馬更些三角洲凍土區(qū)天然氣水合物成藏的地質控制因素*

劉 杰，孫美靜，楊 睿?，蘇 明，楊楚鵬

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學院天然氣水合物重點實驗室，廣州 510640；3. 廣州海洋地質調查局，廣州 510750；4. 中山大學海洋科學學院，廣州 510640）

0 引 言

天然氣水合物是以甲烷為主的烴類氣體分子與水分子組成的一種似冰狀固態(tài)物質，形成于低溫、高壓和有充足氣-水來源的環(huán)境中，主要分布于永久凍土帶和水深大于300 m的海底沉積物中[1]。極地永凍區(qū)與海洋（深湖）是兩種截然不同的自然環(huán)境，凍土區(qū)天然氣水合物的產出和分布具有一定的特殊性，其聚集和分布呈現出明顯的不均勻性。加拿大馬更些三角洲（Mackenzie Delta）凍土區(qū)是北極重要的常規(guī)油氣聚集區(qū)，也是極地凍土區(qū)天然氣水合物勘探開發(fā)和國際關注度最高的地區(qū)之一。目前這一地區(qū)水合物勘探研究側重于儲層中的水合物賦存狀況、儲層物性、流體滲漏標志以及多年凍土厚度與天然氣水合物成藏間的關系等方面[2-5]，在天然氣水合物與下伏常規(guī)油氣藏的關系、構造與沉積作用在水合物成藏中的作用等方面還有待進一步加強。本文通過對馬更些三角洲凍土區(qū)天然氣水合物的穩(wěn)定條件、分布特征和成藏特征進行總結，探討凍土區(qū)天然氣水合物成藏的控制作用，為進一步認識凍土區(qū)天然氣水合物成藏機制提供一定的借鑒與參考。

1 馬更些三角洲地區(qū)水合物的成藏條件

1.1 天然氣水合物的穩(wěn)定條件

波弗特海-馬更些盆地（Beaufort Sea-Mackenzie Delta）是加拿大最重要的油氣盆地之一。馬更些三角洲位于加拿大的西北地區(qū)，是廣義的波弗特海重要組成部分（圖1）。天然氣水合物的形成受到地溫梯度、孔隙壓力、氣體組分及孔隙水鹽度等物理-化學條件的影響。馬更些三角洲地區(qū)為中等地溫梯度，一般在30 ～ 40℃/km之間[2]。較低的地溫梯度，為形成水合物創(chuàng)造了非常有利的物理條件。當孔隙壓力梯度比靜水壓力梯度大時，潛在的天然氣水合物穩(wěn)定場可延伸到較大深度。波弗特海-馬更些盆地中存在異常高孔隙流體壓力帶，主要分布于2 500 m以下的深度[3]。由于天然氣水合物形成的深度一般小于1 500 m，因此出現在天然氣水合物穩(wěn)定帶之下的超壓帶對天然氣水合物的穩(wěn)定沒有直接的影響。馬更些三角洲的鉆井巖屑錄井獲取的氣體成分顯示，氣體組分隨著深度的增加而發(fā)生變化，水合物穩(wěn)定域深度內的氣體組分以甲烷為主，還有極少量的乙烷和有重要意義的微量丙烷和丁烷[4]。馬更些三角洲地區(qū)上部1 500 m地層的鹽度在20‰ ～ 40‰之間。波福特海-馬更些盆地斷裂系統(tǒng)在水合物儲集成藏中起著十分重要的作用，不僅起到流體運移通道的作用，同時還起著儲集空間的作用，使得深部熱成因氣體運移至天然氣水合物穩(wěn)定帶內。波弗特海-馬更些三角洲地區(qū)全新世陸架坡折和上陸坡存在廣泛的沉積物失穩(wěn)和流體泄漏，這與氣體水合物的分解相關[5]。

圖1 馬更些三角洲地區(qū)天然氣水合物穩(wěn)定帶底界埋深圖（據文獻[2]略改）：ELFZ為Eskimo Lakes斷裂帶，TFZ為Taglu 斷裂帶，TAFZ為Tarsiut-Amauligak斷裂帶，BMLT為波弗特-馬更些構造脊，WBTF為西波弗特逆沖前緣Fig. 1 Base depth of the methane hydrate stability zone in the Mackenzie delta region (modified from ref. [2])

1.2 天然氣水合物的分布特征

油氣井中大量的證據（如測井資料、試井資料和氣測資料等）證實馬更些凍土區(qū)蘊含豐富的水合物資源。馬更些三角洲地區(qū)的水合物主要產于第三系Kugmallit層、Mackenzie Bay層和Iperk層的碎屑沉積內，除少數的水合物產于凍土層內，大部分均產于凍土層之下[5-6]。天然氣水合物穩(wěn)定帶底界深度由西南的不到200 m向東北加深到700 m以上。馬利克地區(qū)（Mallik）是馬更些三角洲多年凍土帶天然氣水合物研究最成熟的地區(qū)。該地區(qū)的天然氣水合物研究歷史超過30年，并在永久凍土下成功獲得顯著含有天然氣水合物的巖心樣品。Mallik地區(qū)水合物測試區(qū)以I型水合物為主，氣體水合物層位于一個背斜的頂部。水合物主要分布在砂質沉積物到礫巖中，粉砂巖和黏土中不含水合物或水合物飽和度很低。富含水合物的主要砂巖層位于凍土層640 m之下，埋深為890 ～1 106 m。水合物產狀包括分散狀、瘤狀、脈狀、塊狀。含水合物地層的單層厚度在0.1 ～ 1.5 m，某些地層的厚度超過30 m，水合物飽和度平均為25% ～50%，局部層位水合物飽和度高達80%[5-6]。

2 水合物成藏特征

2.1 非均質分布特征

儲層非均質性是指儲層的基本性質（巖性、物性、電性及含油氣性等）在三維空間分布的不均一性[7]。在描述常規(guī)油氣藏時一般將儲層非均質性分為層內、層間、平面和微觀非均質性4類來討論。天然氣水合物儲層非均質性是影響水合物開采效果的地質因素之一[8]，相關的研究目前主要側重在天然氣水合物的分布與儲集層內部巖性的空間變化上[9-10]。大多數海域天然氣水合物賦存于中新世以來深水細粒沉積地層中，而永久凍土區(qū)水合物穩(wěn)定域內巖性非均質性較強，這使得由砂巖和泥巖互層段內砂巖單元內水合物飽和度遠高于泥巖單元內。

圖2 馬更些凍土區(qū)地層層序和Mallik 5L-38井天然氣水合物層分布圖（據文獻[12]略改）Fig. 2 Stratigraphic column of the Mackenzie delta region and gas hydrate zones from Mallik 5L-38 gas hydrate production research well(modified from ref. [12])

Mallik 地區(qū)共有Mallik L-38、Mallik 2L-38和Mallik 3L-38、Mallik 4L-38和Mallik 5L-38五個水合物鉆孔。鉆孔深度1 150 ～ 1 184 m，鉆穿的永凍層厚度為640 m，鉆孔之間的孔距均為40 ～ 100 m[11]。鉆遇的水合物藏顯示出較強的層間非均質性和平面非均質分布的特點，即各含水合物層的厚度和飽和度在垂向和側向上變化較大。Mallik地區(qū)天然氣水合物不均一分布，明顯受到儲集條件非均質性的影響。Mallik 5L-38井的取心結果和測井資料證實，在892 ～ 1 107 m 區(qū)間天然氣水合物層累計厚度共約110 m，自上而下可大致分成A、B、C三個小層（圖2），各小層之間被隔夾層或含水層所分隔。層 A位于892 ～ 930 m間的Mackenzie Bay層序中，水合物層厚度為23 m，多以孔隙充填的形式產出，飽和度相對較高，為50% ～ 85%。層B位于942 ～ 993 m 間的Kugmallit層序中，由互層狀的水合物層（5 ～ 10 m厚）和非水合物層（0. 5 ～ 1 m厚）相間組成，飽和度變化較大，為40% ～ 80%。層C位于1 070 ～ 1 107 m間的 Kugmallit層序中，主要包括兩層厚層水合物層，其中下水合物層（1 085 ～ 1 107 m）的飽和度最高，高達80% ～ 90%[6,12]。聯(lián)井剖面顯示層A的頂部和厚度是變化的，井間對比困難。水合物層B的厚度和飽和度側向上變化較大，但層B底部在三口井上大致位于相同的深度，可以橫向對比。層C的底部井間容易對比，大概在1 100 m，相當于厚層狀高飽和度氣體水合物反射終止處[13]。

2.2 氣體來源為熱成因氣

目前，天然氣水合物勘探實例表明生物成因氣是形成水合物的主要氣體來源。熱解氣或熱解氣為主的混合氣成因的水合物只在馬更些三角洲、阿拉斯加北坡和祁連山等凍土區(qū)以及墨西哥灣、里海、黑海、貝加爾湖等少數海域或湖泊發(fā)現[14-16]。這可能是由于永久凍土區(qū)在有機質豐度、生物數量和產甲烷菌的活性等方面與海洋環(huán)境相差較大的緣故。馬更些三角洲地區(qū)的凍土層年均地溫為-15 ～-20℃，凍土層底面溫度僅為-1℃，而生物氣的主產氣帶溫度為 25 ～ 65℃，主生氣階段埋藏深度位于550 ～ 2 000 m[17]，因此馬更些三角洲凍土區(qū)較低的地溫場不利于生物甲烷氣的大量生成。LORENSON等（1999）[18]對Mallik 2L-38井的巖屑、巖心（包括不含水合物和含水合物層段）的氣體成分和甲烷碳同位素分析發(fā)現，該井烴類氣體是熱解氣為主的混合氣，分布在3個層段。350 m以上地層氣體來源為生物成因氣，甲烷含量很高且甲烷碳同位素很輕；350 ～ 785 m為混合成因氣，其中熱成因氣含量隨深度而增加，甲烷碳同位素隨深度而變重，785 ～1 165 m（井底）為熱解成因氣。由于鉆遇地層的有機質成熟度在0.3以下，因而淺部地層的有機質不可能是熱解成因氣的來源，熱成因氣可能來自5 000 m以下的深部，通過正斷層向上運移至水合物穩(wěn)定帶內形成水合物。

2.3 與常規(guī)油氣資源共生

國內外對天然氣水合物和常規(guī)油氣資源各自的成藏模式已有較廣泛的研究[19-21]，但對這兩類資源成藏的內在聯(lián)系及共生機制卻研究極少。張金川等（2003）[20]在分析成藏過程的基礎上，指出了不同類型油氣藏分布的序列性。油氣生成的多源性和不同聚集條件下成藏聚集的多變性構成了油氣在平、剖面上發(fā)育和分布的序列性，由生供烴序列、運移序列、封存序列以及成藏序列等構成，多因素變化導致不同盆地中的油氣藏。在理想的盆地中，可能出現由煤層氣或頁巖氣、根緣氣、致密砂巖氣、水溶氣、常規(guī)圈閉氣以及甲烷水合物等構成完整的油氣成藏序列。雷新華等（2013）[21]從天然氣水合物和傳統(tǒng)油氣藏形成演化的角度，提出了水合物與傳統(tǒng)油氣資源之間的3種基本共生模式即泄漏共生、封蓋共生和遮蓋側儲共生。天然氣水合物和傳統(tǒng)油氣成藏共生的現象在永久凍土區(qū)較為普遍。這表明天然氣水合物與常規(guī)油氣資源在成藏要素上的相似性，使兩者在一定條件下可以共生成藏。例如，加拿大馬更些三角洲和北極群島[2,22]、北美阿拉斯加北坡[23]、西伯利亞盆地麥索雅哈氣田[24]這3個地區(qū)都證實存在天然氣水合物與傳統(tǒng)油氣資源的現象，而且在這些地區(qū)天然氣水合物與傳統(tǒng)油氣的泄漏共生成藏模式可能更具有普遍意義。

波福特海盆地馬更些三角洲地區(qū)新生代油氣藏主要位于下部地層，烴源巖主要為上白堊統(tǒng)頁巖和古近系三角洲前緣頁巖[3-4]。氣體水合物產出層主要位于新生代的上部地層Kugmallit組、Mackenzie Bay組、Iperk組。Kugmallit組是典型的三角洲前緣相，砂巖連續(xù)分布，凈厚度達到 400 m，平均孔隙度為24%，最高孔隙度達33%。Mackenzie Bay組主要由泥巖和粉砂質泥巖組成，對下覆的Kugmallit層序內儲層起到封蓋的作用。Mackenzie Bay組內水合物相對Kugmallit組和Iperk組較少，主要位于Mackenzie Bay組的砂巖夾層中。Iperk組由未固結到弱膠結的礫巖到砂巖組成，粒度向西北方向逐漸變細[3-4]。波弗特-馬更些盆地的許多傳統(tǒng)油氣田處于未充滿狀態(tài)，在斷層發(fā)育的油氣遠景區(qū)，氣體水合物的賦存和厚度與常規(guī)油氣資源有密切相關性。馬利克水合物生產井區(qū)的分子和穩(wěn)定同位素地球化學特征，表明天然氣水合物的甲烷氣體來源于深部的熱解成因氣[18]。構造對垂向熱成因氣進入水合物穩(wěn)定帶具有控制作用，斷層和裂縫是深層熱成因氣遷移進入氣體水合物穩(wěn)定帶的優(yōu)勢路徑。OSADETZ等[4]的研究表明氣體水合物厚度與下覆傳統(tǒng)油氣資源的密切相關，且構造背景對氣體水合物出現和天然氣的產量有較大的影響。最大凈厚度大于5 m的氣體水合物層有71%的井位于傳統(tǒng)油氣藏之上，含氣體水合物的井有41%位于傳統(tǒng)油氣藏之上。

馬更些三角洲凍土區(qū)天然氣水合物和傳統(tǒng)油氣成藏共生現象的形成模式可能有兩種，即氣藏速凍式和緩慢冷凍式[25]。前者假設由于氣候條件的變化（由間冰期到冰期）或者構造抬升改變了先存氣藏的溫度和壓力條件，從而形成天然氣水合物礦藏；后者認為深部熱解甲烷氣運移到氣水合物帶或適合于形成氣水合物的海底或極地永凍區(qū)，邊運移邊成藏而形成氣水合物礦藏。在這兩種模式中永久凍土帶封存、先前已形成的水合物自身封存和斷層的閉合等，對天然氣水合物的形成都起到了重要作用。

3 控制因素

3.1 構造條件

天然氣水合物的形成不僅需要溫壓條件，還需要構造條件、沉積條件、運移條件等諸多要素的匹配。天然氣水合物勘探表明天然氣水合物的產出明顯受構造控制，如日本南海海槽天然氣水合物均產于背斜的冠部或斷裂狀翼部[9]。在 Cascadia大陸邊緣“水合物海嶺”區(qū)，地震反射資料顯示，天然氣水合物向“水合物海嶺”的構造冠部集中[26]。Boswell等（2011）將構造地質圖與地震反射異常進行疊合后發(fā)現，位于艾爾伯特山褶皺脊部的水合物單元 C和D受到構造和巖性的共同作用；水合物單元C和D主要分布于斷層的上盤，越過斷面的C、D組水合物厚度明顯下降[10]。

圖3 研究區(qū)主要斷層和褶皺等構造要素密度分布（a）和其與氣體水合物產出概率的關系圖（b和c）[4]（圖a可以作為流體運移到氣體水合物穩(wěn)定帶的路徑示意圖）Fig. 3 Spatial density of structural elements map and probability densities of the spatial density of structural elements for gas hydrate or non-gas hydrate bearing wells (this map is a potential proxy for migration pathway into the GHSZ)[4]

波弗特-馬更些盆地內區(qū)域尺度的構造研究程度較高，其中有四條斷裂對本區(qū)水合物的分布影響較大。呈 NE-SW 走向的 Eskimo Lakes斷層帶（ELFZ），限定了侏羅紀-早白堊紀裂谷體系的東南邊緣；Taglu斷裂帶（TFZ）近平行于Eskimo Lakes斷層帶（ELFZ），控制著盆地晚白堊紀到新近紀的沉降中心；Tarsiut-Amauligak斷裂帶位于研究區(qū)北部，呈E-W向延伸，控制著晚中新世沉積中心；波弗特海西部的西波弗特沖斷前緣（WBTF）平行于海岸線，控制著盆地內逆斷層的擠壓變形前緣。這四條主斷裂將波福特海-馬更些地區(qū)劃分為不同的構造域。波福特海西部為發(fā)育逆沖斷層和擠壓褶皺的前陸盆地，東部為發(fā)育鏟狀斷層和滾動背斜的裂谷邊緣。位于這兩大構造域之間的中部地區(qū)形成了平行于西南部逆沖帶前緣的構造轉換帶。馬里克水合物試采區(qū)便位于這一地區(qū)，該地區(qū)成藏條件優(yōu)越，不僅毗鄰生烴凹陷，氣源條件充足，而且斷裂體系十分發(fā)達。斷裂系統(tǒng)在水合物成藏中不僅起著流體運移通道的作用，同時還起著儲集空間的作用，使水合物穩(wěn)定帶以下的氣體運移至穩(wěn)定帶并儲集成藏[27]。OSADETZ等（2010）[4]通過構造要素和水合物空間分布明顯的正相關性，證明了構造背景對氣體水合物聚集成藏起到重要作用。水合物在構造要素密度指數大于125的地區(qū)更發(fā)育，在指數小于125的地區(qū)，很可能缺失（圖3）。高飽和度（大于50%）的水合物的分布與密度指數的關系更為明確（圖3c）。因此，推測向上的含氣流體運移，尤其沿著伸展斷層，對氣體進入水合物穩(wěn)定帶起到重要作用。

3.2 沉積條件

天然氣水合物形成的沉積控制因素主要有巖相特征、沉積速率、有機碳含量、沉積環(huán)境等方面，其中巖相的變化直接影響著天然氣水合物的存在和分布[28]。馬里克地區(qū)水合物穩(wěn)定域內地層自下向上可以分為3個巖相段：① 粘土粉砂層，夾粉砂層；② 礫到中礫砂和細砂互層，粒度向上遞減；③ 底部為細到中粒砂巖與礫巖互層，向上變?yōu)榧毶?。在有基質支撐和分選好的中細粒砂巖中天然氣水合物充填在粒間孔隙中，飽和度可達80%以上；但在分選較差的粉砂巖中只有較低的天然氣水合物含量，在粘土粉砂巖和泥巖中則極少發(fā)現天然氣水合物。氣體水合物飽和度和沉積物中砂質的含量呈現很好的線性相關性，砂質含量越高，水合物飽和度越高，粗粒徑沉積物含量增多的位置與水合物富集層位存在較好的位置對應關系（圖 4）[29]。天然氣水合物飽和度與沉積物粒度的正相關性在阿拉斯加北坡的艾爾伯特山水合物測試區(qū)和祁連山水合物富集區(qū)也存在[30-32]。

圖4 馬更些三角洲凍土區(qū)天然氣水合物飽和度和孔隙度的關系[29]Fig. 4 Sediment sample porosity versus in situ Permafrostassociated gas hydrate saturation in the Mackenzie Delta[29]

同時，這些地區(qū)的水合物與廣泛分布的永久凍土帶密切相關，而水合物的分布不僅受儲集層物性的控制，還可能與凍土層厚度和巖性有很大關系[31]。良好的“儲蓋組合”可能更有利于天然氣水合物的富集。目前在凍土層與天然氣水合物成藏的研究中，主要側重于從凍土層厚度、凍土層本身的巖性和其對下伏地層溫度場的影響等方面，定性地討論其與天然氣水合物穩(wěn)定帶范圍的關聯(lián)。這些研究均認為凍土層由于滲透率較低，能有效地阻止下部游離氣體向上逸散，其在水合物成藏中起到“封蓋作用”，有利于水合物富集成藏[32]。尚且沒有定量討論過凍土層厚度、水合物穩(wěn)定帶（游離氣蓋層）和水合物層之下的游離氣層厚度三者間的關系。馬更些三角洲凍土區(qū)的年平均地表溫度為-15 ～ -20℃，凍土層厚度變化較大，從工區(qū)西南部不到 200 m，到東北部地區(qū)增加到 700 m。凍土底界和甲烷水合物穩(wěn)定帶底界的對比，可以看出天然氣水合物穩(wěn)定帶的厚度隨著永久凍土帶基底變深而變厚。晚新生代時期，受冰期-間冰期氣候旋回的影響，凍土層厚度在時空上的變化造成了凍土層之下沉積層熱狀態(tài)異常，天然氣水合物的穩(wěn)定隨之受到影響[33]。

3.3 水動力作用

實際上，地下水是活躍的地質作用營力，是油氣生成、運聚的動力和載體，常影響油氣成藏的各個階段。地下水的循環(huán)活動對常規(guī)油氣藏形成的影響前人已經進行了大量的研究，但對水合物成藏的影響討論較少[34-37]。不論是深部油氣運移還是淺層含氣流體運移，都是從高流體勢區(qū)向低流體勢區(qū)運移。深部地層地下水以壓實水流為主，常規(guī)油氣藏的聚集通常不考慮水動力，因為孔隙水流體速率很慢，因此常優(yōu)先聚集在隆起部位或巖性尖滅封閉端等流體低勢能區(qū)。但水合物穩(wěn)定帶的地下水活躍，含氣流體運移方向大多受重力（地形）或壓實體系等因素控制。凍土區(qū)地下水的流體勢分布、流動性、礦化度差異等因素會影響水合物的賦存和分布。類凍脹丘（pingo-like features, PLFs）的形成與淺層水動力循環(huán)、含氣流體的運移及熱傳導作用等存在著緊密的相互作用[38-39]。波弗特海陸架區(qū)發(fā)育大量的類凍脹丘表明這一地區(qū)的淺層水動力循環(huán)活躍。馬更些盆地西南邊緣在古新世后遭受侵蝕作用，地層水化學數據表明淡水可能滲入到這一區(qū)域，地形曾經是盆地邊緣流體運移的重要驅動力[3]，也就是說重力驅動的流體系統(tǒng)影響馬更些三角洲地區(qū)淺層的水動力循環(huán)。

CHEN等（2010）對波弗特-馬更些盆地新近系地層孔隙壓力的研究表明，馬更些三角洲地區(qū)存在深部超壓（2 000 m以下），且深部超壓帶頂界面深度由南（靠近盆地邊緣）向北逐漸降低，含氣流體從北部高流體勢區(qū)域向南部盆地邊緣的低勢區(qū)運移。這種趨勢在鏟狀斷層帶出現的地方中斷，鏟狀斷層起到劃分壓力系統(tǒng)的作用[3]。盡管深部超壓出現在天然氣水合物穩(wěn)定帶之下，對天然氣水合物的穩(wěn)定沒有直接的影響，但它們在含氣流體向上運移的過程中起到有利的作用。深層和淺層兩大水動力系統(tǒng)如何影響馬更些三角洲地區(qū)天然氣的運移、聚集和水合物的形成值得進一步的研究。

4 結 論

（1）馬更些三角洲凍土區(qū)天然氣水合物藏具有非均質分布、氣體主要來源為熱成因氣體和與常規(guī)油氣資源共生3個特征。水合物穩(wěn)定域內巖性變化較大，在砂巖和泥巖互層段，高飽和度水合物易于賦存在砂巖單元中。凍土層的封蓋作用可能促進了天然氣水合物與傳統(tǒng)油氣的泄漏共生成藏模式。

（2）在凍土帶底部溫度和壓力視為均一條件下，馬更些三角洲凍土區(qū)水合物層的分布主要受構造活動（斷層作為流體通道）、地層中優(yōu)質儲層的分布以及凍土層屬性（地溫、巖性和厚度）等因素的綜合控制。此外，深部超壓流體系統(tǒng)和淺層重力流系統(tǒng)兩大水動力場特征也可能影響該地區(qū)天然氣的運移、聚集和水合物的賦存與分布。

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