琼东南盆地盆底平原区天然气水合物成矿条件及成藏模式

朱继田 邓 勇 郭明刚 宋 鹏 熊小峰 毛雪莲 李 芳 黄时卓 贺 懿 任 婷

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司 广东湛江 524057)

天然气水合物是天然气和水在一定温度、压力(高压、低温)条件下形成的一种类似冰状的笼型化合物[1-4]，分布在温度与压力控制的一个稳定域内。水合物在地震剖面上往往表现为强振幅、地层上拱、相位反转等特征，并且在水合物和游离气界面处可能出现似海底反射[5-8](BSR)。在砂泥岩地层中与围岩、水层、气层相比，水合物表现为高阻抗、高纵波速度、高电阻率的“三高”特征[9-11]。

根据全球水合物勘探实践，以砂质为主的颗粒较粗的沉积物渗透性较好，为水合物稳定域中的流体运移提供了条件，有利于水合物的聚集；水合物稳定域原位生成的微生物甲烷气体较少[12]，多数情况下不足以形成水合物富矿，需要水合物稳定域外部特别是深部的成熟气体运移进入水合物稳定域内，来补充形成水合物富矿所需要的气量，因此具有烟囱[13-14]、裂缝、断层等运移通道的水合物目标更易形成高丰度水合物矿藏。基于此，在琼东南盆地进行水合物勘探，需要努力寻找油气运移通道发育的砂质储层目标，但受到资料条件和研究程度所限,目前在该地区仍未找到适合开发的、规模发育的砂岩型水合物矿藏，亟需对水合物的富集规律和资源潜力开展系统研究。

1 区域地质背景与目标区概况

琼东南盆地是新生代发育的被动大陆边缘盆地，经历了古近纪断陷、新近纪拗陷的演化历程，沉积地层由古近系始新统岭头组、渐新统崖城和陵水组，新近系中新统三亚组、黄流组和梅山组，上新统莺歌海组以及第四系乐东组组成[15]，发育始新统湖相、渐新统海相-海陆过渡相两套烃源岩以及潜山、古近系三角州、新近系—第四系海底扇与浊积水道等多种储层，具有垂向、侧向、垂向+侧向油气运移方式和晚期成藏特征[16]。该盆地具有“南北分带、东西分块”特征，可划分为北部坳陷、中部隆起、中央坳陷和南部隆起；中央坳陷在古近纪由乐东、陵水、北礁、松南、宝岛、长昌凹陷等负向单元以及陵南低凸起、松南低凸起等正向单元组成[17]，在新近纪—第四纪形成统一坳陷接受沉积，坳陷中央地势平坦,最大水深2 500 m。目前琼东南盆地已落实水合物目标主要集中于陆坡区和盆底平原区，水深1 500～2 500 m。

琼东南盆地深水区采集了多批次二维、三维地震资料，并且三维地震采集覆盖了中央坳陷大部分地区，具备开展水合物研究的资料基础。根据地球物理特征分析，结合深水沉积体系、烃源及运移条件、稳定域等基础研究，在该盆地陆坡区和盆底平原区落实了多个水合物目标。相比而言，盆底平原区水合物目标分布面积大，重力流砂质沉积发育，邻近生烃中心且具有充足的深部烃源，下部烟囱、断层、裂缝等油气运移通道发育，易于形成水合物富集区；同时，该区域地形平缓，便于工程作业，是水合物勘探的首选区。

研究表明，深水区盆底平原H区是琼东南盆地水合物富集区之一，该区水深范围1 480～1 805 m，海底坡度0～2°，海底温度2～3 ℃；水合物目标邻近X、Y气田，主体横跨北礁凹陷和松南低凸起，部分分布在陵南低凸起上；区内烟囱、断层、裂缝等天然气运移通道密集发育，既发育类似中央峡谷气田的西物源水道-水道化海底扇厚层砂质沉积储层，又发育北物源海底扇储层；多套水合物目的层纵向叠合良好，横向分布面积大。从地球物理特征来看，H区目的层高纵波速度、高阻抗、高电阻特征明显，水合物信息好；从以往的勘探实践来看，中央峡谷气田区、松南低凸起及周缘有多口常规探井在浅部地层钻遇疑似水合物分解产物，揭示区内水合物分布广泛，主要分布在第四系乐东组，具有一定的振幅异常且深部通道清晰。其中，X气田实施开发工程调查时在海底浅表层已取得水合物样且点火可燃，证实该区具备水合物成矿条件，水合物的底界在地震剖面上表现为强振幅特征。因此，综合研究认为H区水合物潜在资源丰富，可优先进行勘探评价，如有发现则可依托已发现气田进行开发。

2 水合物成矿条件

中国海油在琼东南盆地深水区开展油气勘探已有多年，主要以浅层气藏和中深层气藏为目标进行钻探部署。为了规避水合物的影响和确保钻井作业的顺利安全，开展了大范围的浅地层水合物异常体解释，以优化钻探靶点为目标，并未把水合物作为资源进行针对性勘探。同时，由于浅地层钻探时未建立循环，缺乏岩屑、气测数据及测井资料，造成对浅地层的岩性、含油气情况、沉积旋回及沉积序列等认识不清，加之浅部地震资料采集处理未针对水合物进行，导致以往的研究只是从局域或钻孔规避浅层风险的角度出发，未针对浅层气及水合物成藏条件开展宏观、全局的系统研究。因此，以深水区盆底平原的H区为目标，系统开展浅层水合物成矿条件、成藏模式研究和资源潜力评价，需要创造性地利用各种资料，包括浅水区钻井岩屑资料、大洋钻探资料、地震资料、水合物调研资料等；同时，需要获取一些新资料(如电法勘探资料)，或对现有三维地震资料进行针对性重处理，以使浅层地震频谱得到有效拓宽和速度异常刻画更加精细；在此基础上，综合各学科研究成果，开展目标区水合物成矿条件的精细评价。

2.1 沉积与储层条件

水合物在砂质地层和泥岩中均可成藏，一般来说高饱和度砂岩型或裂隙型水合物藏才有开采价值，因此需重视水合物储集层沉积体系研究。根据1146站浮游有孔虫组合分析，南海北部在2.1、1.6、0.9和0.5 Ma发生水体结构变化[18]，表明该地区在第四纪经历了多期海平面变化；根据西科1井高精度层序格架剖面分析，琼东南盆地第四纪经历了5期海平面升降。通过井、震资料结合分析，在琼东南盆地第四系识别出5套层序，在层序界面约束下解释出多期块体流和多套重力流含砂沉积体(图1)；这些块体流及含砂沉积体的物源主要分北、南、西等3个方向，北部物源主要来自宁远河、陵水河和万泉河，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。浅层倾角体切片显示，上述3个方向物源特征清晰(图1a)，其中西部物源的大量输入使得第四系坡折不断往东南迁移，即从T20到现今海底坡折是自二号断裂带一直推进至陵水25区附近(图1b)，因此砂体分布在中央坳陷并呈北东向展布，地震剖面上西高东低、从西往东推进的特征清晰，与砂体垂直的南北向地震剖面上可见明显下切水道外形，与现今海底形态吻合良好(图1d)。从古地貌来看，琼东南盆地在乐东期具有类似于中新统黄流组—上新统莺歌海组沉积期的峡谷地形，发育相似的西部物源条件，推测第四系西部物源砂质沉积物发育；而且，北部陆架区在乐东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剥蚀经由水道进入陆坡之下深水区，在中央坳陷北陆坡及深海平原区浅层可形成海底扇等含砂质沉积体。钻井揭示，盆地北部莺歌海组-乐东组砂质沉积物发育，陵水河流域供源的3口井中莺歌海组砂质沉积物及砂岩厚度25～304 m(平均125 m)，乐东组砂质沉积物厚度59～118 m(平均98 m)，厚度均较大，可为后期重力流沉积提供较好的物源。此外，北陆坡下的浅层海底扇沉积体在地震剖面上呈现从北向南前积特征，东西向则表现为双向下超特点(图1c)。南部物源主要来自南部隆起，南部隆起在乐东期已没于水下，主要提供泥质物源。

图1 琼东南盆地第四系源汇体系与沉积特征Fig .1 Source-sink system and sedimentary characteristics of Quaternary,Qiongdongnan basin

研究表明，琼东南盆地深水区浅层陆架区发育多期沟谷，可作为海底平原区的物源通道。第四纪多期海退导致上述3个物源区提供物质向盆地中央搬运，有利于盆地内低位域重力流沉积发育。首先，随着海平面下降，斜坡区横向水压迅速减小，地层与水体的横向平衡状态被打破，易于造成陆坡失稳，在构造运动诱发下形成块体滑塌(以泥质为主)，从而在下陆坡产生块体搬运复合体，并对下伏较老的深海泥或浊流沉积形成强烈侵蚀[19]。随着海平面持续下降，富砂的陆架三角洲发生剥蚀，在陆坡或盆地中央形成碎屑流或浊流沉积，并不均匀叠置在块体搬运复合体之上；在海侵和高位旋回期，陆架三角洲向陆退积，陆坡和盆地中央形成深海悬浮泥沉积，披覆在早期浊流沉积之上，从而自下而上形成了块体流泥岩、浊积砂质沉积物、深海远洋泥的纵向沉积序列，这种沉积序列在多期海平面升降旋回中重复出现(图1e)。块体流为固体搬运，摩擦力较大，一般沉积于下陆坡；而浊流为液态搬运，搬运距离更远，一般汇聚在坳陷中央，形成富砂的特点，这与深部黄流组、莺歌海组中央峡谷十分类似。

分析认为，H区浅层具有形成水合物富矿所需的储层条件,该区第四系深水沉积体系发育，主要沉积相类型包括海底扇、水道化海底扇、浊积水道砂、块体流和深海远洋泥；纵向上发育A、B、C、D、E、F、G等7套含砂地质体(图2)，从下往上地形由限制性向非限制性过渡，沉积范围逐渐变大；砂质沉积物源主要来自北、西两个方向(图3)。

2.2 似圈闭条件

控制水合物成矿的稳定域类似于常规油气成藏的储集场所，可以起到类似油气成藏的“圈闭作用”。结合前人总结的几种水合物成藏模式[20]，进一步分析可得出，温压条件、地层渗透性、气体供应条件及纵横向运移距离、水合物形成速度等控制着稳定域分布，且限制着水合物的空间展布，而所形成的水合物作为非渗透性固体又进一步限制着下伏或侧向的游离气藏及水体在空间上的分布；水合物的边界既不是构造边界也不是岩性边界，而是由固态到气态或固态到液态截然变化的相态边界，且边界上的阻抗和速度差异明显，在地震剖面上形成强振幅反射。因此，通常把振幅异常边界视为水合物“圈闭”可能的最大边界，据此进行稳定域内及附近的振幅异常体解释，再根据异常体分布区的气体运移条件、地球物理特征、稳定域厚度等综合判断水合物、游离气的发育和分布情况。遵循这一原则，在H区砂体发育层段共解释出7套振幅异常体(图4)，在此基础上开展水合物、游离气识别和分布研究。从解释结果来看，该区振幅异常体分布规模大，纵向叠合好，综合通道条件及地震信息等初步判断该区具有良好的似圈闭条件。

图2 琼东南盆地H区第四系乐东组砂体特征剖面Fig .2 Sandy characteristic sections of Quaternary Ledong Formation in H area,Qiongdongnan basin

图3 琼东南盆地H区第四系乐东组砂体沉积相图Fig .3 Sandy sedimentaryfacies of Quaternary Ledong Formation in H area,Qiongdongnan basin

2.3 运移通道条件

研究表明，红河断裂晚期表现为右旋走滑，在琼东南盆地西区形成NE向张性T破裂，诱导深部超压地层在H区形成NE向展布的底辟群和裂缝带，形成良好的垂向运移通道(图5a)；松南低凸起西区作为H区的一部分本身不存在超压，是陵水主凹、北礁凹陷、陵水东次洼多方压力汇聚的指向，周边凹陷崖城组承压流体受上覆高压层约束而发生侧向运移，往松南低凸起汇聚并在松南低凸起的盖层薄弱区突破也可形成烟囱和裂隙带；中央坳陷西部-中区第四系广泛发育烟囱构造[21-22]。根据地震瞬时频率分析， H区烟囱运移通道十分发育(图5b)，规模达6～28 km2，与浅地层的水合物异常体发育区匹配良好。另外，甲烷及乙烷碳同位素是证实深部油气运移的直接证据，H区虽尚未有见诸报道的碳同位素数据，但邻近的海马冷泉区水合物经碳同位素分析确实存在成熟气通过烟囱往浅部运移[23]，推测位于邻区且成矿条件类似的H区也存在深部气源供应。同时，根据H区水合物分解气的气组成数据分析，该区水合物中可能存在生物气和成熟气2种不同气源；从C1/(C1-C5)-C1/(C2+C3)图版分析来看，该区部分水合物样品分解气的气体组成与X、Y气田深部成熟气特征相似(图5c)，推测可能与深部气田共源，并由深部油气运移而来。

图4 琼东南盆地H区浅地层振幅异常体叠合图Fig .4 Overlap of seismic anomalies of H area，Qiongdongnan basin

图5 琼东南盆地H区水合物气源通道条件分析Fig .5 Migration condition for gas hydrate forming of H area,Qiongdongnan basin

3 水合物成藏模式

3.1 地震响应特征

琼东南盆地深水区已钻水合物与围岩相比，整体表现为高纵波阻抗、高纵波速度特征，且水合物饱和度越高，水合物层速度、阻抗和电阻率越高。南海南部婆罗洲钻遇的水合物具有相似特征[8-13]。从调研结果来看，纵波速度、纵波阻抗作为敏感性参数可有效识别水合物与游离气。

从H区水合物目的层阻抗、速度反演结果(图6)来看，Prop-1设计井区水合物信息明显，纵向多层发育。其中，异常体A、B、C整体呈高纵波阻抗、高纵波速度和高纵横波速度比的特征，阻抗、速度横向变化明显，表现为水合物响应；其底呈低纵波阻抗、低纵波速度、低纵横波速度比特征，表现为背景响应。异常体D、E整体呈低纵波阻抗、低纵波速度和低纵横波速度比特征，表现为游离气响应。

3.2 成藏带和成藏模式

水合物分布在受温压控制的稳定域内。稳定域内天然气一般为固态，稳定域之下天然气为游离态，两者之间存在BSR界面。波诺马列夫通过对大量实验数据进行回归整理，得出烃类水合物形成的温-压关系方程，该温-压方程可转化为水合物和天然气的相态判断图版(图7a)。从该图版可以看出，不同相对密度的气源形成不同的温-压曲线，曲线左侧为固态，曲线右侧为气态，曲线上的点代表水合物与游离气的临界点(即该点处BSR对应的温压数值)。温-压曲线上的点，其温度和压力可以通过海底温度、地温梯度和压力系数折算成水体深度和地层厚度，从而求出适合水合物发育的水体深度和稳定域厚度。计算表明，在气体相对密度是0.6(成熟气)和0.56(生物气)的情况下，形成水合物的水深下限分别为334 m和548 m(此时稳定域厚度为0 m)；且呈现出水深增加稳定域厚度变大、地温梯度变大稳定域厚度变小、气源相对密度越大稳定域厚度越大的特点(图7b)。

注：A、B、C异常体具有高纵波阻抗、高纵波速度、高纵横波速度比；D、E异常体具有低纵波阻抗、低纵波速度、低纵横波速度比。

图6 琼东南盆地H区水合物目的层波阻抗、速度反演剖面

Fig .6 Inversion section of impedance and velocity for gas hydrate targets in H area,Qiongdongnan basin

浅地层热导率低，因此地温梯度较高，这是因为地温梯度等于热流值与热导率之比，即dT/dx=Q/λ。由于H区深部热供应存在差异，不同区域浅地层地温梯度不同，在烟囱区或岩浆活跃区局部地区地温梯度超过10 ℃/100 m(图7c)。根据不同区域的地温梯度和水深值进行计算，可获得H区变水深、变地温梯度条件下的水合物稳定域厚度平面图(图7d)。利用邻区X、Y气田气体相对密度计算， H区区域上水合物稳定域厚度约为300 m，而在烟囱区水合物稳定域厚度约为200 m。对比稳定域厚度和砂体上覆地层厚度，H区异常体A、B、C位于稳定域内；异常体D、E部分位于稳定域，部分位于游离气区；异常体F、G大部分位于游离气区(图7e)。

总之，H区广泛分布第四纪发育的多期浊积砂质沉积物，发育连通深部地层的底辟-气烟囱-微裂隙，具有满足水合物形成的温压条件，可形成深部成熟烃源与浅层未成熟烃源同时供烃、气烟囱-微裂隙垂向运移以及第四系海底扇与浊积水道砂富集的水合物成藏模式，具有“深层气-浅层气-水合物”叠覆成藏特征和“三气合采”[24]地质条件(图8)。基于全球水合物资源量计算参数统计，结合H区实际情况，利用体积法对水合物和游离气资源量进行了计算，结果表明该区水合物潜在资源量达3 000×108m3，游离气潜在资源量近2 000×108m3，总资源潜力近5 000×108m3。

图7 琼东南盆地H区水合物稳定域分析图Fig .7 Analysis on stability zone of gas hydrate in H area,Qiongdongnan basin

图8 琼东南盆地H区水合物富集区成藏概念模式图Fig .8 Conceptual pattern of gas hydrate accumulation in H area,Qiongdongnan basin

4 结论

以H区为代表的琼东南盆地盆底平原区，其水合物成矿条件优越，第四系发育北、西物源海底扇和浊积水道砂储层，利于高饱和度水合物形成；红河断裂晚期右旋走滑在该区形成大量微裂隙和气烟囱，连通深部烃源与浅部水合物异常体，利于水合物富集。该区第四系具有满足水合物形成的温压条件，可形成深部成熟烃源和浅层生物气源供烃、裂隙-烟囱垂向运移、第四系海底扇及浊积水道砂富集的成藏模式，具有“深层气-浅层气-水合物”叠覆成藏特征和“三气合采”地质条件，资源潜力大，是琼东南盆地水合物勘探开发的有利靶区。