilian  mountain  permafrost.  Geoscience,27(1), 231–238 (in Chinese with English abstract).

Lu  ZQ,  Zhu  YH,  Zhang  YQ.  2010.  Basic  geological  characteristics  ofgas hydrates in Qilian Mountain permafrost  area,  Qinghai Province.Mineral Deposits, 29, 182–191 (in Chinese with English abstract).

Max  MD,  Johnson  AH.  2014.  Hydrate  petroleum  system  approach  tonatural gas hydrate exploration. Petroleum Geoscience, 20, 187–199.doi: 10.1144/petgeo2012-049.

Nyamapfumba  M,  McMechan  GA.  2012.  Natural  gas  hydrate  and  freegas  petroleum  system  in  3D  seismic  data,  offshore  Angola.Geophysics, 77(6), 55–63. doi: 10.1190/geo2012-0048.1.

Qi BS, Hu DG, Zhao XT. 2014. Fossil sand wedges in the northern shoreof  Qinghai  Lake:  Discovery and paleoclimatic  implications.  Journalof Glaciology and Geocryology, 36(6), 1412–1419 (in Chinese withEnglish abstract).

Rajan  A,  Bunz  S,  Mienert  J,  Smith  AJ.  2013.  Natural  gas  hydratesystems in petroleum provinces of the SW-Barents Sea. Marine andPetroleum  Geology,  46,  92–106.  doi:  10.1016/j.marpetgeo.2013.06.009.

Ren  YJ,  Ji  YL.  2000.  Geochemical  characteristics  and  significance  ofsteranes  and  terpanes  in  the  carboniferous  potential  source  rocks  ofthe  South  Qilian  basin.  Experimental  Petroleum  Geology,  22(4),341–345 (in Chinese with English abstract).

Riedel  M,  Collett  TS,  Kumar  P,  Sathe  AV,  Cook  A.  2010.  Seismicimaging  of  a  fractured  natural  gas  hydrate  system  in  the  Krishna-Godavari  Basin  offshore  India. Marine  and Petroleum Geology,  27,1476–1493. doi: 10.1016/j.marpetgeo.2010.06.002.

Sha ZB, Liang JQ, Zhang GX, Yang SX, Lu JG, Zhang ZJ, McConnellDR,  Humphrey  G.  2015.  A  seepage  natural  gas  hydrate  system  innorthern  South  China  Sea:  Seismic  and  well  log  interpretations.Marine Geology, 366, 69–78. doi: 10.1016/j.margeo.2015.04.006.

Shankar U, Riedel M. 2010. Seismic and heat flow constraints from thenatural  gas  hydrate  system  in  the  Krishna-Godavari  Basin,  India.Marine Geology, 276, 1–13. doi: 10.1016/j.margeo.2010.06.006.

Shi  D,  Zheng  JW.  1999.  The  status  and  prospects  of  research  andexploitation  of  natural  gas  hydrate  in  the  world.  Advance  in  EarthSciences, 14(4), 330–339 (in Chinese with English abstract).

Sloan ED, Koh CA. 2008. Clathrate hydrates of natural gases (3rd ed.).New York, CRC Press of Tayor and Francis Group, 1‒721.

Tang SQ, Lu ZQ, Cheng B. 2020. Source analysis of oil and gas in Mulidepression  of  South  Qilian  Basin:  Results  from  the  thermalsimulation  on  core  samples  from  drilling  hole  DK-9.  Geoscience.https://doi.org/10.19657/j.geoscience.1000–8527.2020.030 (in Chinesewith English abstract).

Tang  SQ,  Lu  ZQ,  Rao  Z.  2015a.  The  indicative  significance  of  gas

522 Lu et al. / China Geology 4 (2020) 511−523

composition  and  isotopes  of  headspace  gases  from  the  natural  gashydrate drilling core in the Qilian Mountain permafrost: A case studyof well DK-9. Geological Bulletin of China, 34, 961–971 (in Chinesewith English abstract).

Tang SQ, Lu ZQ, Wang WC. 2015b. The indicative significance of gascomposition of headspace gases from the natural gas hydrate drillingholes  in  the  Sanlutian  Mine  of  the  Muli  Mining  area,  Qinghai.Geoscience, 29(5), 1201–1213 (in Chinese with English abstract).

Tang  SQ,  Lu  ZQ,  Wang  WC.  2015c.  Organic  geochemicalcharacteristics of gas source rocks in the Sanlutian mine of the Mulimining area,  Qinghai. Geoscience,  (5), 1214–1222 (in Chinese withEnglish abstract).

Vadakkepuliyambatta  S,  Hornbach  MJ,  Bünz  S,  Phrampus  BJ.  2015.Controls on natural gas hydrate system evolution in a region of activefluid  flow  in  the  SW Barents  Sea. Marine  and  Petroleum Geology,66, 861–872. doi: 10.1016/j.marpetgeo.2015.07.023.

Vedachalam N,  Ramesh  S,  Srinivasalu  S,  Rajendran  G,  Ramadass  GA,Atmanand  MA.  2016.  Assessment  of  methane  gas  production  fromIndian natural gas hydrate petroleum systems. Applied Energy, 168,649–660. doi: 10.1016/j.apenergy.2016.01.117.

Wang  WC,  Lu  ZQ,  Li  YH.  2015.  Distribution  and  reservoircharacteristics  of  gas  hydrates  in  Sanlutian  of  Muli,  Qinghai.Geoscience, 29(5), 1035–1046 (in Chinese with English abstract).

Wen  HJ,  Lu  J,  Shang  LJ.  2006.  A  sequence  stratigraphic  discussion  ofthe Jurassic coal measures in the Juhugeng coalmine area in Qinghaiprovince.  Coal  Geology  of  China,  18(5),  19–21  (in  Chinese  withEnglish abstract).

Wen  HJ,  Lu  ZQ,  Li  YH.  2015.  New  advance  on  natural  gas  hydratesurvey  and  research  in  Sanlutian  of  Muli,  Qinghai.  Geoscience,29(5), 983–994 (in Chinese with English abstract).

Wu CG, He XJ, Sheng CM. 2011. Comprehensive method for evaluatingenergy  security.  Journal  of  Natural  Resources,  26(6),  964–970  (inChinese with English abstract).

Wu  NY,  Yang  SX,  Wang  HB,  Liang  JQ,  Gong  YH,  Lu  ZQ,  Wu  DD,Guan HX. 2009. Gas-bearing fluid influx sub-system for natural gashydrate  geological  system  in  Shenhu  Area,  Northern  South  ChinaSea. Chinese  Journal  of  Geophysics,  52(6),  1641–1650  (in  Chinesewith English abstract).

Wu SG, Gong YH, Mi LJ. 2010. Study on hydrocarbon leakage systemand associated natural  gas hydrate reservoirs in the deepwater basinof northern South China sea. Geoscience, 24(3), 433–440 (in Chinesewith English abstract).

Xie QF, Zhou LF, Cai YF. 2015. Geochemical characteristics of Permianmarine  source  rocks  and  its  constraints  of  the  provenance  and

paleoenvironment in the South Qilian basin, Qinghai province. ActaGeologica  Sinica,  89(7),  1288–1301  (in  Chinese  with  Englishabstract).

Xie  QF,  Zhou  LF,  Ma  GF.  2011.  Organic  geochemistry  of  Triassicsource  rocks  in  the  southern  Qilian  Basin.  Acta  ScientiarumNaturalium  Universitatis  Pekinensis,  47(6),  1034–1040  (in  Chinesewith English abstract).

Xue XH, Lu ZQ, Liao ZW. 2013. Study of thermal simulation on coresat  gas  hydrate-bearing  intervals  in  the  Qilian  Mountain  permafrost.Geoscience, 27(2), 413–423 (in Chinese with English abstract).

Ye  JL,  Qin  XW,  Xie  WW,  Lu  HL,  Ma  BJ,  Qiu  HJ,  Liang  JQ,  Lu  JA,Kuang  ZG,  Lu  C,  Liang  QY,  Wei  SP,  Yu  YJ,  Liu  CS,  Li  B,  ShenKX, Shi HX, Lu QP, Li J, Kou BB, Song G, Li B, Zhang He E, LuHF,  Ma  C,  Dong  YF,  Bian  H.  2020.  Main  progress  of  the  secondnatural gas hydrate trial production in the South China Sea. Geologyin China, 47(3), 557–568 (in Chinese with English abstract).

Ye JL, Qin XW, Qiu HJ, Liang QY, Dong YF, Wei JG, Lu HL, Lu JA,Shi YH, Zhong C, Xia Z. 2018. Preliminary results of environmentalmonitoring  of  the  natural  gas  hydrate  production  test  in  the  SouthChina Sea. China Geology, 1, 202–209. doi: 10.31035/cg2018029.

Zhai GY, Lu ZQ, Lu HL. 2014. Natural gas hydrate geological system inthe  Qilian  Mountain  permafrost.  Journal  of  Mineralogy  andPetrology, 34, 79–92 (in Chinese with English abstract).

Zhang JZ, Zhu YH, Huang X. 2017. Characterization and evaluation onthe  source  rock  of  natural  gas  hydrate  in  Muli  permafrost  area,Nanqilian Basin. Geological Bulletin China, 36, 634–643 (in Chinesewith English abstract).

Zhang  W,  Liang  JQ,  He  JX.  2018.  Differences  in  natural  gas  hydratemigration  and  accumulation  between  GMGS1  and  GMGS3  drillingareas  in  the  Shenhu  area,  northern  South  China  sea.  Natural  GasIndustry, 38(3), 138–149 (in Chinese with English abstract).

Zhou  YW,  Guo  DX,  Qiu  GQ.  2000.  Geocryology  in  China.  Beijing,Science Press, 40‒42 (in Chinese).

Zhu YH, Zhang YQ, Wen HJ. 2009. Gas hydrates in the Qilian Mountainpermafrost,  Qinghai,  northwest  China.  Acta  Geologica  Sinica,83(11), 1762–1771 (in Chinese with English abstract).

Zhu YH, Zhang YQ, Wen HJ. 2010. Gas hydrates in the Qilian Mountainpermafrost  and their  basic  characteristics. Acta  Geoscientica  Sinica,31(1), 7–16 (in Chinese with English abstract).

Zuo  YH,  Wang  QF,  Lu  ZQ,  Chen  H.  2016.  Tectono-thermal  evolutionand  gas  source  potential  for  natural  gas  hydrates  in  the  QilianMountain  permafrost,  China.  Journal  of  Natural  Gas  Science  andEngineering, 36, 32–41. doi: 10.1016/j.jngse.2016.10.008.

Lu et al. / China Geology 4 (2020) 511−523 523