瓊東南盆地盆底平原區(qū)天然氣水合物成礦條件及成藏模式

朱繼田 鄧 勇 郭明剛 宋 鵬 熊小峰 毛雪蓮 李 芳 黃時(shí)卓 賀 懿 任 婷

(中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

天然氣水合物是天然氣和水在一定溫度、壓力(高壓、低溫)條件下形成的一種類似冰狀的籠型化合物[1-4]，分布在溫度與壓力控制的一個(gè)穩(wěn)定域內(nèi)。水合物在地震剖面上往往表現(xiàn)為強(qiáng)振幅、地層上拱、相位反轉(zhuǎn)等特征，并且在水合物和游離氣界面處可能出現(xiàn)似海底反射[5-8](BSR)。在砂泥巖地層中與圍巖、水層、氣層相比，水合物表現(xiàn)為高阻抗、高縱波速度、高電阻率的“三高”特征[9-11]。

根據(jù)全球水合物勘探實(shí)踐，以砂質(zhì)為主的顆粒較粗的沉積物滲透性較好，為水合物穩(wěn)定域中的流體運(yùn)移提供了條件，有利于水合物的聚集；水合物穩(wěn)定域原位生成的微生物甲烷氣體較少[12]，多數(shù)情況下不足以形成水合物富礦，需要水合物穩(wěn)定域外部特別是深部的成熟氣體運(yùn)移進(jìn)入水合物穩(wěn)定域內(nèi)，來補(bǔ)充形成水合物富礦所需要的氣量，因此具有煙囪[13-14]、裂縫、斷層等運(yùn)移通道的水合物目標(biāo)更易形成高豐度水合物礦藏?；诖耍诃倴|南盆地進(jìn)行水合物勘探，需要努力尋找油氣運(yùn)移通道發(fā)育的砂質(zhì)儲(chǔ)層目標(biāo)，但受到資料條件和研究程度所限,目前在該地區(qū)仍未找到適合開發(fā)的、規(guī)模發(fā)育的砂巖型水合物礦藏，亟需對(duì)水合物的富集規(guī)律和資源潛力開展系統(tǒng)研究。

1 區(qū)域地質(zhì)背景與目標(biāo)區(qū)概況

瓊東南盆地是新生代發(fā)育的被動(dòng)大陸邊緣盆地，經(jīng)歷了古近紀(jì)斷陷、新近紀(jì)拗陷的演化歷程，沉積地層由古近系始新統(tǒng)嶺頭組、漸新統(tǒng)崖城和陵水組，新近系中新統(tǒng)三亞組、黃流組和梅山組，上新統(tǒng)鶯歌海組以及第四系樂東組組成[15]，發(fā)育始新統(tǒng)湖相、漸新統(tǒng)海相-海陸過渡相兩套烴源巖以及潛山、古近系三角州、新近系—第四系海底扇與濁積水道等多種儲(chǔ)層，具有垂向、側(cè)向、垂向+側(cè)向油氣運(yùn)移方式和晚期成藏特征[16]。該盆地具有“南北分帶、東西分塊”特征，可劃分為北部坳陷、中部隆起、中央坳陷和南部隆起；中央坳陷在古近紀(jì)由樂東、陵水、北礁、松南、寶島、長(zhǎng)昌凹陷等負(fù)向單元以及陵南低凸起、松南低凸起等正向單元組成[17]，在新近紀(jì)—第四紀(jì)形成統(tǒng)一坳陷接受沉積，坳陷中央地勢(shì)平坦,最大水深2 500 m。目前瓊東南盆地已落實(shí)水合物目標(biāo)主要集中于陸坡區(qū)和盆底平原區(qū)，水深1 500～2 500 m。

瓊東南盆地深水區(qū)采集了多批次二維、三維地震資料，并且三維地震采集覆蓋了中央坳陷大部分地區(qū)，具備開展水合物研究的資料基礎(chǔ)。根據(jù)地球物理特征分析，結(jié)合深水沉積體系、烴源及運(yùn)移條件、穩(wěn)定域等基礎(chǔ)研究，在該盆地陸坡區(qū)和盆底平原區(qū)落實(shí)了多個(gè)水合物目標(biāo)。相比而言，盆底平原區(qū)水合物目標(biāo)分布面積大，重力流砂質(zhì)沉積發(fā)育，鄰近生烴中心且具有充足的深部烴源，下部煙囪、斷層、裂縫等油氣運(yùn)移通道發(fā)育，易于形成水合物富集區(qū)；同時(shí)，該區(qū)域地形平緩，便于工程作業(yè)，是水合物勘探的首選區(qū)。

研究表明，深水區(qū)盆底平原H區(qū)是瓊東南盆地水合物富集區(qū)之一，該區(qū)水深范圍1 480～1 805 m，海底坡度0～2°，海底溫度2～3 ℃；水合物目標(biāo)鄰近X、Y氣田，主體橫跨北礁凹陷和松南低凸起，部分分布在陵南低凸起上；區(qū)內(nèi)煙囪、斷層、裂縫等天然氣運(yùn)移通道密集發(fā)育，既發(fā)育類似中央峽谷氣田的西物源水道-水道化海底扇厚層砂質(zhì)沉積儲(chǔ)層，又發(fā)育北物源海底扇儲(chǔ)層；多套水合物目的層縱向疊合良好，橫向分布面積大。從地球物理特征來看，H區(qū)目的層高縱波速度、高阻抗、高電阻特征明顯，水合物信息好；從以往的勘探實(shí)踐來看，中央峽谷氣田區(qū)、松南低凸起及周緣有多口常規(guī)探井在淺部地層鉆遇疑似水合物分解產(chǎn)物，揭示區(qū)內(nèi)水合物分布廣泛，主要分布在第四系樂東組，具有一定的振幅異常且深部通道清晰。其中，X氣田實(shí)施開發(fā)工程調(diào)查時(shí)在海底淺表層已取得水合物樣且點(diǎn)火可燃，證實(shí)該區(qū)具備水合物成礦條件，水合物的底界在地震剖面上表現(xiàn)為強(qiáng)振幅特征。因此，綜合研究認(rèn)為H區(qū)水合物潛在資源豐富，可優(yōu)先進(jìn)行勘探評(píng)價(jià)，如有發(fā)現(xiàn)則可依托已發(fā)現(xiàn)氣田進(jìn)行開發(fā)。

2 水合物成礦條件

中國(guó)海油在瓊東南盆地深水區(qū)開展油氣勘探已有多年，主要以淺層氣藏和中深層氣藏為目標(biāo)進(jìn)行鉆探部署。為了規(guī)避水合物的影響和確保鉆井作業(yè)的順利安全，開展了大范圍的淺地層水合物異常體解釋，以優(yōu)化鉆探靶點(diǎn)為目標(biāo)，并未把水合物作為資源進(jìn)行針對(duì)性勘探。同時(shí)，由于淺地層鉆探時(shí)未建立循環(huán)，缺乏巖屑、氣測(cè)數(shù)據(jù)及測(cè)井資料，造成對(duì)淺地層的巖性、含油氣情況、沉積旋回及沉積序列等認(rèn)識(shí)不清，加之淺部地震資料采集處理未針對(duì)水合物進(jìn)行，導(dǎo)致以往的研究只是從局域或鉆孔規(guī)避淺層風(fēng)險(xiǎn)的角度出發(fā)，未針對(duì)淺層氣及水合物成藏條件開展宏觀、全局的系統(tǒng)研究。因此，以深水區(qū)盆底平原的H區(qū)為目標(biāo)，系統(tǒng)開展淺層水合物成礦條件、成藏模式研究和資源潛力評(píng)價(jià)，需要?jiǎng)?chuàng)造性地利用各種資料，包括淺水區(qū)鉆井巖屑資料、大洋鉆探資料、地震資料、水合物調(diào)研資料等；同時(shí)，需要獲取一些新資料(如電法勘探資料)，或?qū)ΜF(xiàn)有三維地震資料進(jìn)行針對(duì)性重處理，以使淺層地震頻譜得到有效拓寬和速度異?？坍嫺泳?xì)；在此基礎(chǔ)上，綜合各學(xué)科研究成果，開展目標(biāo)區(qū)水合物成礦條件的精細(xì)評(píng)價(jià)。

2.1 沉積與儲(chǔ)層條件

水合物在砂質(zhì)地層和泥巖中均可成藏，一般來說高飽和度砂巖型或裂隙型水合物藏才有開采價(jià)值，因此需重視水合物儲(chǔ)集層沉積體系研究。根據(jù)1146站浮游有孔蟲組合分析，南海北部在2.1、1.6、0.9和0.5 Ma發(fā)生水體結(jié)構(gòu)變化[18]，表明該地區(qū)在第四紀(jì)經(jīng)歷了多期海平面變化；根據(jù)西科1井高精度層序格架剖面分析，瓊東南盆地第四紀(jì)經(jīng)歷了5期海平面升降。通過井、震資料結(jié)合分析，在瓊東南盆地第四系識(shí)別出5套層序，在層序界面約束下解釋出多期塊體流和多套重力流含砂沉積體(圖1)；這些塊體流及含砂沉積體的物源主要分北、南、西等3個(gè)方向，北部物源主要來自寧遠(yuǎn)河、陵水河和萬泉河，南部物源源自南部隆起，西部物源主要由昆嵩隆起方向提供。淺層傾角體切片顯示，上述3個(gè)方向物源特征清晰(圖1a)，其中西部物源的大量輸入使得第四系坡折不斷往東南遷移，即從T20到現(xiàn)今海底坡折是自二號(hào)斷裂帶一直推進(jìn)至陵水25區(qū)附近(圖1b)，因此砂體分布在中央坳陷并呈北東向展布，地震剖面上西高東低、從西往東推進(jìn)的特征清晰，與砂體垂直的南北向地震剖面上可見明顯下切水道外形，與現(xiàn)今海底形態(tài)吻合良好(圖1d)。從古地貌來看，瓊東南盆地在樂東期具有類似于中新統(tǒng)黃流組—上新統(tǒng)鶯歌海組沉積期的峽谷地形，發(fā)育相似的西部物源條件，推測(cè)第四系西部物源砂質(zhì)沉積物發(fā)育；而且，北部陸架區(qū)在樂東期也具有一定的供源能力，北部陵水河等河流形成的早期高位三角洲剝蝕經(jīng)由水道進(jìn)入陸坡之下深水區(qū)，在中央坳陷北陸坡及深海平原區(qū)淺層可形成海底扇等含砂質(zhì)沉積體。鉆井揭示，盆地北部鶯歌海組-樂東組砂質(zhì)沉積物發(fā)育，陵水河流域供源的3口井中鶯歌海組砂質(zhì)沉積物及砂巖厚度25～304 m(平均125 m)，樂東組砂質(zhì)沉積物厚度59～118 m(平均98 m)，厚度均較大，可為后期重力流沉積提供較好的物源。此外，北陸坡下的淺層海底扇沉積體在地震剖面上呈現(xiàn)從北向南前積特征，東西向則表現(xiàn)為雙向下超特點(diǎn)(圖1c)。南部物源主要來自南部隆起，南部隆起在樂東期已沒于水下，主要提供泥質(zhì)物源。

圖1 瓊東南盆地第四系源匯體系與沉積特征Fig .1 Source-sink system and sedimentary characteristics of Quaternary,Qiongdongnan basin

研究表明，瓊東南盆地深水區(qū)淺層陸架區(qū)發(fā)育多期溝谷，可作為海底平原區(qū)的物源通道。第四紀(jì)多期海退導(dǎo)致上述3個(gè)物源區(qū)提供物質(zhì)向盆地中央搬運(yùn)，有利于盆地內(nèi)低位域重力流沉積發(fā)育。首先，隨著海平面下降，斜坡區(qū)橫向水壓迅速減小，地層與水體的橫向平衡狀態(tài)被打破，易于造成陸坡失穩(wěn)，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)誘發(fā)下形成塊體滑塌(以泥質(zhì)為主)，從而在下陸坡產(chǎn)生塊體搬運(yùn)復(fù)合體，并對(duì)下伏較老的深海泥或濁流沉積形成強(qiáng)烈侵蝕[19]。隨著海平面持續(xù)下降，富砂的陸架三角洲發(fā)生剝蝕，在陸坡或盆地中央形成碎屑流或濁流沉積，并不均勻疊置在塊體搬運(yùn)復(fù)合體之上；在海侵和高位旋回期，陸架三角洲向陸退積，陸坡和盆地中央形成深海懸浮泥沉積，披覆在早期濁流沉積之上，從而自下而上形成了塊體流泥巖、濁積砂質(zhì)沉積物、深海遠(yuǎn)洋泥的縱向沉積序列，這種沉積序列在多期海平面升降旋回中重復(fù)出現(xiàn)(圖1e)。塊體流為固體搬運(yùn)，摩擦力較大，一般沉積于下陸坡；而濁流為液態(tài)搬運(yùn)，搬運(yùn)距離更遠(yuǎn)，一般匯聚在坳陷中央，形成富砂的特點(diǎn)，這與深部黃流組、鶯歌海組中央峽谷十分類似。

分析認(rèn)為，H區(qū)淺層具有形成水合物富礦所需的儲(chǔ)層條件,該區(qū)第四系深水沉積體系發(fā)育，主要沉積相類型包括海底扇、水道化海底扇、濁積水道砂、塊體流和深海遠(yuǎn)洋泥；縱向上發(fā)育A、B、C、D、E、F、G等7套含砂地質(zhì)體(圖2)，從下往上地形由限制性向非限制性過渡，沉積范圍逐漸變大；砂質(zhì)沉積物源主要來自北、西兩個(gè)方向(圖3)。

2.2 似圈閉條件

控制水合物成礦的穩(wěn)定域類似于常規(guī)油氣成藏的儲(chǔ)集場(chǎng)所，可以起到類似油氣成藏的“圈閉作用”。結(jié)合前人總結(jié)的幾種水合物成藏模式[20]，進(jìn)一步分析可得出，溫壓條件、地層滲透性、氣體供應(yīng)條件及縱橫向運(yùn)移距離、水合物形成速度等控制著穩(wěn)定域分布，且限制著水合物的空間展布，而所形成的水合物作為非滲透性固體又進(jìn)一步限制著下伏或側(cè)向的游離氣藏及水體在空間上的分布；水合物的邊界既不是構(gòu)造邊界也不是巖性邊界，而是由固態(tài)到氣態(tài)或固態(tài)到液態(tài)截然變化的相態(tài)邊界，且邊界上的阻抗和速度差異明顯，在地震剖面上形成強(qiáng)振幅反射。因此，通常把振幅異常邊界視為水合物“圈閉”可能的最大邊界，據(jù)此進(jìn)行穩(wěn)定域內(nèi)及附近的振幅異常體解釋，再根據(jù)異常體分布區(qū)的氣體運(yùn)移條件、地球物理特征、穩(wěn)定域厚度等綜合判斷水合物、游離氣的發(fā)育和分布情況。遵循這一原則，在H區(qū)砂體發(fā)育層段共解釋出7套振幅異常體(圖4)，在此基礎(chǔ)上開展水合物、游離氣識(shí)別和分布研究。從解釋結(jié)果來看，該區(qū)振幅異常體分布規(guī)模大，縱向疊合好，綜合通道條件及地震信息等初步判斷該區(qū)具有良好的似圈閉條件。

圖2 瓊東南盆地H區(qū)第四系樂東組砂體特征剖面Fig .2 Sandy characteristic sections of Quaternary Ledong Formation in H area,Qiongdongnan basin

圖3 瓊東南盆地H區(qū)第四系樂東組砂體沉積相圖Fig .3 Sandy sedimentaryfacies of Quaternary Ledong Formation in H area,Qiongdongnan basin

2.3 運(yùn)移通道條件

研究表明，紅河斷裂晚期表現(xiàn)為右旋走滑，在瓊東南盆地西區(qū)形成NE向張性T破裂，誘導(dǎo)深部超壓地層在H區(qū)形成NE向展布的底辟群和裂縫帶，形成良好的垂向運(yùn)移通道(圖5a)；松南低凸起西區(qū)作為H區(qū)的一部分本身不存在超壓，是陵水主凹、北礁凹陷、陵水東次洼多方壓力匯聚的指向，周邊凹陷崖城組承壓流體受上覆高壓層約束而發(fā)生側(cè)向運(yùn)移，往松南低凸起匯聚并在松南低凸起的蓋層薄弱區(qū)突破也可形成煙囪和裂隙帶；中央坳陷西部-中區(qū)第四系廣泛發(fā)育煙囪構(gòu)造[21-22]。根據(jù)地震瞬時(shí)頻率分析， H區(qū)煙囪運(yùn)移通道十分發(fā)育(圖5b)，規(guī)模達(dá)6～28 km2，與淺地層的水合物異常體發(fā)育區(qū)匹配良好。另外，甲烷及乙烷碳同位素是證實(shí)深部油氣運(yùn)移的直接證據(jù)，H區(qū)雖尚未有見諸報(bào)道的碳同位素?cái)?shù)據(jù)，但鄰近的海馬冷泉區(qū)水合物經(jīng)碳同位素分析確實(shí)存在成熟氣通過煙囪往淺部運(yùn)移[23]，推測(cè)位于鄰區(qū)且成礦條件類似的H區(qū)也存在深部氣源供應(yīng)。同時(shí)，根據(jù)H區(qū)水合物分解氣的氣組成數(shù)據(jù)分析，該區(qū)水合物中可能存在生物氣和成熟氣2種不同氣源；從C1/(C1-C5)-C1/(C2+C3)圖版分析來看，該區(qū)部分水合物樣品分解氣的氣體組成與X、Y氣田深部成熟氣特征相似(圖5c)，推測(cè)可能與深部氣田共源，并由深部油氣運(yùn)移而來。

圖4 瓊東南盆地H區(qū)淺地層振幅異常體疊合圖Fig .4 Overlap of seismic anomalies of H area，Qiongdongnan basin

圖5 瓊東南盆地H區(qū)水合物氣源通道條件分析Fig .5 Migration condition for gas hydrate forming of H area,Qiongdongnan basin

3 水合物成藏模式

3.1 地震響應(yīng)特征

瓊東南盆地深水區(qū)已鉆水合物與圍巖相比，整體表現(xiàn)為高縱波阻抗、高縱波速度特征，且水合物飽和度越高，水合物層速度、阻抗和電阻率越高。南海南部婆羅洲鉆遇的水合物具有相似特征[8-13]。從調(diào)研結(jié)果來看，縱波速度、縱波阻抗作為敏感性參數(shù)可有效識(shí)別水合物與游離氣。

從H區(qū)水合物目的層阻抗、速度反演結(jié)果(圖6)來看，Prop-1設(shè)計(jì)井區(qū)水合物信息明顯，縱向多層發(fā)育。其中，異常體A、B、C整體呈高縱波阻抗、高縱波速度和高縱橫波速度比的特征，阻抗、速度橫向變化明顯，表現(xiàn)為水合物響應(yīng)；其底呈低縱波阻抗、低縱波速度、低縱橫波速度比特征，表現(xiàn)為背景響應(yīng)。異常體D、E整體呈低縱波阻抗、低縱波速度和低縱橫波速度比特征，表現(xiàn)為游離氣響應(yīng)。

3.2 成藏帶和成藏模式

水合物分布在受溫壓控制的穩(wěn)定域內(nèi)。穩(wěn)定域內(nèi)天然氣一般為固態(tài)，穩(wěn)定域之下天然氣為游離態(tài)，兩者之間存在BSR界面。波諾馬列夫通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸整理，得出烴類水合物形成的溫-壓關(guān)系方程，該溫-壓方程可轉(zhuǎn)化為水合物和天然氣的相態(tài)判斷圖版(圖7a)。從該圖版可以看出，不同相對(duì)密度的氣源形成不同的溫-壓曲線，曲線左側(cè)為固態(tài)，曲線右側(cè)為氣態(tài)，曲線上的點(diǎn)代表水合物與游離氣的臨界點(diǎn)(即該點(diǎn)處BSR對(duì)應(yīng)的溫壓數(shù)值)。溫-壓曲線上的點(diǎn)，其溫度和壓力可以通過海底溫度、地溫梯度和壓力系數(shù)折算成水體深度和地層厚度，從而求出適合水合物發(fā)育的水體深度和穩(wěn)定域厚度。計(jì)算表明，在氣體相對(duì)密度是0.6(成熟氣)和0.56(生物氣)的情況下，形成水合物的水深下限分別為334 m和548 m(此時(shí)穩(wěn)定域厚度為0 m)；且呈現(xiàn)出水深增加穩(wěn)定域厚度變大、地溫梯度變大穩(wěn)定域厚度變小、氣源相對(duì)密度越大穩(wěn)定域厚度越大的特點(diǎn)(圖7b)。

注：A、B、C異常體具有高縱波阻抗、高縱波速度、高縱橫波速度比；D、E異常體具有低縱波阻抗、低縱波速度、低縱橫波速度比。

圖6 瓊東南盆地H區(qū)水合物目的層波阻抗、速度反演剖面

Fig .6 Inversion section of impedance and velocity for gas hydrate targets in H area,Qiongdongnan basin

淺地層熱導(dǎo)率低，因此地溫梯度較高，這是因?yàn)榈販靥荻鹊扔跓崃髦蹬c熱導(dǎo)率之比，即dT/dx=Q/λ。由于H區(qū)深部熱供應(yīng)存在差異，不同區(qū)域淺地層地溫梯度不同，在煙囪區(qū)或巖漿活躍區(qū)局部地區(qū)地溫梯度超過10 ℃/100 m(圖7c)。根據(jù)不同區(qū)域的地溫梯度和水深值進(jìn)行計(jì)算，可獲得H區(qū)變水深、變地溫梯度條件下的水合物穩(wěn)定域厚度平面圖(圖7d)。利用鄰區(qū)X、Y氣田氣體相對(duì)密度計(jì)算， H區(qū)區(qū)域上水合物穩(wěn)定域厚度約為300 m，而在煙囪區(qū)水合物穩(wěn)定域厚度約為200 m。對(duì)比穩(wěn)定域厚度和砂體上覆地層厚度，H區(qū)異常體A、B、C位于穩(wěn)定域內(nèi)；異常體D、E部分位于穩(wěn)定域，部分位于游離氣區(qū)；異常體F、G大部分位于游離氣區(qū)(圖7e)。

總之，H區(qū)廣泛分布第四紀(jì)發(fā)育的多期濁積砂質(zhì)沉積物，發(fā)育連通深部地層的底辟-氣煙囪-微裂隙，具有滿足水合物形成的溫壓條件，可形成深部成熟烴源與淺層未成熟烴源同時(shí)供烴、氣煙囪-微裂隙垂向運(yùn)移以及第四系海底扇與濁積水道砂富集的水合物成藏模式，具有“深層氣-淺層氣-水合物”疊覆成藏特征和“三氣合采”[24]地質(zhì)條件(圖8)。基于全球水合物資源量計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)合H區(qū)實(shí)際情況，利用體積法對(duì)水合物和游離氣資源量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明該區(qū)水合物潛在資源量達(dá)3 000×108m3，游離氣潛在資源量近2 000×108m3，總資源潛力近5 000×108m3。

圖7 瓊東南盆地H區(qū)水合物穩(wěn)定域分析圖Fig .7 Analysis on stability zone of gas hydrate in H area,Qiongdongnan basin

圖8 瓊東南盆地H區(qū)水合物富集區(qū)成藏概念模式圖Fig .8 Conceptual pattern of gas hydrate accumulation in H area,Qiongdongnan basin

4 結(jié)論

以H區(qū)為代表的瓊東南盆地盆底平原區(qū)，其水合物成礦條件優(yōu)越，第四系發(fā)育北、西物源海底扇和濁積水道砂儲(chǔ)層，利于高飽和度水合物形成；紅河斷裂晚期右旋走滑在該區(qū)形成大量微裂隙和氣煙囪，連通深部烴源與淺部水合物異常體，利于水合物富集。該區(qū)第四系具有滿足水合物形成的溫壓條件，可形成深部成熟烴源和淺層生物氣源供烴、裂隙-煙囪垂向運(yùn)移、第四系海底扇及濁積水道砂富集的成藏模式，具有“深層氣-淺層氣-水合物”疊覆成藏特征和“三氣合采”地質(zhì)條件，資源潛力大，是瓊東南盆地水合物勘探開發(fā)的有利靶區(qū)。