海域天然气水合物钻探研究进展及启示（I）：站位选择*

苏　明，匡增桂，乔少华，沙志彬，4，魏　伟，张金华，苏丕波，杨　睿，吴能友†，丛晓荣

（1.中国科学院天然气水合物重点实验室，广州 510640；2.中国科学院广州天然气水合物研究中心，广州 510640；3.广州海洋地质调查局，广州 510760；4.中国地质大学（武汉）资源学院，武汉 430074；　　　　　5.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007）

海域天然气水合物钻探研究进展及启示（I）：站位选择*

苏明1，2，匡增桂3，乔少华1，2，沙志彬3，4，魏伟5，张金华5，苏丕波3，杨睿1，2，吴能友1，2†，丛晓荣1，2

（1.中国科学院天然气水合物重点实验室，广州 510640；2.中国科学院广州天然气水合物研究中心，广州 510640；3.广州海洋地质调查局，广州 510760；4.中国地质大学（武汉）资源学院，武汉 430074；5.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007）

本文通过对国外海域天然气水合物钻探的调研，选取布莱克海台、水合物脊、墨西哥湾、日本南海海槽、韩国郁龙盆地、印度大陆边缘等区域，从水合物站位选择目的和站位选择依据这两个方面进行归纳总结和系统对比。研究指出，根据水合物的实际产出和赋存，可将其划分为两大类型：赋存于海底浅表层的水合物（一般在海底之下100 m范围内）和赋存于海底之下中-深层的水合物（一般在海底之下100～400 m范围内）。前者的主要识别依据为海水异常、含气流体运移通道和异常地形地貌特征，而后者的主要识别依据为地球物理异常反射特征、含气流体运移通道和有利沉积体。因此，如果将水合物的形成、聚集和分布比喻为一个有机的整体，那么“运”和“聚”就构成了这个系统的“骨骼”和“血液”，它们将控制远景区内的水合物分布。将“水合物识别标志”、“有利沉积体展布”和“流体运移通道”三者有机地结合在一起，可以达到更准确地预测和描述水合物矿体的目的，这是今后海域水合物钻探站位选择依据的主要发展方向。

天然气水合物；含气流体运移；有利沉积体；水合物钻探站位选择

0　引　言

天然气水合物（以下简称“水合物”）是一种在高压低温条件下由烃类气体分子和水分子构成的笼型似冰状晶体物质［1］，俗称“可燃冰”。作为一种非常规性的能源，水合物中蕴含着丰富的天然气资源，据估计，其天然气资源总量已经超过了目前所发现的所有油气藏的资源总和［2］。此外，海域水合物在海底地质灾害、气候演变和环境效应等方面也具有重要的研究意义［3-5］。

近年来，为了查明海域水合物的赋存位置、产 出特征及地质控制因素，一系列钻探计划相继实施（图1），如大洋钻探计划（Ocean Drilling Program，ODP）164和204航次［6，7］、综合大洋钻探计划（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）311航次［8］、墨西哥湾“联合工业计划”（Joint Industry Project，JIP）［9，10］、南海海槽“日本甲烷水合物开发计划”（Japan's Methane Hydrate Exploitation Program，JMHEP）［11，12］、“郁龙盆地水合物勘探计划”（Ulleung Basin Gas Hydrate Expedition，UBGHE）［13，14］、以及“印度国家水合物计划”（India National Gas Hydrate Program，INGHP）［15，16］等。

图1　永久冻土区和海洋沉积物中已知的和推测的天然气水合物区域（修改自Kvenvolden，1993；Collett，2002［1，2］）Fig.1　Locations of known and inferred gas hydrate occurrences in permafrost regions and oceanic sediments（after Kvenvolden，1993；Collett，2002［1，2］）

上述海域水合物钻探计划的成功实施，不仅证明了水合物在这些区域的存在，还为研究水合物形成、产出和聚集提供了大量的第一手地质资料，使得海域水合物的勘探技术和成藏理论得到了飞速的发展，从而能更好地回答“水合物如何分布”和“水合物分布的控制因素”这两个关键科学问题。本文系统回顾了这些水合物钻探研究的结果，总结了在不同地质背景下水合物钻探站位的布置和水合物的赋存特征，进而对影响海域水合物形成和聚集的主要控制因素进行归纳和对比，从产出分类的角度探讨海域水合物远景区内钻探站位的选择依据，希望为我国海域水合物成藏理论和实际钻探提供借鉴。

1　布莱克海台

布莱克海台位于北美东南部被动大陆边缘，是一个大型的新近纪至第四纪沉积物牵引体，主要由粉砂及富泥的半远洋/等深流沉积组成［17］。作为海域水合物的第一次实际钻探，ODP164航次的主要科学目标在于评估水合物资源量、了解水合物和似海底反射（Bottom simulating reflectors，BSRs）之间的关系，以及水合物在富集区内的空间分布变化。ODP164航次共设置了7个站位，其中991、992、993和996站位位于北部卡洛琳娜-布莱克海脊Cape Fear底辟和海底滑坡之上，994、995和997站位则位于南部布莱克外脊（图2a）。在布莱克海台区域，底辟构造非常发育，造成了上覆地层的扰动并破坏了正常的沉积序列，因此，此处设置的浅钻，如991、992、993和996站位（钻探深度50～67 m），其目的是研究这些扰动地层的物理性质和含气流体运移的特征。此外，BSRs在这一区域分布广泛，此处设置的深钻994、995和997是为了研究水合物、含水合物沉积物及其与BSRs的关系［6］。下面将选择位于底辟区的996站位和位于BSRs区的994和997站位进行回顾。

1.1996站位 996站位位于布莱克海脊底辟构造的顶部，水深约为2 170 m（图2b）。该站位的主要目的是调查麻坑构造的断裂带中甲烷的运移及水合物的形成、分析海底渗漏的气体来源、研究流体运移对沉积物结构和稳定性的影响。从过该站位的地震剖面中可 以观察到盐底辟构造是非常清晰的，主要表现为杂乱的地震反射特征，并导致上覆地层产生了上倾，甚至在海底也形成了轻微的隆起特征（图2b）。盐底辟构造及其内部的断裂系统将为含气流体的运移提供通道，导致甲烷在近海底处发生渗漏或喷溢，形成具有似火山口状的海底凹陷，即麻坑构造，并可见沿着喷溢口的断裂（图2b）。此外，盐底辟构造内部上涌的盐体将引起传导热场与对流热场（热液物质流动与交换）的叠加，导致水合物稳定带的变化，如BSRs的向上迁移（图2b），从底辟周缘的约400 mbsf（meters below the seafloor）减薄至底辟中心的约245 mbsf［18］。盐底辟构造的存在影响了996站位处的水合物形成和分布，热量的增加可能会导致底辟构造中心位置处水合物（图2b中的空白反射带）发生分解，含气流体将会沿着断裂体系向浅部的地层发生运移，在近海底处形成新的水合物层（图2b）。因此，地震资料上含气流体运移通道（如底辟构造和断裂体系）和明显的地形异常（如地形的隆起和麻坑构造）是确定996站位的主要依据。

图2　（a）ODP 164航次站位位置；（b）过996站位的地震剖面；（c）过994、995和997站位的地震剖面（修改自Paull等，1996［6］）Fig.2 （a） Locations of the sites in ODP Leg 164；（b） The seismic profile crossing Site 996；（c） The seismic profile crossing Sites 994，995 and 997（after Paull et al.，1996［6］）

水合物在996站位赋存在近海底的浅表层地层中，主要呈现为3种不同的产出形态［6］：①块状水合物碎片，呈柱状至圆形，长5～8 cm，位于岩心最上部9 mbsf以内；②板状水合物脉，呈脉状充填于近垂直的裂缝中，厚1～4 mm，位于大多数岩心30 mbsf之下；③杆状水合物瘤，直径约1 cm，长3～12 cm，向下逐渐变小，位于996站位岩心50 mbsf处。

1.2994和997站位

994和995站位位于布莱克海脊侧部，997站位位于海脊脊部（图2a），3个站位的水深在2 800 m左右。从过994、995、997站位的USGS95-1地震剖面中可以发现，自北向南，从布莱克海脊的翼部到脊部，BSRs从不发育到非常明显（图2c）。布置这一系列站位的重要目标是确定水合物、下伏游离气与BSRs之间的关系，了解水合物的空间部分变化，并测试含水合物沉积物的物性参数。因此，水合物存在的地球物理证据（BSRs）是这一系列站位的主要选择依据。

从地震反射特征来看，3个站位的剖面地层岩性变化不大，994站位处水合物的获取既表明水合物可以在无明显BSRs分布的地方产出，也说明水合物稳定带之下游离气的富集可能是产生BSRs的主要原因。水合物的产出主要表现为3种形态［6］：①孔隙充填型，测井资料和孔隙水盐度资料表明，从180 mbsf至水合物稳定带底界440～470 mbsf都可见这类水合物的存在，是布莱克海台区域最为典型的水合物产出类型；②瘤状结核结壳型，如164-994C-31X-7岩心段（259 mbsf）产出水合物呈白色瘤状，体积为4～25 cm3；③块状晶体型，如164-994D-4X-1岩心段（261 mbsf）产出水合物呈微小块状，体积小于1 cm3。在997站位331 mbsf的地方发现了一大块纯的块状水合物，直径约5 cm，长约14 cm。该区域发育的近垂直的小型断层［19］可能是997站位处块状水合物赋存的主要因素。

2　水合物脊

水合物脊位于卡斯卡迪亚增生楔北端向海外延处（图3a），是增生变形前缘的第二个逆冲隆起，由浊积物和半远洋沉积物覆盖［20，21］。ODP204航次是首个研究增生复合体中水合物成藏的航次，也是首个采用包括数字红外扫描（图3）和随钻测井等技术的航次。该航次的主要科学目标是查明增生脊及周缘陆坡盆地中水合物的分布和含量、研究烃类气体向稳定带内的运移机制、确定含水合物沉积物原位物性参数［7］。ODP204航次在水合物脊共布置了9个站位，其中1244～1247站位位于脊顶北部，1248～1250站位为脊部，1251和1252站位则位于脊顶东部的陆坡盆地之上（图3a）。这样布置的站位有利于综合对比研究复杂地质构造和沉积背景下流体运移特征和水合物分布特征［7］。下面分别选取脊顶北部的1245站位、脊部的1250站位以及陆坡盆地的1251站位进行回顾。

2.11245站位

1245站位位于水合物脊西翼870 m水深处，距南水合物脊峰约3 km。此处站位设计的目的是评估水合物脊脊部稳定带内水合物的分布和含量、查明强反射层“A层”、“B层”和“Y层”对流体活动和水合物成藏的影响。从地震剖面中可以观察到明显的BSRs，分别切穿强反射层“A层”、“B层”和“Y层”（图3b）。这些强反射层被视为水合物脊良好的流体运移通道，能够将烃类气体运移至水合物稳定带之内［22］，而位于稳定带之内的强反射层也可以作为潜在的储层，位于强反射层之内的水合物往往具有更高的饱和度［23］。因此，水合物存在的地球物理证据（BSRs）、良好的含气流体运移通道（强反射层）和潜在的有利储层（强反射层）是1244、1245、1246站位的重要选择依据。

水合物在这3个站位中的分布和产出都很相似，以低饱和度（约2%～10%）、浸染状形式赋存，同时也包含少量水合物结核结壳，以及裂缝充填型水合物［7］。

2.21250站位

1249和1250站位分别位于南水合物脊峰778 m和792 m水深处，钻探取心中存在明显的数字红外低温异常，可以用于指示含水合物层的深度和厚度等信息。这2个站位用于查明南水合物脊峰的水合物分布特征，并研究甲烷气泡在水合物-水二相区的运移过程。在地震剖面中，能够识别出2类异常反射：①位于近海底浅表层的强振幅反射，厚度约为30 m；②位于大约115 mbsf附近的BSRs。此外，深潜器及高频回声探测揭示的海底羽状气泡流［24］、具有上拉且杂乱反射特征的碳酸盐岩丘（海底高地）（图3c）也指示了水合物的存在。因此南水合物脊峰的站位选择依据主要有水合物存在的地球物理证据（BSRs、异常地震反射）、水合物存在的温度异常（数字红外低温异常）、特殊的海水异常（海底羽状气泡流）和异常海底地形地貌（碳酸盐岩丘/海底高地）。

水合物主要以块状的形式赋存于海底浅表层，饱和度较高，如1250站位在海底至30 mbsf的深度段内获取了25%～40%的水合物［7］，对应于地震剖面中海底之下的强振幅反射层（图3c）。这类水合物的形成可能与较为集中的流体活动（focused fluids）相关，如含气流体的向上输送将为浅层提供丰富的甲烷，导致碳酸盐岩丘的形成（图3c），并在海底发生甲烷的逃逸，形成海底羽状气泡流［25］。

图3　（a）ODP 204航次站位位置；（b）过1245、1246、1244和1252站位的地震剖面；（c）海底高地处的背散射图及过1250和1249站位的地震剖面；（d）过1251站位的地震剖面（修改自Tréhu等，2003［7］）Fig.3 （a） Locations of the sites in Leg ODP 204；（b） The seismic profile crossing Sites 1245，1246，1244 and 1252；（c） Backscatter map in the pinnacle and the seismic profile crossing Sites 1250 and 1249；（d） The seismic profile crossing Sites 1251（after Tréhu et al.，2003［7］）

2.31251站位

1251站位位于水合物脊脊峰以东5.5 km的陆坡盆地处，水深为1 210 m。由于陆坡上沉积物将沿着坡降方向发生输送和堆积，陆坡-盆地的地层厚度发生了明显的增加，因此该站位的主要目的是研究高沉积速率背景下水合物的气体来源、水合物在陆坡盆地中的分布。由于水深的增加，BSRs在1251站位的深度下移至200 mbsf附近（图3d）。在地震剖面上还可以识别出2套杂乱的地震反射层，解释为碎屑流沉积体（图3d），并认为处于深水背景中的这2套沉积单元可能是水合物的良好储层。因此，水合物存在的地球物理证据（BSRs）和有利的沉积体（碎屑流沉积体）是1251站位的主要选择依据。

水合物在1251站位主要以浸染状形态分布于BSRs之上的有利沉积单元（紧邻BSRs以上的地层和90～110 mbsf两个深度区间）之中，底部的饱和度较高，可达18%，上部的饱和度较低，平均为3%［7］。水合物的形成和产出的主要控制因素为岩性（沉积单元）。

3　墨西哥湾

墨西哥湾盆地以盐底辟和新生代沉积充填为主要地质背景，是美国重要的海上油气资源区，也是世界上水合物研究程度最高的海域之一（图4a）。JIP计划于2000年启动，开始对墨西哥湾水合物进行了详尽的研究，其主要目的是研究与含水合物沉积钻井相关的灾害，开发和测试预测天然气水合物勘探与开发的地质与地球物理工具，以及钻取含水合物沉积物样品用以获取海洋天然气水合物资源开采问题所需的物理数据［9，10］。

3.1JIPI航次

JIPI航次将研究目标限定在Atwater Canyon 13/14区块（AT13/14）和Keathley Canyon 151区块（KC151）（图4a）［9］。区域内海底地形显示存在大量轻微隆起的地形地貌及近圆形海底凹陷，被解释 为水合物丘和麻坑（图4b和4c）［26］，指示了水合物的存在。特别是水合物丘，在地震剖面上表现为近海底的异常反射，其下部有时并不能观察到明显的BSRs，但可见高阻抗同相轴（图4d），可能指示了相对高热流体向上的快速运移［26，27］。与墨西哥湾北部经典的BSRs不同，JIPI航次识别出了同样具有水合物存在指示意义的地震反射异常［28］，如流体喷口之下的负阻抗差异地震反射、阻抗差异较大的不连续层、反射同相轴在稳定带附近的定向终止（图4e）［26］、稳定带内正波阻抗差等。因此，JIPI航次中，海底浅表层的水合物丘和水合物存在的地球物理证据（BSRs、同相轴的定向终止、稳定带内的强振幅反射同相轴）是钻探站位的主要选择依据。

图4　（a）墨西哥湾JIP计划水合物钻探站位位置；（b）AT14区块海底地形图揭示了水合物丘及断层；（c）KC151区块海底地形图揭示了水合物丘和麻坑构造；c）过AT13和AT14站位的NW-SE向地震剖面揭示了水合物丘D和F；（d）KC151地震属性剖面显示了砂层的定向终止，并依此来定义BSRs（修改自Dai等，2008［26］）Fig.4 （a） Locations of the gas hydrate drilling sites in JIP；（b） The seafloor of AT14 area showing the hydrate mounds and faults；（c） The seafloor of KC151 area revealing possible hydrate mound and pockmarks；（d） NW-SE trending seismic profile crossing Sites AT13 and AT14 showing Hydrate Mounds D and F；（e） KC151 amplitude profile revealing bright sand terminations defining the BSRs（after Dai et al.，2008［26］）

尽管JIPI航次并没有获取水合物实物样品，但孔隙水盐度、电阻率、地震波速度等资料均指示了水合物的存在。靠近水合物丘处，水合物多富集在近海底浅表层，如AT14站位65 mbsf至海底的深度段内、ATM站位55 mbsf至海底的深度段内［29］。而在KC151站位，水合物赋存深度可能较深，约在220～330 mbsf深度段内，水合物饱和度为1%～12%［29，30］，随着沉积物中微裂隙的增加，水合物饱和度可增至20%［31］。

3.2JIPII航次

为了证实墨西哥湾深海环境中富砂质沉积体中水合物的形成，JIPII航次尝试运用水合物含油气系统（gas-hydrate petroleum system）的思想［32］，开始以砂质储层为主要钻探目标［10］，自西向东在墨西哥湾Alaminos Canyon、Walker Ridge和Green Canyon分别设置了AC21、WR313和GC955站位（图4a）。这些站位分别位于带水道供给的海底扇、水道及天 然堤复合体、块体流沉积体（Mass transport complex，MTC）等深水沉积背景（图5a）［33，34］。

WR313站位的2口钻井以砂体为钻探目标，主要揭示蓝色砂体单元和橙色砂体单元，与图4e揭示的同相轴终止特征一致，含砂层将会依次发生地震反射同相轴的终止（图5b）［33］，起到类似BSRs的指示作用，被解释为下伏含游离气层与上覆含水层或含水合物层的相边界区［35］。水合物在2套砂层中的平均饱和度为50%～60%，最大值可达90%［36］。在WR313站位浅部地层中（200～400 mbsf）的含裂隙粘土质沉积层也发现了水合物的存在，饱和度约为20%［36］。GC955站位位于一个断层十分发育的地形突起之上，以水道-天然堤复合体中的砂体为钻探目标（图5c），并在GC955-H井和GC955-Q井水合物稳定带之上20 m附近钻遇这一套砂体，水合物在砂体中的富集主要受到迁移的浊积水道及相伴的天然堤的控制［34］。水合物的形成将可能阻碍含甲烷流体的向上运移，因此，水合物并未在该地形突起的浅部发生富集［37］。AC21站位以强振幅反射的浅层砂体和紧邻BSRs之上的MTC为钻探目标（图5d）［34］。AC21-A和AC21-B在120 mbsf附近钻遇了粘土质沉积物中的目标砂体，最大厚度超过40 m，但水合物饱和度不高，约8%～28%［33］。JIPII航次3个站位中砂质储层中的水合物资源量估算为WR313站位5.1×109m3（180bcf）、GC955站位5.5×108m3（20 bcf）、AC21站位3.5×1010m3（1 200 bcf）［34，38］。因此，有利沉积体的识别（砂体、浊积水道及天然堤、MTC）以及水合物存在的地球物理证据（BSRs、强振幅反射同相轴）是确定这些站位最为直接的依据。

图5　（a）墨西哥湾JIPⅡ航次站位位置及沉积环境背景；（b）过WR313站位的地震剖面显示了强反射砂层的定向终止；（c）过GC955站位的地震剖面显示出迁移水道-天然堤对砂体的控制；（d）过AC21站位的地震剖面显示MTC和目标砂体的特征（修改自Boswell等，2012a；2012b［33，34］）Fig.5 （a） The locations of the JIP Leg II in Gulf of Mexico and the generalized depositional setting；（b） The seismic profile crossing Sites WR313 showing the sand terminations with high-amplitude reflectors；（c） The seismic profile crossing Site GC955 revealing migrating channels-levee system controlling the distribution of sands；（d） The seismic profile crossing Site AC21 showing the characters of MTC and target sands（after Boswell et al.，2012a；2012b［33，34］）

4　日本南海海槽

南海海槽位于日本岛西南方向，沿着菲律宾海板块和日本岛弧系的俯冲带从西南至东北延伸超过900 km。南海海槽已经开展的水合物勘探计划包括1999-2000年的“日本南海海槽计划”、2004年的“日本Tokai-oki至Kumano-nada计划”以及2012-2013年的“21世纪南海海槽水合物开采计划”（图6a）［39］。前两期研究计划的主要目标是了解南海海槽水合物的分布特征并估计其资源量。在此基础之上，第三期研究计划的主要目标在于水合物的勘探开发，在南海海槽中部海域设置了AT1站位，是世界上首个海域水合物开采测试井。

4.1南海海槽计划（1999～2000年）

以南海海槽广泛发育的BSRs为主要依据，1999年在南海海槽北部945 m水深处实施了钻井（称南海海槽钻井），其中包括1个主钻孔（Main hole，MH）、2个定位孔（Pilot hole，PH）和3个后期井（Post survey well，PSW）。这些钻井都设置在Ryuyo峡谷西侧的一个背斜构造之上（图6b），相距不超过100 m［12］。因此，在南海海槽第一阶段的研究中，水合物存在的地球物理证据（BSRs）是确定站位最重要的依据。

从PSW-1和PSW-3的取心结果来看，水合物实际产出带厚度达100 m，顶界则受到砂岩夹层的控制，显示出浊积砂体对水合物成藏和分布的控制作用［12］。浅部地层中，水合物仍分布在3套薄砂层中，总厚度为12～14 m，水合物饱和度约80%［40］。

图6　（a）日本南海海槽水合物钻探站位位置；（b）过MITI南海海槽井的地震剖面（修改自Tsuji等，2004；Noguchi等，2011［12，39］）Fig.6 （a） Locations of the gas hydrate drilling sites in the Naikai Trough，Japan；（b） The seismic profile crossing Sites MITI Nankai Trough Well（after Tsuji et al.，2004；Noguchi et al.，2011［12，39］）

4.2Tokai-oki至Kumano-nada计划（2004年）

南海海槽计划指示证实了水合物在浊积砂体中的存在，在此基础之上，研究人员重新审视了BSRs的分布特征，选取了Tokai-oki、Daini-Astumi knoll和Kumano-nada三个区域作为重点靶区。2004年，沿着南海海槽从南至北共设置了16个站位，其中4个站位进行了取心并钻获水合物［41］。在3个靶区中，具有良好横向连续性的BSRs是确定远景区的首要依据［42］，过β1井的地震剖面也显示出明显的BSRs特征（图7a）［39］。有些站位中尽管没有明显的BSRs，但水合物稳定带内存在的地震反射高速异常体也被当作站位选择的重要依据之一［42］。基于对区域地质背景和深水沉积过程的分析，这些高速异常体被解释为一系列的浊积水道砂体（图7b）［39］。因此，水合物存在的地球物理证据（BSRs、高速异常体）和有利沉积体的解释（浊积水道砂体）是这一阶段水合物钻探站位的主要选择依据。

钻探结果显示，水合物主要赋存于浊积水道砂体中，总厚度接近80 m，水合物饱和度超过55%。有部分水合物赋存于粉砂质沉积物之中，或以结核结壳-裂缝充填的形式赋存于粘土质沉积物之中。水合物垂向分布与BSRs没有必然的联系，一些有明显BSRs特征的站位未能钻获水合物。但水合物的聚集和分布与浊积水道砂体具有良好的空间匹配关系，这些浊积砂体也被称为“水合物富集带”，其地质储量占了整个南海海槽的一半［43］。

图7　（a）过β1井的地震剖面揭示了BSRs之上的高速异常体；（b）β1井附近浊积水道特征（修改自Noguchi等，2011［39］）Fig.7 （a） The seismic profile crossing Well β1 showing the high velocity anomaly body above BSRs；（b） The seismic reflectors of the gas hydrate-bearing turbidites channels near Well β1 in Naikai Trough（after Noguchi et al.，2011［39］）

5　韩国郁龙盆地

郁龙盆地是一个晚渐新世深水弧后盆地，北部以南韩海台为界，西部以朝鲜半岛为界，盆地内更新世以来的沉积充填由半远洋沉积和块体流沉积体所构成［44，45］。2007年和2010年在郁龙盆地开展了UBGH1和UBGH2两期水合物钻探计划（图8a）［13，14］，前者在于证实水合物在郁龙盆地的存在并初步探讨水合物和空白反射带的关系，后者的研究目标在于评价郁龙盆地的水合物资源潜力，并为水合物的开采测试选择站位［46］。

5.1UBGH1

多道地震剖面揭示的BSRs被认为是郁龙盆地可能存在水合物的重要证据之一，后来的重力活塞取样和钻探航次证实了这一推断［13］。UBGH1航次的钻探重点目标是海底柱状地震空白构造（columnar seismic blanking zone，又称“气烟囱”），通常具有明显的高速异常（图8b）［13，47］。这些气烟囱大部分终止于海底以下的沉积物中，少量刺穿海底形成冷泉并造成了沉积层变形或海底地形变化［48］，包括水合物帽（hydrate cap）、水合物丘（hydrate mound）等（图8c和图8d）［49］。因此，水合物存在的地球物理证据（BSRs、柱状地震空白构造）和含气流体运移的解释（气烟囱）是这一阶段水合物钻探站位的主要选择依据。

UBGH1选择了3个站位进行钻探取心，结果表明这3个站位中都有厚度不等的含水合物层，最厚可达130 m，是一套砂质和粘土沉积物的互层。水合物通常以2种形式产出：①裂缝充填或层状赋存于粘土骨架中，如UBGH1-09和UBGH1-10站位［50］；②以孔隙充填形式赋存于粉砂/砂质沉积物之中，如UBGH1-04［51］。

5.2UBGH2

在UBGH1的基础上，为了圈定水合物在郁龙盆地的详细分布范围、准确评估水合物资源量，韩国在2010年开展了第二阶段的水合物钻探，希望在郁龙盆地识别出适合试开采的含水合物砂质储集体［14］。因此UBGH2更加注重水合物油气系统思想在水合物站位选择中的运用，加强了对地震相的识别和沉积环境的解释［52］，特别是MTC分布范围的圈定［53，54］。站位主要布置在气烟囱和MTC发育的区域（图8e）［54］，其选择的依据包括：①水合物存在的地球物理证据（BSRs）；②含气流体运移的解释（气烟囱）；③有利沉积体的解释（MTC）［14］。

UBGH2共设置了13个站位，其中11个站位获取了直接或间接指示水合物存在的证据。水合物主要有以下3种赋存方式：①赋存于砂质沉积物中的孔隙充填型；②裂缝充填和结核结壳型，常位于近海底浅表层；③泥质沉积物中的浸染状充填型［46］。

图8　（a）韩国郁龙盆地水合物钻探站位位置；（b）柱状地震空白构造的地震反射及速度特征；（c）水合物帽及水合物丘的地震反射特征；（d）气烟囱-水合物帽-水合物丘的地质模式图；（e）地震剖面揭示了气烟囱和MTC的特征（修改自Ryu等，2009；2013；Kim等，2011；Chun等，2011；Riedel等，2013［13，14，47，49，54］）Fig.8 （a） Locations of the drilling sites of gas hydrate in Ulleung Basin；（b） The seismic features and velocity characters of columnar seismic blanking zone；（c） The seismic characteristics of hydrate cap and mound；（d） The generational geological model of gas chimney-hydrate cap-mound；（e） The seismic profile showing gas chimneys and MTC.（after Ryu et al.，2009；2013；Kim et al.，2011；Chun et al.，2011；Riedel et al.，2013［13，14，47，49，54］）

6　印度大陆边缘

印度的水合物研究先后经历了2006年的NGHP01航次和2013年的NGHP02航次，自西向东横跨印度半岛被动大陆边缘和安达曼汇聚大陆边缘。NGHP01航次共设置了21个站位（图9a），其中1个位于印度半岛西岸的Kerala-Konkan盆地，4个位于东岸的Mahanadi盆地，15个位于东岸的Krishna-Godavari（KG）盆地，还有一个位于安达曼 大陆边缘西侧的安达曼深海区域［55］。

BSRs是NGHP01航次中站位选择的最重要的依据（图9b和图9c）［16］，但BSRs的存在并不意味着水合物一定存在，如NGHP-01-02和03站位。作为流体通道的活动断层可能也是站位选择的依据之一［56］，不同延伸方向的断层在NGHP-01-10站位处形成一个“三角形”（图9d）［57］，含气流体的运移被认为是此处水合物聚集的关键因素。水合物主要以大小不一的结核结壳或透镜状产出，少量水合物颗粒直径小于1 cm，胶结于沉积物的裂缝中［57］。这一特征被用于预测新的水合物远景区（图9d和图9e）［57］，并推测水合物主要以裂缝充填型为主。基于地震数据的地震相识别和沉积环境的分析也是站位布置中考虑的重要因素之一，如NGHP-01-15站位被布置在水道东侧的天然堤之上［58］。钻探结果表明水道-天然堤复合体系中砂质沉积物的分布直接控制了水合物的产出，即水合物更趋于在泥质沉积物中的砂层中富集（图9f和图9g）。这个站位的设计不仅考虑了水合物稳定条件、气体来源和运移通道等因素，更重点分析了圈闭（砂层）和盖层（上覆泥质沉积物），是水合物油气系统在KG盆地的首次运用［58］。因此，在NGHP01航次中，水合物存在的地球物理证据（BSRs）、含气流体运移的解释（断层）、有利沉积体的解释（水道-天然堤系统）是站位选择的主要依据。

图9　（a）印度NGHP 01水合物钻探站位位置；（b）Mahanadi盆地BSRs特征；（c）Krishna-Godavari盆地BSRs特征；（d）海底地形特征展示了2组正断层的平面展布特征；e）NGHP-01-10站位处剖面及平面特征揭示了2组正断层对水合物聚集的影响；（f）地震剖面展示了水合物稳定带之内发育的浊积水道；（g）浊积水道与水合物演化的地质模式（修改自Collett等，2008；Sain and Gupta，2012；Riedel等，2010，2011［16，55，57，58］）Fig.9 （a） Locations of the drilling sites of gas hydrate in NGHP 01，India；（b） BSRs in Mahanadi Basin；c） BSRs in KG Basin；d） The seafloor topography showing the distributions of two sets of normal faults；（e） The cross-section view and planar view near the Site NGHP-01-10 revealing two sets of normal faults controlling the accumulation of gas hydrates；（f） The seismic profile showing the turbidite channels developing in the gas hydrate stability zone；（g） The geological models revealing the relations between turbidite channels and gas hydrate（after Collett et al.，2008；Sain and Gupta，2012；Riedel et al.，2010，2011［16，55，57，58］）

7　海域水合物钻探站位选择依据小结

通过对近年来国际海域水合物实际钻探结果的系统总结和分析（表1），可以发现存在以下特征：（1）BSRs是站位选择的重要依据之一，这个界面代表了含水合物层和下伏不含水合物层之间的声波反射界面，其存在将受到下伏游离气、卤水饱和的沉积物以及水合物沉积层的弹性模量等的影响。在一些国家层面的水合物研究计划中，BSRs的确定往往应用于水合物远景区域的确定，如1999-2000年的日本南海海槽计划、韩国郁龙盆地UBGH1水合物钻探计划中都是确定了BSRs的分布，并分别为下一阶段的水合物钻探计划提供了基础；（2）实际钻探的结果表明，仅仅依靠BSRs来进行站位选择不一定可靠，水合物的赋存与BSRs之间并非一一对应，如NGHP-01-02站位、UBGH2-08等站位，钻前预测均在地震剖面中可见BSRs，但实际钻探并未获取水合物的实物样品，而ODP164航次994站位处BSRs并不明显，却获取了水合物；（3）随着研究程度的不断细化，一些地震异常反射的精细刻画成为了水合物钻探站位选择的重要依据，它们在某种程度上具有和BSRs相同的水合物存在指示意义。如墨西哥湾KC151站位和WR313站位处地震反射强振幅的定向终止、墨西哥湾GC955站位处的地震反射强振幅、日本南海海槽β1井处水合物稳定带内存在的地震反射高速异常体等；（4）从墨西哥湾水合物联合工业计划开始，水合物油气系统的思想开始广泛应用，它既考虑了物理化学条件对水合物形成的影响，又考虑了实际的地质条件，通过单独评估每一个成藏的关键要素和因素的综合分析来降低地质勘探的不确定性和站位选择的准确性。

从水合物的实际产出和赋存来看，主要存在两大类型：赋存于海底浅表层的水合物（一般在海底之下100 m的范围之内）和赋存于海底之下中-深层的水合物（一般在海底之下100～400 m的范围之内）（表1）。钻后的分析显示，这两类水合物的形成、赋存和分布受不同因素的影响和控制：（1）海底浅表层的水合物往往与汇聚型流体的运移有直接的关联，流体的运移将在地震剖面和海底地形上形成典型的特征，如ODP164航次996站位处的底辟构造和海底麻坑、ODP204航次1250站位处的碳酸盐岩丘、墨西哥湾AT14区块的水合物丘、韩国郁龙盆地的气烟囱、水合物帽、水合物丘等；（2）海底之下中-深层的水合物，其形成与温压条件和气体来源有关，而其分布则主要受到含气流体运移和有利沉积体的控制，如ODP164航次997站位处近垂直的小型断层、ODP204航次1245站位处的强反射层、ODP204航次1251站位处的碎屑流沉积体、墨西哥湾KC151站位的断层和砂层、墨西哥湾WR313站位的砂层、墨西哥湾GC955站位的水道-天然堤、墨西哥湾AC21站位的富砂质MTC、日本南海海槽的浊积水道、韩国郁龙盆地的MTC、印度大陆边缘的断层和水道。对应于上述两种类型水合物的划分，不难发现，在实际的水合物站位选择中，应该将二者区分对待，不同类型水合物的站位选择主要依据也存在不同：海底浅表层水合物的主要依据为海水异常、含气流体运移通道、异常地形地貌、特殊生物记录等特征，其勘探可以依赖高分辨地震/浅剖地震、多波束、数字红外、海底摄像等资料；海底之下中-深层水合物的主要依据为地球物理异常反射特征、含气流体运移通道和有利沉积体，其勘探主要依赖高分辨地震资料，包括地球物理处理、运移通道解释、有利沉积体成因分析等。

表1　典型区域海域水合物钻探站位选择依据及水合物产出特征Table 1　The evidences for drill sites selection and occurrences of marine gas hydrates

UBGH2-01、06、09、10 BSRs、MTC 主要以高饱和度的裂隙充填型赋存于砂层中 UBGH2-04、08 BSRs、异常地震反射 未钻遇水合物 印度大陆边缘 NGHP-01-02、03 BSRs 未钻遇水合物 NGHP-01-10 BSRs、断层 主要以结核结壳或透镜状胶结于裂缝中 NGHP-01-15 BSRs、水道-天然堤沉积体 水合物更趋于在泥质沉积物中的砂层中富集

因此，认为对于已知的水合物潜力区，特别是范围有限的水合物靶区而言，水深、温度、气体来源等可能变化不会太大，表现出较为均一的特征；而深水沉积体的类型、成因机制、分布和演化，以及含气流体运移通道，则会表现出差异性，“天然气水合物运聚体系”这一概念就显得非常重要了［59，60］。也就是说，如果将水合物的形成、聚集和分布比喻为一个有机的整体，那么“运”和“聚”就构成了这个系统的“骨骼”和“血液”，它们将控制远景区内的水合物分布。将“水合物识别标志”、“有利沉积体展布”和“流体运移通道”三者有机地结合在一起，可以达到更准确预测和描述水合物矿体的目的，这是今后海域水合物钻探站位选择依据的主要发展方向。

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The Progresses and Revelations of Marine Gas Hydrate Explorations (I): Purposes and Selection Evidences of the Hydrate Drilling Sites

SU Ming1，2，KUANG Zeng-gui3，QIAO Shao-hua1，2，SHA Zhi-bin3，4，WEI Wei5，ZHANG Jin-hua5，SU Pi-bo3，YANG Rui1，2，WU Neng-you1，2，CONG Xiao-rong1，2
（1.Key Laboratory of Gas Hydrate，Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China 2.Guangzhou Center for Gas Hydrate Research，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；3.Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou 510760，China；4.Faculty of Earth Resources，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；5.Research Institute of Petroleum Exploration and Development-Langfang，Hebei Langfang 065007，China）

In order to better understanding the progresses of marine gas hydrate explorations，this study summarized the hydrate drill site objectives and drill site selections through some analyses on Blake Ridge，Hydrate Ridge，Gulf of Mexico，Nankai Trough，Ulleung Basin，and Indian continental margin.According to the actual occurrences，marine gas hydrates might be classified as two types，hydrates in the shallow layers near seafloor（generally within the range of 100 m below the seafloor），and hydrates in the relatively deep sediments（generally within the range of 100～400 m below the seafloor）.The main indicators for site selection of hydrates in the shallow layers are anomalies in seawater，migrations of gas-bearing fluids and specific seafloor topographic features.On the contrast，the main indicators for site selection of hydrates in the deep layers are geophysical anomalies，migrations of gas-bearing fluids and distributions of favorable sediments.Therefore，for the marine gas hydrates system，fluids migrations and potential reservoirs could be referred to as bones and bloods，which might control the distribution of marine gas hydrates in the promising prospecting areas.In combination of anomalies related to hydrates，migrations of gas/fluids and favorable deep-water sediments，the predictions would be more accurate，which could be suggested as the developing trend of site selections for marine gas hydrates.

gas hydrate；gas-bearing fluids migration；favorable deep-water sediments；site selections for marine gas hydrates

TK01；TE1；P736

A doi：10.3969/j.issn.2095-560X.2015.02.007

2095-560X（2015）02-0116-15

苏明（1983-），男，博士，副研究员，目前主要从事深水沉积体系及资源效应、海域天然气水合物成藏地质条件分析等方面的科研工作。

2015-01-14

2015-02-11

国家自然科学基金（41202080）；中国石油科技创新基金（2013D-5006-0105）；中国科学院重点部署项目（KGZD-EW-301）

吴能友，E-mail：wuny@ms.giec.ac.cn

吴能友（1965-），男，博士，研究员，目前主要从事海洋天然气水合物成藏机制和资源评价、海洋石油天然气资源评价等方面的科研工作。