南海神狐海域水合物研究进展

天然气水合物

引言：神狐海域第一次天然气水合物钻探GMGS1于2007年在神狐海域开展，是中国首次采到天然气水合物实物样品，因此神狐海域的重要意义不言而喻。2013年实施的第二次天然气水合物钻探GMGS2位于珠江口盆地东部海域。GMGS3航次钻探地点位于南海北部神狐海域（图1），历时92天，分3个航段（一个航次可由多个时段完成，每个时段称为1个航段）完成，第一、二航段为先导孔钻探航段，第三航段为取心航段。按照计划，于2015年9月1日安全高效地顺利完成海上钻探、测井、取心、取样以及船上分析测试工作。钻探由Fugro公司具有良好天然气水合物钻探能力的Voyager钻探船承担，随钻测井由斯伦贝谢公司负责。该子项目“南海天然气水合物钻探”，隶属于“南海天然气水合物资源勘查”项目，承担单位为中国地质调查局广州海洋地质调查局。主要目标任务是通过实施钻探，获取天然气水合物赋存地层的地球物理测井资料及岩心样品，评价天然气水合物赋存特征及天然气水合物矿藏控制资源量，为天然气水合物试采选区、资源评价提供基础数据。获取的大量数据和样品表明，在神狐海域天然气水合物分布较广。该区天然气水合物层具有厚度大、饱和度高、I型和II型天然气水合物共存的特征，资源潜力巨大。

一、主要成果概述

（1）最大钻探水深及单孔钻探进尺突破以往记录。在19个站位进行随钻测井（LWD)，在其中的4个站位进行取心，水深为885～1530m，钻探深度在海底以下170～360 m之间，平均钻探深度为海底以下235m，钻探的水深及单井最大进尺两项数据均超越2007年及2013年的钻探结果。

（2）所有站位均发现天然气水合物，获得了大量用于天然气水合物储层评价的综合测井数据，钻探成功率100%。利用GeoVision、NeoScope、Son-icScope（SonicVision）、ProVision等测井工具，采集了地层伽马射线、电阻率、密度、中子数据、电阻率图像、核磁、纵波和横波速度等数据。通过随钻测井电阻率和声速高值异常推断，所有的钻探站位均存在天然气水合物，为取心站位的选取及取心层位的准确确定提供了可靠数据。

    （3）根据随钻测井结果，在W11、W17、W18及W19站位实施取心钻探，现场利用2种保压取心工具（FPC、PCTB）和3种非保压取心工具（FHPC、FMCB、FXMCB）进行了目的层位取心，获得了用于钻后评价的关键岩心样品。

（4）针对保压、非保压岩心和样品，现场进行了岩心红外扫描（IR）、多传感器岩心物性测量（MSCL）、X射线扫描、孔隙水离子地球化学及气体组分分析、保压岩心释压脱气处理。保压岩心气体总量分析和孔隙水氯离子浓度异常进一步证实，取心站位存在高饱和度天然气水合物。随钻测井电阻率、声速估算的天然气水合物饱和度，与通过气体总量、孔隙水氯离子浓度异常估算的值吻合度较高。钻探结果分析表明，调查区内广泛存在天然气水合物，局部区域存在高饱和度天然气水合物。

（5）钻探证实，区内存在结构Ⅱ型天然气水合物。该区深源热成因甲烷气，从天然气水合物稳定带以下向上运移，并在浅层沉积物中形成天然气水合物。通过原位测试，精确计算了甲烷天然气水合物稳定带底部的深度。随钻测井电阻率和声速高异常表明，部分站位天然气水合物稳定带底部以下仍存在天然气水合物。气体成分分析表明，乙烷和丙烷的含量较高，指示为热成因气。以上分析结果，为评价神狐海域天然气水合物资源量提供了新的依据。

（6）天然气水合物层具有厚度大、高孔隙度、高饱和度的特征，资源潜力巨大。根据测井资料分析计算，单井含天然气水合物层厚度在20～100m之间，单井饱和度位于20%～70%。钻探区天然气水合物分布面积约128km2，预测资源量超千亿立方米，具有巨大的资源潜力。

图2 地震剖面、随钻测井数据估算SH-W19-2015站位天然气水合物饱和度

二、水合物结构分析

（1）此次发现天然气水合物的站位主要为SH-W19-2015，站位水深1273.8m，完钻深度在海底以下242.37m，在先导孔随钻测井中，海底以下134～202m出现电阻率异常，其对应的声波时差曲线亦降低，曲线形状与电阻率曲线呈镜像关系，判断该层段含有天然气水合物。在本站的钻探过程中，从位于海底基座的摄像头上观察到了井口附近有大量块状天然气水合物向上溢出现象。

（2）从SH-W19-2015站位取心结果看，海底以下深度135～138m之间的天然气水合物饱和度最高。这种表现与先导孔上部随钻测井电阻率异常相吻合。所有的岩心测量（红外异常、视觉检查、孔隙水淡化）表明，天然气水合物分布于孔隙空间中。位于含天然气水合物层之上及之下的孔隙水盐度明显增大，表明这或许是天然气水合物形成的活动系统，其中的天然气水合物正在生成。

（3）现场样品分析显示钻探区内以结构Ⅰ型天然气水合物为主，兼有Ⅱ型天然气水合物存在。自然界主要存在3种天然气水合物类型，分别为Ⅰ型（气体以甲烷、乙烷等小分子烃为主）、Ⅱ型（气体可以有丙烷、异丁烷等较大分子数的烃类气体分子）和H型（气体分子可以容纳分子数更大的原油分子），生成何种类型的天然气水合物，主要取决于客气分子的种类、比例和分子大小，纯甲烷只能形成Ⅰ型天然气水合物，而当乙烷及其他高阶碳氢化合物比例较高时可能形成Ⅱ型天然气水合物。自然界中Ⅰ型分布最为广泛，Ⅱ型次之，H型极少；但在稳定程度上Ⅱ型高于Ⅰ型。由现场样品分析可知，甲烷在所有的气体样品（顶空气、空隙气及保压岩心释压气）分析中均为主要烃成分，但也有其他气体含量增多的情况，乙烷和丙烷于海底以下135～157.5m之间的浓度比海底以下100～135m之间的浓度高。保压岩心释压脱气过程中，随着脱气过程的进行，丙烷的浓度变化较乙烷强烈，可能反映了天然气水合物不同组分的差异分解。基于保压岩心W19B-21A全部气体组分摩尔比（甲烷∶乙烷∶丙烷为0.993∶0.0046∶0.0022）分析，这些沉积物中的天然气水合物可能为Ⅰ和Ⅱ型天然气水合物的混合体。

图3 W19B孔空隙气和保压岩心气体样品分析的气体组分

三、沉积体系演化

      中中新世以来，神狐海域主要发育峡谷水道—水下扇沉积体系。通过对该海域准三维地震资料解释、分析，刻画了天然气水合物赋存层位的沉积相特征。

（1）在构造、沉积演化分析的基础上，认为钻探区中中新世—第四纪主要发育峡谷水道—水下扇沉积体系。神狐钻探区位于南海北部陆坡区上段，构造上处于珠江口盆地南部深水坳陷区（珠二坳陷），经历了与珠江口盆地新生代地史总体相似的演化过程：晚白垩世—始新世，受南海第一次北西—南东向海底扩张的影响，珠江口盆地基底形成一系列东北向展布的小型断堑，充填一套中深湖相沉积；中渐新世—早中新世，受活动大陆边缘地壳均衡作用的影响，钻探区南部的东沙—神狐一带发生隆起，而钻探区则由原来的隆起区转变为断堑；中中新世—第四纪，整个珠江口盆地进入差异性沉降阶段，随着南海海底扩张的停止，地幔物质冷却，珠江口盆地向南部发生倾侧，海侵加剧，整个珠江口盆地成为广海陆棚沉积环境，钻探区所在的珠二坳陷成为珠江口盆地的沉降中心。在神狐海域陆坡沉积背景下，钻探区主要发育峡谷水道—水下扇沉积体系。

（2）通过地震数据的详细解释，在上中新统—第四系地震剖面上识别出5类地震相（图4）：①席状披盖，平行—亚平行，弱振幅，中—高连续性，中—高频地震相。该类地震相主要分布于钻探区南部，代表水动力条件较弱的半深海细粒沉积物，其岩性以粘土与粉砂质粘土的互层沉积为主；②丘形，无反射，弱振幅，低连续性，低频地震相。此类地震相主要位于峡谷水道两侧的天然堤上，其也代表水动力条件较弱的沉积，岩性主要为粉砂质粘土；③上超充填形，平行—亚平行，中—强振幅，高连续性，低频地震相。此类地震相主要位于峡谷水道内，代表水动力条件较强条件下的水道冲刷滞留沉积，其沉积物粒度相对较粗，可能以粉砂岩为主，局部有发现细砂沉积的可能性；④上超充填形，平行—亚平行，中振幅，高连续性，中—低频地震相。此类地震相主要位于峡谷水道两侧的天然堤上，其水动力条件较天然堤强，沉积物粒度也有所增大，代表峡谷水道充溢条件下的局部滞留沉积，其岩性可能以粉砂与粉砂质粘土互层沉积为主。⑤楔形，发散反射，中振幅，中—高连续性，中—低频地震相。此类地震相主要位于峡谷水道末端，代表水动力条件较强的沉积条件，岩性可能主要以粉砂或粘土质粉砂为主，局部可能含有细砂岩。

图5 神狐钻探区准三维地震剖面上识别的峡谷水道、冲蚀沟槽充填地震相（沿陆坡走向的地震剖面）

(SH7井为2007年神狐海域钻井，SH7(GFDM)、N2（GFDM）分别为SH7井通过有孔虫和矿物测年确定的第四系和上新统的底界面）

   （3）将地震相转化为沉积相，详细刻画了神狐海域钻探区的峡谷水道—水下扇沉积体系。研究显示，最西部的水道遭受第四系水道的侵蚀缺失；中部—东部的3条水道相对发育，局部陆坡坡度的变缓造成3个相对较大规模的水下扇发育于水道前端。受沉积期海底地貌起伏的影响，相对的粗粒沉积主要呈不规则形态赋存于峡谷水道—水下扇体系内的低洼部位。此外，在水道两侧天然堤上发育不规则形态的冲蚀沟槽，受峡谷水道溢岸沉积的影响，这些冲蚀沟槽底部也可能赋存相对粗粒的粉砂沉积。

图6 神狐钻探区上中新统顶部峡谷水道—水下扇沉积相展布

四、区域成矿构造（运移通道）

神狐海域2015年度钻探区地处珠江口盆地珠二坳陷南部斜坡，区域构造特征与南海北部陆缘的新生代构造演化密不可分，主要受太平洋向欧亚板块的俯冲、南海海盆的2次海底扩张及台湾东、西两地块的碰撞所影响，区内断层较为发育。因钻探区位于上陆坡的坡折处，在底流和重力流的共同作用下，海底滑坡异常强烈。

（1）神狐钻探区与天然气水合物成矿关系密切的活动构造类型有3类，即活动断裂、底辟和海底滑坡。其中，底辟与部分活动断裂存在着明显的共生关系。研究认为，活动断裂与天然气水合物的分解及气体释放存在着一定的关系，对天然气水合物的富集与成藏具有控制作用，尤其是断褶组合极为有利于天然气水合物的成藏。它们都可作为天然气水合物形成时流体输导的有利通道，断裂带和海底滑坡还可作为天然气水合物发育的良好储集空间。

受区域构造背景控制，钻探区断层非常发育，且均为正断层，大致可分为NE、NEE、NW向三大断裂系统。其中NW向断层继承性明显，活动时间长，且被NE向断层切割；大部分NE向断层活动时间晚，且多为层间断层（图2）。区内不同层位、不同发育期次的断层及其体系与天然气水合物的形成有密切关系。NW向断裂是同沉积断层，从基底断起，由深及浅断距逐渐减小，这些断裂可以起到沟通深部气源的作用，气体沿断层下部高压区向上部低压区运移，到达浅层后由数目众多的NE向小断裂继续向上运移，进入天然气水合物稳定带，从而形成天然气水合物。

图8 神狐海域钻探区气烟囱及北西向断层地震反射特征

（T1、T2、T3分别为第四系、上新统、上中新统底界面，BSR表示似海底反射）

（2）气烟囱是钻探区另一种流体运移模式。钻探区位于珠江口盆地白云凹陷沉积中心区，从地震剖面上发现大量气体底辟的痕迹，又称之为气烟囱。发育的气烟囱总体呈NE走向，剖面上看，烟囱内部横向上反射同向轴的连续性变差或中断，内部反射杂乱，甚至为空白反射，局部由于气体的充注，同向轴出现下拉现象（图1）；烟囱的两侧、顶部常见亮点振幅异常，瞬时频率剖面上常出现明显的低频现象（图3），反映BSR之下存在丰富的游离气。大部分反射模糊区的中下部为弱振幅或振幅空白带，同相轴下拉应是天然气充注造成低速异常所致。利用气烟囱检测软件发现，气烟囱在BSR以下发育充分，而在BSR上方则没有明显的显示，说明流体在向上运移过程中，在BSR处发生富集，形成天然气水合物，而天然气水合物又可以对下覆气体形成遮挡，促使游离气在BSR下部聚集，在地震剖面上形成增强反射体。气烟囱的分布区域与BSR基本一致（图4）。由图4可知，除2005年度采集区缺少明显气烟囱外，钻探目标区气烟囱发育区总体呈北东走向，气烟囱平面分与BSR分布基本一致。气烟囱现象对BSR的分布起了决定性作用，气烟囱的发育与天然气水合物成藏之间存在直接的关联。

图9 钻探目标区气烟囱与BSR叠合

       此外，该区天然气水合物成藏还与其属于大型滑塌断块内部有关，2007年神狐钻探区的钻探成果表明，神狐天然气水合物主要赋集于晚中新统及上新统未固结的沉积层中，沉积相为具有较高孔隙度的三角洲前缘、浊积扇、滑塌沉积、浊积扇体和漫溢沉积，岩性主要为富含粘土和粉砂的沉积物，且天然气水合物均匀分布在整个细粒沉积物中，占到孔隙体积的20%～40%。大型滑塌所形成的滑塌沉积，由于其内部物质疏松，孔隙度大，有机质丰富，对流体运移非常有利。

整理编辑：许佳锐

资料来源：中国地质调查局-中国地质调查快讯

特别声明：以上资料仅作学习交流，勿用于商业用途。

侵权立删。

我爱发明

很少见到楼主这么系统、图文并茂的南海水合物的资料啊。早就知道咱们国家在南海获取了第一个水合物样品，没想到已经开展了这么多工作，“十三五”期间咱们国家应该在南海试采吧？

EnderZ

好详细的资料啊

天然气水合物

EnderZ 发表于 2016-4-18 08:46

其实更多的工作内容和工作成果并没有公开公布，考虑到南海的特殊性，相关单位对这方面的工作保密性还是比较高的，我这边只是罗列了部分公开的研究成果。

天然气水合物

我爱发明 发表于 2016-4-18 08:37

这个不好说。广海局、中海油等相关单位在南海都部署了很多工作，正在进行进一步的研究，但考虑到南海的特殊性，我们只能学习交流他们已经公开发布的信息与资料。

tengyihua

从开采的角度上来说，粉砂质和泥质含量较高会导致严重的出砂还有地层不稳定的问题，日本南海海槽是粗砂层，2013年试生产也只维持了6天，井口就被堵塞了，不知版主有没有在这一方面做过调研？

天然气水合物

tengyihua 发表于 2016-4-20 11:02

您说得很对，看来您非常了解。因此日本没有如期实现他们先前制定的关于水合物的开发计划，也证明了人类关于水合物的研究程度其实还是远远不够的。关于日本Nankai Trough的许多重要成果和研究，在Marine and Petroleum Geology2015年9月这期特刊进行了刊载，我的了解也仅限于这些公开发表的资料与信息，谢谢您。

天然气水合物

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