南海北部神狐海域淺層深水沉積體對天然氣水合物成藏的控制

楊承志 羅坤文 梁金強 林智軒 張伯達 劉 坊 蘇 明 方允鑫

1.自然資源部海底礦產資源重點實驗室·中國地質調查局廣州海洋地質調查局 2.中國地質調查局天然氣水合物工程技術中心 3.中山大學海洋科學學院

0 引言

天然氣水合物（以下簡稱水合物）具有天然氣儲量大、熱效能高和燃燒無污染等特點，被廣泛認為是未來潛在的替代能源。目前已在墨西哥灣、日本南海海槽、卡斯卡迪亞俯沖帶、孟加拉灣、韓國郁陵盆地以及中國南海北部開展了大量的科學研究和鉆采實驗[1-6]。20世紀80年代以來的大洋鉆探和水合物科學鉆探結果表明，濁積體、碎屑流沉積、塊體流沉積和等深流沉積等深水沉積體是水合物藏的有效宿主沉積[7-13]。實驗室研究和實際鉆探的結果表明，水合物在粗粒沉積物中更容易形成和富集。這是因為砂質等粗粒組分能夠有效地改善儲層的物性條件[14-18]。但在深水砂質沉積物中形成的水合物藏，目前僅見報道于日本南海海槽和墨西哥灣Alaminos峽谷區，因此賦存于砂質沉積物中的水合物藏僅占海域水合物資源量的極少部分[19]。在卡斯卡迪亞俯沖帶、孟加拉灣、韓國郁陵盆地、我國南海北部陸坡以及新西蘭Hikurangi陸緣等地區[1,3-6,20]，水合物被廣泛證實存在于深水細粒沉積物（沉積物粒徑小于64 μm的組分含量大于50%）之中，由此可見深水細粒沉積對水合物藏的控制作用不容忽視。

1999年以來，中國地質調查局廣州海洋地質調查局等單位對我國南海北部陸坡區域進行了詳細的地質—地球化學—地球物理學調查，在神狐海域開展了5次水合物鉆探和2次成功的水合物試采。前期研究的結果表明，神狐海域第四系以泥質粉砂和粉砂質泥等細粒沉積物為主[3,21-23]。垂向上，含水合物層與上覆不含水合物層沒有明顯的粒徑差異，并初步推測含水合物層與不含水合物層為相似環境下的連續沉積。但基于地震資料解釋和峽谷脊部SH7井的巖心沉積物粒度C—M圖解分析，Su等[10,24]揭示了該區塊含水合物層與上覆不含水合物層是截然不同的兩套沉積體，水合物賦存在一套薄層細粒濁積體中。Ito等[17]開展了日本南海海槽含水合物砂質沉積物的粒度參數與水合物飽和度的相關性研究，指出粒度參數與水合物飽和度之間存在著一定的關聯性，偏態可用于估算水合物飽和度。目前，我國關于深水細粒沉積物的粒度參數與水合物飽和度之間的耦合聯系鮮有公開報道，同時基于神狐海域的水合物儲集體類型及特征尚未得到充分的認識，有必要開展多井、多參數的綜合分析來揭示控制水合物成藏分布的深水沉積因素。為此，筆者利用水合物鉆探成果，結合多井過井地震剖面進行精細解釋、巖心沉積物粒度參數特征和粒度C—M模式分析，研究了神狐海域含水合物層與上覆不含水合物層沉積物的成因機制，分析了含水合物層沉積物粒度參數與水合物飽和度的關系，探討了深水沉積與水合物藏分布的耦合關系，并以“天然氣水合物油氣系統”理論為指導，研究細粒濁積體對水合物成藏的控制作用，以期進一步揭示我國南海北部神狐海域水合物藏不均勻性分布的成藏機制和控藏機理。

1 區域地質背景

神狐海域位于我國南海北部陸坡的中部，構造上隸屬于珠江口盆地最大的沉積凹陷——白云凹陷，是珠江—南海西北次海盆源匯體系的重要組成部分[24]。該區域海底地貌復雜，發育17條SSE走向的陸坡限制型海底峽谷[24-26]，平均坡度約為2°[27]，筆者研究區域即位于神狐海域峽谷群（圖1）。水合物調查和前人研究結果表明：研究區水深介于500～2 000 m，海底溫度介于2～4 ℃，地溫梯度介于44～67 ℃/km，是水合物形成的有利區域[28]；深部地層如始新統文昌組和恩平組具有總有機碳含量高、成熟度高的特點，是該區域主要的烴源巖[29]；淺部地層如中新統粵海組、上新統萬山組，具有厚度大、有機質豐富的特點，有利于產生大量的生物氣、亞生物氣[30]；區域大尺度斷層、氣煙囪構造、小尺度正斷層以及第四系拆離斷層等流體運移通道極其發育[31-33]；水合物存在的似海底反射層（Bottom Simulating Reflector，以下簡稱 BSR）沿第四系底界面廣泛展布，水合物層主要發育在第四系[24]。神狐海域是水合物成藏分布的有利區域。

圖1 神狐海域研究區位置及取心井位圖

2 實物樣品

神狐海域鉆獲沉積物巖心的井有9口，其中SH2、SH7、W07、W11、W17、W18和 W19等 7口井獲得了水合物實物樣品，SH1井和SH5井未獲得水合物實物樣品（表1）。采用廣州海洋資源監測中心Mastersizer 2000型激光衍射粒度分析儀對水合物鉆探取心的沉積物樣品進行了粒度分析；相同粒級誤差小于3%，粒級標準采用尤登—溫德華氏等比制?值粒級標準（?=－log2D，D表示粒徑，mm），粒度參數采用福克和沃德公式計算獲得[21]。神狐海域第四紀以來的沉積物以細粒沉積物為主，細粒組分含量均大于95%，表明水合物均賦存于細粒沉積物中。筆者優選了位于峽谷脊部的SH7井、W07井和位于峽谷下游段—嘴部的W18井、W19井研究深水細粒沉積體對水合物成藏的控制。

表1 水合物取心井信息表

3 細粒濁積體類型及特征

結合地震資料解釋和粒度C—M圖解，Su等[10,36]和姜衡等[37]對GMGS1航次鉆探區展開了詳細的研究，揭示了該區塊含水合物層為一套峽谷脊部的殘留細粒濁積體，上部不含水合物層為一套細粒沉積物失穩層，而未鉆遇水合物的SH1井和SH5井表現為BSR之上細粒濁積體不發育的特征。筆者基于地震資料精細解釋和沉積物粒度分析，在研究區識別出峽谷脊部細粒濁積體和峽谷下游段—嘴部細粒濁積體兩種類型的細粒濁積體。

3.1 峽谷脊部細粒濁積體

在過SH7井的地震剖面中，存在明顯可識別追蹤的連續BSR，BSR之上可劃分Ⅰ和Ⅱ兩個單元（圖2-a）。Ⅰ單元底部為一套強振幅地震反射，并與下部地層呈侵蝕削截反射特征，電阻率（Rt）測井曲線在該層段表現為異常高值（圖2-b），表明該反射層為含水合物層。在Ⅰ單元底部強振幅反射層之上為一套不連續、雜亂反射層，具有低—中振幅或半透明反射特征；Ⅰ單元中的兩套地震反射層中可識別大量小型的“V”字形和“U”字形侵蝕下切反射結構，推測為峽谷脊部小型侵蝕水道[10,36]。Ⅰ單元可解釋為一套峽谷脊部的殘留細粒濁積體，其中水合物富集于濁積體下部并使其呈強振幅反射（圖2-a），說明向上運移的天然氣在濁積體下部形成水合物后可對天然氣的向上繼續運移起到較好的封存作用，有利于之下形成較高資源品位的水合物藏。Ⅱ單元為一套波狀起伏、連續—較連續、平行—亞平行的低—中反射地震反射層，前人將該反射層解釋為沉積物波或沉積物失穩層[26,38]。

W07井位于研究區北部，在過W07井的地震剖面中，可明顯識別出雙層BSR（BSR1和BSR2）的存在[35]（圖3-a）。BSR1之上存在兩套明顯差異的地震反射層，位于下部的Ⅰ單元為一套強振幅丘狀反射，并且與周圍地層呈削截不整合接觸，可識別出發育小型“U”和“V”字形下切侵蝕水道，測井曲線上該套反射層表現為明顯的高縱波速度（vp）和高電阻率異常（圖3-b）。與SH7井進行類比，推測Ⅰ單元為一套含水合物的發育小型水道的細粒濁積體。位于上部的Ⅱ單元為一套波狀起伏、連續—較連續、平行—亞平行、低—中振幅的地震反射層，可被解釋為沉積物波或沉積物失穩層（圖3-a）。

圖2 SH7井峽谷脊部細粒濁積體特征圖

圖3 W07井峽谷脊部細粒濁積體特征圖

SH7井和W07井的巖性均由泥質粉砂和粉砂組成，其中含水合物層以粉砂為主，分選系數介于1.6～1.8，偏度介于0.2～0.4，峰度介于1.0～1.2 （圖2-b、圖3-b）。SH7井上覆不含水合物層分選系數介于1.8～2.2，偏度小于0.2，峰度總體小于1.0 （圖2-b）；W07井上覆不含水合物層分選系數介于1.4～2.6，偏度小于0.2，峰度總體小于1.1（圖3-b）。垂向上，含水合物層的Ⅰ單元與不含水合物層的Ⅱ單元平均粒徑介于6～7 ?，不存在明顯的差異，但是其粒度參數具有顯著差異，說明二者可能為兩套截然不同的沉積體。在Ⅰ單元中，W07井的粒度參數特征與SH7井極為相似，自下而上整體上均表現為分選系數具有明顯的向上增大趨勢，偏度和峰度均具有向上較小的趨勢（圖2-b、圖3-b）。在Ⅱ單元中，SH7井自下而上整體上表現為分選系數和峰度均具有先向上增大、后向上減小的趨勢，偏度具有先向上減小、后向上增大趨勢（圖2-b）；W07井自下而上整體上表現為分選系數具有明顯向上較小的趨勢，偏度具有先變化不大、后向上增大的趨勢，峰度的變化趨勢不明顯（圖3-b）。粒度C—M圖解顯示，含水合物層樣品擬合線與C=M基線平行，而上覆不含水合物樣品擬合線與C=M基線相交（圖2-c、圖3-c）。根據Passega[39-40]的沉積物C—M圖解理論，含水合物層為細粒濁積體，該結論與地震資料解釋結果一致，其中SH7井含水合物層發育在峽谷脊部細粒濁積體中的認識與前人研究結果一致[10,36-37]。

3.2 峽谷群下游段—嘴部細粒濁積體

在過W19井地震剖面中，BSR之上存在兩套明顯不同的地震反射層，也可劃分為Ⅰ和Ⅱ兩個單元，二者之間具有明顯的削截特征（圖4-a）。Ⅰ單元底部為一套連續、平行—亞平行、中—強振幅的透鏡狀反射，Ⅰ單元中可識別出兩套明顯雙向上超反射的沉積層，局部表現為雜亂或空白反射，并且發育“U”字形下切水道（圖4-a）。Ⅱ單元為一套平行—亞平行、連續、中—強振幅的伸長型波狀反射（圖4-a）。通過與典型深水峽谷和水道的沉積充填進行對比[41-43]，Ⅰ單元地層為峽谷下游段—嘴部細粒濁積體，Ⅱ單元地層為沉積物波或沉積物失穩層。Ⅰ單元的底部具有明顯的高縱波速度和高電阻率異常，表明W18井和W19井含水合物層位于峽谷下游段—嘴部細粒濁積體的下部，這可能也是因為水合物的形成阻礙了天然氣的向上繼續運移使水合物限制在濁積體下部成藏。

W19井以粉砂、泥質粉砂為主，其中水合物主要賦存于粉砂層中（圖4-b）。該井取心率較低，其中 100 mbsf以淺的地層僅在 52～ 65 mbsf深度段獲取了巖心。在取心段中，粒度參數變化大致以110 mbsf深度處為界分為兩層，分別對應Ⅰ單元和Ⅱ單元，含水合物層位于Ⅰ單元下部（圖4-b）。Ⅰ單元的分選系數大于1.6，偏度大于0.2，峰度介于0.9～1.0，分選系數具有向上增大的趨勢，偏度和峰度具有向上減小的趨勢（圖4-b）。粒度參數在110 mbsf深度處突變，在該界面之上，分選系數小于1.6，偏度小于0.2，分選系數介于1.0～1.1（圖4-b）。在W19井粒度C—M圖解中整體上顯示，含水合物層樣品擬合線與C=M基線近似平行，而不含水合物層樣品擬合線與C=M基線相交，表明含水合物層為細粒濁積體（圖4-c）。另外，過W19井地震剖面中顯示，Ⅰ單元中的細粒濁積體存在兩套不同期次的上超現象（圖4-a）。在W19井粒度C—M圖中，存在極少量含水合物層的樣品點偏離含水合物層樣品分布的整體趨勢線，也有部分不含水合物層的樣品點沿與C=M基線平行的整體趨勢線分布（圖4-c），說明峽谷下游段—嘴部的細粒濁積體中可能存在不同成因類型的沉積物夾層，該區域的沉積過程具有復雜性和多期性。

圖4 W19井峽谷群下游段—嘴部細粒濁積體特征圖

4 細粒濁積體對水合物成藏的控制

4.1 細粒濁積體粒度特征對水合物飽和度的控制

水合物在儲集體中具有不均勻分布的特征，沉積物中的水合物含量通常與儲層物性（例如孔隙度和滲透率）有關，而儲層物性一般受巖性、礦物組成、含砂率、粒度參數限制[17,44-46]。在巖性、礦物組成、含砂率等沒有明顯差異情況下，Ito等[17]分析了日本南海海槽含水合物砂質沉積物與水合物飽和度的關聯性，揭示了粒度參數與水合物飽和度之間存在著一定的關聯性。與日本南海海槽沉積物類型不同，我國南海北部神狐海域以細粒沉積物為主，目前細粒沉積物粒度參數與水合物飽和度關聯性的研究未見報道。神狐海域含水合物細粒濁積體的巖性、礦物組成和含砂率等特征不存在明顯差異。因此有必要開展神狐海域細粒沉積物粒度參數與水合物飽和度關聯性的研究。

以W18井為例，基于密度測井和元素俘獲能譜測井數據計算獲得地層孔隙度和水合物飽和度隨深度的變化曲線[47]，然后根據沉積物實際鉆探取樣深度讀取相應的地層孔隙度和水合物飽和度數據。該井含水合物層的沉積物粒度參數與水合物飽和度、地層孔隙度的相關性分析結果表明：水合物飽和度與平均粒徑、分選系數呈正相關（圖5-a、b），與偏度和峰度呈負相關（圖5-c、d）；粒度參數與水合物飽和度的關系與Ito等[17]在日本南海海槽報道的結論截然相反，這種差異性可能歸因于神狐海域與日本南海海槽含水合物層的巖性差異，神狐海域以粉砂、泥質粉砂為主，而日本南海海槽以富砂質沉積物為主；在4個粒度參數中，分選系數和偏度與水合物飽和度的相關性更好，相關系數（R）大于0.6（圖 5）。

圖5 W18井沉積物粒度參數與水合物飽和度、地層孔隙度關系圖

另外水合物飽和度與地層孔隙度也呈線性相關關系，其相關系數高達0.87（圖6），說明粒度參數會影響儲層的物性（如孔隙度、滲透率等），進而控制水合物飽和度的不均勻分布。運用隨機森林算法[48]，綜合平均粒徑、分選系數、偏度、峰度和水合物飽和度數據進行機器學習計算，結果顯示：分選系數可能對水合物飽和度的影響最大，其次為偏度，該結果與線性分析結果一致（圖7）。

4.2 水合物“運聚體系”控藏

圖6 W18井水合物飽和度與地層孔隙度關系圖

圖7 W18井沉積物粒度參數與水合物飽和度隨機森林計算結果圖

“天然氣水合物油氣系統”是水合物成藏的重要理論，在深水含油氣盆地中，溫度、壓力、氣源和有效水等成藏要素一般均滿足水合物形成條件的情況下，水合物的形成具有自我封堵作用，使得水合物成藏不要求是否存在蓋層和圈閉。理論上，水合物在深水環境下是均勻分布的，但是全球實際鉆探結果表明水合物的賦存狀態呈非均質性[1-6]。流體運移通道（運）和深水沉積過程（聚）是“天然氣水合物油氣系統”中的關鍵地質因素，二者的時空配置控制了水合物藏的分布。基于神狐海域最新采集處理的三維地震資料，筆者精細刻畫了三維地震調查內的峽谷脊部細粒濁積體和下游段—嘴部細粒濁積體，并圈定了其分布范圍，結合研究區氣煙囪的分布特征和水合物鉆探的實鉆結果，揭示了“運聚體系”與水合物藏的分布的空間匹配性。

神狐海域峽谷脊部細粒濁積體沿峽谷脊部不均勻分布，峽谷下游段—嘴部細粒濁積體呈峽谷限制狀或朵葉狀分布于峽谷下游段和嘴部；氣煙囪多分布于峽谷脊部和峽谷中—上游段，峽谷嘴部分布較少；從鉆探結果看，鉆遇水合物的井均分布于氣煙囪和細粒濁積體之上，而未鉆遇水合物的井下部僅有氣煙囪分布或分布于氣煙囪和細粒濁積體之外（圖8）。因此，細粒濁積體和氣煙囪的良好空間配置關系對神狐海域水合物成藏起了決定性作用，細粒濁積體的發育是神狐海域水合物成藏的關鍵控制因素之一。另外，在過鉆遇水合物井的地震剖面中也顯示了氣煙囪、斷層、細粒濁積體和含水合物層在垂向上的匹配性（圖2～4）。總之，氣煙囪、斷層等流體運移通道和細粒濁積體（水合物儲集體）構成的水合物“運聚體系”是神狐水合物成藏分布的關鍵控制因素，從而建立了“水合物運聚體系”控制的水合物成藏模式（圖9）。

圖8 研究區內細粒濁積體、氣煙囪及水合物鉆探井的疊合圖

圖9 神狐海域“運聚體系”控制水合物成藏模式圖

5 結論

1）神狐海域含水合物層和上覆不含水合物層垂向上在宏觀和微觀方面都存在差異，二者為兩套具有不同成因機制和沉積過程的細粒沉積體。

2）神狐海域存在兩套與水合物相關的具有不同成因的細粒濁積體，分別為峽谷脊部細粒濁積體和峽谷下游段—嘴部細粒濁積體；含水合物層細粒濁積體的粒度參數對儲集體的物性具有重要影響，控制了水合物飽和度在含水合物層中的垂向差異性。

3）細粒濁積體和氣煙囪的分布與水合物分布具有良好的空間匹配性，表明細粒濁積體作為天然氣水合物的良好儲集體，是神狐海域水合物成藏分布的關鍵控制因素之一。

4）建立了峽谷脊部殘留細粒濁積體、峽谷下游段—嘴部細粒濁積體兩類儲集體和氣煙囪等流體運移通道構成的水合物“運聚體系”對神狐海域水合物成藏分布的控制模式。