韩国郁陵盆地水合物气源成因及成藏模式

天然气水合物

一、气源成因
       韩国水合物钻探岩芯的碳同位素比值表明气源主要为生物成因甲烷，岩芯测试表明有机碳含量比较高（图1）。岩芯回收中由于温度增加和压力降低，发生大量水合物发生分解，释放的大量气体和淡水使岩芯沉积结构发生变化，形成大量裂隙和其他扰动。

图1  岩芯沉积物TOC随深度变化

       总有机碳含量是大量烃类气体聚集的一项重要指标。在00GHP和01GHP岩芯中总有机碳含量分别在0.02%~4.5%之间变化，平均值为1.7%。00GHP-14两个层的有机碳含量较低，主要是粗粒沉积物（砂和砾石）。01GHP-04和01GHP-06岩芯的沉积速度分别为17cm/ky和20cm/ky。然而，研究区的热流较高，高的沉积速度、高有机碳含量和高热流有利于生物成因甲烷的产生。因此，能够在水合物稳定带较浅的地层形成天然气水合物。如果相同的有机碳含量和沉积速度发生在较深的地层，那么这里就有生成生物烃和天然气水合物的潜力。硫酸盐-甲烷界面（SMI）数据显示向上的甲烷流量横向上不同深度的差异，因此，甲烷产生在较深的地层。这种情况只适用于厌氧甲烷的氧化作用，是硫酸盐减少的主要原因。总有机碳含量与氮含量的比值可以用来描述沉积有机物的类型，因为不同的有机物产生不同的有机沉积物，生成的有机沉积物中碳和氮的比例也各不相同。岩芯沉积物中总有机碳与氮的比值为4-12之间，表明有机质主要来自海洋沉积物。
       尽管在岩芯回收过程中较多的原位气体会丢失，岩芯顶空气测量提供了原位气体浓度变化和是否存在充足的气体形成水合物。00GHP和01GHP岩芯湿沉积物中烃类气体浓度分别在0.13-87.4ml/L（平均浓度44ml/L）和0.04-35.4ml/L（平均浓度3.8ml/L）范围之间变化。75%岩芯剩余烃类气体浓度大于Sloan（1998）提出的形成天然气水合物需要烃类气体浓度的最小值。除了从01GHP-01和01GHP-06岩芯深层采集的样本外，在01GHP岩芯剩余烃类气体浓度较低。该岩芯顶空气气体浓度大于沉积结构受较强破坏的岩芯，该结果支持沉积结构的破坏是由水合物回收过程中产生的高浓度天然气引起的结论。
       剩余烃类气体浓度的变化表明了SMI深度和向上甲烷通量的局部差异。00GHP-07岩芯在00GH南部研究区的SMI深度为海底350-400cm。研究区00GH中部00GHP-14孔隙水中硫酸盐含量增加，主要因为海底125cm以下岩芯中含有大量的粗粒沉积物。Park等（2006)认为SMI深度可能略微深一些。形成天然气水合物的气源是生物成因还是热成因的另一个重要问题是岩芯沉积物剩余烃类气体中甲烷含量。甲烷的生物成因天然气一般在相对低温的条件下产生，因而埋深一般较浅，而热成因的天然气一般在高温条件下生成，因而埋深也较深。00GH岩芯甲烷的碳的同位素组成分析表明13C的值为-78‰至-75‰，为微生物成因气。


二、成藏模式
       韩国郁陵盆地位于欧亚板块边缘的弧后盆地，形成于早渐新世的地壳减薄和拉张。中中新世开始，区域构造环境由拉张变为挤压。这个过程在盆地南部和西部的产生逆冲断层和折叠构造，沉积物受到挤压容易发生超压作用形成裂隙。郁陵盆地的典型沉积特点是块体搬运体系和朵叶体流，盆地南部主要是滑坡或者滑塌体沉积，在盆地中央存在浊积岩和近海泥质沉积。
       海洋砂岩储层的水合物资源是仅次于极地冻土带砂岩储层，最有勘探远景的水合物储层。但是砂岩储层与裂隙储层经常紧密联系或者复合出现在水合物稳定带。复合型的储层包括水平到次水平，粗粒，渗透性沉积岩层（其中大部分是砂岩）和明显的垂直到次垂直的裂隙为气体运移提供通道。砂岩储层与细粒富泥的裂隙储层的水合物可能来自两种不同气源，一种是热成因运移来的甲烷气体，另一种是微生物成因气。
       郁陵盆地的地震剖面上气烟囱、管状构造或者反射空白带分布广泛，许多气烟囱向下延伸连接到深部断裂。气烟囱表现为地震空白带，内部反射层被上拉。一些小的管状构造冲出海底，形成隆起、麻坑或者海底凹陷(图5-10)。这些气烟囱可能代表着流体垂向运移的通道。垂向通道实际上是相互连通的裂隙网络。气烟囱之上冲出海底的丘状突起可能是自生碳酸盐岩，或者是与冷泉有关的水合物结核。气烟囱内部的反射轴上拉可能是由于热或者热化学效应。流体垂向运移往往把能量集中在一个窄的通道内发生，气烟囱一般越往上越窄。

图2 DFD-朵叶体流；THS-浊流/半远洋沉积

       Riedel等（2006）依据地震相把郁陵盆地内可能的水合物储层分成3类，分别为（1）MTD，（2）有砂岩浊积层的半深海泥质沉积，（3）半深海泥质沉积层。韩国分别于2007年、2010年在郁陵盆地进行两次水合物钻探，发现了多种不同的水合物藏，包括孔隙充填的砂岩储层水合物、裂隙充填的脉状、结核状或者分散状的细粒沉积物中的水合物。岩芯和测井综合分析结果显示UBGH2-2和UBGH2-6站位发现的砂岩储层水合物品质最高、厚度较大。这两个站位的岩性主要是泥质沉积物中的浊积砂岩夹层。在UBGH2-2站位的砂岩层出现在海底以下69-155m范围内，浊积岩占据整个层序单元的48%。UBGH2-6站位的砂岩层出现在海底以下110-155m范围内，砂岩夹层出现的频率更高，砂岩厚度站到整个层段的47%。岩芯中的浊积砂岩层厚度为1-148cm，平均约9cm。UBGH2-6站位的砂岩储层中天然气水合物饱和度为12%-79%，平均值达到52%，而UBGH2-2站位为15-65%