琼东南盆地北部天然气水合物重点矿体预测及定量评价

路允乾,孟大江,文鹏飞,张宝金,2

(1. 广州海洋地质调查局,广州 510075;2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州),广州 511458;3. 天然气水合物勘查开发国家工程研究中心,广州 510075)

0 引言

天然气水合物是一种资源潜力巨大的新型清洁能源,是由天然气和水在高压低温环境条件下形成的冰态、结晶状笼形化合物[1-5]。近20年来,中国在南海北部海域开展了大量水合物调查和研究,在珠江口盆地神狐海域以及琼东南盆地均发现了水合物赋存的证据[6-8]。琼东南盆地是在准被动大陆边缘构造地质背景下形成的富油气盆地,近年来在琼东南盆地深水区的勘探活动中,发现了一系列与水合物赋存有关的地质、地球物理及地球化学异常,广州海洋地质调查局于2018年在琼东南盆地东部首次实施水合物深部钻探并获得水合物实物样品[9-12]。前人研究及勘探实践证明,琼东南盆地油气资源丰富,具备天然气水合物形成的成藏地质条件,水合物资源潜力巨大,且水合物层下方往往伴生大量浅层气,具有良好的资源前景和勘探潜力[10-18];但因研究区仍处在较低的勘探开发阶段,目前对天然气水合物的地球物理识别主要依靠地震剖面上的似海底反射波(BSR),由于BSR存在的多解性问题,尚存在水合物分布不清的问题,对水合物及其气态烃储层物性的研究也较为缺乏。前人在利用体积法预测水合物资源量时,往往通过统计水合物层的平均厚度和大致分布面积来获取水合物层体积,并在这个体积内计算水合物平均的物性参数,这种方法存在较大误差。水合物的赋存不需要特定的圈闭,其分布和形态受温压稳定带控制,水合物本身就可以作为下赋气态烃的盖层,因此,精确刻画水合物及气态烃矿体的展布形态和厚度并计算其物性参数,对于提升水合物资源量预测的准确度十分重要。

该文在水合物成藏地质条件分析的基础上,基于水合物勘探评价的实际,以琼东南盆地北部重点矿区三维地震资料为依托,寻找指示水合物储层的地球物理响应特征,利用叠后波阻抗反演对研究区水合物及气态烃目标储层进行精细刻画,预测水合物及气态烃的分布范围并计算其厚度和物性参数,预测有利成矿区。该研究有利于认识该区域水合物的分布特征及富集成藏位置,为琼东南盆地北部水合物勘探开发提供依据。

1 区域地质背景

琼东南盆地位于东经108°50′～111°50′、北纬15°30′～19°00′的海域,在海南岛南部陆缘与西沙群岛之间,海域面积约6.3×104km2。盆地发育于南海北部陆缘西侧的华南陆块、中—西沙陆块和印支陆块的结合部位,属南海北部准被动大陆边缘伸展裂谷型盆地[9,11,19]。琼东南盆地西宽东窄、北宽南窄,在地形上跨越陆架和陆坡区,海水由北西向东南变深,陆架区水深变化小,一般为90～200 m,往陆坡至海槽区水体急剧加深,从200 m迅速加深到约2 500 m。图1所示为琼东南盆地构造单元划分、综合地层柱状图及矿区位置。琼东南盆地呈北东走向展布,由一系列北东向和北北东向的凹陷和隆起组成[20-21](如图1a所示)。从区域构造演化历史看,琼东南盆地大致经历了裂陷期和裂后坳陷期2个演化时期。裂陷期始于始新世,由于印度洋板块的北向挤压,新特提斯洋壳俯冲于华南—印支陆块的陆壳下,南海发生珠琼运动一幕,基底收到拉张作用开始张裂,南海北部发生抬升与剥蚀,并伴随断裂和岩浆作用;珠琼运动二幕使南海北部再次遭受强烈抬升和剥蚀。早中新世至中中新世末为坳陷早期,南海运动使盆地北部发生区域性抬升和强烈剥蚀,形成中新世与渐新世之间的巨大不整合面。坳陷晚期开始于晚中新世,持续至第四纪,盆地以坳陷作用为主,地壳相对稳定[22-25]。

图1 琼东南盆地构造单元划分、综合地层柱状图及矿区位置Fig.1 Structural unit division, comprehensive stratigraphic histogram and location of mining area of Qiongdongnan Basin

琼东南盆地古近系沉积以21 Ma巨大不整合为界,可以划分出古近系的裂陷沉积和新近系的坳陷沉积2个沉积构造层[21,27](如图1b所示)。琼东南盆地古近系断层较为发育,新近系断层少,规模小,且多表现为层间断层。盆地中新统以来断层可分为北东、北西和北北东向3组断裂,其中北东向断层规模大且断距大,在区域上主要分布于中央坳陷带内的凸起与凹陷的分界位置,主要活动时间为早—中中新世,终止于晚中新世时期,推测其受控于古近系南海北部广泛发育的南北向拉张大环境,部分为基底继承性断裂。相对而言,北西向断层规模小,垂向断距小,断层开始活动时间晚,集中于早—中中新世,终止于晚中新世,推测其与盆地西部的红河—莺歌海大断裂新近纪左旋剪切活动有关。

琼东南盆地主要烃源岩为陵水组、三亚组和莺歌海组,油气勘探表明,临近研究区的主要生烃凹陷包括宝岛凹陷和松南凹陷,其烃源岩成熟度Ro多数大于2.0%,以生干气为主,因此研究区具有非常好的气源条件[21]。研究区上新统—第四系的粗粒沉积物和块体流沉积为水合物的富集和成藏提供了有利的储层条件[12,20]。琼东南盆地具有良好的气源供给条件,研究区位于宝岛凹陷内,来自早期盆地高压的作用,以及宝岛凹陷内火山活动频繁,这些因素导致研究区内底部流体在超压作用下突破地层形成底辟构造。底辟作用携带深部流体运移到浅部地层,底辟构造、气烟囱和断裂组成了烃类向上运移的网络输导体系,深部热解气源岩与浅部微生物气源岩构成了良好的立体供烃体系,可为天然气水合物的形成提供充足的气源供给[29-30]。琼东南盆地深水区的天然气水合物成藏条件优良,勘探实践表明,琼东南盆地资源量巨大,是我国重要的海上油气富集区以及天然气水合物成藏远景区。

2 水合物成藏系统的地球物理特征

2.1 地震反射特征

BSR(Bottom Simulating Reflector)即似海底反射,通常代表水合物分布的底界,是识别水合物存在最直接的标志。在地震剖面上,BSR一般位于海底以下1 000 ms的范围内(双程旅行时)。BSR是一个近似于海底的反射面,其上出现的振幅空白带也是指示天然气水合物存在的重要标志[13,31-32]。研究区的三维地震资料上可以识别出明显的BSR反射特征,以矿体A和矿体B最为典型(位置见图1c),表现为1套稳定的中-强振幅和中-高频率反射,横向连续性好,大致与海底平行,极性与海底相反(如图2所示)。从BSR的垂向分布深度来看,BSR处于海底以下200～300 ms(双程旅行时),通过时深转换计算,研究区内BSR位于海底以下120～359 m。BSR界面之下的空白反射指示了气态烃的存在,气态烃通常赋存于天然气水合物之下,水合物作为其封盖层存在。

图2 琼东南盆地北部似海底反射层(BSR)地震反射特征Fig.2 Seismic reflection characteristics of bottom simulating reflector(BSR) in northern Qiongdongnan Basin

2.2 矿体雕刻

BSR的存在与水合物分布并不是一一对应的关系,深水海底浅层含砂层也常表现为与海底极性相反的强地震反射特征;若沉积物孔隙中充填少量气体,也会产生强烈的地层反射;早先生成的水合物因为构造作用或温压条件发生改变导致泄漏逸散,水合物藏造成破坏,也会存有BSR标志[8,33];所以仅用BSR来评价水合物的发育分布,总会有很多不确定性。通常储层含天然气水合物后具有较高的速度特征,含气态烃后具有较低的速度特征,二者可以形成较大的波阻抗差异,因此可以通过波阻抗刻画出水合物和气态烃矿体。根据南海北部标准化后的测井波阻抗统计直方图(如图3所示),水合物和气态烃地层波阻抗值存在明显差异,水合物地层纵波阻抗值大多为3 100～4 500 (m/s)×(g/cm3),气态烃地层纵波阻抗值均小于2 900 (m/s)×(g/cm3),表明可以利用波阻抗反演来识别天然气水合物,从而预测天然气水合物的分布范围。

图3 波阻抗频率分布直方图Fig.3 Distribution histogram of wave impedance frequency

该文采用约束的稀疏脉冲反演方法,在地质解释层位的约束下利用叠前深度偏移速度体构建低频模型,在三维地震体上提取零相位子波,在建立合理的低频模型并提取高质量子波的基础上,对反演参数进行测试调整,如地震记录与子波的比例因子、模型可信度以及地震数据可信度等,最终优选出最符合实际地质情况的反演参数。通过对反演参数的反复测试,发现反演子波比例因子选择4×10-6并且模型可信度为30%时反演结果最为合理。

波阻抗剖面能更清晰地凸显含水合物地层的高波阻抗特征和下部气态烃的低阻抗特征,水合物和气态烃的顶、底界面清楚,可以直观地看出矿体的空间展布形态。图4所示为琼东南盆地北部矿体波阻抗反演剖面,红色高阻抗指示了高饱和度水合物矿体分布,黄绿色低阻抗指示了相对低饱和度水合物矿体分布,白色和黑色虚线分别代表了水合物矿体的顶底界面。从反演结果看,以BSR(黑色虚线)为界,水合物高阻抗特征和气态烃低阻抗特征明显,天然气水合物储层波阻抗值超过3 100 (m/s)×(g/cm3),气态烃波阻抗值均小于2 900 (m/s)×(g/cm3)。矿体A水合物波阻抗值为3 100～4 000 (m/s)×(g/cm3),水合物大多聚集在1.6 s以上,呈条带状分布(如图4a所示);矿体B水合物层与地层平行分布,波阻抗值为3 800～5 500 (m/s)×(g/cm3),水合物聚集在1.9～2.1 s(如图4b所示)。气态烃表现为蓝色低纵波阻抗特征,波阻抗值均小于2 900 (m/s)×(g/cm3),赋存于天然气水合物矿体底部,矿体A和矿体B底部均有较厚的气态烃层发育。

图4 琼东南盆地北部矿体波阻抗反演剖面Fig.4 Wave impedance inversion profile of ore body in northern Qiongdongnan Basin

3 水合物及气态烃储层物性预测

3.1 储层物性预测分析

海洋天然气水合物储层特性直接影响天然气水合物富集程度,储层饱和度是影响天然气水合物资源量的关键参数。图5所示为水合物及气态烃饱和度与波阻抗岩石物理量板。储层含天然气水合物后波阻抗值变大,且波阻抗值随着储层水合物饱和度的增大而增大,二者具有良好的线性关系[34]。根据南海北部天然气水合物钻井实测资料,绘制了天然气水合物饱和度与波阻抗交汇图(如图5a所示),确立了水合物饱和度与波阻抗的量化关系为:

图5 水合物及气态烃饱和度与波阻抗岩石物理量版Fig.5 Petrophysical template of hydrate and gaseous hydrocarbon saturation and wave impedance

Sathy=0.000 339×AI-0.976

其中:Sathy为水合物饱和度,AI为波阻抗,二者相关系数约为0.74。

气态烃饱和度与波阻抗的关系受地层孔隙度影响,因此需要建立不同孔隙度下的气态烃波阻抗与饱和度的拟合关系。研究区矿物成分参考了钻井的取心分析资料取平均获得,其中石英含量为43.2%,斜长石含量为6.8%,方解石含量为18.0%,黏土含量为32.0%,由此建立了气态烃饱和度和波阻抗的岩石物理量版(如图5b所示)。研究区气态烃平均孔隙度为40%～50%,该文采用40%的孔隙度曲线预测气态烃矿体饱和度。

3.2 水合物及气态烃的厚度和饱和度预测

研究区三维地震资料及波阻抗反演结果显示,矿体A和矿体B是水合物及气态烃分布的有利区。根据矿体雕刻结果,人工拾取这2个矿体范围内的海底、BSR界面以及气态烃底界并提取矿体的平面分布特征。筛选出海底与BSR界面之间大于3 100 (m/s)×(g/cm3)的波阻抗值,并统计它们的时间域厚度;利用相同的方法,在BSR界面与气态烃底界之间筛选出小于2 900 (m/s)×(g/cm3)的波阻抗值,得到气态烃的时间域厚度。图6所示为矿体A和矿体B物性参数平面切片。

图6 矿体A和矿体B物性参数平面切片(暖色代表高数值,冷色代表低数值)Fig.6 Plane section of physical property parameters of ore body A and ore body B(Warm colors represent high values and cool colors represent low values)

时间域厚度与叠前深度偏移速度相乘可得到矿体厚度(如图6a、图6c、图6e和图6g所示)。矿体A和B水合物与气态烃饱和度则根据图5岩石物理量版求取(如图6b、图6d、图6f和图6h所示)。

矿体A和B均位于海底隆起的构造脊上,证明海底低凸起构造是水合物和气态烃赋存的有利区。矿体A水合物平均厚度为15～50 m,厚度中心位于矿体西部,最厚处超过50 m(如图6a所示);水合物平均饱和度为0.1～0.4,高饱和度水合物主要集中在矿体西南部(如图6b所示)。矿体A气态烃平均厚度为30～100 m,厚度中心位于矿体中南部,厚度超过100 m(如图6c所示);气态烃平均饱和度约为0.1～0.3,高饱和度气态烃同样位于矿体中南部(如图6d所示)。矿体B水合物平均厚度为15～50 m,由北向南厚度逐渐增大,厚度中心位于矿体南部(如图6e所示);水合物平均饱和度为0.2～0.4,饱和度同样具有南高北低的特征(如图6f所示)。矿体B气态烃平均厚度为10～80 m,北部气态烃厚度大于南部;气态烃平均饱和度较低,分布较为分散。综上所述,矿体A预测的高饱和度水合物及气态烃主要集中于矿体的中南部,有利探测区为A-1井和A-2井;矿体B预测的水合物饱和度较高,但气态烃饱和度较低,有利探测区为B-1井和B-2井。

广州海洋地质调查局在琼东南盆地北部A-1井附近进行了钻探,矿体A的波阻抗反演与测井波阻抗叠合如图7所示,图中黑色曲线为测井波阻抗曲线。可以看出反演结果与测井资料吻合良好,天然气水合物表现为高波阻抗特征,反演剖面清晰地刻画出了水合物的展布形态,水合物赋存在海底以下约200 ms的温压稳定带,大致和海底平行分布。同时,反演剖面也刻画出了气态烃的响应特征,气态烃赋存在水合物层之下,水合物可作为其封盖层。A-1井钻遇的水合物层下方存在明显的低阻抗响应,而从测井解释上可以看出低阻抗为气态烃特征。钻井结果显示A-1井钻遇水合物厚度为16.5 m,平均饱和度为14.3%;钻遇气态烃厚度为51 m,平均饱和度为8.8%,与该文的预测结果吻合。

图7 琼东南盆地北部矿体A波阻抗反演与测井波阻抗叠合Fig.7 Wave impedance inversion and logging wave impedance superposition of ore body A in northern Qiongdongnan Basin

4 结论

1)琼东南盆地北部成藏条件优越,研究区重点矿体的水合物BSR反射特征明显,水合物层之下有气态烃发育;水合物地层纵波阻抗通常情况下大于3 100 (m/s)×(g/cm3),气态烃地层纵波阻抗通常小于2 900 (m/s)×(g/cm3),根据二者的波阻抗差异可以精确刻画出矿体的分布范围和展布形态。

2)通过约束稀疏脉冲反演得到的反演结果可靠,波阻抗异常明显,地质现象清晰,与钻井解释结果吻合良好,能有效地反映研究区天然气水合物矿体的空间分布范围,为后续水合物储层特征分析及其他综合地球物理分析提供依据。

3)研究区三维地震资料及波阻抗反演结果显示,矿体A和B是水合物及气态烃分布的有利矿区。矿体A预测的高饱和度水合物及气态烃主要集中于矿体的中南部;矿体B预测的水合物饱和度较矿体A高,但气态烃饱和度较低。海底隆起带是水合物及气态烃勘探的有利地区。