海域天然气水合物与传统油气垂向共生关系——以断裂作为输导通道为例 ①

刘峻桥,杨博钦

(1.广东石油化工学院 石油工程学院；2.广东省非常规能源工程技术研究中心，广东 茂名 525000)

天然气水合物属于高效清洁的替代型能源，在自然界中储量巨大。随着海洋油气勘探的不断深入，天然气水合物区流体运移对水合物成藏控制作用的研究已经成为海洋油气资源勘探部署不可回避的工作。我国南海海域天然气水合物勘探实例揭示断裂作为重要的流体运移通道，对水合物与传统油气运聚成藏均具有重要作用。受控于断裂带复杂的内部结构，断裂在垂向输导流体过程中受盖层遮挡作用，会发生侧向分流作用形成传统油气藏[1]，而突破盖层的烃类流体运移至水合物稳定带形成水合物藏[2]。天然气水合物和传统油气资源成藏并不是完全孤立的，它们之间具有一定的共生关系。传统油气藏与天然气水合物藏存在纵向空间分布上的共生关系主要取决于烃类流体的垂向输导通道[3]，水合物藏和传统油气藏垂向共生已得到广泛证实(表1)。因此，有效分析水合物藏与传统油气资源垂向共生关系，对于提高断裂输导条件下天然气水合物成藏规律的认识、降低勘探风险和成本以及丰富油气地质理论均具有重要意义。

表1 世界各地天然气水合物藏与传统油藏分布情况

1 气源共生关系及烃类流体运移方式

1.1 气源共生关系

无论是天然气水合物，还是传统油气资源，其成藏均需要充足的油气源供给。研究结果显示，由于多数水合物稳定带中沉积物厚度较小且总有机碳含量较低，在水合物稳定带内部通过微生物作用形成的甲烷不足以形成厚的水合物层，因此，浅部的微生物成因气和深部热成因气共同作为水合物成藏的主要气源[14]。大量天然气水合物钻探结果均表明水合物中的气体组分为微生物成因或混合成因类型，如墨西哥湾、黑海以及挪威海等地区，但鄂霍次克海北部Derugin盆地、毛啃气普拉德霍湾以及中国的南海白云凹陷的钻探结果充分显示了深部热成因气在水合物聚集成藏过程中发挥了重要作用。具有热解气源的天然气水合物藏一般来源于深部成熟烃源岩或泄露的油气藏[12]。例如墨西哥湾西北陆坡Green Canyon 185区块内水合物中的气体与其深部Jolliet油气藏中所获取的样本基本一致，近期断层活动运移的气体大部分来自于Jolliet油气藏，充足的气源为水合物成藏提供了物质基础[4]。世界范围内地化分析证实天然气水合物甲烷成因类型既有生物气成因类型，也有热解成因气类型[2]，多重证据均表明天然气水合物与传统油气藏在来源与空间分布上存在耦合共生关系。

1.2 流体运移方式

受原位生成的微生物气不能满足水合物成藏的影响，流体运移是形成厚层水合物的重要途径。扩散和对流是气体运移的2种主要方式，扩散是指溶解于水中的烃类流体借助浓度梯度运移的方式，对流是指烃类流体借助于流体或以游离状态方式运移的机制。通常情况下，对流是一种高效能的运移方式，有利于聚集形成传统油气藏或水合物藏。

随着水合物勘探的不断推进，对天然气水合物成藏气源输导通道的研究也不断深入。Tréhu等[15]依据游离气的运移机制将天然气水合物成藏分为汇聚高通量型和分散低通量型2种模式：汇聚高通量型天然气水合物成藏模式，甲烷气体表现为高通量、高浓度的汇聚流运移特征，形成高饱和度的天然气水合物藏；分散低通量型天然气水合物藏缺乏高效能的输导通道，流体运移弥散，只能形成分散型低饱和度天然气水合物藏。断裂作为高效能运移通道存在且气体供应充足的情况下，流体很容易运移至浅表层[16]。

2 断裂输导通道

断裂、底辟构造、气烟囱以及高渗透层通常被认为是烃类流体运移的主要通道，而断层通常被视为聚集型流体运移最根本的通道[17]。断裂作为传统油气成藏主要的输导通道已经被包括我国的松辽盆地、渤海湾盆地以及塔里木盆地等富油气区广泛证实。并且在天然气水合物勘探研究中也已发现断裂作为高渗透性的通道对深部烃类流体向上运移形成水合物藏起到了至关重要的作用，很大程度上也决定了水合物的分布与规模(表2)。例如，广州海洋地质调查局在我国南海神狐海域于2007年和2015年先后进行了GMGS1和GMGS3天然气水合物钻探，两次钻探区均位于珠江口盆地白云凹陷，钻探显示该区域长期活动的大断层与BSR发育具有良好的匹配关系，具有高效能运移通道的GMGS3钻探区由于深部热成因气的贡献，其水合物规模和饱和度较缺乏高效能输导通道且以浅层生物气为主的GMGS1钻探区高[18]。

表2 世界上天然气水合物区流体运移通道情况

珠江口盆地东部海域天然气水合物成藏系统研究发现，该区域发育有大量的深大断裂，断裂下部由于受流体运移的影响，地震剖面上呈现出杂乱反射的特征，正是这些断裂组成的断裂带活动及其伴生微裂缝的发育，为深部流体向上运移提供了高效能的输导通道，而地震剖面上显示出来的“气烟囱”只是流体沿断裂带运移时的地球物理响应，断层上方形成的水合物丘和浅表地球物理异常是高通量流体沿断裂垂向运移的主要标志(图1)[27]。泥底辟作为含气流体输导通道，在其形成演化过程中，受构造应力和流体压力“交互式”作用，能够形成不同规模的断裂和裂缝系统，为深部含气流体向浅层运移提供输导通道(图2)[28]。众多研究均证实了断裂是深部热成因气体和下部生物气垂向运移至水合物稳定带的主要输导通道。此外，印度KG盆地NGHP-01-10站位并没有明显的BSR存在，该站位位于两套主要的共轭断裂交汇的三角形区域内，复杂的断裂系统为游离气从深部运移至水合物稳定带提供了高效的通道[23]。

图1 珠江口盆地东部海域断裂高效输导流体运聚系统 图2 底辟输导体系输导流体模式

3 深部油气藏、浅层油气藏与水合物共生模式

深部烃源岩热解形成的油气或浅部生物气在沿断裂垂向运移过程中，受到不同的储盖组合分布特征、圈闭保存条件以及温压等地质条件的影响，通常会在深水区形成深部油气藏、浅部形成浅层油气藏以及深水海底超浅层形成水合物藏。结合深部油气藏、浅层油气层以及天然气水合物藏成因及沿断裂分布特征，可以将三者垂向共生模式划分为7种类型(图3)。

图3 断裂控制下天然气水合物与传统油气共生关系模式

(1)深部油气藏孤立成藏模式。深部烃源岩生成的油气沿断裂向上运移，在深部封闭能力较强的盖层遮挡作用下，在合适的圈闭内形成的构造或岩性油气藏。由于盖层的封盖作用，仅在深部形成油气藏，因此为深部油气藏孤立成藏模式(图3a)。(2)浅层油气藏孤立成藏模式。浅层油气藏油气来源有3种：①烃源岩生成的油气沿断裂垂向输导至浅层聚集成藏；②深部油气藏垂向调整至浅层聚集成藏；③浅层有机质生物化学作用形成的生物气藏。在深部油气藏未形成或全部向上调整逸散，且在浅层保存条件良好情况下，可形成浅层油气藏孤立成藏模式(图3b)。(3)天然气水合物孤立成藏模式。天然气水合物形成的气源主要来自浅层生物气和深部热解气，此模式主要有3种情况：①浅层生物气沿断裂运移至水合物稳定带形成水合物藏；②深部热成因气沿断裂向上运移至水合物稳定带形成孤立的天然气水合物藏；③深部热解气与生物成因气均沿断裂输导至水合物稳定带形成水合物藏。受输导通道发育特征或深、浅层油气保存条件影响，该模式仅发育天然气水合物藏(图3c)。(4)深部油气藏与水合物藏共生模式。该模式存在3种情况：①烃源岩生成的油气被深层适当圈闭捕获形成深部油气藏，同时，部分油气沿断裂继续向上运移至水合物稳定带形成水合物藏；②烃源岩生成的油气沿断裂垂向运移至合适圈闭内形成深部油气藏，同时，浅层生物气沿断裂向上运移形成水合物藏；③烃源岩生成的油气运移形成深部油气藏，部分油气突破盖层继续向上运移与浅层生物气共同形成水合物藏(图3d)。由于天然气水合物达到一定浓度条件时本身就是良好的盖层，在高通量运移条件下，水合物藏之下通常发育浅层气藏。因此，形成水合物藏但浅层未见游离气藏一般代表没有高通量流体供给。(5)深部油气藏与浅层油气藏共生模式。此种模式下，浅层油气藏气源来自深部烃源岩、浅层生物气或二者共同供给，而深部油气藏主要来自深部烃源岩(图3e)。导致超浅层未形成水合物藏的原因可能是：浅部存在良好的盖层封堵或水合物稳定带内不具备相应的温压等成藏条件。(6)浅层油气藏与水合物藏共生模式。深部烃源岩生成的油气直接运移至浅层形成浅层油气藏以及超浅层的水合物藏；浅层生物气沿断裂运移同时形成水合物藏与浅层油气藏(图3f)；早期形成浅层油气藏，后期断裂再活动调整部分油气运移至水合物稳定带形成水合物藏。(7)深部油气藏、浅层油气藏与水合物藏共生模式。深部烃源岩生成的油气沿断裂垂向运移过程中，在深部及浅层侧向分流至相应的圈闭内聚集成藏，突破盖层持续运移至水合物稳定带形成水合物藏。此外，浅层生物气可以与深部油气共同为浅部油气藏和水合物藏提供来源(图3g)。深部油气藏形成后遭受破坏，可以作为浅层油气藏及水合物藏的来源，浅层油气藏也可以作为水合物藏的来源。

4 结论

(1)传统油气藏与天然气水合物藏在烃源供给上具有成因联系，输导断裂是深部热成因气体和浅层生物气垂向运移至水合物稳定带的主要输导通道，深部油气藏可为浅层油气藏及水合物藏提供烃源条件，浅层油气藏也可为水合物藏提供烃源条件，水合物又可以作为盖层为浅层油气层提供遮挡作用。(2)深部油气藏、浅层油气藏及天然气水合物藏在纵向上沿断裂具有一定的共生组合关系，按照三者垂向分布关系可以划分为深部油气藏孤立成藏模式、浅层油气藏孤立成藏模式等7种共生模式。