海域天然氣水合物與傳統(tǒng)油氣垂向共生關(guān)系
——以斷裂作為輸導(dǎo)通道為例 ①

劉峻橋,楊博欽

(1.廣東石油化工學(xué)院 石油工程學(xué)院；2.廣東省非常規(guī)能源工程技術(shù)研究中心，廣東 茂名 525000)

天然氣水合物屬于高效清潔的替代型能源，在自然界中儲量巨大。隨著海洋油氣勘探的不斷深入，天然氣水合物區(qū)流體運(yùn)移對水合物成藏控制作用的研究已經(jīng)成為海洋油氣資源勘探部署不可回避的工作。我國南海海域天然氣水合物勘探實(shí)例揭示斷裂作為重要的流體運(yùn)移通道，對水合物與傳統(tǒng)油氣運(yùn)聚成藏均具有重要作用。受控于斷裂帶復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，斷裂在垂向輸導(dǎo)流體過程中受蓋層遮擋作用，會(huì)發(fā)生側(cè)向分流作用形成傳統(tǒng)油氣藏[1]，而突破蓋層的烴類流體運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶形成水合物藏[2]。天然氣水合物和傳統(tǒng)油氣資源成藏并不是完全孤立的，它們之間具有一定的共生關(guān)系。傳統(tǒng)油氣藏與天然氣水合物藏存在縱向空間分布上的共生關(guān)系主要取決于烴類流體的垂向輸導(dǎo)通道[3]，水合物藏和傳統(tǒng)油氣藏垂向共生已得到廣泛證實(shí)(表1)。因此，有效分析水合物藏與傳統(tǒng)油氣資源垂向共生關(guān)系，對于提高斷裂輸導(dǎo)條件下天然氣水合物成藏規(guī)律的認(rèn)識、降低勘探風(fēng)險(xiǎn)和成本以及豐富油氣地質(zhì)理論均具有重要意義。

表1 世界各地天然氣水合物藏與傳統(tǒng)油藏分布情況

1 氣源共生關(guān)系及烴類流體運(yùn)移方式

1.1 氣源共生關(guān)系

無論是天然氣水合物，還是傳統(tǒng)油氣資源，其成藏均需要充足的油氣源供給。研究結(jié)果顯示，由于多數(shù)水合物穩(wěn)定帶中沉積物厚度較小且總有機(jī)碳含量較低，在水合物穩(wěn)定帶內(nèi)部通過微生物作用形成的甲烷不足以形成厚的水合物層，因此，淺部的微生物成因氣和深部熱成因氣共同作為水合物成藏的主要?dú)庠碵14]。大量天然氣水合物鉆探結(jié)果均表明水合物中的氣體組分為微生物成因或混合成因類型，如墨西哥灣、黑海以及挪威海等地區(qū)，但鄂霍次克海北部Derugin盆地、毛啃氣普拉德霍灣以及中國的南海白云凹陷的鉆探結(jié)果充分顯示了深部熱成因氣在水合物聚集成藏過程中發(fā)揮了重要作用。具有熱解氣源的天然氣水合物藏一般來源于深部成熟烴源巖或泄露的油氣藏[12]。例如墨西哥灣西北陸坡Green Canyon 185區(qū)塊內(nèi)水合物中的氣體與其深部Jolliet油氣藏中所獲取的樣本基本一致，近期斷層活動(dòng)運(yùn)移的氣體大部分來自于Jolliet油氣藏，充足的氣源為水合物成藏提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[4]。世界范圍內(nèi)地化分析證實(shí)天然氣水合物甲烷成因類型既有生物氣成因類型，也有熱解成因氣類型[2]，多重證據(jù)均表明天然氣水合物與傳統(tǒng)油氣藏在來源與空間分布上存在耦合共生關(guān)系。

1.2 流體運(yùn)移方式

受原位生成的微生物氣不能滿足水合物成藏的影響，流體運(yùn)移是形成厚層水合物的重要途徑。擴(kuò)散和對流是氣體運(yùn)移的2種主要方式，擴(kuò)散是指溶解于水中的烴類流體借助濃度梯度運(yùn)移的方式，對流是指烴類流體借助于流體或以游離狀態(tài)方式運(yùn)移的機(jī)制。通常情況下，對流是一種高效能的運(yùn)移方式，有利于聚集形成傳統(tǒng)油氣藏或水合物藏。

隨著水合物勘探的不斷推進(jìn)，對天然氣水合物成藏氣源輸導(dǎo)通道的研究也不斷深入。Tréhu等[15]依據(jù)游離氣的運(yùn)移機(jī)制將天然氣水合物成藏分為匯聚高通量型和分散低通量型2種模式：匯聚高通量型天然氣水合物成藏模式，甲烷氣體表現(xiàn)為高通量、高濃度的匯聚流運(yùn)移特征，形成高飽和度的天然氣水合物藏；分散低通量型天然氣水合物藏缺乏高效能的輸導(dǎo)通道，流體運(yùn)移彌散，只能形成分散型低飽和度天然氣水合物藏。斷裂作為高效能運(yùn)移通道存在且氣體供應(yīng)充足的情況下，流體很容易運(yùn)移至淺表層[16]。

2 斷裂輸導(dǎo)通道

斷裂、底辟構(gòu)造、氣煙囪以及高滲透層通常被認(rèn)為是烴類流體運(yùn)移的主要通道，而斷層通常被視為聚集型流體運(yùn)移最根本的通道[17]。斷裂作為傳統(tǒng)油氣成藏主要的輸導(dǎo)通道已經(jīng)被包括我國的松遼盆地、渤海灣盆地以及塔里木盆地等富油氣區(qū)廣泛證實(shí)。并且在天然氣水合物勘探研究中也已發(fā)現(xiàn)斷裂作為高滲透性的通道對深部烴類流體向上運(yùn)移形成水合物藏起到了至關(guān)重要的作用，很大程度上也決定了水合物的分布與規(guī)模(表2)。例如，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在我國南海神狐海域于2007年和2015年先后進(jìn)行了GMGS1和GMGS3天然氣水合物鉆探，兩次鉆探區(qū)均位于珠江口盆地白云凹陷，鉆探顯示該區(qū)域長期活動(dòng)的大斷層與BSR發(fā)育具有良好的匹配關(guān)系，具有高效能運(yùn)移通道的GMGS3鉆探區(qū)由于深部熱成因氣的貢獻(xiàn)，其水合物規(guī)模和飽和度較缺乏高效能輸導(dǎo)通道且以淺層生物氣為主的GMGS1鉆探區(qū)高[18]。

表2 世界上天然氣水合物區(qū)流體運(yùn)移通道情況

珠江口盆地東部海域天然氣水合物成藏系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域發(fā)育有大量的深大斷裂，斷裂下部由于受流體運(yùn)移的影響，地震剖面上呈現(xiàn)出雜亂反射的特征，正是這些斷裂組成的斷裂帶活動(dòng)及其伴生微裂縫的發(fā)育，為深部流體向上運(yùn)移提供了高效能的輸導(dǎo)通道，而地震剖面上顯示出來的“氣煙囪”只是流體沿?cái)嗔褞н\(yùn)移時(shí)的地球物理響應(yīng)，斷層上方形成的水合物丘和淺表地球物理異常是高通量流體沿?cái)嗔汛瓜蜻\(yùn)移的主要標(biāo)志(圖1)[27]。泥底辟作為含氣流體輸導(dǎo)通道，在其形成演化過程中，受構(gòu)造應(yīng)力和流體壓力“交互式”作用，能夠形成不同規(guī)模的斷裂和裂縫系統(tǒng)，為深部含氣流體向淺層運(yùn)移提供輸導(dǎo)通道(圖2)[28]。眾多研究均證實(shí)了斷裂是深部熱成因氣體和下部生物氣垂向運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶的主要輸導(dǎo)通道。此外，印度KG盆地NGHP-01-10站位并沒有明顯的BSR存在，該站位位于兩套主要的共軛斷裂交匯的三角形區(qū)域內(nèi)，復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)為游離氣從深部運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶提供了高效的通道[23]。

圖1 珠江口盆地東部海域斷裂高效輸導(dǎo)流體運(yùn)聚系統(tǒng) 圖2 底辟輸導(dǎo)體系輸導(dǎo)流體模式

3 深部油氣藏、淺層油氣藏與水合物共生模式

深部烴源巖熱解形成的油氣或淺部生物氣在沿?cái)嗔汛瓜蜻\(yùn)移過程中，受到不同的儲蓋組合分布特征、圈閉保存條件以及溫壓等地質(zhì)條件的影響，通常會(huì)在深水區(qū)形成深部油氣藏、淺部形成淺層油氣藏以及深水海底超淺層形成水合物藏。結(jié)合深部油氣藏、淺層油氣層以及天然氣水合物藏成因及沿?cái)嗔逊植继卣鳎梢詫⑷叽瓜蚬采Ｊ絼澐譃?種類型(圖3)。

圖3 斷裂控制下天然氣水合物與傳統(tǒng)油氣共生關(guān)系模式

(1)深部油氣藏孤立成藏模式。深部烴源巖生成的油氣沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移，在深部封閉能力較強(qiáng)的蓋層遮擋作用下，在合適的圈閉內(nèi)形成的構(gòu)造或巖性油氣藏。由于蓋層的封蓋作用，僅在深部形成油氣藏，因此為深部油氣藏孤立成藏模式(圖3a)。(2)淺層油氣藏孤立成藏模式。淺層油氣藏油氣來源有3種：①烴源巖生成的油氣沿?cái)嗔汛瓜蜉攲?dǎo)至淺層聚集成藏；②深部油氣藏垂向調(diào)整至淺層聚集成藏；③淺層有機(jī)質(zhì)生物化學(xué)作用形成的生物氣藏。在深部油氣藏未形成或全部向上調(diào)整逸散，且在淺層保存條件良好情況下，可形成淺層油氣藏孤立成藏模式(圖3b)。(3)天然氣水合物孤立成藏模式。天然氣水合物形成的氣源主要來自淺層生物氣和深部熱解氣，此模式主要有3種情況：①淺層生物氣沿?cái)嗔堰\(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶形成水合物藏；②深部熱成因氣沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶形成孤立的天然氣水合物藏；③深部熱解氣與生物成因氣均沿?cái)嗔演攲?dǎo)至水合物穩(wěn)定帶形成水合物藏。受輸導(dǎo)通道發(fā)育特征或深、淺層油氣保存條件影響，該模式僅發(fā)育天然氣水合物藏(圖3c)。(4)深部油氣藏與水合物藏共生模式。該模式存在3種情況：①烴源巖生成的油氣被深層適當(dāng)圈閉捕獲形成深部油氣藏，同時(shí)，部分油氣沿?cái)嗔牙^續(xù)向上運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶形成水合物藏；②烴源巖生成的油氣沿?cái)嗔汛瓜蜻\(yùn)移至合適圈閉內(nèi)形成深部油氣藏，同時(shí)，淺層生物氣沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移形成水合物藏；③烴源巖生成的油氣運(yùn)移形成深部油氣藏，部分油氣突破蓋層繼續(xù)向上運(yùn)移與淺層生物氣共同形成水合物藏(圖3d)。由于天然氣水合物達(dá)到一定濃度條件時(shí)本身就是良好的蓋層，在高通量運(yùn)移條件下，水合物藏之下通常發(fā)育淺層氣藏。因此，形成水合物藏但淺層未見游離氣藏一般代表沒有高通量流體供給。(5)深部油氣藏與淺層油氣藏共生模式。此種模式下，淺層油氣藏氣源來自深部烴源巖、淺層生物氣或二者共同供給，而深部油氣藏主要來自深部烴源巖(圖3e)。導(dǎo)致超淺層未形成水合物藏的原因可能是：淺部存在良好的蓋層封堵或水合物穩(wěn)定帶內(nèi)不具備相應(yīng)的溫壓等成藏條件。(6)淺層油氣藏與水合物藏共生模式。深部烴源巖生成的油氣直接運(yùn)移至淺層形成淺層油氣藏以及超淺層的水合物藏；淺層生物氣沿?cái)嗔堰\(yùn)移同時(shí)形成水合物藏與淺層油氣藏(圖3f)；早期形成淺層油氣藏，后期斷裂再活動(dòng)調(diào)整部分油氣運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶形成水合物藏。(7)深部油氣藏、淺層油氣藏與水合物藏共生模式。深部烴源巖生成的油氣沿?cái)嗔汛瓜蜻\(yùn)移過程中，在深部及淺層側(cè)向分流至相應(yīng)的圈閉內(nèi)聚集成藏，突破蓋層持續(xù)運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶形成水合物藏。此外，淺層生物氣可以與深部油氣共同為淺部油氣藏和水合物藏提供來源(圖3g)。深部油氣藏形成后遭受破壞，可以作為淺層油氣藏及水合物藏的來源，淺層油氣藏也可以作為水合物藏的來源。

4 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)油氣藏與天然氣水合物藏在烴源供給上具有成因聯(lián)系，輸導(dǎo)斷裂是深部熱成因氣體和淺層生物氣垂向運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶的主要輸導(dǎo)通道，深部油氣藏可為淺層油氣藏及水合物藏提供烴源條件，淺層油氣藏也可為水合物藏提供烴源條件，水合物又可以作為蓋層為淺層油氣層提供遮擋作用。(2)深部油氣藏、淺層油氣藏及天然氣水合物藏在縱向上沿?cái)嗔丫哂幸欢ǖ墓采M合關(guān)系，按照三者垂向分布關(guān)系可以劃分為深部油氣藏孤立成藏模式、淺層油氣藏孤立成藏模式等7種共生模式。