基于运移输导体系的天然气水合物成藏类型——以琼东南盆地H区为例

樊 奇，李清平，吴 涛，李丽霞，庞维新，朱振宇

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；3.中海石油(中国)有限公司 海南分公司，海口 570100

天然气水合物是一种自然存在的、由水与天然气分子在低温—高压环境下形成的冰状笼型复合物，广泛分布于深水大陆边缘和陆上冻土带。作为最具潜力的战略型清洁能源，天然气水合物日益受到各国关注，目前已在加拿大麦肯齐、美国阿拉斯加北坡、日本南海海槽和中国南海成功试采。经历二十余年的发展，我国已在天然气水合物勘查技术、成藏机理及基础物性研究领域达到或接近国际先进水平，但是整体勘查程度较低，缺少独立自主的天然气水合物资源评估体系是今后一段时间面临的主要难题[1-5]。

中国海油自1995年攻关锦州9-3油田管道水合物堵塞防控，至今相继建成了深水流动安全保障、成藏地质理论及勘探技术、基础物性及开采模拟系统、水合物灾害防治等特色技术体系，并于2019年首次在南海琼东南海域1 750 m水深海域，依托自主勘探和钻测井技术、自主取心及测试装备，实现了天然气水合物钻测井和取心分析作业(图1)，并以“深水天然气水合物和油气勘探开发一体化”为目标持续研究。

图1 中国海油在琼东南海域钻获的天然气水合物保温保压岩心

琼东南盆地是南海北部重要的天然气水合物富集区和勘查开发热点，盆地中央峡谷LS17-2等多个千亿立方米级气田的发现证实了烃源供给充足，当与运移输导体系良好配置时，可成为规模水合物的有利勘探指向。研究选取琼东南H区，通过气体地球化学资料和三维地震资料解释及大量调研，以天然气水合物成藏系统为主线、运移输导体系为关注点，预测了“富含热成因气的气烟囱型水合物”等3类成藏类型。该研究可为“琼东南海域天然气水合物试采工程”提供技术参考。

1 研究区概况

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，南为永乐隆起，盆地面积8.3×104km2，是一个NE向伸展的裂陷型沉积盆地；盆内发育大量NE、NEE向断裂，具有“南北分带、东西分区”的构造格局，含5个一级构造单元。其中，盆地深水区面积5.3×104km2，包括乐东凹陷、陵水凹陷、松南凹陷、北礁凹陷、宝岛凹陷和长昌凹陷[6](图2)。琼东南盆地先后经历神狐运动、南海运动和东沙运动，使地层表现为“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”三期分异的构造沉积特征。

图2 琼东南盆地区域构造位置及地层柱状图

H区位于琼东南盆地中央峡谷水深1 650～1 750 m海域，陵水凹陷与松南低凸结合部位。三维地震资料和岩矿分析表明，H区第四纪的沉积物源主要来自昆嵩地块和红河及海南隆起，H区探井在新近系莺歌海组海底扇砂岩储层获得高产气流，日产气达110×104m3，证实H区具有广阔的资源前景[6-7]。井场调查表明，H区海底麻坑较发育，麻坑周围分布壳类生物碎片；中新统梅山组及以上地层处于正常地温梯度(38.7 ℃/km)和正常压力系统，气烟囱区的地温梯度显著高(113 ℃/km)。

2 气源类型及特征

气源是天然气水合物成藏的物质基础[8]。2015年，自然资源部对神狐海域W19井岩心分析获得气体摩尔比(C1∶C2∶C3)为0.993 0∶0.004 6∶0.002 2，首次发现南海赋存热成因气型的Ⅱ型水合物[9]。2018年，琼东南H海域W08井、W09井在含水合物地层测得了较高含量的乙烷(17%，W09井)、丙烷(10%，W08井)等重烃组分，确认了琼东南海域赋存Ⅱ型天然气水合物，证实了其资源勘探潜力[1,10]。

研究收集到琼东南H区及全盆大洋钻探、最新水合物井、油气井气测数据和神狐海域水合物井的气测数据，并进行对比分析。累计获得琼东南海域气体数据34组，神狐海域样品14组(全部样品的烃类气体组分及同位素测试)开展研究(表1)。

表1 琼东南盆地和神狐海域天然气水合物中甲烷碳同位素及气体湿度值

研究采用海洋沉积物烃类气体识别方案进行分析[1-2,10]，通过气体湿度值K[K=C1/(C2+C3)]和甲烷碳同位素(δ13C1)协同判别。当K<100指示热解成因，K>1 000指示生物成因，K介于100～1 000指示混合成因；δ13C1(VPDB)<-60‰指示生物成因，δ13C1(VPDB)>-50‰指示热成因，δ13C1(VPDB)介于-60‰～-50‰指示混合成因。

结果显示，琼东南H区 34个样品的气体湿度值为0.93～69，均值26.40。其中浅表层沉积物、水合物分解天然气的湿度值K为5～69，均值为29.79，显著高于油气井的湿度值(K=0.937 5)；对应样品的甲烷碳同位素δ13C1(VPDB)为-58.9‰～-29.92‰，均值-35.53‰。浅表层沉积物、水合物分解甲烷的碳同位素与常规天然气的甲烷同位素较接近，基本排除分馏作用影响，可以确认H区天然气水合物气源组成具有“热成因气为主、含混合成因气”的特征。

对比分析神狐海域14组数据，气体湿度值K为84～2447，均值989.6，对应甲烷的碳同位素为-71.2‰～-46.46‰，均值-53.48‰，其气源表现出“混合成因气为主、含生物成因气”特征。

综上认为，琼东南H区天然气水合物具有“热成因气为主、含混合成因气”的特征，与神狐海域天然气水合物气源存在差异[13]。这一结果展示了Ⅱ型水合物与深部气源的联系，指示了运移输导通道对深部热成因气的控制作用。

3 运移输导体系

运移输导体系直接控制了流体通量和水合物分布位置，尤其在深水富气凹陷更显示了运移输导体系的控制地位。对H区地震解释发现，气烟囱构造带、多边形断裂—粉砂复合体、海底滑塌扇构成了研究区主要的运移输导体系。

3.1 气烟囱构造带

“气烟囱”是天然气等流体发生垂向运移在地震剖面上表现的含气异常现象，是气藏超压、构造低应力部位和泥页岩封隔层3种因素综合作用的结果，这类构造是琼东南海域天然气水合物赋存的主要构造。墨西哥湾、布莱克海台、神狐海域等多地的天然气水合物调查发现，断裂、气烟囱、麻坑群具备最高输导效能，气烟囱的直径等形态特征指示了气烟囱的构造演化阶段，反映了流体通量和运移路径[14-15]。

H区气烟囱构造数量多且集中，多个气烟囱在NEE走向组成气烟囱群。这些气烟囱的顶部宽缓，核部呈椭球状，根部收窄，单个气烟囱平面展布范围3～7 km，总体呈直立圆柱状分布在隆起和断裂之上。从输导效率看，H区气烟囱更类似于异常超压流体上涌形成的微裂缝带，是流体的运移通道和储集空间。地震剖面显示，充满流体的气烟囱与围岩差异表现为(视高频)声学空白带，特别是气烟囱顶部赋存的游离气，常表现为分散的“补丁状强振幅”和“同相轴增粗”现象；而在气烟囱核部表现为“同相轴下拉、杂乱空白反射”特征，且游离气含量越大同相轴下拉幅度越明显；在气烟囱根部表现为中—高频反射。H区气烟囱群顶部游离气表现为“多套外部楔状充填、内部强振幅”的反射特征，其上覆地层可能是水合物赋存的有利条带(图3)。

图3 琼东南盆地H区气烟囱构造地震反射特征

3.2 多边形断裂—粉砂复合体

地震解释发现，H区第四纪构造活动弱，直接连通烃源岩和储层的断裂少，但研究区发育的多边形断裂和粉砂质储层构成的“多边形断裂—粉砂复合体”可成为优势运移通道。

图4 琼东南盆地H区多边形断裂地震反射特征

3.3 海底滑塌扇

海底滑塌扇是弥散有大量沉积物的高密度流体，可形成优质粗粒储集空间，是块体搬运体系之一[1,16]。在适宜温—压环境下，海底滑塌扇可成为高饱和度水合物发育有利储层；而在温—压条件变化时，水合物分解释放的超压会触发下一次滑塌并形成多个滑脱体，为流体横向运移和水合物二次发育提供便捷条件。

地震解释发现，海底滑塌扇主要发育在H区气烟囱群的东南部凹陷带(图5)。第一类海底滑塌扇以扇状、楔状充填在气烟囱两侧的河道和凹陷，地震剖面可识别出多期滑塌扇体横向叠加，单个扇体内部表现为“断续、弱振幅、中—高频”反射特征。这类滑塌扇形成于崖城组等沉积时期，扇体携带了大量陆源碎屑，为有机质的聚集和热演化提供了物质基础。第二类海底滑塌扇以席状、楔状的形态覆盖在气烟囱的顶部，同样可识别出2至3期垂向叠加的海底滑塌扇，单个扇体内部为S形前积、断续杂乱反射，少见同相轴被断裂错动。在气烟囱上覆地层同相轴常见连片加粗现象，这可能因游离气运移至稳定带内的海底滑塌扇，并发育为水合物所表现的BSR、双BSR条带反射。

图5 琼东南盆地H区海底滑塌扇地震反射特征

初步估算南海西沙海槽北部、神狐东北部、东沙东北部的滑塌扇面积约7 660 km2[3]。琼东南海域的海底滑塌扇比神狐海域更加发育，在气烟囱型水合物数量有限的背景下，海底滑塌扇等粗粒沉积可成为有利目标。但应注意，海底滑坡常会引起BSR解释陷阱，也是破坏海底工程设施的主要灾害[16]。

4 稳定带基本特征

天然气水合物稳定带是指满足天然气水合物形成的热力学稳定范围和地层深度，包括温度、盐度、水深、地温梯度、地层压力(孔隙流体压力)、储层粒度和沉积速率等[17]。计算稳定带分布范围是圈定成矿区、评价水合物资源潜力的重要内容[1-2,10,17-20]。

由于缺少井场数据，调研了H海域的稳定带参数(图6)。(1)琼东南盆地整体具有高压—高温特征(热流值均值为78 mW/m2)，陵水凹陷热流值为60～75 mW/m2，局部超85 mW/m2，受岩浆活动影响明显。(2)琼东南盆地现今地温梯度为40～43 ℃/km，局部岩浆侵入区为48 ℃/km；陵水凹陷中南部地温梯度为30～35 ℃/km，1 km以深海水温度为4 ℃。(3)南海海水盐度为3.35%～3.50%，平均盐度3.40%。(4)陵水凹陷水深普遍超1 600m，水合物稳定带厚度适中。综上认为，琼东南H海域深水区基本适宜水合物的发育和赋存。

图6 琼东南盆地地温梯度和海底热流值平面分布

5 水合物成藏类型

基于琼东南盆地H区天然气水合物“以热成因气为主、含混合成因气的气源特征，以气烟囱、多边形断裂—粉砂复合体、海底滑塌扇为运移输导体系”的特点[7,12,17]，预测了研究区3类水合物成藏类型，即富含热成因气的气烟囱型水合物、富含热成因气的多边形断裂—粉砂复合型水合物和富含热成因气—混合成因气的海底滑塌扇水合物(图7)。

图7 琼东南盆地H区天然气水合物成藏模式

(1)富含热成因气的气烟囱型水合物是研究区最主要的水合物成藏类型。气井、水合物岩心、浅表层取样表明，热成因气是研究区主要的浅层天然气类型；地震解释认为，气烟囱是流体的优势运移通道。在生—排烃阶段，崖城组煤系地层热解气在地震泵和流体超压驱动下，可通过根部断裂、气烟囱等开启性构造，由深部向浅部发生长距离垂向运移；天然气可在气烟囱构造顶部充注大量游离气，并在稳定带内的构造顶部、侧翼及上覆地层聚集成藏。气烟囱构造所具备的高流通量和连通饱满的裂缝储层空间，为高饱和度的块状、脉状水合物提供了良好发育条件。

(2)富含热成因气的多边形断裂—粉砂复合型水合物是次要成藏类型。在相同地层条件下，多边形断裂具有“层内集中发育、区域连片分布、改善细粒储层”的良好特点，可为天然气水合物局部连片规模发育创造有利条件。H区黄流组发育的多边形断裂带是仅次于气烟囱的运移输导通道和优质储层，为崖城组热成因气的垂向快速运移、外源生物成因气的侧向运移提供了便利条件。这种运聚背景下，发育多边形断裂的裂缝型粉砂储层可成为天然气水合物的富集区带之一，为区域性中—高饱和度水合物勘查指出了新方向，在今后研究中应当加大关注。

(3)含热成因气和混合成因气的海底滑塌扇水合物是分布稍广泛、BSR易识别的一类水合物成藏类型。H海域凹陷带的海底滑塌扇较发育，这使得重力流携带的粗粒沉积可能成为深水区孔隙空间发育、渗透性能优良的运移通道和潜力储层，可以优先捕获近距离的混合成因气，并在适宜温—压环境下形成中—高饱和度且连续性较好的结核状、填隙状水合物。此类水合物是日本南海海槽、韩国郁陵盆地等水合物试采作业的重点关注目标[21-22]，也是琼东南海域今后值得期待的富砂质水合物的重要类型。

6 结论

(1)大量地球化学数据分析表明，琼东南海域H区天然气水合物的气源具有“热成因气为主、含混合成因气”的特征。这一认识确认了Ⅱ型水合物与深部油气的紧密联系，指示了运移输导体系对流体运聚和水合物分布的重要影响。

(2)H区地震资料解释发现，研究区第四纪构造活动弱，气烟囱构造、多边形断裂—粉砂复合体、海底滑塌扇构成了该区主要的运移输导体系，尤其是气烟囱构造等优势通道的构造顶部及上覆地层在有利环境下可成为勘探目标选择。

(3)基于研究区天然气水合物“以热成因气为主，含混合成因气的气源特点，以气烟囱构造、多边形断裂—粉砂复合体、海底滑塌扇为运移输导体系”的认识，预测了“富含热成因气的气烟囱型水合物、富含热成因气的多边形断裂—粉砂复合型水合物、富含热成因气和混合成因气的海底滑塌扇水合物”成藏类型。