神狐海域气源特征及其对天然气水合物成藏的指示意义

苏丕波 雷怀彦,2 梁金强 沙志彬 付少英 龚跃华

1.厦门大学海洋与环境学院 2.中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气中心3.国土资源部广州海洋地质调查局

神狐海域气源特征及其对天然气水合物成藏的指示意义

苏丕波1雷怀彦1,2梁金强3沙志彬3付少英3龚跃华3

1.厦门大学海洋与环境学院 2.中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气中心3.国土资源部广州海洋地质调查局

为了了解神狐海域天然气水合物成藏的气体来源及聚集特征,根据过SH2井区高分辨率地震剖面构建了该区地质模型,并进行了天然气水合物成藏模拟。在恢复SH2井区地史和热演化史的基础上,利用EASY%Ro模型计算了SH2井区烃源岩的成熟度演化史,结合探区采样成果对水合物的气源特征进行了初步探讨。结果表明:深部发育的2套烃源岩(古近系文昌组和恩平组)演化程度均较高(Ro>2%),处于产干气阶段,热解生气潜力巨大;浅部新近系珠江组、韩江组、粤海组和万山组基本处于未成熟—低成熟阶段(Ro<0.7%),有机质丰度较高,是生物气的烃源岩,具有生物生气的巨大潜力。同时,神狐海域地质构造复杂,断层与底辟发育,这些断裂和底劈构造成为连接浅部水合物稳定域和气源的桥梁,为生物成因气和深部热解气的运移提供了良好的通道。当气源和天然气水合物稳定域的时空匹配得当,在适当的地质条件下便可形成天然气水合物。初步预测该区天然气水合物资源潜力巨大,是勘探远景区。

天然气水合物 气源对比 有机质成熟度 生物气 运移通道 油气藏形成 烃源岩 神狐海域

气体的充足供应是形成天然气水合物(以下简称水合物)不可或缺的条件[1],要了解水合物的聚集特征,必须首先研究其中烃类气体的来源。生物成因气、热解成因气、无机成因气均可作为水合物的气体来源,这些不同成因的天然气运移至特定低温高压条件下,均可形成水合物矿藏[2-3]。就目前研究的成果来说,气体来源主要以有机成因气为主[4],有机成因烃类气体包括生物成因气和热解成因气,目前世界上所发现天然气水合物中所含甲烷大多以生物成因为主,除俄罗斯的梅索亚哈气田、日本南海海槽以及加拿大麦肯齐三角洲等少数几个水合物分布区采集到的甲烷样品具有典型的热成因气特征外,大多数为生物成因气特征,个别具混合成因的气体特征(如墨西哥湾和普拉德霍湾)。笔者主要以南海北部神狐海域为研究区,对该区气源特征及其与水合物的成藏关系进行了初步探讨。

1 地质概况

神狐海域位于南海北部陆缘陆坡区的中段,经历了与南海北部陆缘相似的地史演化过程,南海北部大陆边缘在新生代经历了被动大陆边缘的发育史,分布着巨厚的新生代沉积。新生界地层自下而上依次为古新统、始新统、渐新统、中新统、上新统和第四系,共划分7个地层层序(A,B,C,D,E,F,G)(表1)。神狐海域水合物研究区主要位于珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷,水深为200～2 000 m,面积约为20 000 km2,凹陷内陆源沉积物供给充分,沉积速率较高,新生界平均沉积厚度为4 000～7 000 m,最大沉积厚度约为12 000 m。地史上经历多次地壳运动和多阶段的构造演化,地质构造复杂,断裂—褶皱体系非常发育[5],断层切穿较新的沉积层延伸至水合物稳定域,为天然气向浅部水合物稳定带运移创造了有利条件,而褶皱构造易于捕获天然气,促使水合物的形成。

表1 神狐海域研究区地层层序划分表

对神狐海域226个站位获得的591个顶空气样品进行了烃类气体含量的测试分析,结果显示[6]:海域浅表层沉积物中普遍存在游离气,δ13C1(PDB)值为-46.2‰～-74.3‰,平均为-60.9‰,除2个样品的δ13C1值为-46.2‰和-51‰外,大多数样品的δ13C1值小于-57‰,证实神狐海域浅表层沉积物顶空气主要来源于生物气。此外,有55个站位顶空气甲烷的含量在垂向上保持了相对较高的丰度,特别是位于调查区北部白云凹陷内的5个站位,甲烷的含量分别接近了120μL/kg和200μL/kg,暗示其深部可能有持续稳定的游离甲烷供应,可能是来自于深部的热解气。据ODP184航次钻探成果,研究区附近的东沙陆坡区渐新统及以上地层有机碳含量高,在1144、1146等多个站位发现生物成因气和热解成因气的富集。王建桥等人对调查区东部的ODP1146站位顶空气样品进行了分析,结果也显示为混合气体的特征[7]。由此推测,研究区浅部地层中的天然气可能兼有生物气和热解气2种来源。

2 烃源岩特征

2.1 生物气烃源岩特征

近海油气勘探表明[8],南海北部边缘盆地生物气的烃源岩分布相当广泛,纵向上从上中新统至第四系,甚至在局部区域的中中新统的不同层段均有分布;区域上盆地内均有大套浅海相和半深海相的泥质烃源岩展布,其有机质丰度相对较高,已达到了作为生物气烃源岩的标准,且具有一定的生烃潜力。目前,莺—琼盆地的诸多探井在浅层均见到生物气显示,多以水溶气的形式产出,亦有呈气层气分布而形成游离气藏的,主要赋存于上新统—第四系小于2 300 m的海相粉细砂岩或泥质粉砂岩中,并且已经在莺歌海盆地中部坳陷第四系超浅层的乐东28-1构造以及乐东22-1气田,发现单独成藏的以气层气形式产出的生物气气藏,具有一定的储量规模,产能甚高,产量超过43.6×104m3/d。莺歌海盆地上中新统—第四系海相泥岩有机碳含量一般平均为0.23%～1.05%,估算其生物气生成量可达 5 982 629×108m3,生物气资源量可达2 991.3×108m3。琼东南盆地生物气烃源岩有机质丰度总体上比莺歌海盆地低一些或相当,粗略估算琼盆地生物气总生气量可达4 374 532×108m3,生物气资源量可达2 187.2×108m3。珠江口盆地东部生物气生成量为661 500×108m3,生物气总资源量可达4 630.5×108m3。

根据沉积环境分析[9],神狐海域水合物研究区陆源沉积物供给充分,沉积速率较高,比开放性大洋高2～3倍。第四纪以浅海—半深海—深海相细粒沉积为主,该时期沉积层中砂岩含量仅为15%～50%,大部分地区砂岩含量低于25%;上新世,该区以半深海—深海沉积为主,该时期沉积层中的砂岩含量分布大体在20%～60%,大部分区域砂岩含量低于45%,仍然以偏细粒沉积为主;上中新世,以浅海—半深海沉积为主,地层砂岩含量分布大体在25%～75%,大部分区域砂岩含量低于50%。由于快速沉积的半深海沉积区聚积了大量的有机碎屑物,迅速埋藏在海底未遭受氧化作用而保存下来,并在沉积物中经细菌作用转变为大量的生物甲烷气。并且,快速堆积的沉积体易形成欠压实区,从而可构成良好的流体输导体系,有利于生物气藏的形成。在珠江口盆地东部白云凹陷北斜坡PY34-1和PY30-1构造的浅层已发现生物气气藏。

2007年4～6月,广州海洋地质调查局在神狐海域研究区内实施了天然气水合物钻探,先后在3个站位成功钻获了天然气水合物实物样品,对其中的SH2站位沉积物样品中的气体进行的气相色谱分析的结果显示[10]:CH4的体积分数占 96%～99%,C2H6和C3H8的体积分数很低,干燥系数(C1/C2)一般在数百至1 000以上,为典型的干气。SH2站位含水合物层的总有机碳含量平均值为0.43%,已达到了作为生物气烃源岩的标准,对SH2站位进行有机质成熟度的热演化模拟(图1),结果表明:浅部地层珠江组、韩江组、粤海组和万山组 Ro值低于 0.7%,多在 0.2%～0.6%,处于未熟—低成熟的生烃门限附近,属于良好的生物气的烃源岩。这几套层序厚度大,泥岩含量高,热成熟低,有机质丰度较高[11],其中,上中新统—第四系海相泥岩有机碳含量平均为0.22%～0.49%,且不同层位及层段均变化不大,第四系有机碳含量平均为0.22%～0.28%,上新统有机碳含量平均为0.30%～0.39%,上中新统有机碳含量平均为0.49%;上中新统—全新统海相泥岩生烃潜力(S1+S2)平均为0.13～0.32 mg/g,与莺歌海盆地大体一致。由此推测,该区具备生成生物气的巨大潜力。

图1 SH2站位有机质成熟度(R o)演化模拟图

2.2 热成因气烃源岩特征

根据古气候条件、古地理环境及高分辨率地震资料地震相特征综合分析认为:神狐海域水合物研究区白云凹陷在始新世—早渐新世具有潮湿的气候环境、全封闭的深洼陷、高的沉积速率,该时期形成了巨厚的文昌—恩平组烃源岩。这2套烃源岩在邻区钻探中已证实是珠江口盆地主要烃源岩。而渐新统珠海组则可能是潜在的烃源岩层,这几套烃源岩的地化特征研究表明[12-13]:始新统文昌组,中深湖相泥岩,白云凹陷中的面积为1 900 km2,厚度为1 700～3 000 m。TOC平均值为2.94%,H I平均值为483.4 m g/g,氯仿沥青“A”含量平均值为0.225%;干酪根 H/C原子比为1.5～1.0,大多在1.2,表明有机质类型为腐泥—混合型;下渐新统恩平组为沼泽相、河流相和滨—浅湖相沉积,面积2 860 km2,厚度为1 100～2 300 m。烃源岩多为煤系泥岩,含丰富的陆源树脂。TOC平均值为2.4%,H I平均值为146.1,氯仿沥青“A”含量平均值为0.197 6%;干酪根H/C原子比多在1.2～0.7,表明有机质类型以偏腐殖混合—腐殖型为主;上渐新统珠海组,渐海相,TOC平均值为1.83%,H I平均值为154.28 m g/g,氯仿沥青“A”含量平均值为0.46%,机质类型为偏腐殖混合型,也达到了一般烃源岩的指标。

基于已有的高分辨率的地震资料,建立了过钻探区SH2站位的二维地质模型,并对模型进行了水合物成藏模拟,有机质成熟度热演化史模拟结果表明(图2):过SH2站位地质剖面深部文昌组与恩平组有机质的现今的热演化程度普遍较高,基本处于产干气阶段(Ro>2%)(图2-a),SH2站位在中中新世时文昌组与恩平组烃源岩均已进入生烃高峰阶段(Ro>1%)(图2-b);在早上新世时,恩平组烃源岩进入高成熟阶段(Ro=1.3%～2%),而文昌组烃源岩大部分进入了产干气阶段(Ro>2.0%)(图2-c);现今,深部恩平组和文昌组2套烃源岩层演化程度均很高,特别是文昌组烃源岩,基本处于产干气阶段(Ro>3.0%),热解生气能力较大(图2-d)。综合以上分析,神狐海域深部的热成因气资源潜力巨大,特别是文昌组烃源岩从早上新世开始一直处于产热解气的阶段,是该区水合物成藏最重要、最主要的热解烃源岩,恩平组仅次于文昌组,也是该区的主要热解气源岩之一,而珠海组由于演化程度相对较低,未达到热解产气阶段,对水合物成藏贡献不大。此外,在研究区内,有我国第一口深水钻井LW 3-1-1井,该井钻遇大量热解天然气,初步估算天然气地质储量超过1 000×108m3。据此也可以印证,该区域深部烃源岩具有充足的热解气源。但这些气源对水合物成藏具有多大贡献,尚需结合具体地质条件做进一步的研究。

3 气源运移特征

由于受区域构造运动,特别是新构造运动的作用,神狐研究区内断裂构造发育。断层可分为北东、北西和北北西向3组,且均为正断层,其中北东向断层有明显切割北西向断层的趋势。断层活动时间大致可分为晚中新世和上新世以来2个主要时期,晚中新世断层以北西向为主,主要分布于研究区中北部,断层大部分切割上中新统,部分切穿上新统,是研究区最主要断层活动时期;上新世以来活动断层以北东向为主,断层活动强度小,但数量众多。由于这些断层贯通了下部气源岩系与上部水合物形成的温压稳定带层系,改善了天然气的垂向运移条件,而断层活动时间又横跨生气和排气高峰期,成为构成流体运移的一个主要通道。同时,应该注意到如果断层过大,直通海底,会造成部分气体的散失。从过SH2站位地震剖面流体运移模拟结果来看(图3),由于该处发育断裂,直通海底,导致深部热解气源部分通过断裂直通海底散失,未能有效运移至水合物稳定域,所以钻井处热解气源对水合物贡献较小。同时从图中烃气运移方向分析,该处钻遇的水合物主要为浅层生物成因气通过横向运移至水合物稳定域形成。

图2 过SH2站位烃源岩成熟史模拟图

底辟构造和天然气水合物的形成与运移聚集也有密切的关系,底辟构造由地球深部物质上拱或刺穿到浅部产生,在形成过程中会引起构造侧翼和顶部沉积层的倾斜和破裂,促使流体的排放,因而对水合物的形成十分有利。大量的调查资料显示[14-15]:珠江口盆地白云凹陷中心有大量底辟群的存在,在神狐海域前期调查中,识别出了5个泥底辟异常反射体,其中4个位于白云凹陷内。这些识别出来的底辟构造在高分辨率地震剖面上表现特征主要为地震反射模糊区(带),横向上反射同相轴的连续性变差或错断,内部反射较杂乱,甚至为空白反射,局部见同相轴下拉现象;其两侧、顶部常见亮点振幅异常,白云凹陷北坡钻井已揭示这种亮点与气层存在良好对应关系。因此,推断这种反射模糊区应为流体作用的结果(图4)[16]。底辟构造的存在说明凹陷中心曾经孕育着高压、超压系统。由于现今地层具有正常压力,这说明超压的累积和释放与深部烃源岩生烃及排烃有一定的关系。与底辟构造密切伴生的大量亮点指示着沿底辟构造的天然气垂向输导,构成了古近系油气运移到新近系—第四纪的成藏动力系统。底辟构造的发育在不同深度形成了上覆拱张,上覆地层产生了高角度的断裂和垂向裂隙系统,构成流体运移的另一个通道。

图3 流体运移模拟图

4 讨论与结论

图4 神狐海域底辟构造特征图

“源控论”是目前流行的水合物成藏的主要理论。如果没有烃源或烃源潜力不够的话,就不可能或很难成藏。天然气水合物发现区沉积物生气量的模拟实验、表明[17]:海底之下1 200 m以内的沉积物仍在不断生成生物气,是生物成因的天然气水合物的重要气源地,这一深度段的沉积物的有机质丰度和地层中流体运移通道对于天然气水合物的成藏至关重要;而埋深超过1 200 m的沉积地层由于温度的增高,已经不具备生物生气的条件,1 200 m之上埋深的沉积物开始进入热成因产气阶段,热解成因气的产生通过断裂底辟继续为水合物区提供甲烷来源。

研究区水合物成藏模拟结果表明神狐研究区的气源应该为浅部生物气与深部热成因气组成的混合成因气,浅部地层地层珠江组、韩江组、粤海组和万山组有机质成熟度 Ro<0.7%,均未进入生油门限,由于其厚度大,泥岩及有机质含量高,热成熟低,在合适的条件下,这几套地层可以成为水合物成藏的良好生物成因气的“烃源岩”,为水合物成藏提供大量的生物气气源。深部文昌组,恩平组烃源岩热演化程度高,产生了大量热解气源。而以北西向为主的断层向下延至古近纪地层,为深部流体向高位运移提供了通道,气体(流体)沿断层由下部气源高压区向上部低压区侧向运移或垂向与侧向联合运移而形成上升流,而这种上升流进入浅表层时,与浅部生物气一起运移至有利的位置形成水合物并保存下来。

目前对这2种气源的生气量及其对水合物的成藏贡献量的研究还处于探索阶段,通过对神狐海域气源特征的研究,笔者得到以下一些初步结论,许多问题尚待进一步的研究:

1)神狐海域浅部地层珠江组、韩江组、粤海组和万山组厚度大,泥岩及有机质含量高,有机质成熟度 R o <0.7%,具有生物成因气的发育条件,生物生气的潜力巨大,推测生物气是构成该区水合物成藏的主要气源之一。

2)神狐海域深部恩平组和文昌组2套烃源岩层热演化程度较高,现今处在生、排烃高峰期,认为研究区深部具有充足的热解气源,SH2站位处由于发育直通海底的断裂,导致深部热解气源部分通过断裂至海底散失,未能有效运移至水合物稳定域,所以SH2站位钻探处热解气源对水合物贡献较小。

3)神狐海域运移条件优越,底辟和断裂构造发育,这些断裂和底劈构造在适当条件下为水合物稳定域下伏生物成因气和深部热解气气源向浅部水合物稳定域运移提供了良好的通道。当气源和水合物稳定域的时空匹配得当便可形成水合物。

[1]卢振权,SUL TAN N,金春爽,等.天然气水合物形成条件与含量影响因素的半定量分析[J].地球物理学报,2008,51 (1):125-132.

[2]付少英.烃类成因对天然气水合物成藏的控制[J].地学前缘,2005,12(3):263-267.

[3]坚润堂,李峰,王造成.青藏高原冻土区活动带天然气水合物异常特征[J].西南石油大学学报:自然科学版,2009,31 (2):13-17.

[4]夏新宇,戴金星,宋岩.海底天然气水合物气源及资源评价问题[J].天然气地球科学,2001,12(1/2):11-15.

[5]张光学,祝有海,梁金强,等.构造控制型天然气水合物矿藏及其特征[J].现代地质,2006,20(4):605-612.

[6]雷新民,张光学,郑艳.南海北部神狐海域天然气水合物形成及分布的地质因素[J].海洋地质动态,2009,25(5): 1-5,9.

[7]王建桥,祝有海,吴必豪,等.南海ODP1146站位烃类气体地球化学特征及其意义[J].海洋地质与第四纪地质,2005, 25(3):53-60.

[8]何家雄,夏斌,刘宝明,等.莺歌海盆地中深层天然气运聚成藏特征及勘探前景[J].石油勘探与开发,2005,32(1): 37-42.

[9]于兴河,张志杰,苏新,等.中国南海天然气水合物沉积成藏条件初探及其分布[J].地学前缘,2004,11(1):311-315.

[10]吴能友,张海啟,杨胜雄,等.南海神狐海域天然气水合物成藏系统初探[J].天然气工业,2007,27(9):1-6.

[11]何家雄,姚永坚,刘海龄,等.南海北部边缘盆地天然气成因类型及气源构成特点[J].中国地质,2008,35(5):1007-1016.

[12]张树林,陈多福,黄君权.白云凹陷天然气水合物成藏条件[J].天然气工业,2007,27(9):7-10.

[13]张树林.中国海域天然气水合物勘探研究新进展[J].天然气工业,2008,28(1):154-158.

[14]王家豪,庞雄,王存武,等.珠江口盆地白云凹陷中央底辟带的发现及识别[J].地球科学:中国地质大学学报,2006, 31(2):209-213.

[15]蔡周荣,夏斌,万志峰,等.珠江口盆地与莺琼盆地油气运聚特征的差异性[J].天然气工业,2009,29(11):9-12.

[16]龚跃华,杨胜雄,王宏斌,等.南海北部神狐海域天然气水合物成藏特征[J].现代地质,2009,23(2):210-216.

[17]龚建明,曹志敏,陈建文,等.天然气水合物发现区沉积物生气量的模拟实验[J].中国科学:D辑 地球科学,2009, 39(2):204-211.

Characteristics of gas source in the waters of Shenhu and their sign ificance to gas hydrate accumulation

Su Pibo1,Lei Huaiyan1,2,Liang Jinqiang3,Sha Zhibin3,Fu Shaoying3,Gong Yuehua3
(1.College of Oceanography and Environmental Science,Xiamen University,Xiamen,Fujian 361005;China;2.L anzhou Research Center of Geology and Geophysics Institute,Chinese Academ y of Sciences,Lanzhou. Gansu 730000,China;3.Guangzhou M arine Geology Survey,M inistry of L and and Resource,Guangzhou, Guangdong 510760,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 10,pp.103-108,10/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

In o rder to recognize gas sources and accumulation patterns of gas hydrate in the waters of Shenhu,we built a geologic model based on the high-resolution seismic p rofile tied to the SH2 well and simulated the accumulation of gas hydrate.The geologic history and thermal evolution histo ry of the SH2 wellblock were restored,the EASY%Romodelwas used to define the thermal evolution histo ry of source rocks in the SH2 well,and the characteristicsof gas source were p reliminarily discussed in combination w ith the sampling results in the exp lo ratory area.The follow ing conclusions were obtained.Sources rocks in both the deep Palaeogene Wenchang and Enping fo rmations have high thermalmaturity(Ro>2%),and are in dry gas generating stage with a huge potentialof pyrolysis gas.In contrast,source rocks in the shallow Neogene Zhujiang,Hanjiang,Yuehai and Wanshan formations are basically immature and/or low mature(Ro<0.7%),are relatively high in organic abundance,and have a huge potential of biogas.In addition,faults and diapires are highly developed in Shenhu waters.They act as the bridges connecting the shallow gas hydrate stable zones w ith the gas sources,and are pathways fo r themigration of the shallow biogasand deep pyrolysis gas.When the temporal and special combination of gas sources and gas hydrate stable zones is favorable,gas hydrate can accumulate in suitable geologic conditions.Preliminary p rediction results show that the study area has huge gas hydrate resource potentials,thus it is a p rospect for future gas hydrate exploration.

gas hydrate,gas-source correlation,organic matter,maturity,biogas,migration pathway,hydrocarbon accumulation, hydrocarbon source rock,Shenhu waters

苏丕波等.神狐海域气源特征及其对天然气水合物成藏的指示意义.天然气工业,2010,30(10):103-108.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.025

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“南海北部天然气水合物成藏的气源条件研究”(编号:2009CB219501)和国土资源部公益性行业科研专项项目“天然气水合物成藏的控制因素研究”(编号:200811014),国家自然科学基金项目“南海北部深水盆地油气渗漏系统与天然气水合物富集机制研究”(编号:40930845)。

苏丕波,1981年生,博士研究生;主要从事天然气水合物气源条件与成藏模拟研究工作。地址:(361005)福建省厦门市厦门大学海洋与环境学院海洋楼A栋411。电话:18666151486。E-mail:spb_525@sina.com

2010-04-18 编辑 罗冬梅)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.025

Su Pibo,bo rn in 1981,is studying for a Ph.D degree,being mainly engaged in gas source conditions and reservoiring simulation of gas hydrate.

Add:Room 411,Block A,Haiyang Building,College of Oceanography and Environmental Science,Xiamen University,Xiamen, Fujian 361005,P.R.China

Tel:+86-18659212246 E-mail:spb_525@sina.com