基于運移輸導(dǎo)體系的天然氣水合物成藏類型
——以瓊東南盆地H區(qū)為例

樊 奇，李清平，吳 濤，李麗霞，龐維新，朱振宇

1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.天然氣水合物國家重點實驗室，北京 100028；3.中海石油(中國)有限公司 海南分公司，?？?570100

天然氣水合物是一種自然存在的、由水與天然氣分子在低溫—高壓環(huán)境下形成的冰狀籠型復(fù)合物，廣泛分布于深水大陸邊緣和陸上凍土帶。作為最具潛力的戰(zhàn)略型清潔能源，天然氣水合物日益受到各國關(guān)注，目前已在加拿大麥肯齊、美國阿拉斯加北坡、日本南海海槽和中國南海成功試采。經(jīng)歷二十余年的發(fā)展，我國已在天然氣水合物勘查技術(shù)、成藏機理及基礎(chǔ)物性研究領(lǐng)域達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平，但是整體勘查程度較低，缺少獨立自主的天然氣水合物資源評估體系是今后一段時間面臨的主要難題[1-5]。

中國海油自1995年攻關(guān)錦州9-3油田管道水合物堵塞防控，至今相繼建成了深水流動安全保障、成藏地質(zhì)理論及勘探技術(shù)、基礎(chǔ)物性及開采模擬系統(tǒng)、水合物災(zāi)害防治等特色技術(shù)體系，并于2019年首次在南海瓊東南海域1 750 m水深海域，依托自主勘探和鉆測井技術(shù)、自主取心及測試裝備，實現(xiàn)了天然氣水合物鉆測井和取心分析作業(yè)(圖1)，并以“深水天然氣水合物和油氣勘探開發(fā)一體化”為目標(biāo)持續(xù)研究。

圖1 中國海油在瓊東南海域鉆獲的天然氣水合物保溫保壓巖心

瓊東南盆地是南海北部重要的天然氣水合物富集區(qū)和勘查開發(fā)熱點，盆地中央峽谷LS17-2等多個千億立方米級氣田的發(fā)現(xiàn)證實了烴源供給充足，當(dāng)與運移輸導(dǎo)體系良好配置時，可成為規(guī)模水合物的有利勘探指向。研究選取瓊東南H區(qū)，通過氣體地球化學(xué)資料和三維地震資料解釋及大量調(diào)研，以天然氣水合物成藏系統(tǒng)為主線、運移輸導(dǎo)體系為關(guān)注點，預(yù)測了“富含熱成因氣的氣煙囪型水合物”等3類成藏類型。該研究可為“瓊東南海域天然氣水合物試采工程”提供技術(shù)參考。

1 研究區(qū)概況

瓊東南盆地位于南海西北大陸架，北靠海南隆起，西接鶯歌海盆地，南為永樂隆起，盆地面積8.3×104km2，是一個NE向伸展的裂陷型沉積盆地；盆內(nèi)發(fā)育大量NE、NEE向斷裂，具有“南北分帶、東西分區(qū)”的構(gòu)造格局，含5個一級構(gòu)造單元。其中，盆地深水區(qū)面積5.3×104km2，包括樂東凹陷、陵水凹陷、松南凹陷、北礁凹陷、寶島凹陷和長昌凹陷[6](圖2)。瓊東南盆地先后經(jīng)歷神狐運動、南海運動和東沙運動，使地層表現(xiàn)為“晚白堊世—晚漸新世多幕裂陷期、早中新世—中中新世熱沉降期、晚中新世以來新構(gòu)造期”三期分異的構(gòu)造沉積特征。

圖2 瓊東南盆地區(qū)域構(gòu)造位置及地層柱狀圖

H區(qū)位于瓊東南盆地中央峽谷水深1 650～1 750 m海域，陵水凹陷與松南低凸結(jié)合部位。三維地震資料和巖礦分析表明，H區(qū)第四紀(jì)的沉積物源主要來自昆嵩地塊和紅河及海南隆起，H區(qū)探井在新近系鶯歌海組海底扇砂巖儲層獲得高產(chǎn)氣流，日產(chǎn)氣達(dá)110×104m3，證實H區(qū)具有廣闊的資源前景[6-7]。井場調(diào)查表明，H區(qū)海底麻坑較發(fā)育，麻坑周圍分布?xì)ゎ惿锼槠?；中新統(tǒng)梅山組及以上地層處于正常地溫梯度(38.7 ℃/km)和正常壓力系統(tǒng)，氣煙囪區(qū)的地溫梯度顯著高(113 ℃/km)。

2 氣源類型及特征

氣源是天然氣水合物成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)[8]。2015年，自然資源部對神狐海域W19井巖心分析獲得氣體摩爾比(C1∶C2∶C3)為0.993 0∶0.004 6∶0.002 2，首次發(fā)現(xiàn)南海賦存熱成因氣型的Ⅱ型水合物[9]。2018年，瓊東南H海域W08井、W09井在含水合物地層測得了較高含量的乙烷(17%，W09井)、丙烷(10%，W08井)等重?zé)N組分，確認(rèn)了瓊東南海域賦存Ⅱ型天然氣水合物，證實了其資源勘探潛力[1,10]。

研究收集到瓊東南H區(qū)及全盆大洋鉆探、最新水合物井、油氣井氣測數(shù)據(jù)和神狐海域水合物井的氣測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比分析。累計獲得瓊東南海域氣體數(shù)據(jù)34組，神狐海域樣品14組(全部樣品的烴類氣體組分及同位素測試)開展研究(表1)。

表1 瓊東南盆地和神狐海域天然氣水合物中甲烷碳同位素及氣體濕度值

研究采用海洋沉積物烴類氣體識別方案進(jìn)行分析[1-2,10]，通過氣體濕度值K[K=C1/(C2+C3)]和甲烷碳同位素(δ13C1)協(xié)同判別。當(dāng)K<100指示熱解成因，K>1 000指示生物成因，K介于100～1 000指示混合成因；δ13C1(VPDB)<-60‰指示生物成因，δ13C1(VPDB)>-50‰指示熱成因，δ13C1(VPDB)介于-60‰～-50‰指示混合成因。

結(jié)果顯示，瓊東南H區(qū) 34個樣品的氣體濕度值為0.93～69，均值26.40。其中淺表層沉積物、水合物分解天然氣的濕度值K為5～69，均值為29.79，顯著高于油氣井的濕度值(K=0.937 5)；對應(yīng)樣品的甲烷碳同位素δ13C1(VPDB)為-58.9‰～-29.92‰，均值-35.53‰。淺表層沉積物、水合物分解甲烷的碳同位素與常規(guī)天然氣的甲烷同位素較接近，基本排除分餾作用影響，可以確認(rèn)H區(qū)天然氣水合物氣源組成具有“熱成因氣為主、含混合成因氣”的特征。

對比分析神狐海域14組數(shù)據(jù)，氣體濕度值K為84～2447，均值989.6，對應(yīng)甲烷的碳同位素為-71.2‰～-46.46‰，均值-53.48‰，其氣源表現(xiàn)出“混合成因氣為主、含生物成因氣”特征。

綜上認(rèn)為，瓊東南H區(qū)天然氣水合物具有“熱成因氣為主、含混合成因氣”的特征，與神狐海域天然氣水合物氣源存在差異[13]。這一結(jié)果展示了Ⅱ型水合物與深部氣源的聯(lián)系，指示了運移輸導(dǎo)通道對深部熱成因氣的控制作用。

3 運移輸導(dǎo)體系

運移輸導(dǎo)體系直接控制了流體通量和水合物分布位置，尤其在深水富氣凹陷更顯示了運移輸導(dǎo)體系的控制地位。對H區(qū)地震解釋發(fā)現(xiàn)，氣煙囪構(gòu)造帶、多邊形斷裂—粉砂復(fù)合體、海底滑塌扇構(gòu)成了研究區(qū)主要的運移輸導(dǎo)體系。

3.1 氣煙囪構(gòu)造帶

“氣煙囪”是天然氣等流體發(fā)生垂向運移在地震剖面上表現(xiàn)的含氣異常現(xiàn)象，是氣藏超壓、構(gòu)造低應(yīng)力部位和泥頁巖封隔層3種因素綜合作用的結(jié)果，這類構(gòu)造是瓊東南海域天然氣水合物賦存的主要構(gòu)造。墨西哥灣、布萊克海臺、神狐海域等多地的天然氣水合物調(diào)查發(fā)現(xiàn)，斷裂、氣煙囪、麻坑群具備最高輸導(dǎo)效能，氣煙囪的直徑等形態(tài)特征指示了氣煙囪的構(gòu)造演化階段，反映了流體通量和運移路徑[14-15]。

H區(qū)氣煙囪構(gòu)造數(shù)量多且集中，多個氣煙囪在NEE走向組成氣煙囪群。這些氣煙囪的頂部寬緩，核部呈橢球狀，根部收窄，單個氣煙囪平面展布范圍3～7 km，總體呈直立圓柱狀分布在隆起和斷裂之上。從輸導(dǎo)效率看，H區(qū)氣煙囪更類似于異常超壓流體上涌形成的微裂縫帶，是流體的運移通道和儲集空間。地震剖面顯示，充滿流體的氣煙囪與圍巖差異表現(xiàn)為(視高頻)聲學(xué)空白帶，特別是氣煙囪頂部賦存的游離氣，常表現(xiàn)為分散的“補丁狀強振幅”和“同相軸增粗”現(xiàn)象；而在氣煙囪核部表現(xiàn)為“同相軸下拉、雜亂空白反射”特征，且游離氣含量越大同相軸下拉幅度越明顯；在氣煙囪根部表現(xiàn)為中—高頻反射。H區(qū)氣煙囪群頂部游離氣表現(xiàn)為“多套外部楔狀充填、內(nèi)部強振幅”的反射特征，其上覆地層可能是水合物賦存的有利條帶(圖3)。

圖3 瓊東南盆地H區(qū)氣煙囪構(gòu)造地震反射特征

3.2 多邊形斷裂—粉砂復(fù)合體

地震解釋發(fā)現(xiàn)，H區(qū)第四紀(jì)構(gòu)造活動弱，直接連通烴源巖和儲層的斷裂少，但研究區(qū)發(fā)育的多邊形斷裂和粉砂質(zhì)儲層構(gòu)成的“多邊形斷裂—粉砂復(fù)合體”可成為優(yōu)勢運移通道。

圖4 瓊東南盆地H區(qū)多邊形斷裂地震反射特征

3.3 海底滑塌扇

海底滑塌扇是彌散有大量沉積物的高密度流體，可形成優(yōu)質(zhì)粗粒儲集空間，是塊體搬運體系之一[1,16]。在適宜溫—壓環(huán)境下，海底滑塌扇可成為高飽和度水合物發(fā)育有利儲層；而在溫—壓條件變化時，水合物分解釋放的超壓會觸發(fā)下一次滑塌并形成多個滑脫體，為流體橫向運移和水合物二次發(fā)育提供便捷條件。

地震解釋發(fā)現(xiàn)，海底滑塌扇主要發(fā)育在H區(qū)氣煙囪群的東南部凹陷帶(圖5)。第一類海底滑塌扇以扇狀、楔狀充填在氣煙囪兩側(cè)的河道和凹陷，地震剖面可識別出多期滑塌扇體橫向疊加，單個扇體內(nèi)部表現(xiàn)為“斷續(xù)、弱振幅、中—高頻”反射特征。這類滑塌扇形成于崖城組等沉積時期，扇體攜帶了大量陸源碎屑，為有機質(zhì)的聚集和熱演化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。第二類海底滑塌扇以席狀、楔狀的形態(tài)覆蓋在氣煙囪的頂部，同樣可識別出2至3期垂向疊加的海底滑塌扇，單個扇體內(nèi)部為S形前積、斷續(xù)雜亂反射，少見同相軸被斷裂錯動。在氣煙囪上覆地層同相軸常見連片加粗現(xiàn)象，這可能因游離氣運移至穩(wěn)定帶內(nèi)的海底滑塌扇，并發(fā)育為水合物所表現(xiàn)的BSR、雙BSR條帶反射。

圖5 瓊東南盆地H區(qū)海底滑塌扇地震反射特征

初步估算南海西沙海槽北部、神狐東北部、東沙東北部的滑塌扇面積約7 660 km2[3]。瓊東南海域的海底滑塌扇比神狐海域更加發(fā)育，在氣煙囪型水合物數(shù)量有限的背景下，海底滑塌扇等粗粒沉積可成為有利目標(biāo)。但應(yīng)注意，海底滑坡常會引起B(yǎng)SR解釋陷阱，也是破壞海底工程設(shè)施的主要災(zāi)害[16]。

4 穩(wěn)定帶基本特征

天然氣水合物穩(wěn)定帶是指滿足天然氣水合物形成的熱力學(xué)穩(wěn)定范圍和地層深度，包括溫度、鹽度、水深、地溫梯度、地層壓力(孔隙流體壓力)、儲層粒度和沉積速率等[17]。計算穩(wěn)定帶分布范圍是圈定成礦區(qū)、評價水合物資源潛力的重要內(nèi)容[1-2,10,17-20]。

由于缺少井場數(shù)據(jù)，調(diào)研了H海域的穩(wěn)定帶參數(shù)(圖6)。(1)瓊東南盆地整體具有高壓—高溫特征(熱流值均值為78 mW/m2)，陵水凹陷熱流值為60～75 mW/m2，局部超85 mW/m2，受巖漿活動影響明顯。(2)瓊東南盆地現(xiàn)今地溫梯度為40～43 ℃/km，局部巖漿侵入?yún)^(qū)為48 ℃/km；陵水凹陷中南部地溫梯度為30～35 ℃/km，1 km以深海水溫度為4 ℃。(3)南海海水鹽度為3.35%～3.50%，平均鹽度3.40%。(4)陵水凹陷水深普遍超1 600m，水合物穩(wěn)定帶厚度適中。綜上認(rèn)為，瓊東南H海域深水區(qū)基本適宜水合物的發(fā)育和賦存。

圖6 瓊東南盆地地溫梯度和海底熱流值平面分布

5 水合物成藏類型

基于瓊東南盆地H區(qū)天然氣水合物“以熱成因氣為主、含混合成因氣的氣源特征，以氣煙囪、多邊形斷裂—粉砂復(fù)合體、海底滑塌扇為運移輸導(dǎo)體系”的特點[7,12,17]，預(yù)測了研究區(qū)3類水合物成藏類型，即富含熱成因氣的氣煙囪型水合物、富含熱成因氣的多邊形斷裂—粉砂復(fù)合型水合物和富含熱成因氣—混合成因氣的海底滑塌扇水合物(圖7)。

圖7 瓊東南盆地H區(qū)天然氣水合物成藏模式

(1)富含熱成因氣的氣煙囪型水合物是研究區(qū)最主要的水合物成藏類型。氣井、水合物巖心、淺表層取樣表明，熱成因氣是研究區(qū)主要的淺層天然氣類型；地震解釋認(rèn)為，氣煙囪是流體的優(yōu)勢運移通道。在生—排烴階段，崖城組煤系地層熱解氣在地震泵和流體超壓驅(qū)動下，可通過根部斷裂、氣煙囪等開啟性構(gòu)造，由深部向淺部發(fā)生長距離垂向運移；天然氣可在氣煙囪構(gòu)造頂部充注大量游離氣，并在穩(wěn)定帶內(nèi)的構(gòu)造頂部、側(cè)翼及上覆地層聚集成藏。氣煙囪構(gòu)造所具備的高流通量和連通飽滿的裂縫儲層空間，為高飽和度的塊狀、脈狀水合物提供了良好發(fā)育條件。

(2)富含熱成因氣的多邊形斷裂—粉砂復(fù)合型水合物是次要成藏類型。在相同地層條件下，多邊形斷裂具有“層內(nèi)集中發(fā)育、區(qū)域連片分布、改善細(xì)粒儲層”的良好特點，可為天然氣水合物局部連片規(guī)模發(fā)育創(chuàng)造有利條件。H區(qū)黃流組發(fā)育的多邊形斷裂帶是僅次于氣煙囪的運移輸導(dǎo)通道和優(yōu)質(zhì)儲層，為崖城組熱成因氣的垂向快速運移、外源生物成因氣的側(cè)向運移提供了便利條件。這種運聚背景下，發(fā)育多邊形斷裂的裂縫型粉砂儲層可成為天然氣水合物的富集區(qū)帶之一，為區(qū)域性中—高飽和度水合物勘查指出了新方向，在今后研究中應(yīng)當(dāng)加大關(guān)注。

(3)含熱成因氣和混合成因氣的海底滑塌扇水合物是分布稍廣泛、BSR易識別的一類水合物成藏類型。H海域凹陷帶的海底滑塌扇較發(fā)育，這使得重力流攜帶的粗粒沉積可能成為深水區(qū)孔隙空間發(fā)育、滲透性能優(yōu)良的運移通道和潛力儲層，可以優(yōu)先捕獲近距離的混合成因氣，并在適宜溫—壓環(huán)境下形成中—高飽和度且連續(xù)性較好的結(jié)核狀、填隙狀水合物。此類水合物是日本南海海槽、韓國郁陵盆地等水合物試采作業(yè)的重點關(guān)注目標(biāo)[21-22]，也是瓊東南海域今后值得期待的富砂質(zhì)水合物的重要類型。

6 結(jié)論

(1)大量地球化學(xué)數(shù)據(jù)分析表明，瓊東南海域H區(qū)天然氣水合物的氣源具有“熱成因氣為主、含混合成因氣”的特征。這一認(rèn)識確認(rèn)了Ⅱ型水合物與深部油氣的緊密聯(lián)系，指示了運移輸導(dǎo)體系對流體運聚和水合物分布的重要影響。

(2)H區(qū)地震資料解釋發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)第四紀(jì)構(gòu)造活動弱，氣煙囪構(gòu)造、多邊形斷裂—粉砂復(fù)合體、海底滑塌扇構(gòu)成了該區(qū)主要的運移輸導(dǎo)體系，尤其是氣煙囪構(gòu)造等優(yōu)勢通道的構(gòu)造頂部及上覆地層在有利環(huán)境下可成為勘探目標(biāo)選擇。

(3)基于研究區(qū)天然氣水合物“以熱成因氣為主，含混合成因氣的氣源特點，以氣煙囪構(gòu)造、多邊形斷裂—粉砂復(fù)合體、海底滑塌扇為運移輸導(dǎo)體系”的認(rèn)識，預(yù)測了“富含熱成因氣的氣煙囪型水合物、富含熱成因氣的多邊形斷裂—粉砂復(fù)合型水合物、富含熱成因氣和混合成因氣的海底滑塌扇水合物”成藏類型。