南海北部神狐海域W19井天然氣水合物儲層類型與特征

石思思，陳星州，馬 健，孫玉梅，孫超業(yè)

(1.北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點實驗室，北京 100871；2.北京大學(xué)石油與天然氣研究中心，北京 100871；3.中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010；4.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050047)

0 引 言

天然氣水合物(以下簡稱水合物)是由氣體分子和水分子組成的似冰狀固態(tài)結(jié)晶物質(zhì)，由于其巨大的地質(zhì)儲量和清潔無污染的特點，被視為未來最有前途的替代能源[1]，主要分布在深海海洋沉積物中[2]。布萊克海嶺水合物產(chǎn)出區(qū)沉積物粒度由于受到微化石含量的影響整體偏粗[3]；大洋鉆探204航次鉆遇的絕大多數(shù)水合物儲存在粗粒沉積地層中[4]；墨西哥灣Alaminos Canyon Block 818站位水合物層孔隙度高達(dá)0.30%[5]；麥肯齊三角洲的Mallik L-38井觀察到的水合物存在于松散的沙石中[6]。陳芳等人對2007年神狐海域的鉆探結(jié)果進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，粗砂、粗粉砂的含量與水合物飽和度有著明顯的對應(yīng)關(guān)系[7]；楊勝雄等通過對神狐W19井水合物研究后發(fā)現(xiàn)，其以厚層狀、分散狀、薄層狀和斑塊狀賦存在W19井的不同深度[8]。前人僅就水合物的賦存狀態(tài)以及儲層的整體物性進(jìn)行初步討論，并未對水合物儲層進(jìn)行詳細(xì)的分類和具體評價。2015年,通過W19井提取了該地區(qū)的沉積物粒度參數(shù)、組成成分等特征，并對該地區(qū)水合物儲層進(jìn)行分類并評價，為今后神狐海域水合物的勘探開發(fā)提供有效依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

神狐海域位于中國南海北部陸坡中段(圖1)，地理坐標(biāo)約為115 °E，20 °N，構(gòu)造上位于珠江口盆地珠二坳陷、雙峰北盆地和神狐隆起[9]，海水深度為800～2 000 m，地形變化較大，整體呈北西向南東傾斜[10]。自第三紀(jì)以來，神狐海域以富含鈣質(zhì)超微化石的半深海沉積物為主[11]，并伴隨有高沉積速率的陸源碎屑物質(zhì)的不斷輸入。前人研究表明：神狐海域陸源碎屑來源豐富且供給充足，沉積速率較高，且由于洋流、等深流和沉積物漂積等對碎屑物質(zhì)的長途搬運，使得該區(qū)域普遍發(fā)育滑塌沉積、濁流沉積等[12]。

2 材料與方法

研究材料來自南海北部神狐海域的W19井，水深為1 277 m，樣品長度為242.17 m，共采樣106件，層段位于1 390～1 440 m，該層段為水合物賦存區(qū)間，樣品在進(jìn)行巖心觀察前均低溫冷凍保存于4 ℃以下的巖心庫中。激光粒度分析：儀器選取Mastersizer 2000型激光粒度分析儀，其測量范圍為0.02～2 000.00 μm，重復(fù)測量誤差小于3%[13]；掃描電鏡：使用JSM-IT300鎢燈絲掃描電鏡進(jìn)行礦物初步鑒定，輔以EDS能譜分析；XRD測試：將樣品研磨至約300目后，使用RAPID-S型號的XRD進(jìn)行測試。

圖1 南海北部神狐海域構(gòu)造地質(zhì)

3 結(jié)果分析

3.1 巖心觀察

W19井沉積物以海洋細(xì)粒沉積為主，主要是黏土質(zhì)粉砂和粉砂(圖2)。上部儲層為1 390～1 410 m，巖性較為均一，以灰色—灰黃色黏土質(zhì)粉砂為主，巖心松散，壓實作用較弱，孔隙和裂隙發(fā)育。中部儲層為1 410～1 430 m，沉積物主要呈黃綠色的奶油狀—粥狀沉積，巖性以粉砂和黏土質(zhì)粉砂互層為主，含水率較高；其中，粥狀沉積作為水合物分解的重要指示標(biāo)志[14]，其成因是當(dāng)水合物發(fā)生分解時，水合物中的固態(tài)水轉(zhuǎn)化為自由水進(jìn)入地層中，從而使得沉積物變得松軟稀散，含水率升高[15]。下部儲層為1 430～1 450 m，沉積物主要以綠黃色粉砂為主，且由于較強的壓實作用，沉積物含水率較低，孔隙和裂隙發(fā)育程度較低。

3.2 掃描電鏡結(jié)果分析

結(jié)合SEM和EDS能譜，觀察到黃鐵礦主要表現(xiàn)為草莓狀和分散微粒狀2種形態(tài)(圖3a、b)。其中，草莓狀黃鐵礦主要生成于鈣質(zhì)超微化石內(nèi)部，微粒狀集合體主要發(fā)育于細(xì)粒沉積物中。草莓狀黃鐵礦是一種強缺氧微生物活動的指示物，其形成受到沉積物內(nèi)有機質(zhì)孔隙水中的溶解硫化物和鐵礦物的影響[16-17]。沉積物中鈣質(zhì)組分的主要來源是鈣質(zhì)超微化石，如有孔蟲(圖3c)、顆石藻(3d)等，自生方解石含量較少。

圖2 神狐海域W19井綜合柱狀圖

3.3 粒度分析

綜合多參數(shù)特征，采用McManus提出的矩值法，對沉積物的粒度參數(shù)進(jìn)行計算并得出組分隨深度變化規(guī)律(圖4)。由圖4可知，W19井整體粒度較細(xì)，以黏土質(zhì)粉砂為主。其中，黏土的平均含量約占沉積物組分的26.04%，粉砂的平均含量約占沉積物組分的67.87%，細(xì)砂的平均含量約占沉積物組分的6.09%，細(xì)砂組分和黏土組分含量曲線呈現(xiàn)較為明顯的鋸齒互補狀。細(xì)砂的含量整體較低，大多低于3.00%，但在1 395～1 425 m層位處，細(xì)砂的含量突然增加且最高達(dá)10.85%。黏土和粉砂在W19井中占據(jù)絕對優(yōu)勢，兩者的含量總和高達(dá)90.00%以上。綜合粒度特征分析可知，W19所在區(qū)域處于能量較低且相對穩(wěn)定的沉積環(huán)境，水動能變化較小且沉積物質(zhì)來源具有多源性。

3.4 XRD分析

通過對106個樣品進(jìn)行XRD全巖分析，5種主要礦物的具體含量隨深度變化見圖4。由圖4可知，方解石的含量最高，平均含量為26.90%，最高可達(dá)47.10%。方解石的高含量主要來源于以有孔蟲為主體的鈣質(zhì)超微化石。由于有孔蟲具有特殊的殼體孔隙結(jié)構(gòu)[18]，且自身粒級程度達(dá)到細(xì)砂級，因此,有孔蟲不僅增加了儲層中的粗組分含量，同時使得沉積物的孔隙度增加，為水合物的生長和儲集提供了良好的孔隙空間[19]。

圖3 神狐海域W19井掃描電鏡照片

黏土礦物和石英的含量僅次于方解石，黏土的平均含量約為26.90%，最高可達(dá)46.90%；石英的平均含量約為25.10%，最高可達(dá)39.90%。在1 400 m以上層段，黏土的含量較高，基本保持在30.00%以上，而石英的整體含量較低；在1 400 m以下層段，石英的含量明顯增加，黏土礦物的含量明顯減少，兩者的含量隨著深度的增加以相反的趨勢變化。

斜長石的平均含量為6.10%，最高可達(dá)12.20%。在1 410 m以上層段，斜長石的含量較低，一般低于10.00%；在1 410～1 430 m處，斜長石的含量陡增且達(dá)到最大值；在1 430 m以下層段，斜長石的含量隨著深度的增加又逐漸降低。

黃鐵礦的含量較低，平均在1.90%左右，其中，儲層的上部層段，黃鐵礦的含量很低，但在儲層段1 410～1 430 m內(nèi)，黃鐵礦的含量陡增，最高可達(dá)18.10%。

4 儲層類型及特征

W19井水合物顯示較好，水合物厚度近30 m。楊勝雄等對W19井的研究顯示：W19井水合物以4種不同的宏觀賦存狀態(tài)縱向不均勻地分布在同一口井中，分別是厚層狀、分散狀、薄層狀和斑塊狀[8],其代表著水合物穩(wěn)定性及含量由優(yōu)轉(zhuǎn)劣。綜合W19井的沉積物含量及粒度參數(shù)隨深度變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，厚層狀、薄層狀、分散狀、斑塊狀水合物分別賦存于不同儲層中(圖5)，根據(jù)儲層的巖性、粒度以及水合物的賦存狀態(tài)，可將儲層分為有孔蟲控制型、石英控制型、黏土控制型等3類(表1)。

圖4 W19井沉積物粒度參數(shù)和組分隨深度變化規(guī)律

其中，Ⅰ類儲層為有孔蟲控制型，深度為1 395～1 410 m，水合物以厚層狀賦存其中。該類型儲層沉積物組分中，砂含量有明顯增加，最高達(dá)到10.85%，且砂的主要貢獻(xiàn)者是有孔蟲；方解石含量增加至50.00%，黏土含量出現(xiàn)明顯降低，從44.19%逐漸下降至20.00%，石英、黃鐵礦、斜長石等礦物的含量無明顯變化；平均粒徑顯著增大，W19井的平均粒徑在1 407 m處達(dá)到最大值；分選系數(shù)較上部層段有顯著增加，由上部層段較低的1.40陡增至2.14且一直保持在2.00左右；偏度也有較大幅度的變化，從正態(tài)逐漸過渡到正偏；峰度值保持在低值0.90～1.00。上述研究表明，由于砂、粉砂等粗組分含量的增加，該層段整體粒度粗，分選較差。

圖5 神狐海域W19井3類儲層的沉積物粒度參數(shù)和組分變化特征

Ⅱ類儲層為石英控制型，深度分別為1 415～1 420 m、1 426～1 431 m，水合物以薄層狀賦存其中。該類型儲層的沉積物組分中，石英、方解石、斜長石等粗組分含量較高，使得沉積物中砂含量增加，黏土含量降低至20.00%左右；該類型儲層的平均粒徑、分選系數(shù)、偏度、峰度表現(xiàn)出雙峰的特征，且發(fā)生明顯變化，其中，1 410～1 415 m層段平均粒徑增至6.20Φ,分選系數(shù)增至2.10，偏度增至0.4，峰度則降低至0.87；1 426～1 431 m層段粒度參數(shù)總體趨勢與1 415～1 420 m相近。粒度參數(shù)的變化表明，由于砂含量的增加和黏土含量的降低，該層段整體粒度較粗，分選較好。

Ⅲ類儲層為黏土控制型，深度分別位于1 410～1 415 m、1 420～1 426 m，水合物以分散狀、斑塊狀賦存其中。該類型儲層的沉積物組分中，盡管石英、斜長石和黃鐵礦等礦物含量增加，但伴隨著方解石含量的急劇降低，黏土礦物含量的陡增，導(dǎo)致該層段砂含量幾乎降低至0.00，可見有孔蟲殼體是主要的粗組分來源；該類型儲層的平均粒徑、分選系數(shù)、偏度都呈現(xiàn)出不同程度的降低，且表現(xiàn)出單峰或多峰的特征，其中，1 410～1 415 m層段平均粒徑在1 410 m處陡然降低至7.50Φ，砂含量，分選系數(shù)降低至1.42，偏度降低至0.0，峰度則增加至1.08；1 420～1 426 m層段平均粒徑在1 424 m處降低至7.30Φ，分選系數(shù)、偏度、峰度均呈雙峰變化，總體趨勢與1 410～1 415 m相近。粒度參數(shù)的變化表明，由于砂含量的顯著降低和黏土含量的顯著增加，該層段整體粒度較細(xì)，分選較好。

表1 W19井3類儲層的分類及特征

5 結(jié) 論

(1) 神狐海域W19井的沉積物樣品的平均粒徑為6.14～7.97Φ，為黏土質(zhì)粉砂和粉砂；分選系數(shù)為1.36～2.14，整體分選較差；偏度為0.0～0.4，表現(xiàn)為正態(tài)和輕微正偏；峰度值為0.85～1.10，表現(xiàn)為平坦和正態(tài)。綜合粒度特征分析可知，W19所在區(qū)域處于能量較低且相對穩(wěn)定的沉積環(huán)境。

(2) 通過對神狐海域W19井水合物儲層進(jìn)行分類及評價，將其分為有孔蟲控制型、石英控制型、黏土控制型3類。其中，有孔蟲控制型儲層為天然氣水合物儲存的最有利層段。通過將儲層進(jìn)行分類，有效解決了水合物儲層評價不明確、有利層段描述不清等問題，對尋找研究區(qū)有利儲層具有指導(dǎo)意義。