南海東北部陸坡天然氣水合物藏特征

張光學 梁金強 陸敬安 楊勝雄 張 明蘇 新 徐華寧 付少英 匡增桂

1.“國土資源部海底礦產資源”重點實驗室·廣州海洋地質調查局2.中國地質調查局海洋石油天然氣地質研究中心·廣州海洋地質調查局 3.中國地質大學（北京）海洋學院

天然氣水合物（以下簡稱水合物）作為未來潛在的高效清潔能源，主要賦存于陸地永久凍土區和海洋大陸斜坡、海隆等溫壓適宜的地區。我國自1999年開始，在南海北部陸坡開展了高分辨率多道地震調查和準三維地震調查，發現了天然氣水合物存在的一系列指示標志。在南海北部的西沙海槽、瓊東南盆地、珠江口盆地和臺西南盆地的深水地區均發現了似海底反射層（BSR），并繪制了南海東北部大陸斜坡地區的BSR分布圖。與此同時，開展了地質、地球化學調查，也獲得了與水合物存在相關的地質信息［1－8］。

特別是2013年6—9月期間，國土資源部中國地質調查局（CGS）、廣州海洋地質調查局（GMGS）與輝固國際集團、英國GEOTEK合作使用 M／V REM Etive鉆探船，在緊鄰珠江口盆地東部的臺西南盆地中部隆起附近地區水深664～1 420m范圍內鉆探13個站位［9］（圖1、2），10個站位進行了隨鉆測井（Logs While Drilling，LWD）、3 個 站 位 進 行 了 有 纜 測 井（Wireline Logs，WLL）。其中8個站位的先導測井曲線顯示出水合物存在的異常，5個站位取心獲取了大量的層狀、塊狀、結核狀、脈狀及分散狀等多種類型的水合物實物樣品，甲烷氣體含量超過99%。這是中國海域天然氣水合物勘探的里程碑，標志著可視的、多種賦存形式水合物實物樣品的首次被獲取。

鉆探發現的多種賦存形式水合物以及與之伴生的碳酸鹽巖結殼，充分證實了研究區具有良好的水合物成藏條件。基于2013年的鉆探結果，本文初步分析了沉積物中水合物的地球物理異常和空間分布及產出特征。

1 地質背景

1.1 地層與構造

受印澳板塊、太平洋板塊和歐亞板塊相互作用的影響，南海北部陸緣自西向東由被動陸緣、準被動陸緣過渡至東部活動碰撞邊緣，與之伴生發育一系列沉積盆地［4－5］（如瓊東南盆地、珠江口盆地、臺西南盆地等），盆地沿北東南西向展布。

臺西南盆地位于南海北部東沙群島以東地區，在南海兩次擴張演化過程中（即早白堊世末和距今32～17Ma），處于古太平洋邊緣的淺海環境，發育了較厚的海相沉積。南海第三次擴張期間（中中新世—上新世），發生大規模沉降運動，以海相沉積為主［10］，南海東北部陸坡形成了巨厚沉積。

研究區位于臺西南盆地的中部隆起區附近［11］（圖3），西鄰臺灣峽谷（即福爾摩沙峽谷），東接澎湖峽谷，所處海域海底地形地貌復雜（圖2），發育海槽、海谷、海山、陡崖、斜坡、沖刷溝、海丘等。如臺灣峽谷，深切南海北部斜坡，全長約110km［5］，可作為大量沉積物的運輸通道。

臺西南盆地的中部隆起緊鄰盆地的南、北坳陷［10］（圖4）。新生代以來自下而上發育古近系（古新統、始新統、漸新統）、新近系（中新統、上新統）和第四系。盆地擁有中生界、古新統—始新統、上新統—中中新統、上中新統—更新統共4套氣源巖，有機質成熟度高，多為腐殖型干酪根，氣源條件較好［11］。研究區水合物藏主要發育于上中新統—第四系全新統。

圖1 研究區位置圖

圖2 研究區鉆探測井及取心站位位置圖

圖3 臺西南盆地及研究區位置示意圖（據龔躍華［11］有修改）

圖4 臺西南盆地構造剖面圖（據易海［12］有修改）

臺西南盆地發育NW—NWW和NNE—NEE兩組不同方向的斷層，且前者切割后者，說明前者形成時代較晚，大約形成于距今15Ma之后，主要控制第四系沉積。NW向斷層作為中深層隱伏斷層，其活動可引起上覆松軟第四系沉積層處于高壓低張環境。南海東北大陸邊緣發育正斷層，東部呂宋島弧增生楔形成一系列西傾的疊瓦狀褶皺和逆沖斷層［11－12］。

1.2 水合物成藏條件

南海北部臺西南盆地位于南海東北部大陸斜坡，地質、地球物理、地球化學調查證實為水合物形成的有利地區。例如BSR和BZ暗示了研究區水合物的存在［9］。2004年中德RV SONNE 177航次聯合勘探發現大量活動冷泉，稱之為九龍甲烷礁（Jiulong Methane Reef，JMR）［13－14］，暗示該區很有可能發育水合物。

根據氣源、地質構造和溫壓域分析，認為南海北部臺西南海域是水合物發育的潛力地區［15－17］。研究區地形復雜，地貌變化大，陡坡、峽谷十分發育，海水深度介于300～2 000m，峽谷兩側的斜坡之上的隆起區是水合物成藏的有利區帶。區內晚中新世以來的新構造活動活躍，斷層切穿較新的沉積層（深水底流、濁流形成的具有“S”形前積結構的地層），甚至延伸至海底。伴隨著斷層活動，深部熱成因裂解氣和上新世—更新世生物成因氣 可 運 移 至 淺 部 地 層 之 中［13，18－19］。 此 外，該區域內還發育大量的泥底辟構造［11］。斷層和泥底辟構成了研究區水合物系統的含氣流體運移通道，使得水合物成礦區帶與斷層走向及泥底辟的延伸方向有著較好的對應關系［11］。

2 水合物藏地球物理異常特征

2.1 地震異常特征

水合物藏地震異常特征通常包括地震剖面上顯示的BSR、BZ、速度倒轉及極性反轉等地震異常信息［1－2，20－21］。研究區內 BSR 異常特征明顯，是識別水合物存在的主要地球物理標志（圖5）。全區BSR埋深介于160～220m、平均約180m，大多位于700～900 m的水深范圍，個別深至1 127m，代表了一定溫壓條件下生成的、近似平行于海底的物理反射界面，常與地層斜交。

通過合成記錄，可以將GMGS2－08井的測井曲線疊加到地震剖面上（圖5）。從圖5中的聲波測井曲線可以看出，BSR是一個明顯的速度分界面，附近地層存在著明顯的速度倒轉現象（圖5），即BSR之上為速度相對較高的含水合物層，之下則為聚集的低速游離氣層，這與正常沉積地層自淺至深速度逐漸增大剛好相反［20］。BSR這一速度特征與含天然氣水合物的“游離氣體帶”模型非常吻合［13］，而BSR的橫向變化則可能指示天然氣水合物呈層狀分布，以厚層塊狀的形式分布于水合物穩定帶內的高速層中。

2.2 測井異常特征

含水合物沉積層的電阻率測井和聲波測井曲線異常明顯，往往表現為高阻、高速特征，且兩者往往與水合物礦層同時出現。因此，普遍認為兩者組合是識別水合物的最有效方法［21－22］。

研究區8口井顯示含水合物層電阻率異常高值范圍為2.5～200Ω·m，與之對應層位的聲波測井異常均為高值，且GMGS2－08、GMGS2－16井出現兩層含水合物測井異常特征。以研究區GMGS2－08井為例，水深801m，水合物異常層段分2段（圖6）［9］，其測井曲線特征如下：

1）第一異常段位于淺部，深度區間為810～824m（自鉆臺面起算，下同），最大電阻率達17.5Ω·m，本層聲波速度略有升高，位于810.18m深度處聲波時差最低為183.37μs／ft（速度1 662m／s），井徑曲線在此范圍內較為規則，自然伽馬值較底部地層略低，密度與中子測井曲線無明顯異常。綜合測井曲線解釋，推斷此層段含有天然氣水合物。

2）第二異常段位于深度區間867.5～899m，最大異常幅值超過200Ω·m，聲波時差明顯降低，最低值達111μs／ft（速度2 746m／s），本段地層自然伽馬與密度測井明顯偏低，而中子測井顯示出較大的孔隙度。其中自然伽馬曲線與電阻率曲線呈鏡像特征，即電阻率值高的位置，自然伽馬測井值降低；密度測井顯示872.58m 深度處，密度值為1.08g／cm3，接近于水或水合物的密度，而其中子測井孔隙度則表現為100%的異常。綜合測井曲線解釋結果認為，該層段可能為厚層塊狀水合物。

以上兩個層位是本站位的主要水合物礦層。

圖5 研究區過GMGS2－08井的地震剖面圖（綠色表示電阻率曲線，紅色表示縱波速度曲線）

圖6 研究區GMGS2－08井的LWD測井曲線圖（深度從海底算起）

3 水合物藏分布及產出特征

鉆探取心結果表明，5個站位的鉆井（GMGS2－16、GMGS2－05、GMGS2－07、GMGS2－08、GMGS2－09）均不同程度地發現了水合物，以塊狀、層狀、團塊狀、脈狀及分散狀等自然產狀賦存于粉砂質黏土及生物碎屑灰巖中（圖7）。另外，還有3個站位鉆井（GMGS2－04、GMGS2－12、GMGS2－01）的測井資料顯示聲波速度和電阻率存在異常，據此推斷存在分散狀水合物［9］（圖8）。據孔隙水Cl－濃度含量推算，水合物飽和度介于45%～100%，水合物中甲烷氣體含量超過99%，為Ⅰ型結構水合物。

圖7 研究區GMGS2－08井的水合物自然產狀圖

3.1 垂向分布特征

依據上述5口井的鉆孔取心、3口井的測井解釋結果，繪制了研究區含水合物鉆井的聯井剖面（圖8），其水合物層及自生碳酸鹽巖等特殊沉積層如圖8所示。具體情況描述如下：

1）GMGS2－16井。水深871m，共發育兩層水合物：15～30mbsf（meters below sea floor，海底以下深度）層段發育瘤狀水合物；189～226mbsf層段發育分散狀、脈狀水合物。

2）GMGS2－05井。水深1 127m，201～208mbsf層段發育分散狀水合物。

3）GMGS2－07井。水深791m，共發育兩層水合物：13～50mbsf層段沉積物呈粥狀特征，其底部發現瘤狀水合物；65～84mbsf層段，測井資料顯示電阻率21Ω·m，聲速2 480m／s，綜合推測可能為分散狀水合物。

4）GMGS2－08井。水深801m，近海底淺層局部發育淺黃色自生碳酸鹽結核黏土，該站位共發育兩層水合物：8～23mbsf層段發育塊狀、瘤狀或脈狀水合物，厚度約15m，橫向分布范圍相對較寬；68～90 mbsf層段發育厚層塊狀水合物，厚度約30m，橫向分布范圍相對較窄。值得注意的是，58～63mbsf層段發育生物碎屑灰巖、淺灰色泥質角礫碳酸鹽巖及含氣孔角礫灰巖，角礫含量大于70%，基質為淺灰色自生碳酸鹽巖細小角礫和方解石微晶沉淀，碳酸鹽巖塊中發育孔洞和結晶良好的方解石層或方解石脈。

5）GMGS2－09井。水深664m，該站位海底發育大量自生碳酸鹽巖，9～21mbsf層段發育結核狀水合物。

6）GMGS2－04井。水深913m，137～143mbsf層段測井資料顯示電阻率為4Ω·m，推測可能為分散狀水合物。

7）GMGS2－12井。水深738m，91～98mbsf層段測井資料顯示電阻率為3.1Ω·m，聲速為2 662m／s，綜合推測可能為分散狀水合物。

8）GMGS2－01井。水深886m，132～140mbsf層段測井資料顯示電阻率為2.9Ω·m，聲速為2 613m／s，綜合推測可能為分散狀水合物。

綜合上述各井水合物發育情況，以90mbsf為界，大致可分為上部和下部兩個水合物層，其垂向分布特征如下：

上部水合物層（0～90mbsf）：在此層段范圍內的不同深度處均發育水合物，如 GMGS2－16、GMGS2－07、GMGS2－08、GMGS2－09井，水合物多呈塊狀、瘤狀或脈狀，且以可視水合物為主，水合物層厚度介于15～32m，橫向分布范圍相對較窄。母巖為淺灰色粉砂質黏土，海底及該層段的中部發育兩期自生碳酸鹽巖。

下部水合物層（91～226mbsf）：在此層段范圍內的不同深度處均發育水合物，如GMGS2－16、GMGS2－05、GMGS2－04、GMGS2－12、GMGS2－01井，水合物多呈分散狀，肉眼不可視，飽和度高，橫向分布范圍相對較寬，水合物層厚度介于6～37m。母巖為灰綠色粉砂質黏土，少見自生碳酸鹽巖。

總的來說，研究區中上部沉積以粉砂質黏土為主，顆粒較粗，孔隙度較大，主要發育可視的塊狀、脈狀、層狀、瘤狀水合物，是裂隙充填作用的結果，受巖性及其粒度影響較小。研究區中下部沉積物埋深較大，孔隙度偏小，顆粒較細，發育肉眼不可見的以孔隙充填為主的分散狀水合物［9］。

3.2 平面分布特征

根據鉆測井資料解釋和取心結果，圏定出水合物藏的分布范圍（圖9），面積約55km2。以臺灣峽谷的一個分支為界，將研究區的水合物分為東、西2個成藏區，西 成 藏 區 由 7 口 井 （GMGS2－08、GMGS2－09、GMGS2－07、GMGS2－05、GMGS2－04、GMGS2－01、GMGS2－12）控制，水深介于664～1 127m，各井發育水合物的層數不均，除GMGS2－08井發育深、淺兩個水合物層形成復式水合物藏以外，其他大多數站位僅發育單個水合物層，依此圏定的西成藏區面積相對較大，成藏區平面整體呈北西南東向，與上述分支海槽走向近似一致；東成藏區僅由W16站位單井控制，面積目前尚難以準確劃定。

4 水合物地質儲量計算

根據水合物鉆探結果，給定水合物地質儲量計算的相關參數：水合物所含氣體體積為1 000×108m3；鉆井控制礦體面積為55km2；含水合物層厚度介于10～50m；含水合物沉積物孔隙度介于45%～100%；含水合物飽和度介于45%～100%；產氣因子為164。

利用自主研發的計算軟件［23－24］（圖10），在50%概率條件下，初步估算研究區水合物地質儲量約為1 250×108m3天然氣，其規模相當于一個特大型常規天然氣田。

總之，南海東北部海域鉆探區發育多個水合物藏，具有水合物的“埋藏淺、厚度大、賦存類型多、飽和度高、甲烷純度高”等優質礦藏特點，綜合顯示具有較好的水合物資源潛力。

圖9 研究區水合物藏平面分布圖

圖10 研究區水合物藏地質儲量計算圖

5 結論

1）研究區水合物藏的地震異常信息豐富，BSR特征明顯，所處水深介于700～900m，埋深介于160～220m，與地層斜交，BSR附近層位存在明顯的速度倒轉現象，之上連片振幅弱反射帶或空白帶為高速層，可作為塊狀、層狀水合物礦藏的地震異常表觀。

2）研究區水合物藏的測井異常顯示為“高速、高阻”特征，含水合物層電阻率異常高值超過200Ω·m，與之對應層位的聲波測井異常均為高值。電阻率、聲速與水合物的自然產狀有一定的量化關系，如高電阻率、高縱波速度層段發現塊狀或層狀水合物。

3）研究區水合物藏所處水深介于664～1 127m；含水合物層位于海底以下埋深220m以內，儲層為粉砂質黏土及生物碎屑灰巖；共發育2個水合物層，單層厚度介于15～35m；水合物飽和度介于45%～100%；水合物中甲烷氣體含量超過99%，為Ⅰ型結構水合物；水合物自然產狀為塊狀、層狀、團塊狀、脈狀及分散狀等。水合物藏具有埋藏淺、厚度大、類型多、含礦率高、甲烷純度高等特點。

4）初步估算研究區水合物地質儲量約為1 250×108m3天然氣（50%概率條件下），相當于一個特大型常規天然氣田。

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