格陵蘭島西部巴芬灣天然氣水合物流體運移系統

宮 越， 施而修， 鄔長武， 馬天碧， 郭榮濤， 吳高奎， 姜 靜， 朱玥研

(1. 中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083； 2. 燕山大學 車輛與能源學院，河北 秦皇島 066000； 3. 中國大洋礦產資源研究開發協會，北京 100860； 4. 大慶油田有限責任公司 第三采油廠，黑龍江 大慶 163113 )

0 引言

天然氣水合物是烴類氣體(主要是甲烷)和水在一定溫度和壓力條件下組成的籠型似冰狀物質，主要分布于大陸邊緣和極地永久凍土帶[1-4]。作為一種接替能源，天然氣水合物具有分布廣泛、資源潛力大、高效清潔的優點[5]，但其離解過程可能導致大陸邊緣斜坡失穩，誘發工程地質災害，增加油氣勘探風險[2,6]。

目前，天然氣水合物的發現主要根據似海底反射面——BSR(Bottom Simulating Reflection)，即上方含天然氣水合物地層至下方含游離氣地層由聲阻抗降低而產生的相界面[7]。天然氣水合物和BSR之間不具有嚴格對應關系，無BSR現象不代表沒有水合物的發育[8]。因此，強調地質要素和地質作用的時空關系，減少BSR的多解性，對天然氣水合物遠景開發具有重要意義。COLLETT T S等[9]提出“天然氣水合物油氣系統(Natural Gas Hydrate Petroleum System)”理論，促進水合物勘探評價研究。當水合物穩定域內沒有足夠氣體時，成藏只能靠外部天然氣供給，天然氣運移體系是水合物含油氣系統中的關鍵要素之一。盧振權等[10]提出天然氣水合物成藏系統，除明確水合物成藏與含油氣系統成藏的區別外，指出流體運移體系的重要性，闡明流體運移體系、烴類生成體系和成藏富集體系的有效時空配置共同決定天然氣水合物的成藏特征[11-12]。已鉆獲水合物的站位與含氣流體運移路徑及其伴生的地形地貌特征具有明顯的關聯性[13]，如日本海東緣[14]、韓國郁龍盆地[15]、中國南海[16]、墨西哥灣等[17-18]。開展重點區域的流體運移分析，揭示流體運移通道的展布，有助于準確預測和描述水合物礦藏。

在流體運移體系的研究中，能夠證明疏導通道已有效運移的表征方法匱乏[5]。對多邊形斷裂能否有效充當疏導通道，人們認識差異較大，如根據多邊形斷裂與海底麻坑發育位置的耦合性，GAY A等[19]認為多邊形斷裂在天然氣運移系統中具有重要疏導作用；M?LLER N K等[20]和CARTWRIGHT J等[21-23]更傾向于多邊形斷裂是流體流動的屏障。筆者利用格陵蘭島西部巴芬灣的淺層地震數據，基于地溫梯度和熱流值異常，追蹤流體運移通道和運移方向，證實多邊形斷裂的疏導有效性，分析其對天然氣水合物分布的控制作用，揭示多方面地質條件復合作用形成的運移成藏體系，為提高天然氣水合物成藏預測的準確度、降低前沿盆地的天然氣勘探風險提供參考。

1 區域地質背景

巴芬灣為分隔巴芬島和格陵蘭島西海岸的高緯度邊緣海(見圖1)。巴芬灣盆地北部與北冰洋有限溝通，南部以戴維斯海峽為界，連接拉布拉多海和北大西洋。該盆地約有3.5×107t待發現石油儲量、7.22×1010m3天然氣和8.16×106t天然氣水合物儲量[24]。

巴芬灣構造史可分為裂谷期(早白堊世末—古新世早期)、漂移期(古新世—漸新世早期)和后漂移期(自漸新世至今)3個階段[25]。早白堊世末—古新世早期，受北大西洋開裂的影響，格陵蘭島西部進入伸展拉張環境；研究區在白堊紀發生兩期裂陷，由河流及三角洲相沉積地層逐漸過渡為海相泥巖地層，烴源巖主要發育于白堊系地層。古新世開始，巴芬灣發生海底擴張，并逐漸向北部發展，至漸新世早期停止[26]；同漂移期地層中發現的油氣藏[25]是研究區天然氣水合物的重要氣源。以中新世廣泛發育的不整合為界，格陵蘭島西部開始進入后漂移期，海底面不再擴張，陸緣發生橫跨格陵蘭島西北部的Eurekan造山運動。研究區第三紀沉積物包括海相三角洲砂巖和海相泥巖地層，上新世和第四紀沉積物由等深流沉積、冰漂流碎屑物、冰洋和冰下分塊體、冰下碎屑組成[27-28]。巴芬灣沿海地區以冰川構造為特征，冰川的發育演化對晚新生代大陸架演變具有重要作用。

研究區為中中新世以來的淺部覆蓋地層，由于盆地內尚無探井，基于GREGERSEN U等[25]和KNUTZ P C等[28]的研究建立地層格架，劃分為3個三級層序單元(SQ1—SQ3)，其中，SQ1—SQ2為上新統地層，SQ3為中新統米辛尼亞階地層；SQ2單元內部進一步劃分為7個四級層序單元(SQ2-1—SQ2-7)。研究區的流體特征多處發育分布，以SQ1地層最為豐富(見圖2)。

2 數據處理與計算

采用厚度約為1.5 km、面積為7.5×103km2的淺層三維反射地震資料，缺少井眼校正數據。天然氣水合物在地震上的識別與追蹤主要依據BSR識別方法。天然氣水合物穩定帶(GHSZ)對溫度和壓力反應敏感[29-30]，利用BSR深度、分布及計算的GHSZ地溫梯度，可追蹤和分析天然氣水合物的成藏情況。

2.1 BSR識別

和成巖作用相關的BSR極性與海底反射相同，和天然氣水合物相關的BSR極性與海底反射相反，可將BSR面視為GHSZ的底界面。水合物BSR獨特的地震特性[31]包括：與海底面相反極性的高振幅反射、橫切地質沉積構造、反射軸大致平行于海底。根據BSR地震特性，研究區北部識別兩個BSR分布。

2.2 數據處理

將地震數據轉為深度數據，計算GHSZ底界面的壓強。假設GHSZ中無含硫氣體等雜質，利用SULTAN N等[32-34]和LU Z等[35]關于GHSZ壓強與溫度之間的數學關系式，計算GHSZ底界面(BSR面)的溫度。美國國家海洋大氣管理局(NOAA)將海底面溫度設為恒定4 ℃[36]，利用BSR面與海底面的溫差，結合BSR的深度，計算地溫梯度。利用Petrel2015軟件將獲得的地溫梯度分布數據在BSR界面上進行溫度和地溫梯度賦值。

3 天然氣水合物穩定帶及流體地震相特征

3.1 天然氣水合物穩定帶特征

兩個天然氣水合物穩定帶(GHSZ)(即BSR識別區)位于研究區北部(見圖1、圖3)，相距8～10 km，深度約為200 m。北部BSR面積約為105km2，南部BSR面積約為99 km2。GHSZ所處地層大面積發育多邊形斷裂(見圖3)和沉積物波，且多處可見不連續高振幅“亮點”等流體特征。南部GHSZ的BSR界面之上可見灰白色空白區域，呈向上突起的丘型(見圖3(a))，可能與流體充盈的背斜結構有關；BSR界面之下可見受游離氣影響的高亮地震軸反射。北部GHSZ的BSR界面主要呈階梯狀，切割原始沉積地層(見圖3(b))，與海底面高度平行。

將GHSZ地溫梯度賦值于BSR界面，北部GHSZ的地溫梯度變化相對平穩，大部分在5.4 ℃/hm以上，且地溫梯度分布與多邊形斷裂具有明顯的相關關系，在多邊形斷裂分布密度較大的區域，地溫梯度明顯較高；南部GHSZ的地溫梯度表現為中間高、邊緣低的特征，中心高值達5.8 ℃/hm，邊緣低值為3.8 ℃/hm，表明南部GHSZ中心位置熱流明顯高于周緣地區的(見圖4，其中黑色線段為斷穿BSR界面的斷裂，紅色線段為BSR界面之上的斷裂)。熱流分布主要受基底性質、熱源距離、地層沉積速率及流體賦存的影響，產生南部GHSZ熱流高值區的原因可能與流體賦存及流體運移有關。

圖4 研究區天然氣水合物穩定帶底界面地溫梯度分布Fig.4 Geothermal gradient distribution at the bottom of GHSZ in the study area

3.2 流體地震相特征

研究區流體主要發育于底辟或隆起帶頂部、海底面、斷裂、水道及沉積物波發育區，地震特征主要體現在三個方面。

(1)流體通過斷裂、底辟、隆起等結構向上運移并在頂部富集或泄露，進而影響流體下部地震相特征。如流體通道、氣煙囪、海底麻坑，主要表現為流體富集區下部的縱波反射模糊帶，或同向軸下拉的反射特征(見圖5(a))。研究區南部受梅爾維爾灣海脊(Melville Bay Ridge)影響而發育構造隆起，隆起的結構在研究區地震資料中不可見。隆起上方表現為幾組高亮連續的反射軸，下方受流體影響而表現為雜亂不連續反射(見圖5(b))。海底面偶見“U”型或“V”型凹坑，下部連接氣體通道，推測凹坑為海底麻坑。由于研究區位于冰川活動頻繁區域，近10 Ma的頻繁冰川活動形成海底面冰川特征，如冰山犁痕、冰山坑等密集分布，凹坑也可能是由冰川活動導致的，進而轉變為氣體泄露的薄弱點(見圖5(d))。斷裂是研究區常見的流體運移通道，主要表現為斷裂附近的高振幅高亮連續反射。

(2)流體的賦存改變原有地層的地震相特征，導致振幅等異常。SQ1地層最常見地震相為低—中振幅的高連續內部反射結構，推測為半深海的泥質和粉砂質沉積，而流體的賦存使沉積物波和水道內部出現點狀不連續高振幅的視覺“亮點”(見圖5(e-g))。

(3)流體的固/液/氣的賦存狀態分界面使地震相特征發生轉變，如GHSZ底界面BSR的“平點”特征(見圖5(h))等。SQ1地層的BSR界面上部為天然氣水合物，下部為自由氣，流體賦存狀態的改變使GHSZ地震相出現BSR的底界面特征(見圖5(c))。

圖5 研究區流體特征地震相及發育位置模式Fig.5 Seismic facies table and development location model map of fluid characteristics in the study area

4 疏導通道與流體運移系統

研究區地層多處可見流體賦存特征及直接油氣顯示(DHI)，尤其在天然氣水合物賦存地層更為突出。廣泛發育的多邊形斷裂對研究區流體賦存、運移具有重要作用，富砂的高滲透層、與下部地層溝通的大斷裂，以及海底面冰山坑或冰山犁痕等也為流體提供運移疏導通道。

4.1 多邊形斷裂

多邊形斷裂是一系列形成機制與構造無關的正斷層[21,37]，在研究區大面積分布，東北部天然氣水合物發育區的多邊形斷裂密度大于其他區域的。研究區多邊形斷裂的形態和展布主要有三個特點：(1)斷裂的平面展布特征表現為多邊形形態，斷層之間為正交叉，斷層走向相對隨機，斷層之間關聯性較大；(2)垂向上有明顯的頂、底界面，即有明顯的層控性，控制層厚度約為300 m；(3)為斷距較小的正斷層，最大斷距約為50 m。

研究區北部GHSZ的地溫梯度、熱流高值區與多邊形斷裂的分布具有明顯的相關關系；南部GHSZ多邊形斷裂密度較高，其地溫梯度、熱流高值區與多邊形斷裂分布的相關關系不明顯。對南部GHSZ多邊形斷裂密度進行分析，并將其與地溫梯度分布進行對比(見圖6)。將南部GHSZ分割成邊長為500 m的正方形單元格，統計單元格內的多邊形斷裂個數。多邊形斷裂分布密度由中心向邊緣逐漸減小，中心處單元格內斷裂最高為3個，且高值單元格在中心處聚集，向外逐漸降低，邊緣處沒有斷裂分布。斷裂高密度分布的區域地溫梯度和熱流值明顯較高，中心處單元格大于2的區域地溫梯度高于5.4 ℃/hm；大部分單元格為1的區域地溫梯度為4.8～5.4 ℃/hm；當單元格內沒有斷裂分布時，地溫梯度小于4.8 ℃/hm，普遍較低。

圖6 研究區南部GHSZ地溫梯度與多邊形斷裂密度統計Fig.6 Geothermal gradient and polygonal fracture density statistics of southern GHSZ in the study area

天然氣水合物的發育經常與多邊形斷裂聯系在一起，文獻[19,23,38-39]記錄墨西哥灣西北部多邊形斷裂和天然氣水合物的發育；雷新民等[40]、張樹林等[41]發現，南海北部天然氣水合物的成藏系統與多邊形斷裂共存。二者發育共存有兩個原因：一是多邊形斷裂可能作為一種潛在的流體遷移途徑，導致流體匯聚、遷移[42]。如GAY A等[19]對剛果盆地的研究表明，多邊形斷裂可以作為流體運移路徑，并與海底凹坑及BSR形成有關：流體優先從多邊形斷裂相互切割的三連點處突破和流動，發育高密度斷裂的巖層成為孔隙流體排出的高勢能面，多邊形斷裂成為深部流體向淺層運移的優勢通道，最后在海底聚集，從薄弱點或海底麻坑滲出。二是在形成多邊形斷裂的早期成巖過程中，脫水作用可以為天然氣水合物提供所需水分，使多邊形斷裂與天然氣水合物共存[43]。目前，多邊形斷裂的各種成因假設與壓實和流體排出有關[37,44-45]，其形成過程可能為流體運移提供來源和補充。

研究區發育多邊形斷裂的地層巖性較細，多邊形斷裂密集分布增加流體儲存的空間，天然氣運移賦存，從而影響地溫梯度。平貴東等[43]研究肇州油田后發現，多邊形斷裂在不同時期分別具有遮擋和輸導作用，促進油藏層連片和最終成藏。M?LLER N K等[20]和CARTWRIGHT J等[22]指出，多邊形斷裂更傾向于作為流體流動的屏障，但高密度斷層必然改變層間滲透率，破壞封閉地層的完整性，從而促進流體的運移和賦存。因此，研究區GHSZ的高密度多邊形斷裂形成流體運移的通道，同時增加地層的儲存空間，輔助天然氣的賦存和天然氣水合物的形成，使地溫梯度和熱流值異常。

4.2 流體運移系統

研究和追蹤流體運移路徑可以降低勘探風險，也可以避免鉆探過程中由流體泄露導致的坍塌。MILKOV A V等[12]研究Cascadia大陸邊緣“水合物海嶺”區BSR上下地層的甲烷含量與深部增生復合體的流體運移體系，認為氣體運移是天然氣水合物形成的必要條件。研究區水合物藏的流體運移不是以單一形式存在，而是受多種運移通道的共同作用。

天然氣水合物成藏的氣體運移包括擴散和對流兩種機制，擴散是指氣體溶于孔隙水后以濃度梯度為驅動力進行運移；對流是氣體以游離氣進行運移或溶于流體后通過流體流動發生運移，常出現于聚集型運移通道[13]。張金華等[13]認為，烴類氣體成藏主要通過聚集型高通量流體(Focused High Flux，即FHF)運移通道，其中最根本的運移通道為斷裂和裂隙，其他還包括底辟構造和滲透層，擴散過程較緩慢且難以形成特定規模的水合物藏。這與研究區流體特征高頻出現地區的特征相符，對流體地震相表征進行追蹤，研究區流體的通道主要有底辟或構造隆起、斷裂、高滲透層。SQ1地層多邊形斷裂發育處是流體特征最豐富區域，圍繞富砂區域(如水道、斜坡扇、活動斷裂等)有流體發育特征。流體的運移路徑主要為垂向和側向運移。一方面，流體通過擴散或斷層向上垂向運移，進入構造隆起帶和淺部地層，并在多邊形斷裂發育區域匯聚成藏。如河道底部廣泛分布的“亮點”、斷裂旁側高亮反射、BSR下方多組高亮反射軸等，可在垂向運移的路徑上發現。研究區多邊形斷裂分布與GHSZ地溫梯度具有對應關系，說明高密度的多邊形斷裂既有流體通道的作用，也增加細粒儲層的天然氣儲藏空間，進而發育天然氣水合物。另一方面，流體通過側向運移對成藏的分布范圍產生影響，在均方根振幅屬性圖中表現為扇狀高亮的陸坡斜坡扇(見圖7)，可作為含氣流體運移的高滲透層通道，而陸坡上發育的細長富泥水道對流體橫向運移具有限定作用。根據橫向分布的滲透層和擴散作用的影響，流體逐漸在沉積物波發育處、上陸坡河道內賦存，地震剖面上表現為不連續高“亮點”、極性反轉等特點。流體沿陸坡運移并在上陸坡存儲富集，與孔隙中的水共同作用形成GHSZ，在距離海底面較近的薄弱點(冰山坑、冰山犁痕、斷裂或海底麻坑)突破，逐漸形成穩定泄露點。

圖7 斜坡扇流體運移方向和潛在海底面流體泄露點Fig.7 Slope fan fluid migration directions and potential seafloor fluid leakage points

研究區的冰川活動及構造抬升對流體運移也有促進作用。研究區位于冰川匯聚入海的位置(見圖1)，冰川活動在海底面經過近幾千萬年的滑動和摩擦，釋放一定程度的壓力，驅動流體向上運移[26,29]。格陵蘭島西海岸自始新世開始發生區域性的構造抬升，至中新世中期結束，區域性的構造抬升及大面積剝蝕促進深熱源氣體向上運移排出[26]。

北大西洋段裂谷期的多期海侵使沉積盆地廣泛發育海相烴源巖，上侏羅統的海相泥巖、石灰巖和泥灰巖為研究區的水合物提供氣源條件；同時，研究區水合物烴類氣體也與深部的油氣藏有關。天然氣水合物的烴類氣體主要有兩種來源成因，一種是生物成因，主要由淺層沉積物的有機降解或生物轉化而產生；另一種是熱解成因，熱解成因氣經常與深部氣源、流體運移聯系在一起[13]。天然氣水合物的甲烷氣體主要通過運移和受毛細管作用而來，而非有機質原地轉化的生物成因氣[46]，故天然氣水合物下部常發現游離氣藏或油氣藏 ，如Cascadia“水合物海嶺”區[47]、秘魯近海利馬盆地[48]、墨西哥灣[18]、挪威大陸邊緣Storegga區[49]、加拿大Mackenzie三角洲和阿拉斯加北坡等[10]。

綜上所述，通過對研究區流體地震相特征分析和空間位置關系追蹤，建立流體運移系統(見圖8)。深部裂解氣通過底辟或構造隆起、斷裂、高滲透層等通道在垂向和側向上運移，并在研究區北部陸架區形成天然氣水合物藏。

圖8 研究區流體運移成藏模式Fig.8 Model diagram of fluid migration and accumulation in the study area

5 結論

(1)格陵蘭島西部巴芬灣發育天然氣水合物藏，水合物發育區地溫梯度及熱流值分布具有非均一性，多邊形斷裂發育處熱流值高。

(2)研究區流體特征發育明顯，地震相表現為三種特征，即流體的聚集導致下部地區的縱波反射模糊帶、流體的賦存導致原有地層振幅異常、流體的固/液/氣的賦存狀態分界面產生地震相變。

(3)研究區GHSZ的高密度多邊形斷裂形成流體運移的通道，同時也增加地層的儲存空間，輔助天然氣水合物的形成，導致地溫梯度和熱流值異常。深部裂解氣通過聚集型高通量流體運移通道(底辟或構造隆起、斷裂、高滲透層等)在垂向和側向上運移，并在研究區北部形成天然氣水合物藏，或在海底面薄弱點泄露。