南海西沙海域天然气水合物识别与分布预测

杨志力 王彬 李丽 李东 张强 吴敬武 孙国忠

(中国石油杭州地质研究院， 杭州 310023)

天然气水合物是一种水和天然气在高压和低温条件下化合产生的固态物质，广泛分布于陆地永冻带和水深大于300 m的海洋中[1]。在全球各大洋中发现的天然气水合物总资源量巨大，大约相当于全球已知煤、石油和天然气总储量的2倍[2-4]，是未来重要的替代能源之一。

南海西沙海域具备发育天然气水合物的地质条件，在其地震资料中发现了天然气水合物典型的地震反射特征 —— 似海底反射(Bottom Simulating Reflector，缩写为BSR)[5]。本次研究，基于二维和高密度三维地震资料，借助海底麻坑的地震反射特征解释成果，综合运用天然气水合物地震识别方法，对西沙群岛周缘的天然气水合物进行综合识别，对其分布进行预测。

1 西沙海域天然气水合物形成的地质背景

西沙海域地处南海北部，海南岛南部，区内海底地形复杂，岛屿和沟谷相间分布，水深达1 000～3 000 m。区内新生代沉积地层最大厚度可达10 km，第四系和第三系上新统海相泥岩具有生物气形成的条件及良好的远景[6-7]。据推测，区内第三系发育湖相、滨岸沼泽相与海相等3类烃源岩，并处于高地温环境，具有形成热成因天然气的地质条件。自中新世以来，西沙海域处于稳定沉降期，大规模的构造活动不活跃，有利于天然气水合物的形成与保存[8-12]。

在中新世以前，区内构造活动活跃，发育多条近北东向和东西向的深大断裂，从深部断至第四系地层甚至海底，沟通了深部源岩和浅层的储层，为天然气向浅部地层运移提供了通道。在海底还可见麻坑分布，其形成通常与海底流体活动有关，而这种流体活动多与海底油气藏渗漏或天然气水合物分解有关[7]。区内的麻坑可能为天然气水合物分解导致海底浅层地层不稳而形成。

2 天然气水合物的识别

天然气水合物能够在海底沉积物中赋存，对温度、压力等都具有一定的要求。通常，天然气水合物存在于海底表层沉积物中，其底界面平行于海底，底界面之上为固态的水合物层段，底界面之下为下伏游离气或孔隙水充填的沉积物。这种赋存状态，使得含天然气水合物的地层与不含水合物的地层存在物理特征差别。这种差别可以用于天然气水合物的勘探识别。当前，天然气水合物的勘探识别基本方法可分为直接识别法和间接识别法。直接识别法的内容包括底质沉积物取样、钻探取样和深潜考察等；间接识别法的内容包括地球物理识别、地球化学识别和海底地形地貌特征识别等[13-15]。

地震勘探是油气勘探中最常用的地球物理勘探方法，所获取的资料也最为丰富。以地震资料为基础，依据天然气水合物的地震反射特征开展天然气水合物的识别，是经济可行的研究方法。全球已发现的天然气水合物中，运用地球物理识别方法发现的占大多数，可见以地球物理识别方法为代表的间接识别法是识别和预测天然气水合物分布的有效方法之一。

2.1 根据海底地貌特征进行识别

在全球已发现的天然气水合物发育区，以及地震剖面上识别出天然气水合物的地区,大多存在大量麻坑构造。复杂多变的海洋环境及海底流体活动，导致麻坑大小和形态各异。其中，最小的麻坑直径不到5 m，最大的麻坑直径长达数千米。通常，麻坑构造为圆锥形洼地，平面形态可从圆形、椭圆形过渡为拉长形、新月形等[18-19]。海底流体活动对海底地质构造、生物群落及海洋环境都会产生重要影响，麻坑是海底流体活动最明显、最常见的指示标志之一。形成海底麻坑的流体可能来源于海底油气藏渗漏或天然气水合物分解[19-20]。

通过海底地貌特征识别出麻坑的发育区域，可以间接识别出天然气水合物潜在的发育区。虽然由天然气水合物分解造成的麻坑下方可能不会再发育天然气水合物，但其两侧下方的地层中有可能发育天然气水合物，是潜在的水合物发育区。获得海底地貌特征的方法较多，如海底多波束数据、卫星遥感数据等方法[13-14]，其成本相对于地震勘探低廉很多。对海底地貌特征进行研究，有助于在无地震资料、海底取样资料的区域初步确定潜在的天然气水合物发育区。

西沙海域的海底发育有大量的麻坑(见图1)。其中，研究区西部发育的麻坑以圆形为主；东部发育的麻坑以椭圆拉长形为主；局部地区发育的麻坑有新月形和半圆形，直径为0.5～10 km 不等，规模较大。

西沙海域的地震剖面显示，在麻坑发育区的下部地层中并未发育BSR，但其两侧的地层中发育BSR。这是由于麻坑发育区下方原本发育的天然气水合物受突发事件影响，分解、泄漏至海底，导致海底塌陷，并与海底洋流共同作用而形成不同形状的麻坑。因此推测，在发育麻坑的区域两侧可能是天然气水合物的发育区。中建三维区的中部偏东南和西侧发育了大量的麻坑，推测由这些麻坑围成的区域可能是天然气水合物的发育区。

2.2 根据地震反射特征进行识别

在按照麻坑发育情况划定的天然气水合物潜在发育区内，可进一步根据区内地震资料上的天然气水合物反射特征来识别天然气水合物。已发育天然气水合物的地层，其地震资料通常具有BSR特征，BSR之上的空白反射(Blanking Zone，缩写为BZ)、高波阻抗、AVO(Amplitude Versus Offset，缩写为AVO)响应等地震反射特征，以及低纵波速度、BSR之下低频等特征[16]。

现代社会中，传统的宗法制度与宗族架构已经瓦解，核心家庭及其扩展的三代家庭才是最为普遍的家庭模式。亲子关系可以通过发扬“慈”与“孝”之间的平衡来促进产生慈孝相生、平等互动的对等关系，因其与本文主题关联不大，兹不赘述。而亲子关系之外，三代家庭的问题与矛盾主要包括两个方面:一是夫妻关系；二是代际关系，主要是祖辈与父辈两代夫妻之间的关系。对于调节这两方面的关系，儒家内部其实具有相应的理论资源。

2.2.1 BSR

海洋沉积物中的天然气水合物，一般赋存于一定温度和压力条件下的海底表层沉积物中。由于海洋沉积物中存在地温梯度，因此，天然气水合物的底界面一般平行于海底。海底反射是由于海水与密度、反射速度大于海水的海底沉积物的分界面而产生，其反射系数值为正。BSR特征是由于含水合物地层与松散含水沉积地层(或含游离气的松散沉积地层)的分界面而产生，其反射系数值为负。故，BSR与海底反射的相位相差90°，二者地震反射的极性刚好相反。发育天然气水合物的区域在地震剖面上通常出现强反射波，大致与海底平行，但极性相反，为BSR。BSR基本可以标志水合物稳定域的底界[16]。

西沙海域的BSR表现为与海底平行或基本平行的一组强振幅反射特征。在时间域地震剖面上，它一般距海底200～300 ms，横向距离上有一定的延伸，可见BSR横切地层，具有角度不整合的特征，且振幅强、连续性好。

发育天然气水合物的海域中，海水深度通常大于300 m，海底沉积较为稳定，地层与海底平行。在西沙海域，海水深度大于1 000 m的区域，主要以深海沉积为主，沉积稳定，地层与海底平行(见图2)。据此识别出的BSR可能并非是地层赋存天然气水合物所产生的反射，而是海底地层反射。此海底地层反射需要通过其他特征来予以剔除。

2.2.2 BSR之上的空白反射带

西沙海域BSR之上空白反射的时间区间为50～100 ms。由于水合物的这种赋存是一种动态平衡的过程，因此，很难准确预测出水合物的顶界位置，即空白反射的顶界。

2.2.3 高纵波阻抗特征

BSR代表的是天然气水合物稳定带的底，其上层为固态的水合物层段。由于水合物的固结作用，含水合物的地层声波速率较高。其下层为游离气或孔隙水充填的沉积物，声波速率低，密度两者差异较小。含天然气水合物的地层纵波阻抗值高，而含水合物层段的上覆地层和下伏地层纵波阻抗值低[16]。

图2 西沙海域天然气水合物地震反射特征剖面

西沙海域含固态天然气水合物地层，在波阻抗剖面上的波阻抗值比其上、下地层的波阻抗值都高，表现为高波阻抗特征；BSR之下地层的波阻抗值比两侧地层的波阻抗值还低(见图3)。这可能是因为固态天然气水合物之下的地层富含游离气，导致地层纵波速度和密度降低，进而导致波阻抗值较低。

2.2.4 AVO 特征

国内外学者较早就开始应用AVO技术开展水合物正演、反演、含量估算等工作。考虑到反射系数的不同，Ecker给出了BSR 界面的AVO 变化曲线图版[21]，分以下两种情况。

图3 西沙海域天然水合物波阻抗剖面

(1) BSR界面上覆水合物沉积层段，下伏地层为含水的海相沉积。上覆地层泊松比小于下伏地层泊松比，在BSR 处出现振幅绝对值随角度增大而减小的现象。

(2) BSR 界面上覆介质为水合物沉积层，下伏介质中含游离气。上覆地层泊松比大于下伏地层泊松比，在BSR 处出现振幅绝对值随角度加大而增大的现象[20]。

通过AVO分析,我们可以推测出天然气水合物层之下是赋存的游离气还是孔隙水。西沙海域地震剖面上在BSR处的绝对振幅，具有随着偏移距(或入射角角度)的加大而增大的特征(见图4)，属于以上第二种情况。由此可推测，西沙海域水合物层之下的地层中存在游离气。

图4 西沙海域天气水合物AVO响应特征图

2.3 综合识别方法

西沙海域水体深、钻井资料少，但有丰富的地球物理资料，包括二维地震资料和三维地震资料。通过海底的地貌特征分析，可圈定出天然气水合物的潜在发育区，然后通过地球物理特征，对此区内的天然气水合物进行识别。地球物理特征的地质解释都是具有多解性的，所以，根据单一的地球物理特征进行天然气水合物的识别有一定的风险。在油气勘探中，通常会通过多种地球物理特征综合分析来降低多解性。如，在西沙海域天然气水合物识别过程中，为了降低识别结果的多解性，综合了多种地球物理特征来进行识别[21]。首先，在海底地貌圈定出的天然气水合物潜在发育区内识别BSR，划分BSR发育区；然后，在BSR区内进一步圈定出具有BSR之上为空白反射、高纵波阻抗特征的区域。通过这种方法，圈定出天然气水合物最有可能发育的区域。此外，还可以根据AVO特征，进一步划分出天然气水合物层之下赋存的游离气区域和不含游离气区域。

3 西沙海域天然气水合物的分布特征

通过海底地貌特征和多种地球物理特征,预测西沙海域天然气水合物的分布。研究认为，西沙海域天然气水合物分布广泛，连片性较好，主要分布在西沙隆起上，呈南西 — 北东向展布，在隆起东部有小范围长条状分布(见图5)。在预测的天然气水合物区内，在BSR之下地层表现为低阻抗特征，预测的含天然气水合物地层在叠前地震道集上具有3类AVO响应的地球物理特征。这表明在天然气水合物层之下存在游离气。

图5 西沙海域天然气水合物分布图

根据地球物理特征及海底地貌特征，预测西沙海域天然气水合物分布面积约为4 000 km2。所在地区具备较好的烃源岩条件及形成大规模天然气水合物藏的条件，具备一定的天然气水合物勘探潜力。

4 结 语

西沙海域的海底发育大量大小不一、形态各异的麻坑。这些麻坑或是由于海底天然气水合物分解泄漏而形成。根据海底特殊地貌特征，在广阔的西沙海域初步圈定出天然气水合物的潜在发育区。在此圈定的潜在发育区，根据赋存天然气水合物地层具有的BSR特征，与BSR伴生的空白反射带、高波阻抗等地球物理特征，以及天然气水合物稳定底界之下存在游离气时的BSR之下低阻抗、3类AVO响应等地球物理特征，对西沙海域的天然气水合物作了进一步识别。综合运用多种地球物理方法进行了研究，认为西沙海域发育有丰富的天然气水合物，主要集中分布在中建岛南侧，呈南西 — 北东向连片分布。