寧伏龍 梁金強 吳能友 祝有海 吳時國 劉昌嶺 韋昌富 王冬冬 張 準 徐 猛 劉志超 李 晶 孫嘉鑫 歐文佳

1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院 2.自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室·中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 3.自然資源部天然氣水合物重點實驗室·中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所 4.自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心 5.中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所 6.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所

1 中國水合物勘探開發(fā)現(xiàn)狀

天然氣水合物（以下簡稱水合物）被譽為繼煤層氣、致密氣、頁巖氣之后最具有潛力的接替清潔能源，其儲量十分巨大，正成為全球主要大國能源競爭的戰(zhàn)略高地。中國擁有豐富的水合物資源，僅南海北部陸坡水合物遠景資源量就達數(shù)百億噸油當(dāng)量。水合物產(chǎn)業(yè)化開發(fā)對緩解中國能源供需矛盾、改善能源消費結(jié)構(gòu)、保障能源戰(zhàn)略安全和建設(shè)生態(tài)文明都具有重要的作用和戰(zhàn)略意義。

經(jīng)過20年的努力，中國在水合物基礎(chǔ)科學(xué)、成藏理論、儲層物性、勘查與試采關(guān)鍵技術(shù)以及環(huán)境效應(yīng)等方面取得了豐碩的成果，水合物產(chǎn)業(yè)化正在穩(wěn)步推進。在陸域，中國地質(zhì)調(diào)查局從2002年開始在青藏高原羌塘盆地[1-2]、祁連山木里盆地[3-6]、風(fēng)火山—烏麗地區(qū)[7-8]、東北漠河盆地等[9]凍土區(qū)開展了地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、遙感、地質(zhì)鉆探、試采等方面的工作[9-11]。其中2008年在木里地區(qū)永久凍土帶首次鉆獲水合物的實物樣品[6]，并于2011和2016年在該區(qū)域進行了兩次試采，建立了祁連山水合物長期觀測基地。盡管試采產(chǎn)量不高，但兩次試采所用的直井和水平對接井技術(shù)為后續(xù)我國海域水合物試采工程實施提供了非常寶貴的經(jīng)驗。在海域，先后于2007、2013、2015、2016、2018和2019年實施了6次水合物鉆探計劃（GMGS1～GMGS6）[12-17]，獲取了海量多學(xué)科地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，在神狐、東沙和瓊東南海域發(fā)現(xiàn)了多種類型的高品位水合物儲層，圈定了6個資源遠景區(qū)、29個區(qū)帶、25個區(qū)塊，證實兩個超千億立方米級水合物礦藏，取得了一系列重大找礦成果。尤其是2017年在南海神狐海域成功實施了中國首次海域水合物試采工程，分別試驗了基于井筒降壓的深層水合物開采工藝和基于固態(tài)流化法的淺層水合物開采工藝[18-20]。同年，水合物被列為中國第173個礦種，并在南海開始建設(shè)兩個水合物勘查開采先導(dǎo)試驗區(qū)。2020年中國海域水合物第二輪試采又取得重大突破，攻克了深海淺軟地層水平井鉆采核心關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗性試采”的重大跨越[21]。

總體來看，中國水合物勘探開發(fā)已取得局部領(lǐng)跑優(yōu)勢，正進入試采到商業(yè)開發(fā)的過渡階段。下一步要實現(xiàn)從試驗性試采向生產(chǎn)性試采跨越，就必須突破制約其安全高效開采的瓶頸難題，而這有賴于對水合物賦存地質(zhì)特征的精準認識，有賴于地質(zhì)—工程—環(huán)境一體化開發(fā)理念的有效實施。值此承前啟后的關(guān)鍵階段，筆者系統(tǒng)梳理和分析了中國水合物賦存地質(zhì)特征，以期為后續(xù)水合物儲層地質(zhì)甜點、工程甜點及環(huán)境甜點評價提供參考數(shù)據(jù)，為地質(zhì)—工程—環(huán)境一體化的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展思路提供方向性的建議。

2 中國水合物賦存特征

2.1 分布特征

自然界水合物成藏通常需要4項基本條件，即低溫高壓環(huán)境、充足的氣源、水相的存在、流體運聚通道與空間。這決定了中國水合物主要分布于陸上高海拔、高緯度的凍土區(qū)和海上深水沉積物中，且往往富集在常規(guī)油氣或煤發(fā)育且構(gòu)造活躍的盆地內(nèi)。這是因為前者滿足低溫高壓和水相條件，后者可以提供充足的氣源和流體運聚通道。20年的地質(zhì)調(diào)查成果表明：陸上凍土區(qū)中青藏高原和東北大小興安嶺是水合物主要賦存地帶，但僅在青藏高原的木里盆地鉆獲水合物實物樣品[22]。其他潛在分布區(qū)：①東北大小興安嶺凍土區(qū)，包括漠河盆地和根河盆地；②青藏高原，主要包括羌塘盆地、祁連山哈拉湖地區(qū)、唐古拉山溫泉盆地、昆侖山埡口斷陷盆地和沱沱河盆地烏麗地區(qū)。凍土層厚度介于100～300 m，而水合物層推測埋深一般不超過800 m，厚度介于8.5～200 m，普遍小于80 m[22]（表1）。海上深水區(qū)水合物主要分布于南海北部陸坡的東沙海域、神狐海域、瓊東南海域（圖1-a）以及東海的沖繩海槽，水深多介于 900 ～ 1 500 m[21,51-52]，且皆獲得了取樣證實。這些深水區(qū)所在盆地包括珠江口盆地、瓊東南盆地、臺西南盆地、西沙海槽盆地以及東海沖繩海槽盆地等。水合物主要賦存于海底以下300 m以內(nèi)未成巖地層中，橫向連續(xù)性較好，但縱向非均質(zhì)強，通常包含多個礦層，厚度最高可達90 m[39]。

2.2 構(gòu)造與沉積特征

陸上青藏高原羌塘盆地是晚古生代裂谷演化背景上發(fā)育起來的疊合盆地，有巨厚的海相和陸相沉積地層，上三疊統(tǒng)肖茶卡組、中侏羅統(tǒng)布曲組、夏里組和上侏羅統(tǒng)索瓦組為分布最廣的烴源巖。祁連山木里盆地地處青藏高原北部，是一個在早古生代構(gòu)造演化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的晚古生代—中生代坳陷。坳陷內(nèi)主要發(fā)育4套烴源巖，成熟度高且存在煤層氣，水合物氣源條件良好[4-5]。水合物主要賦存于中生代中侏羅統(tǒng)江倉組（圖1-b），該地層中存在著區(qū)域主斷層和裂縫系統(tǒng)[53]。祁連山哈拉湖地區(qū)與木里地區(qū)有著相似的水合物成藏條件，同屬于南祁連盆地次級凹陷，構(gòu)造上受南北兩側(cè)斷裂控制，尤其是疏勒南山南緣的深大斷裂構(gòu)造。該區(qū)主要發(fā)育下二疊統(tǒng)草地溝組、中下三疊統(tǒng)大加連組碳酸鹽巖及上三疊統(tǒng)尕勒得寺組暗色泥巖3套烴源巖，烴源巖條件相對較差[54]。昆侖山埡口地區(qū)為上新世—中更新世斷陷盆地，沉積了較厚的新近系—第四系沉積物。唐古拉山溫泉盆地是上覆于侏羅紀前陸盆地之上的第四紀盆地，侏羅系布曲組、夏里組、索瓦組為烴源巖層，盆地的兩側(cè)發(fā)育溫泉斷層[35]。而青海烏麗地區(qū)屬唐古拉地層區(qū)，潛在烴源巖主要如下：中二疊統(tǒng)九十道班組、上二疊統(tǒng)那益雄組、上三疊統(tǒng)巴貢組、新近系中新統(tǒng)—漸新統(tǒng)雅西措組等[32-33]，水合物主要發(fā)育在上二疊統(tǒng)那益雄組。漠河盆地為中生代陸相盆地，二十二站組和漠河組為區(qū)內(nèi)最重要的生烴和儲集層系。根河盆地沉積地層主要是石炭系和侏羅系，烴源巖主要在石炭系紅水泉組、莫爾根河組、中侏羅統(tǒng)及上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組。

表1 中國水合物分布與地質(zhì)構(gòu)造特征表

圖1 南海北部水合物分布圖及中國典型含水合物地層綜合柱狀示意圖

海上南海北部陸坡深水區(qū)是目前水合物調(diào)查程度最高的區(qū)域，其構(gòu)造上屬被動陸緣、準被動陸緣并過渡至東部活動碰撞邊緣，發(fā)育活動斷裂、底辟構(gòu)造、氣煙囪、滑塌堆積、斷裂坡折帶和海底砂質(zhì)濁積體，為水合物的形成和富集提供了重要的運聚體系[55-57]。其中位于珠江口盆地的神狐海域是中國首個水合物勘查試采示范區(qū)，水合物主要賦存于上新統(tǒng)萬山組和第四系濁流沉積物中[39]。水合物的形成和聚集導(dǎo)致氣體向上遷移變得困難，使得其上部低滲厚層細粒沉積物失穩(wěn)體基本不含水合物，構(gòu)成形式上的儲—蓋組合[58]，共同控制著神狐海域水合物的產(chǎn)出與分布。其下部的古近系始新統(tǒng)文昌組和漸新統(tǒng)恩平組是熱成因天然氣的主要烴源巖，而淺部新近系珠江組、韓江組等沉積物有機質(zhì)成熟度相對較低，為主要生物氣烴源巖。這些烴源巖為水合物形成提供了充足的氣源（圖1-c）。神狐海域中新世以來逐漸增強的新構(gòu)造運動和高沉積速率使得流體底辟構(gòu)造廣泛發(fā)育，與高角度斷裂和垂向裂隙一同構(gòu)成了神狐海域水合物成藏富集的主要流體運移通道[42,59-60]。東沙海域位于南海北部東沙群島以東地區(qū)， 構(gòu)造上屬于臺西南盆地的中部隆起區(qū)[39]。盆地發(fā)育有4套烴源巖和大量的逆沖斷層及泥底辟，這為水合物的形成提供了良好的氣源和流體運移通道。水合物主要賦存于第四系更新統(tǒng)—全新統(tǒng)沉積物中，主要發(fā)育兩層水合物，上部厚度介于15～32 m，下部厚度介于6～37 m[40,57]。其中滲透率高的砂質(zhì)等深流沉積和滑塌塊體是該區(qū)域最有利于水合物富集的沉積體[61]，并受深部熱解氣和垂直大斷裂的共同控制[40]。西沙海域新生代沉積厚，具有熱解氣和生物氣形成的條件，區(qū)內(nèi)局部地區(qū)也發(fā)育底辟構(gòu)造、張性斷層，部分斷層切穿第四系直到海底，為氣體運移提供了良好的條件[44]。而瓊東南盆地為中國第二個水合物勘查試采示范區(qū)，也是中國重要的常規(guī)油氣富集區(qū)。該區(qū)水合物主要賦存在第四系沉積物中，距海底以下7～158 m范圍內(nèi)。盆地與西沙海域地質(zhì)和沉積條件較為接近，新生代沉積厚，古近紀煤系地層提供熱成因的天然氣，第四系和新近系上新統(tǒng)海相泥巖提供生物天然氣，而沉積層內(nèi)發(fā)育的高壓泥底辟和氣煙囪、以及連通高壓泥底辟和氣煙囪至海底的斷裂，則為天然氣運移提供了通道[62]。如GMGS5-W9站位就位于一個大型氣煙囪的頂部，且在附近發(fā)現(xiàn)了一些正斷層[63]。此外，東海沖繩海槽為弧形深水槽盆，是一個近期仍在擴張、快速沉積的幼年期裂谷構(gòu)造，具有豐富的物質(zhì)來源，為水合物形成提供了良好的地質(zhì)條件。

總體上看，中國凍土區(qū)水合物在構(gòu)造與沉積上具有以下特點：①接受了中生代以來的較厚沉積，石炭系、二疊系、上三疊統(tǒng)和侏羅系是主要烴源巖層，具有良好的氣源條件；②盆地早期經(jīng)歷了構(gòu)造運動，產(chǎn)生的斷裂、裂隙等構(gòu)造為氣體運移提供了良好的通道條件；③凍土層充當(dāng)蓋層。而在海域，從南海到東海：①接受了新生代以來的較厚沉積，為水合物賦存提供了充足的空間和良好的生物成因氣源；②水合物地層和上部低滲透地層充當(dāng)形式上的儲—蓋組合；③處于板塊交界處，大陸邊緣由被動型過渡到主動型，構(gòu)造活動多，泥底辟、氣煙囪和斷裂發(fā)育，從而為下部和周圍豐富的熱成因和生物成因氣源運移提供了所需通道；④砂質(zhì)濁積沉積和厚層細粒滑塌體對其中的水合物富集有重要的控制作用（表1）。

2.3 地溫與熱流特征

中國凍土區(qū)羌塘盆地年平均地表地溫介于－5 ～－3 ℃，地溫梯度為 1.5～1.8 ℃ /100 m[8]。祁連山地區(qū)年平均地表地溫為－2.4～0 ℃，凍土層厚度為8～139.3 m。昆侖山埡口斷陷盆地年平均地表地溫約為－2.9 ℃，凍土厚度為81.5～112 m，凍土帶內(nèi)地溫梯度介于1.6～4.9 ℃/100 m[64]。唐古拉山溫泉盆地凍土厚度為 80～120 m，該區(qū)年均地表地溫常年處于－0.5～0 ℃[35]。烏麗地區(qū)的地溫梯度在0.79～1.48 ℃/100 m。整個青藏高原凍土層內(nèi)的平均地溫梯度可取2.22 ℃/100 m，凍土層下的平均地溫梯度約 4.18 ℃ /100 m[22]。漠河盆地的地表溫度介于－0.5 ～－3.0 ℃，地溫梯度約 1.6 ℃ /100 m[36]。根河盆地凍土層厚度介于80～120 m，年平均地表地溫約－5.4 ℃[37-38]。

相對凍土區(qū)來說，海域水合物儲層具有顯著的高熱流特征[65-66]，熱流值范圍介于28～62 mW/m2間[67-68]。高熱流值也導(dǎo)致海域水合物分布區(qū)域和厚度相對有限，埋藏較淺。但是局部地區(qū)會有異常，主要受地質(zhì)構(gòu)造運動和沉積物礦物組分的影響[69]。其中神狐地區(qū)海底溫度介于3.3～3.7 ℃，地溫梯度為4.5～6.7 ℃ /100 m[42,70]；瓊東南盆地的地溫梯度為3.5～4.25 ℃ /100 m，平均約 4.0 ℃ /100 m[72-73]；東海沖繩海槽則具有相對更高的熱流和地溫梯度，且變化幅度大，地溫梯度平均值約13.4 ℃/100 m，最高達 47.4 ℃ /100 m[50,74-75]（表 2）。

表2 中國天然氣水合物分布區(qū)熱流特征表

2.4 地球化學(xué)特征

2.4.1 巖性與礦物組成特征

中國凍土區(qū)水合物主要賦存于固結(jié)成巖的粗粒巖石孔隙和細粒巖石的裂隙中，并通常與碳酸鹽巖相伴產(chǎn)出[76-77]。如祁連山木里地區(qū)水合物多數(shù)填充于砂巖孔隙、泥巖與油頁巖裂隙中[78]，儲層巖性包括油頁巖、泥巖、粉砂巖、細砂巖、中砂巖[6]，礦物成分以石英和黏土礦物為主，二者總含量超過70%，其次為方解石、白云石、斜長石、鉀長石，同時部分樣品黃鐵礦和菱鐵礦含量較高[79-80]。而青海南部烏麗地區(qū)CO2水合物儲層則主要為細砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，儲層礦物成分也是以石英和黏土礦物為主，其次為與水合物分解密切相關(guān)的自生碳酸鹽和黃鐵礦[7]。較之于中、重稀土，這些凍土區(qū)水合物沉積物中輕稀土（LREE）相對含量高，其他微量元素變化范圍較大，總有機碳含量（TOC）也較高[81]。

中國海域水合物主要賦存于未固結(jié)成巖的粉砂、黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土等沉積物中，甚至直接出露于海底，如“海馬冷泉”和臺灣省東北部沖繩海槽地區(qū)淺表層水合物。其中神狐海域儲層多為富含有孔蟲等古生物化石的黏土質(zhì)粉砂，其次為粉砂質(zhì)黏土[51-52]（圖2-a、b），礦物主要包含石英、伊利石、方解石、白云石、綠泥石、鈉長石、鉀長石、黃鐵礦，以及少量透閃石和巖鹽。其中，伊利石和石英在沉積物中的含量普遍較高，其次為綠泥石和碳酸鹽礦物（方解石和白云石），而其他礦物的含量均較低（質(zhì)量分數(shù)多小于10%）[58,82-83]。沉積物的粒徑主要介于4 ～ 63 μm，中值粒徑介于 8 ～ 16 μm[58,82,84]。東沙海域水合物儲層主體為粉砂質(zhì)黏土夾生物碎屑灰?guī)r沉積物，顆粒粒徑大多數(shù)（約80%）小于20 μm[83]。黏土礦物組合以伊利石、蒙脫石為主，含少量綠泥石、高嶺石；碳酸鹽礦物以文石和方解石為主，偶見鐵、錳白云石和白云石；碎屑礦物以云母、微斜長石、石英、斜長石為主，含少量角閃石、黃鐵礦等，輝石僅在局部層位較為集中[85]。瓊東南海域水合物儲層沉積物以粉砂質(zhì)黏土為主，少量為黏土質(zhì)粉砂[63,86-87]。此外，海域水合物儲層也存在自生碳酸鹽礦物、石膏和黃鐵礦（圖2-c、d），微量元素和總有機碳的組成特征也與凍土區(qū)類似。

圖2 中國陸域和海域典型水合物儲層礦物與巖性特征圖

2.4.2 氣體地球化學(xué)特征

中國陸上凍土區(qū)水合物氣源顯示以深部熱解成因居多（圖3），如祁連山木里地區(qū)屬于熱解油型氣為主的水合物類型[88-89]。凍土區(qū)水合物氣體成分復(fù)雜， 常 含 有 CH4、C2H6、C3H8、CO2、n-C4H10等，C2H6和C3H8的占比較高，最高含量可達21%[90]。尤其在青海烏麗地區(qū)TK-2水合物調(diào)查井發(fā)現(xiàn)氣體組分主要為CO2，含量高達69.66%～99.98%，一般大于90%，CH4含量僅為0.01%～40%，大部分小于10%[7]。而在南海北部陸坡水合物中CH4含量通常大于90%，C2H6和C3H8含量小于10%[17,91]。其中，神狐海域目前鉆獲的樣品以混合成因氣所占比例為最高；東沙海域水合物以生物成因氣為主，而取自南海北部其他水合物調(diào)查區(qū)的海底表層沉積物樣品中，則廣泛存在來自深部的熱裂解氣，暗示了這些區(qū)域深部熱成因氣源充足（圖4）。此外，東海沖繩海槽水合物以生物成因氣為主，除甲烷水合物外，也發(fā)現(xiàn)了大量CO2水合物存在，CO2含量最高可達86%[90]?？傮w看，我國海域水合物的氣源，以混合成因氣為主，生物成因氣和熱成因氣的貢獻同等重要。但微生物成因氣通常不足以形成大規(guī)模的水合物富集礦層[93]，目前的資料顯示南海北部陸坡以熱成因氣為主的水合物資源潛力最大，相關(guān)研究也表明富集水合物的氣體通常為熱成因氣，而非微生物氣[94]。

圖3 中國主要水合物鉆探和調(diào)查區(qū)氣體成因分析結(jié)果圖

圖4 中國含水合物地層地球化學(xué)特征示意圖

2.4.3 離子分布特征

水合物儲層孔隙水中離子表現(xiàn)出明顯的高鹽度、低硫酸根、高碘特征，這與水合物形成時的排鹽效應(yīng)有關(guān)[95]。在凍土水合物區(qū)孔隙水鹽度的變化除與水合物排鹽效應(yīng)有關(guān)外，還與地層水的來源密切相關(guān)[76]。此外，水合物區(qū)淺表層沉積物孔隙水離子濃度在深度上還呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，例如SO42-、Ca2+、Mg2+、Sr2+等離子濃度隨深度呈負異常，Mg2+/Ca2+、Sr2+/Ca2+隨深度增加而增大，生源Ba隨深度顯示高異常[81,96]。因此，與SO42-濃度密切相關(guān)的硫酸鹽甲烷界面（SMI）可以作為示蹤沉積層深部水合物的重要地球化學(xué)方法，SMI界面相對較淺時則可能標志著深部水合物的存在。整個地球化學(xué)特征如圖4和表3所示。

2.5 地球物理響應(yīng)特征

中國陸域水合物儲層的地震學(xué)響應(yīng)特征表現(xiàn)為地震反射波的“高頻”和“弱振幅”（圖5-a），電磁學(xué)響應(yīng)標志則表現(xiàn)為雷達波反射信號的“高頻、強振幅”特征[107,109-111]。而海域水合物儲層的地震響應(yīng)特征最典型的就是似海底反射層（BSR）和振幅空白帶（圖5-b），其通常代表水合物穩(wěn)定帶基底[112]。而在地球物理測井響應(yīng)上，由于固體水合物相對孔隙空間中的流體來說具有更高的縱波速度（vp）和剪切波速度（vs）以及電阻，因此水合物儲層往往表現(xiàn)為相對高的聲波速度和電阻率[113]。如神狐海域的測井顯示，含水合物層vp值由頂部1.87 km/s開始明顯增大，最大值達2.30 km/s，在水合物層底部回落至正常趨勢值1.79 km/s[114]。兩次試采所在水合物儲層的縱波波速平均約為2.03 km/s，而下部由于水和游離氣含量的增加，導(dǎo)致水合物、水和游離氣混合區(qū)的波速迅速回落到1.1～1.7 km/s范圍內(nèi)[18,21]。而電阻率從含水合物層頂部的2.5 Ω·m左右增加到最高7.52 Ω·m左右，升高約3倍。對于凍土區(qū)，由于成巖性好，水合物儲層波速和電阻率通常會高于海域值，如青海木里裂隙型水合物儲層聲波速度范圍為1.5～4.5 km/s，電阻率最高可達90 Ω·m；孔隙型水合物儲層聲波速度范圍為2.0～4.0 km/s，電阻率亦為高值，范圍為90～180 Ω·m[108,115]。烏麗地區(qū)水合物層段視電阻率超過了100 Ω·m，從含水合物層段頂部的約10 Ω·m增加到140 Ω·m[7]。綜合現(xiàn)場測井?dāng)?shù)據(jù)來看，中國典型水合物儲層測井響應(yīng)特征包括：①與飽和水地層相比，水合物層位在電阻率測井曲線上具有相對高的電阻率偏移，海域可達到飽和含水層電阻率的3倍，在凍土區(qū)甚至超過10倍；②與飽和水或游離氣層位相比，含水合物層位波速高；③含水合物層位中子測井孔隙度升高、核磁共振響應(yīng)孔隙度降低；④陸域凍土區(qū)和海域厚層狀水合物儲層（如GMGS2航次）測井響應(yīng)特征總體為高電阻率、高波速、低自然伽馬、低密度等特征[13,108,115]，但海域分散型水合物如神狐海域自然伽馬、密度值則無明顯異常[18,21]。

表3 中國主要水合物區(qū)域地球化學(xué)特征表

圖5 水合物儲層的地球物理響應(yīng)圖

2.6 水合物賦存類型

圖6 中國典型水合物樣品及賦存模式圖[17,51-52,105,116-117]

中國祁連山凍土區(qū)水合物主要以裂隙型和孔隙型兩種狀態(tài)產(chǎn)出，裂隙型水合物多為白色、乳白色，呈薄層狀、片狀、團塊狀，賦存于粉砂巖、泥巖、油頁巖的裂隙面中（圖6-a），肉眼可見，單層僅幾毫米厚。另一種為孔隙型水合物（圖6-c），以浸染狀賦存于細粉砂巖和細砂巖的孔隙中，肉眼不可見[105,118-120]。而中國海域生物成因氣多發(fā)育為薄層狀或分散狀水合物，深部熱解氣則常依附斷層形成厚層狀水合物[92]。GMGS1、GMGS3和GMGS4航次水合物鉆探及2017、2020年的兩次試采顯示，神狐海域水合物主體呈分散狀（圖6-g、k）和厚層狀交替發(fā)育。此外，還有薄層狀水合物，從海底以下幾十米到幾百米均有分布；斷層附近也可見部分水合物，但分布不規(guī)律；偶見斑狀水合物（也就是局部團簇或聚集并零散分布于沉積物中）賦存于孔隙分散狀水合物之下[92,112,121-122]。同時，巖心掃描還發(fā)現(xiàn)有孔蟲殼體內(nèi)也有水合物存在。在東沙海域，GMGS2航次水合物鉆探顯示水合物儲層總體可分兩個層段：①層段一深度介于0～90 mbsf（mbsf表示海底以下深度，單位為m），水合物多呈塊狀、結(jié)核狀、脈狀或?qū)訝畛涮钤诩毩３练e物中（圖6-b、e、f），橫向分布范圍較窄；②層段二深度介于91～226 mbsf，水合物呈分散狀發(fā)育，橫向分布范圍相對較寬[83,123-124]。在瓊東南海域，GMGS5航次水合物鉆探顯示水合物通常呈結(jié)核狀、脈狀、厚層狀、薄層狀和分散狀充填在黏土質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)黏土沉積物中[17,63,87]。此外，東海沖繩海槽也有淺表層露頭水合物（圖6-j）和厚層水合物。綜合上述凍土和海域水合物賦存情況，可將中國水合物與沉積物間的接觸關(guān)系概括為兩種模式：顆粒排擠型（包括裂隙填充、露頭、脈狀、塊狀、瘤狀、層狀）和孔隙浸潤型，后者又可以細分為孔隙填充、接觸膠結(jié)、顆粒包裹、骨架支撐、局部聚集和有孔蟲填充（圖6-M～S）。

2.7 孔滲特征

受成巖影響，中國凍土區(qū)水合物儲層孔隙、裂隙發(fā)育相對海域來說整體性要差，孔隙度為2.2%～25.9%，平均滲透率很低，為0.043～0.099 mD[5,25-27,34,125-129]。而海洋水合物儲層孔、裂隙普遍發(fā)育，整體表現(xiàn)為高孔、低滲和高非均質(zhì)性的典型特點（圖7），孔隙度介于25.9%～60.5%。其中神狐海域整體孔隙比較均勻，以微納米孔為主，喉道呈席狀、彎曲片狀，孔隙直徑介于500 nm～20 μm，是連通性空間的主體；部分有孔蟲處存在大孔隙，局部發(fā)現(xiàn)有裂隙（圖7），整體孔隙度為33%～55%，有效滲透率為0.2～20 mD[15,21,130-136]。東沙海域以微米孔為主，整體孔隙度為30%～60.5%[83,124,137]。西沙海域孔隙度為35%～47%[14-15,132]，有效滲透率為2～20 mD。瓊東南海域依據(jù)不同的估算方式得到的結(jié)果差別較大，孔隙度為25.9%～59.1%[17,52]，但滲透性數(shù)據(jù)還未見報道（表4）?？傮w看，隨著深度增加，孔隙度呈降低趨勢；水合物的存在會降低地層有效滲透率（圖8）?，F(xiàn)有技術(shù)條件下，泥質(zhì)儲層很難看清其微觀三維孔隙結(jié)構(gòu)。以砂質(zhì)為主的顆粒較粗的沉積物和以泥質(zhì)為主的裂隙發(fā)育的細粒沉積物有利于水合物在其中富集[53]。此外，儲層有孔蟲豐度高的區(qū)域，沉積物的孔隙度和滲透性也相對較高，加之有孔蟲發(fā)育豐富的微孔隙，有利于流體的擴散運移（圖7-g、h），促進水合物富集成藏[84,151]。如神狐海域某些水合物儲層砂的平均含量僅為1.4%～4.24%，但水合物飽和度卻高達20%～40%[152]，推測與其中富含的有孔蟲殼體有密切關(guān)系[153-154]。

圖7 中國含水合物沉積物微觀結(jié)構(gòu)圖

2.8 力學(xué)強度特征

中國凍土區(qū)水合物儲層固結(jié)成巖性好，力學(xué)強度高，因此力學(xué)方面研究較少。而海域水合物儲層主要為未成巖的弱固結(jié)沉積物，力學(xué)強度差，對水合物安全開采影響大，因此是研究的難點和熱點。當(dāng)前主要通過原位測試、保壓巖心三軸測試、實驗室重塑樣三軸測試以及聲波測井等方式進行水合物儲層沉積物力學(xué)強度評估，但目前原位測試還無法應(yīng)用于深部含水合物層。南海神狐海域W18/19站位利用輝固公司的WISON系統(tǒng)對水合物上蓋層進行了井下孔壓靜力觸探（CPTU）測試，獲取了錐尖和側(cè)摩阻力以及孔隙水壓力曲線（圖9-a）[155]。根據(jù)經(jīng)驗公式推算泥線以下150 m范圍（包含水合物地層）的剪切強度為0～180 kPa。GMGS4航次中，利用Geotek公司的球閥保壓取樣器（PCTB）獲取了若干組原位巖心樣品，并成功轉(zhuǎn)移至保壓巖心分析與轉(zhuǎn)移系統(tǒng)（PCATS）中，進行了原位應(yīng)力條件下的剪切模量和剪切強度等物性測試[132]。發(fā)現(xiàn)大部分保壓樣品呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化的變形特征，剪切強度為0.3～1.1 MPa，大致處于儲層有效應(yīng)力的0.4～0.9倍范圍（圖9-b）。由于保壓轉(zhuǎn)移測試困難，常采用原位水合物沉積物的重塑樣品進行力學(xué)特性研究[156-160]，實驗數(shù)據(jù)也證實原位水合物沉積物重塑樣品總體上能夠反應(yīng)水合物儲層的力學(xué)性質(zhì)，其剪切強度特性主要受骨架成分、水合物飽和度和分布狀態(tài)、應(yīng)力條件等參數(shù)的影響。此外，基于室內(nèi)力學(xué)實驗數(shù)據(jù)、水合物飽和度和聲波測井?dāng)?shù)據(jù)建立的力學(xué)經(jīng)驗公式[148-149,161]，也被用于預(yù)測水合物地層力學(xué)參數(shù)，如根據(jù)神狐W17井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)測的儲層剪切強度為0.7～1.6 MPa，與原位測試估算數(shù)據(jù)較接近（表4）。因此，后續(xù)可用該方法快速評價水合物儲層沉積物的力學(xué)強度特征。

表4 中國陸域和海域水合物賦存區(qū)域基礎(chǔ)物性表

圖8 中國典型水合物儲層孔滲特征圖

圖9 力學(xué)強度特征圖[132]

2.9 水合物飽和度特征

中國陸域凍土區(qū)水合物飽和度只有祁連山木里地區(qū)有少量報道，主要介于5%～10%[25,138]。西藏羌塘盆地和東北漠河盆地所取巖心中雖然發(fā)現(xiàn)有CH4吸附氣存在，證實具有較好的水合物成藏條件，但是對應(yīng)的飽和度不明確[139,141]；而在可可西里—風(fēng)火山—烏麗盆地主要發(fā)現(xiàn)有CO2水合物，并不具備資源潛力[7,32,140]。相對于凍土區(qū)，海域水合物有較為詳盡的飽和度數(shù)據(jù)。南海神狐海域水合物飽和度主要介于20%～70%，主力層平均水合物飽和度約為31.0 %[21]，且部分儲層下部賦存有游離氣，游離氣平均飽和度約為7.8%[14-16,18,113,130]；在東沙海域，對于塊狀水合物而言，其“飽和度”為100%，而對于分散狀和脈狀水合物而言，它們對應(yīng)的水合物含量分別為25%～55%和不超過30%[13]；在瓊東南盆地，其飽和度估值最高可達92%[52]；在靠近臺灣省的臺西南盆地，根據(jù)地震勘探估算得到的水合物飽和度介于5%～35%[142-145]，在BSR附近也存在游離氣[146]；而對于西沙的調(diào)查結(jié)果目前還鮮有報道。除南海外，中國在東海也進行了多航次的勘探調(diào)查，估算的水合物飽和度主要介于1%～10%[147]，但實際值可能會高于此范圍。目前水合物飽和度估算主要基于地震、測井資料以及鉆探取心樣品分析數(shù)據(jù)，不同數(shù)據(jù)和計算方法會導(dǎo)致估算結(jié)果差異很大（如表4中W19站位估算結(jié)果所示）。如前所述，水合物賦存類型會影響水合物飽和度估算，有時用水合物含量表述更準確。正是由于水合物賦存的復(fù)雜性，導(dǎo)致中國水合物資源量精細評價面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

3 討論

3.1 中國水合物賦存特征總結(jié)

經(jīng)過20年的地質(zhì)調(diào)查，中國已初步掌握陸域和海域水合物的賦存基本特征與規(guī)律，為兩次陸域和三次海域試采工程實施提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時也極大地豐富了水合物賦存規(guī)律與成礦理論體系?？傮w看，中國凍土區(qū)水合物主要賦存于中生代地層，以熱成因氣為主，受斷層裂隙構(gòu)造控制，有較好的圈閉條件，儲層溫度、地溫梯度、熱流、壓力表現(xiàn)為“四低”，水合物多數(shù)分布在砂巖孔隙和泥頁巖裂隙中，地震反射波顯示“高頻”和“弱振幅”特征，電磁波反射顯示“高頻、強振幅”特征，而測井響應(yīng)顯示“兩高兩低”（高電阻率、高波速、低自然伽馬、低密度）特征，儲層成巖性好、巖石力學(xué)強度高，并具有低孔、低滲和較低水合物飽和度特征。而海域水合物主要賦存于新生代第四紀地層，以混合成因氣為主，受泥底辟、氣煙囪、斷層裂隙控制，無明顯圈閉，相對于凍土區(qū)儲層溫度、地溫梯度、熱流和壓力表現(xiàn)為“四高”，水合物多數(shù)分布在富含古生物化石的黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)黏土中，地震反射波有明顯的BSR特征，測井響應(yīng)總體為“兩高”（高電阻率、高波速）特征，儲層成巖性差，沉積物力學(xué)強度低，具有高孔隙度、低滲透率和相對高的水合物含量?？梢?，中國水合物儲層存在明顯的陸海差異性，這也是二者在氣候環(huán)境、地質(zhì)沉積歷史和氣源差異性上的必然結(jié)果。迄今中國陸上和海域發(fā)現(xiàn)的水合物結(jié)構(gòu)類型主要是Ⅰ型和Ⅱ型，還未見有H型水合物的報道。

從中國凍土和海域水合物賦存特征可知，水合物主要富集在與常規(guī)油氣或煤同盆共生的木里盆地、南海北部陸坡珠江口盆地、瓊東南盆地和臺西南盆地（含東沙海域）中。盆地下部的熱成因天然氣為水合物的富集提供了氣源保障，盆地中的斷層、泥底辟、泥火山、氣煙囪、地層裂隙等地質(zhì)構(gòu)造為氣源輸運提供了良好通道，而水合物穩(wěn)定帶內(nèi)的砂質(zhì)孔隙、泥質(zhì)裂隙和有孔蟲殼體則為水合物富集提供了有利空間，同時上部低滲透細粒沉積物和水合物自身則充當(dāng)了形式上的蓋層，從而構(gòu)成了完整的水合物油氣系統(tǒng)。

相比世界其他區(qū)域水合物油氣系統(tǒng)，中國水合物油氣系統(tǒng)有以下明顯特點：①分布廣，跨度大。從西到東，從北到南，縱橫陸海，穿越時空；②埋藏淺、厚度薄。不管是陸域還是海域，已發(fā)現(xiàn)的絕大多數(shù)水合物都分布在地表或海底300 m以淺位置，厚度一般不超過90 m；③泥質(zhì)含量高，滲透性差，水合物富集程度受到一定制約；④賦存類型多，有孔蟲含量高。根據(jù)現(xiàn)有試采情況和技術(shù)水平看，中國水合物商業(yè)開發(fā)所需具備的儲層特征可能包括：①平均水合物飽和度應(yīng)超過30%；②儲層厚度宜大于40 m；③平均有效滲透率應(yīng)大于5 mD；④水合物以孔隙浸潤為主，平均有效孔隙度大于30%。

3.2 問題與建議

地質(zhì)—工程一體化是公認的非常規(guī)油氣實現(xiàn)效益開發(fā)的最佳途徑。水合物賦存特征決定了其安全高效開發(fā)也需要從地質(zhì)—工程一體化角度進行考慮。加之水合物富集區(qū)域生態(tài)脆弱、開采環(huán)境風(fēng)險高，地質(zhì)—工程—環(huán)境一體化開發(fā)應(yīng)是水合物產(chǎn)業(yè)化的必由之路。而地質(zhì)是基礎(chǔ)，地質(zhì)甜點、工程甜點、環(huán)境甜點和經(jīng)濟甜點需要一體化考慮，這離不開對水合物油氣系統(tǒng)的全面準確認識。然而受水合物賦存的復(fù)雜性和現(xiàn)有技術(shù)的制約，目前離這一目標還有很長的一段距離，主要存在兩個問題：①儲層精細表征技術(shù)缺乏。水合物儲層的非均質(zhì)性、各向異性以及缺乏適合水合物儲層的地球物理測井評價模型和安全可靠的高保真取樣工具，導(dǎo)致精細刻畫水合物儲層異常困難。現(xiàn)有的儲層原位測試技術(shù)要求高、費用貴、操作有局限性，而實驗測試又難以合成貼近原位的代表性樣品，進一步制約了對儲層的準確認識。比如陸域水合物就缺乏成熟的地球物理勘查方法，仍未建立起有效的地球物理、地球化學(xué)勘探技術(shù)體系[162]。②富集礦體—儲層精細刻畫還遠遠不夠。受精細表征技術(shù)缺乏和經(jīng)費的制約，目前富集礦體及儲層甜點刻畫還留有較多“空白”：在礦藏尺度上，雖然厘清了水合物富集的主控因素，但是對富集礦體的三維空間分布、應(yīng)力場分布并不十分清楚；在儲層尺度上，富集儲層的孔—滲—飽分布和力學(xué)特性還未完全掌握；在孔隙尺度上，由于富集區(qū)域細粒發(fā)育，加之弱固結(jié)特性，現(xiàn)有實驗技術(shù)難于準確定量刻畫儲層甜點區(qū)域微觀三維結(jié)構(gòu)與水合物分布特征，影響了對水合物地質(zhì)甜點和資源量的準確評價。

因此，未來我國應(yīng)重點攻關(guān)水合物儲層精細表征技術(shù)和富集礦體—儲層系統(tǒng)的精細刻畫。建議：①集中突破水合物甜點識別和資源量評價技術(shù)。在微觀尺度上，加強儲層顆粒、顆粒間作用力以及孔隙、裂隙三維結(jié)構(gòu)的原位條件定量表征和直接觀測；在宏觀尺度上，突破儲層原位測試技術(shù)，改進現(xiàn)有的基于固結(jié)巖石物理模型的水合物測井識別和評價方法，加密高精度三維地震和鉆探井位布設(shè)，加強地震—測井—巖心數(shù)據(jù)融合分析，建立標準的水合物飽和度計算流程，確定水合物地質(zhì)、工程、環(huán)境甜點的關(guān)鍵參數(shù)和敏感參數(shù)，進而基于大數(shù)據(jù)機器學(xué)習(xí)方法形成水合物資源評價技術(shù)和有利選區(qū)評價技術(shù)。②統(tǒng)籌考慮水合物儲層氣和下部游離氣，實現(xiàn)水合物油氣系統(tǒng)整體資源評價。如前所述，海域水合物富集區(qū)往往與常規(guī)油氣同盆共存，實現(xiàn)二者共探共采是海域水合物經(jīng)濟開發(fā)的有效途徑。在突破水合物甜點識別和評價技術(shù)的同時，加強水合物儲層上下蓋層系統(tǒng)以及共存的常規(guī)油氣系統(tǒng)精細評價，進而構(gòu)建整個水合物油氣系統(tǒng)三維精細地質(zhì)評價模型。③加強海陸聯(lián)合和全球比對研究，陸上重環(huán)境，海上看資源。由于陸上凍土區(qū)生態(tài)脆弱、水合物富集程度和資源潛力相對海域較低，且CO2水合物豐富[7]。因此后續(xù)可多從環(huán)境視角進行儲層特征和資源量研究，為青藏高原隆升及其中水合物固碳—釋碳對全球氣候變化影響研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。而海上則多從能源開發(fā)角度進行地質(zhì)—工程—環(huán)境一體化所需的甜點識別與評價研究，尤其要加強橫向?qū)Ρ?，分析全球其他區(qū)域水合物賦存特征和規(guī)律，以實現(xiàn)非我所有，但為我所用之目的。

4 結(jié)論

1）陸上凍土區(qū)水合物主要賦存于中生代地層，以熱成因氣為主，受斷層裂隙構(gòu)造控制，有較好的圈閉條件，儲層溫度、地溫梯度、熱流、壓力表現(xiàn)為“四低”，水合物多數(shù)分布在砂巖孔隙和泥頁巖裂隙中，測井響應(yīng)總體顯示“兩高兩低”特征，儲層巖石力學(xué)強度高，具有低孔、低滲和低飽和度特征。而海域水合物主要賦存于新生代地層，以混合成因氣為主，受泥底辟、氣煙囪、斷層裂隙控制，無明顯圈閉，儲層溫度、地溫梯度、熱流和壓力表現(xiàn)為“四高”，水合物多數(shù)分布在富含古生物化石的黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)黏土中，地震反射波顯示明顯的BSR特征，測井響應(yīng)總體為“兩高”特征，儲層沉積物力學(xué)強度低，具有高孔、低滲和相對高的水合物含量。

2）陸上凍土區(qū)水合物相對富集在下部有成熟烴源巖或煤層氣且有斷層溝通的砂巖孔隙和泥頁巖裂隙中，而海域水合物主要富集在下部有游離氣的富含有孔蟲的濁積砂質(zhì)沉積物中，且周圍有相互溝通聯(lián)系的斷層、泥底辟、氣煙囪和微裂隙，以便為氣源運移富聚至濁積體提供通道，同時上部低滲細粒沉積物和水合物自身充當(dāng)了形式上的圈閉?？傮w來說，水合物常與常規(guī)油氣、煤等化石能源同盆共存，熱成因的常規(guī)天然氣和非常規(guī)煤層氣是中國水合物富集的主力氣源。由于凍土區(qū)儲層孔隙和裂隙空間小，氣源總量不充足，因此凍土區(qū)水合物富集程度不高。具有高孔隙度、豐富裂隙發(fā)育的海底濁積體是中國已發(fā)現(xiàn)水合物富集的主要地質(zhì)單元。

3）未來應(yīng)集中突破水合物甜點識別和評價技術(shù)，統(tǒng)籌考慮整個水合物油氣系統(tǒng)資源稟賦特征，并加強海陸聯(lián)合和全球比對研究。凍土區(qū)水合物可多從氣候環(huán)境角度進行上述研究，而海域水合物多從能源利用之目的出發(fā)。