天然气水合物因其潜在的能源价值而备受关注,我国自20世纪90年代开始在南海开展水合物调查,截至目前已实施了9个水合物钻探航次,取得了一系列水合物找矿突破。钻探结果证实,南海北部发育多种类型水合物,神狐海域主要发育扩散型水合物,东沙海域发育复合型水合物,琼东南发育渗漏型及砂质型水合物。本文结合钻探成果,详细阐述了各种类型水合物的地震反射特征以及测井响应特征。扩散型天然气水合物在地震上主要表现为显著的BSR以及BSR之上的强正极性反射,在测井上主要表现为高电阻率、高纵波速度和高横波速度,如出现水合物与游离气共存的混合层则在测井上表现为高电阻、低纵波速度、高横波速度和中子-密度反交等特征。渗漏型水合物在地震上通常不发育典型的BSR,BSR之上发育亮点反射或者浅部地层发育上拉反射以及柱状的空白反射,海底发育显著的异常地貌,如丘状体和麻坑,在测井上表现为极高的电阻率、稍微增高的纵波及横波速度、高角度层理等特征。砂质水合物在地震上表现为极强的BSR和指示砂质水合物的强正极性反射,测井上表现为低伽马、极高的电阻率、极高的纵横波速度、略微增高的密度和略微降低的中子孔隙度等特征。最后总结了神狐及琼东南水合物成藏控制因素,认为神狐海域发育的深大断裂以及倾斜的天然堤沉积控制了神狐海域高丰度天然气水合物藏的发育,而琼东南海域水合物发育受古潜山及差异压实作用控制。

全球多个海域钻探表明天然气水合物与游离气共存,不同共存层的地球物理异常特征与富集程度存在差异,形成识别共存层的方法有利于准确评价天然气水合物资源量。本文分析了南海与国际典型井位的多种测井与地震资料,总结了4种类型的天然气水合物与游离气共存层,包括细粒泥质储层稳定带附近共存、细粒泥质粉砂储层水合物稳定区底界(BSR)下方共存、细粒泥质储层冷泉发育区天然气水合物稳定带内共存和粗粒砂质储层快速沉积区天然气水合物与游离气共存。对比不同储层类型异常特征变化,通过多种属性联合与交会分析形成识别共存层天然气水合物赋存形态方法。结果表明,生物成因气与热成因气都能形成天然气水合物与游离气共存。在生物成因气发育区,由于快速沉积作用导致天然气水合物稳定带底界向上调整,天然气水合物发生分解。因分解需要时间,在一定时期内的局部区域会出现天然气水合物与游离气共存。而热成因气发育区,易形成Ⅱ型天然气水合物与游离气共存。利用孔隙度、电阻率与饱和水层的差异进行交会分析,根据曲线变化趋势能识别共存层天然气水合物的赋存形态,多种地球物理属性对比分析认为横波速度是识别共存层天然气水合物与游离气富集差异的关键参数。

天然气水合物形成的物质来源对揭示其富集成藏机制至关重要。南海北部已钻探证实存在大量高饱和度天然气水合物矿藏,但其成矿烃类气体来源与成因机制仍未被系统阐明,制约着主力气源的判识和未来勘查部署。本文以南海北部琼东南和神狐海域典型的高饱和度水合物矿藏为研究对象,采用气体地球化学、沉积物有机地球化学、地质微生物组学、地震地质综合解释多手段综合研究方法,探讨了其烃类气体的来源和成因机制。结果显示南海北部水合物气体的成因类型具有多元化特点,原生型、次生型微生物气和热解成因煤型气、油型气均有发现,不同水合物矿藏中热解成因气体遭受了不同强度的微生物降解改造作用:神狐W11-17矿藏>神狐W18-19矿藏>琼东南GMGS5-W08矿藏。水合物气源层由浅部微生物气源层(20~85 ℃)和深部热解成因气源层(镜质体反射率R_o>0.5%)组成,目前已钻遇的300 mbsf以浅的微生物气源层产气潜力相对较低,但热解成因气源由于具备一定规模的烃源灶和正处于成熟阶段的煤系烃源岩等条件而表现出较高的产气潜力。深部热解成因烃源灶、中部常规油气藏、浅部微生物气源层和复合型输导通道(控洼断裂、气烟囱、管状渗漏、微裂缝等)构成了南海北部高饱和度水合物矿藏的气源供给体系,深部热解气的贡献极为关键,但大部分热解气运移经过微生物气源层(20~85 ℃)时遭受了微生物次生改造,最后转化为次生型微生物甲烷为水合物成矿供源。南海北部高饱和度水合物矿藏中的烃类气体具有3种成因:一是从深部热解成因烃源灶直接运移而来,即未降解热解气;二是深部来源热解成因烃类运移至微生物气源层后经微生物厌氧降解产甲烷过程生成,即次生型微生物气;三是浅部微生物气源层中的微生物利用原地沉积物有机质直接生成,即原生型微生物气。

近年来,我国在南海北部完成了9个天然气水合物钻探航次,采集了大量三维地震资料,发现了多种赋存类型的天然气水合物,但是不同赋存形态与富集程度的天然气水合物地球物理异常响应及主控因素差异有待厘清。在台西南盆地和琼东南盆地发现了呈烟囱状反射的裂隙充填型水合物与呈强振幅反射的孔隙充填型水合物垂向叠置分布,而珠江口盆地水合物稳定带底界上部广泛发育孔隙充填型水合物。研究认为低孔渗特征、相对细粒沉积层和块体搬运沉积体储层,匹配局部高通量流体供给条件,控制了裂隙充填型水合物赋存;相对低通量流体和相对粗粒储层岩性是孔隙充填型水合物赋存的主要条件,而Ⅱ型水合物、水合物与游离气共存及近期活动水合物系统均与深部来源热成因气及相对高通量流体供给有关。构造-沉积背景差异是多类型水合物赋存的主要原因,流体运移通道、运移方式和储层岩性耦合控制天然气水合物富集程度;受晚期岩浆侵入、泥火山构造、隆起构造影响而形成的断层和气烟囱构造控制流体运移与天然气水合物成藏。因而查明不同盆地发育的天然气水合物赋存差异,厘清多类型水合物地质主控因素对于指导高富集天然气水合物藏勘探具有重要意义。

渗漏型水合物成藏系统往往发育中-高饱和度的水合物及其下伏伴生气,是海域广泛分布的一类水合物资源,也是海底灾害、冷泉系统和气候变化的重要研究对象。因此,认识其分布规律和形成机制具有重要意义。本文通过南海北部海底观测、岩心、测井、地震及测试分析资料,系统总结了渗漏型水合物成藏系统发育的地貌、地质、地球物理与地球化学方面的识别标志,发现渗漏型水合物主要分布在渗漏通道内。按照渗漏通道形成的机械失稳方式不同将其分为两类:构造圈闭控制的水力破裂型渗漏通道,呈集群状分布;高角度断层控制的剪切破裂型渗漏通道,呈线状分布。在渗漏型水合物成藏系统中,深部气体沿气烟囱、断层等运移并聚集在甲烷水合物稳定带底部附近。当流体压力大于上覆细粒沉积地层的破裂力时,游离气向上突破形成渗漏通道,在渗漏通道内的高角度裂隙网中形成中-高饱和度裂隙充填型水合物,在穿越的薄砂层中形成高饱和度孔隙充填型水合物。游离气在渗漏通道内的长距离运移过程可能受到3种机制的影响,即排盐效应维持的热力学三相平衡、水合物壳的形成使得甲烷扩散受限和高甲烷通量导致的水合物动力学生长速率受限。与活动冷泉相关的渗漏型水合物的形成过程可划分为3个阶段:(1)盖层破裂阶段。在超压作用下可能受水合物动力学生长速率的影响;(2)向上突破阶段。局部升高的盐度和温度维持了热力学三相平衡;(3)当流体到达海底后,地温趋近背景值,进入稳定渗漏阶段。排盐效应和水合物壳导致的甲烷扩散受限控制了水合物的生成。当冷泉停止活动后,盐度随着游离气的不断扩散而降低,渗漏通道的底部逐渐有新的水合物再次形成。