神狐海域鉆探區(qū)水合物聚集控制因素?cái)?shù)值模擬分析

商松華 許天福 劉文娜 貝科奇 田海龍*

（吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春130021）

1 概述

天然氣水合物是一種由水和氣體組成的籠狀結(jié)晶物質(zhì)[1]。廣泛分布在海洋沉積物和凍土區(qū)，具有巨大的資源開發(fā)潛力[2]。世界范圍內(nèi)開展了大量的地球物理勘探和鉆井勘探[3，4]，中國(guó)廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于2007 年進(jìn)行的GMGS-1 勘探工作獲得了神狐海域8 個(gè)測(cè)點(diǎn)的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[5]，在部分鉆井站位采集到了水合物實(shí)物樣品[6，7]，一些學(xué)者根據(jù)實(shí)際資料，推測(cè)SH5 站位未鉆遇水合物是明顯異常的地溫梯度破壞了穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的水合物。其他一些學(xué)者則關(guān)注海洋沉積物的類型，認(rèn)為沉積物的不同性質(zhì)是造成這些站位水合物分布不同的原因。然而，這些研究主要是通過(guò)使用地震或鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行定性討論得出的，通過(guò)定量模擬綜合考慮水合物聚集的控制因素相對(duì)較少。本文采用數(shù)值模擬和定量分析的方法，分析了水合物形成中的主要控制因素，并綜合分析了神狐海域GMGS-1 中產(chǎn)生不同水合物分布的主要原因。

2 研究區(qū)概況

神狐海域位于南海北部大陸邊緣和珠江口盆地白云凹陷南側(cè)。神狐海域南部與單一暗色砂巖隆起區(qū)相連，水深為900至1500 米，GMGS-1 獲得的測(cè)井和鉆井?dāng)?shù)據(jù)表明，8 個(gè)鉆井站位的水深在1105m 和1290m 之間。SH5 站位地溫梯度最大，為67.60℃/km。每個(gè)站點(diǎn)的詳細(xì)測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。近年來(lái)的研究結(jié)果證實(shí)，該區(qū)內(nèi)的溫度、壓力、水深等條件都適合水合物的形成條件，且存在大范圍的BSR（似海底反射）區(qū)，在一定程度上可以指示水合物的存在。因此，該區(qū)域是水合物資源賦存的有利靶區(qū)。本文分析了研究區(qū)內(nèi)影響水合物形成的主要因素。

3 研究方法及模型建立

3.1 模擬方法及概念模型

本文根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，建立一維垂直柱狀模型，再現(xiàn)了神狐海域不同約束條件下水合物的形成過(guò)程。頂部邊界為一類邊界條件，溫度和壓力為站位實(shí)測(cè)值；底部邊界為二類邊界條件，模擬甲烷氣源供給過(guò)程。模型的高度為250 米，參考了海底以下鉆探巖芯數(shù)據(jù)。該模型將底部設(shè)置為甲烷在整個(gè)時(shí)間上的平均通量。每個(gè)網(wǎng)格高度為1m，共250 個(gè)網(wǎng)格，X 和Y 方向網(wǎng)格均為1m。

模型的有關(guān)參數(shù)主要參考了神狐海域的地球物理測(cè)井和鉆井資料以及一些該地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，主要物理參數(shù)如表1 所示。

表1 物理參數(shù)設(shè)置

3.2 方案設(shè)置

綜合水合物形成的關(guān)鍵因素，從氣源條件、海水深度條件、地溫梯度和蓋層位置條件等方面對(duì)天然氣運(yùn)移和水合物形成過(guò)程進(jìn)行了分析和探討。設(shè)計(jì)了以下不同因素敏感性分析方案，見表2。以SH2 站位的水化學(xué)測(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)參考數(shù)據(jù)，采取該地區(qū)的平均氣體通量約為1.585×10-10kg·m-2·s-1，氣體通量條件分別為基本方案的2/3、3/4 以及4/3，海水深度分別為1105m、1230m 以及1290m，地溫梯度分別為43.65℃/km、46.95℃/km 以及49.34℃/km，不同蓋層分別位于穩(wěn)定帶內(nèi)部、底部以及下部。

表2 不同方案設(shè)置條件

4 結(jié)果與討論

4.1 水合物形成過(guò)程控制因素敏感性分析

甲烷通量影響水合物層厚度和峰值飽和度。從模擬結(jié)果可以看出，甲烷通量變化明顯改變了海底沉積物中水合物的厚度和水合物飽和度的峰值。較低通量條件下，由于深部輸運(yùn)的氣不足以運(yùn)移侵入GHSZ，無(wú)法聚集形成水合物，隨著甲烷通量的增加，水合物層的厚度分別3m、11m 以及18m，同時(shí)相應(yīng)的水合物峰值飽和度分別為0.14、0.34 以及0.47。

海水深度影響水合物聚集形成的位置。隨著海水水深的增加，GHSZ 底界向海底面發(fā)生移動(dòng)，形成的水合物層埋藏相對(duì)較淺。通過(guò)水合物層厚度和水合物峰值飽和度可以看出，盡管水合物在不同深度聚集，但水合物飽和度差別不大。

地溫梯度對(duì)水合物聚集的位置和累積量均有較為顯著影響。在較高地溫梯度梯度下，氣體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)移到達(dá)水合物穩(wěn)定帶，形成的水合物飽和度較低，水合物層相對(duì)較薄。溫度梯度的變化對(duì)與水合物的聚集過(guò)程更為敏感。

圖1 不同條件模擬結(jié)果圖

4.2 神狐海域水合物差異性聚集分析

通過(guò)以上模擬結(jié)果表明，氣源條件可以顯著影響成藏厚度和飽和度，是先決條件。對(duì)于神狐海域鉆井區(qū)，不同的站位經(jīng)歷了相同的地質(zhì)過(guò)程，且有相對(duì)良好的甲烷氣源供應(yīng)條件，為甲烷氣體進(jìn)入GHSZ 提供了重要的氣源保證。海水深度大約在1200m-1400m 之間，敏感性分析表明，海水深度主要影響水合物形成的空間位置，而至于水合物的聚集量和飽和度則影響不大。在深海范圍內(nèi)，海水水深主要改變的是海底壓力，水深對(duì)于水合物的聚集影響不大。地溫梯度對(duì)水合物的聚集有較大的影響，SH5 站位地溫梯度明顯高于其他站位，埋藏較淺。雖然高地溫梯度可以使水合物分解，但釋放出來(lái)的氣體在浮力作用下會(huì)向上運(yùn)移，并重新形成水合物，如果只有地溫梯度異常，只會(huì)影響水合物飽和度，而SH5 鉆井表明巖芯樣品中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水合物。

綜上，神狐海域有良好的氣源供給條件、水深條件，地溫梯度條件，有利于氣體進(jìn)入水合物穩(wěn)定帶內(nèi)聚集成藏，這些因素共同決定了神狐海域成為水合物賦存的有利靶區(qū)。而在主要因素中，單獨(dú)考慮異常的地溫梯度，并不足以使不同站位之間出現(xiàn)水合物有無(wú)的差別，結(jié)合以上數(shù)值模擬定量分析結(jié)果，得到不同站位之間水合物差異性分布的原因是站位之間不同的地溫梯度導(dǎo)致的水合物穩(wěn)定帶位置差異與低滲蓋層的空間位置匹配關(guān)系，導(dǎo)致水合物的差異性分布。

5 結(jié)論

5.1 甲烷通量影響水合物層厚度和峰值飽和度，海水深度影響水合物聚集形成的位置，地溫梯度對(duì)水合物聚集的位置和累積量均有較為顯著影響，GHSZ 下的低滲透性蓋層可能阻礙氣體運(yùn)移的路徑，影響水合物成藏過(guò)程。

5.2 神狐海域有良好的氣源供給、水深及地溫梯度條件，有利于氣體進(jìn)入水合物穩(wěn)定帶內(nèi)聚集成藏，這些主要因素共同決定了神狐海域成為水合物賦存的有利靶區(qū)。

5.3 通過(guò)模擬分析得到神狐海域?qū)е滤衔锊町愋苑植嫉脑颍赫疚恢g不同的地溫梯度形成不同的水合物穩(wěn)定帶位置，其與蓋層的空間位置匹配關(guān)系導(dǎo)致了水合物的差異性分布。