天然气水合物广泛充填于冻土地层裂隙中,钻探冻土地层裂隙中的天然气水合物需要先对其合成、分布和相态进行研究。基于祁连山地区裂隙性地层特征制作了人工岩心,进行了天然气水合物的形成及相平衡实验;利用A.H.Mohammadi提出的天然气水合物热力学模型,预测了NaCl和KCl溶液中天然气水合物的相平衡条件,并分析其在含盐低温钻井液条件下的相平衡偏移问题。实验得出,天然气水合物主要分布在岩心的裂隙面及端面;压力为4 MPa时,质量分数为5%和10%的NaCl溶液中天然气水合物的相平衡温度分别降低了约2.2K和4.6K,质量分数为10%的KCl溶液中天然气水合物的相平衡温度降低了3.4K。研究结果表明:冻土地层裂隙中的天然气水合物由大量块状水合物和极少量孔隙充填型水合物组成,其相平衡条件与宏观水相中一致,在相同盐度下NaCl对天然气水合物相平衡的影响大于KCl。

在祁连山冻土区含天然气水合物或存在水合物异常的钻孔岩芯中发育一种半充填或者全充填岩石裂隙的自生黄铁矿,即"裂隙型"黄铁矿,其产状与在该地区发现的水合物产状具有一定的相似性,并且其分布主要集中于水合物层或异常层的下方区域.通过对祁连山冻土区天然气水合物钻探试验井DK-6孔含"裂隙型"黄铁矿岩芯样品开展黄铁矿形态学、微量、稀土元素和硫同位素组成研究发现,"裂隙型"黄铁矿具有沿岩石裂隙面呈台阶状定向排列的立方体形态黄铁矿为主并伴生"圆形"构造、较低的Co/Ni和Sr/Ba值、较低的ΣREE含量、LREE较HREE相对富集和明显的Eu负异常以及?34SCDT值正偏等特征,这种独特的晶体形态和地球化学特征以及在空间上与水合物层或异常层间的分布关系均与祁连山冻土区天然气水合物成藏体系密切相关.由于气候变化是影响冻土区天然气水合物稳定性的一个重要因素,"裂隙型"黄铁矿可能是区域气候变暖背景下水合物发生次生变化的产物,其分布的密集程度反映了当水合物稳定带缩小时,底界处水合物分解最为强烈,而稳定带内水合物分解相对较弱,其分布的顶底界记录了天然气水合物稳定带曾存在的最大范围.

祁连山木里冻土区是第一个发现天然气水合物的中纬度高山冻土区,与国外发现的冻土区天然气水合物相比,祁连山木里冻土区天然气水合物具有埋深浅、冻土层薄、重烃气体组分高等特征。气体碳氢同位素分析显示,区域内气体来源主要以油型气为主,并在局部伴有煤型气。分析了木里冻土区天然气水合物形成的主要影响因素,冻土层特征和气体组分对冻土区天然气水合物形成的影响较大,富含重烃等气体组分更有利于该地区天然气水合物的成藏,而纯甲烷气体在该地区不易形成天然气水合物。天然气水合物储集层段主要以粉砂岩、油页岩、泥岩和细砂岩为主,并且泥岩和油页岩占90%以上,岩石裂缝较发育,以裂隙型天然气水合物为主要赋存类型。初步认为木里冻土区天然气水合物为下部热解气在断层等构造通道作用下运移而形成的一种重烃气体组分热解气-低温冷冻-地层型为主的动态成藏。

土体在单轴拉应力作用下，轴向经历变形，结构发生本质性的变化，径向同时出现收缩。这种应变特性改变了矿物颗粒间的微应力场，它是土体在径向上发生颗粒错位、定向排列、微裂隙发育等结构变化的源动力。