趙汗青,李春雷,吳時(shí)國(guó),王 征

(1.中海油服物探事業(yè)部數(shù)據(jù)處理解釋中心,天津 300451;2.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所,山東 青島 266071)

天然氣水合物是由天然氣分子與水分子構(gòu)成的籠型化合物,外觀似冰,能燃燒,又叫“可燃冰”。它在能源、環(huán)境和災(zāi)害方面都具有十分重要的意義。天然氣水合物主要賦存于水深300 m以下的海底和永久凍土帶[1]。它的大量形成需具備如下幾個(gè)條件:合適的溫度和壓力、充足的天然氣源以及溝通天然氣源和水合物賦存帶的地質(zhì)構(gòu)造。截至2005年,全球已有30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展了天然氣水合物調(diào)查工作,發(fā)現(xiàn)天然氣水合物存在標(biāo)志或?qū)嵨飿悠返膮^(qū)域總計(jì)116個(gè)。其中,陸地38處(永久凍土帶),海洋78處[2]。2007年,中國(guó)在南海北部陸坡區(qū)神狐海域?qū)嵤┑目蒲秀@探工作中,取得了天然氣水合物實(shí)物樣品,成為繼美國(guó)、日本、印度之后第4個(gè)通過(guò)國(guó)家級(jí)研發(fā)計(jì)劃取得這一突破的國(guó)家[3]。

澳大利亞西北陸架盆地現(xiàn)位于歐亞板塊、太平洋板塊和印澳板塊結(jié)合部位,是在古生代—中生代岡瓦納大陸破裂的基礎(chǔ)上,最終形成的被動(dòng)大陸邊緣盆地。從西南到東北主要分布著北卡那封、柔布克、布勞斯和波拿巴盆地(圖1)。產(chǎn)自北卡那封盆地的液化天然氣(LNG)已出口到中國(guó),中海石油有限公司也參與了西北陸架主要含油氣盆地的油氣勘探開(kāi)發(fā)[4]。依據(jù)最新的區(qū)域地震資料解釋成果,中生代以來(lái)盆地的構(gòu)造演化主要經(jīng)歷了裂前坳陷、裂谷、過(guò)渡和裂后被動(dòng)大陸邊緣四個(gè)階段[5-7]。在區(qū)域構(gòu)造演化的控制作用下,發(fā)育了多套沉積層序建造,為烴類化合物的生成與賦存奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。澳大利亞西北陸架盆地水深大于300 m的海域超過(guò)其總面積的 1/3,且為十分富氣而相對(duì)貧油的油氣區(qū)[8-9]。雖然本區(qū)域是目前全球深水油氣勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū)之一,但整體的勘探程度較低,本區(qū)域是否發(fā)育天然氣水合物尚無(wú)相關(guān)報(bào)道,本文根據(jù)天然氣水合物地震識(shí)別技術(shù),同時(shí)結(jié)合澳大利亞西北陸架天然氣水合物成礦的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境分析,認(rèn)為本區(qū)域也是天然氣水合物賦存有利地區(qū)之一,此項(xiàng)研究工作的意義在于填補(bǔ)了澳大利亞西北陸架盆地天然氣水合物研究工作的空白。

1 天然氣水合物存在的地震異常

在各種海域天然氣水合物勘探技術(shù)中,地震勘探方法是最快速有效的方法之一,其主要識(shí)別標(biāo)志包括: 似海底反射波(BSR)、振幅空白、極性反轉(zhuǎn)和速度倒置等。其中,海底沉積物中存在天然氣水合物最重要且最實(shí)用的標(biāo)志是BSR的存在。在鉆井之前,BSR是公認(rèn)的識(shí)別天然氣水合物賦存的地球物理標(biāo)志,這已經(jīng)為許多實(shí)際資料,如鉆井資料所證實(shí)[1]。

地震剖面上的BSR通常指示了含天然氣水合物沉積層與含游離氣沉積層或含水沉積層的相邊界。因此,天然氣水合物穩(wěn)定帶底界的確定就可以歸結(jié)為BSR的確定。BSR在地震疊加剖面上一般表現(xiàn)為以下特征: (1)與海底反射幾乎平行;(2)與海底反射波的極性相反;(3)通常為強(qiáng)的反射振幅;(4)可以與沉積層界面反射波斜交;(5)BSR之上通常表現(xiàn)為反射能量很弱的“振幅空白帶”[1]。

圖1 澳大利亞西北陸架主要含油氣盆地分布與水深(m)圖Fig.1 The bathymetric chart and distribution of main petroliferous basins in North-West Shelf basins,Australia

通過(guò)對(duì)西北陸架盆地地震資料的綜合解釋發(fā)現(xiàn)(中海石油有限公司在參與澳大利亞西北陸架盆地的油氣勘探開(kāi)發(fā)工作中,獲得了公開(kāi)的基礎(chǔ)地質(zhì)與地球物理資料): 在北卡那封和柔布克盆地多條地震剖面(以圖 1中 Line A為例,沒(méi)有特殊說(shuō)明前提下,地震資料道間距均為25 m×25 m)均出現(xiàn)了特征較為明顯的BSR和振幅空白帶(圖2)。通過(guò)對(duì)研究區(qū)水深超過(guò)300 m(海域天然氣水合物存在的最小水深)海域地震資料的分析,發(fā)現(xiàn)了與天然氣水合物有關(guān)的較為明顯的地震異常主要有 3個(gè)區(qū)域,其中兩個(gè)位于北卡那封盆地,另一個(gè)位于柔布克盆地。通過(guò)全盆地的地震精細(xì)解釋,總計(jì)面積約70 000 km2(圖3)。

2 天然氣水合物成礦地質(zhì)條件

2.1 構(gòu)造演化與氣源

澳大利亞西北陸棚古生代之后的構(gòu)造演化,主要以印度洋形成和大陸解體過(guò)程為主要特征。對(duì)于中生代裂谷主要發(fā)育時(shí)期來(lái)說(shuō),三疊紀(jì)的構(gòu)造演化屬于裂前坳陷階段。三疊紀(jì)晚期的Fitzroy構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了一系列沉積坳陷的雛形。三疊紀(jì)時(shí)期主要為克拉通內(nèi)坳陷沉積,斷層發(fā)育較少,且對(duì)沉積的控制作用不明顯。區(qū)域上三疊系以西南傾為主,主要沉降中心位于北卡那封盆地 Exmouth高地,主要烴源巖來(lái)自河流、三角洲相的下—中三疊統(tǒng)Locker頁(yè)巖組、河流相的中—上三疊統(tǒng)Mungaroo組及其與它們時(shí)代相當(dāng)?shù)牡貙?為成熟—過(guò)成熟,以生氣為主[7]。

圖2 北卡那封盆地測(cè)線Line A中BSR和振幅空白Fig.2 Amplitude blanking zone and BSR of Line A in North Carnarvon basin

圖3 澳大利亞西北陸架盆地天然氣水合物BSR分布圖Fig.3 The BSR distribution of gas hydrate in North-West Shelf basins,Australia

裂谷階段主要從早侏羅世延續(xù)到中侏羅世末。北東向的正斷層活動(dòng)加劇,這一時(shí)期發(fā)育廣泛的裂谷斷層和形變,致使三疊紀(jì)晚期 Fitzroy構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的沉積坳陷雛形進(jìn)一步發(fā)育,形成了一系列北東向展布的掀斜斷塊、地壘和地塹。主要斷層控制不同構(gòu)造單元的地層沉積。裂谷期的沉降中心位于西北陸架各盆地的主要沉積坳陷帶,發(fā)育巨厚,各盆地坳陷帶中—下侏羅統(tǒng)烴源巖均達(dá)到成熟和過(guò)成熟,是 3個(gè)盆地中都發(fā)育的重要烴源巖,西北陸架的油氣田大部分都源自這種類型烴源巖,油氣兼生,以氣為主[7]。

過(guò)渡階段主要從晚侏羅世持續(xù)到早白堊世的阿普特期。這一階段斷裂活動(dòng)相對(duì)趨緩,除部分控凹斷層外,較少有斷層斷穿上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)地層,主要以坳陷沉積演化為主。沉降中心有繼承、有偏移,西北陸架西南部沉積較厚,中北部變薄。下白堊統(tǒng)下部烴源巖部分成熟,僅在布勞斯和波拿巴盆地為中到較好烴源巖,其他區(qū)域均為成熟[7]。

早白堊世阿普特期以后,盆地開(kāi)始了被動(dòng)大陸邊緣的演化進(jìn)程,以坳陷沉積為主,部分地區(qū)斷層發(fā)育。其中最重要的一次構(gòu)造事件為: 漸—中新世時(shí)期,澳大利亞板塊和歐亞板塊碰撞,發(fā)生構(gòu)造擠壓及大規(guī)模的左旋剪切作用,造成部分早期斷裂活化,同時(shí)又產(chǎn)生了一系列的淺層斷裂[7]。

根據(jù)前人研究成果顯示,基于近30 000個(gè)烴源巖樣品(包括巖心、井壁取心和鉆屑)實(shí)物及多個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)資料,對(duì)澳大利亞西北陸架的烴源條件進(jìn)行了全面分析,結(jié)果表明: 澳大利亞西北陸架從二疊紀(jì)到早白堊世發(fā)育了多套優(yōu)質(zhì)烴源巖,全部形成于裂谷原型盆地之中。以海相泥頁(yè)巖為主,有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為 1%～5%,最高達(dá) 13.9%;干酪根主要是Ⅱ、Ⅲ型,以生氣為主[8-14]。勘探結(jié)果表明: 澳大利亞西北陸架盆地油氣資源主要以天然氣為主,天然氣可采儲(chǔ)量大于 820億 m3的大型及準(zhǔn)大型氣田21個(gè),大多數(shù)分布于300 m水深以下及附近,這也跟澳大利亞西北陸架現(xiàn)今“富氣貧油,內(nèi)油外氣,大型氣田位于遠(yuǎn)岸帶深水區(qū)”的狀況相吻合[11]。因此,該區(qū)具有天然氣水合物形成的充足氣源。

2.2 與天然氣水合物富集有關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造條件

澳大利亞西北陸架位于三大板塊的交匯部位,各個(gè)時(shí)期均發(fā)生了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和普遍的沉積事件,廣泛發(fā)育了淺層活動(dòng)斷裂、鹽泥底辟、海底滑塌體和海底扇等與天然氣水合物密切聯(lián)系的構(gòu)造沉積體(圖 4),這些構(gòu)造沉積體的發(fā)育已被證實(shí)對(duì)天然氣水合物的形成起著重要的作用[15-16]。

裂谷階段中深層斷裂和裂后被動(dòng)大陸邊緣階段板塊碰撞發(fā)育的淺層斷裂的梯級(jí)組合,使天然氣可以運(yùn)移到海底淺部的天然氣水合物賦存帶成礦,起到了溝通運(yùn)移的作用[1,17-18]。

圖4 澳大利亞西北陸架天然氣水合物有利成礦構(gòu)造分布圖Fig.4 The distribution of favorable structure related to gas hydrate in North-West Shelf basins,Australia

除斷裂構(gòu)造外,鹽、泥底辟構(gòu)造是天然氣向上運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶形成天然氣水合物的另外一個(gè)重要通道,其在澳大利亞西北陸架被動(dòng)大陸邊緣各盆地也較為發(fā)育(圖5),其與淺部斷裂的梯級(jí)組合使天然氣向海底淺部運(yùn)移溝通的作用更為顯著[19-20]。

圖5 北卡那封盆地測(cè)線Line B中鹽、泥底辟構(gòu)造Fig.5 Salt and mud diapiric structure of Line B in North Carnarvon basin

滑塌體等特殊構(gòu)造也是天然氣水合物成礦的主要地質(zhì)載體,它的存在通常與水合物的分解有關(guān),因此它也是天然氣水合物存在的標(biāo)志構(gòu)造體之一[1,15-18],其在澳大利亞西北被動(dòng)大陸邊緣大陸坡上發(fā)育廣泛(圖 6)。

2.3 天然氣水合物成礦溫壓條件

圖6 北卡那封盆地測(cè)線Line C中滑塌體構(gòu)造Fig.6 The slumps structure of Line C in North Carnarvon basin

澳大利亞西北陸架屬于被動(dòng)大陸邊緣,具備天然氣水合物形成的有利溫度和壓力條件。水深大于300 m的海域超過(guò)澳大利亞西北陸架總面積的 1/3,已有大量文獻(xiàn)報(bào)道由于溫度、壓力條件適合,在全球范圍內(nèi),超過(guò)這一深度的海域是天然氣水合物發(fā)育的有利地區(qū)[1,21-24]。

在沒(méi)有特殊熱事件存在的情況下,300 m水深以下的海底溫度主要穩(wěn)定在 2～4℃左右,天然氣水合物存在的極限溫度為 25℃,因此只要在這一深度以下的海底淺層沉積物中不存在過(guò)高的地溫梯度,就有可能賦存較厚的天然氣水合物成礦層,而尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道澳大利亞西北陸架深水區(qū)域海底淺層具有異常高的地溫梯度,導(dǎo)致海底及其淺層沉積物溫度過(guò)高,進(jìn)而限制天然氣水合物發(fā)育的情況存在。

天然氣水合物存在的壓力條件并不苛刻,在溫度條件滿足的前提下,只需30個(gè)左右的大氣壓即可生成,而超過(guò) 300 m的水深再加上海底淺層沉積物的載荷很容易滿足這一條件。另有證據(jù)表明,澳大利亞西北陸架盆地中的北卡那封盆地,深部烴源巖發(fā)育有超壓,而淺層則處于常壓或過(guò)渡壓力區(qū)[8,25-26],研究區(qū)天然氣具備由深部的高勢(shì)能區(qū)向淺部的低勢(shì)能區(qū)流動(dòng)的總體趨勢(shì),因而進(jìn)一步有利于深部天然氣運(yùn)移至天然氣水合物穩(wěn)定帶賦存成礦[1]。

所以,通過(guò)與全球其他相似海域類比,并綜合現(xiàn)有資料判斷,研究區(qū)具備天然氣水合物發(fā)育的溫度及壓力條件,較為穩(wěn)定的被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境為天然氣水合物的形成與賦存提供了廣闊的空間。

3 天然氣水合物資源潛力估算

通過(guò)對(duì)研究區(qū)與天然氣水合物有關(guān)的地震異常的識(shí)別,結(jié)合研究區(qū)天然氣水合物成礦地質(zhì)條件的分析,初步圈定了澳大利亞西北陸架天然氣水合物成礦遠(yuǎn)景區(qū)主要位于北卡那封、柔布克和布勞斯盆地外側(cè)的西部隆起帶。其中對(duì)各個(gè)盆地的天然氣水合物成礦遠(yuǎn)景分析如下。

北卡那封和柔布克盆地是天然氣水合物最有利發(fā)育區(qū)。水深超過(guò)300 m海域面積較大,超過(guò)盆地面積的 50%,烴氣來(lái)源充足;不利條件是溝通氣源與天然氣水合物成礦帶斷裂較少,鹽泥底辟也較少發(fā)育。

布勞斯盆地是研究區(qū)天然氣水合物次有利發(fā)育區(qū)。水深超過(guò)300 m海域占盆地面積的1/3,烴氣來(lái)源也很豐富,迄今已發(fā)現(xiàn)4個(gè)大型氣田,與北卡那封和柔布克盆地類似,斷至天然氣水合物賦存層位的淺層斷裂不甚發(fā)育,鹽泥底辟也不太發(fā)育,另外本盆地裂陷期的局部變熱和強(qiáng)烈的火山作用也有可能導(dǎo)致地溫梯度過(guò)大,最終限制了天然氣水合物的成藏的厚度和范圍。

波拿巴盆地是研究區(qū)天然氣水合物不利發(fā)育區(qū)。雖然本盆地漸—中新世澳大利亞板塊與歐亞板塊的碰撞導(dǎo)致后期的斷裂活化作用非常明顯,發(fā)育了大量溝通氣源與天然氣水合物聚集層位的淺層斷裂,同時(shí)大量的鹽泥底辟發(fā)育也為烴氣向上運(yùn)移提供了通道,但是本盆地水深普遍不超過(guò) 300 m,所以,比較而言波拿巴盆地是澳大利亞西北陸架天然氣水合物最不發(fā)育的盆地,其最可能賦存區(qū)域?yàn)榕璧匚鞅本o鄰帝汶海槽一側(cè)的狹長(zhǎng)條帶,分布范圍非常局限。

最后筆者利用體積估算法對(duì)研究區(qū)天然氣水合物總資源量進(jìn)行了初步的估算。

其中: V為水合物總資源量;A為水合物分布面積(合計(jì)70 000 km2,主要參考研究區(qū)與天然氣水合物有關(guān)的地震異常區(qū)面積);Z為水合物穩(wěn)定帶平均厚度(40 m,主要參考2007年我國(guó)南海北部陸坡神狐海域鉆遇含天然氣水合物沉積層最大厚度);Φ 為沉積物有效孔隙度(40%);H為孔隙中水合物飽和度(10%);E為水合物中天然氣容積倍率(160,假定天然氣均為甲烷)。

研究區(qū)天然氣水合物成礦遠(yuǎn)景區(qū)大約蘊(yùn)含甲烷量為18萬(wàn)億m3,約合180億t油當(dāng)量。

4 結(jié)論

1)澳大利亞西北陸架盆地發(fā)現(xiàn)廣泛分布的BSR,推斷該海域蘊(yùn)藏著豐富的天然氣水合物,其天然氣水合物儲(chǔ)量巨大,初步估計(jì)天然氣水合物分布區(qū)蘊(yùn)含甲烷量達(dá)18萬(wàn)億m3。其中北卡那封和柔布克盆地是天然氣水合物最為發(fā)育的區(qū)域,布勞斯盆地次之,波拿巴盆地最不發(fā)育。

2)澳大利亞西北陸架盆地位于穩(wěn)定的被動(dòng)大陸邊緣,水深超過(guò)300 m的海域“富氣貧油”,氣源充足,同時(shí)具備適于天然氣水合物賦存的良好溫壓條件,以及溝通天然氣源和水合物賦存帶的地質(zhì)構(gòu)造。構(gòu)造演化是天然氣水合物成藏所具備的 3個(gè)條件的基礎(chǔ),因此是天然氣水合物成礦的重要影響因素之一。

[1]吳時(shí)國(guó),姚伯初.天然氣水合物賦存的地質(zhì)構(gòu)造分析與資源評(píng)價(jià)[M].北京: 科學(xué)出版社,2008: 1-307.

[2]許紅,黃君權(quán),夏斌,等.最新國(guó)際天然氣水合物研究現(xiàn)狀及資源潛力評(píng)估(下)[J].天然氣工業(yè),2005,25(6): 18-23.

[3]付少英,陸敬安.神狐海域天然氣水合物的特征及其氣源[J].海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài),2010,26(9): 6-10.

[4]白國(guó)平,殷進(jìn)垠.澳大利亞北卡那封盆地油氣地質(zhì)特征及勘探潛力分析[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2007,29(3):253-258.

[5]姜雄鷹,傅志飛.澳大利亞北波拿巴盆地構(gòu)造地質(zhì)特征及勘探潛力研究[J].石油地質(zhì)與工程,2010,4:12-15.

[6]姜雄鷹,傅志飛.澳大利亞布勞斯盆地構(gòu)造地質(zhì)特征及勘探潛力研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2010,2: 54-57.

[7]張建球,錢桂華,郭念發(fā).澳大利亞大型沉積盆地與油氣成藏[M].北京: 石油工業(yè)出版社,2009: 1-210.

[8]馮楊偉,屈紅軍,張功成,等.澳大利亞西北陸架深水盆地油氣地質(zhì)特征[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2011,31(4): 131-140.

[9]馮楊偉,屈紅軍,張功成,等.澳大利亞西北陸架深水盆地油氣分布規(guī)律[J].地質(zhì)科技情報(bào),2011,30(6):99-104.

[10]汪偉光,童曉光,喻蓮,等.澳大利亞西北大陸架油氣分布及成藏主控因素[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2013,35(1): 10-18.

[11]溫志新,王兆明,胡湘瑜,等.澳大利亞西北大陸架被動(dòng)大陸邊緣盆地群大氣田分布與主控因素[J].海洋地質(zhì)前沿,2011,27(12): 41-47.

[12]張功成,米立軍,屈紅軍,等.全球深水盆地群分布格局與油氣特征[J].石油學(xué)報(bào),2011,32(3): 369-378.

[13]方欣欣,于興河,李勝利,等.澳洲西北及南部被動(dòng)陸緣油氣差異分布[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,43(5): 1821-1829.

[14]許曉明,于水,駱宗強(qiáng),等.澳大利亞西北大陸架與尼日爾三角洲、坎波斯盆地油氣地質(zhì)條件的對(duì)比研究[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2010,32(1): 28-34.

[15]沙志彬,郭依群,楊木壯,等.南海北部陸坡區(qū)沉積與天然氣水合物成藏關(guān)系[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2009,29(5): 89-98.

[16]龔躍華,吳時(shí)國(guó),張光學(xué),等.南海東沙海域天然氣水合物與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2008,28(1): 99-104.

[17]王宏斌,張光學(xué),楊木壯,等.南海陸坡天然氣水合物成藏的構(gòu)造環(huán)境[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2003,23(1): 81-86.

[18]吳時(shí)國(guó),張光學(xué),郭常升,等.東沙海區(qū)天然氣水合物形成及分布的地質(zhì)因素[J].石油學(xué)報(bào),2004,25(4):7-12.

[19]徐寧,吳時(shí)國(guó),王秀娟,等.東海沖繩海槽陸坡天然氣水合物的地震學(xué)研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2006,2:564-571.

[20]趙汗青,吳時(shí)國(guó),徐寧,等.東海與泥底辟構(gòu)造有關(guān)的天然氣水合物初探[J].現(xiàn)代地質(zhì),2006,20(1):115-122.

[21]Andreassen K,Hart P E,Granz A.Seismic studies of a BSR related to gas hydrate beneath the continental margin of the Beaufort Sea [J].Journal of Geophysical Research,1995,100(B7): 12659-12673.

[22]Hovland M,Gallagher J W.Gas hydrate and free gas volumes in marine sediments: example from the Niger Delta front [J].Marine and Petroleum,1997,14(3):245-255.

[23]Kvenvolden K A,Ginsburg G D,Soloviev V A.Worldwide distribution of subaquatic gas hydrate [J].Geo-Marine Letters,1993,13: 32-40.

[24]Wu Shiguo,Zhang Guangxue,Huang Yongyang,et al.Gas hydrate occurrence in the northern South China Sea[J].Marine &Petroleum Geology,2005,22: 403-412.

[25]Peter V R,Richard H,Peter T.The origin of overpressure in the Carnarvon Basin,Western Australia:implications for pore pressure prediction[J].Petroleum Geoscience,2004,10: 247-257.

[26]He Sheng,Middleton M,Kaiko A,et al.Two case studies of thermal maturity and thermal modeling within overpressure Jurassic rocks of the Barrow Sub-basin,North West Shelf of Austrilia[J].Marine and Petroleum Geology,2002,19: 143-159.