摘 要

　　　　　——以神狐天然氣水合物鉆探區(qū)和LW3-1井區(qū)為例摘　要：神狐天然氣水合物(以下簡稱水合物)鉆探區(qū)和LW3-1井區(qū)均位于南海北部陸坡珠江口盆地，平面相距約25km

　　　　　——以神狐天然氣水合物鉆探區(qū)和LW3-1井區(qū)為例

摘　要：神狐天然氣水合物(以下簡稱水合物)鉆探區(qū)和LW3-1井區(qū)均位于南海北部陸坡珠江口盆地，平面相距約25km，但其天然氣(水合物)的成因卻不相同。為此，首先對神狐海域高精度2D／3D地震資料進行了精細解釋，共識別出底辟構造(氣煙囪)、大尺度斷層、上新世中尺度正斷層和更新世滑脫斷層等4種含氣流體的運移通道。在此基礎上，對比分析了神狐水合物鉆探區(qū)和LW3-1井區(qū)運移通道的平面分布特征。結果表明：氣煙囪雖在兩個區(qū)域內都有發(fā)育，但在形態(tài)、規(guī)模、內部結構、與圍巖接觸關系等方面卻存在著明顯的不同；晚中新世以來，神狐水合物鉆探區(qū)以上新世正斷層和更新世滑脫斷層為主，前者被認為是流體側向運移的通道，后者則溝通了氣煙囪和海底，可被視為流體的逃逸通道，而LW3-1井區(qū)則主要發(fā)育溝通深部的大尺度斷層，且剖面上呈現(xiàn)為地塹／地壘的特征。結論認為：LW3-1井區(qū)中溝通深部烴源層的氣煙囪和大尺度斷層，其垂向的流體輸送能力要強于神狐水合物鉆探區(qū)，這便是造成這兩個相鄰區(qū)域流體運移條件不同的主要原因。

關鍵詞：南海北部  神狐海域LW3-1井區(qū)  天然氣水合物  流體運移  氣煙囪  斷層  氣源

A comparative study on the differences of fluid migration between the Shenhu and LW3-1 drilling areas for natural gas hydrate，northern South China Sea

Abstract：The Shenhu area and LW3-1 area are located in the Pearl River Mouth Basin，Northern South China Sea，with only 25km apart in plane，but the origins of natural gas hydrate forming in the two areas are different．To explain this phenomenon，the highresolution seismic data(2D／3D)in the Northern South China Sea were interpreted integrally．Four types of gas fluid migration pathways were first identified：diapirs(gas chimneys)，large-scale faults，t he Pliocene normal scale faults，and the Pleistocene detachment faults.On this basis，the horizontal distribution characteristics of these pathways in the Shenhu and LW3-1 areas were analyzed and compared in detail．The following findings were obtained．(1)Although gas chimneys are developed in both two arcas，thcre are obvious differences in shapes，scales，inner structures，and contact relations with surrounding rocks．(2)The Pli。cene normal faults and the Pleistocene detachment faults were well developed in the Shenhu area since the Late Miocene；the former ones are considered to be the lateral pathways for fluid migration，while the latter ones be the“escaping pathways”to seafloor because of their good connection between gas chimneys and seafloor．(3)Large-scale faults are well develoPed deep in the LW3-1 area,and arc shown as grabens／horsts in profile,It is concluded that gas chimneys and large-scale faults connecting source rocks in the LW3-1 area have a higher Vertical transport capacity compared to these in the Shenhu area,which may be the main reason why the fluid migration conditions in the two areas with only 25km apart are totally different．

Keywords：natural gas hydrate，fluid migration，gas chimney，gas source，Shenhu area，LW3-1，Northern South China Sea

神狐天然氣水合物(以下簡稱水合物)鉆探區(qū)和LW3-1井區(qū)均位于南海北部陸坡珠江口盆地珠二坳陷，其平面相距約為25km(圖1)。區(qū)域地質研究表明，珠江口盆地始新統(tǒng)文昌組和漸新統(tǒng)恩平組是區(qū)域主力烴源巖系^[1]。廣泛發(fā)育的底辟構造、高角度的斷裂和垂向裂隙系統(tǒng)構成了神狐海域水合物主要的運移通道，并在淺部合適的儲集體中聚集成藏^[2-3]。因此，在前期的研究中，認為熱成因甲烷是神狐海域水合物的重要氣源^[4]。然而，從2007年廣州海洋地質調查局在神狐海域實施的水合物鉆探結果來看，地球化學分析結果顯示水合物中的甲烷主要表現(xiàn)為微生物成因氣的特征^[5-6]。水合物鉆探區(qū)與LW3-1井區(qū)相隔約25km，兩個區(qū)域內含氣流體運移通道是否存在著差異，這種差異是否暗示了流體運移能力的不同，這就成為解決鉆探區(qū)內水合物成藏的關鍵問題之一。筆者選取神狐水合物鉆探區(qū)和LW3-1井區(qū)作為分析和對比研究對象，利用高精度2D／3D地震資料的解釋成果，分析兩個區(qū)域的構造樣式和平面分布特征，展示不同區(qū)域內流體運移通道的差別，進而探討其流體運移能力的差異。

 

1　區(qū)域地質背景

珠江口盆地是位于南海北部大陸架上的中、新生代沉積盆地。盆地呈NE方向展布，具有“三隆兩坳”的構造格局，從北至南依次為北部斷階帶、北部坳陷帶、中央隆起帶、南部坳陷帶和南部隆起帶等5個一級構造單元^[7]。神狐水合物鉆探區(qū)和LW3-1井區(qū)均位于白云凹陷南側(圖1)。以區(qū)域“破裂不整合面——T7，界面”為界，珠江口盆地的構造演化可劃分為兩個階段：斷裂階段和裂后階段^[8]。同樣以T7界面為界，盆地垂向上構成了下斷上坳的雙層結構和先陸后海的沉積組合^[9]。整個盆地的沉積充填為古新統(tǒng)—下統(tǒng)新統(tǒng)的沉積地層(包括神狐組、文昌組和恩平組)，以及古新統(tǒng)—下漸新統(tǒng)的沉積地層(珠海組、珠江組、韓江組、粵海組和萬山組)。沉積環(huán)境也發(fā)生了由陸向海、水向深水、由過補償向欠補償的演變(圖2)。

 

近年來，珠江口盆地是南海北部重要的深水勘探目標。已有的鉆井資料表明，深部始新統(tǒng)文烴源巖現(xiàn)今大部分已過成熟，漸新統(tǒng)恩平組烴源前仍處于生烴高峰期^[11]。淺部中中新世以來韓窆粵海組和萬山組成熟度低、厚度大，泥巖及有機質高，是良好的生物氣源巖^[12]。

神狐水合物鉆探區(qū)位于珠江口盆地珠二坳陷凹陷內，水深范圍介于900～1500m，北側以神起和番禺低隆起為界，南側以南部隆起帶為界(圖1)。鉆探區(qū)中新世以來的地層中可以觀察到氣煙囪、高角度正斷層和裂隙系統(tǒng)等，這些構造樣式有助于熱成因或微生物成因氣體向淺層的運移和聚集，從而為水合物的形成和富集提供有利條件^[2]。LW3-1井區(qū)位于白云凹陷東部LW3-1斷背斜構造上，水深約為1500m，區(qū)域內溝通深部的底辟構造和斷層較為發(fā)育。從LW3-1-1井珠江組和珠海組4個氣層(深度3000～3500m)天然氣樣品的地球化學分析來看，烴類組分主要為甲烷、乙烷及乙烷以上的重烴組分，天然氣C1／C2小于20，具有明顯的干酪根裂解氣特征，暗示其與深部恩平組及珠海組烴源巖具有成因聯(lián)系^[13]。干酪根裂解氣有可能沿著底辟構造或溝通深部的斷層向上運移至珠江組的砂質儲層中。

2　構造樣式對比

2．1　神狐水合物鉆探區(qū)

氣煙囪(流體底辟)的出現(xiàn)一般代表了氣體在一個密閉條件很差的環(huán)境中，烴類聚集過程中的遷移^[14]。從世界上典型水合物富集區(qū)的調查研究結果來看，水合物的存在往往和氣煙囪具有密切的關系^[15-17]。在神狐水合物鉆探區(qū)，氣煙囪非常發(fā)育，且和BSRs(似海底反射，bottom simulating reflectors)分布具有一定的匹配關系，在鉆前預測中被作為水合物存在的證據之一(圖3) ^[18]。在地震剖面上，由于氣煙囪內氣體濃度和圍巖的差異所導致的速度異常，可以觀察到明顯的反射特征差異，整體的形態(tài)為直立狀，并使得地震反射具有雜亂、模糊和空白反射的特征。在氣煙囪的頂部，可以觀察到一“強振幅反射區(qū)”，其存在可能暗示了氣煙囪的頂部存在游離氣(圖4)。盡管在部分地震剖面上，BSR的強反射軸和氣煙囪頂部的強反射軸因為重疊而難以區(qū)分，但是二者具有明顯的區(qū)別：①規(guī)模不同，前者是反射層，而后者是反射區(qū)；②形成原因不同，前者是由于底部的游離氣聚集而產生的波阻抗差導致，而后者是由于流體對氣煙囪頂部的充填而產生的地震波高頻信號吸收導致；③意義不同，前者只是一個物理界面，是大波阻抗差的體現(xiàn)，而后者是地層區(qū)塊，是流體充注的結果。

 

 

神狐水合物鉆探區(qū)內沒有明顯的大尺度斷層，但是上新世地層中發(fā)育一些與氣煙囪相溝通正斷層(圖4-a)。這些斷層的存在為含氣流體的側向運移提供了通道，斷層附近存在的一些雜亂反射特征可作為流體發(fā)生短距離側向運移的證據(圖4-a)。此外，在更新世以來的地層中，鉆探區(qū)內廣泛發(fā)育滑移沉積體(圖4-b)。在重力的誘導下，沉積層將順著滑脫斷層，沿著陸坡坡降的方向線由北向南發(fā)生整體的滑動。這些滑脫斷層呈雁列式排列，通?？梢詼贤鉄焽韬秃５?/span>(圖4-b)?；摂鄬拥拇嬖谝环矫婵梢宰鳛榱黧w逃逸至海底的通道，另一方面也可為水合物的形成提供有限的空間，從而形成一些小規(guī)模的裂縫充填型水合物^[19]。

2．2　LW3-1井區(qū)

珠江口盆地白云凹陷油氣勘探成果證實，該區(qū)域深水區(qū)發(fā)育大量的大型底辟(中央底辟帶)。這些底辟構造主要發(fā)育于深部文昌組和恩平組，其形成可能與這兩套烴源巖層的高溫、超壓特征有關^[20]。在底辟構造的頂部也可以觀察含氣亮點異常反射，這種反射特征暗示流體沿著底辟構造發(fā)生了垂向的運移和疏導，構成了珠江口盆地古近系油氣輸送至新近系儲層中的油氣成藏模式^[21]。

LW3-1井區(qū)的底辟構造呈直立窄柱狀，一般不會引起周緣地層的向上牽引，且少有伴生斷層(圖5)。在這一區(qū)域的西南部發(fā)育有一個小型底辟構造(氣煙囪)，平面位置見圖3。地震剖面上可以觀察到內部具有雜亂反射的特征，且局部存在著同相軸下拉的現(xiàn)象，這個小型的流體底辟可刺穿至海底，在海底表面可能導致了麻坑的形成(圖5-b)。

 

同時，在LW3-1井區(qū)北部和西部發(fā)育了若干條大尺度斷層，平面上呈平行的近W—E向展布(圖3)，這些斷層發(fā)育于深部的漸新統(tǒng)，至上新世和更新世仍在活動(圖6)。大尺度斷層的發(fā)育使得LW3-1井區(qū)的地層表現(xiàn)為地塹／地壘的特征(圖6)。由于大尺度斷層溝通了深部的烴源巖系，可以作為下部烴源巖向上運移的重要疏導體系。通過區(qū)域上含氣層位同位素和流體包裹體的分析，也證實了大尺度斷層作為運移通道的有效性^[22]。

 

3　流體運移通道類型及對比

通過上述對構造樣式的解剖和平面分布的描述，可以發(fā)現(xiàn)流體底辟和斷層是這兩個區(qū)域內晚中新世以來主要的流體運移通道類型，但無論是氣煙囪還是斷層樣式，在上述的兩個區(qū)域中都存在著明顯的差異。

3．1　流體底辟(氣煙囪)

氣煙囪在珠江口盆地白云凹陷內十分發(fā)育(圖3)，都具有內部同相軸橫向連續(xù)性變差，呈雜亂—空白反射的特征，局部可見因氣體充注造成的低速異常而導致的同相軸下拉現(xiàn)象(圖4、5)。但是，通過對比研究發(fā)現(xiàn)，氣煙囪在形態(tài)和內部結構上存在著以下明顯的不同。

1)形態(tài)及規(guī)模。神狐水合物鉆探區(qū)的氣煙囪多呈窄柱狀、寬柱狀或蘑菇狀，規(guī)模較大，刺穿晚中新世地層，頂部往往影響至更新世底界面；而LW3-1井區(qū)的氣煙囪剖面上呈直立的窄柱狀，規(guī)模較小，局部可刺穿至海底。

2)內部結構。兩個地區(qū)的氣煙囪都具有明顯的下拉特征，但水合物鉆探區(qū)的氣煙囪其內部可進一步劃分為雜亂反射帶、空白反射帶^[23]和頂部強振幅反射區(qū)，而LW3-1井區(qū)多表現(xiàn)為雜亂空白反射特征。

3)③與周圍地層的關系。水合物鉆探區(qū)氣煙囪頂部的強振幅反射多具有不連續(xù)一斷開的特征，可能暗示由于流體不均勻充注而造成的地震波高頻信號不均勻吸收，但LW3-1井區(qū)的氣煙囪周圍的地層很少具有牽引上翹的特征。

通常情況下，底辟是流體運移的良好通道，但不同發(fā)育程度的底辟構造對流體的運移能力存在差異。底辟發(fā)育程度越高，運移能力越強；反之，則越弱。底辟在地震剖面上的內部同相軸形態(tài)及反射特征、突破上覆地層深度以及與周緣地層的接觸關系可以間接展示底辟的發(fā)育程度^[24]。

3．2　斷層

整個新生代，南海四周處于不同應力場之中，形成不同類型的大陸邊緣。東部為擠壓背景，南部為俯沖背景，西部為剪切背景，而北部為拉張背景^[25-26]。研究區(qū)內發(fā)育的近W—E向大尺度斷層可能是南海北部拉張應力環(huán)境的表征(圖3和圖6)。這些大尺度斷層集中發(fā)育在LW3-1井區(qū)的北部。

水合物鉆探區(qū)雖不發(fā)育大尺度斷層，但是上新世正斷層和更新世滑脫斷層則非常發(fā)育。其中上新世正斷層可作為流體的側向運移通道，與氣煙囪一起共同擴大了含氣流體垂向運移所能影響的范圍。而更新世的滑脫斷層更多地表現(xiàn)為含氣流體至海底的逃逸通道。

3．3　流體運移通道類型

綜上所述，神狐水合物鉆探區(qū)和LW3-1井區(qū)的含氣流體垂向運移通道均表現(xiàn)為復合的運移通道類型。其中，水合物鉆探區(qū)為氣煙囪+上新世正斷層，更新世的滑脫斷層可以作為流體向海底逃逸的通道，可能對水合物的形成起到“負效應”的作用；而LW3-1井區(qū)則為氣煙囪+大尺度斷層。從斷層的規(guī)模而言，大尺度斷層對深部干酪根裂解氣的垂向輸送能力更強。白云凹陷北部LH19-1-1井含氣層的氣體同位素分析數據證實，熱成因甲烷(d¹³C>-30%)已經在1000m的淺層出現(xiàn)^[22]。這種特征一方面證實在相似的背景中，LW3-1井區(qū)中的大尺度斷層對深部地層熱成因氣體垂向疏導的也具有相似的有效性，即能夠將文昌組和恩平組的天然氣運移至淺部地層。

4　結論

1)神狐水合物鉆探區(qū)200m處表現(xiàn)為微生物成因氣體的特征，而LW3-1井區(qū)的淺部地層推測主要為熱成因氣體，分析認為，造成這種現(xiàn)象的原因很可能與這兩個區(qū)域內的流體運移效能相關，即神狐水合物鉆探區(qū)以溝通深部的氣煙囪+上新世的正斷層作為流體的復合運移通道，輸送效能較差；而LW3-1井區(qū)以溝通深部的氣煙囪+溝通深部的大尺度斷層作為流體的復合運移通道，更多的熱成因氣體能夠被輸送至淺部的地層之中。

2)在不同輸送條件下，來自深部的熱成因氣體在垂向運移過程中是否會發(fā)生同位素分餾，而輸送效能的差異是否會對同位素分餾造成影響，同位素分餾作用在水合物形成和聚集過程中發(fā)揮的作用，這些是值得進一步研究和思考的問題。

 

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本文作者：喬少華  蘇明  楊睿  蘇丕波  匡增桂  梁金強  吳能友

作者單位：中國科學院廣州能源研究所

  中國科學院廣州天然氣水合物研究中心

  廣州海洋地質調查局

  中國科學院大學