孟加拉灣東北部上新統深水生物氣成藏系統

魯銀濤 范國章 冉偉民 欒錫武 邵大力 馬宏霞 許小勇 王紅平 徐 寧 劉忻蕾 楊 蕓

1.中國石油杭州地質研究院 2.中國地質調查局青島海洋地質研究所 3.山東科技大學地球科學與工程學院 4.中國石油海外勘探開發公司 5.華北科技學院 6.自然資源部第二海洋研究所

0 引言

孟加拉扇作為世界上規模最大、沉積最厚的海底扇[1-3]，雖然擁有巨大的油氣資源，但目前油氣勘探開發尚處于起步階段。2012—2016年，緬甸和印度分別在孟加拉灣東部和西部獲得了天然氣發現[4-5]。近年來，隨著油氣勘探工作量和資金投入的成倍增加，不斷有新的油氣發現，進一步表明該區具有非常廣闊的油氣勘探開發前景[6-8]。

2018年，中國石油在孟加拉灣東北部上新統深水沉積系統內鉆探獲生物氣藏發現[9-10]，改變了氣源來自深部熱成因氣的認識[11-14]，進而明確了以年輕地層中深水沉積生物氣藏為主要勘探目標的思路，打開了孟加拉灣東北部生物成因非常規油氣勘探的新局面。該區的深水沉積生物氣藏與鄰區發現的Shwe氣田相同，具有淺層低成熟烴源巖供烴、近距離成藏的特點[9,15-17]，且往往發育在淺部年輕地層，工程上較容易鉆探和開發[18]。多年的勘探也證實，孟加拉灣東北部油氣系統的復雜性和多層系分布特征，特別是深水沉積體系內的生物氣富集規律仍不明確，需要深入研究。

1 地質背景

孟加拉灣位于印度洋東北部，被西部的印度大陸、東部的緬甸—安達曼群島—蘇門達臘島、北部的孟加拉國所圍繞，構造位置上位于南亞大陸與中南半島之間（圖1）。其西側為被動大陸邊緣型盆地群（包括馬哈納迪、克里希那—戈達瓦里和高韋里盆地），東側為B型主動大陸邊緣盆地群（包括若開、緬甸中央、馬達班灣、安達曼盆地），北部為殘留洋盆地（孟加拉盆地）[5-6,11,19]。

圖1 研究區位置及孟加拉灣東北部地層綜合柱狀圖

孟加拉灣東北部沉積盆地的形成演化和沉積地層的發育與印度板塊向緬甸板塊傾斜俯沖以及增生楔不斷向西遷移密切相關，發育厚層新生界海相—深水沉積體系[1-3]。古新世，印度板塊東北緣向緬甸板塊俯沖，孟加拉灣東北部處于開闊海位置，主要沉積了深?！肷詈Ｄ囗搸r；早始新世末期，印度板塊與歐亞板塊碰撞形成增生楔，沉積了厚層泥頁巖，夾雜薄層砂巖；中始新世—早中新世，隨著增生楔的不斷隆升，沉降中心及沉積中心向西遷移；新近紀，受東部及北部物源影響，發育濱淺海三角洲—深水沉積體系，主要沉積了粉—細砂巖和泥頁巖；第四紀以來，發育淺?！钏练e體系，以砂泥巖薄互層沉積為主[4,11-13,20-25]（圖1）。

2 數據與方法

中國石油于2012年采集了三維海洋地震數據（圖2），拖纜長度6 600 m，道間距12.5 m，炮間距50 m，三維地震數據面積約2 000 km2，覆蓋了有利目標區。經過長期油氣地質條件研究，于2014—2018年間進行了鉆探（圖3），其中鉆井2獲得了重要的生物氣藏發現，基于新鉆井資料和新發現，開展了新一輪的油氣地質綜合評價。

圖2 研究區三維地震測網及鉆井位置圖

針對烴源巖，將鉆井獲取的泥巖樣品在中國石油杭州地質研究院實驗中心利用碳硫分析儀LECO CS-230、巖石熱解儀OGE-V等儀器進行了實驗分析，獲取了總有機碳含量（TOC）、最高熱解溫度（Tmax）、烴指數（HI）等烴源巖關鍵參數，并與收集的大洋鉆探計劃ODP-116航次（1987年7月）717和718站位（位置見圖1）獲取的TOC值進行了對比；針對儲層，在獲取的巖石樣品進行標定的基礎上，利用測井數據進行了儲層段孔隙度、滲透率等儲層物性參數的計算。根據獲取的關鍵烴源巖、儲層參數，結合地震資料重新開展了地震屬性分析和解釋，將井上的信息擴展至全研究區，進一步分析了深水沉積體系生物氣成藏的潛力。

3 上新統深水沉積發育特征

新生代以來，對孟加拉灣乃至整個東南亞構造格局和沉積過程影響最大的構造事件為發生于中新世的硬碰撞（陸殼與陸殼碰撞）[2,26-29]。該構造過程使得喜馬拉雅山強烈隆升，中新世晚期開始，喜馬拉雅構造域為孟加拉扇沉積提供了豐富的陸源物質，大量的陸源碎屑經恒河—布拉馬普特拉河以很高的速率在孟加拉灣快速堆積，上新統—海底沉積速率可達90 cm/ka，即使在深水區，沉積速率也達30 cm/ka（圖3）。在高沉積速率控制下，不僅形成了世界上最大的深水扇，也為生物氣的生成與保存創造了有利條件。

孟加拉深水扇自中新世開始發育大型深水沉積體系，以水道—天然堤復合體、朵葉體、塊體等搬運沉積為主。上新世，自陸架到盆底，發育深水峽谷—水道—朵葉體深水沉積結構樣式，主要的沉積結構單元包括5類，分別為峽谷、水道及水道復合體、天然堤—漫溢沉積、朵葉體以及塊體搬運沉積（MTD）[20-25,30]（圖4）。

圖4 孟加拉深水扇上新世深水沉積體系發育模式圖

峽谷主要發育于陸架區，以侵蝕作用為主，切割陸架沉積形成一系列的負地形，并充填滯留沉積及后期泥巖披覆沉積；水道及水道復合體主要發育于陸坡區，研究區水道及水道復合體彎曲度均較大，以沉積作用為主，同時天然堤—漫溢沉積普遍發育；朵葉體主要發育在下陸坡及盆底；塊體搬運沉積在研究區內廣泛發育，在深水沉積結構單元內、結構單元間均發育塊體搬運沉積[10]。孟加拉扇沉積體系整體以細粒沉積為主，但在這些沉積結構單元中，水道、朵葉體結構單元在一些重力流事件中沉積相對厚層砂巖，與背景沉積的厚層泥巖垂向疊置，呈“泥包砂”的特征，縱向形成良好的生—儲—蓋組合。

4 上新統生物氣成藏系統

4.1 烴源巖條件

孟加拉灣深水區目前發現的生物氣藏與熱成因氣藏具有明顯差異[3,5,9-10,31]。Shwe、Shwe Phyu和Mya等氣藏的氣樣分析結果表明（圖5），天然氣組分甲烷含量大于97%，為干氣，且甲烷碳同位素值很低，δ13C1值介于-60‰～-70‰，為典型的生物氣特征[9-10]。生物氣的生成依靠甲烷菌活動，所需要的陸源有機質形成的烴源巖母質主要為半腐殖型和草本腐殖型有機質[16, 32-33]。

圖5 過研究區連井地質剖面圖及生物氣藏位置圖

上新世大規模發育的深水沉積體系將富陸源有機質沉積物搬運至深水區，造成生物氣烴源巖母質規模聚集，為生物氣烴源巖在深水區的發育起到了關鍵作用。深水沉積體系輸送陸源有機質的實例已被發現[34-39]，不僅在深水沉積體系的泥巖中有機質含量較高，而且在濁積砂巖中，局部層段植物化石碎片的TOC可高達50%，為烴類的生成提供了有利條件[40-43]。在研究區，中新世末到上新世，有機碳含量（TOC）從0.2%～0.5%顯著上升到1.0%～2.2%（圖6），主要原因是隨著喜馬拉雅山隆升，東南亞氣候發生變化，物源區的植物由森林向草原轉變[40,42-44]，甲烷菌賴以生存的草本植物有機質繁盛。期間也是深水重力流大規模發育時期，深水重力流體系將源自喜馬拉雅山南麓恒河—布拉馬普拉特三角洲的富有機質沉積物搬運至研究區，為生物氣的大量形成奠定了物質基礎[45-48]。

圖6 研究區和鄰區巖石樣品TOC分布圖

另外，合適的溫度窗口控制著甲烷菌的生存，即控制了生物氣發育的層位和深度。甲烷菌存活的溫度環境介于0～80 ℃，主生氣帶溫度介于25～65 ℃[32]，若開海域的平均地溫梯度大約為2.0～2.5 ℃/100 m，陸架區地溫梯度較高，最高約為2.9 ℃/100 m[44]。如此低的地溫梯度導致生物甲烷生成的極限埋深深度可達3 000 m。Shwe氣田埋深約為2 750～3 200 m，也證實該地區低地溫梯度擴展了生物氣生成及成藏的深度范圍，這個深度基本覆蓋了整個上新統。所以，深水重力流體系所搬運的富有機質沉積物處于合適的生物氣形成的溫度窗口，具有較大生物氣形成潛力（圖5）。

4.2 儲集層條件

上新統深水沉積砂巖為生物氣成藏提供了良好的儲集條件[45]，已發現的生物氣藏儲層類型均為深水濁積砂巖，儲層物性好，孔隙度介于20%～30%，滲透率為幾十至幾百毫達西。同時，深水濁積砂巖上覆厚層海相泥巖，形成了優質的儲蓋組合[12]。

深水水道復合體和朵葉體沉積結構單元是研究區優質砂巖發育部位，水道復合體砂巖厚度大，砂地比高，泥質含量低，在地震剖面上往往表現為中低頻、強振幅的透鏡狀反射體[20-21]。在水道復合體上游，往往較順直；過渡至下游，水道彎曲度增加（圖7），沉積砂巖厚度降低，砂地比降低，泥質含量也隨之增加，在地震剖面上表現為中頻、中強振幅連續反射特征（圖8）。朵葉體沉積環境為非限制型開放環境，往往單期砂巖厚度較薄，泥質含量較高，沉積物粒度較細。但是，朵葉體位于沉積體系末端，多期疊置發育，且面積較大，形成大規模朵葉體復合體，在地震剖面上表現為橫向連續的高頻、中強振幅席狀反射體（圖8），也是油氣儲層重要發育部位。

圖7 地震屬性圖及沉積模式解釋成果圖

圖8 上新統典型沉積結構單元地震剖面及解釋成果圖

除了水道復合體和朵葉體外，近年的油氣發現表明越岸沉積也能作為生物氣的有效儲集層。這些越岸沉積包括天然堤沉積、決口扇砂體等。雖然這些結構單元的沉積物粒度一般較細，但其中的粉砂、細砂巖段多期疊置，也能形成生物氣有效儲層。由于上新統壓實程度低、成巖作用弱，所以原生孔隙發育。上新統深水沉積砂巖普遍具有中高孔—中高滲的特點，是生物氣成藏的有利儲層。深水沉積砂巖孔隙度和滲透率整體均較高，其中不同沉積結構單元具有不同的儲層物性，水道復合體與孤立水道砂巖儲層物性最好；朵葉體砂巖儲層物性次之，孔隙度較高，但由于泥質含量相對較高，所以滲透率略低；以細粒沉積為主的天然堤，沉積的粉細砂巖儲層物性也較好[22]。

4.3 成藏模式

如前所述，深水沉積為生物氣的成藏提供了烴源巖和儲層，同時后期厚層披覆泥巖為生物氣藏提供了有效蓋層，進而形成了自生自儲的深水沉積生物氣藏。在成藏過程中，深水沉積中形成的生物氣近距離運移至水道和朵葉體結構單元的富砂質層段，甚至聚集在天然堤、塊體搬運沉積（MTD）的富粉細砂巖層段，形成巖性油氣藏或構造—巖性油氣藏。

目前已發現多種類型的生物氣藏（圖9），均與深水沉積體系有密切關系，展現出深水沉積發育層段自生自儲自封堵的能力。如研究區內發現的上上新統生物氣藏表現為天然堤砂巖儲層—天然堤泥巖蓋層的儲蓋組合特征（圖9-a）；而下上新統氣藏表現為朵葉體砂巖儲層—天然堤/深海泥巖蓋層的儲蓋組合特征（圖9-b）；鄰區的Shwe Phyu氣藏的儲層為天然堤沉積富砂段內的砂巖，水道充填泥巖作為氣藏的側向封堵（圖9-c）；Shwe氣藏的儲層為朵葉體砂巖，水道充填泥巖作為氣藏的側向封堵（圖9-d）；Thalin 氣藏的儲層為塊體搬運沉積的富砂巖層段，厚層天然堤/深海泥巖為蓋層（圖 9-e）。

圖9 孟加拉灣東北部深水沉積生物氣藏成藏模式圖

這些生物氣藏的發現表明，在研究區內，油氣成藏的關鍵在于富泥質沉積背景下，事件性重力流沉積中發育的富砂質層段能否形成具有一定規模的有效儲層。而這些富砂質層段，可能在水道、朵葉體結構單元內發育；也可能在天然堤、塊體搬運沉積等富細粒沉積結構單元內發育。除了深水沉積體系自生自儲自封堵的能力有利于生物氣聚集外，研究區及鄰區還具有一系列背斜構造背景[24]，更有利于生物氣富集成藏[25]。研究區發現的氣藏和鄰區的Shwe氣藏，均具有背斜構造背景，獲得了勘探成功。但是，東部陸架區域直至陸上區域，構造變形強烈，高陡逆沖斷層發育，則不利于生物氣的保存。所以，雖然研究區發育生物氣成藏有利地質條件，但是生物氣成藏仍存在諸多不確定性，其中應重點關注圈閉的有效性。對于巖性圈閉而言，側向是否存在泥巖遮擋，或者砂體側向尖滅，是評價圈閉有效性的關鍵。不同期次的沉積體系側向遷移、或者垂向疊置，可能造成砂體間的連通，從而導致側向封堵失效，無法形成有效圈閉；而對于構造—巖性復合圈閉而言，是否能夠形成規模自圈閉，則是勘探是否成功的關鍵因素。

5 結論

1）孟加拉扇深水沉積體系自陸架、陸坡到盆底，發育深水峽谷、水道—天然堤復合體、朵葉體復合體，將大量陸源有機質遠距離搬運至深水陸坡—盆底區，在孟加拉灣東北部聚集。上新世沉積體系內的富草本植物有機質為甲烷菌的生長提供了營養，為生物氣的生成提供了物質基礎。

2）孟加拉深水沉積體系各類沉積結構單元的富砂層段均能作為生物氣有效儲層，包括水道、朵葉體、天然堤、決口扇和塊體搬運沉積。“泥包砂”的沉積結構有利于深水沉積體系形成近源“自生自儲”的油氣藏。

3）孟加拉灣東北部發育寬緩背斜，不僅具備在合適的溫度窗口形成生物氣的條件，同時這些局部構造高部位更有利于生物氣的聚集。此外，高的沉積速率也是生物氣生成和聚集的有利因素，這些有利因素共同控制下，孟加拉灣東北部成為生物氣藏的有利勘探區。

4）圈閉有效性對生物成因非常規油氣藏的勘探至關重要。對于巖性圈閉，需要重點評價泥巖側向封堵或砂體側向尖滅；對于構造—巖性復合圈閉，需要重點評價自圈閉規模。

致謝：感謝中國石油杭州地質研究院海外油氣地質評價項目團隊在地震資料處理與解釋過程中的悉心幫助！