南海東北部陸坡天然氣水合物藏特征

張光學 梁金強 陸敬安 楊勝雄 張 明蘇 新 徐華寧 付少英 匡增桂

1.“國土資源部海底礦產(chǎn)資源”重點實驗室·廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局2.中國地質(zhì)調(diào)查局海洋石油天然氣地質(zhì)研究中心·廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 3.中國地質(zhì)大學（北京）海洋學院

天然氣水合物（以下簡稱水合物）作為未來潛在的高效清潔能源，主要賦存于陸地永久凍土區(qū)和海洋大陸斜坡、海隆等溫壓適宜的地區(qū)。我國自1999年開始，在南海北部陸坡開展了高分辨率多道地震調(diào)查和準三維地震調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物存在的一系列指示標志。在南海北部的西沙海槽、瓊東南盆地、珠江口盆地和臺西南盆地的深水地區(qū)均發(fā)現(xiàn)了似海底反射層（BSR），并繪制了南海東北部大陸斜坡地區(qū)的BSR分布圖。與此同時，開展了地質(zhì)、地球化學調(diào)查，也獲得了與水合物存在相關的地質(zhì)信息［1－8］。

特別是2013年6—9月期間，國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局（CGS）、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局（GMGS）與輝固國際集團、英國GEOTEK合作使用 M／V REM Etive鉆探船，在緊鄰珠江口盆地東部的臺西南盆地中部隆起附近地區(qū)水深664～1 420m范圍內(nèi)鉆探13個站位［9］（圖1、2），10個站位進行了隨鉆測井（Logs While Drilling，LWD）、3 個 站 位 進 行 了 有 纜 測 井（Wireline Logs，WLL）。其中8個站位的先導測井曲線顯示出水合物存在的異常，5個站位取心獲取了大量的層狀、塊狀、結核狀、脈狀及分散狀等多種類型的水合物實物樣品，甲烷氣體含量超過99%。這是中國海域天然氣水合物勘探的里程碑，標志著可視的、多種賦存形式水合物實物樣品的首次被獲取。

鉆探發(fā)現(xiàn)的多種賦存形式水合物以及與之伴生的碳酸鹽巖結殼，充分證實了研究區(qū)具有良好的水合物成藏條件。基于2013年的鉆探結果，本文初步分析了沉積物中水合物的地球物理異常和空間分布及產(chǎn)出特征。

1 地質(zhì)背景

1.1 地層與構造

受印澳板塊、太平洋板塊和歐亞板塊相互作用的影響，南海北部陸緣自西向東由被動陸緣、準被動陸緣過渡至東部活動碰撞邊緣，與之伴生發(fā)育一系列沉積盆地［4－5］（如瓊東南盆地、珠江口盆地、臺西南盆地等），盆地沿北東南西向展布。

臺西南盆地位于南海北部東沙群島以東地區(qū)，在南海兩次擴張演化過程中（即早白堊世末和距今32～17Ma），處于古太平洋邊緣的淺海環(huán)境，發(fā)育了較厚的海相沉積。南海第三次擴張期間（中中新世—上新世），發(fā)生大規(guī)模沉降運動，以海相沉積為主［10］，南海東北部陸坡形成了巨厚沉積。

研究區(qū)位于臺西南盆地的中部隆起區(qū)附近［11］（圖3），西鄰臺灣峽谷（即福爾摩沙峽谷），東接澎湖峽谷，所處海域海底地形地貌復雜（圖2），發(fā)育海槽、海谷、海山、陡崖、斜坡、沖刷溝、海丘等。如臺灣峽谷，深切南海北部斜坡，全長約110km［5］，可作為大量沉積物的運輸通道。

臺西南盆地的中部隆起緊鄰盆地的南、北坳陷［10］（圖4）。新生代以來自下而上發(fā)育古近系（古新統(tǒng)、始新統(tǒng)、漸新統(tǒng)）、新近系（中新統(tǒng)、上新統(tǒng)）和第四系。盆地擁有中生界、古新統(tǒng)—始新統(tǒng)、上新統(tǒng)—中中新統(tǒng)、上中新統(tǒng)—更新統(tǒng)共4套氣源巖，有機質(zhì)成熟度高，多為腐殖型干酪根，氣源條件較好［11］。研究區(qū)水合物藏主要發(fā)育于上中新統(tǒng)—第四系全新統(tǒng)。

圖1 研究區(qū)位置圖

圖2 研究區(qū)鉆探測井及取心站位位置圖

圖3 臺西南盆地及研究區(qū)位置示意圖（據(jù)龔躍華［11］有修改）

圖4 臺西南盆地構造剖面圖（據(jù)易海［12］有修改）

臺西南盆地發(fā)育NW—NWW和NNE—NEE兩組不同方向的斷層，且前者切割后者，說明前者形成時代較晚，大約形成于距今15Ma之后，主要控制第四系沉積。NW向斷層作為中深層隱伏斷層，其活動可引起上覆松軟第四系沉積層處于高壓低張環(huán)境。南海東北大陸邊緣發(fā)育正斷層，東部呂宋島弧增生楔形成一系列西傾的疊瓦狀褶皺和逆沖斷層［11－12］。

1.2 水合物成藏條件

南海北部臺西南盆地位于南海東北部大陸斜坡，地質(zhì)、地球物理、地球化學調(diào)查證實為水合物形成的有利地區(qū)。例如BSR和BZ暗示了研究區(qū)水合物的存在［9］。2004年中德RV SONNE 177航次聯(lián)合勘探發(fā)現(xiàn)大量活動冷泉，稱之為九龍甲烷礁（Jiulong Methane Reef，JMR）［13－14］，暗示該區(qū)很有可能發(fā)育水合物。

根據(jù)氣源、地質(zhì)構造和溫壓域分析，認為南海北部臺西南海域是水合物發(fā)育的潛力地區(qū)［15－17］。研究區(qū)地形復雜，地貌變化大，陡坡、峽谷十分發(fā)育，海水深度介于300～2 000m，峽谷兩側的斜坡之上的隆起區(qū)是水合物成藏的有利區(qū)帶。區(qū)內(nèi)晚中新世以來的新構造活動活躍，斷層切穿較新的沉積層（深水底流、濁流形成的具有“S”形前積結構的地層），甚至延伸至海底。伴隨著斷層活動，深部熱成因裂解氣和上新世—更新世生物成因氣 可 運 移 至 淺 部 地 層 之 中［13，18－19］。 此 外，該區(qū)域內(nèi)還發(fā)育大量的泥底辟構造［11］。斷層和泥底辟構成了研究區(qū)水合物系統(tǒng)的含氣流體運移通道，使得水合物成礦區(qū)帶與斷層走向及泥底辟的延伸方向有著較好的對應關系［11］。

2 水合物藏地球物理異常特征

2.1 地震異常特征

水合物藏地震異常特征通常包括地震剖面上顯示的BSR、BZ、速度倒轉(zhuǎn)及極性反轉(zhuǎn)等地震異常信息［1－2，20－21］。研究區(qū)內(nèi) BSR 異常特征明顯，是識別水合物存在的主要地球物理標志（圖5）。全區(qū)BSR埋深介于160～220m、平均約180m，大多位于700～900 m的水深范圍，個別深至1 127m，代表了一定溫壓條件下生成的、近似平行于海底的物理反射界面，常與地層斜交。

通過合成記錄，可以將GMGS2－08井的測井曲線疊加到地震剖面上（圖5）。從圖5中的聲波測井曲線可以看出，BSR是一個明顯的速度分界面，附近地層存在著明顯的速度倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象（圖5），即BSR之上為速度相對較高的含水合物層，之下則為聚集的低速游離氣層，這與正常沉積地層自淺至深速度逐漸增大剛好相反［20］。BSR這一速度特征與含天然氣水合物的“游離氣體帶”模型非常吻合［13］，而BSR的橫向變化則可能指示天然氣水合物呈層狀分布，以厚層塊狀的形式分布于水合物穩(wěn)定帶內(nèi)的高速層中。

2.2 測井異常特征

含水合物沉積層的電阻率測井和聲波測井曲線異常明顯，往往表現(xiàn)為高阻、高速特征，且兩者往往與水合物礦層同時出現(xiàn)。因此，普遍認為兩者組合是識別水合物的最有效方法［21－22］。

研究區(qū)8口井顯示含水合物層電阻率異常高值范圍為2.5～200Ω·m，與之對應層位的聲波測井異常均為高值，且GMGS2－08、GMGS2－16井出現(xiàn)兩層含水合物測井異常特征。以研究區(qū)GMGS2－08井為例，水深801m，水合物異常層段分2段（圖6）［9］，其測井曲線特征如下：

1）第一異常段位于淺部，深度區(qū)間為810～824m（自鉆臺面起算，下同），最大電阻率達17.5Ω·m，本層聲波速度略有升高，位于810.18m深度處聲波時差最低為183.37μs／ft（速度1 662m／s），井徑曲線在此范圍內(nèi)較為規(guī)則，自然伽馬值較底部地層略低，密度與中子測井曲線無明顯異常。綜合測井曲線解釋，推斷此層段含有天然氣水合物。

2）第二異常段位于深度區(qū)間867.5～899m，最大異常幅值超過200Ω·m，聲波時差明顯降低，最低值達111μs／ft（速度2 746m／s），本段地層自然伽馬與密度測井明顯偏低，而中子測井顯示出較大的孔隙度。其中自然伽馬曲線與電阻率曲線呈鏡像特征，即電阻率值高的位置，自然伽馬測井值降低；密度測井顯示872.58m 深度處，密度值為1.08g／cm3，接近于水或水合物的密度，而其中子測井孔隙度則表現(xiàn)為100%的異常。綜合測井曲線解釋結果認為，該層段可能為厚層塊狀水合物。

以上兩個層位是本站位的主要水合物礦層。

圖5 研究區(qū)過GMGS2－08井的地震剖面圖（綠色表示電阻率曲線，紅色表示縱波速度曲線）

圖6 研究區(qū)GMGS2－08井的LWD測井曲線圖（深度從海底算起）

3 水合物藏分布及產(chǎn)出特征

鉆探取心結果表明，5個站位的鉆井（GMGS2－16、GMGS2－05、GMGS2－07、GMGS2－08、GMGS2－09）均不同程度地發(fā)現(xiàn)了水合物，以塊狀、層狀、團塊狀、脈狀及分散狀等自然產(chǎn)狀賦存于粉砂質(zhì)黏土及生物碎屑灰?guī)r中（圖7）。另外，還有3個站位鉆井（GMGS2－04、GMGS2－12、GMGS2－01）的測井資料顯示聲波速度和電阻率存在異常，據(jù)此推斷存在分散狀水合物［9］（圖8）。據(jù)孔隙水Cl－濃度含量推算，水合物飽和度介于45%～100%，水合物中甲烷氣體含量超過99%，為Ⅰ型結構水合物。

圖7 研究區(qū)GMGS2－08井的水合物自然產(chǎn)狀圖

3.1 垂向分布特征

依據(jù)上述5口井的鉆孔取心、3口井的測井解釋結果，繪制了研究區(qū)含水合物鉆井的聯(lián)井剖面（圖8），其水合物層及自生碳酸鹽巖等特殊沉積層如圖8所示。具體情況描述如下：

1）GMGS2－16井。水深871m，共發(fā)育兩層水合物：15～30mbsf（meters below sea floor，海底以下深度）層段發(fā)育瘤狀水合物；189～226mbsf層段發(fā)育分散狀、脈狀水合物。

2）GMGS2－05井。水深1 127m，201～208mbsf層段發(fā)育分散狀水合物。

3）GMGS2－07井。水深791m，共發(fā)育兩層水合物：13～50mbsf層段沉積物呈粥狀特征，其底部發(fā)現(xiàn)瘤狀水合物；65～84mbsf層段，測井資料顯示電阻率21Ω·m，聲速2 480m／s，綜合推測可能為分散狀水合物。

4）GMGS2－08井。水深801m，近海底淺層局部發(fā)育淺黃色自生碳酸鹽結核黏土，該站位共發(fā)育兩層水合物：8～23mbsf層段發(fā)育塊狀、瘤狀或脈狀水合物，厚度約15m，橫向分布范圍相對較寬；68～90 mbsf層段發(fā)育厚層塊狀水合物，厚度約30m，橫向分布范圍相對較窄。值得注意的是，58～63mbsf層段發(fā)育生物碎屑灰?guī)r、淺灰色泥質(zhì)角礫碳酸鹽巖及含氣孔角礫灰?guī)r，角礫含量大于70%，基質(zhì)為淺灰色自生碳酸鹽巖細小角礫和方解石微晶沉淀，碳酸鹽巖塊中發(fā)育孔洞和結晶良好的方解石層或方解石脈。

5）GMGS2－09井。水深664m，該站位海底發(fā)育大量自生碳酸鹽巖，9～21mbsf層段發(fā)育結核狀水合物。

6）GMGS2－04井。水深913m，137～143mbsf層段測井資料顯示電阻率為4Ω·m，推測可能為分散狀水合物。

7）GMGS2－12井。水深738m，91～98mbsf層段測井資料顯示電阻率為3.1Ω·m，聲速為2 662m／s，綜合推測可能為分散狀水合物。

8）GMGS2－01井。水深886m，132～140mbsf層段測井資料顯示電阻率為2.9Ω·m，聲速為2 613m／s，綜合推測可能為分散狀水合物。

綜合上述各井水合物發(fā)育情況，以90mbsf為界，大致可分為上部和下部兩個水合物層，其垂向分布特征如下：

上部水合物層（0～90mbsf）：在此層段范圍內(nèi)的不同深度處均發(fā)育水合物，如 GMGS2－16、GMGS2－07、GMGS2－08、GMGS2－09井，水合物多呈塊狀、瘤狀或脈狀，且以可視水合物為主，水合物層厚度介于15～32m，橫向分布范圍相對較窄。母巖為淺灰色粉砂質(zhì)黏土，海底及該層段的中部發(fā)育兩期自生碳酸鹽巖。

下部水合物層（91～226mbsf）：在此層段范圍內(nèi)的不同深度處均發(fā)育水合物，如GMGS2－16、GMGS2－05、GMGS2－04、GMGS2－12、GMGS2－01井，水合物多呈分散狀，肉眼不可視，飽和度高，橫向分布范圍相對較寬，水合物層厚度介于6～37m。母巖為灰綠色粉砂質(zhì)黏土，少見自生碳酸鹽巖。

總的來說，研究區(qū)中上部沉積以粉砂質(zhì)黏土為主，顆粒較粗，孔隙度較大，主要發(fā)育可視的塊狀、脈狀、層狀、瘤狀水合物，是裂隙充填作用的結果，受巖性及其粒度影響較小。研究區(qū)中下部沉積物埋深較大，孔隙度偏小，顆粒較細，發(fā)育肉眼不可見的以孔隙充填為主的分散狀水合物［9］。

3.2 平面分布特征

根據(jù)鉆測井資料解釋和取心結果，圏定出水合物藏的分布范圍（圖9），面積約55km2。以臺灣峽谷的一個分支為界，將研究區(qū)的水合物分為東、西2個成藏區(qū)，西 成 藏 區(qū) 由 7 口 井 （GMGS2－08、GMGS2－09、GMGS2－07、GMGS2－05、GMGS2－04、GMGS2－01、GMGS2－12）控制，水深介于664～1 127m，各井發(fā)育水合物的層數(shù)不均，除GMGS2－08井發(fā)育深、淺兩個水合物層形成復式水合物藏以外，其他大多數(shù)站位僅發(fā)育單個水合物層，依此圏定的西成藏區(qū)面積相對較大，成藏區(qū)平面整體呈北西南東向，與上述分支海槽走向近似一致；東成藏區(qū)僅由W16站位單井控制，面積目前尚難以準確劃定。

4 水合物地質(zhì)儲量計算

根據(jù)水合物鉆探結果，給定水合物地質(zhì)儲量計算的相關參數(shù)：水合物所含氣體體積為1 000×108m3；鉆井控制礦體面積為55km2；含水合物層厚度介于10～50m；含水合物沉積物孔隙度介于45%～100%；含水合物飽和度介于45%～100%；產(chǎn)氣因子為164。

利用自主研發(fā)的計算軟件［23－24］（圖10），在50%概率條件下，初步估算研究區(qū)水合物地質(zhì)儲量約為1 250×108m3天然氣，其規(guī)模相當于一個特大型常規(guī)天然氣田。

總之，南海東北部海域鉆探區(qū)發(fā)育多個水合物藏，具有水合物的“埋藏淺、厚度大、賦存類型多、飽和度高、甲烷純度高”等優(yōu)質(zhì)礦藏特點，綜合顯示具有較好的水合物資源潛力。

圖9 研究區(qū)水合物藏平面分布圖

圖10 研究區(qū)水合物藏地質(zhì)儲量計算圖

5 結論

1）研究區(qū)水合物藏的地震異常信息豐富，BSR特征明顯，所處水深介于700～900m，埋深介于160～220m，與地層斜交，BSR附近層位存在明顯的速度倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，之上連片振幅弱反射帶或空白帶為高速層，可作為塊狀、層狀水合物礦藏的地震異常表觀。

2）研究區(qū)水合物藏的測井異常顯示為“高速、高阻”特征，含水合物層電阻率異常高值超過200Ω·m，與之對應層位的聲波測井異常均為高值。電阻率、聲速與水合物的自然產(chǎn)狀有一定的量化關系，如高電阻率、高縱波速度層段發(fā)現(xiàn)塊狀或?qū)訝钏衔铩?/p>

3）研究區(qū)水合物藏所處水深介于664～1 127m；含水合物層位于海底以下埋深220m以內(nèi)，儲層為粉砂質(zhì)黏土及生物碎屑灰?guī)r；共發(fā)育2個水合物層，單層厚度介于15～35m；水合物飽和度介于45%～100%；水合物中甲烷氣體含量超過99%，為Ⅰ型結構水合物；水合物自然產(chǎn)狀為塊狀、層狀、團塊狀、脈狀及分散狀等。水合物藏具有埋藏淺、厚度大、類型多、含礦率高、甲烷純度高等特點。

4）初步估算研究區(qū)水合物地質(zhì)儲量約為1 250×108m3天然氣（50%概率條件下），相當于一個特大型常規(guī)天然氣田。

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