孟加拉湾东北部上新统深水生物气成藏系统

2022-08-12鲁银涛范国章冉伟民栾锡武邵大力马宏霞许小勇王红平刘忻蕾

天然气工业 2022年7期

鲁银涛范国章冉伟民栾锡武邵大力马宏霞许小勇王红平徐宁刘忻蕾杨芸

1.中国石油杭州地质研究院 2.中国地质调查局青岛海洋地质研究所 3.山东科技大学地球科学与工程学院 4.中国石油海外勘探开发公司 5.华北科技学院 6.自然资源部第二海洋研究所

0 引言

孟加拉扇作为世界上规模最大、沉积最厚的海底扇[1-3]，虽然拥有巨大的油气资源，但目前油气勘探开发尚处于起步阶段。2012—2016年，缅甸和印度分别在孟加拉湾东部和西部获得了天然气发现[4-5]。近年来，随着油气勘探工作量和资金投入的成倍增加，不断有新的油气发现，进一步表明该区具有非常广阔的油气勘探开发前景[6-8]。

2018年，中国石油在孟加拉湾东北部上新统深水沉积系统内钻探获生物气藏发现[9-10]，改变了气源来自深部热成因气的认识[11-14]，进而明确了以年轻地层中深水沉积生物气藏为主要勘探目标的思路，打开了孟加拉湾东北部生物成因非常规油气勘探的新局面。该区的深水沉积生物气藏与邻区发现的Shwe气田相同，具有浅层低成熟烃源岩供烃、近距离成藏的特点[9,15-17]，且往往发育在浅部年轻地层，工程上较容易钻探和开发[18]。多年的勘探也证实，孟加拉湾东北部油气系统的复杂性和多层系分布特征，特别是深水沉积体系内的生物气富集规律仍不明确，需要深入研究。

1 地质背景

孟加拉湾位于印度洋东北部，被西部的印度大陆、东部的缅甸—安达曼群岛—苏门达腊岛、北部的孟加拉国所围绕，构造位置上位于南亚大陆与中南半岛之间（图1）。其西侧为被动大陆边缘型盆地群（包括马哈纳迪、克里希那—戈达瓦里和高韦里盆地），东侧为B型主动大陆边缘盆地群（包括若开、缅甸中央、马达班湾、安达曼盆地），北部为残留洋盆地（孟加拉盆地）[5-6,11,19]。

图1 研究区位置及孟加拉湾东北部地层综合柱状图

孟加拉湾东北部沉积盆地的形成演化和沉积地层的发育与印度板块向缅甸板块倾斜俯冲以及增生楔不断向西迁移密切相关，发育厚层新生界海相—深水沉积体系[1-3]。古新世，印度板块东北缘向缅甸板块俯冲，孟加拉湾东北部处于开阔海位置，主要沉积了深海—半深海泥页岩；早始新世末期，印度板块与欧亚板块碰撞形成增生楔，沉积了厚层泥页岩，夹杂薄层砂岩；中始新世—早中新世，随着增生楔的不断隆升，沉降中心及沉积中心向西迁移；新近纪，受东部及北部物源影响，发育滨浅海三角洲—深水沉积体系，主要沉积了粉—细砂岩和泥页岩；第四纪以来，发育浅海—深水沉积体系，以砂泥岩薄互层沉积为主[4,11-13,20-25]（图1）。

2 数据与方法

中国石油于2012年采集了三维海洋地震数据（图2），拖缆长度6 600 m，道间距12.5 m，炮间距50 m，三维地震数据面积约2 000 km2，覆盖了有利目标区。经过长期油气地质条件研究，于2014—2018年间进行了钻探（图3），其中钻井2获得了重要的生物气藏发现，基于新钻井资料和新发现，开展了新一轮的油气地质综合评价。

图2 研究区三维地震测网及钻井位置图

针对烃源岩，将钻井获取的泥岩样品在中国石油杭州地质研究院实验中心利用碳硫分析仪LECO CS-230、岩石热解仪OGE-V等仪器进行了实验分析，获取了总有机碳含量（TOC）、最高热解温度（Tmax）、烃指数（HI）等烃源岩关键参数，并与收集的大洋钻探计划ODP-116航次（1987年7月）717和718站位（位置见图1）获取的TOC值进行了对比；针对储层，在获取的岩石样品进行标定的基础上，利用测井数据进行了储层段孔隙度、渗透率等储层物性参数的计算。根据获取的关键烃源岩、储层参数，结合地震资料重新开展了地震属性分析和解释，将井上的信息扩展至全研究区，进一步分析了深水沉积体系生物气成藏的潜力。

3 上新统深水沉积发育特征

新生代以来，对孟加拉湾乃至整个东南亚构造格局和沉积过程影响最大的构造事件为发生于中新世的硬碰撞（陆壳与陆壳碰撞）[2,26-29]。该构造过程使得喜马拉雅山强烈隆升，中新世晚期开始，喜马拉雅构造域为孟加拉扇沉积提供了丰富的陆源物质，大量的陆源碎屑经恒河—布拉马普特拉河以很高的速率在孟加拉湾快速堆积，上新统—海底沉积速率可达90 cm/ka，即使在深水区，沉积速率也达30 cm/ka（图3）。在高沉积速率控制下，不仅形成了世界上最大的深水扇，也为生物气的生成与保存创造了有利条件。

孟加拉深水扇自中新世开始发育大型深水沉积体系，以水道—天然堤复合体、朵叶体、块体等搬运沉积为主。上新世，自陆架到盆底，发育深水峡谷—水道—朵叶体深水沉积结构样式，主要的沉积结构单元包括5类，分别为峡谷、水道及水道复合体、天然堤—漫溢沉积、朵叶体以及块体搬运沉积（MTD）[20-25,30]（图4）。

图4 孟加拉深水扇上新世深水沉积体系发育模式图

峡谷主要发育于陆架区，以侵蚀作用为主，切割陆架沉积形成一系列的负地形，并充填滞留沉积及后期泥岩披覆沉积；水道及水道复合体主要发育于陆坡区，研究区水道及水道复合体弯曲度均较大，以沉积作用为主，同时天然堤—漫溢沉积普遍发育；朵叶体主要发育在下陆坡及盆底；块体搬运沉积在研究区内广泛发育，在深水沉积结构单元内、结构单元间均发育块体搬运沉积[10]。孟加拉扇沉积体系整体以细粒沉积为主，但在这些沉积结构单元中，水道、朵叶体结构单元在一些重力流事件中沉积相对厚层砂岩，与背景沉积的厚层泥岩垂向叠置，呈“泥包砂”的特征，纵向形成良好的生—储—盖组合。

4 上新统生物气成藏系统

4.1 烃源岩条件

孟加拉湾深水区目前发现的生物气藏与热成因气藏具有明显差异[3,5,9-10,31]。Shwe、Shwe Phyu和Mya等气藏的气样分析结果表明（图5），天然气组分甲烷含量大于97%，为干气，且甲烷碳同位素值很低，δ13C1值介于-60‰～-70‰，为典型的生物气特征[9-10]。生物气的生成依靠甲烷菌活动，所需要的陆源有机质形成的烃源岩母质主要为半腐殖型和草本腐殖型有机质[16, 32-33]。

图5 过研究区连井地质剖面图及生物气藏位置图

上新世大规模发育的深水沉积体系将富陆源有机质沉积物搬运至深水区，造成生物气烃源岩母质规模聚集，为生物气烃源岩在深水区的发育起到了关键作用。深水沉积体系输送陆源有机质的实例已被发现[34-39]，不仅在深水沉积体系的泥岩中有机质含量较高，而且在浊积砂岩中，局部层段植物化石碎片的TOC可高达50%，为烃类的生成提供了有利条件[40-43]。在研究区，中新世末到上新世，有机碳含量（TOC）从0.2%～0.5%显著上升到1.0%～2.2%（图6），主要原因是随着喜马拉雅山隆升，东南亚气候发生变化，物源区的植物由森林向草原转变[40,42-44]，甲烷菌赖以生存的草本植物有机质繁盛。期间也是深水重力流大规模发育时期，深水重力流体系将源自喜马拉雅山南麓恒河—布拉马普拉特三角洲的富有机质沉积物搬运至研究区，为生物气的大量形成奠定了物质基础[45-48]。

图6 研究区和邻区岩石样品TOC分布图

另外，合适的温度窗口控制着甲烷菌的生存，即控制了生物气发育的层位和深度。甲烷菌存活的温度环境介于0～80 ℃，主生气带温度介于25～65 ℃[32]，若开海域的平均地温梯度大约为2.0～2.5 ℃/100 m，陆架区地温梯度较高，最高约为2.9 ℃/100 m[44]。如此低的地温梯度导致生物甲烷生成的极限埋深深度可达3 000 m。Shwe气田埋深约为2 750～3 200 m，也证实该地区低地温梯度扩展了生物气生成及成藏的深度范围，这个深度基本覆盖了整个上新统。所以，深水重力流体系所搬运的富有机质沉积物处于合适的生物气形成的温度窗口，具有较大生物气形成潜力（图5）。

4.2 储集层条件

上新统深水沉积砂岩为生物气成藏提供了良好的储集条件[45]，已发现的生物气藏储层类型均为深水浊积砂岩，储层物性好，孔隙度介于20%～30%，渗透率为几十至几百毫达西。同时，深水浊积砂岩上覆厚层海相泥岩，形成了优质的储盖组合[12]。

深水水道复合体和朵叶体沉积结构单元是研究区优质砂岩发育部位，水道复合体砂岩厚度大，砂地比高，泥质含量低，在地震剖面上往往表现为中低频、强振幅的透镜状反射体[20-21]。在水道复合体上游，往往较顺直；过渡至下游，水道弯曲度增加（图7），沉积砂岩厚度降低，砂地比降低，泥质含量也随之增加，在地震剖面上表现为中频、中强振幅连续反射特征（图8）。朵叶体沉积环境为非限制型开放环境，往往单期砂岩厚度较薄，泥质含量较高，沉积物粒度较细。但是，朵叶体位于沉积体系末端，多期叠置发育，且面积较大，形成大规模朵叶体复合体，在地震剖面上表现为横向连续的高频、中强振幅席状反射体（图8），也是油气储层重要发育部位。

图7 地震属性图及沉积模式解释成果图

图8 上新统典型沉积结构单元地震剖面及解释成果图

除了水道复合体和朵叶体外，近年的油气发现表明越岸沉积也能作为生物气的有效储集层。这些越岸沉积包括天然堤沉积、决口扇砂体等。虽然这些结构单元的沉积物粒度一般较细，但其中的粉砂、细砂岩段多期叠置，也能形成生物气有效储层。由于上新统压实程度低、成岩作用弱，所以原生孔隙发育。上新统深水沉积砂岩普遍具有中高孔—中高渗的特点，是生物气成藏的有利储层。深水沉积砂岩孔隙度和渗透率整体均较高，其中不同沉积结构单元具有不同的储层物性，水道复合体与孤立水道砂岩储层物性最好；朵叶体砂岩储层物性次之，孔隙度较高，但由于泥质含量相对较高，所以渗透率略低；以细粒沉积为主的天然堤，沉积的粉细砂岩储层物性也较好[22]。

4.3 成藏模式

如前所述，深水沉积为生物气的成藏提供了烃源岩和储层，同时后期厚层披覆泥岩为生物气藏提供了有效盖层，进而形成了自生自储的深水沉积生物气藏。在成藏过程中，深水沉积中形成的生物气近距离运移至水道和朵叶体结构单元的富砂质层段，甚至聚集在天然堤、块体搬运沉积（MTD）的富粉细砂岩层段，形成岩性油气藏或构造—岩性油气藏。

目前已发现多种类型的生物气藏（图9），均与深水沉积体系有密切关系，展现出深水沉积发育层段自生自储自封堵的能力。如研究区内发现的上上新统生物气藏表现为天然堤砂岩储层—天然堤泥岩盖层的储盖组合特征（图9-a）；而下上新统气藏表现为朵叶体砂岩储层—天然堤/深海泥岩盖层的储盖组合特征（图9-b）；邻区的Shwe Phyu气藏的储层为天然堤沉积富砂段内的砂岩，水道充填泥岩作为气藏的侧向封堵（图9-c）；Shwe气藏的储层为朵叶体砂岩，水道充填泥岩作为气藏的侧向封堵（图9-d）；Thalin 气藏的储层为块体搬运沉积的富砂岩层段，厚层天然堤/深海泥岩为盖层（图 9-e）。

图9 孟加拉湾东北部深水沉积生物气藏成藏模式图

这些生物气藏的发现表明，在研究区内，油气成藏的关键在于富泥质沉积背景下，事件性重力流沉积中发育的富砂质层段能否形成具有一定规模的有效储层。而这些富砂质层段，可能在水道、朵叶体结构单元内发育；也可能在天然堤、块体搬运沉积等富细粒沉积结构单元内发育。除了深水沉积体系自生自储自封堵的能力有利于生物气聚集外，研究区及邻区还具有一系列背斜构造背景[24]，更有利于生物气富集成藏[25]。研究区发现的气藏和邻区的Shwe气藏，均具有背斜构造背景，获得了勘探成功。但是，东部陆架区域直至陆上区域，构造变形强烈，高陡逆冲断层发育，则不利于生物气的保存。所以，虽然研究区发育生物气成藏有利地质条件，但是生物气成藏仍存在诸多不确定性，其中应重点关注圈闭的有效性。对于岩性圈闭而言，侧向是否存在泥岩遮挡，或者砂体侧向尖灭，是评价圈闭有效性的关键。不同期次的沉积体系侧向迁移、或者垂向叠置，可能造成砂体间的连通，从而导致侧向封堵失效，无法形成有效圈闭；而对于构造—岩性复合圈闭而言，是否能够形成规模自圈闭，则是勘探是否成功的关键因素。