西沙海域南部天然氣水合物發(fā)育特征及成藏模式

楊濤濤，呂福亮，王彬，楊志力，魯銀濤，孫國忠

（中國石油杭州地質(zhì)研究院）

天然氣水合物（俗稱可燃冰，以下簡稱水合物）是一種新型能源，其資源量十分豐富，據(jù)估算，全世界水合物的能源儲量為已發(fā)現(xiàn)油氣的能源儲量的2倍左右，其中97%的水合物分布在深水海域（水深大于500m），陸上高緯度極地區(qū)和永久凍土帶中也有少量分布［1-4］。水合物與常規(guī)油氣藏的形成保存有著一定的聯(lián)系［5］，它對環(huán)境和鉆井工程安全也有著重要影響［3-6］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對南海水合物的形成機理、資源潛力、地球物理識別標(biāo)志、分布特征及主控因素等開展了大量研究［7-10］，其中東沙海域因具備優(yōu)越的水合物發(fā)育地質(zhì)條件，故相關(guān)研究也最深入［11-13］，已落實了多個水合物富集區(qū)，并于2007年鉆井，成功采集到了水合物實物樣品。已有的地質(zhì)類比研究認(rèn)為，西沙海域的西部和北部（瓊東南盆地）也發(fā)育有水合物［12-14］，而對南部的水合物發(fā)育情況則暫無報道。本文基于近年新的三維地震資料，在西沙海域南部（中建南盆地）發(fā)現(xiàn)了水合物發(fā)育的地震標(biāo)志，并初步落實了其空間分布，通過地質(zhì)類比分析了水合物成藏的主控因素，構(gòu)建了成藏地質(zhì)模式，以期為西沙海域油氣地質(zhì)研究提供幫助。

1 地質(zhì)背景

南海位于歐亞板塊、太平洋板塊和印度—澳大利亞板塊三大板塊交匯處，經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)演化過程，發(fā)育有陸緣裂谷盆地、走滑盆地、前陸盆地和大洋盆地等四大類盆地［15］，蘊含了豐富的油氣資源［15-16］。南海的擴張和演化是太平洋板塊向歐亞板塊俯沖以及印度—澳大利亞板塊與歐亞板塊碰撞所共同作用的結(jié)果［17-19］，它經(jīng)歷了陸緣張裂和海底擴張兩大構(gòu)造階段和陸相—海陸過渡相—海相的沉積環(huán)境演化過程［19］。

西沙海域位于南海北部，經(jīng)歷了古新世—漸新世裂陷成盆和中新世以來的熱沉降兩個構(gòu)造演化階段，具有“下斷上拗”雙層結(jié)構(gòu)，即下構(gòu)造層代表古近紀(jì)裂陷階段，上構(gòu)造層為新近紀(jì)—第四紀(jì)拗陷階段［20-21］。下構(gòu)造層具斷陷作用形成的半地塹或地塹充填特征、以及多凸多凹的構(gòu)造格局，以近源沉積為主，沉積物較粗，充填了漸新統(tǒng)崖城組、陵水組，屬河湖相—海陸過渡相含煤沉積及半封閉淺海相沉積。上構(gòu)造層為拗陷期沉積，具有中部高、四周低、且被大型凹陷所包圍的構(gòu)造格局，無大型河流供給，為遠(yuǎn)源海相沉積，充填了中新統(tǒng)三亞組、梅山組、黃流組、上新統(tǒng)鶯歌海組及第四系樂東組［22-23］。地質(zhì)分析表明西沙海域具備水合物發(fā)育所需的地質(zhì)條件［10-14］。

本次研究區(qū)位于西沙海域南部的中建南盆地（圖1），水深大于1000m，屬深水區(qū)。

圖1 西沙海域及研究區(qū)位置

2 天然氣水合物的地震識別

水合物在地震剖面上主要有三種標(biāo)志［2-13］：（1）似海底反射層（bottom simulating reflector，簡稱 BSR），（2）空白反射帶（blanking zone，簡稱 BZ），（3）振幅隨偏移距變化（amplitude versus offset，簡稱 AVO）。這些典型特征亦見于本次研究區(qū)。

2.1 BSR特征

BSR是識別水合物最重要的一個地球物理標(biāo)志。南海的水合物在地震剖面上的一個重要特征是發(fā)育BSR，它代表著水合物穩(wěn)定帶的底界面，其下伏沉積地層常常含有一定量的氣體［2］。研究區(qū)的BSR具有四個明顯的地震反射特征：強振幅強連續(xù)、與海底極性相反、與海底近平行、以及有穿層現(xiàn)象（圖 2a）。

在BSR之上，水合物的地震速度和密度較高，阻抗較大，而下伏地層因受水合物層遮蓋常含有氣體，這導(dǎo)致了下伏地層的地震速度和密度降低，阻抗較低，因此在水合物穩(wěn)定帶與下伏地層之間就形成了明顯的波阻抗界面，表現(xiàn)為強振幅、強連續(xù)反射。

地震反射波從海水傳播到沉積地層中，是從低阻抗水到高阻抗地層中，為正極性反射，而地震波從水合物傳播到下伏地層中，是從高阻抗介質(zhì)到低阻抗介質(zhì)中，為負(fù)極性反射，因此BSR與海底的極性相反。

在一定區(qū)域內(nèi)，若地質(zhì)條件相似，則水合物穩(wěn)定帶底部的深度相當(dāng)，故表現(xiàn)為BSR與海底近平行。從成因機制上看，因BSR是受溫度-壓力條件控制的，而地層是對構(gòu)造沉積條件的響應(yīng)，兩者的控制因素不同，故也會出現(xiàn)BSR穿層現(xiàn)象。

2.2 BZ特征

地震剖面上，BZ常與BSR伴生，且位于BSR之上。由于水合物的固結(jié)作用，賦存水合物的層段，其密度、速度差異很小，可認(rèn)為接近均質(zhì)地層而無明顯的波阻抗界面，因此地震反射為弱反射甚至是空白反射（圖 2b）。

2.3 AVO特征

國外學(xué)者較早應(yīng)用AVO技術(shù)進行水合物正演、反演、含量估算等工作，Ecker［24］給出了 BSR 界面的AVO變化曲線圖版，考慮到反射系數(shù)的不同，會出現(xiàn)兩種情形：第一種情形，BSR界面上覆水合物沉積層段，下伏地層為海相沉積，上覆地層泊松比小于下伏地層泊松比，在BSR處出現(xiàn)振幅絕對值隨角度增大（當(dāng)偏移距增加時角度增加）而減小的現(xiàn)象；第二種情形，BSR界面上覆介質(zhì)為水合物沉積層，下伏介質(zhì)含游離氣，上覆地層泊松比大于下伏地層泊松比，在BSR處出現(xiàn)振幅絕對值隨角度增大而增大的現(xiàn)象。

國內(nèi)學(xué)者［8,25］以西沙海域北部實際地震資料為基礎(chǔ)，用海水和海底的物理參數(shù)進行AVO正演，得到各道的校正因子后對疊前道集進行校正，所得結(jié)論與Ecker的相似，即游離氣含量越高，振幅絕對值隨偏移距增加而增加的特征越明顯。西沙海域南部與北部的地質(zhì)條件相似，水合物發(fā)育情況可類比，BSR處的AVO特征也一致，都出現(xiàn)了振幅絕對值隨偏移距加大而增大的現(xiàn)象（圖2b）。

3 天然氣水合物分布特征

3.1 天然氣水合物穩(wěn)定帶厚度估算

研究區(qū)的水合物穩(wěn)定帶分布在上新統(tǒng)—更新統(tǒng)。本文將使用廣泛認(rèn)可的海底溫度、熱導(dǎo)率、熱流和溫度壓力等條件參數(shù)計算穩(wěn)定帶厚度，由于目前研究區(qū)內(nèi)尚無鉆井資料，經(jīng)驗公式中參數(shù)的選取參考了前人的研究成果，并考慮到地質(zhì)條件的差異而略作了調(diào)整，估算出的穩(wěn)定帶厚度約為120m。具體過程分三步：

海底溫度估算 南海北部實測海水溫度與深度之間具有明顯的相關(guān)關(guān)系，因此研究區(qū)也采用海水深度來求取海底溫度［26］。

式中：d—— 海水深度，km；

t—— 海底溫度，℃。

結(jié)果t為4.6℃。

BSR處溫度估算 應(yīng)用Dickens公式［27］計算。

式中：T——BSR處溫度，K；

P—— 靜巖壓力，MPa。

結(jié)果研究區(qū)內(nèi)BSR處地層溫度為16.3℃（攝氏度由開爾文溫度換算得到）。

按經(jīng)典的Gradner方程，沉積物的體密度與深度（從海底起算）之間呈明顯的相關(guān)性，為提高計算精度，這里采用沉積物的體密度代替了沉積物平均體密度以求取靜巖壓力［26］。

水合物穩(wěn)定帶厚度估算 根據(jù)穩(wěn)定帶厚度與熱流、海底溫度、BSR處溫度及熱導(dǎo)率之間的關(guān)系來估算穩(wěn)定帶厚度［14］。

式中：Z—— 穩(wěn)定帶厚度，m；

k—— 熱導(dǎo)率，W/(m·K)；

T——BSR處溫度，K，由公式(2)求得；

t—— 海底溫度，℃，由公式(1)求得；

H—— 大地?zé)崃?，mW/m2。

根據(jù)前人的研究［6，28］，選取西沙海域熱導(dǎo)率和大地?zé)崃鞣謩e為0.9 W/(m·K)和85 mW/m2，聯(lián)立上述三個公式，估算研究區(qū)水合物穩(wěn)定帶厚度約為120m。

3.2 天然氣水合物平面分布特征

以BSR地震特征為基礎(chǔ)，基于自動追蹤技術(shù)，可刻畫水合物的平面分布。BSR是識別水合物最重要的地震標(biāo)志，特別是強振幅、強連續(xù)反射特征，易于自動追蹤。層位自動追蹤是利用相鄰地震反射波形、振幅、相位或連續(xù)性等特征，以一種或多種屬性為基礎(chǔ)，利用計算機快速地識別地質(zhì)體，它具有結(jié)果客觀、效率高的優(yōu)點。

在提取的BSR振幅圖（圖3）上，區(qū)內(nèi)水合物總體呈北西—南東方向塊狀展布，單塊內(nèi)振幅分布具有中部強、向四周減弱的特點，反映了中部水合物富集、向四周減少的特點。分析認(rèn)為這可能是受如下因素影響：一是工區(qū)內(nèi)發(fā)育氣煙囪，其內(nèi)部含氣破環(huán)了地震反射的連續(xù)性，將水合物分割成塊狀分布；二是水合物富集程度有差異，中部的水合物最富集，與下伏地層之間的波阻抗差異最大，故表現(xiàn)為強振幅反射，而向四周水合物逐漸減少，上下地層間波阻抗差異變小，因此表現(xiàn)為弱地震反射；三是斷層對水合物的發(fā)育也起到控制作用，水合物富集區(qū)的斷裂較發(fā)育。需要說明的是，圖3中北西—南東向直線條帶是采集腳印，即采集時各條線的能量差所造成，與水合物分布情況無關(guān)。

圖3 研究區(qū)BSR振幅分布圖

4 天然氣水合物成藏的主控因素及地質(zhì)模式

4.1 主控因素

水合物成藏受氣源、溫度-壓力條件和構(gòu)造-沉積條件等多種因素控制。

4.1.1 氣源條件

水合物主要氣源為深部熱解氣和原地生物氣。由于西沙海域新近紀(jì)以來處于隆起構(gòu)造背景，無大型河流供給，淺層沉積物中有機質(zhì)含量較少，因此原地生物氣潛力有限。西沙海域西部和北部（瓊東南盆地）古近系烴源巖發(fā)育，其中漸新統(tǒng)海陸過渡相含煤泥巖是優(yōu)質(zhì)烴源巖，TOC值0.16%～81.3%［29］。經(jīng)地質(zhì)類比后認(rèn)為，西沙海域南部漸新統(tǒng)海陸過渡相含煤泥巖應(yīng)是水合物的主要氣源。西沙海域地溫梯度高，平均達 4.0℃/100 m［30］，這一方面使烴源巖成熟門限深度變淺，加速了下部烴源巖層系中有機質(zhì)的成熟及向烴類轉(zhuǎn)化；另一方面隨著烴類排出及液態(tài)烴類裂解，形成的異常高壓可為油氣運移提供動力。

研究區(qū)的地震資料揭示，上構(gòu)造層（三亞組—樂東組）斷層發(fā)育，并且與下構(gòu)造層斷層連接（圖4），這為油氣向上運移提供了通道。

4.1.2 溫度-壓力條件

水合物是一種固態(tài)化合物，其發(fā)育受溫度和壓力的共同控制，要求具備低溫和高壓條件。海底溫度越低，水合物穩(wěn)定帶的厚度就越大，反之則越小；地溫梯度越大，水合物埋深就會越淺，厚度也會越薄，反之則厚度越大；水深越大，水合物穩(wěn)定帶可能越厚，反之則越?。?0］。 前人研究［10-14］表明，西沙海域西部和北部水合物發(fā)育。經(jīng)類比后認(rèn)為，西沙海域南部具有相似的地質(zhì)條件和相似的海域溫度-壓力條件，水合物也同樣可能發(fā)育。王宏斌等［26］通過實際數(shù)據(jù)計算認(rèn)為，南海北部陸坡區(qū)地層溫度14～20℃、壓力5～20 MPa的條件最適合水合物發(fā)育。本文通過估算獲得，西沙海域南部BSR處地層溫度為16.3℃、壓力為10.2 MPa，此溫壓條件也較適合水合物發(fā)育。

4.1.3 構(gòu)造-沉積條件

研究區(qū)處于構(gòu)造相對高部位（圖4），是油氣運移的有利指向區(qū)，易于形成水合物。

高沉積速率區(qū)易于形成欠壓實帶，產(chǎn)生足夠的孔隙空間，從而利于水合物的形成［1］。西沙海域自中新世以來進入熱沉降階段，特別是上新世以來進入快速熱沉降階段，根據(jù)地震資料估算，沉降速率為0.12～0.22 m/ka，沉積物壓實不充分，孔隙空間發(fā)育且包含水，有利于水合物發(fā)育［26］。

4.2 成藏模式

本次研究以實際地震資料為基礎(chǔ)，考慮到西沙海域的地質(zhì)特征，建立了本區(qū)水合物的成藏模式：下部古近系烴源巖生成的油氣，沿斷裂向上運移至構(gòu)造相對高部位，在合適的溫度-壓力條件下形成了水合物的聚集（圖4）。

圖4 研究區(qū)水合物成藏模式圖

5 結(jié)論

（1）西沙海域南部的天然氣水合物具有三個主要地震識別標(biāo)志：似海底反射層（BSR）明顯，表現(xiàn)為強振幅強連續(xù)反射、與海底反射極性相反、與海底近平行及有穿層現(xiàn)象等四個特征；空白反射帶位于BSR之上，兩者常常伴生；BSR處振幅絕對值隨偏移距增加而明顯增強。

（2）研究區(qū)的天然氣水合物縱向上具有一定厚度，根據(jù)經(jīng)驗公式估算穩(wěn)定帶厚度約為120m；平面上具有分塊特點，且單塊內(nèi)水合物中部富集、向周緣豐度減小。

（3）天然氣水合物成藏受氣源、溫度-壓力條件和構(gòu)造-沉積條件共同控制，依據(jù)實際地震資料建立了研究區(qū)天然氣水合物的成藏模式。

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