瓊東南盆地南部隆起帶天然氣水合物賦存特征分析

劉 平，李緒深，唐圣明，李文龍，童傳新（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

瓊東南盆地南部隆起帶天然氣水合物賦存特征分析

劉 平，李緒深，唐圣明，李文龍，童傳新
（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

天然氣水合物是21世紀最具潛力的接替煤炭、石油和天然氣的新型潔凈能源之一。我國南海蘊藏著豐富的水合物資源，目前已在南海北部陸坡神狐、東沙、海馬區(qū)發(fā)現(xiàn)豐富的水合物資源。本文分析了瓊東南盆地南部隆起帶天然氣水合物賦存的地質條件，開展了地球物理資料的分析與海底反射（BSR）識別，計算了水合物熱動力學穩(wěn)定帶厚度。研究表明，瓊東南盆地南部隆起帶具備水合物賦存的地質條件，滲漏構造發(fā)育，游離氣豐富，BSR表現(xiàn)為強振幅、不連續(xù)等特征，水合物穩(wěn)定帶厚度大，具有較大的天然氣水合物資源潛力。

天然氣水合物；成藏條件；地震反射剖面；穩(wěn)定帶；瓊東南盆地

引言

2016年6月，中國地質調查局宣布在南海北部陸坡西部“海馬冷泉”區(qū)獲得大量的天然氣水合物樣品，這是繼南海北部陸坡神狐、東沙海域之后，在新海域找礦的重大突破，進一步證實了南海海域天然氣水合物的分布廣泛和巨大資源潛力。

天然氣水合物是由水分子和碳氫氣體分子組成的具有籠狀結構的似冰雪狀結晶的化合物，被普遍認為將是21世紀最具潛力的接替煤炭、石油和天然氣的新型潔凈能源之一。在國家油氣資源短缺背景下，勘探和研究南海北部陸坡賦存的油氣和天然氣水合物資源，是維護我國能源和國家安全的戰(zhàn)略需求，也是我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展和現(xiàn)代化建設的重要保障，同時，對于緩解我國能源需求緊張局勢具有重大的戰(zhàn)略意義［1－2］。

本文旨在通過對瓊東南盆地南部隆起帶天然氣水合物賦存的地質條件分析、似海底反射（BSR）識別與異常體地震屬性分析、對水合物熱動力學穩(wěn)定域分析，預測天然氣水合物有利勘探區(qū)與資源潛力。

1 地質背景

瓊東南盆地為南海北部大陸邊緣新生代斷陷盆地。盆地在剖面上主要表現(xiàn)為古近紀屬斷陷、斷坳結構，盆地內部受基底斷裂控制形成了一系列的半地塹、地塹、地壘、掀斜斷塊、斷階和隆起等構造形態(tài)；新近紀－第四紀則屬坳陷結構，以熱沉降為主要特征［3］。瓊東南盆地的斷陷結構及其展布特征主要受盆地基底斷裂構造的控制，在盆地的不同區(qū)段表現(xiàn)出明顯的差異性。根據(jù)盆地內凹陷及凸起的平面組合關系，可以將瓊東南盆地的斷陷結構總結為“南北分帶、東西分塊”的特征（圖1）。南北向，盆地可劃分為3個主要構造帶，即北部坳陷帶、中央坳陷帶和南部隆起帶。東西向，以盆地中部北西走向斷層發(fā)育區(qū)（即陵水區(qū)）為界，將盆地劃分為東、西兩個具有不同構造走向的裂谷段。南部隆起帶在古近世持續(xù)暴露地表，遭受剝蝕，中新世開始至今逐漸沉降，接受海相沉積，發(fā)育厚層生物礁［4］。

圖1 瓊東南盆地構造綱要圖［3－4］Fig.1 Structural outline of the Qiongdongnan Basin（after Zhu Weilin et al.，2007；He Jiaxiong et al.，2008）

2 瓊東南盆地南部隆起帶水合物成藏條件

21 溫壓場條件

天然氣水合物是在高壓低溫環(huán)境下由甲烷、乙烷和二氧化碳等低分子量氣體與水分子結合形成的固態(tài)物質，水合物的分布深度和厚度明顯受溫壓條件的控制。已獲得水合物樣品的珠江口盆地神狐海域天然氣樣品壓力處于12～18mPa［5］?，F(xiàn)今瓊東南盆地南部隆起帶海底壓力在（6～13）×106Pa，平均壓力約為10×106Pa，再加上海底地層的壓力，研究區(qū)壓力條件與神狐海域壓力相當。

瓊東南南部隆起區(qū)絕大多數(shù)地區(qū)水深超過1000m，海底溫度約為0～5℃。瓊東南大地熱流平均值為775 mW／m2，地溫梯度約為391℃／km。神狐海域熱流值為74～78 mW／m2，地溫梯度為大于45℃／km［6］。因此，瓊東南南部隆起帶具備水合物賦存的高壓低溫條件。

22 儲集條件

沉積地層作為水合物存在的孔隙介質，其可容空間、沉積物類型等是影響水合物飽和度的重要因素［7］。研究區(qū)在黃流組沉積前，南部隆起區(qū)沉積速率小于100m／Ma。黃流組沉積后，盆地加速沉降，南部隆起區(qū)沉積速率大于500m／Ma，為天然氣水合物提供足夠的儲集空間（圖2）［8］。同時，全新世與更新世的沉積物樣品表明，沉積物的含沙量＞50%，均為細粒沉積物，為天然氣水合物的成藏提供了良好的儲集場所。

23 氣源條件

研究表明，天然氣水合物形成氣源不僅有微生物成因烴氣，還包括熱分解成因烴氣。瓊東南盆地油氣勘探證實，盆地發(fā)育三套烴源巖：始新統(tǒng)湖相烴源巖、下漸新統(tǒng)崖城組海岸平原相半封閉淺海相烴源巖、上漸新統(tǒng)陵水組～中新統(tǒng)（三亞、梅山、黃流組）淺海半深海相烴源巖。始新統(tǒng)和下漸新統(tǒng)崖城組是盆地主力烴源巖，自鶯歌海組以來，盆地處于高排烴階段［3］。

根據(jù)在瓊東南盆地海底153個樣品分析，瓊東南海底淺表層甲烷含量為662～38573μL／kg，均值為1128μL／kg。同位素測定甲烷碳同位素為－4365‰～－3992‰，表明氣源為混合氣源［9］。

24 構造條件

地震剖面分析表明（圖3），瓊東南盆地南部隆起區(qū)斷裂和流體底辟發(fā)育，為深部油氣藏中烴類組分向海底滲漏提供了有利的通道，為天然氣水合物的形成提供物質來源，為天然氣水合物運移提供了良好條件［10－11］。

總之，瓊東南盆地南部隆起區(qū)具有有利溫壓條件、充足可容空間、良好的構造背景、穩(wěn)定的氣源，具備水合物成藏的優(yōu)越條件。

3 瓊東南盆地南部隆起帶水合物地球物理特征

天然氣水合物層在地震剖面上具有高波阻抗，其下往往存在似海底反射（BSR）等特點，被認為是目前天然氣水合物識別的重要標志之一。通常認為BSR為一定溫壓條件控制下水合物沉積層的底界面，其在地震剖面上具有典型的識別特征：近似平行于海底，可見到BSR與地層斜交的現(xiàn)象；振幅強度變化較大，橫向上可在一定范圍內追蹤；BSR反射波與海底反射波的極性相反；BSR附近層位存在明顯的速度倒轉現(xiàn)象［12］。

圖2 瓊東南盆地AA’測線沉降史分析圖（剖面位置如圖1）Fig.2 Diagram showing the subsidence history along the AA′line in the Qiongdongnan Basin

圖3 BB’測線地震剖面（剖面位置見圖1）Fig.3 Seismic reflection profile along the BB′line in the Qiongdongnan Basin

然而，世界上天然氣水合物賦存典型海域如布萊克海臺、墨西哥灣和水合物脊等地區(qū)的科學鉆探研究表明，天然氣水合物和BSR之間并非具有嚴格的對應關系。因而，綜合利用地震數(shù)據(jù)中所包含的幾何學、動力學、運動學和統(tǒng)計學特征識別天然氣水合物一直是地球物理學家研究的內容之一［13］。本文在地震資料常規(guī)解釋的基礎上，結合道積分、瞬時振幅、瞬時相位、瞬時頻率等分析，對研究區(qū)BSR進行了識別與界定。

兩條典型地震剖面分析表明，瓊東南盆地南部隆起帶BSR基本與海底平行，少有與地層反射波斜交現(xiàn)象（圖4、5）。BSR連續(xù)性不強，無明顯規(guī)律性。主要是由于研究區(qū)斷裂、泥火山／泥底辟、麻坑等流體滲漏構造發(fā)育，導致水合物賦存層錯斷分散而形成現(xiàn)今反射不連續(xù)。BSR波形多表現(xiàn)為強或中強振幅，BSR上下地層波阻抗差較大，并出現(xiàn)明顯的空白帶，表明研究區(qū)蘊含豐富的游離氣，水合物豐度高，資源潛力大。

圖4 CC’測線地震剖面（a）、道積分（b）、瞬時振幅（c）、瞬時相位（d）、瞬時頻率圖（e）（剖面位置見圖1）Fig.4 Seismic reflection profile（a），trace intergration（b），instantaneous amplitude（c），instantaneous phase（d）and instantaneous frequency（e）along the CC′line in the Qiongdongnan Basin

4 瓊東南盆地南部隆起帶水合物穩(wěn)定帶分析

水合物僅在特定的壓力和溫度條件下才能穩(wěn)定存在，所以研究水合物發(fā)育區(qū)的壓力、溫度以及與溫度相關的地溫梯度、熱導率和熱流等參數(shù)，可以預測水合物存在范圍，即天然氣水合物穩(wěn)定帶，其控制著水合物在縱向和橫向上的分布特征，決定水合物藏資源潛力的大小，可用于預測目標區(qū)水合物資源量。水合物穩(wěn)定帶厚度是水合物穩(wěn)定帶的重要指標，在天然氣水合物資源評估中具有重要的意義［14］。本文以Sloan的CSMHyd程序計算了瓊東南盆地南部隆起帶天然氣水合物熱力學穩(wěn)定域［15］。以研究區(qū)LSA、CCB兩口井相關參數(shù)，計算并繪制了天然氣水合物的壓力（深度）和溫度穩(wěn)定區(qū)間圖（圖6、7）。以水溫梯度和天然氣水合物相邊界曲線的交點確定天然氣水合物穩(wěn)定存在的最小水深，根據(jù)天然氣水合物相邊界曲線和沉積物中的地溫梯度曲線的交點來計算水合物穩(wěn)定帶底界沉積物的溫度，再結合水深與海底溫度等數(shù)據(jù)求取水合物穩(wěn)定帶的厚度。由此計算LSA井生物氣水合物穩(wěn)定帶厚度357m，裂解氣水合物穩(wěn)定帶厚度為447m。CCB井生物氣水合物穩(wěn)定帶厚度493m，裂解氣水合物穩(wěn)定帶厚度為555m。

圖5 DD’測線地震剖面（a）、道積分（b）、瞬時振幅（c）、瞬時相位（d）、瞬時頻率圖（e）（剖面位置見圖1）Fig.5 Seismic reflection profile（a），trace intergration（b），instantaneous amplitude（c），instantaneous phase（d）and instantaneous frequency（e）along the DD′line in the Qiongdongnan Basin

圖6 LSA井不同成因水合物穩(wěn)定帶底界深度和厚度Fig.6 Depth and thickness of different gas hydrate stability zones through the LSA well

5 結論

瓊東南盆地南部隆起帶具備水合物賦存的高壓、低溫和較好的沉積、構造背景，具有豐富的混合氣源，是水合物成藏的良好地區(qū)。在地震剖面上，研究區(qū)流體滲漏構造發(fā)育，BSR表現(xiàn)為強振幅、不連續(xù)等特征，游離氣豐富，水合物豐度高。對兩口典型井進行水合物溫度帶分析，生物氣水合物穩(wěn)定帶平均厚度達425m，裂解氣水合物穩(wěn)定帶厚度達501m，表明研究區(qū)具有較大的天然氣水合物資源潛力。

圖7 CCB井不同成因水合物穩(wěn)定帶底界深度和厚度Fig.7 Depth and thickness of different gas hydrate stability zones through the CCB well

［1］ 張光學，黃永樣，祝有海，等.南海天然氣水合物的成礦遠景［J］.海洋地質與第四紀地質，2002，22（1）：75－81.

［2］ 吳必豪，張光學，祝有海，等.中國近海天然氣水合物的研究進展［J］.地學前緣，2003，10（1）：177－189

［3］ 何家雄，劉海齡，姚永堅，等.南海北部邊緣盆地油氣地質及資源前景［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.84－85.

［4］ 朱偉林，張功成，楊少坤，等.南海北部大陸邊緣盆地天然氣地質［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.101.

［5］ 梁金強，王宏斌，蘇新，等.南海北部陸坡天然氣水合物成藏條件及其控制因素［J］.天然氣工業(yè)，2014，34（7）：128－135.

［6］ 陳多福，姚伯初，趙振華，等.珠江口和瓊東南盆地天然氣水合物形成和穩(wěn)定分布的地球化學邊界條件及其分布區(qū)［J］.海洋地質與第四紀地質，2001，21（4）：73－78.

［7］ 張輝，盧海龍，梁金強，等.南海北部神狐海域沉積物顆粒對天然氣水合物聚集的主要影響［J］.科學通報，2016，61：388－397.

［8］ 李勝利，沙志彬，于興河，等.瓊東南盆地新近紀構造沉降特征對BSR分布的影響［J］.中國地質，2013，40（1）：163－175.

［9］ 孫春巖，吳能有，牛濱華，等.南海瓊東南盆地氣態(tài)烴地球化學特征及天然氣水合物資源遠景預測［J］.現(xiàn)代地質，2007，21（1）：95－100.

［10］ 張偉，何家雄，盧振權，等.瓊東南盆地疑似泥底辟與天然氣水合物成礦成藏關系初探［J］.天然氣地球科學，2015，26（11）：2185－2197.

［11］ 王秀娟，吳時國，董冬冬，等.瓊東南盆地氣煙囪構造特點及其與天然氣水合物的關系［J］.海洋地質與第四紀地質，2008，28（3）：103－108.

［12］ 楊濤濤，呂福亮，王彬，等.瓊東南盆地南部深水區(qū)氣煙囪地球物理特征及成因分析［J］.地球物理學進展，2013，28（5）：2634－2641.

［13］ 張旭東.瓊東南海域天然氣水合物地震反射特征［J］.物探與化探，2014，38（6）：1152－1158.

［14］ 梁金強，吳能友，楊木壯，等.天然氣水合物資源量估算方法及應用［J］.地質通報，2006，25（9）：1205－1210.

［15］ Sloan E D.Clathrate Hydrates of Natural Gas［M］.New York：Marcel Dekker，1990.

The occurrence of the gas hydrates in the southern up lift zone of the Qiongdongnan Basin

LIU Ping，LIXushen，TANG Shengming，LIWenlong，TONG Chuanxin
（Zhanjiang Branch，CNOOC，Zhanjiang 524057，Guangdong，China）

Gas hydrates as a new type of clean energy resources are expected to have the great potential to replace coal，oil and natural gas in the 21st century.The South China Sea abounds in gas hydrate resources.Up to now，abundant gas hydrate resources have been explored in the Shenhu，Dongsha and Haima areas on the northern slope of the South China Sea.The present paper dealswith geological conditions for the occurrence of the gas hydrates，recognition of bottom simulating reflection（BSR）from the geophysical profiles and calculation of the thickness of gas hydrate stability zones in the southern uplift zone of the Qiongdongnan Basin.The findings show that the southern uplift zone of the Qiongdongnan Basin is conspicuous by developed fluid leakage structures，plentiful free gas，discontinuous and strong amplitudes of bottom simulating reflection，and tremendous thickness of the gas hydrate stability zones，and thus will be highly prospective for the exploration of the gas hydrate resources in the study area.

gas hydrate；accumulation；seismic reflection profile；stability zone；Qiongdongnan Basin

TE122.1

A

10093850（2017）01007306

20160731；改回日期：20160923

劉平（1978－），女，博士，工程師，主要從事海洋油氣勘探開發(fā)研究。Email：liup＿zhanjiang＠163com

國家自然科學基金重大研究計劃資助（91428205）