0 引言
在高压低温的海洋环境或陆域永久冻土中,充足的天然气供给可以在沉积物的孔隙或裂隙中形成类冰状的结晶物质,这种物质被称为天然气水合物,也被称为可燃冰。作为一种高效能、清洁环保并且全球分布的新能源类型,天然气水合物被认为是煤、石油和天然气等常规能源的替代物。因此,天然气水合物的有效勘探、开发将可能成为解决我国对外能源依存、保障能源安全的重要手段。另外,天然气水合物还是温室效应、海洋滑坡灾害和钻井事故的重要触发因素[1]。因此,开展天然气水合物研究具有较大的经济和社会价值。
通常,水合物以及浅层气的积聚被认为与深部来源的热成因烃类流体或浅部来源的生物成因烃类流体,沿流体运移构造渗流至浅表地层的过程相关。活跃的垂向流体活动通常集中于气烟囱、泥底辟、泥火山、断层等构造发育区[2]。地震资料可以记录水合物和浅层气的积聚以及流体运移构造,例如极性变化和强振幅特征解释了流体积聚;地层反射截断、相位反转和亮点结构揭示了泥底辟或气烟囱构造的发育;如果流体在海底释放,则会形成名为麻坑的圆形或椭圆形的下凹构造[3]。流体运移系统的发育程度及流体运移通量会显著影响水合物富集程度。例如在婆罗洲西北部的沙巴近海区域,流体运移通道内的孔隙流体压力呈周期性变化,因此该区域流体运移构造的运移能力也随着孔隙流体压力呈周期性变化[4]。间歇性的流体渗漏在流体运移系统中是常见的,当流体活动处于活跃期,受流体影响的沉积物会产生裂隙并为水合物提供富集空间[5-6]。研究发现,与低流体通量的区域相比,高流体通量的区域有着明显更高的水合物饱和度,并且在流体运移构造内的裂隙中,富集的水合物占总体积的20%~50%[4]。而当流体通量减少甚至停止供给时,水合物将逐渐分解,水力裂隙也将闭合[5-6]。因此,评估不同类型流体运移构造的运移能力对于探究水合物和浅层气的富集机制有着重要的意义。
目前,有关南海流体运移系统的研究主要集中在南海北部的珠江口盆地、琼东南盆地和台西南盆地,其中,珠江口盆地白云凹陷陆坡神狐海域、琼东南盆地松南低凸起和台西南盆地陆坡峡谷群是目前水合物勘探的重点区域[7⇓-9]。相对于南海北部而言,南海南部水合物的相关研究较少,还处于起步阶段。曾母-北康盆地是位于中国南海南部海域的大型新生代断陷盆地与前陆盆地,处于欧亚、印度洋-澳大利亚和太平洋三大板块交汇区域,被活跃的俯冲带包围,构造样式复杂,沉积特征多样[10]。在拉伸、剪切和压缩三种构造应力的作用下,南海南部发育了不同类型的流体运移构造[11],而在曾母-北康盆地新生代发育有大量扇体、浊积砂体、碳酸盐岩和生物礁等优质的烃类流体储集体,为水合物的形成与聚集提供了烃类物质基础。由于水合物形成于较浅部地层中,因此沟通深部储层与浅部地层的流体运移系统对水合物的空间分布起到了至关重要的作用。然而,目前关于曾母-北康盆地的流体运移系统与浅部水合物聚集之间的耦合关系研究还比较有限,对南海南部水合物资源量的计算也较为缺乏。本文基于前人发表的南海南部地质、地球物理、地球化学和地貌资料,分析了流体运移构造与水合物富集成藏的关系,并且计算了水合物资源量。
1 区域地质背景
南海南部的构造演化主要分为3个阶段:晚侏罗世—早渐新世时期,古南海南部开始初步形成并发展;晚渐新世—中中新世时期,古南海南部发生俯冲,产生新的南海南部;晚中新世—第四纪时期,南海南部出现快速下沉和收缩[12]。本次研究的区域位于曾母盆地的北部和北康盆地,其在南海南部的构造演化中逐步成型。北康盆地总面积约40 000 km2,最大沉积厚度约12 km,整体水深位于100~1 200 m(图1)[13-14]。曾母盆地在新生代的沉积厚度为3~16 km,碎屑岩储层主要为早中新世海岸平原和滨浅海相(图2)[15⇓-17]。本文主要的地质界面包括T1、T2和T3界面。其中,T1界面时间约为5.3 Ma,对应于中新世与上新世分界面;T2界面时间约为10.5 Ma,对应于中中新世和晚中新世分界面;T3界面时间约为16.0 Ma,对应于早中新世和中中新世分界面(图2)。
曾母-北康盆地的区域动力学呈现出“北张南压、东挤西滑、南沙裂离”的特征。北康盆地南部和曾母盆地的分界线为廷贾断裂带,其形成于渐新世,长达840 km,具有明显的右旋走滑特征,控制南海西南部新生代盆地的形成与演化活动。在北康盆地内,主要发育了NE—SW、NW—SE、S—N方向三组正断层,最发育的为NE—SW方向,活动时期分别为晚白垩世—中始新世、晚渐新世—中中新世和晚中新世—第四纪3个阶段。中新世晚期,康西坳陷在重力和挤压作用下形成了褶皱和逆冲断层[18]。
2 流体运移构造类型与水合物响应特征
南海南部主要的流体运移构造包括气烟囱、泥火山、泥底辟、断层和管状通道。气烟囱发育于T3界面以下的深部地层,内部呈现低频弱振幅杂乱反射特征,头部呈现强振幅反射特征,强振幅下方为空白反射带(图3a)[17]。气烟囱内部的杂乱反射代表了水力压裂导致的裂隙网格结构,流体充注于裂隙网格中,导致了低频弱振幅反射的产生[4,19-20]。在地震资料中,传播介质的不同会导致振幅差异,气烟囱头部的强振幅反射代表了流体的积聚。图3a的地震剖面中也可以观察到在该强振幅反射处存在指示水合物存在的似海底反射(bottom simulating reflector, BSR),这条反射近似平行海底且极性倒转,因此被解释为连续型的BSR。图3b和3c中的BSR表现为断续的特征,BSR下方没有与流体运移构造直接连接,可能代表了富集程度较差的水合物藏。气烟囱头部的空白反射带通常是上方的强振幅导致下方信号被屏蔽所造成的反射异常。另外,与BSR伴生的空白反射带被认为与水合物赋存导致沉积介质与结构的波阻抗差异降低相关,因此也是水合物勘探活动中被关注的反射特征之一[11]。
研究区的断层主要分为两类,第一类发育于T3界面以下深部地层的构造高点,并延伸至T1界面之上,甚至可以到达海底,这指示了这些断层发育于5.3 Ma之后;第二类断层位于岩浆底辟上方,由岩浆侵入引起的地层形变诱发,此类断层发育密集,但垂向规模较小(图3)[13,17]。在地震剖面中可以观察到第一类断层的顶部伴随着代表了浅层气积聚的亮点反射特征,这表明此类断层有流体运移能力,如果可以延伸至水合物稳定带内则可以形成水合物[11]。在一些地震剖面中也可以看到不连续的BSR在此类断层的上方,可能指示了流体沿断层运移至水合物稳定带内形成水合物。第二类断层由于高度不足,未延伸至水合物稳定带内,但在一些地震剖面中,断层上方仍可以观察到BSR,这可能是流体沿断层运移至浅部后,沿地层内微裂隙继续向上运移至水合物稳定带内所致。
北康盆地也发育大量的管状通道,这些管状通道根部通常位于碳酸盐岩处(图4)[13]。研究区的碳酸盐岩等深流漂积体为粗粒沉积体,具有较好的油气储集能力[17]。在碳酸盐岩等深流漂积体下方发育有烃源岩和大量构造断层,当断层与粗粒沉积体连通时,流体会发生侧向运移,充注于粗粒沉积体中。因此,该区域碳酸盐岩等深流漂积体具备成为油气储层的潜力(图4)。发育于碳酸盐岩等深流漂积体之上的管状通道终止处发育有指示流体渗漏特征的海底麻坑,内部呈现的上拱反射特征也指示了流体的强烈喷发对背景地层的影响[21-22]。在琼东南盆地等地,存在类似的管状通道,其内部充满裂隙,可以发育高饱和度的裂隙充填型水合物,若流体能在海底喷出,则指示海底冷泉水合物的存在[22]。
3 曾母-北康盆地水合物资源量估算
国际上浅表层水合物资源的评价方法主要可分为三类:体积法、类比法和成因法。本文选取体积法进行南海海域水合物资源量评价,为区块优选提供参考依据。体积法直接从储集层的有效储集空间入手,不考虑烃源岩,通过数理统计的方法建立圈闭水合物资源量与单位体积油气资源密度、体积等变量之间的关系,最后得到区域水合物资源量,主要公式为:
V=A · Z · φ · H · E
式中:V为水合物所包含的气体体积(m3),A为水合物分布区的面积(m2),Z为水合物稳定带的厚度(m),φ为孔隙度(%),H为孔隙中水合物的饱和度(%),E为产气因子(m3/m3)。
3.1 水合物稳定带厚度与分布面积的取值与计算
水合物稳定带厚度是指水合物-水-气体三相平衡的热力学稳定范围,主要受温度、压力、盐度约束。海水温度-压力变化曲线与水合物相平衡线的交点是水合物稳定带的顶界;沉积地层中温度与水合物相边界交点的深度是水合物稳定带的底界。开展水合物稳定带研究对于认识水合物的成矿与分布规律以及评价资源量都具有重要的指导意义。
稳定带厚度的不同计算方法之间,特别是在参数的选择上存在很大的差异。考虑到目前基于热力学理论的CSMHYD程序应用较广泛,并且其可以计算不同盐度、不同气体组成的稳定带的温、压条件,本文选择该程序来模拟、计算曾母-北康盆地的水合物稳定带的厚度。主要的参数包含以下4个:
静水压力:模拟水合物稳定带厚度的区域分布时,通常可以忽略潜在的局部压力异常对水合物相平衡的影响,而采用地层静水(岩)压力计算水合物稳定带厚度。压力通过海底深度计算获得,深度数据取自美国国家地球物理数据中心ETOP02数据库;
海底温度:基于已报道的海底水温数据和美国国家海洋和大气管理局的WOA13模型(https://www.nodc.noaa.gov/OC5/woa13/),获得南海海底温度的平面分布;
地温梯度:收集了南海海域592个热流或地温梯度数据并进行了系统分析,获得南海海域地温梯度的平面分布;
海水盐度:依据实测的东沙海域海水盐度资料,盐度的取值为34.5。
3.2 孔隙度取值
根据ODP112航次资料,在秘鲁大陆边缘,含水合物层孔隙度的变化在52.36%~80.09%之间;在布莱克海台地区,ODP164航次资料揭示,在含水合物层位中(190~450 m),孔隙度分别为57.0%、58.0%、58.1%。根据ODP184航次资料,在东沙海域海底以下200~400 m,沉积物的平均孔隙度约为55%;根据地震速度资料测算,神狐海域BSR之上沉积物的平均孔隙度为 45%~69%。根据上述资料,本次计算中沉积物的孔隙度取值为50%~60%。
3.3 饱和度取值
水合物在沉积物孔隙中的饱和度是很难把握的一个参数。同一区域的水合物饱和度在垂向上和平面上都呈现出强烈的非均质性特征,并且同一站位利用不同方法得到的水合物饱和度数值差异也比较大。HOLBROOK 等[25]根据地震速度计算,布莱克海台994钻孔的水合物饱和度为2%,而995和997钻孔为5%~7%;DICKENS 等[26]利用甲烷含量估计的布莱克海台水合物饱和度为0%~9%。神狐海域水合物钻探结果显示,不同站位水合物层饱和度及分布特征呈现明显差异。例如SH2站位水合物层厚度大约在25 m,饱和度值最高可达 46%;W19 站位水合物层厚度达30 m,最高饱和度超过70%;W17站位水合物层厚度比较大,最厚接近50 m,其平均饱和度值也超过40%[9,27]。在本次计算中,按照水合物层厚度与水合物稳定带厚度的比值,将水合物层内的饱和度折算到整个水合物稳定域,折算后水合物饱和度取值为2.0%~5.0%。
3.4 产气因子取值
产气因子是指水合物在常温、常压状态下转化为气体所扩大的体积倍数。自然界中水合物一般以Ⅰ型结构为主。在理想状态下,每个Ⅰ型结构水合物单元包含46个水分子和8个气体分子,水/气的分子比值为5.75。依此推算,在压力为28 MPa的情况下,单位体积的水合物可以包含173个体积的气体,即产气因子为173。实际上在自然界的水合物中,不可能所有结构中均充填气体,当90%结构被充填时,产气因子仅为155。在本次计算中,产气因子取中间值,为160。
3.5 蒙特卡洛法引入
使用体积法计算天然气水合物资源量时,虽然能够简单直接地计算出结果,但是相关参数的不确定性高并且易受环境因素的影响。对于曾母-北康盆地,由于现有资料、数据及文献较少,参数往往是具有一定取值范围的随机变量。引入蒙特卡洛法能够较好地解决可信度问题,从统计学角度来讲,模拟计算概率为50%时,计算结果可信度最高。
3.6 资源量计算结果
确定以上几个参数及统计方法后,通过Matlab编写程序,概率设置为50%,模拟次数为5 000次。根据蒙特卡洛法的参数要求和调试运行结果,将水合物稳定带面积最小值假设为6.0×104 km2,水合物稳定带最小厚度假设为1 m。经计算,曾母-北康盆地天然气水合物资源量约为1.62×1013 m3。
4 结论
曾母-北康盆地广泛分布各类流体运移构造,包括气烟囱、断层、泥火山、泥底辟和管状通道。这些流体运移构造的根部发育有碳酸盐岩、浊积体和三角洲前缘砂体等优质储层,提供了充足的烃类流体物质来源。在浅部地层可以观察到BSR、海底麻坑以及海底丘构造,指示了流体活动及水合物赋存,说明曾母-北康盆地存在较大的水合物勘探潜力。
在曾母-北康盆地水深大于595 m的区域,水合物形成所需的温度、压力条件已具备,随着水深加深,水合物稳定带从凹陷的边缘向中心逐渐增厚。水合物稳定带厚度的面积加权平均值为220 m,厚度超过380 m的区域呈条带状或环状分布于研究区的东部。水合物稳定带的分布面积为6.7×104 km2。利用体积法和蒙特卡洛法对曾母-北康盆地水合物资源量进行计算,得到该区水合物资源量约为1.62×1013 m3。