天然氣水合物成藏條件與富集控制因素

張金華 方念喬 魏 偉 蘇 明 肖紅平 彭 涌 張巧珍

（ 1中國地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院；2中國石油勘探開發(fā)研究院；3中山大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院；4中國科學(xué)院廣州能源研究所 ）

天然氣水合物（以下簡稱水合物）是由烴類氣體（主要是甲烷）和水在低溫和高壓條件下組成的籠形固態(tài)似冰狀物質(zhì)[1]，廣泛分布于全球大陸邊緣和永久凍土區(qū)，資源潛力巨大，被視為未來潛在的能源資源[2-3]。

近年來，國際水合物勘探區(qū)域主要包括加拿大麥肯齊三角洲、美國阿拉斯加北坡、中國祁連山木里等凍土區(qū)，以及墨西哥灣、布萊克海臺、水合物脊、韓國郁龍盆地、印度孟加拉灣、日本南海海槽、中國南海北部等海域[4-5]。勘探研究取得了不少階段性成果，水合物勘探思路也發(fā)生了重要轉(zhuǎn)變，由依靠BSR（bottomsimulating reflection，似海底反射）等傳統(tǒng)的水合物指示標(biāo)志，轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水合物穩(wěn)定性影響要素和指導(dǎo)常規(guī)油氣勘探的“油氣系統(tǒng)”原理進(jìn)行綜合判定[6]。在氣源方面，目前全球已發(fā)現(xiàn)的水合物氣源雖然主要以微生物成因氣為主，如被動大陸邊緣的布萊克海臺和主動大陸邊緣的日本南海海槽[7-8]；但熱成因氣的水合物也不容忽視，如鄂霍次克海北部 Derugin盆地、墨西哥灣Terrebonne盆地、麥肯齊普拉德霍灣地區(qū)、中國南海北部均發(fā)現(xiàn)賦存熱成因水合物[9-12]。在水合物賦存形態(tài)方面，通常表現(xiàn)為孔隙充填型水合物和裂隙填充型水合物兩種主要賦存類型，在韓國郁龍盆地氣煙囪構(gòu)造和裂隙發(fā)育，水合物分布受裂隙控制明顯，裂隙填充型水合物廣泛發(fā)育[13]，在墨西哥灣、印度Krishna—Godavari（KG）盆地也發(fā)現(xiàn)這類脈狀/瘤狀的裂隙填充型水合物[14-15]；而在印度孟加拉灣、布萊克海臺、斯瓦爾巴特群島等海域勘探發(fā)現(xiàn)富黏土沉積物中的低飽和度孔隙充填型水合物[16-18]，在阿拉斯加Mt. Elbert鉆探區(qū)、墨西哥灣Alaminos Canyon 818站位、日本南海海槽等海域勘探發(fā)現(xiàn)富砂/粉砂沉積物中的高飽和度孔隙充填型水合物[19-21]。此外，在溫哥華島西海岸外的Barkley Canyon區(qū)域發(fā)現(xiàn)出露的塊狀型水合物[22]。但整體而言，目前對水合物地質(zhì)特征和控制因素的認(rèn)識還不夠深化和系統(tǒng)。

實現(xiàn)水合物商業(yè)開發(fā)是進(jìn)行水合物研究的終極目的之一，目前普遍認(rèn)為，賦存在富砂/粉砂沉積物中的高飽和度孔隙充填型水合物是當(dāng)前水合物開發(fā)的有利目標(biāo)，國際上也開展了多次水合物試采，但整體效果還不是很好，表現(xiàn)為產(chǎn)氣速率低、試采過程中出砂現(xiàn)象嚴(yán)重、經(jīng)濟效益差等。2008年，日本石油天然氣與金屬國家公司（Japan Oil，Gas，and Metals National Corporation， 縮 寫 JOGMEC） 等機構(gòu)在加拿大麥肯齊三角洲地區(qū)進(jìn)行了降壓法開采水合物試驗，連續(xù)試采了約6天139小時，日產(chǎn)氣量為2000～4000m3，累計產(chǎn)氣量約為1.3×104m3[23]。2012年，美國康菲石油公司等機構(gòu)在美國阿拉斯加北坡普拉德霍灣開展了CO2置換甲烷水合物的開采試驗，13天共注入約5947m3的N2—CO2混合氣（N2與CO2體積比為77%∶23%），關(guān)井一段時間后，重新開井進(jìn)行試采，生產(chǎn)一天多時間后，輔以降壓等措施，實際共開采30天，累計產(chǎn)氣量約為2.83×104m3[24]。2013年，JOGMEC在日本南海海槽Daini Atsumi knoll區(qū)塊通過降壓法成功實現(xiàn)了海域水合物試采，共試采6天，日產(chǎn)氣量約為2×104m3，累計產(chǎn)氣量達(dá) 1.2×105m3[25]。

為此，開展水合物的形成與成藏條件、地質(zhì)特征及其富集控制因素的分析，有助于深化對水合物成藏和富集的認(rèn)識，對水合物開采有利區(qū)選擇、鉆探站位部署及開采方案優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)作用。

1 水合物的形成與成藏條件

水合物的形成是氣體溶于水相生成固態(tài)水合物晶體的過程，因此水合物的生成被視為一個結(jié)晶的過程，該過程包括成核（晶核的形成）和生長（晶核生長成水合物晶體）兩個連續(xù)步驟（圖1）。針對水合物成藏，盧振權(quán)等[26]考慮水合物從形成到保存的地質(zhì)作用過程及地質(zhì)要素的組合，提出了水合物成藏系統(tǒng)，認(rèn)為水合物成藏系統(tǒng)應(yīng)包括烴類生成體系、流體運移體系和成藏富集體系；Collett[27]提出了“水合物油氣系統(tǒng)”（Gas-hydrate petroleum system）的概念，指出水合物油氣系統(tǒng)包括水合物穩(wěn)定條件、氣體來源、氣體運移、適合的“儲層”等要素。此外，也有學(xué)者認(rèn)為水合物的成藏與常規(guī)氣成藏不同，而與固體礦產(chǎn)成藏更為相似[28]。總體而言，在自然界中，水合物的形成與成藏主要受水合物穩(wěn)定條件、水源條件、氣源條件、流體運移條件和儲集空間條件等因素影響。

圖1 水合物成核與生長示意圖[29]

1.1 水合物穩(wěn)定條件

水合物穩(wěn)定條件主要受地層溫度和壓力、地?zé)崽荻?、氣體成分和孔隙水鹽度等控制。水合物形成的最佳溫度是0～10℃，壓力大于10MPa。溫度和壓力具有一定的補償作用，在極地和高緯度海域，因其溫度較低，形成水合物時不需太高的壓力；在海域水深300～2000m處，壓力較高（為3～20MPa），水合物可在較高的溫度條件下形成[30]。通常，在中低緯度海域，形成水合物的水深應(yīng)大于500m；而在北冰洋，由于海水溫度較低，形成水合物時水深甚至可以低于300m[28]。水合物穩(wěn)定帶厚度受地?zé)崽荻瓤刂?，地?zé)崽荻雀邉t水合物穩(wěn)定帶相對較薄，地?zé)崽荻鹊蛣t水合物穩(wěn)定帶相對較厚。當(dāng)甲烷中含有重?zé)N氣體、二氧化碳或硫化氫時，更有利于水合物的形成?？紫端}度對水合物的形成具有抑制作用，鹽度越大，水合物形成難度越大。水合物形成過程實際上是水合物—溶液—氣體三相平衡變化的過程，任何能影響相平衡的因素都能影響水合物的形成過程（圖2）。

圖2 氣體水合物相圖[31]

1.2 水源條件

水合物的形成需要有充足的水，并且液態(tài)水的存在是水合物形成的必要條件[32]，因此，極地凍土地層中的固態(tài)冰不能與氣體形成水合物。在海域，由于存在大量的液態(tài)水，在分析水合物形成條件時，通常不考慮水是否充足等因素，但這并不意味著水的來源不重要；相反，大陸邊緣和大陸坡海洋沉積物中的地下水系統(tǒng)是水合物系統(tǒng)的驅(qū)動器[28]，可以通過水合物穩(wěn)定帶下部相對短距離的甲烷氣源和地下水源，對水合物穩(wěn)定帶內(nèi)的水合物藏進(jìn)行追蹤，從而實現(xiàn)水合物勘探的目的。在被動大陸邊緣，水的驅(qū)動力主要是重力作用下的沉積物壓縮作用；而在主動大陸邊緣，構(gòu)造作用的貢獻(xiàn)可能更為重要。

1.3 氣源條件

充足的烴類氣體供給是形成水合物的一個先決條件，形成水合物的烴類氣體主要可分為熱成因氣和微生物成因氣兩大類，氣體通過不同運移條件進(jìn)入淺層的水合物穩(wěn)定帶中而形成水合物。通常認(rèn)為水合物穩(wěn)定帶內(nèi)無法生成充足的微生物甲烷氣以滿足水合物成藏所需要的氣體含量，因而水合物穩(wěn)定帶外部和下部的氣源就顯得很有必要[33]。對于原位微生物成因氣水合物，沉積物中有機質(zhì)的沉積速率和有機碳含量是影響水合物形成的重要因素。有利于微生物成因氣聚集的有機質(zhì)沉積速率為200～1000m/Ma，在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)賦存水合物的海域，其海底沉積物有機碳含量一般較高（TOC≥1%）[34]。對于熱成因氣的水合物，一般認(rèn)為水合物穩(wěn)定帶下部較深處天然氣的釋放是熱成因氣的主要來源，這就需要有合適的流體運移條件；同時，異地微生物成因氣水合物的形成也需要有合適的流體運移條件。

1.4 流體運移條件

通常，原位生成的微生物成因氣并不足以形成一定規(guī)模的水合物藏，氣體運移是水合物穩(wěn)定帶內(nèi)甲烷聚集的必要途徑，運移方式主要包括擴散和對流兩種[35]。在運移效能方面，擴散過程較為緩慢，通常不足以形成特定規(guī)模的水合物藏，而以對流的形式運移是一個非常有效的方式，有利于甲烷等烴類氣體運聚。斷層、底辟構(gòu)造、氣煙囪和高滲透層等通常被視為聚集型流體運移通道，具有較強的滲流能力，有助于含氣流體的運移[36]。在運移通道的作用下，中深部—深部的熱成因氣和中淺部—淺部的微生物成因氣運移至相對淺部的水合物穩(wěn)定帶內(nèi)，并在水合物穩(wěn)定帶內(nèi)富集，從而促進(jìn)水合物的形成與成藏。

1.5 儲集空間條件

世界海域已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的水合物主要呈透鏡狀、結(jié)核狀、顆粒狀或片狀分布于晚中新世以來未固結(jié)的細(xì)粒沉積物中[37]，含水合物的沉積物巖性多為粉砂和黏土。沉積速率較高、沉積厚度較大、砂泥比適中的三角洲、扇三角洲以及濁積扇、斜坡扇和等深流等各種重力流沉積是水合物發(fā)育較為有利的沉積相帶。深水沉積環(huán)境決定了水合物主要生成于細(xì)粒級的沉積物中，富集于細(xì)粒沉積物背景下的較粗沉積物中。相對于細(xì)粒沉積物，粗粒沉積物有著更大的孔隙度和滲透率，更適合水合物的富集。日本南海海槽鉆探資料表明，含水合物的砂質(zhì)沉積物孔隙度可達(dá)55%，而泥質(zhì)沉積物的孔隙度大多數(shù)小于40%，較大的孔隙空間擁有較小的毛細(xì)管壓力，使得水合物可以以較高的飽和度聚集。此外，含水合物的砂體橫向滲透率在0.001～0.1mD之間，而飽和水的砂體滲透率可在100～1000mD之間[38-39]。因此，砂體是海域水合物最理想的儲集空間。

2 水合物地質(zhì)特征與富集控制因素

常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)研究的核心是“圈閉是否成藏”，重點評價生、儲、蓋、運、圈、?！傲亍奔白罴哑ヅ潢P(guān)系；非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)研究的核心是“儲層是否含油氣”，重點評價“巖性、物性、脆性、含油性、烴源巖特性、應(yīng)力各向異性”六性及其匹配關(guān)系[40-41]。水合物作為一種特殊的油氣藏，成藏地質(zhì)的核心主要包括生、儲、運、保四要素及其匹配關(guān)系。水合物穩(wěn)定帶內(nèi)水合物的產(chǎn)出既非連續(xù)也非隨機，而是受控于溫度、壓力、氣源、運移通道和儲集空間等要素，不同地質(zhì)背景下的水合物有著完全不同的分布范圍和產(chǎn)出特征[42]?；趪H水合物勘探和研究，初步剖析和總結(jié)歸納了水合物的地質(zhì)特征和富集控制因素。

2.1 受溫度和壓力條件控制，大面積分布、局部富集，存在“甜點”核心區(qū)

水合物的形成與成藏受溫度和壓力條件控制是水合物藏與其他油氣藏的重要差異之一。天然氣只有運移到適宜的溫度和壓力環(huán)境中才可能結(jié)晶形成水合物。在自然環(huán)境中，將該適宜的溫壓環(huán)境稱之為水合物穩(wěn)定帶，水合物穩(wěn)定帶的范圍可以通過水深、底水溫度、地下壓力、地溫梯度，以及氣體地球化學(xué)性質(zhì)和水的地球化學(xué)性質(zhì)來進(jìn)行預(yù)測[43]。在海洋沉積物中，水合物穩(wěn)定帶底部相對較容易確定，通常地震剖面上廣泛分布的異常地震反射BSR指示水合物穩(wěn)定帶的底部，與預(yù)測的水合物/游離氣過渡邊界相一致[44-45]。熱流與地溫梯度的變化將顯著影響水合物穩(wěn)定帶的厚度及BSR的深度，如巴倫支海等淺水區(qū)域的水合物，水合物穩(wěn)定帶的厚度及水合物的穩(wěn)定賦存對海平面變化和底水溫度的變化非常敏感[46]。

水合物在水合物穩(wěn)定帶內(nèi)并不是到處都存在的，特別是對于水合物穩(wěn)定帶內(nèi)的上部區(qū)域，與近海底生物系統(tǒng)相關(guān)的甲烷硫酸鹽還原作用將影響水合物形成的深度上限[28]。對水合物資源量的相關(guān)研究最早可追溯到20世紀(jì)70年代，隨著實驗技術(shù)、認(rèn)知水平的提高和科技工藝的進(jìn)步，特別是與水合物相關(guān)的資料越來越豐富，對水合物資源量也有了進(jìn)一步的認(rèn)識。研究初期，主要根據(jù)大陸邊緣和海島近海水合物普遍分布來估算資源量，但DSDP（深海鉆探計劃）、ODP（大洋鉆探計劃）、IODP（綜合大洋鉆探計劃）等深海鉆探結(jié)果顯示有BSR分布與水合物分布并不存在對應(yīng)關(guān)系，水合物穩(wěn)定帶也不意味著水合物賦存帶。對全球水合物資源量估算值的研究可分為3個階段[47]：20世紀(jì)70年代—80年代早期（1017～1018m3量級）；20世紀(jì)80年代晚期—90年代早期（1016m3量級）；20世紀(jì)90年代晚期至今（1014～1015m3量級）。對全球水合物的資源總量較為一致的評價從最初的2.1×1016m3到目前的(1～5)×1015m3[48]。盡管資源量估算差別很大，但總體顯示出非常大的資源潛力。

Kvenvolden[49]在計算北冰洋水合物資源量時，認(rèn)為該地區(qū)水合物穩(wěn)定帶平均厚度為400m，但水合物僅僅在BSR上部40m的沉積物中賦存，結(jié)合其他參數(shù)利用體積法計算出北冰洋水合物資源量；在此基礎(chǔ)上，假定全球其他地區(qū)海底水合物賦存與北冰洋相似，根據(jù)北冰洋盆地邊緣與全球大陸邊緣總長度之比，得出了全球大陸邊緣水合物資源量值。計算水合物資源量過程中，假設(shè)水合物在平面上是連續(xù)分布的，然而實際勘探顯示，水合物存在大面積連續(xù)分布的現(xiàn)象，但也顯示出局部集中分布的特征?？ㄋ箍ǖ蟻喫衔锛筄DP204航次鉆探及地震資料顯示，在面積為4km×11km的研究范圍內(nèi)，水合物廣泛分布，但水合物飽和度差異較大[50]，從～1%到～10%不等（圖3），顯示局部富集的特征。中國神狐海域首個水合物鉆探實際情況顯示，該區(qū)域水合物分布在平面上具有明顯的“不均勻性”特征，獲得水合物樣品的站位分布于鉆探區(qū)的西部，垂向上水合物主要賦存在水合物穩(wěn)定帶底部之上的10～40m沉積物中[51]。

圖3 水合物脊區(qū)域水合物分布及其飽和度情況[50]

雖然全球水合物地質(zhì)資源量非常大，但并非都能視為儲量。例如相關(guān)學(xué)者認(rèn)為尼日爾三角洲前緣的彌散型水合物藏、布萊克海臺地區(qū)地層型水合物藏等都不具有商業(yè)開采潛力[52-53]。日本在南海海槽開展了大量的水合物鉆探及調(diào)查工作，包括1999—2000年的“日本南海海槽計劃”、2004年的“日本Tokai-oki至Kumano-nada計劃”以及2012—2013年的“21世紀(jì)南海海槽水合物開采計劃”（圖4a），預(yù)測南海海槽水合物調(diào)查區(qū)的水合物資源量中值達(dá)1.14×1012m3。水合物鉆探取心和地球物理測井揭示高度富集的水合物藏主要賦存在濁積體的砂層孔隙中，并將其稱為甲烷水合物富集區(qū)（Methane Hydrate Concentrated Zone， 縮 寫 為 MHCZ），富集區(qū)水合物飽和度達(dá)40%～50%，而富集區(qū)外水合物飽和度介于1%～3%。基于鉆井?dāng)?shù)據(jù)和二維、三維地震探測數(shù)據(jù)，在南海海槽識別出10余個甲烷水合物富集區(qū)，富集區(qū)水合物資源量占到整個調(diào)查區(qū)水合物資源量的一半，達(dá)0.57×1012m3。從甲烷水合物富集區(qū)中選擇了Daini-Astumi knoll的β-MHCZ作為2013年水合物開采試驗場地（圖4b），區(qū)域水深857～1405m，富集區(qū)水合物層厚達(dá)數(shù)十米，儲層主要為海底扇系統(tǒng)的濁積水道沉積物（圖4c、d）[54-56]。此外，美國海洋能源管理局（Bureau of Ocean energy Management，縮寫為BOEM）對墨西哥灣水合物油氣系統(tǒng)進(jìn)行初步評價，預(yù)測水合物資源量為6.07×1014m3，其中砂質(zhì)儲層中的高飽和度水合物資源量大約占到1/3[10]。

圖4 日本南海海槽水合物勘探區(qū)域分布及富集區(qū)鉆探[55]

2.2 水合物穩(wěn)定帶內(nèi)動態(tài)成藏

水合物是一種過渡性的礦床，具有高度可逆的物理化學(xué)反應(yīng)特征。在合適的溫度和壓力條件下，水合物處于一種動態(tài)平衡過程中，水合物藏本質(zhì)上是一種“現(xiàn)代”沉積，其形成關(guān)鍵時間大概為距今數(shù)萬至數(shù)十萬年[28]。水合物的動態(tài)成藏，一方面指水合物在沉積層中生成時，由于氣液界面的傳質(zhì)和傳熱的變動，必然也同時存在著水合物的分解過程，這種水合物生成和分解的共同作用決定了水合物的儲集性質(zhì)[57]；另一方面指水合物藏形成以后，溫度、壓力等水合物穩(wěn)定帶影響因素的變化，將改變水合物穩(wěn)定帶的范圍，從而使水合物發(fā)生分解—再生成及其水合物賦存位置重新分布。根據(jù)水合物動態(tài)成藏理念，可以將水合物藏分為成長型、成熟型和消退型3類，成長型水合物藏的特征為在沉積層中水合物的生成速度大于分解速度，水合物處于不斷的生長階段，并可分為水合物快速生成的滲漏型和緩慢生成的擴散型兩類；成熟型水合物藏特征為在沉積層中水合物的生長速度與分解速度相平衡，水合物層表現(xiàn)穩(wěn)定；消退型水合物藏特征為在沉積層中水合物的生長速度小于分解速度，水合物層處于消退狀態(tài)。

自然界中，水合物的生成受許多不同因素的共同作用，除了溫度、壓力、孔隙率、孔隙水鹽度等外，流體運移條件也是個很重要的因素，隨著流體的流動，區(qū)域內(nèi)的熱機制、孔隙流體的鹽度、形成水合物的氣體組分等將發(fā)生改變。此外，海平面升降、沉積和剝蝕作用、冰期與間冰期循環(huán)等地質(zhì)作用改變著海底環(huán)境溫度和壓力狀況，直接影響了沉積物中水合物的形成、保存與分解[58]。在水合物穩(wěn)定帶內(nèi)，當(dāng)為水合物、游離氣和含溶解氣的水同時存在的三相水合物系統(tǒng)時，表明水合物藏處于不穩(wěn)定條件，或者指示水合物仍在生長發(fā)育中，或者指示水合物處于分解過程中。在水合物穩(wěn)定帶不發(fā)生變化的情況下，當(dāng)水中溶解氣的含量低于水合物分解所需含量下限時，水合物將逐漸分解；反之水合物則將逐漸形成。

2.3 水合物形成氣兼具微生物成因和熱成因特征，水合物規(guī)?；刹赜匈囉诹黧w運移

雖然水合物鉆探和研究顯示，目前世界上所發(fā)現(xiàn)水合物大多數(shù)為微生物成因氣特征，部分具有混合成因的氣體特征（圖5），如日本南海海槽水合物99%為甲烷，并以微生物成因氣為主[8,39]；布萊克海臺水合物的甲烷氣體為微生物成因，并且主要由CO2降解作用產(chǎn)生[59]；卡斯卡迪亞增生楔水合物主要來源于同層沉積物和周緣沉積物的氣體，甲烷含量大于97%，碳?xì)浠衔餁怏w成分比R值（R=C1/（C2+C3））遠(yuǎn)大于1000，以微生物成因氣為主[60]；鄂霍次克海水合物主要為微生物甲烷氣[61]；但是富生烴凹陷深部優(yōu)異的生排烴潛力能夠提供較為充足的熱成因氣這一事實仍然不能忽視，如鄂霍次克海北部 Derugin盆地、墨西哥灣Terrebonne盆地、麥肯齊普拉德霍灣地區(qū)的水合物具有典型的熱成因氣特征[9-11]。2015年中國南海水合物第3航次鉆探的神狐海域W17站位和W19站位地球化學(xué)分析結(jié)果揭示了較高含量的乙烷和丙烷，首次明確證實Ⅱ型水合物在南海北部的存在，顯示了深部熱成因氣在淺部水合物形成和聚集過程中發(fā)揮了重要作用[12]。無論是微生物成因氣還是熱成因氣，只要具有合適的溫度—壓力條件以及儲集空間條件，都能夠形成水合物藏，并且含有重?zé)N組分的熱成因氣從熱力學(xué)角度來說，比純甲烷的微生物成因氣更易形成水合物。

圖5 全球不同地區(qū)水合物成礦氣體成因類型[62]

多數(shù)研究認(rèn)為水合物穩(wěn)定帶原位生成的微生物甲烷氣體不足以滿足絕大多數(shù)水合物成藏富集所需的氣量[33,63]，因此需要水合物穩(wěn)定帶外部和下部的氣體通過流體運移至水合物穩(wěn)定帶內(nèi)部[28]。國際海域水合物鉆探結(jié)果也表明，鉆獲水合物的站位與流體運移有著明顯的關(guān)聯(lián)性。如：日本海東緣水合物賦存區(qū)發(fā)育大量的氣煙囪、麻坑和丘狀體等構(gòu)造[64]；韓國郁龍盆地水合物賦存區(qū)和中國南海神狐海域水合物賦存區(qū)均發(fā)現(xiàn)了氣煙囪等構(gòu)造[65-66]；布萊克海臺、卡斯卡迪亞水合物脊、墨西哥灣、挪威近海Storegga滑塌區(qū)、北極地區(qū)的波弗特海和印度大陸邊緣等地水合物賦存區(qū)底辟構(gòu)造和斷層非常發(fā)育[67-70]。

2.4 水合物以固態(tài)形式賦存，生長和賦存模式多樣

以固態(tài)的形式賦存是水合物有別于其他氣藏的一個重要特征，相對于常規(guī)氣藏而言，水合物的成巖作用更類似于固體礦床[28]，在孔隙水中通過成核和生長形成的水合物顆粒將作為沉積物顆粒，參與到沉積物的膠結(jié)及成巖作用中。

在孔隙微觀尺度上，水合物在顆粒孔隙中主要包括4種生長模式[71-72]（圖6a）：①孔隙充填型。水合物在沉積物顆粒邊界或孔隙空間內(nèi)部成核，不與沉積物相依附，在孔隙空間中生長且沒有橋接兩個或更多的顆粒。②顆粒承載型。水合物橋接相鄰顆粒并且成為骨架的一部分，對沉積物的力學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響；在孔隙充填型水合物中，當(dāng)孔隙中水合物飽和度超過25%～40%時，將轉(zhuǎn)變成顆粒承載型水合物[73]。③膠結(jié)型。水合物形成并作為膠結(jié)物使相鄰的顆粒結(jié)合在一起，從而顯著增加了沉積物的剪切強度和整體剛度。④顆粒包裹型。在顆粒表面均勻形成水合物，當(dāng)水合物飽和度較高時（通常大于30%），其生長模式與膠結(jié)型模式相似[73]。在儲層宏觀尺度上，水合物主要以彌散型、結(jié)節(jié)型、脈狀型和塊狀型分布于沉積物中（圖6b）。

圖6 水合物生長和賦存模式[74-75]

2.5 存在構(gòu)造型、地層型和復(fù)合型水合物藏

盡管有學(xué)者認(rèn)為水合物藏有別于常規(guī)油氣藏，在自然界中的產(chǎn)出不需要圈閉條件，只受溫壓條件的控制，當(dāng)溫壓條件合適時烴類氣體即可與水結(jié)合形成水合物，但實際上合適的圈閉條件仍然是水合物成藏的基本條件之一[26,76]。Milkov和Sassen[52]提出了構(gòu)造型、地層型和復(fù)合型3種水合物成藏類型（圖7）。構(gòu)造型水合物藏是指熱成因氣、微生物成因氣或混合成因氣沿著斷層、泥火山和其他構(gòu)造從下部油氣系統(tǒng)快速運移至水合物穩(wěn)定帶聚集形成的水合物藏。構(gòu)造型水合物藏通常具有高水合物飽和度、高資源密度、高開采系數(shù)以及低開發(fā)成本等特征。Max和Johnson[28]認(rèn)為麥肯齊三角洲、阿拉斯加北坡和麥索亞哈地區(qū)的水合物藏是一類由構(gòu)造氣藏直接轉(zhuǎn)變而成的構(gòu)造型水合物藏，它們的勘探發(fā)現(xiàn)是基于常規(guī)油氣系統(tǒng)勘探，而不需要特殊的水合物勘探技術(shù)。地層型水合物藏指賦存在相對滲透的沉積物中，主要由原位微生物成因的甲烷或深部緩慢運移而來的甲烷形成的水合物藏。地層型水合物藏通常具有低水合物飽和度、低開采系數(shù)和高開發(fā)成本等特征，是一種次經(jīng)濟的水合物資源。但是，在日本南海海槽，賦存在砂質(zhì)沉積物中地層型水合物藏具有高水合物飽和度特征，飽和度高達(dá)82%，具有很好的勘探開發(fā)潛力，2013年在日本南海海槽成功實施了全球首個海域水合物試采[25,77]。復(fù)合型水合物藏指通過活動斷層或底辟構(gòu)造由深部快速運移而來的氣體在相對滲透的地層中形成的水合物藏。地球物理資料顯示，在里海等地區(qū)賦存著該類復(fù)合型水合物藏。

圖7 水合物成藏類型[52]

2.6 水合物儲層主要受巖性和裂隙控制，儲集體以泥質(zhì)、粉砂質(zhì)和砂質(zhì)沉積物為主

海域水合物主要儲集在第四系（Q）和新近系（N）中，沉積物往往為疏松未固結(jié)的泥質(zhì)或砂質(zhì)（或粉砂質(zhì)），孔隙度高，可達(dá)50%或更高，同時滲透性較差的泥質(zhì)沉積物在氣體通量較大的情況下依靠氣體超壓形成微裂隙，也可以成為塊狀水合物的儲層。相對而言，凍土帶的水合物更傾向于儲集在粗粒的沉積物中[78]?？傮w而言，影響水合物儲層的因素主要是沉積物的滲透性，并主要取決于巖性和裂隙的發(fā)育程度。以砂質(zhì)為主的顆粒較粗的沉積物和以泥質(zhì)為主的裂隙發(fā)育的細(xì)粒沉積物滲透性都較好，為水合物穩(wěn)定帶中的氣體等流體運移提供了條件，因而有利于水合物的聚集[79-80]。

Boswell和Collett[81]提出了“水合物資源金字塔”（the Gas Hydrates Resource Pyramid）模型（圖8），該模型不僅顯示了各種類型水合物資源的相對規(guī)模和開采難度，也顯示了水合物儲集體以泥質(zhì)、粉砂質(zhì)和砂質(zhì)沉積物為主?！八衔镔Y源金字塔”由上至下分為四大類，第一類為砂質(zhì)儲集體水合物，包括極地砂質(zhì)儲集體水合物和海域砂質(zhì)儲集體水合物，該類水合物主要以高飽和度的孔隙充填型賦存，是當(dāng)前最具經(jīng)濟價值的開采目標(biāo)，儲集體為砂質(zhì)沉積物；第二類為海域非砂質(zhì)滲透性儲集體水合物，粉砂質(zhì)沉積物中的孔隙充填型水合物屬于這種類型，儲集體為粉砂質(zhì)沉積物；第三類為海底淺表層塊狀和結(jié)核狀水合物，儲集體主要為泥質(zhì)/粉砂質(zhì)沉積物；第四類為海域弱滲透性儲集體水合物，儲集體主要以泥質(zhì)沉積物為主。

圖8 水合物資源金字塔[42,81]

2.7 水合物具有形成的“自抑性”和分解的“自保性”

水合物的生成反應(yīng)為放熱反應(yīng)，分解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。國外學(xué)者通過實驗測得甲烷、乙烷和丙烷水合物的分解熱分別為54.19±0.28kJ/mol、71.80±0.38kJ/mol和 129.2±0.4kJ/mol[43]。

水合物形成的“自抑性”體現(xiàn)在隨著水合物的形成，水合物形成速度將減慢，原因主要包括兩個方面[82-83]，一方面是水合物形成過程中放出大量的熱量，另一方面是由于氣—水接觸面上形成了一層薄的不滲透的水合物膜。當(dāng)甲烷氣體等流體運移到適宜的溫度—壓力環(huán)境時，水合物將逐漸形成，而在形成過程中將產(chǎn)生大量的熱量，當(dāng)熱量不能有效散失時，將使得局部的溫度上升，進(jìn)而對水合物的形成起到抑制作用。

水合物分解的“自保性”指水合物在離開水合物穩(wěn)定帶后依然具有相對的穩(wěn)定性，典型特征是在水合物表面形成一層薄冰，顯示出異常低的分解速率[84]。水合物分解實驗顯示，自然界中的水合物和人造的水合物在退火溫度時都展現(xiàn)出自保護(hù)效應(yīng)，并且自然界中樣品的分解速率又要顯著低于人造的水合物粉末樣品。

3 結(jié)論

水合物的形成與成藏主要受水合物穩(wěn)定條件、水源條件、氣源條件、流體運移條件和儲集空間條件等因素影響。不同地質(zhì)背景下的水合物有著不同的產(chǎn)出特征和控制因素，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1）水合物的形成與成藏受溫度和壓力條件控制是水合物藏與其他油氣藏的重要差異之一。水合物在水合物穩(wěn)定帶內(nèi)動態(tài)成藏，具有形成的“自抑性”和分解的“自保性”特征。存在資源“甜點”核心區(qū)，賦存在富砂/粉砂沉積物中的高飽和度孔隙充填型水合物是當(dāng)前水合物開發(fā)的有利目標(biāo)。

(2）氣體運移是水合物穩(wěn)定帶內(nèi)烴類氣體聚集成藏的必要途徑。盡管目前勘探發(fā)現(xiàn)的水合物藏以微生物成因氣為主，但含重?zé)N組分的熱成因氣較微生物成因氣更易形成水合物。

(3）水合物藏存在構(gòu)造型、地層型和復(fù)合型3種成藏類型水合物；在儲層宏觀尺度，水合物主要包括彌散型、結(jié)節(jié)型、脈狀型和塊狀型4種賦存方式；在孔隙微觀上，水合物主要包括孔隙充填型、顆粒承載型、膠結(jié)型和顆粒包裹型4種生長模式。

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