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2018 , Vol. 37 >Issue 3: 80 - 85

DOI: https://doi.org/10.11978/2017075

Orginal Article

The characteristics of shallow gas reservoir developed in the northern continental slope of South China Sea

  • ZHONG Guangjian , 1, 2 ,
  • ZHANG Ruwei 1, 2 ,
  • YI Hai 1, 2 ,
  • FENG Changmao 1, 2 ,
  • ZHAO Zhongquan 1, 2
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  • 1. Key Laboratory of Marine Mineral Resources, Ministry of Land and Resources, Guangzhou 510760, China
  • 2. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, China
Corresponding author: ZHONG Guangjian. E-mail:

Received date: 2017-07-01

  Request revised date: 2017-12-20

  Online published: 2018-05-03

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China Geological Survey Project (DD20160154)

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热带海洋学报编辑部
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Abstract

The shallow gas reservoir in the northern deep water area of the South China Sea (SCS) is a new type of oil-gas reservoir associated with gas hydrate, which has the characteristics of shallow burial and large scale, and its burial depth is generally less than 300 m. The shallow gas reservoir was formed by the gas hydrate cap in the deep cracking gas along the fault, and the identification of bottom simulating reflector is an effective method to find the shallow gas reservoir. The gas sources mainly include: pyrolysis gas, biogas and mixture. Slope tensile rupture is a major channel for gas migration, a sand layer at the bottom of the hydrate is the main reservoir of shallow gas accumulation, and the hydrate layer is blocked. Looking from gas hydrate distribution characteristics found in the SCS, shallow gas reservoir, widely distributed in slope deep-water area, with big reservoir thickness, and potentially significant resources, is a new type of reservoir while mining costs are relatively low.

Key words： shallow gas reservoir; gas hydrate; continental slope; bottom simulating reflector (BSR); South China Sea

Cite this article

ZHONG Guangjian , ZHANG Ruwei , YI Hai , FENG Changmao , ZHAO Zhongquan . The characteristics of shallow gas reservoir developed in the northern continental slope of South China Sea[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2018 , 37(3) : 80 -85 . DOI: 10.11978/2017075

浅层气是一种有效的油气资源, 是油气勘探的新领域(靳雪燕 等, 2017)。丁国生等(1996)根据浅层气藏的埋深及与气源的关系, 划分了3 种气藏类型: 原生超浅层微气藏、近源浅层小气藏和浅埋常规气藏, 并认为浅层气的开发前景广阔。南海北部大陆边缘盆地天然气资源丰富, 天然气成因类型较多, 浅层及中深层以热成因天然气为主, 但在浅层亦有大量生物气/亚生物气分布(何家雄 等, 2013)。本文探讨的浅层天然气藏属于浅层气, 是一种伴随天然气水合物的油气藏。
南海北部的浅层天然气藏属于常规气藏, 目前世界上发现的油气藏数量众多、类型各异。蒋有录等(2006)将油气藏分为常规油气藏和非常规气藏, 其中常规油气藏分构造、地层、岩性、水动力和复合五大类, 非常规气藏有深盆气藏、煤层气藏和天然气水合物。南海北部的浅层天然气藏受岩性影响较大, 是岩性或复合类气藏。
浅层天然气藏与天然气水合物具有相同的气源, 气体主要来源于沉积物中的有机物在细菌降解作用下产生的生物成因气, 或者是深部有机物热解产生的热解气。这些游离气聚集会形成浅层天然气藏, 而部分游离气在特定温压条件下形成天然气水合物, 海洋环境中水合物稳定区之下(bottom simulating reflector, BSR)存在游离气, 这些游离气可以形成浅层天然气藏。杨金秀等(2016)认为BSR上部的振幅空白带是含水合物地层的反射特征, 下部高振幅异常区代表了下伏的游离气区。天然气水合物是一种非常规气藏, 它是天然气与水的类冰状固态化合物, 是在特定的低温和高压条件下, 甲烷等气体分子被封闭在水分子的扩大晶体中, 形成似冰状的固态水合物。苏丕波等(2014)根据天然气水合物成藏气体来源将水合物形成类型划分为生物成因型、热解成因型以及混合气源型; 热解成因型天然气水合物与常规气藏有着密切关系, 两者存在伴生关系。
浅层天然气藏资源量非常可观, 它与水合物伴生。据广州海洋地质调查局预测, 中国海域天然气水合物资源量达800亿吨油当量, 相应的浅层天然气藏资源潜力也会较大。受自然界温度、压力条件限制, 海洋环境中天然气水合物赋存于水深超过300m的区域, 南海尤其是南海北部陆坡深水区被认为具有良好的天然气水合物资源潜力(张光学 等, 2002; Guo et al, 2004; Wu et al, 2005, 2007; Matsumoto et al, 2011; 吴能友 等, 2013)。2007年, 中国地质调查局广州海洋地质调查局在南海北部神狐海域组织实施了中国首个海洋水合物的钻探航次, 获取了水合物的实物样品(Wu et al, 2008; Yang et al, 2008)。

1 浅层天然气藏的识别

浅层天然气埋藏在水合物层之下, 与水合物存在显著的物性差异。含天然气水合物地层的地震波速度会明显增加, 而水合物下伏沉积层因含游离气或含水, 地震速度则会有明显下降。正是由于水合物层与下伏地层之间的这种阻抗差异, 形成的较强振幅差异, 使得地震剖面上出现了BSR。BSR作为指示天然气水合物的主要标志被广泛使用。同样原理, BSR也是浅层天然气藏的主要地球物理标志, 通过识别BSR是寻找浅层天然气藏有效方法。
在BSR特征显著的情况下, 依靠识别BSR可以有效识别浅层天然气藏; 但有些水合物的BSR特征不明显, 这种状况可以通过圈定水合物范围再落实下部浅层天然气藏, 了解水合物成藏特征有助于圈定浅层天然气藏。王宏斌等(2003)认为南海天然气水合物的运聚、富集与滑塌体、泥底辟、增生楔等构造地质体关系密切, 为水合物赋存提供了颇具规模的构造空间, 而且为深部气及浅层成气的垂向、侧向运移提供了良好的疏导体系。
Milkov等(2002)根据气体运移的控制因素提出了水合物成藏的4 种模型, 即断层构造型、泥火山型、地层控制型、构造-地层型。Tréhu 等(2006)提出了分散型(distributed low-flux gas hydrate)和聚集型(focused high-flux gas hydrate)2 种水合物分布类型。陈多福等(2005)根据气体的疏导方式划分为扩散型和渗漏型2 类体系。梁金强等(2016)根据对南海东北部陆坡钻探区水合物成藏条件及成藏特征的综合分析, 认为区内存在扩散型(孔隙充填型)、渗漏型(裂缝充填型)和复合型3 种成因模式: 1)扩散成因水合物充填在沉积物孔隙中, 储集介质为富含生物碎屑的黏土和粉砂, 矿藏呈层状分布在稳定域底部, 其底界与BSR 的分布吻合; 2)渗漏成因水合物呈块状、脉状、结核状的形式充填在沉积物裂隙或裂缝中, 在稳定域不同部位形成多个矿体; 3)复合型兼具扩散型和渗漏型水合物成藏特征, 在稳定域底部聚集形成扩散型水合物藏, 在稳定域上部形成渗漏水合物矿体, 共同构成复式成藏系统。

2 浅层天然气藏特征

天然气藏形成的基本条件包括充足的气源、有利的生储盖组合、有效的圈闭和良好的保存。天然气比石油具有更好的流动性, 对储层的空隙度和渗透率要求较低, 但对封盖能力要求高。浅层天然气藏的主控因素为气源、气源通道及有效封盖, 海洋浅层天然气藏由于埋藏浅, 地层尚未成岩, 封盖完全依靠固态水合物构成的密封层。

2.1 浅层天然气藏形成的构造环境

与天然气水合物的成藏特征相似, 南海北部陆坡区发育的滑塌体、泥底辟等构造地质体分布广泛, 规模较大, 为浅层天然气藏提供了颇具规模的构造空间(图1), 陆坡区的张性断裂为深部裂解气的垂向运移和浅层生物气侧向运移提供了良好的疏导体系。
Fig. 1 The tectonic environment of the shallow gas reservoir in the northern South China Sea (SCS)

图1 南海北部陆坡浅层天然气藏的构造环境

2.2 浅层天然气藏的气源

伴随天然气水合物的浅层天然气藏与水合物具有相同的气源, 主要有3种类型: 热解气、生物气和混合气。热解气来源于深部烃源岩的热解作用, 生物气来源于沉积物中的有机物在细菌降解作用下产生的生物成因气, 混合气是既含有热解气又含有生物气。浅层天然气藏的气源多数以混合气为主。
寻找伴随天然气水合物的浅层天然气藏最有效的方法是依靠地震资料圈定BSR分布范围。BSR在南海北部陆坡晚中新世以来的地层中广泛分布(于兴河 等, 2014), 从南海北部BSR分布与陆坡新生代沉积盆地叠合看, BSR主要分布在大型沉积盆地之上, 包括琼东南盆地、珠江口盆地、西沙海槽盆地和台西南盆地(图2)。这些沉积盆地具有良好的生烃能力, 其中珠江口盆地、琼东南盆地都获得良好油气发现, 深部的裂解气是天然气水合物和浅层天然气藏的重要气源。海底天然气渗漏在全球是一个广泛分布的自然现象, 深水区天然气渗漏系统是水合物形成的合适场所, 在合适的海底环境(温度和压力), 部分渗漏天然气将沉淀为水合物(陈多福 等, 2005), 这说明水合物区伴随有明显的天然气渗漏。挪威中部陆棚哈尔腾浅滩地区浅层天然气来源于深部储层泄漏。南海北部陆坡神狐水合物钻探海域所在的白云凹陷主要有2套深层烃源岩, 包括始新统—渐新统湖相泥岩和新近系浅海—半深海相泥(张树林 等, 2007)。从气源角度来看, 白云凹陷所在位置是神狐海域水合物富集远景区, 古近纪埋藏的巨厚烃源岩是天然气水合物成藏的主要物质基础(龚跃华 等, 2009), 钻探成果表明深部热成因气是水合物重要气源。
Fig. 2 BSR distribution map in the northern continental slope of the SCS. After Yu et al (2014)

图2 南海北部陆坡BSR分布(据于兴河 等, 2014年修改)

浅层天然气藏也有部分气源来源于生物气。何家雄等(2013)认为南海北部深水区天然气水合物成矿成藏模式属于微生物作用成烃、自生自储原地“自源扩散型”, 其天然气水合物气源供给主要来自深水海底浅层未成岩/成岩沉积物有机质通过生物化学作用形成的以生物气为主的混合气, 具有明显的自生自储原地附近成矿成藏的特点。南海北部边缘盆地生物气／亚生物气(生物成因低成熟的过渡带气)资源丰富, 分布广泛, 气体成分单一, 干燥系数较高。该区生物气多以水溶气形式分布, 且多见于钻井气测中, 但亦可以游离气形式产出形成富集高产的生物气/亚生物气气藏。同样, 这种生物气也是浅层天然气藏的重要气源。

2.3 浅层天然气藏的气源通道

南海北部陆坡浅层天然气藏的气源通道主要是断裂疏导。受南海中央海盆扩张的影响, 陆坡区处于拉张应力状态, 形成大量深大正断裂, 这些张性断裂与深部的烃源岩连通并一直延伸到海底下, 具有良好的输导能力, 可将盆地热解的天然气垂向运移输送到水合物之下并聚集(图3)。
Fig. 3 The gas source migration channel of the shallow gas reservoir in the northern SCS (profile location given in Fig. 2)

图3 南海北部陆坡浅层气藏的气源运移通道(剖面位置见图2)

2.4 浅层天然气藏的有效圈闭

水合物以固态形式存在于海底下, 东沙钻探区含浅、中、深3 套水合物矿层, 浅部矿层分布深度为9~30 m, 中部矿层为60~100 m, 深部矿层为130~210 m(梁金强 等, 2016)。南海北部陆坡的水合物层厚度可达几十米, 因此其对下部的游离气具有封盖作用, 它与其下部的砂层可以构成浅层天然气藏的有效圈闭。
目前世界海域中发现的天然气水合物部分呈透镜状、结核状、颗粒状或片状分布于细粒级的沉积物中, 含天然气水合物的沉积物岩性多为粉砂和黏土。南海海域神狐钻探区水合物取心井段的粒级组分分析, 结果表明沉积物类型较单一, 粒度较细, 主要由黏土质粉砂和粉砂组成, 其中砂的含量小于10%, 粉砂含量介于70%~80%(于兴河 等, 2014)。神狐钻探区水合物层段的孔隙度介于32%~44%之间, 测井获得的钻孔平均中子孔隙度为50%~ 60%(梁劲 等, 2010)。这些砂层向下延伸, 是浅层天然气藏的有效储层。
从水合物气体来源分析看, BSR之下一般伴随有良好的天然气渗漏, 只有良好的天然气向上渗漏才可以形成BSR, 这些渗漏的天然气也是浅层天然气藏的良好气源条件; 水合物下的沉积物物性与水合物带一致, 具有较高的孔隙度, 储集条件良好; 而水合物带渗透能力低, 是较好的盖层, 能起到较好的封闭作用, 因此沿着断裂上升的渗漏的天然气容易保存在水合物底部, 形成浅层天然气藏(图4), 这已被2017年水合物钻探W17井所证实。
Fig. 4 Seismic characteristics of shallow gas reservoir developed under BSR

图4 BSR之下发育的浅层天然气藏地震反射特征

2.5 浅层天然气藏的特征

综合看, 浅层天然气藏具有以下特点:
1) 伴随天然气水合物发育。油气藏的3个基本要素包括生、储、盖, 缺一不可, 由于天然气水合物是浅层天然气藏的盖层, 所以它只能伴随水合物气藏而存在, 在天然气水合物不发育或不完整的区域难以形成浅层天然气藏的, 这是浅层天然气藏形成的关键因素。
2) 埋藏深度浅。从目前南海钻探发现的水合物矿层深度看, 介于9~208m(梁金强 等, 2016), 其下的天然气藏埋深一般小于300m, 相对常规天然气藏其埋藏深度非常浅。
3) 规模大, 其规模取决于水合物的规模。从目前南海发现的水合物矿藏看, 分布面积大。梁金强等(2016)认为深部的扩散型水合物矿层分布面积大。
4) 气藏厚度大, 一般在几十甚至达百米。
5) 含气层的孔隙度大。由于地层埋藏浅, 且尚未完全固结, 因此其孔隙度比常规含气层要大很多。
6) 常见于陆坡断裂活动区域。在陆坡深水海域滑塌块体、滑移块体、砂质碎屑流、浊流等重力流沉积区域容易形成浅层天然气藏。

2.6 浅层天然气藏实例

2016年南海水合物钻探的两口井看, 在水合物层下面发现浅层气, 从测井曲线GR(伽玛)和RT(电阻率)看表现为低GR、高电阻RT, 解释为含气层, 与地震振幅异常特征能较好吻合。测试也证实为气层(图5)。这个浅层天然气藏的气源来自下部沿断裂运移的裂解气、储层为砂层、盖层为水合物层。
Fig. 5 Shallow gas reservoir drilled in the northern SCS

图5 南海北部水合物钻探证实的BSR之下发育的浅层天然气藏

3 浅层天然气藏的成藏模式

天然气成藏的基本要素包括烃源岩、储集层及盖层, 亦即生储盖组合。浅层天然气藏的气源来自深部或浅层生物气, 尤其是靠近生烃凹陷的陆坡海域, 储层为泥质砂或细砂、粉砂, 盖层为水合物。气体通过沉积物孔隙、微裂缝及层间断层运移, 并在浓度差、压力、毛细管力等驱动下以扩散方式运移, 当孔隙水中溶解的甲烷浓度超过水-水合物二相体系热力学平衡饱和溶解度时, 溶解甲烷析出形成水合物(Yang et al, 2008), 在稳定域底部聚集成藏为水合物。随着埋深增加, 地层温度升高并突破水合物的临界温度, 而沿断层运移的气体仍在继续活动, 在稳定带之下就会聚集形成浅层天然气藏(图6)。
Fig. 6 Model map of shallow gas reservoir accumulation

图6 浅层天然气藏成藏模式图

4 结论

浅层天然气藏是一种伴随天然气水合物的油气藏, 它广泛分布在陆坡深水区, 具有埋藏浅、规模大的特点, 其埋藏深度一般小于300m。浅层天然气藏由深部裂解气沿断裂上升被天然气水合物封盖而形成。从南海发现的天然气水合物分布特征看, 浅层天然气藏在陆坡深水区广泛分布且气藏厚度大。中国海域天然气水合物资源量达800亿吨油当量, 伴随水合物的浅层天然气潜在资源量非常可观, 由于它是以游离气形式存在, 开采相对水合物要容易, 是一种新型的开采成本相对低廉的油气藏。

The authors have declared that no competing interests exist.

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