劉峻橋,楊博欽

(1.廣東石油化工學(xué)院 石油工程學(xué)院；2.廣東省非常規(guī)能源工程技術(shù)研究中心，廣東 茂名 525000)

天然氣水合物屬于高效清潔的替代型能源，在自然界中儲(chǔ)量巨大。隨著海洋油氣勘探的不斷深入，天然氣水合物區(qū)流體運(yùn)移對(duì)水合物成藏控制作用的研究已經(jīng)成為海洋油氣資源勘探部署不可回避的工作。我國(guó)南海海域天然氣水合物勘探實(shí)例揭示斷裂作為重要的流體運(yùn)移通道，對(duì)水合物與傳統(tǒng)油氣運(yùn)聚成藏均具有重要作用。受控于斷裂帶復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，斷裂在垂向輸導(dǎo)流體過(guò)程中受蓋層遮擋作用，會(huì)發(fā)生側(cè)向分流作用形成傳統(tǒng)油氣藏[1]，而突破蓋層的烴類流體運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶形成水合物藏[2]。天然氣水合物和傳統(tǒng)油氣資源成藏并不是完全孤立的，它們之間具有一定的共生關(guān)系。傳統(tǒng)油氣藏與天然氣水合物藏存在縱向空間分布上的共生關(guān)系主要取決于烴類流體的垂向輸導(dǎo)通道[3]，水合物藏和傳統(tǒng)油氣藏垂向共生已得到廣泛證實(shí)(表1)。因此，有效分析水合物藏與傳統(tǒng)油氣資源垂向共生關(guān)系，對(duì)于提高斷裂輸導(dǎo)條件下天然氣水合物成藏規(guī)律的認(rèn)識(shí)、降低勘探風(fēng)險(xiǎn)和成本以及豐富油氣地質(zhì)理論均具有重要意義。

表1 世界各地天然氣水合物藏與傳統(tǒng)油藏分布情況

1 氣源共生關(guān)系及烴類流體運(yùn)移方式

1.1 氣源共生關(guān)系

無(wú)論是天然氣水合物，還是傳統(tǒng)油氣資源，其成藏均需要充足的油氣源供給。研究結(jié)果顯示，由于多數(shù)水合物穩(wěn)定帶中沉積物厚度較小且總有機(jī)碳含量較低，在水合物穩(wěn)定帶內(nèi)部通過(guò)微生物作用形成的甲烷不足以形成厚的水合物層，因此，淺部的微生物成因氣和深部熱成因氣共同作為水合物成藏的主要?dú)庠碵14]。大量天然氣水合物鉆探結(jié)果均表明水合物中的氣體組分為微生物成因或混合成因類型，如墨西哥灣、黑海以及挪威海等地區(qū)，但鄂霍次克海北部Derugin盆地、毛啃氣普拉德霍灣以及中國(guó)的南海白云凹陷的鉆探結(jié)果充分顯示了深部熱成因氣在水合物聚集成藏過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。具有熱解氣源的天然氣水合物藏一般來(lái)源于深部成熟烴源巖或泄露的油氣藏[12]。例如墨西哥灣西北陸坡Green Canyon 185區(qū)塊內(nèi)水合物中的氣體與其深部Jolliet油氣藏中所獲取的樣本基本一致，近期斷層活動(dòng)運(yùn)移的氣體大部分來(lái)自于Jolliet油氣藏，充足的氣源為水合物成藏提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[4]。世界范圍內(nèi)地化分析證實(shí)天然氣水合物甲烷成因類型既有生物氣成因類型，也有熱解成因氣類型[2]，多重證據(jù)均表明天然氣水合物與傳統(tǒng)油氣藏在來(lái)源與空間分布上存在耦合共生關(guān)系。

1.2 流體運(yùn)移方式

受原位生成的微生物氣不能滿足水合物成藏的影響，流體運(yùn)移是形成厚層水合物的重要途徑。擴(kuò)散和對(duì)流是氣體運(yùn)移的2種主要方式，擴(kuò)散是指溶解于水中的烴類流體借助濃度梯度運(yùn)移的方式，對(duì)流是指烴類流體借助于流體或以游離狀態(tài)方式運(yùn)移的機(jī)制。通常情況下，對(duì)流是一種高效能的運(yùn)移方式，有利于聚集形成傳統(tǒng)油氣藏或水合物藏。

隨著水合物勘探的不斷推進(jìn)，對(duì)天然氣水合物成藏氣源輸導(dǎo)通道的研究也不斷深入。Tréhu等[15]依據(jù)游離氣的運(yùn)移機(jī)制將天然氣水合物成藏分為匯聚高通量型和分散低通量型2種模式：匯聚高通量型天然氣水合物成藏模式，甲烷氣體表現(xiàn)為高通量、高濃度的匯聚流運(yùn)移特征，形成高飽和度的天然氣水合物藏；分散低通量型天然氣水合物藏缺乏高效能的輸導(dǎo)通道，流體運(yùn)移彌散，只能形成分散型低飽和度天然氣水合物藏。斷裂作為高效能運(yùn)移通道存在且氣體供應(yīng)充足的情況下，流體很容易運(yùn)移至淺表層[16]。

2 斷裂輸導(dǎo)通道

斷裂、底辟構(gòu)造、氣煙囪以及高滲透層通常被認(rèn)為是烴類流體運(yùn)移的主要通道，而斷層通常被視為聚集型流體運(yùn)移最根本的通道[17]。斷裂作為傳統(tǒng)油氣成藏主要的輸導(dǎo)通道已經(jīng)被包括我國(guó)的松遼盆地、渤海灣盆地以及塔里木盆地等富油氣區(qū)廣泛證實(shí)。并且在天然氣水合物勘探研究中也已發(fā)現(xiàn)斷裂作為高滲透性的通道對(duì)深部烴類流體向上運(yùn)移形成水合物藏起到了至關(guān)重要的作用，很大程度上也決定了水合物的分布與規(guī)模(表2)。例如，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在我國(guó)南海神狐海域于2007年和2015年先后進(jìn)行了GMGS1和GMGS3天然氣水合物鉆探，兩次鉆探區(qū)均位于珠江口盆地白云凹陷，鉆探顯示該區(qū)域長(zhǎng)期活動(dòng)的大斷層與BSR發(fā)育具有良好的匹配關(guān)系，具有高效能運(yùn)移通道的GMGS3鉆探區(qū)由于深部熱成因氣的貢獻(xiàn)，其水合物規(guī)模和飽和度較缺乏高效能輸導(dǎo)通道且以淺層生物氣為主的GMGS1鉆探區(qū)高[18]。

表2 世界上天然氣水合物區(qū)流體運(yùn)移通道情況

珠江口盆地東部海域天然氣水合物成藏系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域發(fā)育有大量的深大斷裂，斷裂下部由于受流體運(yùn)移的影響，地震剖面上呈現(xiàn)出雜亂反射的特征，正是這些斷裂組成的斷裂帶活動(dòng)及其伴生微裂縫的發(fā)育，為深部流體向上運(yùn)移提供了高效能的輸導(dǎo)通道，而地震剖面上顯示出來(lái)的“氣煙囪”只是流體沿?cái)嗔褞н\(yùn)移時(shí)的地球物理響應(yīng)，斷層上方形成的水合物丘和淺表地球物理異常是高通量流體沿?cái)嗔汛瓜蜻\(yùn)移的主要標(biāo)志(圖1)[27]。泥底辟作為含氣流體輸導(dǎo)通道，在其形成演化過(guò)程中，受構(gòu)造應(yīng)力和流體壓力“交互式”作用，能夠形成不同規(guī)模的斷裂和裂縫系統(tǒng)，為深部含氣流體向淺層運(yùn)移提供輸導(dǎo)通道(圖2)[28]。眾多研究均證實(shí)了斷裂是深部熱成因氣體和下部生物氣垂向運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶的主要輸導(dǎo)通道。此外，印度KG盆地NGHP-01-10站位并沒(méi)有明顯的BSR存在，該站位位于兩套主要的共軛斷裂交匯的三角形區(qū)域內(nèi)，復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)為游離氣從深部運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶提供了高效的通道[23]。

圖1 珠江口盆地東部海域斷裂高效輸導(dǎo)流體運(yùn)聚系統(tǒng) 圖2 底辟輸導(dǎo)體系輸導(dǎo)流體模式

3 深部油氣藏、淺層油氣藏與水合物共生模式

深部烴源巖熱解形成的油氣或淺部生物氣在沿?cái)嗔汛瓜蜻\(yùn)移過(guò)程中，受到不同的儲(chǔ)蓋組合分布特征、圈閉保存條件以及溫壓等地質(zhì)條件的影響，通常會(huì)在深水區(qū)形成深部油氣藏、淺部形成淺層油氣藏以及深水海底超淺層形成水合物藏。結(jié)合深部油氣藏、淺層油氣層以及天然氣水合物藏成因及沿?cái)嗔逊植继卣鳎梢詫⑷叽瓜蚬采Ｊ絼澐譃?種類型(圖3)。

圖3 斷裂控制下天然氣水合物與傳統(tǒng)油氣共生關(guān)系模式

(1)深部油氣藏孤立成藏模式。深部烴源巖生成的油氣沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移，在深部封閉能力較強(qiáng)的蓋層遮擋作用下，在合適的圈閉內(nèi)形成的構(gòu)造或巖性油氣藏。由于蓋層的封蓋作用，僅在深部形成油氣藏，因此為深部油氣藏孤立成藏模式(圖3a)。(2)淺層油氣藏孤立成藏模式。淺層油氣藏油氣來(lái)源有3種：①烴源巖生成的油氣沿?cái)嗔汛瓜蜉攲?dǎo)至淺層聚集成藏；②深部油氣藏垂向調(diào)整至淺層聚集成藏；③淺層有機(jī)質(zhì)生物化學(xué)作用形成的生物氣藏。在深部油氣藏未形成或全部向上調(diào)整逸散，且在淺層保存條件良好情況下，可形成淺層油氣藏孤立成藏模式(圖3b)。(3)天然氣水合物孤立成藏模式。天然氣水合物形成的氣源主要來(lái)自淺層生物氣和深部熱解氣，此模式主要有3種情況：①淺層生物氣沿?cái)嗔堰\(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶形成水合物藏；②深部熱成因氣沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶形成孤立的天然氣水合物藏；③深部熱解氣與生物成因氣均沿?cái)嗔演攲?dǎo)至水合物穩(wěn)定帶形成水合物藏。受輸導(dǎo)通道發(fā)育特征或深、淺層油氣保存條件影響，該模式僅發(fā)育天然氣水合物藏(圖3c)。(4)深部油氣藏與水合物藏共生模式。該模式存在3種情況：①烴源巖生成的油氣被深層適當(dāng)圈閉捕獲形成深部油氣藏，同時(shí)，部分油氣沿?cái)嗔牙^續(xù)向上運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶形成水合物藏；②烴源巖生成的油氣沿?cái)嗔汛瓜蜻\(yùn)移至合適圈閉內(nèi)形成深部油氣藏，同時(shí)，淺層生物氣沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移形成水合物藏；③烴源巖生成的油氣運(yùn)移形成深部油氣藏，部分油氣突破蓋層繼續(xù)向上運(yùn)移與淺層生物氣共同形成水合物藏(圖3d)。由于天然氣水合物達(dá)到一定濃度條件時(shí)本身就是良好的蓋層，在高通量運(yùn)移條件下，水合物藏之下通常發(fā)育淺層氣藏。因此，形成水合物藏但淺層未見(jiàn)游離氣藏一般代表沒(méi)有高通量流體供給。(5)深部油氣藏與淺層油氣藏共生模式。此種模式下，淺層油氣藏氣源來(lái)自深部烴源巖、淺層生物氣或二者共同供給，而深部油氣藏主要來(lái)自深部烴源巖(圖3e)。導(dǎo)致超淺層未形成水合物藏的原因可能是：淺部存在良好的蓋層封堵或水合物穩(wěn)定帶內(nèi)不具備相應(yīng)的溫壓等成藏條件。(6)淺層油氣藏與水合物藏共生模式。深部烴源巖生成的油氣直接運(yùn)移至淺層形成淺層油氣藏以及超淺層的水合物藏；淺層生物氣沿?cái)嗔堰\(yùn)移同時(shí)形成水合物藏與淺層油氣藏(圖3f)；早期形成淺層油氣藏，后期斷裂再活動(dòng)調(diào)整部分油氣運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶形成水合物藏。(7)深部油氣藏、淺層油氣藏與水合物藏共生模式。深部烴源巖生成的油氣沿?cái)嗔汛瓜蜻\(yùn)移過(guò)程中，在深部及淺層側(cè)向分流至相應(yīng)的圈閉內(nèi)聚集成藏，突破蓋層持續(xù)運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶形成水合物藏。此外，淺層生物氣可以與深部油氣共同為淺部油氣藏和水合物藏提供來(lái)源(圖3g)。深部油氣藏形成后遭受破壞，可以作為淺層油氣藏及水合物藏的來(lái)源，淺層油氣藏也可以作為水合物藏的來(lái)源。

4 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)油氣藏與天然氣水合物藏在烴源供給上具有成因聯(lián)系，輸導(dǎo)斷裂是深部熱成因氣體和淺層生物氣垂向運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶的主要輸導(dǎo)通道，深部油氣藏可為淺層油氣藏及水合物藏提供烴源條件，淺層油氣藏也可為水合物藏提供烴源條件，水合物又可以作為蓋層為淺層油氣層提供遮擋作用。(2)深部油氣藏、淺層油氣藏及天然氣水合物藏在縱向上沿?cái)嗔丫哂幸欢ǖ墓采M合關(guān)系，按照三者垂向分布關(guān)系可以劃分為深部油氣藏孤立成藏模式、淺層油氣藏孤立成藏模式等7種共生模式。