南海北部神狐海域浅层深水沉积体对天然气水合物成藏的控制
杨承志1,2, 罗坤文3, 梁金强1,2, 林智轩3, 张伯达3, 刘坊1,2, 苏明3, 方允鑫1,2
1.自然资源部海底矿产资源重点实验室·中国地质调查局广州海洋地质调查局;
2.中国地质调查局天然气水合物工程技术中心
3.中山大学海洋科学学院
通信作者:苏明,1983年生,副教授,本刊青年编委,博士;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研究工作。地址:(519082)广东省珠海市香洲区唐家湾中山大学珠海校区海洋科学学院。ORCID:0000-0001-9332-989X。E-mail: suming3@mail.sysu.edu.cn

作者简介:杨承志,1986年生,工程师,博士;主要从事海域天然气水合物资源调查方面的研究工作。地址:(510075)广东省广州市黄埔区广海路188号大院水合物工程技术中心。ORCID:0000-0003-1444-6217。E-mail: yangczgmgs@163.com

摘要

南海北部神狐海域是我国海域天然气水合物(以下简称水合物)研究的热点区域,但该区域水合物储集体类型及特征尚未得到充分的认识。为此,在对不断积累的资料进行分析总结的基础上,基于高分辨率三维地震资料精细解释、岩心沉积物粒度参数描述和粒度C—M模式分析,系统探讨了该海域含水合物层与上覆不含水合物层沉积物的成因机制,分析了含水合物层沉积物粒度参数与水合物饱和度的关系,并初步揭示了深水沉积与水合物藏分布的耦合关系。研究结果表明:①该区水合物赋存在南海北部陆坡峡谷脊部和下游段—嘴部的细粒浊积体中,含水合物细粒浊积体和上覆不含水合物层的沉积物具有不同的粒度参数特征和显著的沉积成因差异;②与峡谷脊部细粒浊积体相比,峡谷下游段—嘴部的细粒浊积体中可能存在着不同成因类型的沉积物夹层,其沉积过程具有复杂性和多期性;③含水合物层的粒度分选系数与水合物饱和度关联性最大,其次为偏度,粒度参数可能通过影响储层物性进而控制水合物饱和度;④气烟囱、断层等流体运移通道和细粒浊积体共同构成水合物的“运聚体系”。结论认为,细粒浊积体和气烟囱构造的空间匹配是神狐海域水合物不均匀性分布的关键控制因素,“水合物运聚体系”控制水合物成藏的模式将有助于进一步理解深水沉积与水合物成藏的关联性。

关键词: 南海北部; 神狐海域; 天然气水合物成藏; 深水沉积; 细粒浊积体; 气烟囱构造; 运聚体系
Control effect of shallow-burial deepwater deposits on natural gas hydrate accumulation in the Shenhu sea area of the northern South China Sea
YANG Chengzhi1,2, LUO Kunwen3, LIANG Jinqiang1,2, LIN Zhixuan3, ZHANG Boda3, LIU Fang1,2, SU Ming3, FANG Yunxin1,2
1. Key Laboratory of Marine Mineral Resources, Ministry of Natural Resources//Guangzhou Marine Geological Survey, China Geological Survey, Guangzhou, Guangdong 510075, China
2. Gas Hydrate Engineering Technology Center, China Geological Survey, Ministry of Natural Resources, Guangzhou, Guangdong 510075, China
3. School of Marine Sciences, Sun Yat-Sen University, Zhuhai, Guangdong 519082, China
Abstract

The Shenhu sea area in the northern South China Sea is a research hotspot of marine natural gas hydrate (NGH) in China. However, the types and characteristics of NGH reservoirs in this area have not been fully understood. After analyzing and summarizing the existing data, this paper studied the genesis mechanisms of NGH bearing sediments and overlying non-NGH bearing sediments in this area, analyzed the relationship between the grain size parameters of NGH bearing sediments and the NGH saturation and discussed the coupling relationship between deepwater deposits and NGH reservoir distribution by using the fine interpretation of high-resolution 3D seismic data, grain size parameters of core sediments and C-M grain size model. And the following research results were obtained. First, NGH in the Shenhu sea area exist in the fine grained turbidites in the canyon ridge and downstream section-mouth of continental slope of the northern South China Sea. NGH-bearing fine grained turbudites and overlying non-NGH bearing sediments are different in grain size parameter characteristics and sedimentation genesis. Second, compared with the fine grained turbidites on the canyon ridge, those at the canyon downstream section-mouth may contain interbeded sediments of different genetic types, and the deposition process is complex and multi-staged. Third, the grain-size sorting coefficient of NGH bearing layers is most correlated with NGH saturation and formation porosity and secondly with the skewness. The sorting coefficient may control NGH saturation by affecting the petrophysical properties. Fourth, fluid migration pathways (e.g. gas chimney structures and faults) and fine grained turbidites jointly constitute the NGH migration and accumulation system. In conclusion, the spatial matching between fine grained turbidites and gas chimney structures is the key factor controlling the uneven NGH distribution in the Shenhu sea area. The model of "NGH migration and accumulation system" controlling NGH accumulation is conducive to further understanding the relationships between deepwater deposits and NGH accumulation.

Keyword: Northern South China Sea; Shenhu sea area; Natural gas hydrate accumulation; Deepwater deposit; Fine-grained turbidite; Gas chimney structure; Migration and accumulation system
0 引言

天然气水合物(以下简称水合物)具有天然气储量大、热效能高和燃烧无污染等特点, 被广泛认为是未来潜在的替代能源。目前已在墨西哥湾、日本南海海槽、卡斯卡迪亚俯冲带、孟加拉湾、韩国郁陵盆地以及中国南海北部开展了大量的科学研究和钻采实验[1, 2, 3, 4, 5, 6]。20世纪80年代以来的大洋钻探和水合物科学钻探结果表明, 浊积体、碎屑流沉积、块体流沉积和等深流沉积等深水沉积体是水合物藏的有效宿主沉积[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]。实验室研究和实际钻探的结果表明, 水合物在粗粒沉积物中更容易形成和富集。这是因为砂质等粗粒组分能够有效地改善储层的物性条件[14, 15, 16, 17, 18]。但在深水砂质沉积物中形成的水合物藏, 目前仅见报道于日本南海海槽和墨西哥湾Alaminos峡谷区, 因此赋存于砂质沉积物中的水合物藏仅占海域水合物资源量的极少部分[19]。在卡斯卡迪亚俯冲带、孟加拉湾、韩国郁陵盆地、我国南海北部陆坡以及新西兰Hikurangi陆缘等地区[1, 3, 4, 5, 6, 20], 水合物被广泛证实存在于深水细粒沉积物(沉积物粒径小于64 μ m的组分含量大于50%)之中, 由此可见深水细粒沉积对水合物藏的控制作用不容忽视。

1999年以来, 中国地质调查局广州海洋地质调查局等单位对我国南海北部陆坡区域进行了详细的地质— 地球化学— 地球物理学调查, 在神狐海域开展了5次水合物钻探和2次成功的水合物试采。前期研究的结果表明, 神狐海域第四系以泥质粉砂和粉砂质泥等细粒沉积物为主[3, 21, 22, 23]。垂向上, 含水合物层与上覆不含水合物层没有明显的粒径差异, 并初步推测含水合物层与不含水合物层为相似环境下的连续沉积。但基于地震资料解释和峡谷脊部SH7井的岩心沉积物粒度C— M图解分析, Su等[10, 24]揭示了该区块含水合物层与上覆不含水合物层是截然不同的两套沉积体, 水合物赋存在一套薄层细粒浊积体中。Ito等[17]开展了日本南海海槽含水合物砂质沉积物的粒度参数与水合物饱和度的相关性研究, 指出粒度参数与水合物饱和度之间存在着一定的关联性, 偏态可用于估算水合物饱和度。目前, 我国关于深水细粒沉积物的粒度参数与水合物饱和度之间的耦合联系鲜有公开报道, 同时基于神狐海域的水合物储集体类型及特征尚未得到充分的认识, 有必要开展多井、多参数的综合分析来揭示控制水合物成藏分布的深水沉积因素。为此, 笔者利用水合物钻探成果, 结合多井过井地震剖面进行精细解释、岩心沉积物粒度参数特征和粒度C— M模式分析, 研究了神狐海域含水合物层与上覆不含水合物层沉积物的成因机制, 分析了含水合物层沉积物粒度参数与水合物饱和度的关系, 探讨了深水沉积与水合物藏分布的耦合关系, 并以“ 天然气水合物油气系统” 理论为指导, 研究细粒浊积体对水合物成藏的控制作用, 以期进一步揭示我国南海北部神狐海域水合物藏不均匀性分布的成藏机制和控藏机理。

1 区域地质背景

神狐海域位于我国南海北部陆坡的中部, 构造上隶属于珠江口盆地最大的沉积凹陷— — 白云凹陷, 是珠江— 南海西北次海盆源汇体系的重要组成部分[24]。该区域海底地貌复杂, 发育17条SSE走向的陆坡限制型海底峡谷[24, 25, 26], 平均坡度约为2° [27], 笔者研究区域即位于神狐海域峡谷群(图1)。水合物调查和前人研究结果表明:研究区水深介于500~2 000 m, 海底温度介于2~4 ℃, 地温梯度介于44~67 ℃/km, 是水合物形成的有利区域[28]; 深部地层如始新统文昌组和恩平组具有总有机碳含量高、成熟度高的特点, 是该区域主要的烃源岩[29]; 浅部地层如中新统粤海组、上新统万山组, 具有厚度大、有机质丰富的特点, 有利于产生大量的生物气、亚生物气[30]; 区域大尺度断层、气烟囱构造、小尺度正断层以及第四系拆离断层等流体运移通道极其发育[31, 32, 33]; 水合物存在的似海底反射层(Bottom Simulating Reflector, 以下简称BSR)沿第四系底界面广泛展布, 水合物层主要发育在第四系[24]。神狐海域是水合物成藏分布的有利区域。

图1 神狐海域研究区位置及取心井位图

2 实物样品

神狐海域钻获沉积物岩心的井有9口, 其中SH2、SH7、W07、W11、W17、W18和W19等7口井获得了水合物实物样品, SH1井和SH5井未获得水合物实物样品(表1)。采用广州海洋资源监测中心Mastersizer 2000型激光衍射粒度分析仪对水合物钻探取心的沉积物样品进行了粒度分析; 相同粒级误差小于3%, 粒级标准采用尤登— 温德华氏等比制Ø 值粒级标准(Ø =– log2D, D表示粒径, mm), 粒度参数采用福克和沃德公式计算获得[21]。神狐海域第四纪以来的沉积物以细粒沉积物为主, 细粒组分含量均大于95%, 表明水合物均赋存于细粒沉积物中。笔者优选了位于峡谷脊部的SH7井、W07井和位于峡谷下游段— 嘴部的W18井、W19井研究深水细粒沉积体对水合物成藏的控制。

表1 水合物取心井信息表
3 细粒浊积体类型及特征

结合地震资料解释和粒度C— M图解, Su等[10, 36]和姜衡等[37]对GMGS1航次钻探区展开了详细的研究, 揭示了该区块含水合物层为一套峡谷脊部的残留细粒浊积体, 上部不含水合物层为一套细粒沉积物失稳层, 而未钻遇水合物的SH1井和SH5井表现为BSR之上细粒浊积体不发育的特征。笔者基于地震资料精细解释和沉积物粒度分析, 在研究区识别出峡谷脊部细粒浊积体和峡谷下游段— 嘴部细粒浊积体两种类型的细粒浊积体。

3.1 峡谷脊部细粒浊积体

在过SH7井的地震剖面中, 存在明显可识别追踪的连续BSR, BSR之上可划分Ⅰ 和Ⅱ 两个单元(图2-a)。Ⅰ 单元底部为一套强振幅地震反射, 并与下部地层呈侵蚀削截反射特征, 电阻率(Rt)测井曲线在该层段表现为异常高值(图2-b), 表明该反射层为含水合物层。在Ⅰ 单元底部强振幅反射层之上为一套不连续、杂乱反射层, 具有低— 中振幅或半透明反射特征; Ⅰ 单元中的两套地震反射层中可识别大量小型的“ V” 字形和“ U” 字形侵蚀下切反射结构, 推测为峡谷脊部小型侵蚀水道[10, 36]。Ⅰ 单元可解释为一套峡谷脊部的残留细粒浊积体, 其中水合物富集于浊积体下部并使其呈强振幅反射(图2-a), 说明向上运移的天然气在浊积体下部形成水合物后可对天然气的向上继续运移起到较好的封存作用, 有利于之下形成较高资源品位的水合物藏。Ⅱ 单元为一套波状起伏、连续— 较连续、平行— 亚平行的低— 中反射地震反射层, 前人将该反射层解释为沉积物波或沉积物失稳层[26, 38]

图2 SH7井峡谷脊部细粒浊积体特征图

W07井位于研究区北部, 在过W07井的地震剖面中, 可明显识别出双层BSR(BSR1和BSR2)的存在[35](图3-a)。BSR1之上存在两套明显差异的地震反射层, 位于下部的Ⅰ 单元为一套强振幅丘状反射, 并且与周围地层呈削截不整合接触, 可识别出发育小型“ U” 和“ V” 字形下切侵蚀水道, 测井曲线上该套反射层表现为明显的高纵波速度(vp)和高电阻率异常(图3-b)。与SH7井进行类比, 推测Ⅰ 单元为一套含水合物的发育小型水道的细粒浊积体。位于上部的Ⅱ 单元为一套波状起伏、连续— 较连续、平行— 亚平行、低— 中振幅的地震反射层, 可被解释为沉积物波或沉积物失稳层(图3-a)。

图3 W07井峡谷脊部细粒浊积体特征图

SH7井和W07井的岩性均由泥质粉砂和粉砂组成, 其中含水合物层以粉砂为主, 分选系数介于1.6~1.8, 偏度介于0.2~0.4, 峰度介于1.0~1.2 (图2-b、图3-b)。SH7井上覆不含水合物层分选系数介于1.8~2.2, 偏度小于0.2, 峰度总体小于1.0 (图2-b); W07井上覆不含水合物层分选系数介于1.4~2.6, 偏度小于0.2, 峰度总体小于1.1(图3-b)。垂向上, 含水合物层的Ⅰ 单元与不含水合物层的Ⅱ 单元平均粒径介于6~7 Ø , 不存在明显的差异, 但是其粒度参数具有显著差异, 说明二者可能为两套截然不同的沉积体。在Ⅰ 单元中, W07井的粒度参数特征与SH7井极为相似, 自下而上整体上均表现为分选系数具有明显的向上增大趋势, 偏度和峰度均具有向上较小的趋势(图2-b、图3-b)。在Ⅱ 单元中, SH7井自下而上整体上表现为分选系数和峰度均具有先向上增大、后向上减小的趋势, 偏度具有先向上减小、后向上增大趋势(图2-b); W07井自下而上整体上表现为分选系数具有明显向上较小的趋势, 偏度具有先变化不大、后向上增大的趋势, 峰度的变化趋势不明显(图3-b)。粒度C— M图解显示, 含水合物层样品拟合线与C=M基线平行, 而上覆不含水合物样品拟合线与C=M基线相交(图2-c、图3-c)。根据Passega[39, 40]的沉积物C— M图解理论, 含水合物层为细粒浊积体, 该结论与地震资料解释结果一致, 其中SH7井含水合物层发育在峡谷脊部细粒浊积体中的认识与前人研究结果一致[10, 36, 37]

3.2 峡谷群下游段— 嘴部细粒浊积体

在过W19井地震剖面中, BSR之上存在两套明显不同的地震反射层, 也可划分为Ⅰ 和Ⅱ 两个单元, 二者之间具有明显的削截特征(图4-a)。Ⅰ 单元底部为一套连续、平行— 亚平行、中— 强振幅的透镜状反射, Ⅰ 单元中可识别出两套明显双向上超反射的沉积层, 局部表现为杂乱或空白反射, 并且发育“ U” 字形下切水道(图4-a)。Ⅱ 单元为一套平行— 亚平行、连续、中— 强振幅的伸长型波状反射(图4-a)。通过与典型深水峡谷和水道的沉积充填进行对比[41, 42, 43], Ⅰ 单元地层为峡谷下游段— 嘴部细粒浊积体, Ⅱ 单元地层为沉积物波或沉积物失稳层。Ⅰ 单元的底部具有明显的高纵波速度和高电阻率异常, 表明W18井和W19井含水合物层位于峡谷下游段— 嘴部细粒浊积体的下部, 这可能也是因为水合物的形成阻碍了天然气的向上继续运移使水合物限制在浊积体下部成藏。

图4 W19井峡谷群下游段— 嘴部细粒浊积体特征图

W19井以粉砂、泥质粉砂为主, 其中水合物主要赋存于粉砂层中(图4-b)。该井取心率较低, 其中100 mbsf以浅的地层仅在52~65 mbsf深度段获取了岩心。在取心段中, 粒度参数变化大致以110 mbsf深度处为界分为两层, 分别对应Ⅰ 单元和Ⅱ 单元, 含水合物层位于Ⅰ 单元下部(图4-b)。Ⅰ 单元的分选系数大于1.6, 偏度大于0.2, 峰度介于0.9~1.0, 分选系数具有向上增大的趋势, 偏度和峰度具有向上减小的趋势(图4-b)。粒度参数在110 mbsf深度处突变, 在该界面之上, 分选系数小于1.6, 偏度小于0.2, 分选系数介于1.0~1.1(图4-b)。在W19井粒度C— M图解中整体上显示, 含水合物层样品拟合线与C=M基线近似平行, 而不含水合物层样品拟合线与C=M基线相交, 表明含水合物层为细粒浊积体(图4-c)。另外, 过W19井地震剖面中显示, Ⅰ 单元中的细粒浊积体存在两套不同期次的上超现象(图4-a)。在W19井粒度C— M图中, 存在极少量含水合物层的样品点偏离含水合物层样品分布的整体趋势线, 也有部分不含水合物层的样品点沿与C=M基线平行的整体趋势线分布(图4-c), 说明峡谷下游段— 嘴部的细粒浊积体中可能存在不同成因类型的沉积物夹层, 该区域的沉积过程具有复杂性和多期性。

4 细粒浊积体对水合物成藏的控制
4.1 细粒浊积体粒度特征对水合物饱和度的控制

水合物在储集体中具有不均匀分布的特征, 沉积物中的水合物含量通常与储层物性(例如孔隙度和渗透率)有关, 而储层物性一般受岩性、矿物组成、含砂率、粒度参数限制[17, 44, 45, 46]。在岩性、矿物组成、含砂率等没有明显差异情况下, Ito等[17]分析了日本南海海槽含水合物砂质沉积物与水合物饱和度的关联性, 揭示了粒度参数与水合物饱和度之间存在着一定的关联性。与日本南海海槽沉积物类型不同, 我国南海北部神狐海域以细粒沉积物为主, 目前细粒沉积物粒度参数与水合物饱和度关联性的研究未见报道。神狐海域含水合物细粒浊积体的岩性、矿物组成和含砂率等特征不存在明显差异。因此有必要开展神狐海域细粒沉积物粒度参数与水合物饱和度关联性的研究。

以W18井为例, 基于密度测井和元素俘获能谱测井数据计算获得地层孔隙度和水合物饱和度随深度的变化曲线[47], 然后根据沉积物实际钻探取样深度读取相应的地层孔隙度和水合物饱和度数据。该井含水合物层的沉积物粒度参数与水合物饱和度、地层孔隙度的相关性分析结果表明:水合物饱和度与平均粒径、分选系数呈正相关(图5-a、b), 与偏度和峰度呈负相关(图5-c、d); 粒度参数与水合物饱和度的关系与Ito等[17]在日本南海海槽报道的结论截然相反, 这种差异性可能归因于神狐海域与日本南海海槽含水合物层的岩性差异, 神狐海域以粉砂、泥质粉砂为主, 而日本南海海槽以富砂质沉积物为主; 在4个粒度参数中, 分选系数和偏度与水合物饱和度的相关性更好, 相关系数(R)大于0.6(图5)。

图5 W18井沉积物粒度参数与水合物饱和度、地层孔隙度关系图

另外水合物饱和度与地层孔隙度也呈线性相关关系, 其相关系数高达0.87(图6), 说明粒度参数会影响储层的物性(如孔隙度、渗透率等), 进而控制水合物饱和度的不均匀分布。运用随机森林算法[48], 综合平均粒径、分选系数、偏度、峰度和水合物饱和度数据进行机器学习计算, 结果显示:分选系数可能对水合物饱和度的影响最大, 其次为偏度, 该结果与线性分析结果一致(图7)。

图6 W18井水合物饱和度与地层孔隙度关系图

图7 W18井沉积物粒度参数与水合物饱和度随机森林计算结果图

4.2 水合物“ 运聚体系” 控藏

“ 天然气水合物油气系统” 是水合物成藏的重要理论, 在深水含油气盆地中, 温度、压力、气源和有效水等成藏要素一般均满足水合物形成条件的情况下, 水合物的形成具有自我封堵作用, 使得水合物成藏不要求是否存在盖层和圈闭。理论上, 水合物在深水环境下是均匀分布的, 但是全球实际钻探结果表明水合物的赋存状态呈非均质性[1, 2, 3, 4, 5, 6]。流体运移通道(运)和深水沉积过程(聚)是“ 天然气水合物油气系统” 中的关键地质因素, 二者的时空配置控制了水合物藏的分布。基于神狐海域最新采集处理的三维地震资料, 笔者精细刻画了三维地震调查内的峡谷脊部细粒浊积体和下游段— 嘴部细粒浊积体, 并圈定了其分布范围, 结合研究区气烟囱的分布特征和水合物钻探的实钻结果, 揭示了“ 运聚体系” 与水合物藏的分布的空间匹配性。

神狐海域峡谷脊部细粒浊积体沿峡谷脊部不均匀分布, 峡谷下游段— 嘴部细粒浊积体呈峡谷限制状或朵叶状分布于峡谷下游段和嘴部; 气烟囱多分布于峡谷脊部和峡谷中— 上游段, 峡谷嘴部分布较少; 从钻探结果看, 钻遇水合物的井均分布于气烟囱和细粒浊积体之上, 而未钻遇水合物的井下部仅有气烟囱分布或分布于气烟囱和细粒浊积体之外(图8)。因此, 细粒浊积体和气烟囱的良好空间配置关系对神狐海域水合物成藏起了决定性作用, 细粒浊积体的发育是神狐海域水合物成藏的关键控制因素之一。另外, 在过钻遇水合物井的地震剖面中也显示了气烟囱、断层、细粒浊积体和含水合物层在垂向上的匹配性(图2~4)。总之, 气烟囱、断层等流体运移通道和细粒浊积体(水合物储集体)构成的水合物“ 运聚体系” 是神狐水合物成藏分布的关键控制因素, 从而建立了“ 水合物运聚体系” 控制的水合物成藏模式(图9)。

图8 研究区内细粒浊积体、气烟囱及水合物钻探井的叠合图

图9 神狐海域“ 运聚体系” 控制水合物成藏模式图

5 结论

1)神狐海域含水合物层和上覆不含水合物层垂向上在宏观和微观方面都存在差异, 二者为两套具有不同成因机制和沉积过程的细粒沉积体。

2)神狐海域存在两套与水合物相关的具有不同成因的细粒浊积体, 分别为峡谷脊部细粒浊积体和峡谷下游段— 嘴部细粒浊积体; 含水合物层细粒浊积体的粒度参数对储集体的物性具有重要影响, 控制了水合物饱和度在含水合物层中的垂向差异性。

3)细粒浊积体和气烟囱的分布与水合物分布具有良好的空间匹配性, 表明细粒浊积体作为天然气水合物的良好储集体, 是神狐海域水合物成藏分布的关键控制因素之一。

4)建立了峡谷脊部残留细粒浊积体、峡谷下游段— 嘴部细粒浊积体两类储集体和气烟囱等流体运移通道构成的水合物“ 运聚体系” 对神狐海域水合物成藏分布的控制模式。

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