顏承志 施和生 李元平 李 杰 朱焱輝 王秀娟

(1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司 廣東深圳 518054；2. 中海石油(中國)有限公司勘探部 北京 100010；3. 中國科學院海洋研究所 山東青島 266071)

近年來，大陸邊緣海域廣泛發(fā)育的淺層氣和天然氣水合物因其資源量巨大且影響海底管線的安全而受到人們的廣泛關注[1-2]。目前，我國南海北部的臺西南盆地、珠江口盆地、瓊東南盆地、西沙海域等多個盆地和地區(qū)都發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物賦存的證據(jù)[3-10]，其中珠江口盆地進行了大量水合物鉆探，是水合物研究的熱點區(qū)域[9-14]。淺部地層中存在的大量淺層氣，可能是溫壓條件變化導致水合物分解產(chǎn)生的，也可能是深部地層氣體向上運移形成的或者是原位產(chǎn)生的生物成因氣，越來越多的學者認識到這些淺層氣的存在與海底的滑動、滑塌等海底地質(zhì)災害關系密切[15-18]。

似海底反射(Bottom Simulating Reflection，BSR)是利用地震資料識別水合物的一種重要標志，可能反映了水合物穩(wěn)定帶的底界。在白云凹陷，地震振幅異常與鉆井資料對比發(fā)現(xiàn)，水合物層一般對應于BSR上部與海底極性一致的強反射區(qū)[10]。水合物成藏需要合適的溫壓條件和氣源條件，同時也受沉積物巖性的影響，粗粒沉積物中更易形成高飽和度水合物層[19-20]。氣體運移可為水合物成藏提供充足的氣源，大量氣體從深部儲層沿氣煙囪、斷層、侵蝕或不整合面以及滲透性巖層等向上運移而形成水合物[9-10]。

本文利用三維地震資料在剖面上識別了BSR，認為其上部強反射指示水合物，下部亮點反射指示淺層氣，并對解釋的層位提取均方根振幅屬性，認為強均方根振幅屬性反映了水合物層在該區(qū)的分布，并結合鉆井資料對水合物及淺層氣成藏的控制因素進行了分析。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于珠江口盆地白云凹陷(圖1)。珠江口盆地是南海北部最大的新生代沉積盆地，面積達14.7×104km2，為典型的下斷上坳的被動大陸邊緣型構造樣式，其構造沉積演化可以分為3個階段，即晚白堊世—早漸新世的早期裂谷階段、晚漸新世—早中新世的拗陷階段以及中新世至今的斷層發(fā)育和盆地充填階段，其中裂谷階段發(fā)育河流及湖泊等陸相文昌組與恩平組，斷拗轉換期發(fā)育濱海相珠海組，拗陷期發(fā)育陸坡深水沉積的珠江組、韓江組、粵海組、萬山組以及第四系。文昌組—恩平組以泥巖為主，富含有機質(zhì)，是主要的烴源巖層；珠海組以砂巖及碳酸鹽巖為主，是主要的儲層；上部珠江組等地層都以泥巖夾少量細粉砂為主，為區(qū)域性蓋層(圖2)[21-22]。新生代以來珠江口盆地沉積速率很高，發(fā)育巨厚的沉積物，提供了大量陸緣碎屑物質(zhì)及有機質(zhì)。該區(qū)域進行了大量深水油氣鉆探，并發(fā)現(xiàn)了大型氣田，如LW3-1氣田[21-22]，一直是海上油氣勘探開發(fā)的重點區(qū)域。研究區(qū)水深范圍在1 500～2 100 m，地形較為平坦，面積約為450 km2(圖1)。由于研究區(qū)地層近水平分布，因此在地震剖面上識別的BSR與海底極性相反,呈與地層近平行的強反射，僅局部存在穿層現(xiàn)象。

圖1 研究區(qū)位置Fig .1 Study area location

圖2 研究區(qū)區(qū)域構造及沉積演化Fig .2 Tectonic and sedimentary evolution in study area

2 水合物與淺層氣分布識別

在研究區(qū)追蹤了4個區(qū)域性的代表性層位H1—H4，劃分出4個研究單元(圖3)：①單元1為淺部地層，發(fā)育塊體搬運沉積(Mass Transport Deposit，MTD)和埋藏水道。從地震反射特征看，MTD較薄，內(nèi)部呈雜亂、弱振幅反射，而埋藏水道主要呈下凹的反射特征。②單元2為主要目標層位，識別出大量強振幅異常(High Amplitude Anomaly，HAA)。HAA下部常發(fā)育振幅空白帶，且具有同相軸下拉現(xiàn)象。根據(jù)穿層、與海底極性相反等特征可以識別出BSR，BSR下部的HAA主要是游離氣的存在導致地層速度降低造成的，局部HAA與深部斷層相伴生；而BSR上部與海底極性一致的強反射有可能是水合物層的頂界面(圖4)。③單元3為多邊形斷層帶，地震剖面上其雙程走時在3 200 ms左右，為多種正斷層組合樣式，且受到層位的限制，主要為泥巖等細粒巖層。④單元4為連續(xù)的強振幅反射，發(fā)育于一套三角洲進積體之上，與鉆井結果對比分析發(fā)現(xiàn)為區(qū)域性儲層和含烴氣層，其地層年代為珠海組，在地震剖面上可以觀察到其內(nèi)部發(fā)育局部構造高地，且鉆井A證實這套地層中構造高地上發(fā)育較好的含氣層，為典型的深部氣藏。

單元2中HAA距海底深度不同，下部發(fā)育氣煙囪，出現(xiàn)反射同相軸下拉和空白反射現(xiàn)象，可能是由于流體的垂向運移以及HAA對地震聲波能量的屏蔽共同作用造成的。在氣煙囪周圍的水平地層中也發(fā)育HAA，可能是由于氣體沿滲透性地層橫向運移圈閉在地層中。部分HAA也與斷裂相伴生，呈現(xiàn)與海底極性相反的負極性反射特征，這些斷層向下延伸到深部珠海組油氣儲層中(圖3)，因此，HAA可能是下部油氣層的氣體沿這類斷層運移到淺部地層而形成。局部HAA側向終止于埋藏水道的侵蝕面上，可能是游離氣受到水道侵蝕面的封閉作用而圈閉下來(圖5)。BSR下部的強振幅反射指示地層可能存在游離氣，而BSR上部與海底極性一致的強反射軸可能代表相對高飽和度的水合物層。埋藏的遷移古水道的侵蝕面也與地層呈交切關系，但BSR的振幅比侵蝕面明顯更強，單元1中的MTD底部和頂部均為強反射特征，與上下地層呈整合關系且內(nèi)部為雜亂反射，局部出現(xiàn)疊瓦狀反射特征(圖4、5)。

利用三維地震資料，在剖面上識別出大量HAA，沿H1層上下各60 ms時窗提取均方根振幅屬性(RMS)，可以看到HAA在平面上的分布主要集中在研究區(qū)中部，面積較大；而在研究區(qū)西部及東部也有部分分布，但分布面積變化較大，范圍為0.5～35.0 km2(圖6)。

圖3 研究區(qū)地層單元劃分及構造解釋(剖面位置見圖1)Fig .3 Tectonic interpretation and stratal division in study area(see Fig.1 for location)

圖4 研究區(qū)強振幅異常和似海底反射與運移通道和氣藏的匹配(剖面位置見圖1)Fig .4 HAA and BSR couple to migration pathway and gas reservoir in study area(see Fig.1 for location)

圖5 研究區(qū)HAA相位反轉及侵蝕面對其圈閉作用(剖面位置見圖1)Fig .5 Effect on trap due to phase rotation of HAA and erosion in study area(see Fig.1 for location)

3 水合物與淺層氣成藏控制因素

當?shù)貙訙貕簵l件比較穩(wěn)定時，影響水合物成藏的主要因素是氣源條件、流體運移以及儲層條件，粗粒沉積物更有利于水合物生成[23]。研究區(qū)位于2 000 m 左右的較深水環(huán)境，單元2及淺部地層沉積物均以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等細粒沉積物為主，儲層條件可能并不理想。

3.1 氣源條件

充足的氣源是水合物及淺層氣成藏的關鍵因素。研究區(qū)目前沒有巖心資料可用于研究氣體組成及來源。但在臨近的勘探程度較高的白云凹陷峽谷區(qū)，GMGS-1巖心樣品的地球化學分析顯示，樣品中甲烷含量(C1)與乙烷(C2)和丙烷(C3)含量之和的比值，即C1/(C2+C3)值超過1 000，δ13C1范圍在-54.1‰～-62.2‰，而δDCH4范圍在-54.1‰～62.2‰，表明氣源以生物成因為主，存在少量熱成因氣，也有可能是熱成因氣后期受到微生物作用的改造[24-25]。但是，2007年在SH7井水合物飽和度相對高的層位出現(xiàn)C1/C2值在130左右，表明了下部熱成因氣對水合物成藏的貢獻[19]；2015年在W17-2015井同樣發(fā)現(xiàn)了丙烷和戊烷等重烴異?，F(xiàn)象及II型水合物，表明熱成因氣是水合物的一個重要氣源[8]。

研究區(qū)A井顯示，在海底以下2 995～3 005 m和3 040～3 072 m層段(單元4)都發(fā)育較好的氣層，錄井及測井資料顯示兩個氣層的儲層都是細砂巖夾少量粉砂巖，氣相色譜分析顯示兩個層位中都存在明顯氣體峰值(圖7)。該氣層在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布，發(fā)育于一套三角洲進積體上。從過井地震剖面看，該含氣層呈強振幅異常反射，極性與海底相反，可能是氣體充填在地層孔隙中導致地層波速降低，與圍巖地層的波阻抗差造成的。該氣藏位于一個構造高點上，旁邊發(fā)育一個規(guī)模范圍較大的氣煙囪，斷層延伸到氣煙囪內(nèi)部，因此斷層及氣煙囪構造是流體向淺部地層運移的通道，使得氣藏中氣體能夠到達淺部地層。氣煙囪頂部發(fā)育大面積的HAA，且在其內(nèi)部識別出BSR，BSR上部發(fā)育的強反射可能指示相對高飽和度水合物層頂界(圖7)。由于研究區(qū)淺部地層堆積速率較大，有機質(zhì)較為豐富，經(jīng)過生物降解也可為水合物的生成提供氣源。因此推測氣源主要是深部來源的熱成因氣與生物氣的混合。

3.2 運移條件

地層流體超壓現(xiàn)象廣泛存在于深水盆地中，超壓現(xiàn)象有利于氣煙囪或者底辟構造的發(fā)育[9-10,19-20,26-27]。南海北部沉積盆地中，發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物系統(tǒng)與氣煙囪以及底辟構造有密切的關系[9-10,27]。三維地震數(shù)據(jù)顯示，淺層HAA與氣煙囪、深部正斷層都有很好的匹配關系，其分布明顯受到這類流體運移通道的控制，氣體可以沿著運移通道向上運移到淺層沉積物中形成淺層氣或者水合物(圖3、4、5)。氣煙囪的周圍會發(fā)現(xiàn)一些地層中存在HAA，部分HAA延伸較遠，但下部并不發(fā)育空白帶，這是由于氣體在該位置沿滲透性地層發(fā)生側向運移，地層中少量氣體就會造成明顯的振幅異常反射(圖3、4、7)。

氣煙囪主要發(fā)育在構造高點上，由于上部HAA的屏蔽作用，底部難以識別，推測可能主要發(fā)源于晚漸新世的珠海組氣藏(圖4、7)。當下部地層中氣體不斷充注形成的超壓超過巖體能夠承受的壓力后，地層發(fā)生破裂，形成氣煙囪構造，為氣體向上運移到淺部地層提供有利通道，大量氣體聚集在淺部地層形成超壓，整個過程循環(huán)發(fā)生，出現(xiàn)幕式運移特征的氣煙囪。與正斷層相比，HAA的分布與氣煙囪更為密切，這表明氣煙囪在氣體聚集或者水合物成藏中具有重要作用。

從研究區(qū)沿H3層位提取的相干屬性切片(圖8a)可以看出，該區(qū)域正斷層主要為NW—SE向展布，相互間為平行或亞平行分布，斷層間距在2 000～3 000 m，長度從2 000～14 000 m不等，剖面中斷層傾角范圍60°～80°，斷距為15～40 m，從淺部到深部最長可延伸達1 200 m以上(圖7、8a)。沿3 400 ms提取的相干屬性切片(圖8b)同樣反映了斷層在平面上的展布主要位于研究區(qū)西南部，橫向延伸范圍較大，部分正斷層伴有HAA發(fā)育，且其下部未出現(xiàn)空白帶現(xiàn)象，這表明這些正斷層可能是深部氣體向淺部運移的一個通道。

圖8 研究區(qū)相干屬相切片F(xiàn)ig .8 Slices of coherency attributes in study area

3.3 成藏模式

晚漸新世氣藏上部發(fā)育一套多邊形斷層，是以泥巖或粉砂質(zhì)泥巖等細粒沉積物為主的地層(圖7、8)。從沿H3層以及3 400 ms提取的相干屬性切片均可以看到多邊形斷層發(fā)育密集，展布方向不規(guī)律。多邊形斷層均為正斷層，傾角為40°～85°，斷層長度為1 000～1 500 m，斷距為10～30 m。盡管很多盆地中發(fā)現(xiàn)的多邊形斷層在烴類運移、滲漏以及聚集等方面起到了重要作用，但是本文研究區(qū)中發(fā)現(xiàn)的氣體運移構造(如氣煙囪構造和正斷層)是穿過多邊形斷層到達淺層，發(fā)現(xiàn)的大量HAA位于氣煙囪頂部、兩側或斷層一側等，而與區(qū)域分布的多邊形斷層并不完全一致。因此，推測研究區(qū)的多邊形斷層僅在下部超壓形成且流體運移活動時期才能作為流體運移通道，在正常壓力時仍會保持封閉作用對下部氣層起到圈閉作用，而下部晚漸新世氣藏沿氣煙囪、正斷層等向上運移,為水合物及淺層氣成藏提供重要氣源(圖9)。

圖9 研究區(qū)水合物及淺層氣成藏模式Fig .9 Reservoir paradigm of gas hydrate and shallow gas in study area

4 結論

1) 在白云凹陷研究區(qū)典型地震剖面上識別了強振幅異常、似海底反射、塊體搬運沉積、空白反射帶、多邊形斷層及局部構造高地等特征，刻畫了研究區(qū)內(nèi)天然氣水合物及淺層氣的分布，所識別的氣煙囪、正斷層、多邊形斷層等與發(fā)現(xiàn)的珠海組氣層相連通。

2) 白云凹陷發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物和淺層氣的分布主要受深部氣藏和流體運移通道影響，深部熱成因氣為氣藏的重要氣體來源，流體運移通道主要包括起源于下部氣藏的氣煙囪、正斷層以及淺層滲透性地層。