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南海神狐水合物钻探区不同形态流体地震反射特征与水合物产出的关系

2014-05-22吴能友乔少华梁金强霍元媛

海洋学研究 2014年4期
关键词:含气花冠运移

杨 睿,阎 贫,吴能友,乔少华,4,苏 明,梁金强,郭 攀,霍元媛

(1.中国科学院 南海海洋研究所 边缘海地质重点实验室,广东 广州 510301;2.中国科学院 广州能源研究所,广东 广州 510640;3.中国科学院 天然气水合物重点实验室,广东 广州 510640;4.中国科学院大学,北京 100049;5.广州海洋地质调查局,广东 广州 510075;6.陕西天地地质有限责任公司,陕西 西安 510075;7.中石化华北分公司 勘探开发研究院,河南 郑州 450000)

0 引言

大量位于大陆边缘的流体渗漏现象已经成为许多科学家的研究热点[1-5]。一方面流体渗漏可以将海洋沉积物中的气体(如甲烷等)释放到海水和大气之中,从而对全球性气候变化产生影响[6-7];另一方面,流体的渗漏是地下流体活动的直接指示标志,可能暗示了油气、天然气水合物等资源的存在。近年来,天然气水合物的勘探实践表明,水合物的赋存往往与流体渗漏、含气流体运移等具有密切的关联,特别是与流体底辟和断裂系统相关的流体运移,为水合物的形成提供了优良的气源保障[8-9]。

截止目前,全球已报道的似海底反射BSRs(bottom simulating reflectors,)中,约35%与底辟构造相伴生[10-12]。另外,研究发现,“气烟囱”可以引导含气流体以垂向和横向运移方式进入到水合物稳定带中,并形成水合物藏[13-15]。因此,含气流体的分布及对甲烷的输送能力往往与水合物的产出具有一定的关联。对南海北部陆坡区域的地质和地球物理研究结果表明,在琼东南盆地、神狐海域、东沙海域和台西南盆地等水合物远景区内存在大量含气流体运移的证据[16-21]。

这些含气流体在地震剖面上的异常特征表现为模糊反射带,而且绝大多数未出露海底。目前,国内学者对这些模糊反射带的解释主要持两种观点,一是解释 为 底 辟 构 造 (流 体 底 辟 )[10,11,16-17],一 是 解 释 为“气烟囱”[8,12]。底辟构造指密度较小的高塑性、低粘度的岩石(如岩盐、石膏或泥岩等)向上流动,拱起甚至刺穿上覆岩层所形成的穹隆或蘑菇状构造[22]。“气烟囱”是指深层气体所处超高压状态被破坏之后,纵向流动穿过上覆地层,出露海底或地面,造成地震反射异常,形似烟囱,在实际气体运移过程中且具烟囱效应,故名“气烟囱”[6]。对比这些地震反射特征与底辟和“气烟囱”的概念不难发现,神狐海域钻探区内的模糊反射带虽然一定程度上满足底辟构造的特点,但规模较小,且地层连续性较好,而且,限于钻探深度的限制,并没有获得流体运移的直接证据;同时,虽然符合“气烟囱”的形态特征,但又不同于典型的“气烟囱”,均未出露海底。因此,本文仍称之为模糊反射带,其实质,初步认为是地层中的大量流体及其运移产生的畸形地震反射特征。

2007年,通过地质-地球化学-地球物理综合识别标志的识别,在神狐海域圈定了水合物的靶区,并获取了我国首个海洋天然气水合物的实物样品,其中在3个站位成功取得含水合物的沉积物样品,含水合物层厚度为10~25m,最高水合物饱和度为25%~48%,气体中甲烷含量在99%以上,证实了南海北部具有良好的水合物资源前景[23-24]。在钻前预测阶段,BSRs分布与模糊反射带的分布具有良好的空间匹配关系(图1),这也是站位选择的依据之一。因此,对神狐水合物钻探区内的模糊反射带开展分类研究,将有助于揭示南海北部水合物藏的气体运移规律,分析水合物不均匀分布特征的内在控制因素,并最终为水合物成藏机制研究提供理论支撑。

1 区域地质概况

南海位于欧亚板块、太平洋板块和印度洋-澳大利亚板块的交汇区域[25-26]。由于板块之间的相互作用,使南海成为一个构造作用、沉积作用极为复杂的边缘海盆地,具有独特的区域构造地质特征[26-28]。南海北部的勘探工作揭示,陆坡区具有良好的油气资源勘探前景,特别是2006年荔湾3-1气田的发现和2007年神狐海域水合物样品的获取,证明了南海北部珠江口盆地白云凹陷含有丰富的天然气资源。白云凹陷位于珠江口盆地南部坳陷带内,总体呈ENE—WSW走向。白云凹陷经历了断陷、断坳和坳陷3个演化阶段[12],相应的,从地震剖面上也可以区分3套对应的构造层序。断陷期始于渐新统(E3,约26Ma BP)下部地层,对应形成了以文昌、恩平组为主的巨厚湖盆沉积,具有明显的砂、泥岩层交替出现的特征;断坳期则相对较短,见于渐新统上部与中新统(E3至N1,大约从26Ma BP持续到16Ma BP)下部地层,形成了以珠海组和珠江组为主的浅海相及半深海相沉积,仍表现为砂泥岩互层的特征,厚度较小;坳陷期的范围较宽,边界不易识别,包括中新统(N1)中、上部地层以及上新统(N2)和第四系(Q)地层,其中韩江组下段发育有较厚的砂体层,其上的粤海组、万山组则以泥质沉积为主[12,29-30]。

神狐海域钻探区位于珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷南侧,水深900~1 500m,海底地形总体呈东北高、西南低的斜坡形态,发育2条海底峡谷将目标区分割成东、中、西三部分(图1)。区内存在古近系文昌-恩平组巨厚烃源岩[31]、浅海三角洲砂岩储层和新近系陆坡大型珠江深水扇储层,同时,东沙运动(13.8~5.5Ma BP)形成了大量断裂和大型底辟带,晚中新世以来具有强烈的构造沉降[15,32-33]。适宜的温、压条件,丰富的气源供给,加之有利的运移通道,使得神狐海域成为我国海域天然气水合物资源勘探和研究的重点有利区域。

2 模糊反射带的识别及分类

2.1 神狐钻探区内模糊反射带的识别

图1 神狐钻探区位置及站位分布图(修改自文献[34])Fig.1 Location of the Shenhu Area and drilling sites(modified from reference[34])

神狐海域钻探区内模糊反射带的识别与白云凹陷内地震反射模糊带的发现是相辅相成的。在地震剖面上,这些地震反射模糊带主要表现为低频且连续性差的特征,内部反射较杂乱,甚至为空白反射,其具体特征包括:(1)模糊反射带根部可追溯至深部的文昌组和恩平组的主力巨厚烃源岩层,即源于超压层;(2)整个模糊反射带的内部具有网状、管状、柱状或杂乱的反射特征,地震资料成像品质较差,地震反射同相轴连续性中断或较差,但并无明显的地层搅混现象;(3)模糊反射带顶部表现为显著的同相轴相位转换及频率降低特征;(4)模糊反射带两侧存在微弱的同相轴上拱或下拉现象;(5)模糊反射带之上具有明显的龟背上拱或弱刺穿特征,往往与断层(或裂隙)相连,其上的海底有可能存在麻坑的现象(图2)。

图2 钻探区内连井剖面上的模糊反射带Fig.2 Fuzzy zones on cross-well seismic profile in the survey area

根据上述地震反射特征,在神狐海域水合物钻前预测阶段,基于对3D地震资料的解释和追踪,在钻探区内共圈定出4个不同规模的模糊反射带分布区:第1个分布区位于钻探区西北部,由2个规模较大的模糊反射带和1个较小的模糊反射带组成,自北向东南呈带状展布;第2个分布区位于钻探区东北部,有2个模糊反射带散布;第3个分布区位于钻探区西南部,共识别出3个模糊反射带;第4个分布区位于钻探区东南部,由3个模糊反射带连片组成,自北向南再向西南呈“J”形展布。

2.2 模糊反射带的形态及分类

依据模糊反射带的形态特征,可将其划分为2种类型,即花冠状模糊反射带和穹顶状模糊反射带,并具有如下的精细特征。

2.2.1 花冠状模糊反射带

花冠状模糊反射带的“根”、“茎”部为柱状,内部的反射连续性差,多表现为杂乱反射的特征,与周缘地层接触关系比较明晰,边界明显。其顶部则存在明显的横向扩张,表现为囊状或花状,这是识别花冠状模糊反射带的典型标志。同相轴粗细变化剧烈,由下而上表现为模糊(空白)反射向强振幅反射变化的特征,可能与气体的充注有关,顶部边缘多呈小型龟背上拱和弱刺穿构造(图2)。

针对过SH2站位的地震剖面(图3)进行详细分析,可以进一步刻画花冠状模糊反射带的形态特征。从图3a中可以看出,花冠状模糊反射带的顶部,即双程旅行时2.0~2.5s,CDP 1 200~1 800附近,伴生有丰富的断层或裂隙。这类断层或裂隙可能是在异常高压条件下形成的,即流体压裂,可以作为流体垂向运移的优良通道。模糊反射带的侧翼,可见多个断层,剖面上呈“Y”型、树枝状等组合形态,产状陡、断距小,切穿地层厚度较大。这些裂隙或断层并无明显断距,呈曲折、断续状分布,与模糊反射带在侧向及顶部沟通,很好地拓展了含气流体的运移范围,为气体的侧向运移与储集提供了通道和空间,模糊反射带顶部与BSR之间存在一段明显的空间间隔。可能的海底麻坑说明了含气流体运移通道的存在及较强的运移能力(图3a)。对地震资料进行瞬时属性提取,得到图3b所示的瞬时频率剖面,可以清晰地看到,在双程旅行时2.1s以下,CDP 1 200~1 700之间,有1个明显的低频区,与周缘地层形成强烈反差。该低频区的存在,是由于气体充注于沉积物孔隙空间,对高频地震波产生强烈吸收作用而形成的低频带。瞬时属性方法一方面证实了含气流体的客观存在,另一方面也能更好地勾勒流体运移通道的形态结构及影响范围。

图3 研究区内的典型花冠状模糊反射带Fig.3 Corolliform fuzzy zone on seismic profile of the survey area

值得注意的是,花冠状模糊反射带在研究区的分布范围有限(图1),但却与水合物的分布呈现出密切的关联。钻遇水合物的3个站位(SH2、SH3和SH7)均位于花冠状模糊反射带附近,相反,在过未钻遇水合物站位的地震剖面上,则没有识别到花冠状模糊反射带(图2)。

2.2.2 穹顶状模糊反射带

穹顶状模糊反射带在钻探区内广泛发育,超过了识别到的模糊反射带总量的三分之二。穹顶状模糊反射带具有近似直立的通道形态,根部源于文昌-恩平组烃源岩层,向上延伸,主体位于晚中新世以来的地层当中。根部和茎部具有地震资料品质较差的特征,常为杂乱反射。顶部为光滑穹顶状,并未延伸至海底,而是在BSRs附近终止。顶部的反射特征为模糊(空白)反射-强振幅反射,地震同相轴出现“增粗”现象,这可能与模糊反射带顶部聚集有一定量的游离气有关。顶部的形态特征为:穹顶状、无横向扩张且逐渐收敛(图2和图4a)。

从过SH5站位的地震剖面中可以发现,与花冠状模糊反射带相类似,穹顶状模糊反射带其两翼及顶部也伴生有疑似断层或裂隙,主要集中于双程旅行时1.6~2.5s,CDP 1 000~1 900附近。部分裂隙沟通了模糊反射带顶和海底,形成了疑似海底麻坑的地震响应(图4a)。这在图4b的瞬时频率剖面上尤为清晰。如前所述,由于气体在沉积物孔隙空间中的充注,对地震波高频有很好的吸收作用,利用这种吸收作用,可以帮助解释人员识别气体的运移通道。图4b中可见,在双程旅行时2.1s以下,CDP 900~1 100之间,存在1个明显的低频区,低频区顶部,也就是双程旅行时2.1s以上至海底,CDP 1 100左右的位置,有1个边界较清晰的气体通道直通海底。这是该处海底存在麻坑的典型地球物理证据之一。徐华宁等[35]利用地球物理方法对海水反射波进行处理发现,神狐钻探区内海水剖面上存在羽状流等特殊反射特征,进一步证实了麻坑存在的可能性。根据海底侧向声纳扫描和地球化学探测技术等手段的检测表明,南海北部海域普遍存在海底麻坑,伴随的气苗显示,流体至今尚在活动。与花冠状模糊反射带不同的是,这些断层或裂隙在数量上较花冠状模糊反射带则少很多,且主要分布于顶部。模糊反射带侧翼的断层或裂隙不与模糊反射带直接相连,仅是分布于模糊反射带附近;顶部存在疑似沟通的裂隙或通道,一端与模糊反射带相连,一端与海底沟通,形成了疑似“气烟囱”的地震反射。另外1个显著的差别就是这类模糊反射带的顶部与BSR相交,甚至突破了BSR(图4a)。

图4 研究区内的典型穹顶状模糊反射带Fig.4 Dome-form fuzzy zone on seismic profile of the survey area

3 含气流体运移及其与水合物赋存的关系

南海北部神狐海域的模糊反射带主要发育于陆架陆坡底部,垂向上的范围最大可达8km,且多呈连片分布的特征。前已述及,这些模糊反射带的成因是流体及流体运移所形成的畸形地震反射特征。研究区内的地质构造背景显示,区内具备含气流体发育的诸多客观条件:(1)研究区发育有巨厚的烃源层,始新世-渐新世的文昌组-恩平组泥岩沉积[36],为流体超压提供了物质基础,同时,也是研究区的主力烃源岩,为含气流体的发源层;(2)晚中新世以来,钻探区经历了以细粒沉积物为主的快速沉降和充填阶段;(3)由于长期 的 地 质 构 造 活 动[37-38],荔 湾 3-1-1 气 田 (图 1,LW 3-1)所在区域成为该地区地下流体和超压的主要释放区,钻探区与气田西邻,仍处于泄压区内,大面积模糊反射带的存在具有一定的必然性。

花冠状模糊反射带周围分布有丰富的断层或裂隙与之相通,影响范围大;其顶部散开,具有显著的气囊状地震反射特征,为水合物形成提供了充分的气源保障;模糊反射带顶与BSRs在空间上保持一段间隔,但通过顶部的微裂隙相通,为水合物提供充足甲烷的同时不对水合物稳定带内的优质储层形成干扰;与高饱和度水合物具有良好的正相关性。

穹顶状模糊反射带影响范围有限,收敛于穹顶边界;侧翼附近伴生少量断层或裂隙,但不相沟通;其顶部具有气体充注的地震反射特征,但仅限于穹顶内部;模糊反射带顶部与BSR重叠或形成突破,是否对水合物储层形成影响,尚需进一步研究。钻探结果显示,这些模糊反射带顶部大多数情况下不存在水合物或仅存在低饱和度的水合物。

4 结论

综上所述,模糊反射带在神狐钻探区内广泛分布,并且与高饱和度水合物藏具有很好(良好)的对应关系,对水合物成藏研究及勘探具有重要的指导意义。首先,模糊反射带、断层以及海底麻坑的组合,形成了大幅度的垂向输导系统,为深部烃源岩产生的大量甲烷气向上输送和储集提供了良好的运移通道,并为水合物在海底浅层聚集成藏提供有利条件;其次,模糊反射带侧翼和顶部与断层或裂隙沟通,有效扩大了气体运移的范围及影响力,为水合物成藏提供了更为广泛的气源保障,甚至拓展了水合物的成藏空间;第三,不同形态特征的模糊反射带与水合物赋存的对应关系揭示出钻探区内水合物赋存与气体运移及气运通道形态具有较强相关性。根据模糊反射带顶部和两侧的地震反射特征(丰富的气藏)可初步判断,神狐海域具备良好的水合物勘探远景。

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