朱繼田 鄧 勇 郭明剛 宋 鵬 熊小峰 毛雪蓮 李 芳 黃時卓 賀 懿 任 婷

(中海石油(中國)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穩(wěn)定域內(nèi)。水合物在地震剖面上往往表現(xiàn)為強振幅、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移進入水合物穩(wěn)定域內(nèi)，來補充形成水合物富礦所需要的氣量，因此具有煙囪[13-14]、裂縫、斷層等運移通道的水合物目標(biāo)更易形成高豐度水合物礦藏?；诖?，在瓊東南盆地進行水合物勘探，需要努力尋找油氣運移通道發(fā)育的砂質(zhì)儲層目標(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層，具有垂向、側(cè)向、垂向+側(cè)向油氣運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、長昌凹陷等負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，坳陷中央地勢平坦,最大水深2 500 m。目前瓊東南盆地已落實水合物目標(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)落實了多個水合物目標(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、裂縫等油氣運移通道發(fā)育，易于形成水合物富集區(qū)；同時，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)沉積儲層，又發(fā)育北物源海底扇儲層；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氣田實施開發(fā)工程調(diào)查時在海底淺表層已取得水合物樣且點火可燃，證實該區(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)為強振幅特征。因此，綜合研究認為H區(qū)水合物潛在資源豐富，可優(yōu)先進行勘探評價，如有發(fā)現(xiàn)則可依托已發(fā)現(xiàn)氣田進行開發(fā)。

2 水合物成礦條件

中國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)化鉆探靶點為目標(biāo)，并未把水合物作為資源進行針對性勘探。同時，由于淺地層鉆探時未建立循環(huán)，缺乏巖屑、氣測數(shù)據(jù)及測井資料，造成對淺地層的巖性、含油氣情況、沉積旋回及沉積序列等認識不清，加之淺部地震資料采集處理未針對水合物進行，導(dǎo)致以往的研究只是從局域或鉆孔規(guī)避淺層風(fēng)險的角度出發(fā)，未針對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價，需要創(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，需要獲取一些新資料(如電法勘探資料)，或?qū)ΜF(xiàn)有三維地震資料進行針對性重處理，以使淺層地震頻譜得到有效拓寬和速度異?？坍嫺泳殻辉诖嘶A(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評價。

2.1 沉積與儲層條件

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值，因此需重視水合物儲集層沉積體系研究。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個方向，北部物源主要來自寧遠河、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斷裂帶一直推進至陵水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(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個物源區(qū)提供物質(zhì)向盆地中央搬運，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)造運動誘發(fā)下形成塊體滑塌(以泥質(zhì)為主)，從而在下陸坡產(chǎn)生塊體搬運復(fù)合體，并對下伏較老的深海泥或濁流沉積形成強烈侵蝕[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，摩擦力較大，一般沉積于下陸坡；而濁流為液態(tài)搬運，搬運距離更遠，一般匯聚在坳陷中央，形成富砂的特點，這與深部黃流組、鶯歌海組中央峽谷十分類似。

分析認為，H區(qū)淺層具有形成水合物富礦所需的儲層條件,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)油氣成藏的儲集場所，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)地震瞬時頻率分析， H區(qū)煙囪運移通道十分發(fā)育(圖5b)，規(guī)模達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深部油氣運移的直接證據(jù)，H區(qū)雖尚未有見諸報道的碳同位素數(shù)據(jù)，但鄰近的海馬冷泉區(qū)水合物經(jīng)碳同位素分析確實存在成熟氣通過煙囪往淺部運移[23]，推測位于鄰區(qū)且成礦條件類似的H區(qū)也存在深部氣源供應(yīng)。同時，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)，推測可能與深部氣田共源，并由深部油氣運移而來。

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。波諾馬列夫通過對大量實驗數(shù)據(jù)進行回歸整理，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)，曲線上的點代表水合物與游離氣的臨界點(即該點處BSR對應(yīng)的溫壓數(shù)值)。溫-壓曲線上的點，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。計算表明，在氣體相對密度是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、氣源相對密度越大穩(wěn)定域厚度越大的特點(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，這是因為地溫梯度等于熱流值與熱導(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行計算，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氣田氣體相對密度計算， 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供烴、氣煙囪-微裂隙垂向運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)?；谌蛩衔镔Y源量計算參數(shù)統(tǒng)計，結(jié)合H區(qū)實際情況，利用體積法對水合物和游離氣資源量進行了計算，結(jié)果表明該區(qū)水合物潛在資源量達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)。