西非海岸盆地海底麻坑沉積特征研究

摘 要 【目的】海底麻坑不僅是海底流體活動的記錄和指示，也是影響油田開發(fā)和海上平臺工程設施的關鍵因素。尼日爾三角洲盆地深水區(qū)油氣資源極為豐富，是當今世界油氣的重要區(qū)域，開展尼日爾三角洲盆地深水區(qū)麻坑沉積特征研究，對于海上油氣田的開發(fā)具有十分重要的意義?！痉椒ā窟\用沉積學的方法，通過對高分辨率三維地震數(shù)據(jù)以及分析化驗資料的綜合分析，對非洲西海岸尼日利亞深水區(qū)海底麻坑的沉積特征、成因機制以及研究意義等方面研究，詳細論述了海底麻坑的沉積特征及其規(guī)模，建立了5種類型的海底麻坑，并探索了海底麻坑的研究意義?！窘Y果】（1）依據(jù)麻坑平面形態(tài)特征，研究區(qū)主要有條帶狀麻坑和孤立麻坑2兩種類型，平面呈現(xiàn)為圓形、橢圓形和新月形。條帶麻坑帶的長度介于0.5～3.0 km，寬度介于0.5～1.0 km，孤立麻坑寬度一般在10～300 m；（2）根據(jù)發(fā)育特征和沉積特點，將麻坑分為五種類型，即傾斜構造麻坑、斷層麻坑、泥火山麻坑、古水道麻坑和沉積邊界麻坑。剖面表現(xiàn)為U形或W形，地震呈現(xiàn)為雜亂反射；（3）研究區(qū)麻坑主要存在以下兩種成因類型，一種為塑性流體所導致，另一種為油氣沿斷層溢漏所形成。高壓的流體沿斷層面擠入上覆沉積層，局部應力的減小，使海底表面發(fā)生塑性變形，形成向上運移通道，最終導致液化的沉積物被底流搬運，形成麻坑?！窘Y論】麻坑研究對油氣勘探開發(fā)和鉆探及工程設施具有很好的指示作用，在油氣田的開發(fā)過程中應引起足夠的重視。

關鍵詞 海底麻坑；沉積特征；成因機制；西非；深海海底

第一作者簡介 陳飛，男，1979年出生，博士后，高級工程師，沉積學與層序地層學、開發(fā)地質，E-mail： chenfei1126@163.com

中圖分類號 P618.13 文獻標志碼 A

0 引言

海底麻坑是一種大陸邊緣常見的海底地貌，由于流體逸散所致、類似火山口狀的海底凹陷，通常發(fā)育在海底表面的細粒泥質沉積區(qū)域，一般和海底的裂隙、底辟以及海底斷層等構造相伴生，對油氣田的開采、工程和生產設施產生影響。依據(jù)平面的分布形態(tài)，劃分為孤立麻坑和條帶狀麻坑兩類，呈現(xiàn)近圓形、橢圓形、新月形和串珠形[1?3]。1970年，King et al.[3]在加拿大近海大陸架最早發(fā)現(xiàn)了海底麻坑，認為可能是流體泄漏造成海底表面細粒沉積地層塌陷，當時并未引起人們重視。1987年，Hovland et al.[4]在北海海底發(fā)現(xiàn)了麻坑沉積，并在其沉積物中發(fā)現(xiàn)了自生碳酸鹽巖膠結物，認為麻坑的形成可能與甲烷滲漏活動有關。Sahling et al.[5]通過對海底麻坑進行取心、觀測、采樣分析，明確了麻坑的流體來源以及甲烷滲漏數(shù)量。近年來隨著墨西哥灣“深海地平線”的漏油事故后，引起了研究麻坑的熱潮。目前已在北海、西非陸坡、白令海、加拿大西部陸架、墨西哥灣、黑海以及中國南海等海域均發(fā)育大量海底麻坑，一般形成于非固結細粒沉積地層的陸坡海底，與海底滑坡具有一定的聯(lián)系，受控于構造和巖性邊界、煙囪以及古水道等[1，4?22]。

麻坑是海底流體活動的記錄和指示，麻坑帶常與古水道演化密切相關[2，13?14]，因而也是濁積體的重要運移通道之一，直接影響著油氣勘探開發(fā)和海底相關工程設施，麻坑的研究對于海上油氣田的開發(fā)具有十分重要的意義[6，20?21]。本文通過高分辨率三維地震數(shù)據(jù)以及淺層工程和鉆井數(shù)據(jù)資料的綜合分析，對非洲西海岸尼日利亞深水區(qū)海底麻坑的特征、成因機制以及研究意義等方面研究，詳細論述了海底麻坑的沉積特征，探討了麻坑的成因機制，建立了麻坑的沉積模式，明確了麻坑的研究意義。

1 研究區(qū)概況

西非海岸盆地是目前世界深水區(qū)油氣勘探開發(fā)的熱點區(qū)域之一。自1995年以來，在西非海岸盆地深水區(qū)（現(xiàn)今水深大于500 m）發(fā)現(xiàn)了約180個油氣田，總可采儲量約為50×108 t[23]。目前，中石油、中石化和中海油等國內石油公司均在西非深水區(qū)開展油氣的勘探和開發(fā)業(yè)務[23?27]。研究區(qū)位于西非盆地的尼日利亞深水區(qū)，北部距Harcourt港200 km，油田發(fā)現(xiàn)于2000 年，油田范圍內水深1 300～1 450 m（圖1）。

西非盆地形成于白堊系—新近系時期，盆地的基底為早白堊裂陷沉積，盆地邊緣發(fā)育巨厚的中白堊系—新近系沉積。自南到北，西非盆地發(fā)育三個區(qū)域構造帶（圖1），研究區(qū)位于區(qū)域構造轉換帶上，其南側為擠壓構造帶，發(fā)育疊瓦狀逆沖斷層較為；其北側為拉張構造帶，以鏟狀斷層和滾動背斜為主要特征[23?26]。

2 海底麻坑特征

2.1 麻坑的基本特征

研究區(qū)海底麻坑受控于流體的逸散影響，并且還可能受到底流和滑塌作用改造的影響，因此麻坑形態(tài)、大小差異較大。平面上有孤立分布和條帶狀分布，呈現(xiàn)近圓形、橢圓形和新月形以及拉長形（圖2）。

麻坑的大小變化極大，寬度大多介于10～250 m，深度介于1.0～25.0 m，最大的麻坑寬度為1 500 m，深度為150 m[9]。這與在中國南海北部深水區(qū)大量發(fā)現(xiàn)的麻坑，平均直徑達1 640 m，平均深度達96.7 m規(guī)模相當。中國南海西沙附近發(fā)現(xiàn)最大的麻坑為3 210 m，最大的深度為165.2 m的麻坑，被認為是迄今為止海底現(xiàn)存比較大的麻坑[12]。西非海底盆地單個麻坑寬度一般介于10～300 m，最大達到1 000 m，面積介于0.2～0.5 km2，麻坑深度介于20～50 m，最大深度達到80 m。依據(jù)麻坑的平面分布特征，可以分為孤立狀和條帶狀兩種類型。孤立麻坑呈現(xiàn)為相對單一的孤立狀分布；條帶狀麻坑則由多個單一麻坑呈條帶狀排列聚集而成，麻坑帶的長度介于0.5～3.0 km，寬度介于0.5～1.0 km。

2.2 麻坑的地震特征

麻坑普遍發(fā)育在松軟沉積地層的薄弱帶上，剖面上表現(xiàn)為U形或者W形，平面上呈現(xiàn)為圓形、橢圓形、伸長形和新月形，地震表現(xiàn)為雜亂反射特征。依據(jù)發(fā)育特征和沉積特點分為以下5種沉積類型。

1） 傾斜構造麻坑

該類麻坑一般發(fā)育在傾斜構造或傾斜構造帶上，在傾斜構造上伴生一些滑塌滾動構造，這可能是由差異壓實或滑塌滾動所形成的，這類麻坑一般直接與傾斜構造相連（圖3）。這種傾斜構造內部地震表現(xiàn)為雜亂的強反射，表明有滑塌滾動沉積的塑性沉積體，同時沉積體內包含高壓的流體，流體會沿傾斜構造向上運移。這種傾斜構造的內部，發(fā)育了多套滑塌沉積體，填充結構明顯，麻坑直接與下部的滑塌塑性沉積相連。

2） 斷層麻坑

該類麻坑一般與斷層相伴生，斷層起到了溝通流體通道的作用。在地震上表現(xiàn)為強振幅、強連續(xù)特點，斷層穿透水平地層直到麻坑的底部（圖4），直接溝通了下部的高壓流體。西非A油田斷層為花狀斷層，這直接溝通了海底下部的油藏，使高壓的油氣沿斷層從麻坑中逃逸出來，對井筒及工程設施會造成一定影響，因而在油田開發(fā)中工程設施要盡量避開這類區(qū)域。花狀斷層構造內部可見小的“U”型充填構造，內部呈雜亂反射，推測這種小型的填充構造可能是濁積水道，在濁積水道的下部，可見雜亂的弱振幅反射，被認為富含氣體或者超高壓的孔隙流體。

3） 泥火山麻坑

泥火山在地震剖面上表現(xiàn)為通道狀的模糊帶，通道內部反射雜亂，泥火山頂部地層一般呈現(xiàn)上拱或下陷狀。麻坑通過氣煙囪與下部地層相連（圖5）。泥火山在地震上表現(xiàn)為雜亂的反射特征，呈現(xiàn)出氣煙囪狀，并且垂向延伸距離較遠，直接溝通了海底深部油氣田。泥火山通道內弱振幅帶的地層有微弱的錯斷，也表明周圍同時有小斷層發(fā)育。

4） 古水道麻坑

麻坑下方具有同相軸下拉振幅增強的特征。麻坑下方地層中見典型的U形，內部呈雜亂強振幅反射特征，寬度達1 000 m，推測為濁積水道（圖3，4，6）。由于濁積水道內部儲層發(fā)育，有利于油氣運移聚集，從而導致沉積物與周圍海底沉積物之間的波阻抗差異較大，振幅增強，頻率降低。Gay et al.[13?14]對非洲下剛果盆地研究的過程中也發(fā)現(xiàn)該類麻坑沿著古水道呈近線性分布，認為高壓流體可能是從古水道的儲集體中逃逸滲漏到海底。

5） 沉積邊界麻坑

這種麻坑發(fā)育在沉積邊界與海底相交的位置，由于麻坑與斷層相關，導致一側地層減薄或缺失。地層沿著沉積邊界逐漸上超（圖3），從圖中可以看出沉積邊界右側相對于左側地層明顯多出一套厚層，地震反射表現(xiàn)為強振幅強連續(xù)，而右側則表現(xiàn)為強振幅夾雜雜亂反射，表明發(fā)生滾動滑塌沉積。

3 海底麻坑的成因機制

國外學者在許多構造背景下均發(fā)現(xiàn)了這種海底構造。麻坑形成初期多為單一孤立狀，其形態(tài)多呈近圓形、伸長形或橢圓形，隨后又會受到海底滑塌或者底流的影響，形成條帶狀或者形態(tài)各異的孤立狀，如新月形、伸長形、串珠形等。麻坑被認為是由于下部超高壓的塑性流體沿斷層面突然噴發(fā)出海底所形成，在緩慢的孔隙水和/或氣體逸散的背景下被保存下來[16?17，21]。深層油氣藏或者淺層高壓塑性流體沿著海底裂隙或斷層通道向上運移，當裂隙或斷層中的流體壓力大于靜水壓力和上覆沉積物重力時，流體沖破海底造成表層沉積物剝落而形成。從海底噴溢出的流體主要深層油氣資源，或沉積壓實形成的孔隙水，也可能是碳水化合物[15]。底流也可能對麻坑的保存和形狀的改造起著一定的影響[18?19]。

研究區(qū)主要存在以下兩種成因的麻坑：一種為塑性流體所形成的麻坑。沉積物快速堆積，在外界觸發(fā)機制下，沉積物沿著古構造斜坡在重力流驅動下，固結的巖層變得松動，接著發(fā)生滑動崩塌，沉積物進一步液化，隨之沉積物產生滑移而發(fā)生重力滑塌和流動，這時巖層破碎，摻雜大量的塑性沉積物變形，隨著流體不斷注入，破碎巖塊體在地震上表現(xiàn)為雜亂強反射（圖7）。在海底，這種高壓的流體沿斷層面擠入上覆沉積層，局部有效應力的減小可能導致流體劇烈的排出，形成向上運移的流體通道，使海底表面沉積物發(fā)生塑性變形，最終液化的沉積物被底流搬運，形成麻坑（圖8）。另外一種，是由海底油田的高壓油氣沿斷層溢漏所形成（圖4，5）。海底麻坑也被認為是海上油田開發(fā)過程中的油氣沿斷層向海底逸漏過程中形成的，它是海底地層流體流動所留下的痕跡，李磊等[20]在西非木尼河盆地陸坡也有過類似描述。

4 海底麻坑的研究意義

由于海底油氣田沿斷層溢漏可以形成麻坑，因而可以依據(jù)麻坑的位置有效識別海上油氣田的分布。當然，油氣沿斷層運移，可以運移到斷層周邊儲集層中，形成油氣破壞帶，對油氣田也可能產生破壞作用。此外，麻坑的下部還發(fā)育古水道，這往往是優(yōu)質濁積儲集體發(fā)育的指示。因此，麻坑無疑對油氣的勘探和開發(fā)具有很好的指示作用。另一方面，麻坑的出現(xiàn)通常會與斷層相聯(lián)系，因而這些斷層很可能直通海底，起到溝通油源的作用，造成油田的溢油，對環(huán)境造成極大的影響（圖5）。同時，在油氣田的開發(fā)過程中井位井網(wǎng)部署中均要規(guī)避這些區(qū)域，避免工程風險。

從鉆探的風險考慮，井口平臺和水下設施要遠離麻坑位置。泥火山麻坑不僅體現(xiàn)了淺層流體滲漏風險，并且也能夠指示局部孔隙和斷裂內壓力的不穩(wěn)定性，從而對鉆井和平臺造成較大影響。同時，泥火山一般伴生有氣煙囪，其對地震信號具有很強的屏蔽作用，進而影響深部地層成像，為油氣勘探開發(fā)帶來很大的不確定性。同時，淺層陸坡區(qū)沉積物變形對海底沉積物穩(wěn)定性具有重要的影響，直接影響平臺的設計和井位的部署。研究區(qū)A油田開發(fā)方案為FPSO加水下井口，其中包括四條生產回路，四條注水管線和一條注氣管線。井型設計以定向井為主，局部設計水平井，采用邊部注水，開發(fā)生產井為水平井，注水井為定向井，每個開發(fā)層系均采用不規(guī)則井網(wǎng)，井距介于700～2 500 m，有效規(guī)避了海底麻坑的影響。流體逸散容易造成海底及淺層的沉積物發(fā)生塑性流動變形甚至滑坡，常具有突出性，對海洋工程具有重要的影響，能夠給海洋石油鉆探、海底電纜和海底管道以及井位帶來巨大的災難。

5 結論

（1） 依據(jù)麻坑平面形態(tài)特征，研究區(qū)主要有條帶狀麻坑和孤立麻坑兩種類型，平面上呈現(xiàn)為圓形、橢圓形和新月形，條帶麻坑帶的長度介于0.5～3.0 km，寬度介于0.5～1.0 km，孤立麻坑寬度一般介于10～300 m。

（2） 根據(jù)發(fā)育特征和沉積特點將麻坑分為5種類型，即傾斜構造麻坑、斷層麻坑、泥火山麻坑、古水道麻坑和沉積邊界麻坑。

（3） 研究區(qū)主要存在兩種成因的麻坑，一種為塑性流體所導致，另一種為油氣沿斷層溢漏所形成。麻坑研究對油氣的勘探開發(fā)和鉆探及工程設施具有很好的指示作用。

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基金項目：國家科技重大專項（2011ZX05030005）