瓊東南盆地北部天然氣水合物重點礦體預測及定量評價

路允乾,孟大江,文鵬飛,張寶金,2

(1. 廣州海洋地質調查局,廣州 510075;2. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州),廣州 511458;3. 天然氣水合物勘查開發國家工程研究中心,廣州 510075)

0 引言

天然氣水合物是一種資源潛力巨大的新型清潔能源,是由天然氣和水在高壓低溫環境條件下形成的冰態、結晶狀籠形化合物[1-5]。近20年來,中國在南海北部海域開展了大量水合物調查和研究,在珠江口盆地神狐海域以及瓊東南盆地均發現了水合物賦存的證據[6-8]。瓊東南盆地是在準被動大陸邊緣構造地質背景下形成的富油氣盆地,近年來在瓊東南盆地深水區的勘探活動中,發現了一系列與水合物賦存有關的地質、地球物理及地球化學異常,廣州海洋地質調查局于2018年在瓊東南盆地東部首次實施水合物深部鉆探并獲得水合物實物樣品[9-12]。前人研究及勘探實踐證明,瓊東南盆地油氣資源豐富,具備天然氣水合物形成的成藏地質條件,水合物資源潛力巨大,且水合物層下方往往伴生大量淺層氣,具有良好的資源前景和勘探潛力[10-18];但因研究區仍處在較低的勘探開發階段,目前對天然氣水合物的地球物理識別主要依靠地震剖面上的似海底反射波(BSR),由于BSR存在的多解性問題,尚存在水合物分布不清的問題,對水合物及其氣態烴儲層物性的研究也較為缺乏。前人在利用體積法預測水合物資源量時,往往通過統計水合物層的平均厚度和大致分布面積來獲取水合物層體積,并在這個體積內計算水合物平均的物性參數,這種方法存在較大誤差。水合物的賦存不需要特定的圈閉,其分布和形態受溫壓穩定帶控制,水合物本身就可以作為下賦氣態烴的蓋層,因此,精確刻畫水合物及氣態烴礦體的展布形態和厚度并計算其物性參數,對于提升水合物資源量預測的準確度十分重要。

該文在水合物成藏地質條件分析的基礎上,基于水合物勘探評價的實際,以瓊東南盆地北部重點礦區三維地震資料為依托,尋找指示水合物儲層的地球物理響應特征,利用疊后波阻抗反演對研究區水合物及氣態烴目標儲層進行精細刻畫,預測水合物及氣態烴的分布范圍并計算其厚度和物性參數,預測有利成礦區。該研究有利于認識該區域水合物的分布特征及富集成藏位置,為瓊東南盆地北部水合物勘探開發提供依據。

1 區域地質背景

瓊東南盆地位于東經108°50′～111°50′、北緯15°30′～19°00′的海域,在海南島南部陸緣與西沙群島之間,海域面積約6.3×104km2。盆地發育于南海北部陸緣西側的華南陸塊、中—西沙陸塊和印支陸塊的結合部位,屬南海北部準被動大陸邊緣伸展裂谷型盆地[9,11,19]。瓊東南盆地西寬東窄、北寬南窄,在地形上跨越陸架和陸坡區,海水由北西向東南變深,陸架區水深變化小,一般為90～200 m,往陸坡至海槽區水體急劇加深,從200 m迅速加深到約2 500 m。圖1所示為瓊東南盆地構造單元劃分、綜合地層柱狀圖及礦區位置。瓊東南盆地呈北東走向展布,由一系列北東向和北北東向的凹陷和隆起組成[20-21](如圖1a所示)。從區域構造演化歷史看,瓊東南盆地大致經歷了裂陷期和裂后坳陷期2個演化時期。裂陷期始于始新世,由于印度洋板塊的北向擠壓,新特提斯洋殼俯沖于華南—印支陸塊的陸殼下,南海發生珠瓊運動一幕,基底收到拉張作用開始張裂,南海北部發生抬升與剝蝕,并伴隨斷裂和巖漿作用;珠瓊運動二幕使南海北部再次遭受強烈抬升和剝蝕。早中新世至中中新世末為坳陷早期,南海運動使盆地北部發生區域性抬升和強烈剝蝕,形成中新世與漸新世之間的巨大不整合面。坳陷晚期開始于晚中新世,持續至第四紀,盆地以坳陷作用為主,地殼相對穩定[22-25]。

圖1 瓊東南盆地構造單元劃分、綜合地層柱狀圖及礦區位置Fig.1 Structural unit division, comprehensive stratigraphic histogram and location of mining area of Qiongdongnan Basin

瓊東南盆地古近系沉積以21 Ma巨大不整合為界,可以劃分出古近系的裂陷沉積和新近系的坳陷沉積2個沉積構造層[21,27](如圖1b所示)。瓊東南盆地古近系斷層較為發育,新近系斷層少,規模小,且多表現為層間斷層。盆地中新統以來斷層可分為北東、北西和北北東向3組斷裂,其中北東向斷層規模大且斷距大,在區域上主要分布于中央坳陷帶內的凸起與凹陷的分界位置,主要活動時間為早—中中新世,終止于晚中新世時期,推測其受控于古近系南海北部廣泛發育的南北向拉張大環境,部分為基底繼承性斷裂。相對而言,北西向斷層規模小,垂向斷距小,斷層開始活動時間晚,集中于早—中中新世,終止于晚中新世,推測其與盆地西部的紅河—鶯歌海大斷裂新近紀左旋剪切活動有關。

瓊東南盆地主要烴源巖為陵水組、三亞組和鶯歌海組,油氣勘探表明,臨近研究區的主要生烴凹陷包括寶島凹陷和松南凹陷,其烴源巖成熟度Ro多數大于2.0%,以生干氣為主,因此研究區具有非常好的氣源條件[21]。研究區上新統—第四系的粗粒沉積物和塊體流沉積為水合物的富集和成藏提供了有利的儲層條件[12,20]。瓊東南盆地具有良好的氣源供給條件,研究區位于寶島凹陷內,來自早期盆地高壓的作用,以及寶島凹陷內火山活動頻繁,這些因素導致研究區內底部流體在超壓作用下突破地層形成底辟構造。底辟作用攜帶深部流體運移到淺部地層,底辟構造、氣煙囪和斷裂組成了烴類向上運移的網絡輸導體系,深部熱解氣源巖與淺部微生物氣源巖構成了良好的立體供烴體系,可為天然氣水合物的形成提供充足的氣源供給[29-30]。瓊東南盆地深水區的天然氣水合物成藏條件優良,勘探實踐表明,瓊東南盆地資源量巨大,是我國重要的海上油氣富集區以及天然氣水合物成藏遠景區。

2 水合物成藏系統的地球物理特征

2.1 地震反射特征

BSR(Bottom Simulating Reflector)即似海底反射,通常代表水合物分布的底界,是識別水合物存在最直接的標志。在地震剖面上,BSR一般位于海底以下1 000 ms的范圍內(雙程旅行時)。BSR是一個近似于海底的反射面,其上出現的振幅空白帶也是指示天然氣水合物存在的重要標志[13,31-32]。研究區的三維地震資料上可以識別出明顯的BSR反射特征,以礦體A和礦體B最為典型(位置見圖1c),表現為1套穩定的中-強振幅和中-高頻率反射,橫向連續性好,大致與海底平行,極性與海底相反(如圖2所示)。從BSR的垂向分布深度來看,BSR處于海底以下200～300 ms(雙程旅行時),通過時深轉換計算,研究區內BSR位于海底以下120～359 m。BSR界面之下的空白反射指示了氣態烴的存在,氣態烴通常賦存于天然氣水合物之下,水合物作為其封蓋層存在。

圖2 瓊東南盆地北部似海底反射層(BSR)地震反射特征Fig.2 Seismic reflection characteristics of bottom simulating reflector(BSR) in northern Qiongdongnan Basin

2.2 礦體雕刻

BSR的存在與水合物分布并不是一一對應的關系,深水海底淺層含砂層也常表現為與海底極性相反的強地震反射特征;若沉積物孔隙中充填少量氣體,也會產生強烈的地層反射;早先生成的水合物因為構造作用或溫壓條件發生改變導致泄漏逸散,水合物藏造成破壞,也會存有BSR標志[8,33];所以僅用BSR來評價水合物的發育分布,總會有很多不確定性。通常儲層含天然氣水合物后具有較高的速度特征,含氣態烴后具有較低的速度特征,二者可以形成較大的波阻抗差異,因此可以通過波阻抗刻畫出水合物和氣態烴礦體。根據南海北部標準化后的測井波阻抗統計直方圖(如圖3所示),水合物和氣態烴地層波阻抗值存在明顯差異,水合物地層縱波阻抗值大多為3 100～4 500 (m/s)×(g/cm3),氣態烴地層縱波阻抗值均小于2 900 (m/s)×(g/cm3),表明可以利用波阻抗反演來識別天然氣水合物,從而預測天然氣水合物的分布范圍。

圖3 波阻抗頻率分布直方圖Fig.3 Distribution histogram of wave impedance frequency

該文采用約束的稀疏脈沖反演方法,在地質解釋層位的約束下利用疊前深度偏移速度體構建低頻模型,在三維地震體上提取零相位子波,在建立合理的低頻模型并提取高質量子波的基礎上,對反演參數進行測試調整,如地震記錄與子波的比例因子、模型可信度以及地震數據可信度等,最終優選出最符合實際地質情況的反演參數。通過對反演參數的反復測試,發現反演子波比例因子選擇4×10-6并且模型可信度為30%時反演結果最為合理。

波阻抗剖面能更清晰地凸顯含水合物地層的高波阻抗特征和下部氣態烴的低阻抗特征,水合物和氣態烴的頂、底界面清楚,可以直觀地看出礦體的空間展布形態。圖4所示為瓊東南盆地北部礦體波阻抗反演剖面,紅色高阻抗指示了高飽和度水合物礦體分布,黃綠色低阻抗指示了相對低飽和度水合物礦體分布,白色和黑色虛線分別代表了水合物礦體的頂底界面。從反演結果看,以BSR(黑色虛線)為界,水合物高阻抗特征和氣態烴低阻抗特征明顯,天然氣水合物儲層波阻抗值超過3 100 (m/s)×(g/cm3),氣態烴波阻抗值均小于2 900 (m/s)×(g/cm3)。礦體A水合物波阻抗值為3 100～4 000 (m/s)×(g/cm3),水合物大多聚集在1.6 s以上,呈條帶狀分布(如圖4a所示);礦體B水合物層與地層平行分布,波阻抗值為3 800～5 500 (m/s)×(g/cm3),水合物聚集在1.9～2.1 s(如圖4b所示)。氣態烴表現為藍色低縱波阻抗特征,波阻抗值均小于2 900 (m/s)×(g/cm3),賦存于天然氣水合物礦體底部,礦體A和礦體B底部均有較厚的氣態烴層發育。

圖4 瓊東南盆地北部礦體波阻抗反演剖面Fig.4 Wave impedance inversion profile of ore body in northern Qiongdongnan Basin

3 水合物及氣態烴儲層物性預測

3.1 儲層物性預測分析

海洋天然氣水合物儲層特性直接影響天然氣水合物富集程度,儲層飽和度是影響天然氣水合物資源量的關鍵參數。圖5所示為水合物及氣態烴飽和度與波阻抗巖石物理量板。儲層含天然氣水合物后波阻抗值變大,且波阻抗值隨著儲層水合物飽和度的增大而增大,二者具有良好的線性關系[34]。根據南海北部天然氣水合物鉆井實測資料,繪制了天然氣水合物飽和度與波阻抗交匯圖(如圖5a所示),確立了水合物飽和度與波阻抗的量化關系為:

圖5 水合物及氣態烴飽和度與波阻抗巖石物理量版Fig.5 Petrophysical template of hydrate and gaseous hydrocarbon saturation and wave impedance

Sathy=0.000 339×AI-0.976

其中:Sathy為水合物飽和度,AI為波阻抗,二者相關系數約為0.74。

氣態烴飽和度與波阻抗的關系受地層孔隙度影響,因此需要建立不同孔隙度下的氣態烴波阻抗與飽和度的擬合關系。研究區礦物成分參考了鉆井的取心分析資料取平均獲得,其中石英含量為43.2%,斜長石含量為6.8%,方解石含量為18.0%,黏土含量為32.0%,由此建立了氣態烴飽和度和波阻抗的巖石物理量版(如圖5b所示)。研究區氣態烴平均孔隙度為40%～50%,該文采用40%的孔隙度曲線預測氣態烴礦體飽和度。

3.2 水合物及氣態烴的厚度和飽和度預測

研究區三維地震資料及波阻抗反演結果顯示,礦體A和礦體B是水合物及氣態烴分布的有利區。根據礦體雕刻結果,人工拾取這2個礦體范圍內的海底、BSR界面以及氣態烴底界并提取礦體的平面分布特征。篩選出海底與BSR界面之間大于3 100 (m/s)×(g/cm3)的波阻抗值,并統計它們的時間域厚度;利用相同的方法,在BSR界面與氣態烴底界之間篩選出小于2 900 (m/s)×(g/cm3)的波阻抗值,得到氣態烴的時間域厚度。圖6所示為礦體A和礦體B物性參數平面切片。

圖6 礦體A和礦體B物性參數平面切片(暖色代表高數值,冷色代表低數值)Fig.6 Plane section of physical property parameters of ore body A and ore body B(Warm colors represent high values and cool colors represent low values)

時間域厚度與疊前深度偏移速度相乘可得到礦體厚度(如圖6a、圖6c、圖6e和圖6g所示)。礦體A和B水合物與氣態烴飽和度則根據圖5巖石物理量版求取(如圖6b、圖6d、圖6f和圖6h所示)。

礦體A和B均位于海底隆起的構造脊上,證明海底低凸起構造是水合物和氣態烴賦存的有利區。礦體A水合物平均厚度為15～50 m,厚度中心位于礦體西部,最厚處超過50 m(如圖6a所示);水合物平均飽和度為0.1～0.4,高飽和度水合物主要集中在礦體西南部(如圖6b所示)。礦體A氣態烴平均厚度為30～100 m,厚度中心位于礦體中南部,厚度超過100 m(如圖6c所示);氣態烴平均飽和度約為0.1～0.3,高飽和度氣態烴同樣位于礦體中南部(如圖6d所示)。礦體B水合物平均厚度為15～50 m,由北向南厚度逐漸增大,厚度中心位于礦體南部(如圖6e所示);水合物平均飽和度為0.2～0.4,飽和度同樣具有南高北低的特征(如圖6f所示)。礦體B氣態烴平均厚度為10～80 m,北部氣態烴厚度大于南部;氣態烴平均飽和度較低,分布較為分散。綜上所述,礦體A預測的高飽和度水合物及氣態烴主要集中于礦體的中南部,有利探測區為A-1井和A-2井;礦體B預測的水合物飽和度較高,但氣態烴飽和度較低,有利探測區為B-1井和B-2井。

廣州海洋地質調查局在瓊東南盆地北部A-1井附近進行了鉆探,礦體A的波阻抗反演與測井波阻抗疊合如圖7所示,圖中黑色曲線為測井波阻抗曲線?？梢钥闯龇囱萁Y果與測井資料吻合良好,天然氣水合物表現為高波阻抗特征,反演剖面清晰地刻畫出了水合物的展布形態,水合物賦存在海底以下約200 ms的溫壓穩定帶,大致和海底平行分布。同時,反演剖面也刻畫出了氣態烴的響應特征,氣態烴賦存在水合物層之下,水合物可作為其封蓋層。A-1井鉆遇的水合物層下方存在明顯的低阻抗響應,而從測井解釋上可以看出低阻抗為氣態烴特征。鉆井結果顯示A-1井鉆遇水合物厚度為16.5 m,平均飽和度為14.3%;鉆遇氣態烴厚度為51 m,平均飽和度為8.8%,與該文的預測結果吻合。

圖7 瓊東南盆地北部礦體A波阻抗反演與測井波阻抗疊合Fig.7 Wave impedance inversion and logging wave impedance superposition of ore body A in northern Qiongdongnan Basin

4 結論

1)瓊東南盆地北部成藏條件優越,研究區重點礦體的水合物BSR反射特征明顯,水合物層之下有氣態烴發育;水合物地層縱波阻抗通常情況下大于3 100 (m/s)×(g/cm3),氣態烴地層縱波阻抗通常小于2 900 (m/s)×(g/cm3),根據二者的波阻抗差異可以精確刻畫出礦體的分布范圍和展布形態。

2)通過約束稀疏脈沖反演得到的反演結果可靠,波阻抗異常明顯,地質現象清晰,與鉆井解釋結果吻合良好,能有效地反映研究區天然氣水合物礦體的空間分布范圍,為后續水合物儲層特征分析及其他綜合地球物理分析提供依據。

3)研究區三維地震資料及波阻抗反演結果顯示,礦體A和B是水合物及氣態烴分布的有利礦區。礦體A預測的高飽和度水合物及氣態烴主要集中于礦體的中南部;礦體B預測的水合物飽和度較礦體A高,但氣態烴飽和度較低。海底隆起帶是水合物及氣態烴勘探的有利地區。