砂岩型储层水合物概述

天然气水合物

1 砂岩型水合物概念

       砂岩型水合物指在深水砂体中形成和富集的水合物。这种类型的水合物储层具有高孔隙度、高渗透率，而且由于砂岩的连通性和孔隙度的稳定性，砂岩水合物相对容易开采，备受关注。国际上也把砂岩型水合物开发的首选靶区。国外在Mallik三角洲、Alaska陆坡进行了砂岩型水合物的试开采，取得了开采技术的巨大突破，日本也计划在南海海槽的中上新统砂岩中开采水合物。

       深水沉积砂体指沉积在深水环境的砂岩体，可形成于多种深水沉积体系中。如果浅水陆架或大型水下三角洲经过块体搬运沉积在深水环境，也称异地沉积砂体，这种沉积称之为块体搬运沉积体系。更多的深水沉积砂体则来自深水水道沉积体系和深水底流沉积体系。通常前者形成的沉积物比后者的粒度粗。前者是一种浊流沉积体系；后者是一种深水牵引流沉积体系。重力流沉积体系还可按其发育于各种不同的沉积环境而形成独具一格的沉积体系，可划分为扇状沉积体系（海底扇或湖底扇）、沟道或槽谷沉积体系、层状或带状沉积体系等。深水牵引流沉积体系的研究主要集中于等深流沉积和内潮汐、内波沉积。

       我们这里定义的“深水”是指有半深海-深海环境，水深深度>200m。从大陆架向海的一侧开始沿大陆斜坡直到洋盆，在洋盆中主导的沉积机制是重力作用导致的沉积作用（崩塌avalanche,滑动slide，滑塌slump，碎屑流debris flow和浊流turbidity current）和底流沉积（bottom current）。从沉积类型看有两种类型：1）平行陆坡底流搬运沉积作用；2）垂直陆坡的重力流搬运沉积作用。深水砂体主要形成于各种深水沉积体系。富砂的深水沉积体系主要有深水水道沉积体系和底流沉积体系。深水沉积体系受多种因素的控制，这些因素相互作用并对所有的沉积盆地产生影响。如果考虑水合物成藏，尽管我们关注的是最终的沉积产物，但是为了正确理解深水储层特征，如砂岩含量、砂岩变化趋势、连续性、连通性及储层质量，我们必须弄清楚其沉积物形成的过程。关于深水沉积的主要控制因素前人已经做过精彩的论述（Nelson and Nilsen，1984；Bouma et al.，1985；Richards andBowman，1998;Weimer and Slatt,2007），下面，我们针对水合物，再做进一步阐述。

2深水砂体的沉积体系

2.1深水水道沉积体系

       深水环境一方面受制于多种作用机制，如重力、多种底流（或等深流）、大洋涡流、水下峡谷中往复的潮汐底流、各种内波、上升流和下降流等；同时深水又具有活跃的构造活动，体现为各种底辟活动、高热流值；且深水陆坡恰处于坚硬的大陆克拉通和大洋地壳之间，是对各种构造活动响应最为敏感的地理位置。因此通常由陆坡（又可划分为上中下三段）、陆隆和深海平原等地貌单元组成的深水环境具有极为复杂的地貌特征，如滑坡坎壁、峡谷底床、谷壁、水道和堤坝、台地、多种形状的扇体、多类型的等深流沉积等。近些年来，新识别的地貌单元亦不时出现，如水道—朵叶体过渡带（channel-lobe transition zone，亦即CLTZ）就具有沉积学方面的独具特色的意义。

       在深水陆坡区，基于其相对陡峭的地貌，在重力作用并在其他诱因（如地震、天然气水合物分解、超压释放、底辟活动、突发海流）配合下，海床浅表层沉积物极易发生滑动、滑塌等重力活动，并进一步演化为碎屑流、颗粒流乃至浊流。这些均为因重力而发生的陆坡倾向上的深水作用机制，在多数情况下，这种作用是塑造深水水道的主要因素。

       其中滑坡在全球许多地方均有报道。其中以欧洲大陆边缘研究最为深入。Wilson等（2004）年研究了舍得兰群岛西北部的Afen滑坡体，研究了其形成的诱因、形成阶段等；Storegga滑坡体影响了约95000km2的面积、沉积物体积介于2400km3和3200km3之间，是目前世界上所识别的、水下曝露的最大滑坡体之一。此外，地中海和西北欧亦有针对滑坡体的多处报道。在其他海域，如安哥拉、加利福尼亚北部海域的Humboldt滑坡体。滑坡体自触发、活动直至向重力流转化的全过程，和天然气水合物、油气渗漏、构造活动有着密不可分的关系，对于海岸地带的可持续发展亦有重要意义，这也是西方国家投入巨大力量研究的缘由。

       20世纪40年代，在北美被动大陆边缘首次识别出深水水道体系，自此深水水道体系成为石油工业界关注的焦点。深水水道体系中水道-堤坝，不但可作为良好的油气储集体，而且是输送陆源碎屑物质到深海盆地的重要通道，对沉积物起到约束和分类作用。深水水道主要发育在大陆边缘斜坡上，研究深水水道的形成，不仅在于寻找深水油气储集体，有利于建立深水油气成藏地质理论，而且可以根据深水水道的沉积演化特征推测深海盆地的沉积物来源，进而恢复深水沉积盆地的古地理环境，揭示大陆边缘的动力学演化机制。

       世界深水峡谷水道主要发育在被动大陆边缘的海底扇上，如密西西比扇、亚马逊扇、印度扇、孟加拉扇、扎伊尔扇、罗纳扇等。深水水道作为输送陆源碎屑沉积物到深海盆地的重要通道，对沉积物起到约束和分类作用。通过研究深水水道的沉积与演化过程可进一步对深海盆地沉积物源进行分析。通常，在水道轴部沉积粗粒沉积物，堤坝部位沉积细砂、粉砂和泥等细粒沉积物，水道沉积体系可作为很好的油气储集体。研究表明深水水道具有复杂的内部结构、多次侵蚀、沉积物充填过程，它们的复杂性受控于多种因素，比如来自陆架的沉积物供应变化、气候和全球海平面变化，也可能与陆坡的不稳定有关，比如一些构造活动，包括：断裂活动、盐底辟或泥底辟在盆地中的排出等。正是由于深水水道沉积体系具有复杂性和良好的经济价值，使得深水水道沉积体系的研究具有科学和经济双重研究意义。

       深水水道体系可发育于陆坡、坡脚和盆底等环境。在陆坡上，水道体系发育于局限环境下，如陆坡盆地或海底峡谷。有时峡谷源头发育于浅海陆架环境。在构造活动区（如：加利福尼亚南部的大陆边缘或安哥拉沿岸），峡谷沿着海岸延伸并沉积由沿岸漂流作用所产生的沿岸移动砂。在盆底，水道往往比较浅且常出现分流特征，曲流水道可发育于陆坡上和盆底。深水水道充填沉积物性质变化很大，主要依赖于相对海平面变化（全球海平面变化、构造运动、气候和沉积物供给等），沉积物类型可为砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩以及混合充填。一般来说，深水水道具有两种成因机制：重力流和底流，且以重力流作用（主要是浊流和碎屑流）为主。水道充填沉积可由多种重力流沉积物组成，如浊流、碎屑流和海底滑坡块体以及半远洋悬浮物。在一个沉积层序内，通常水道充填为粒度向上减小的正粒序沉积，这与深水水道类型自下而上从多支流型水道到小型具有堤坝的水道沉积体系相一致（图1）。

图1 深水水道充填过程示意图

       在多数情况下，深水水道内的强振幅特征被认为是与加积充填或水道轴侧向迁移有关的粗粒偏砂岩。譬如，ODP在亚马逊扇钻井揭示了强反射为厚层砂体，而介于水道轴部强振幅反射体和水道壁之间的低振幅沉积体被认为是细粒的内堤坝沉积。Mayall等（2006）人认为不同水道以及同一水道的不同部分都是独特的，其具体特征各不相同，不可能用相同的岩性充填模式来描述。但可以给出典型深水水道的综合岩性充填模式。在南海北部琼东南盆地的中央水道，长达570公里，根据邻区琼东南盆地北部一口钻井（Ya35-1-2）的井震对比剖面进行类比分析，得出研究区深水水道的岩性充填模式（图2）。自下而上主要分为三段，依次为滑塌及碎屑流沉积、富砂水道充填（高砂泥比）和富泥水道-堤坝复合体系（低砂泥比)。这与世界典型地区已钻深水水道岩性充填模式一致，都具有自下而上由粗到细的正旋回特征。

图2 深水水道的岩性充填模式图

       大多数深水水道充填都具有一定的级序性。从简单到复杂依次称作水道（channel）、复合水道（channel complex）、复合水道系（channel complex set）和水道沉积体系（channelcomplex system）五个级次（图3）。尽管水道内部充填很复杂，但仍能够把其再细分成具体的、可识别的类型。从而利用水道充填的级序特征对水道充填进一步研究。目前，在多数地震资料中却很难识别出所有这些级序。

图3 水道充填级序示意图

       深水水道的形成与相对海平面变化有关，且主要形成于低水位期。这是因为在低水位期有大量粗粒沉积物冲蚀陆坡并被搬运到盆底，以及水道侧壁侵蚀作用产生的滑塌块体充填水道。另外，在相对海平面上升时，沉积物逐渐向陆地方向迁移，盆地沉积物供应减少，进行水道反向充填。

深水水道的几何形态依赖于沉积环境，从孤立沉积通道到局限环境下主要由垂向加积作用形成的叠合水道复合体（multistory channel amalgamation），或是到相对开阔环境下主要由侧向迁移作用形成的侧积水道复合体（multilateral channel amalgamation）（图4）。水道形态随沉积扇和陆坡的发育而变化：随坡度变缓，水道从宽而相对平直到窄而高弯曲度变化不一，与河流的形态相类似，但是加积特征更明显些。一般来说，水道的弯曲度与坡度成反比。也就是说，细粒、低能水道充填往往比粗粒、高能水道充填曲度大。

图4水道形态演化示意图

       上陆坡、中陆坡和下陆坡乃至盆地平原均可发育朵叶体。只要地形发生相对平缓的变化，在水道、峡谷出口或撕裂分支的决口处均可发生流体行为的跃迁，从而沉积相应粒径的碎屑物质。朵叶体在沉积的同时，又相应造成了地貌的渐进性变化，和水道迁移一道形成了朵叶体的侧向和纵向的迁移，如此垂向叠加和侧向叠覆，即可形成规模巨大的陆坡扇或盆底（地）扇。

2.2深水底流沉积体系

       底流，也称等深流，这一术语是Heezen等人(1966)在对北大西洋陆隆沉积物研究之后首先提出的。Heezen等人认为，等深流是由于地球旋转的结果而形成的温盐环流(thermo-haline circumlation)，这种底流平行海底等深线作稳定低速流动(5～20cm/s)，主要出现在大陆坡和陆隆区。亦有人称之为等高流、水平流、平流等。随着深水地质学研究的不断深入，深水底流沉积研究迅速发展的一个新的研究领域。目前深水牵引流沉积的研究主要集中于等深流沉积和内潮汐、内波沉积。等深流沉积研究从20世纪60年代中期起步，至今已有长足的进展，对等深岩丘的发现是该领域最为重要、最具特色的突出成果。内潮汐、内波沉积研究始于20世纪90年代初期，进展很快，现已对其形成机理、结构、构造、层序、岩相特征及鉴别标志进行了系统研究。深水牵引流沉积的储集性能优于浊积岩，故具有非常重要的含油气潜能。

       1936年，德国物理海洋学家George Wust首次提出，由温盐循环控制的底流可能足以影响深洋盆地的沉积通量。一般来说，底流（Bottom currents）是指作用在深水的、且为大洋和其边缘海中的温盐或风驱循环的部分的那些海流，它们并不严格遵循等深线，但等深流依然作为底流的同义词被广泛使用。慢速的温盐循环主要起源于极地水体的冷却和下沉，如南极底层水（Antarctic Bottom Water，简称（AABW）、北极底层水（AricticBottom Water，简称ABW）等。而地中海外溢水团（the Mediteranean Outflow Water，简称MOW）构成了大洋中层水团的重要来源（Mougenot and Vanney,1982；Mulder et al.,2003）。不同于纯粹温盐循环的其他底流还有大的风驱海流体系。在一些情况下，它们的影响水深甚至可达4000m，譬如受科氏效应影响的西边界海流（如湾流、黑潮）和绕南极海流(CircumpolarAntarctic Current)。这种风力驱动形成的涡旋影响深海海床甚巨，乃至称之为深海风暴（Benthic storms）。底水速度通常不大于1～2cm／s。但是，它们可因科氏效应、盆地或水道地形的变化而予以极大加强。譬如西边界潜流的速度可达到10～20cm／s。在流体特别受限或陆坡特别陡峭的地方，流速可超过100cm／s。在经过深海盆的狭窄出口或海道时，甚至记录到了超过200cm／s的速度。可见，底水是温盐循环的半永久部分，在许多情况下其强度上足以侵蚀、输送和沉积物质，特别是黏土、粉沙和细砂粒级，甚至更为少见的粗砂和砾石。因此，底流(或等深流)可在大洋深水环境形成独具特色的等深流沉积。而漂积体(sediment drift)是一个概括性术语，是指不具备明确界定的或独特外观的、但其沉积过程受海流某种控制的沉积聚集，并不局限于底流沉积。内波和内潮汐是海洋学研究的一项重要成果。内波是一种水下波，它存在于两个不同密度的水层的界面上，或存在于具有密度梯度的水层之内。在所有的大洋中均有内波存在，而它的振幅、周期、传播速度及存在的深度有很大的变化。内潮汐是内波的一种重要类型，它的周期等于半日潮或日潮。内潮汐在海洋中普遍存在，而在深水区(一般水深200~250 m)内潮汐表现得尤为明显。已发现的内波、内潮汐沉积一般多为中—细砂岩至粉砂岩、泥岩，也有碳酸盐岩（颗粒灰岩），并与深水原地沉积伴生或夹于深水原地沉积之中（图5）。由于内潮汐和内波作用引起的海底流动为双向往复流动，不但流速变化大，而且水流反复倒向，同时这种双向往复流动造成近海底水流浑浊度高，所以这种环境不利于底栖生物生存。因而一般情况下内潮汐和内波沉积中缺乏生物扰动构造。

（B）

图5 砂泥韵律性互层沉积

       在深水环境，两种或多种不同方向的深水作用机制常相互影响，形成了具有复杂成因的底形和构造。深水环境的多种作用机制和它们彼此间可能存在转化关系、并形成相应的沉积体系类型。

天然气水合物

资料来源：吴时国 研究员 中国科学院深海科学与工程学院
作者简介：
吴时国，男，51岁。现任中国科学院三亚深海科学与工程研究所研究员、博士生导师。曾任中国科学院海洋研究所海洋与环境重点实验室主任，海洋油气研究中心主任。山东省“泰山学者”，中国石油大学（华东）特聘教授，中国岩石圈委员会委员、中国地球物理学会海洋地球物理专业委员会副主任委员、山东省地球物理学会副理事长、首席专家。主要从事深水油气、天然气水合物、海底构造及海洋地球物理研究。已完成科研论文近150篇，其中2009年以来发表SCI或EI论文40余篇。合著《海底构造与海洋地球物理学》、《海底构造学导论》等专著6部、主编论文集2部、译著1部。曾获荣誉：青岛市科技进步二等奖，青岛市拔尖人才，山东省优秀科技工作者、国务院政府津贴。先后主持国家118专项、中国科学院重要方向性项目课题、科技部973、 863项目、发改委重大专项、自然科学基金项目、先导A课题专项等国家自然科学基金委重点基金在内的科研项目20项。  
研究领域：深水油气、天然气水合物、海底构造及海洋地球物理研究

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