琼东南盆地中央峡谷天然气水合物成藏模式

樊 奇， 李清平， 李丽霞， 吕 鑫， 朱振宇 ， 孙 涛

( 1. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028； 2. 天然气水合物国家重点实验室，北京 100028 )

0 引言

天然气水合物被誉为21世纪最重要的战略能源之一。目前，在全球大陆边缘和冻土带240处获得发现，在加拿大麦肯齐、美国阿拉斯加陆域冻土带、日本南海海槽和中国南海海域实现试采[1-2]。中国南海北部陆坡水深900～1 800 m海域为水合物主要赋存范围，琼东南盆地是天然气水合物发育和富集的重要沉积盆地，成为中国天然气水合物勘查开发先导示范区，但天然气水合物资源量和品质尚未落实[1-7]。

气源和成藏模式决定水合物储量丰度、品质，影响勘探部署方向。生物成因气长期被认为是水合物的主要气源，资源量能否满足开发标准存在争议。阿拉斯加、挪威、黑海等水合物钻探证实，热成因气对Ⅱ型高饱和度水合物成藏具有重要贡献[2,8-9]。2019年，在琼东南海域钻获裂隙型天然气水合物，样品重烃占比可达21%，证实南海发育热成因气型的Ⅱ型、H型水合物。根据神狐海域水合物勘查结果，构建渗漏型、扩散型、渗漏—扩散复合型天然气水合物成藏模式[1-8,10]。

琼东南盆地中央峡谷S17-2等千亿方级气田的探明，证实该盆地具备优越的生排烃能力，当有利构造与温度—压力稳定带相互配置时，成为水合物勘探的目标指向。基于地震资料解释、地球化学分析和石油地质新认识，笔者分析琼东南盆地中央峡谷天然气水合物成藏系统，预测天然气水合物成藏模式为热成因气型渗漏型、渗漏—砂体复合型和生物成因气型扩散型3种，为研究区天然气水合物资源勘探提供依据。

1 区域地质概况

琼东南盆地位于南海西北大陆架，北靠海南隆起，西接莺歌海盆地，南望永乐隆起，是一个NE向的伸展裂陷型盆地，面积约为8.3×104km2。琼东南盆地地质演化经历神狐运动、南海运动和东沙运动，纵向上，表现为“晚白垩世—晚渐新世多幕裂陷期、早中新世—中中新世热沉降期、晚中新世以来新构造期”3期分异特征[6-7]；平面上，受华南板块、印支板块、太平洋板块共同作用，发育大量NE、NEE向断裂，主体构造具有“南北分带、东西分区”的格局(见图1)。

琼东南盆地中央峡谷轴向水道西起莺歌海盆地，东接珠江口盆地，呈S型分布特征贯穿盆地，中央峡谷全长为450 km，轴向宽度约为46 km，包括乐东段、陵水段、松南—宝岛段、长昌段等[6-7]。S17-2气田位于中央峡谷陵水段。S1井在莺歌海组海底扇砂岩储层中获得高产气流，日产天然气为1.066×106m3，表明琼东南和神狐海域天然气潜力巨大[11-14]。琼东南盆地梅山组以上地层属于正常地温梯度(38.7 ℃/km)和正常压力系统，梅山组以下地层(含梅山组)为高温—高压系统。

图1 琼东南盆地中央峡谷构造位置Fig.1 Areal location of the Central Canyon of the Qiongdongnan Basin

2 气源条件及潜力

2.1 气体类型

甲烷碳同位素(δ13C1)是判断天然气成因类型的主要指标之一。选取琼东南海域和神狐海域浅表层沉积物和水合物烃类气测数据进行分析[9,15-16]。收集琼东南海域204个(全部)样品的烃类气体组分，以及12个高异常值样品的甲烷碳同位素数据；神狐海域12个(全部)样品的甲烷碳同位素数据及烃类气体湿度见表1-2[9,14-16]。

表1 琼东南—神狐海域水合物甲烷碳同位素数据

采用海洋沉积物烃类气体识别法，即气体湿度K和甲烷碳同位素协同判别法，分析天然气水合物气源成因。当K小于100时，指示热成因气；当K大于1 000时，指示生物成因气；当K介于100～1 000时，指示混合成因气。当δ13C1小于-60‰时，指示生物成因气；当δ13C1大于-50‰时，指示热成因气；当δ13C1介于-60‰～-50‰时，指示混合成因气(见图2)[9,15-16]。

琼东南海域204个样品的K介于6.27～90.01，平均为26.89，12个样品的δ13C1介于-33.65‰～-29.92‰，平均为-31.92‰，散点主体落入热成因气区。神狐海域12个样品的K介于639.00～1 991.00，平均为1 409.47，δ13C1介于-62.20‰～-44.10‰，平均为-56.91‰，散点落入生物成因和混合成因气区。神狐海域天然气水合物气源具有“混合成因气为主、生物成因气为辅”的特征；琼东南海域天然气水合物气源具有“热成因气为主、混合成因气为辅”的特征。

表2 琼东南—神狐海域天然气水合物烃类气体湿度

图2 琼东南—神狐海域天然气水合物气源判别图版Fig.2 Charts of source of natural gas hydrate in the Qiongdongnan Sea and Shenhu Sea

2.2 气源潜力

琼东南盆地生物气源岩主要为上新统莺歌海组—第四系的海相粉细砂岩和泥质粉砂岩，通常在埋深小于2.3 km的沉积地层中表现中等至较高的甲烷气测异常，甲烷碳同位素介于-87.00‰～-62.00‰，表现明显的生物气特征。该套生物气烃源岩的有机碳质量分数为0.28%～0.49%，总烃(HC)质量分数为55～300 μg/g，生烃潜量(S1+S2)为0.22～0.51 mg/g。预测琼东南盆地埋深小于2.3 km烃源岩的生物气资源量可达1.799 3×1015m3，具有较充足的生物气供给能力[9]。

根据邻区岩心分析，明确研究区热成因气。崖城组煤系烃源岩为中等—好，有机质类型为Ⅱ2—Ⅲ型干酪根，处于成熟—高成熟(Ro为1.6%～3.5%)生气阶段。S17-2气田黄流组天然气甲烷体积分数为89.5%～93.3%，干燥因数为0.92～0.94，δ13C1为-38.00‰～-37.00‰，δ13C2为-26.60‰～-23.40‰，崖城组煤系烃源岩具备规模供烃能力[9,11]。模拟陵水凹陷崖城组煤系烃源岩，预测热成因气供给资源量为2.973×109t。表明煤系烃源岩具备充足的供气能力。

2.3 主力烃源岩沉积环境

琼东南盆地崖城组煤系烃源岩具备“有机质丰度高(w(TOC)为0.6%～21.0%)、烃源岩生烃量大(3.896×1013m3)”，天然气“甲烷体积分数高、干气密度大”的特点，为主力烃源岩[12-13]。基于热成因气对天然气水合物的贡献，研究琼东南盆地崖城组煤系烃源岩的沉积环境。

始新世—渐新世转换期，陵水、松南、宝岛、长昌等凹陷由南北双控式地堑逐渐充填演化为“北超南断”式的箕状断陷[13]，古地形为凹陷边缘的古凸起陆源高等植物等有机质输入创造条件。陵水、松南、宝岛、长昌等凹陷在崖城组发生海侵过程演化形成陆表海，凹陷中部继承性发育大面积浅海沉积，陵水凹陷北东部、松南凹陷北部、宝岛和长昌凹陷南部发育宽缓的滨海沉积，在凹陷边缘和古凸起区发育海岸平原沼泽和扇三角洲含煤沉积(见图3)。相邻崖城凹陷钻揭同时期含蕨类化石的岩心，反映琼东南盆地凹陷区在这一时期处于有利于泥炭堆积的湿热古气候环境，适宜腐殖型有机质发生热降解过程。

图3 琼东南盆地崖城组沉积相展布Fig.3 Sedimentary facies map of Yacheng Formation in the Qiongdongnan Basin

3 运移输导体系及稳定带特征

断裂、气烟囱等渗漏构造和海底滑塌体等优质储层，构成深水天然气、水等流体的运移输导体系，控制流体通量、流通路径及水合物的形成和分布聚集。

3.1 断裂

根据中央峡谷地震资料解释，“通源连储”断裂对浅层天然气水合物分布具有区域控制作用。受南北向区域伸展应力场影响，渐新世研究区大规模发育NE—SW、E—W向断裂体系，断裂相互叠接延伸，直接连通崖城组煤系烃源岩和乐东组粉砂质水合物储层，是深层天然气等流体的垂向运移通道，为水合物形成和聚集提供有利条件(见图4)。

梅山组细粒沉积形成的超压使渐新统断裂开启活化，形成大量次生断裂和裂缝带，断裂与泥质粉砂质沉积构成运移输导通道，控制天然气、水等流体运移方向和水合物形成分布。在地震泵和超压流体驱动下，深部热成因气沿断裂向浅地层发生垂向运移，中—浅层生物成因气被断裂带捕获并发生侧向和垂向运移，在稳定带的有利构造中形成和聚集。这类断裂包括控凹、边界和多边形断裂。

图4 琼东南盆地中央峡谷“通源连储”断裂地震特征Fig.4 Seismic characteristics of faults linked to source and reservoir in Central Canyon, the Qiongdongnan Basin

3.2 气烟囱—泥底辟—麻坑

气烟囱—泥底辟—麻坑和断裂共同构成流体运移的高效输导通道，为寻找天然气水合物提供指示[8,16]。琼东南盆地新构造时期，中央峡谷异常地层流体压力常引发构造薄弱带塑性迁移，使气烟囱在研究区广泛发育，气烟囱上部常见BSR(似海底反射波)现象，表明气烟囱上覆地层为典型水合物富集带。气烟囱构造具有“低流体势、高流通性”的物性特征，流体沿优势通道快速运移，并在稳定带的合适位置聚集。在地震剖面上，气烟囱内部“含气陷阱”通常表现为同相轴下拉反射特征，游离气在气烟囱顶部的聚集引起气烟囱与围岩波阻抗的差异，表现为补丁状强振幅和同相轴增粗特征(见图5)。

图5 气烟囱地震反射特征和成因模式Fig.5 Seismic characteristics and genetic model of gas chimney

气烟囱、泥底辟、麻坑构造在成因上相互联系。底辟从发育初期的弱刺穿状演化形成直立状气烟囱(流体底辟)，进一步强刺穿围岩而形成泥底辟。当泥底辟封盖能力有限时，构造顶部和侧翼等薄弱带优先破裂，流体快速上移逃逸海底而形成麻坑，压力释放和减小后，气烟囱裂缝带闭合并形成麻坑遗迹[16-17]，由下至上组成气烟囱—泥底辟—麻坑运移输导体系。

3.3 海底滑塌体

海底滑塌体是弥散大量沉积物的高密度流体，可将沉积物从陆架坡折带搬运至深海盆地。海底滑塌体既是砂岩型水合物赋存的有利基础环境，也是天然气、水等流体侧向运移的通道。海底滑塌发生和水合物分解及二次生成有较高的相关关系[18-19]。在稳定带内部，海底滑塌体携带粗粒沉积而形成高饱和度水合物；当温度—压力条件变化时，水合物分解形成超压而触发下一次海底滑塌，形成多个滑脱块体，为流体侧向运移和水合物二次富集提供有利条件(见图6)。

琼东南海域中央峡谷海底滑塌体在乐东组较为发育，在气烟囱和泥质粉砂型水合物发育的大背景下，海底滑塌体富砂质储层成为高饱和度天然气水合物的接替选择。海底滑塌体与水合物分解及二次发育相关关系，反映开发富集水合物海底滑塌体可能破坏海底工程设施、影响海洋生态。

3.4 稳定带特征

稳定带是满足水合物形成的热力学范围和地层深度，包括海底温度、地温梯度、地层压力、盐度、水深、储层粒度和沉积速率等[1-7,16,18-22]。琼东南海域稳定带参数的基本特征为琼东南盆地梅山组以上地层处于正常温度—压力系统；盆地现今地温梯度为40.0～43.0 ℃/km，局部岩浆侵入区地温梯度为48.0 ℃/km，气烟囱区地温梯度为103.0 ℃/km；南海海水盐度相对稳定为3.35%～3.50%，表层海水盐度为3.40%；琼东南盆地水合物富集区水深大于1.5 km；水合物在粗粒沉积物中多呈结核状、块状沉积，在细粒沉积物中多呈分散状、脉状沉积，南海水合物储层为富泥质细粒沉积物。研究区具备发育和赋存天然气水合物的稳定带条件。

4 水合物成藏模式

基于琼东南盆地中央峡谷S17-2气田地质认识和天然气水合物研究现状[6-7,12-13]，预测研究区3种天然气水合物成藏模式为热成因气型渗漏型、渗漏—砂体复合型及生物成因气型扩散型水合物(见图7)。

4.1 渗漏型

热成因气型渗漏型水合物(断裂—气烟囱—泥底辟)是研究区主要的成藏模式。琼东南海域天然气水合物气源以热成因气为主，生排烃时期，崖城组煤系烃源岩热成因气通过“通源连储”断裂、气烟囱、裂缝带等开启渗漏构造，在地震泵和超压作用下发生长距离运移。在合适的温度—压力条件下，流体在渗漏构造顶部或侧翼优先充注聚集。渗漏构造的天然气流通量高且储层空间饱满，该类成藏模式可以形成高饱和度的块状、脉状水合物。

4.2 渗漏—砂体复合型

热成因气型渗漏—砂体复合型水合物是研究区次要的成藏模式。岩性油藏是成熟探区提高边际效益储量的主要油藏类型，砂质水合物不是琼东南海域水合物勘查的主要目标。研究区海底滑塌体携带粗粒沉积与渗漏构造构成渗漏构造—砂体复合型圈闭，崖城组煤系烃源岩热成因气沿断裂和气烟囱向浅地层垂向运移，在砂质沉积体中侧向运移聚集，该类成藏模式可以形成中—高饱和度的结核状、块状水合物。

图7 琼东南盆地中央峡谷天然气水合物成藏模式Fig.7 Reservoir forming model of natural gas hydrates in Central Canyon, the Qiongdongnan Basin

4.3 扩散型

生物成因气型扩散型水合物是研究区分布广泛、储量丰度较低的成藏模式。研究区埋深2.3 km以浅的上新统莺歌海组—第四系的海相粉细砂岩或泥质粉砂岩是生物气的主要烃源岩，细粒沉积内部的甜点区域形成自生自储类型天然气水合物矿藏。在生排烃阶段及适宜温度—压力环境下，天然气将运移至短距离海底滑塌体等粗粒沉积或粉砂质等有效储层而充注聚集，该类成藏模式可以形成脉状、片状、分散状天然气水合物。

5 结论

(1)琼东南盆地中央峡谷天然气水合物气源来自热成因气和混合成因气，热成因气主要来自崖城组煤系烃源岩，热成因气和生物成因气具备充足的供烃能力。

(2)琼东南盆地中央峡谷发育“通源连储”断裂、气烟囱—泥底辟—麻坑、海底滑塌体，构成流体的主要运移输导体系。在Ⅱ型水合物发现的背景下，水合物的形成分布受控于运移通道。

(3)研究区水合物主要的成藏模式为热成因气型渗漏型(断裂、气烟囱、泥底辟)水合物；次要的成藏模式为热成因气型渗漏—砂体复合型水合物；分布广、储量丰度低的成藏模式为生物成因气型扩散型。