澳大利亚西北陆架盆地天然气水合物成矿地质条件及资源潜力

赵汗青,李春雷,吴时国,王 征

(1.中海油服物探事业部数据处理解释中心,天津 300451;2.中国科学院海洋研究所,山东 青岛 266071)

天然气水合物是由天然气分子与水分子构成的笼型化合物,外观似冰,能燃烧,又叫“可燃冰”。它在能源、环境和灾害方面都具有十分重要的意义。天然气水合物主要赋存于水深300 m以下的海底和永久冻土带[1]。它的大量形成需具备如下几个条件:合适的温度和压力、充足的天然气源以及沟通天然气源和水合物赋存带的地质构造。截至2005年,全球已有30多个国家和地区开展了天然气水合物调查工作,发现天然气水合物存在标志或实物样品的区域总计116个。其中,陆地38处(永久冻土带),海洋78处[2]。2007年,中国在南海北部陆坡区神狐海域实施的科研钻探工作中,取得了天然气水合物实物样品,成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划取得这一突破的国家[3]。

澳大利亚西北陆架盆地现位于欧亚板块、太平洋板块和印澳板块结合部位,是在古生代—中生代冈瓦纳大陆破裂的基础上,最终形成的被动大陆边缘盆地。从西南到东北主要分布着北卡那封、柔布克、布劳斯和波拿巴盆地(图1)。产自北卡那封盆地的液化天然气(LNG)已出口到中国,中海石油有限公司也参与了西北陆架主要含油气盆地的油气勘探开发[4]。依据最新的区域地震资料解释成果,中生代以来盆地的构造演化主要经历了裂前坳陷、裂谷、过渡和裂后被动大陆边缘四个阶段[5-7]。在区域构造演化的控制作用下,发育了多套沉积层序建造,为烃类化合物的生成与赋存奠定了坚实的物质基础。澳大利亚西北陆架盆地水深大于300 m的海域超过其总面积的 1/3,且为十分富气而相对贫油的油气区[8-9]。虽然本区域是目前全球深水油气勘探开发的热点地区之一,但整体的勘探程度较低,本区域是否发育天然气水合物尚无相关报道,本文根据天然气水合物地震识别技术,同时结合澳大利亚西北陆架天然气水合物成矿的地质构造环境分析,认为本区域也是天然气水合物赋存有利地区之一,此项研究工作的意义在于填补了澳大利亚西北陆架盆地天然气水合物研究工作的空白。

1 天然气水合物存在的地震异常

在各种海域天然气水合物勘探技术中,地震勘探方法是最快速有效的方法之一,其主要识别标志包括: 似海底反射波(BSR)、振幅空白、极性反转和速度倒置等。其中,海底沉积物中存在天然气水合物最重要且最实用的标志是BSR的存在。在钻井之前,BSR是公认的识别天然气水合物赋存的地球物理标志,这已经为许多实际资料,如钻井资料所证实[1]。

地震剖面上的BSR通常指示了含天然气水合物沉积层与含游离气沉积层或含水沉积层的相边界。因此,天然气水合物稳定带底界的确定就可以归结为BSR的确定。BSR在地震叠加剖面上一般表现为以下特征: (1)与海底反射几乎平行;(2)与海底反射波的极性相反;(3)通常为强的反射振幅;(4)可以与沉积层界面反射波斜交;(5)BSR之上通常表现为反射能量很弱的“振幅空白带”[1]。

图1 澳大利亚西北陆架主要含油气盆地分布与水深(m)图Fig.1 The bathymetric chart and distribution of main petroliferous basins in North-West Shelf basins,Australia

通过对西北陆架盆地地震资料的综合解释发现(中海石油有限公司在参与澳大利亚西北陆架盆地的油气勘探开发工作中,获得了公开的基础地质与地球物理资料): 在北卡那封和柔布克盆地多条地震剖面(以图 1中 Line A为例,没有特殊说明前提下,地震资料道间距均为25 m×25 m)均出现了特征较为明显的BSR和振幅空白带(图2)。通过对研究区水深超过300 m(海域天然气水合物存在的最小水深)海域地震资料的分析,发现了与天然气水合物有关的较为明显的地震异常主要有 3个区域,其中两个位于北卡那封盆地,另一个位于柔布克盆地。通过全盆地的地震精细解释,总计面积约70 000 km2(图3)。

2 天然气水合物成矿地质条件

2.1 构造演化与气源

澳大利亚西北陆棚古生代之后的构造演化,主要以印度洋形成和大陆解体过程为主要特征。对于中生代裂谷主要发育时期来说,三叠纪的构造演化属于裂前坳陷阶段。三叠纪晚期的Fitzroy构造运动形成了一系列沉积坳陷的雏形。三叠纪时期主要为克拉通内坳陷沉积,断层发育较少,且对沉积的控制作用不明显。区域上三叠系以西南倾为主,主要沉降中心位于北卡那封盆地 Exmouth高地,主要烃源岩来自河流、三角洲相的下—中三叠统Locker页岩组、河流相的中—上三叠统Mungaroo组及其与它们时代相当的地层,为成熟—过成熟,以生气为主[7]。

图2 北卡那封盆地测线Line A中BSR和振幅空白Fig.2 Amplitude blanking zone and BSR of Line A in North Carnarvon basin

图3 澳大利亚西北陆架盆地天然气水合物BSR分布图Fig.3 The BSR distribution of gas hydrate in North-West Shelf basins,Australia

裂谷阶段主要从早侏罗世延续到中侏罗世末。北东向的正断层活动加剧,这一时期发育广泛的裂谷断层和形变,致使三叠纪晚期 Fitzroy构造运动形成的沉积坳陷雏形进一步发育,形成了一系列北东向展布的掀斜断块、地垒和地堑。主要断层控制不同构造单元的地层沉积。裂谷期的沉降中心位于西北陆架各盆地的主要沉积坳陷带,发育巨厚,各盆地坳陷带中—下侏罗统烃源岩均达到成熟和过成熟,是 3个盆地中都发育的重要烃源岩,西北陆架的油气田大部分都源自这种类型烃源岩,油气兼生,以气为主[7]。

过渡阶段主要从晚侏罗世持续到早白垩世的阿普特期。这一阶段断裂活动相对趋缓,除部分控凹断层外,较少有断层断穿上侏罗统和下白垩统地层,主要以坳陷沉积演化为主。沉降中心有继承、有偏移,西北陆架西南部沉积较厚,中北部变薄。下白垩统下部烃源岩部分成熟,仅在布劳斯和波拿巴盆地为中到较好烃源岩,其他区域均为成熟[7]。

早白垩世阿普特期以后,盆地开始了被动大陆边缘的演化进程,以坳陷沉积为主,部分地区断层发育。其中最重要的一次构造事件为: 渐—中新世时期,澳大利亚板块和欧亚板块碰撞,发生构造挤压及大规模的左旋剪切作用,造成部分早期断裂活化,同时又产生了一系列的浅层断裂[7]。

根据前人研究成果显示,基于近30 000个烃源岩样品(包括岩心、井壁取心和钻屑)实物及多个相关数据库资料,对澳大利亚西北陆架的烃源条件进行了全面分析,结果表明: 澳大利亚西北陆架从二叠纪到早白垩世发育了多套优质烃源岩,全部形成于裂谷原型盆地之中。以海相泥页岩为主,有机碳质量分数一般为 1%～5%,最高达 13.9%;干酪根主要是Ⅱ、Ⅲ型,以生气为主[8-14]。勘探结果表明: 澳大利亚西北陆架盆地油气资源主要以天然气为主,天然气可采储量大于 820亿 m3的大型及准大型气田21个,大多数分布于300 m水深以下及附近,这也跟澳大利亚西北陆架现今“富气贫油,内油外气,大型气田位于远岸带深水区”的状况相吻合[11]。因此,该区具有天然气水合物形成的充足气源。

2.2 与天然气水合物富集有关的地质构造条件

澳大利亚西北陆架位于三大板块的交汇部位,各个时期均发生了多次构造运动和普遍的沉积事件,广泛发育了浅层活动断裂、盐泥底辟、海底滑塌体和海底扇等与天然气水合物密切联系的构造沉积体(图 4),这些构造沉积体的发育已被证实对天然气水合物的形成起着重要的作用[15-16]。

裂谷阶段中深层断裂和裂后被动大陆边缘阶段板块碰撞发育的浅层断裂的梯级组合,使天然气可以运移到海底浅部的天然气水合物赋存带成矿,起到了沟通运移的作用[1,17-18]。

图4 澳大利亚西北陆架天然气水合物有利成矿构造分布图Fig.4 The distribution of favorable structure related to gas hydrate in North-West Shelf basins,Australia

除断裂构造外,盐、泥底辟构造是天然气向上运移至水合物稳定带形成天然气水合物的另外一个重要通道,其在澳大利亚西北陆架被动大陆边缘各盆地也较为发育(图5),其与浅部断裂的梯级组合使天然气向海底浅部运移沟通的作用更为显著[19-20]。

图5 北卡那封盆地测线Line B中盐、泥底辟构造Fig.5 Salt and mud diapiric structure of Line B in North Carnarvon basin

滑塌体等特殊构造也是天然气水合物成矿的主要地质载体,它的存在通常与水合物的分解有关,因此它也是天然气水合物存在的标志构造体之一[1,15-18],其在澳大利亚西北被动大陆边缘大陆坡上发育广泛(图 6)。

2.3 天然气水合物成矿温压条件

图6 北卡那封盆地测线Line C中滑塌体构造Fig.6 The slumps structure of Line C in North Carnarvon basin

澳大利亚西北陆架属于被动大陆边缘,具备天然气水合物形成的有利温度和压力条件。水深大于300 m的海域超过澳大利亚西北陆架总面积的 1/3,已有大量文献报道由于温度、压力条件适合,在全球范围内,超过这一深度的海域是天然气水合物发育的有利地区[1,21-24]。

在没有特殊热事件存在的情况下,300 m水深以下的海底温度主要稳定在 2～4℃左右,天然气水合物存在的极限温度为 25℃,因此只要在这一深度以下的海底浅层沉积物中不存在过高的地温梯度,就有可能赋存较厚的天然气水合物成矿层,而尚无文献报道澳大利亚西北陆架深水区域海底浅层具有异常高的地温梯度,导致海底及其浅层沉积物温度过高,进而限制天然气水合物发育的情况存在。

天然气水合物存在的压力条件并不苛刻,在温度条件满足的前提下,只需30个左右的大气压即可生成,而超过 300 m的水深再加上海底浅层沉积物的载荷很容易满足这一条件。另有证据表明,澳大利亚西北陆架盆地中的北卡那封盆地,深部烃源岩发育有超压,而浅层则处于常压或过渡压力区[8,25-26],研究区天然气具备由深部的高势能区向浅部的低势能区流动的总体趋势,因而进一步有利于深部天然气运移至天然气水合物稳定带赋存成矿[1]。

所以,通过与全球其他相似海域类比,并综合现有资料判断,研究区具备天然气水合物发育的温度及压力条件,较为稳定的被动大陆边缘环境为天然气水合物的形成与赋存提供了广阔的空间。

3 天然气水合物资源潜力估算

通过对研究区与天然气水合物有关的地震异常的识别,结合研究区天然气水合物成矿地质条件的分析,初步圈定了澳大利亚西北陆架天然气水合物成矿远景区主要位于北卡那封、柔布克和布劳斯盆地外侧的西部隆起带。其中对各个盆地的天然气水合物成矿远景分析如下。

北卡那封和柔布克盆地是天然气水合物最有利发育区。水深超过300 m海域面积较大,超过盆地面积的 50%,烃气来源充足;不利条件是沟通气源与天然气水合物成矿带断裂较少,盐泥底辟也较少发育。

布劳斯盆地是研究区天然气水合物次有利发育区。水深超过300 m海域占盆地面积的1/3,烃气来源也很丰富,迄今已发现4个大型气田,与北卡那封和柔布克盆地类似,断至天然气水合物赋存层位的浅层断裂不甚发育,盐泥底辟也不太发育,另外本盆地裂陷期的局部变热和强烈的火山作用也有可能导致地温梯度过大,最终限制了天然气水合物的成藏的厚度和范围。

波拿巴盆地是研究区天然气水合物不利发育区。虽然本盆地渐—中新世澳大利亚板块与欧亚板块的碰撞导致后期的断裂活化作用非常明显,发育了大量沟通气源与天然气水合物聚集层位的浅层断裂,同时大量的盐泥底辟发育也为烃气向上运移提供了通道,但是本盆地水深普遍不超过 300 m,所以,比较而言波拿巴盆地是澳大利亚西北陆架天然气水合物最不发育的盆地,其最可能赋存区域为盆地西北紧邻帝汶海槽一侧的狭长条带,分布范围非常局限。

最后笔者利用体积估算法对研究区天然气水合物总资源量进行了初步的估算。

其中: V为水合物总资源量;A为水合物分布面积(合计70 000 km2,主要参考研究区与天然气水合物有关的地震异常区面积);Z为水合物稳定带平均厚度(40 m,主要参考2007年我国南海北部陆坡神狐海域钻遇含天然气水合物沉积层最大厚度);Φ 为沉积物有效孔隙度(40%);H为孔隙中水合物饱和度(10%);E为水合物中天然气容积倍率(160,假定天然气均为甲烷)。

研究区天然气水合物成矿远景区大约蕴含甲烷量为18万亿m3,约合180亿t油当量。

4 结论

1)澳大利亚西北陆架盆地发现广泛分布的BSR,推断该海域蕴藏着丰富的天然气水合物,其天然气水合物储量巨大,初步估计天然气水合物分布区蕴含甲烷量达18万亿m3。其中北卡那封和柔布克盆地是天然气水合物最为发育的区域,布劳斯盆地次之,波拿巴盆地最不发育。

2)澳大利亚西北陆架盆地位于稳定的被动大陆边缘,水深超过300 m的海域“富气贫油”,气源充足,同时具备适于天然气水合物赋存的良好温压条件,以及沟通天然气源和水合物赋存带的地质构造。构造演化是天然气水合物成藏所具备的 3个条件的基础,因此是天然气水合物成矿的重要影响因素之一。

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