瓊東南盆地中央峽谷天然氣水合物成藏模式

樊 奇， 李清平， 李麗霞， 呂 鑫， 朱振宇 ， 孫 濤

( 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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028 )

0 引言

天然氣水合物被譽(yù)為21世紀(jì)最重要的戰(zhàn)略能源之一。目前，在全球大陸邊緣和凍土帶240處獲得發(fā)現(xiàn)，在加拿大麥肯齊、美國(guó)阿拉斯加陸域凍土帶、日本南海海槽和中國(guó)南海海域?qū)崿F(xiàn)試采[1-2]。中國(guó)南海北部陸坡水深900～1 800 m海域?yàn)樗衔镏饕x存范圍，瓊東南盆地是天然氣水合物發(fā)育和富集的重要沉積盆地，成為中國(guó)天然氣水合物勘查開(kāi)發(fā)先導(dǎo)示范區(qū)，但天然氣水合物資源量和品質(zhì)尚未落實(shí)[1-7]。

氣源和成藏模式?jīng)Q定水合物儲(chǔ)量豐度、品質(zhì)，影響勘探部署方向。生物成因氣長(zhǎng)期被認(rèn)為是水合物的主要?dú)庠?，資源量能否滿足開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)存在爭(zhēng)議。阿拉斯加、挪威、黑海等水合物鉆探證實(shí)，熱成因氣對(duì)Ⅱ型高飽和度水合物成藏具有重要貢獻(xiàn)[2,8-9]。2019年，在瓊東南海域鉆獲裂隙型天然氣水合物，樣品重?zé)N占比可達(dá)21%，證實(shí)南海發(fā)育熱成因氣型的Ⅱ型、H型水合物。根據(jù)神狐海域水合物勘查結(jié)果，構(gòu)建滲漏型、擴(kuò)散型、滲漏—擴(kuò)散復(fù)合型天然氣水合物成藏模式[1-8,10]。

瓊東南盆地中央峽谷S17-2等千億方級(jí)氣田的探明，證實(shí)該盆地具備優(yōu)越的生排烴能力，當(dāng)有利構(gòu)造與溫度—壓力穩(wěn)定帶相互配置時(shí)，成為水合物勘探的目標(biāo)指向?；诘卣鹳Y料解釋、地球化學(xué)分析和石油地質(zhì)新認(rèn)識(shí)，筆者分析瓊東南盆地中央峽谷天然氣水合物成藏系統(tǒng)，預(yù)測(cè)天然氣水合物成藏模式為熱成因氣型滲漏型、滲漏—砂體復(fù)合型和生物成因氣型擴(kuò)散型3種，為研究區(qū)天然氣水合物資源勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)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，南望永樂(lè)隆起，是一個(gè)NE向的伸展裂陷型盆地，面積約為8.3×104km2。瓊東南盆地地質(zhì)演化經(jīng)歷神狐運(yùn)動(dòng)、南海運(yùn)動(dòng)和東沙運(yùn)動(dòng)，縱向上，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(lái)新構(gòu)造期”3期分異特征[6-7]；平面上，受華南板塊、印支板塊、太平洋板塊共同作用，發(fā)育大量NE、NEE向斷裂，主體構(gòu)造具有“南北分帶、東西分區(qū)”的格局(見(jiàn)圖1)。

瓊東南盆地中央峽谷軸向水道西起鶯歌海盆地，東接珠江口盆地，呈S型分布特征貫穿盆地，中央峽谷全長(zhǎng)為450 km，軸向?qū)挾燃s為46 km，包括樂(lè)東段、陵水段、松南—寶島段、長(zhǎng)昌段等[6-7]。S17-2氣田位于中央峽谷陵水段。S1井在鶯歌海組海底扇砂巖儲(chǔ)層中獲得高產(chǎn)氣流，日產(chǎn)天然氣為1.066×106m3，表明瓊東南和神狐海域天然氣潛力巨大[11-14]。瓊東南盆地梅山組以上地層屬于正常地溫梯度(38.7 ℃/km)和正常壓力系統(tǒng)，梅山組以下地層(含梅山組)為高溫—高壓系統(tǒng)。

圖1 瓊東南盆地中央峽谷構(gòu)造位置Fig.1 Areal location of the Central Canyon of the Qiongdongnan Basin

2 氣源條件及潛力

2.1 氣體類(lèi)型

甲烷碳同位素(δ13C1)是判斷天然氣成因類(lèi)型的主要指標(biāo)之一。選取瓊東南海域和神狐海域淺表層沉積物和水合物烴類(lèi)氣測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[9,15-16]。收集瓊東南海域204個(gè)(全部)樣品的烴類(lèi)氣體組分，以及12個(gè)高異常值樣品的甲烷碳同位素?cái)?shù)據(jù)；神狐海域12個(gè)(全部)樣品的甲烷碳同位素?cái)?shù)據(jù)及烴類(lèi)氣體濕度見(jiàn)表1-2[9,14-16]。

表1 瓊東南—神狐海域水合物甲烷碳同位素?cái)?shù)據(jù)

采用海洋沉積物烴類(lèi)氣體識(shí)別法，即氣體濕度K和甲烷碳同位素協(xié)同判別法，分析天然氣水合物氣源成因。當(dāng)K小于100時(shí)，指示熱成因氣；當(dāng)K大于1 000時(shí)，指示生物成因氣；當(dāng)K介于100～1 000時(shí)，指示混合成因氣。當(dāng)δ13C1小于-60‰時(shí)，指示生物成因氣；當(dāng)δ13C1大于-50‰時(shí)，指示熱成因氣；當(dāng)δ13C1介于-60‰～-50‰時(shí)，指示混合成因氣(見(jiàn)圖2)[9,15-16]。

瓊東南海域204個(gè)樣品的K介于6.27～90.01，平均為26.89，12個(gè)樣品的δ13C1介于-33.65‰～-29.92‰，平均為-31.92‰，散點(diǎn)主體落入熱成因氣區(qū)。神狐海域12個(gè)樣品的K介于639.00～1 991.00，平均為1 409.47，δ13C1介于-62.20‰～-44.10‰，平均為-56.91‰，散點(diǎn)落入生物成因和混合成因氣區(qū)。神狐海域天然氣水合物氣源具有“混合成因氣為主、生物成因氣為輔”的特征；瓊東南海域天然氣水合物氣源具有“熱成因氣為主、混合成因氣為輔”的特征。

表2 瓊東南—神狐海域天然氣水合物烴類(lèi)氣體濕度

圖2 瓊東南—神狐海域天然氣水合物氣源判別圖版Fig.2 Charts of source of natural gas hydrate in the Qiongdongnan Sea and Shenhu Sea

2.2 氣源潛力

瓊東南盆地生物氣源巖主要為上新統(tǒng)鶯歌海組—第四系的海相粉細(xì)砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，通常在埋深小于2.3 km的沉積地層中表現(xiàn)中等至較高的甲烷氣測(cè)異常，甲烷碳同位素介于-87.00‰～-62.00‰，表現(xiàn)明顯的生物氣特征。該套生物氣烴源巖的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.28%～0.49%，總烴(HC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55～300 μg/g，生烴潛量(S1+S2)為0.22～0.51 mg/g。預(yù)測(cè)瓊東南盆地埋深小于2.3 km烴源巖的生物氣資源量可達(dá)1.799 3×1015m3，具有較充足的生物氣供給能力[9]。

根據(jù)鄰區(qū)巖心分析，明確研究區(qū)熱成因氣。崖城組煤系烴源巖為中等—好，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅱ2—Ⅲ型干酪根，處于成熟—高成熟(Ro為1.6%～3.5%)生氣階段。S17-2氣田黃流組天然氣甲烷體積分?jǐn)?shù)為89.5%～93.3%，干燥因數(shù)為0.92～0.94，δ13C1為-38.00‰～-37.00‰，δ13C2為-26.60‰～-23.40‰，崖城組煤系烴源巖具備規(guī)模供烴能力[9,11]。模擬陵水凹陷崖城組煤系烴源巖，預(yù)測(cè)熱成因氣供給資源量為2.973×109t。表明煤系烴源巖具備充足的供氣能力。

2.3 主力烴源巖沉積環(huán)境

瓊東南盆地崖城組煤系烴源巖具備“有機(jī)質(zhì)豐度高(w(TOC)為0.6%～21.0%)、烴源巖生烴量大(3.896×1013m3)”，天然氣“甲烷體積分?jǐn)?shù)高、干氣密度大”的特點(diǎn)，為主力烴源巖[12-13]?；跓岢梢驓鈱?duì)天然氣水合物的貢獻(xiàn)，研究瓊東南盆地崖城組煤系烴源巖的沉積環(huán)境。

始新世—漸新世轉(zhuǎn)換期，陵水、松南、寶島、長(zhǎng)昌等凹陷由南北雙控式地塹逐漸充填演化為“北超南斷”式的箕狀斷陷[13]，古地形為凹陷邊緣的古凸起陸源高等植物等有機(jī)質(zhì)輸入創(chuàng)造條件。陵水、松南、寶島、長(zhǎng)昌等凹陷在崖城組發(fā)生海侵過(guò)程演化形成陸表海，凹陷中部繼承性發(fā)育大面積淺海沉積，陵水凹陷北東部、松南凹陷北部、寶島和長(zhǎng)昌凹陷南部發(fā)育寬緩的濱海沉積，在凹陷邊緣和古凸起區(qū)發(fā)育海岸平原沼澤和扇三角洲含煤沉積(見(jiàn)圖3)。相鄰崖城凹陷鉆揭同時(shí)期含蕨類(lèi)化石的巖心，反映瓊東南盆地凹陷區(qū)在這一時(shí)期處于有利于泥炭堆積的濕熱古氣候環(huán)境，適宜腐殖型有機(jī)質(zhì)發(fā)生熱降解過(guò)程。

圖3 瓊東南盆地崖城組沉積相展布Fig.3 Sedimentary facies map of Yacheng Formation in the Qiongdongnan Basin

3 運(yùn)移輸導(dǎo)體系及穩(wěn)定帶特征

斷裂、氣煙囪等滲漏構(gòu)造和海底滑塌體等優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，構(gòu)成深水天然氣、水等流體的運(yùn)移輸導(dǎo)體系，控制流體通量、流通路徑及水合物的形成和分布聚集。

3.1 斷裂

根據(jù)中央峽谷地震資料解釋?zhuān)巴ㄔ催B儲(chǔ)”斷裂對(duì)淺層天然氣水合物分布具有區(qū)域控制作用。受南北向區(qū)域伸展應(yīng)力場(chǎng)影響，漸新世研究區(qū)大規(guī)模發(fā)育NE—SW、E—W向斷裂體系，斷裂相互疊接延伸，直接連通崖城組煤系烴源巖和樂(lè)東組粉砂質(zhì)水合物儲(chǔ)層，是深層天然氣等流體的垂向運(yùn)移通道，為水合物形成和聚集提供有利條件(見(jiàn)圖4)。

梅山組細(xì)粒沉積形成的超壓使?jié)u新統(tǒng)斷裂開(kāi)啟活化，形成大量次生斷裂和裂縫帶，斷裂與泥質(zhì)粉砂質(zhì)沉積構(gòu)成運(yùn)移輸導(dǎo)通道，控制天然氣、水等流體運(yùn)移方向和水合物形成分布。在地震泵和超壓流體驅(qū)動(dòng)下，深部熱成因氣沿?cái)嗔严驕\地層發(fā)生垂向運(yùn)移，中—淺層生物成因氣被斷裂帶捕獲并發(fā)生側(cè)向和垂向運(yùn)移，在穩(wěn)定帶的有利構(gòu)造中形成和聚集。這類(lèi)斷裂包括控凹、邊界和多邊形斷裂。

圖4 瓊東南盆地中央峽谷“通源連儲(chǔ)”斷裂地震特征Fig.4 Seismic characteristics of faults linked to source and reservoir in Central Canyon, the Qiongdongnan Basin

3.2 氣煙囪—泥底辟—麻坑

氣煙囪—泥底辟—麻坑和斷裂共同構(gòu)成流體運(yùn)移的高效輸導(dǎo)通道，為尋找天然氣水合物提供指示[8,16]。瓊東南盆地新構(gòu)造時(shí)期，中央峽谷異常地層流體壓力常引發(fā)構(gòu)造薄弱帶塑性遷移，使氣煙囪在研究區(qū)廣泛發(fā)育，氣煙囪上部常見(jiàn)BSR(似海底反射波)現(xiàn)象，表明氣煙囪上覆地層為典型水合物富集帶。氣煙囪構(gòu)造具有“低流體勢(shì)、高流通性”的物性特征，流體沿優(yōu)勢(shì)通道快速運(yùn)移，并在穩(wěn)定帶的合適位置聚集。在地震剖面上，氣煙囪內(nèi)部“含氣陷阱”通常表現(xiàn)為同相軸下拉反射特征，游離氣在氣煙囪頂部的聚集引起氣煙囪與圍巖波阻抗的差異，表現(xiàn)為補(bǔ)丁狀強(qiáng)振幅和同相軸增粗特征(見(jiàn)圖5)。

圖5 氣煙囪地震反射特征和成因模式Fig.5 Seismic characteristics and genetic model of gas chimney

氣煙囪、泥底辟、麻坑構(gòu)造在成因上相互聯(lián)系。底辟?gòu)陌l(fā)育初期的弱刺穿狀演化形成直立狀氣煙囪(流體底辟)，進(jìn)一步強(qiáng)刺穿圍巖而形成泥底辟。當(dāng)泥底辟封蓋能力有限時(shí)，構(gòu)造頂部和側(cè)翼等薄弱帶優(yōu)先破裂，流體快速上移逃逸海底而形成麻坑，壓力釋放和減小后，氣煙囪裂縫帶閉合并形成麻坑遺跡[16-17]，由下至上組成氣煙囪—泥底辟—麻坑運(yùn)移輸導(dǎo)體系。

3.3 海底滑塌體

海底滑塌體是彌散大量沉積物的高密度流體，可將沉積物從陸架坡折帶搬運(yùn)至深海盆地。海底滑塌體既是砂巖型水合物賦存的有利基礎(chǔ)環(huán)境，也是天然氣、水等流體側(cè)向運(yùn)移的通道。海底滑塌發(fā)生和水合物分解及二次生成有較高的相關(guān)關(guān)系[18-19]。在穩(wěn)定帶內(nèi)部，海底滑塌體攜帶粗粒沉積而形成高飽和度水合物；當(dāng)溫度—壓力條件變化時(shí)，水合物分解形成超壓而觸發(fā)下一次海底滑塌，形成多個(gè)滑脫塊體，為流體側(cè)向運(yùn)移和水合物二次富集提供有利條件(見(jiàn)圖6)。

瓊東南海域中央峽谷海底滑塌體在樂(lè)東組較為發(fā)育，在氣煙囪和泥質(zhì)粉砂型水合物發(fā)育的大背景下，海底滑塌體富砂質(zhì)儲(chǔ)層成為高飽和度天然氣水合物的接替選擇。海底滑塌體與水合物分解及二次發(fā)育相關(guān)關(guān)系，反映開(kāi)發(fā)富集水合物海底滑塌體可能破壞海底工程設(shè)施、影響海洋生態(tài)。

3.4 穩(wěn)定帶特征

穩(wěn)定帶是滿足水合物形成的熱力學(xué)范圍和地層深度，包括海底溫度、地溫梯度、地層壓力、鹽度、水深、儲(chǔ)層粒度和沉積速率等[1-7,16,18-22]。瓊東南海域穩(wěn)定帶參數(shù)的基本特征為瓊東南盆地梅山組以上地層處于正常溫度—壓力系統(tǒng)；盆地現(xiàn)今地溫梯度為40.0～43.0 ℃/km，局部巖漿侵入?yún)^(qū)地溫梯度為48.0 ℃/km，氣煙囪區(qū)地溫梯度為103.0 ℃/km；南海海水鹽度相對(duì)穩(wěn)定為3.35%～3.50%，表層海水鹽度為3.40%；瓊東南盆地水合物富集區(qū)水深大于1.5 km；水合物在粗粒沉積物中多呈結(jié)核狀、塊狀沉積，在細(xì)粒沉積物中多呈分散狀、脈狀沉積，南海水合物儲(chǔ)層為富泥質(zhì)細(xì)粒沉積物。研究區(qū)具備發(fā)育和賦存天然氣水合物的穩(wěn)定帶條件。

4 水合物成藏模式

基于瓊東南盆地中央峽谷S17-2氣田地質(zhì)認(rèn)識(shí)和天然氣水合物研究現(xiàn)狀[6-7,12-13]，預(yù)測(cè)研究區(qū)3種天然氣水合物成藏模式為熱成因氣型滲漏型、滲漏—砂體復(fù)合型及生物成因氣型擴(kuò)散型水合物(見(jiàn)圖7)。

4.1 滲漏型

熱成因氣型滲漏型水合物(斷裂—?dú)鉄焽琛嗟妆?是研究區(qū)主要的成藏模式。瓊東南海域天然氣水合物氣源以熱成因氣為主，生排烴時(shí)期，崖城組煤系烴源巖熱成因氣通過(guò)“通源連儲(chǔ)”斷裂、氣煙囪、裂縫帶等開(kāi)啟滲漏構(gòu)造，在地震泵和超壓作用下發(fā)生長(zhǎng)距離運(yùn)移。在合適的溫度—壓力條件下，流體在滲漏構(gòu)造頂部或側(cè)翼優(yōu)先充注聚集。滲漏構(gòu)造的天然氣流通量高且儲(chǔ)層空間飽滿，該類(lèi)成藏模式可以形成高飽和度的塊狀、脈狀水合物。

4.2 滲漏—砂體復(fù)合型

熱成因氣型滲漏—砂體復(fù)合型水合物是研究區(qū)次要的成藏模式。巖性油藏是成熟探區(qū)提高邊際效益儲(chǔ)量的主要油藏類(lèi)型，砂質(zhì)水合物不是瓊東南海域水合物勘查的主要目標(biāo)。研究區(qū)海底滑塌體攜帶粗粒沉積與滲漏構(gòu)造構(gòu)成滲漏構(gòu)造—砂體復(fù)合型圈閉，崖城組煤系烴源巖熱成因氣沿?cái)嗔押蜌鉄焽柘驕\地層垂向運(yùn)移，在砂質(zhì)沉積體中側(cè)向運(yùn)移聚集，該類(lèi)成藏模式可以形成中—高飽和度的結(jié)核狀、塊狀水合物。

圖7 瓊東南盆地中央峽谷天然氣水合物成藏模式Fig.7 Reservoir forming model of natural gas hydrates in Central Canyon, the Qiongdongnan Basin

4.3 擴(kuò)散型

生物成因氣型擴(kuò)散型水合物是研究區(qū)分布廣泛、儲(chǔ)量豐度較低的成藏模式。研究區(qū)埋深2.3 km以淺的上新統(tǒng)鶯歌海組—第四系的海相粉細(xì)砂巖或泥質(zhì)粉砂巖是生物氣的主要烴源巖，細(xì)粒沉積內(nèi)部的甜點(diǎn)區(qū)域形成自生自儲(chǔ)類(lèi)型天然氣水合物礦藏。在生排烴階段及適宜溫度—壓力環(huán)境下，天然氣將運(yùn)移至短距離海底滑塌體等粗粒沉積或粉砂質(zhì)等有效儲(chǔ)層而充注聚集，該類(lèi)成藏模式可以形成脈狀、片狀、分散狀天然氣水合物。

5 結(jié)論

(1)瓊東南盆地中央峽谷天然氣水合物氣源來(lái)自熱成因氣和混合成因氣，熱成因氣主要來(lái)自崖城組煤系烴源巖，熱成因氣和生物成因氣具備充足的供烴能力。

(2)瓊東南盆地中央峽谷發(fā)育“通源連儲(chǔ)”斷裂、氣煙囪—泥底辟—麻坑、海底滑塌體，構(gòu)成流體的主要運(yùn)移輸導(dǎo)體系。在Ⅱ型水合物發(fā)現(xiàn)的背景下，水合物的形成分布受控于運(yùn)移通道。

(3)研究區(qū)水合物主要的成藏模式為熱成因氣型滲漏型(斷裂、氣煙囪、泥底辟)水合物；次要的成藏模式為熱成因氣型滲漏—砂體復(fù)合型水合物；分布廣、儲(chǔ)量豐度低的成藏模式為生物成因氣型擴(kuò)散型。