日本南海海槽東部天然氣水合物產(chǎn)出與富集特征

趙克斌

(中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214126)

日本南海海槽作為日本天然氣水合物研究的重點(diǎn)區(qū)域，迄今已持續(xù)進(jìn)行了20多年水合物研究工作[1-3]，其間開(kāi)展了大量地質(zhì)調(diào)查、地震勘探、地球化學(xué)勘探、海洋電磁測(cè)量以及鉆探研究，并實(shí)施了2次水合物開(kāi)采試驗(yàn)，是日本乃至全世界最為突出的天然氣水合物熱點(diǎn)研究區(qū)之一。特別是在南海海槽東部海域，自1999年以來(lái)開(kāi)展了多輪水合物鉆探測(cè)井與取心研究[1, 3-6]；同時(shí)，大洋鉆探計(jì)劃(ODP)與綜合大洋鉆探計(jì)劃(IODP)也在該海域開(kāi)展了多個(gè)鉆探航次[7]。通過(guò)上述研究，加深了對(duì)該海域天然氣水合物發(fā)育背景與賦存特征的認(rèn)識(shí)，初步查明了水合物富集區(qū)與富集層段分布規(guī)律。

本文基于日本南海海槽東部天然氣水合物勘探與綜合大洋鉆探計(jì)劃研究成果，對(duì)該海域水合物發(fā)育背景與賦存特征進(jìn)行了分析，明確了南海海槽東部水合物富集區(qū)分布特征，指出在氣源充足的前提下，富砂儲(chǔ)層是形成水合物富集區(qū)的關(guān)鍵因素，強(qiáng)調(diào)砂質(zhì)儲(chǔ)層與泥質(zhì)蓋層的合理配置有利于形成高品位水合物資源，我國(guó)天然氣水合物富集區(qū)優(yōu)選可以借鑒這些認(rèn)識(shí)。

1 水合物發(fā)育的地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造背景與沉積環(huán)境

日本南海海槽位于日本島弧西南，從本州島中部駿河灣海域一直延伸到四國(guó)島以南海域，再延伸到九州島東南海域。該海槽形成于上新世以來(lái)菲律賓板塊向歐亞板塊的俯沖作用[8]。菲律賓板塊在此以每年3～5 cm的速度俯沖到歐亞板塊之下，伴隨著強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)，使南海海槽成為現(xiàn)今構(gòu)造活動(dòng)最活躍的地帶之一。菲律賓板塊俯沖及其后的一系列構(gòu)造擠壓和再沉積作用在南海海槽區(qū)形成了一個(gè)平行于海溝的巨大增生楔形體。在板塊俯沖過(guò)程中，因增生楔形體的不斷擴(kuò)大使弧間巖石圈撓曲并下沉從而形成了多個(gè)弧前盆地，如位于南海海槽東北部的熊野盆地與遠(yuǎn)洲海槽等。這些弧前沉積盆地以早期形成的增生楔為基底[9](圖1)，分布于水深約800～2 000 m 的海槽向陸側(cè)斜坡區(qū)[8]，具備海域天然氣水合物形成所要求的基本水深條件。

海槽向陸側(cè)因一系列脊隆和脊間階地的抬升作用而延伸到九州、四國(guó)和本州島近海的外陸架區(qū)。在海槽北部向陸側(cè)斜坡區(qū)，弧前盆地內(nèi)重力流沉積物非常豐富[9]。盆地填充地層年代較新，上新世沉積層厚約1 km[8]，富砂層較為發(fā)育，具備良好的水合物儲(chǔ)集條件。根據(jù)IODP鉆探研究資料，該區(qū)斜坡盆地可劃分出3套地層：(1)底部楔形塊體流沉積層，包括早期沉積的塊體流沉積和后期夾有層狀砂、粉砂和火山灰的綠色—灰色粉砂質(zhì)黏土層；(2)中部濁積流沉積層，主要為夾有綠色—灰色粉砂質(zhì)黏土和火山灰層的粗粒濁積層；(3)表層塊體流沉積層，主要為含有火山灰和砂質(zhì)粉砂的半遠(yuǎn)洋泥質(zhì)沉積層[9]。

在早期增生楔內(nèi)部，斷裂系統(tǒng)十分發(fā)育，形成了弧前盆地邊界斷層帶、多分支斷層帶、疊瓦狀斷層帶、前緣逆沖斷層帶等多個(gè)斷裂分布單元[9]。增生楔形成過(guò)程中伴隨著明顯的富烴流體排放作用，這些富含甲烷的地層流體可沿?cái)嗔雅c沉積層顆粒間孔隙向上流動(dòng)，對(duì)淺部沉積層中水合物的形成起到了很大促進(jìn)作用[10]。斷裂系統(tǒng)的廣泛發(fā)育，不僅可為深部熱成因氣，也可為淺部生物成因氣提供良好運(yùn)移通道，有利于天然氣水合物穩(wěn)定帶之內(nèi)水合物的形成與富集。

增生楔構(gòu)造、斷裂系統(tǒng)與重力流富砂沉積層的廣泛發(fā)育，使得南海海槽區(qū)具備形成水合物的天然氣運(yùn)移與儲(chǔ)集的優(yōu)良環(huán)境，為該區(qū)天然氣水合物的形成與富集奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，提供了有利的儲(chǔ)集空間。

1.2 水合物鉆探區(qū)地質(zhì)特征

海槽區(qū)水深介于4 500～4 900 m，海槽西南部較深，向東北變淺。迄今為止，南海海槽天然氣水合物研究主要集中于海槽東北部的槽坡區(qū)，在熊野灘、第二渥美海丘以及日本東海海域(圖2)都進(jìn)行了多輪鉆探研究[11-13]。

作為南海海槽北部斜坡區(qū)最大的弧前盆地[14]，熊野盆地及其鄰近區(qū)是南海海槽天然氣水合物研究的重點(diǎn)區(qū)域。早年IODP315航次在熊野盆地的鉆探研究揭示，該盆地第四系富砂沉積物廣泛分布，沉積速率通常大于800 m/Ma[7]。該航次在熊野盆地西南邊緣C0002站位(圖1)的鉆探研究中，實(shí)施了2口井的鉆探工作并分別在海底以下0～204 m和475～1 057 m 2個(gè)層段開(kāi)展了取心研究。根據(jù)2口井巖性特征，將取心層段分為上弧前盆地、下弧前盆地、弧前盆地基底和上部增生楔4種地層單元。相比而言，上弧前盆地和下弧前盆地單元砂質(zhì)與粉砂質(zhì)沉積物含量更為豐富，沉積速率更高。從C0002D井研究結(jié)果看，該井鉆遇的上弧前盆地地層單元和下弧前盆地地層單元均為第四系。上部取心單元巖性為半深海泥質(zhì)與粉砂質(zhì)沉積物以及富含火山灰的細(xì)砂與粉砂質(zhì)濁積物；下部取心單元巖性也為半深海泥質(zhì)與粉砂質(zhì)沉積物以及細(xì)砂與粉砂質(zhì)濁積物，但很少含有火山灰[7]。從巖性縱向分布看，上部黏土層較為發(fā)育，下部砂質(zhì)含量較豐富(圖3)。

圖1 日本南海海槽東部增生楔構(gòu)造及地層學(xué)特征據(jù)參考文獻(xiàn)[7]，修改。

圖2 日本南海海槽東部2004年天然氣水合物鉆探區(qū)分布[13]

圖3 日本南海海槽熊野盆地西南邊緣IODP315航次C0002站位C0002D井巖性分布[7]

在熊野盆地東部第二渥美海丘北坡天然氣水合物勘探過(guò)程中確定了一個(gè)面積約12 km2的水合物富集區(qū)(即β水合物藏)，迄今已實(shí)施2次水合物試采研究。β水合物藏分布水深介于857～1 405 m，水合物開(kāi)采井水深約1 000 m，水合物富集層段位于海底以下275～337 m[15]的第四系中—上更新統(tǒng)小笠群深水濁積河道系統(tǒng)之中[5, 16-17]，其下部以不整合方式與掛川群地層單元相接觸。地震地層學(xué)研究將β水合物藏從下向上依次劃分為Og-a—Og-i共9個(gè)單元[18]，其中Og-b砂質(zhì)沉積單元構(gòu)成了該水合物藏的下部富集層段，Og-c砂層—泥層互層單元構(gòu)成了該水合物藏的上部富集層段[19]，Og-c 單元上方為Og-d—Og-h泥質(zhì)沉積層(圖4)[16, 19]。

圖4 日本南海海槽東部第二渥美海丘天然氣水合物藏地層分布[19]

β水合物藏鉆探揭示的地層分布，與早年綜合大洋鉆探計(jì)劃C0002站位獲得的熊野盆地地層巖性分布具有較好的相符性，表明該海域深部發(fā)育富砂沉積層，上部存在連續(xù)性良好的泥質(zhì)沉積層，可對(duì)形成水合物的氣體起到較好的封存作用，有利于深部富砂層形成較高資源品位水合物藏。

2 水合物產(chǎn)出與賦存特征

2.1 水合物產(chǎn)出特征

海槽第二渥美海丘的鉆探取心研究證實(shí)，天然氣水合物分布具有明顯的不均勻性，優(yōu)先賦存于多孔濁積砂層之內(nèi)，以孔隙填充型產(chǎn)出[5-6, 11-12, 18]，泥質(zhì)沉積層中未發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的脈狀與層狀水合物[15]。早年在日本東海海域MITI井的水合物鉆探取心研究，也揭示水合物賦存于夾雜有粉砂層與泥質(zhì)層的細(xì)粒—中等粒度砂層，填充于粒間孔隙之中，極少賦存于泥質(zhì)沉積層[4]。海槽東部迄今為止已實(shí)施了數(shù)十口井的水合物鉆探研究，僅在熊野灘海域的泥質(zhì)沉積層中采出了肉眼可見(jiàn)的塊狀水合物樣品[11]。整體看來(lái)，海槽區(qū)天然氣水合物主要產(chǎn)于第四系未固結(jié)富砂儲(chǔ)層中，孔隙填充型水合物占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[20]。富砂儲(chǔ)層孔隙發(fā)育良好，儲(chǔ)氣能力強(qiáng)，易于形成水合物富集區(qū)(表1)。根據(jù)不同研究者不同時(shí)期的研究結(jié)果，海槽東部富砂儲(chǔ)層中水合物飽和度一般介于50%～60%，可高達(dá)80%～90%[1, 20-21]。

2.2 水合物富集層段巖性特征

通過(guò)研究水合物賦存層段巖相及其粒度分布特征，明確了沉積層巖性與水合物富集區(qū)之間的關(guān)系。研究中對(duì)采自第二渥美海丘β水合物藏的巖心樣品依其巖性特征進(jìn)行了分類，確定了A、B、C、D計(jì)4種不同的巖相類型。其中A類樣品為塊狀砂質(zhì)粉砂—粉砂質(zhì)砂，顆粒較粗，分選性較差；B類樣品為具有平行或交叉層理的砂層—砂質(zhì)粉砂層互層，其中砂層中富含云母礦物；C類樣品為具有粒序?qū)永淼纳百|(zhì)粉砂薄層，呈近平行向分布；D類樣品為整塊狀黏土質(zhì)粉砂層，有生物擾動(dòng)痕跡。結(jié)合β水合物藏縱向地層分布，可以看出，A類樣品均采自水合物藏最下部的河道填充濁積層；B類樣品主要分布于河道填充濁積層上方具有砂層—泥層互層的薄層狀濁積層；C類樣品分布范圍從底部河道濁積層到其上方薄層狀濁積層；D類樣品主要采自水合物藏上方的泥質(zhì)蓋層[18-19]。天然氣水合物富集區(qū)主要分布于砂質(zhì)含量較高、顆粒較粗的下部河道填充濁積層和中部薄層狀濁積層之中[22]，形成了上下2個(gè)水合物富集單元。將上述水合物巖心樣品巖相特征疊置于Shepard巖性分布三元圖(圖5)上，可更直觀地看出水合物富集區(qū)與儲(chǔ)層巖性之間的相關(guān)性。采自水合物富集層的A類、B類和C類樣品主要由砂、粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂組成，而采自水合物上方蓋層的D類樣品則主要為黏土質(zhì)粉砂。

表1 日本南海海槽東部α和β水合物富集區(qū)水合物產(chǎn)出特征[11-12,20]

通過(guò)考察取心層段孔隙水氯離子濃度、巖心溫度、水合物飽和度以及儲(chǔ)層巖性分布特征，同時(shí)結(jié)合測(cè)井結(jié)果，從另一角度展現(xiàn)了水合物富集區(qū)與富砂層之間的相關(guān)性。早年在南海海槽東部日本東海海域MITI水合物井鉆探研究中，分析了MITI主井及BH-1鉆前勘測(cè)井巖心樣品的巖性與孔隙水氯離子濃度分布。結(jié)果表明，采自黏土與粉砂質(zhì)沉積層的巖心樣品孔隙水氯離子濃度整體上近似于海水而砂層巖心樣品孔隙水氯離子濃度大多出現(xiàn)低值異常，粉砂層巖心樣品氯離子濃度也有部分表現(xiàn)為低值異常(圖6)[1]，表明相對(duì)于黏土層與粉砂層，水合物更傾向于富集在砂層中。從圖6還可以看，出，巖心熱紅外低溫異常、孔隙水氯離子濃度低值異常與電阻率測(cè)井高值異常吻合性較好，高飽和度水合物發(fā)育區(qū)與富砂層分布區(qū)之間密切相關(guān)[4]。

圖5 日本南海海槽東部第二渥美海丘β水合物藏巖心樣品巖性分布三元圖[22]

圖6 日本南海海槽東部水合物富集區(qū)鉆探主井巖心測(cè)量結(jié)果與PSW-1鉆后研究井電阻率測(cè)井曲線據(jù)參考文獻(xiàn)[4]修改。

2.3 水合物組分特征與結(jié)構(gòu)類型

為了研究南海海槽區(qū)形成水合物的氣體的來(lái)源與水合物結(jié)構(gòu)類型，進(jìn)一步加深對(duì)該區(qū)水合物成因、成藏特征的認(rèn)識(shí)，在2013年該海槽區(qū)首次水合物試采研究之前，對(duì)采自β水合物藏的28個(gè)巖心樣品進(jìn)行了組分與結(jié)構(gòu)方面的詳細(xì)分析。采用氣相色譜儀、質(zhì)譜儀、核磁共振分光儀以及拉曼分光儀等儀器研究了水合物分解氣的氣體組成、甲烷碳同位素特征以及水合物晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，水合物樣品不論是直接降壓分解還是經(jīng)降壓—快速淬火處理后分解，所產(chǎn)氣體中甲烷成分都占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。表2列出了部分水合物巖心樣品分解氣成分與甲烷碳同位素組成[23]，可以看出，所有樣品中甲烷含量都高達(dá)99.9%以上，且均含有少量乙烷，經(jīng)淬火處理的樣品中還檢出了少量乙烷以上的氣態(tài)烴。甲烷碳同位素介于-57‰～-69‰。從水合物分解氣含量縱向分布看，乙烷含量在海底以下290～295 m和314～317 m層段有所增加，同時(shí)，這些層段C1/C2+比值有所降低(圖7)，指示有少量熱成因氣混入的可能。13C單脈沖核磁共振光譜分析出現(xiàn)1個(gè)主峰與1個(gè)次峰，分別指示水合物晶體中較大與較小2種籠體中的甲烷分子。拉曼光譜分析結(jié)果同樣出現(xiàn)一大一小2個(gè)光譜峰，對(duì)應(yīng)著水合

表2 日本南海海槽區(qū)水合物巖心樣品分解氣組分與甲烷碳同位素比值

圖7 水合物樣品中乙烷濃度(a)與C1/C2+比值(b)隨深度變化[23]

物結(jié)構(gòu)中2種規(guī)格籠體中的甲烷分子。綜合水合物巖心樣品13C核磁共振與拉曼光譜特征分析結(jié)果，以及水合物分解氣甲烷占比與甲烷碳同位素組成特征，推斷該海域天然氣水合物為主要由生物成因氣形成的Ⅰ型水合物，水合數(shù)為6.1[23]。

關(guān)于南海海槽區(qū)天然氣水合物組分與氣源特征，早年在該海槽其他海域的研究也獲得了相似的結(jié)果。1999—2000年間，在南海海槽東北部的日本東海海域開(kāi)展的第一輪天然氣水合物鉆探研究，就已發(fā)現(xiàn)該區(qū)水合物分解氣中甲烷占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，僅出現(xiàn)少量乙烷，C1/C2值介于4 392～5 363[6]，水合物分解氣甲烷碳同位素比值介于-96‰～63‰，具有明顯的生物成因氣特征[6]。在生物成因氣水合物氣源方面，研究認(rèn)為海槽東部形成水合物的生物氣主要源于CO2微生物分解作用。但相關(guān)研究表明，該區(qū)第四系地層有機(jī)碳含量普遍較低，β水合物藏所處的更新統(tǒng)有機(jī)碳含量約為0.5%[2]，生物氣如何能夠?yàn)樵搮^(qū)1.1×1012m3的水合物估算資源量提供充足的氣源，仍是一個(gè)有待研究的問(wèn)題。

4 結(jié)論與啟示

4.1 結(jié)論

(1)日本南海海槽區(qū)強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)為天然氣水合物的形成與儲(chǔ)集提供了良好的氣源、運(yùn)移與儲(chǔ)集條件。南海海槽地處菲律賓板塊和歐亞板塊的匯聚邊界，強(qiáng)烈的板塊碰撞作用形成了一個(gè)巨大的增生楔，并在從海槽槽底到海槽北部向陸側(cè)斜坡區(qū)形成了多種類型斷層帶，海槽北部斜坡水深較淺區(qū)發(fā)育多個(gè)弧前盆地，重力流富砂沉積豐富，沉積速率快，地層孔滲條件較好，有利于形成水合物的氣體運(yùn)移、儲(chǔ)集與高飽和度水合物藏的形成。

(2)海槽東部第二渥美海丘區(qū)天然氣水合物產(chǎn)出形態(tài)以孔隙填充型為主，在河道砂濁積層及其上部薄層狀濁積層中形成了2個(gè)水合物富集單元。海槽東部β水合物藏鉆探取心與測(cè)井研究表明，水合物主要以分散態(tài)填充于富砂層顆粒之間的孔隙之中，產(chǎn)出形態(tài)以孔隙填充型占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。水合物富集于河道填充濁積層與其上部由砂—泥互層構(gòu)成的薄層狀濁積層之內(nèi)，富砂層中水合物飽和度最高可達(dá)90%，泥質(zhì)層段水合物飽和度極低。

(3)海槽東部天然氣水合物氣源以生物成因氣為主導(dǎo)，結(jié)構(gòu)類型為Ⅰ型。綜合水合物分解氣中甲烷含量、甲烷碳同位素比值以及水合物樣品13C核磁共振與拉曼光譜特征分析結(jié)果，推斷南海海槽東部天然氣水合物為Ⅰ型結(jié)構(gòu)水合物，氣源主要為生物成因氣，但也存在少量熱成因氣混入的可能性。

4.2 啟示

(1)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的近海陸坡區(qū)是海域天然氣水合物富集的有利場(chǎng)所。陸坡區(qū)沉積速率較快，沉積物含有機(jī)質(zhì)豐富且顆粒相對(duì)較粗，為生物氣的形成與天然氣的儲(chǔ)集提供了優(yōu)良的沉積環(huán)境。特別是在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的區(qū)域，如海底增生楔、斷裂帶、底辟以及泥火山發(fā)育區(qū)，天然氣運(yùn)移通道條件較好，使得天然氣能夠順利進(jìn)入淺部水合物穩(wěn)定帶。相對(duì)于深海平原，近海陸坡區(qū)往往更易于形成具有較高資源品位的天然氣水合物藏。

(2)局部富砂儲(chǔ)層的發(fā)育是形成天然氣水合物富集區(qū)的關(guān)鍵因素。全球半個(gè)世紀(jì)的天然氣水合物勘探研究表明，分散狀是自然界天然氣水合物最主要的賦存狀態(tài)。分散狀水合物的資源潛力，不能僅通過(guò)水合物飽和度進(jìn)行判斷，必須同時(shí)考慮水合物儲(chǔ)層的孔滲性能。在天然氣水合物穩(wěn)定帶之內(nèi)，局部富砂層具有較強(qiáng)的形成水合物的氣體儲(chǔ)集能力，導(dǎo)致水合物富集區(qū)往往優(yōu)先發(fā)育于富砂層段。因此，富砂層水合物藏應(yīng)成為水合物富集區(qū)優(yōu)選的重點(diǎn)目標(biāo)。

(3)局部富砂儲(chǔ)層與泥質(zhì)蓋層的合理配置有利于形成高品位水合物資源。若要形成具有資源品位的水合物藏，儲(chǔ)集層具有合適的孔滲條件與較強(qiáng)的儲(chǔ)氣能力是重要前提。儲(chǔ)集層上方存在封蓋性能良好的地層，無(wú)疑有利于儲(chǔ)集層中氣體的保存與高品位水合物資源的形成。自然界天然氣水合物通常在未固結(jié)富砂儲(chǔ)層中發(fā)生富集，水合物富集區(qū)往往上覆具有一定厚度的低滲透性泥質(zhì)沉積層。在氣源充足的前提下，局部富砂儲(chǔ)層與區(qū)域性泥質(zhì)蓋層的合理配置是形成高品位水合物資源的有力保障。