瓊東南盆地中央峽谷天然氣水合物成藏模式

樊 奇， 李清平， 李麗霞， 呂 鑫， 朱振宇 ， 孫 濤

( 1. 中海油研究總院有限責任公司，北京 100028； 2. 天然氣水合物國家重點實驗室，北京 100028 )

0 引言

天然氣水合物被譽為21世紀最重要的戰略能源之一。目前，在全球大陸邊緣和凍土帶240處獲得發現，在加拿大麥肯齊、美國阿拉斯加陸域凍土帶、日本南海海槽和中國南海海域實現試采[1-2]。中國南海北部陸坡水深900～1 800 m海域為水合物主要賦存范圍，瓊東南盆地是天然氣水合物發育和富集的重要沉積盆地，成為中國天然氣水合物勘查開發先導示范區，但天然氣水合物資源量和品質尚未落實[1-7]。

氣源和成藏模式決定水合物儲量豐度、品質，影響勘探部署方向。生物成因氣長期被認為是水合物的主要氣源，資源量能否滿足開發標準存在爭議。阿拉斯加、挪威、黑海等水合物鉆探證實，熱成因氣對Ⅱ型高飽和度水合物成藏具有重要貢獻[2,8-9]。2019年，在瓊東南海域鉆獲裂隙型天然氣水合物，樣品重烴占比可達21%，證實南海發育熱成因氣型的Ⅱ型、H型水合物。根據神狐海域水合物勘查結果，構建滲漏型、擴散型、滲漏—擴散復合型天然氣水合物成藏模式[1-8,10]。

瓊東南盆地中央峽谷S17-2等千億方級氣田的探明，證實該盆地具備優越的生排烴能力，當有利構造與溫度—壓力穩定帶相互配置時，成為水合物勘探的目標指向。基于地震資料解釋、地球化學分析和石油地質新認識，筆者分析瓊東南盆地中央峽谷天然氣水合物成藏系統，預測天然氣水合物成藏模式為熱成因氣型滲漏型、滲漏—砂體復合型和生物成因氣型擴散型3種，為研究區天然氣水合物資源勘探提供依據。

1 區域地質概況

瓊東南盆地位于南海西北大陸架，北靠海南隆起，西接鶯歌海盆地，南望永樂隆起，是一個NE向的伸展裂陷型盆地，面積約為8.3×104km2。瓊東南盆地地質演化經歷神狐運動、南海運動和東沙運動，縱向上，表現為“晚白堊世—晚漸新世多幕裂陷期、早中新世—中中新世熱沉降期、晚中新世以來新構造期”3期分異特征[6-7]；平面上，受華南板塊、印支板塊、太平洋板塊共同作用，發育大量NE、NEE向斷裂，主體構造具有“南北分帶、東西分區”的格局(見圖1)。

瓊東南盆地中央峽谷軸向水道西起鶯歌海盆地，東接珠江口盆地，呈S型分布特征貫穿盆地，中央峽谷全長為450 km，軸向寬度約為46 km，包括樂東段、陵水段、松南—寶島段、長昌段等[6-7]。S17-2氣田位于中央峽谷陵水段。S1井在鶯歌海組海底扇砂巖儲層中獲得高產氣流，日產天然氣為1.066×106m3，表明瓊東南和神狐海域天然氣潛力巨大[11-14]。瓊東南盆地梅山組以上地層屬于正常地溫梯度(38.7 ℃/km)和正常壓力系統，梅山組以下地層(含梅山組)為高溫—高壓系統。

圖1 瓊東南盆地中央峽谷構造位置Fig.1 Areal location of the Central Canyon of the Qiongdongnan Basin

2 氣源條件及潛力

2.1 氣體類型

甲烷碳同位素(δ13C1)是判斷天然氣成因類型的主要指標之一。選取瓊東南海域和神狐海域淺表層沉積物和水合物烴類氣測數據進行分析[9,15-16]。收集瓊東南海域204個(全部)樣品的烴類氣體組分，以及12個高異常值樣品的甲烷碳同位素數據；神狐海域12個(全部)樣品的甲烷碳同位素數據及烴類氣體濕度見表1-2[9,14-16]。

表1 瓊東南—神狐海域水合物甲烷碳同位素數據

采用海洋沉積物烴類氣體識別法，即氣體濕度K和甲烷碳同位素協同判別法，分析天然氣水合物氣源成因。當K小于100時，指示熱成因氣；當K大于1 000時，指示生物成因氣；當K介于100～1 000時，指示混合成因氣。當δ13C1小于-60‰時，指示生物成因氣；當δ13C1大于-50‰時，指示熱成因氣；當δ13C1介于-60‰～-50‰時，指示混合成因氣(見圖2)[9,15-16]。

瓊東南海域204個樣品的K介于6.27～90.01，平均為26.89，12個樣品的δ13C1介于-33.65‰～-29.92‰，平均為-31.92‰，散點主體落入熱成因氣區。神狐海域12個樣品的K介于639.00～1 991.00，平均為1 409.47，δ13C1介于-62.20‰～-44.10‰，平均為-56.91‰，散點落入生物成因和混合成因氣區。神狐海域天然氣水合物氣源具有“混合成因氣為主、生物成因氣為輔”的特征；瓊東南海域天然氣水合物氣源具有“熱成因氣為主、混合成因氣為輔”的特征。

表2 瓊東南—神狐海域天然氣水合物烴類氣體濕度

圖2 瓊東南—神狐海域天然氣水合物氣源判別圖版Fig.2 Charts of source of natural gas hydrate in the Qiongdongnan Sea and Shenhu Sea

2.2 氣源潛力

瓊東南盆地生物氣源巖主要為上新統鶯歌海組—第四系的海相粉細砂巖和泥質粉砂巖，通常在埋深小于2.3 km的沉積地層中表現中等至較高的甲烷氣測異常，甲烷碳同位素介于-87.00‰～-62.00‰，表現明顯的生物氣特征。該套生物氣烴源巖的有機碳質量分數為0.28%～0.49%，總烴(HC)質量分數為55～300 μg/g，生烴潛量(S1+S2)為0.22～0.51 mg/g。預測瓊東南盆地埋深小于2.3 km烴源巖的生物氣資源量可達1.799 3×1015m3，具有較充足的生物氣供給能力[9]。

根據鄰區巖心分析，明確研究區熱成因氣。崖城組煤系烴源巖為中等—好，有機質類型為Ⅱ2—Ⅲ型干酪根，處于成熟—高成熟(Ro為1.6%～3.5%)生氣階段。S17-2氣田黃流組天然氣甲烷體積分數為89.5%～93.3%，干燥因數為0.92～0.94，δ13C1為-38.00‰～-37.00‰，δ13C2為-26.60‰～-23.40‰，崖城組煤系烴源巖具備規模供烴能力[9,11]。模擬陵水凹陷崖城組煤系烴源巖，預測熱成因氣供給資源量為2.973×109t。表明煤系烴源巖具備充足的供氣能力。

2.3 主力烴源巖沉積環境

瓊東南盆地崖城組煤系烴源巖具備“有機質豐度高(w(TOC)為0.6%～21.0%)、烴源巖生烴量大(3.896×1013m3)”，天然氣“甲烷體積分數高、干氣密度大”的特點，為主力烴源巖[12-13]。基于熱成因氣對天然氣水合物的貢獻，研究瓊東南盆地崖城組煤系烴源巖的沉積環境。

始新世—漸新世轉換期，陵水、松南、寶島、長昌等凹陷由南北雙控式地塹逐漸充填演化為“北超南斷”式的箕狀斷陷[13]，古地形為凹陷邊緣的古凸起陸源高等植物等有機質輸入創造條件。陵水、松南、寶島、長昌等凹陷在崖城組發生海侵過程演化形成陸表海，凹陷中部繼承性發育大面積淺海沉積，陵水凹陷北東部、松南凹陷北部、寶島和長昌凹陷南部發育寬緩的濱海沉積，在凹陷邊緣和古凸起區發育海岸平原沼澤和扇三角洲含煤沉積(見圖3)。相鄰崖城凹陷鉆揭同時期含蕨類化石的巖心，反映瓊東南盆地凹陷區在這一時期處于有利于泥炭堆積的濕熱古氣候環境，適宜腐殖型有機質發生熱降解過程。

圖3 瓊東南盆地崖城組沉積相展布Fig.3 Sedimentary facies map of Yacheng Formation in the Qiongdongnan Basin

3 運移輸導體系及穩定帶特征

斷裂、氣煙囪等滲漏構造和海底滑塌體等優質儲層，構成深水天然氣、水等流體的運移輸導體系，控制流體通量、流通路徑及水合物的形成和分布聚集。

3.1 斷裂

根據中央峽谷地震資料解釋，“通源連儲”斷裂對淺層天然氣水合物分布具有區域控制作用。受南北向區域伸展應力場影響，漸新世研究區大規模發育NE—SW、E—W向斷裂體系，斷裂相互疊接延伸，直接連通崖城組煤系烴源巖和樂東組粉砂質水合物儲層，是深層天然氣等流體的垂向運移通道，為水合物形成和聚集提供有利條件(見圖4)。

梅山組細粒沉積形成的超壓使漸新統斷裂開啟活化，形成大量次生斷裂和裂縫帶，斷裂與泥質粉砂質沉積構成運移輸導通道，控制天然氣、水等流體運移方向和水合物形成分布。在地震泵和超壓流體驅動下，深部熱成因氣沿斷裂向淺地層發生垂向運移，中—淺層生物成因氣被斷裂帶捕獲并發生側向和垂向運移，在穩定帶的有利構造中形成和聚集。這類斷裂包括控凹、邊界和多邊形斷裂。

圖4 瓊東南盆地中央峽谷“通源連儲”斷裂地震特征Fig.4 Seismic characteristics of faults linked to source and reservoir in Central Canyon, the Qiongdongnan Basin

3.2 氣煙囪—泥底辟—麻坑

氣煙囪—泥底辟—麻坑和斷裂共同構成流體運移的高效輸導通道，為尋找天然氣水合物提供指示[8,16]。瓊東南盆地新構造時期，中央峽谷異常地層流體壓力常引發構造薄弱帶塑性遷移，使氣煙囪在研究區廣泛發育，氣煙囪上部常見BSR(似海底反射波)現象，表明氣煙囪上覆地層為典型水合物富集帶。氣煙囪構造具有“低流體勢、高流通性”的物性特征，流體沿優勢通道快速運移，并在穩定帶的合適位置聚集。在地震剖面上，氣煙囪內部“含氣陷阱”通常表現為同相軸下拉反射特征，游離氣在氣煙囪頂部的聚集引起氣煙囪與圍巖波阻抗的差異，表現為補丁狀強振幅和同相軸增粗特征(見圖5)。

圖5 氣煙囪地震反射特征和成因模式Fig.5 Seismic characteristics and genetic model of gas chimney

氣煙囪、泥底辟、麻坑構造在成因上相互聯系。底辟從發育初期的弱刺穿狀演化形成直立狀氣煙囪(流體底辟)，進一步強刺穿圍巖而形成泥底辟。當泥底辟封蓋能力有限時，構造頂部和側翼等薄弱帶優先破裂，流體快速上移逃逸海底而形成麻坑，壓力釋放和減小后，氣煙囪裂縫帶閉合并形成麻坑遺跡[16-17]，由下至上組成氣煙囪—泥底辟—麻坑運移輸導體系。

3.3 海底滑塌體

海底滑塌體是彌散大量沉積物的高密度流體，可將沉積物從陸架坡折帶搬運至深海盆地。海底滑塌體既是砂巖型水合物賦存的有利基礎環境，也是天然氣、水等流體側向運移的通道。海底滑塌發生和水合物分解及二次生成有較高的相關關系[18-19]。在穩定帶內部，海底滑塌體攜帶粗粒沉積而形成高飽和度水合物；當溫度—壓力條件變化時，水合物分解形成超壓而觸發下一次海底滑塌，形成多個滑脫塊體，為流體側向運移和水合物二次富集提供有利條件(見圖6)。

瓊東南海域中央峽谷海底滑塌體在樂東組較為發育，在氣煙囪和泥質粉砂型水合物發育的大背景下，海底滑塌體富砂質儲層成為高飽和度天然氣水合物的接替選擇。海底滑塌體與水合物分解及二次發育相關關系，反映開發富集水合物海底滑塌體可能破壞海底工程設施、影響海洋生態。

3.4 穩定帶特征

穩定帶是滿足水合物形成的熱力學范圍和地層深度，包括海底溫度、地溫梯度、地層壓力、鹽度、水深、儲層粒度和沉積速率等[1-7,16,18-22]。瓊東南海域穩定帶參數的基本特征為瓊東南盆地梅山組以上地層處于正常溫度—壓力系統；盆地現今地溫梯度為40.0～43.0 ℃/km，局部巖漿侵入區地溫梯度為48.0 ℃/km，氣煙囪區地溫梯度為103.0 ℃/km；南海海水鹽度相對穩定為3.35%～3.50%，表層海水鹽度為3.40%；瓊東南盆地水合物富集區水深大于1.5 km；水合物在粗粒沉積物中多呈結核狀、塊狀沉積，在細粒沉積物中多呈分散狀、脈狀沉積，南海水合物儲層為富泥質細粒沉積物。研究區具備發育和賦存天然氣水合物的穩定帶條件。

4 水合物成藏模式

基于瓊東南盆地中央峽谷S17-2氣田地質認識和天然氣水合物研究現狀[6-7,12-13]，預測研究區3種天然氣水合物成藏模式為熱成因氣型滲漏型、滲漏—砂體復合型及生物成因氣型擴散型水合物(見圖7)。

4.1 滲漏型

熱成因氣型滲漏型水合物(斷裂—氣煙囪—泥底辟)是研究區主要的成藏模式。瓊東南海域天然氣水合物氣源以熱成因氣為主，生排烴時期，崖城組煤系烴源巖熱成因氣通過“通源連儲”斷裂、氣煙囪、裂縫帶等開啟滲漏構造，在地震泵和超壓作用下發生長距離運移。在合適的溫度—壓力條件下，流體在滲漏構造頂部或側翼優先充注聚集。滲漏構造的天然氣流通量高且儲層空間飽滿，該類成藏模式可以形成高飽和度的塊狀、脈狀水合物。

4.2 滲漏—砂體復合型

熱成因氣型滲漏—砂體復合型水合物是研究區次要的成藏模式。巖性油藏是成熟探區提高邊際效益儲量的主要油藏類型，砂質水合物不是瓊東南海域水合物勘查的主要目標。研究區海底滑塌體攜帶粗粒沉積與滲漏構造構成滲漏構造—砂體復合型圈閉，崖城組煤系烴源巖熱成因氣沿斷裂和氣煙囪向淺地層垂向運移，在砂質沉積體中側向運移聚集，該類成藏模式可以形成中—高飽和度的結核狀、塊狀水合物。

圖7 瓊東南盆地中央峽谷天然氣水合物成藏模式Fig.7 Reservoir forming model of natural gas hydrates in Central Canyon, the Qiongdongnan Basin

4.3 擴散型

生物成因氣型擴散型水合物是研究區分布廣泛、儲量豐度較低的成藏模式。研究區埋深2.3 km以淺的上新統鶯歌海組—第四系的海相粉細砂巖或泥質粉砂巖是生物氣的主要烴源巖，細粒沉積內部的甜點區域形成自生自儲類型天然氣水合物礦藏。在生排烴階段及適宜溫度—壓力環境下，天然氣將運移至短距離海底滑塌體等粗粒沉積或粉砂質等有效儲層而充注聚集，該類成藏模式可以形成脈狀、片狀、分散狀天然氣水合物。

5 結論

(1)瓊東南盆地中央峽谷天然氣水合物氣源來自熱成因氣和混合成因氣，熱成因氣主要來自崖城組煤系烴源巖，熱成因氣和生物成因氣具備充足的供烴能力。

(2)瓊東南盆地中央峽谷發育“通源連儲”斷裂、氣煙囪—泥底辟—麻坑、海底滑塌體，構成流體的主要運移輸導體系。在Ⅱ型水合物發現的背景下，水合物的形成分布受控于運移通道。

(3)研究區水合物主要的成藏模式為熱成因氣型滲漏型(斷裂、氣煙囪、泥底辟)水合物；次要的成藏模式為熱成因氣型滲漏—砂體復合型水合物；分布廣、儲量豐度低的成藏模式為生物成因氣型擴散型。