0 前言
我国南海北部大陆边缘深水区处于陆壳与洋壳过渡区,自新生代以来,经历了古近纪陆相断陷、新近纪及第四纪海相凹陷的构造演化及沉积充填过程[1],在浅水及深水区发育了莺歌海、珠江口、琼东南、西沙海槽、台西南等一系列新生代沉积盆地。盆地的深水区水深在500 ~ 3 500 m,具备天然气水合物形成的温压条件。通过近年的普查和详查,在南海北部圈定了两个千亿方级的矿藏,控制资源量分别为1 231亿m3和1 500亿m3。在南海圈定11个有利远景区、19个成矿区带,水合物远景资源量约650亿t油当量[2],资源潜力巨大,尤其是2017年和2019年自然资源部、中国海油在南海北部神狐海域组织的三次试采均取得成功（图1）,为实现商业性开发迈出了关键的一大步。但是一些基础科学问题仍未解决,其中之一就是水合物的气源问题。天然气水合物成藏系统与常规油气成藏系统虽然存在差异,但亦存在共同之处,即均需要有充足烃源供给。前人研究揭示,大量的气体来源是控制天然气水合物形成和分布的一个重要因素[4,5,6],气体来源既可以是微生物成因气,也可以是热成因气。气体的碳同位素分析显示,大洋水合物的甲烷大多是生物成因,但是墨西哥湾、北阿拉斯加、里海和黑海水合物的天然气是热成因气[7]。南海北部海域水合物的实际钻探结果显示,水合物气源为生物气、生物气和热成因气的混合气体[1,8-10],但是关于混合气体的类型、混合气的定量比例尚未明确。为确定混合气体类型:第一,要掌握目标区气源岩发育情况,推测可能存在的端元气物质基础;第二,结合实测天然气的组分、同位素等地球化学数据判识合理的混合气藏类型,在确定了端元气同位素值之后,根据气体的二元混合模型,合理地估算天然气水合物中不同成因甲烷的混合比例[11]。本文依据端元气来源划分混合气藏类型,计算混合气混合比例,混合比例的确定对于天然气资源量计算具有重要意义。
1 气源岩分析
FINLEY等[12]对布莱克脊海洋沉积物的研究表明,有机碳与天然气水合物关系密切,当总有机碳（total organic carbon, TOC）含量为1%时,假定所有的有机质全部转化为甲烷,那么由此形成的水合物可以占据孔隙度为50%的沉积物中28%的空隙空间。实际上,有机质100%转化为甲烷并不存在[13,14]。美国地质调查局（United States Geological Survey, USGS）在美国天然气水合物的资源评价中认为,微生物转化有机质的效率为50%[15],因此就设定了海洋环境中水合物形成所需要的TOC下限值为0.5%。大洋钻探计划（Ocean Drilling Program, ODP）184航次在南海北部6个深水站位钻井17口,最深达到海底以下深度850 m,共取得岩心累计5 500 m。根据TOC含量和热解数据,TOC值介于0.1% ~ 2.9%之间,平均值为0.53%[16],TOC直方图见图2,有机质类型主要为III型（图2）,以生成天然气为主。因此,可以认为南海北部深水区存在生物气的物质基础。
Fig. 2 TOC content (a) and organic matter types (b) of shallow sediments in Baiyun Sag ( after reference [16])图2 白云凹陷浅层沉积物TOC含量（a）及有机质类型（b）（修改自文献[16]） |
PAULL等[17]研究表明,由于大多数天然气水合物稳定带中沉积物厚度较小且TOC含量较低,在水合物稳定带内部通过微生物作用形成的甲烷可能不足以形成厚层的水合物,补充热成因气对于形成厚层的水合物是必需的。早期的天然气水合物资源评价中只关注微生物烃源岩,但是对北阿拉斯加[18]和加拿大[7]的研究表明,热成因烃源岩对于高丰度的天然气水合物聚集十分重要[15]。白云凹陷是珠江口盆地面积最大、古近系沉积岩厚度最大的凹陷（图1）,主要发育文昌组、恩平组和珠海组3套烃源岩[19]。其中恩平组为一套含煤层系,烃源岩平均TOC含量超过2.0%,达到2.19%,显示有机质丰度高,有机质类型以II2型为主[19]。现今恩平组烃源岩处于成熟-高成熟演化阶段,正处于大量生气阶段。已有的油气源对比证实白云凹陷北坡及LW3-1气田的气体主要来自恩平组烃源岩[20]。因此,南海北部深水区天然气水合物具备热成因气的物质基础。
2 混源天然气二元混合的碳、氢同位素模型
天然气的混合是相对简单的物理过程,化学组成不发生变化。符合质量守恒定律以及同位素可叠加原理。混源天然气中某一具体组分的同位素值,取决于两种不同生源的天然气在混合前各自的组成和同位素组成以及混合后各自所占的比例。碳、氢同位素混合模型见下式:
${{\delta }^{13}}{{\text{C}}_{1}}_{}=X\times {{\delta }^{13}}{{\text{C}}_{\text{1A}}}+\left( 1-X \right)\times {{\delta }^{13}}{{\text{C}}_{\text{1B}}}$ (1)
$\delta {{\text{D}}_{}}=X\times \delta {{\text{D}}_{\text{A}}}+\left( 1-X \right)\times \delta {{\text{D}}_{\text{B}}}$ (2)
式中:δ13C1混为混合气体甲烷碳同位素值,‰（PDB）;δ13C1A为A组分甲烷碳同位素值,‰（PDB）;δ13C1B为B组分甲烷碳同位素值,‰（PDB）;X为A组分在混合气中的比例;$\delta {{\text{D}}_{}}$为混合气体甲烷氢同位素值,‰（SMOW）;δDA为A组分甲烷氢同位素值,‰（SMOW）;δDB为B组分甲烷氢同位素值,‰（SMOW）。当测出混合气及被混合气的同位素值后,即可计算出被混合气的比例[21]:
$X\left( \% \right)=\frac{{{\delta }^{13}}{{\text{C}}_{\text{1混}}}_{}-{{\delta }^{13}}{{\text{C}}_{\text{1}}}_{\text{B}}}{{{\delta }^{13}}{{\text{C}}_{\text{1}}}_{\text{A}}-{{\delta }^{13}}{{\text{C}}_{\text{1}}}_{\text{B}}}\times 100\%$ (3)
3 南海北部天然气水合物气源混合类型与混合比例的定量计算
3.1 端元气的选取
LW3-1-1井位于珠江口盆地白云凹陷东部,是我国南海东部海域深水区第一口探井,水深1 480 m,累计探明天然气地质储量达千亿方[19]。通过对天然气的组分、碳同位素和氢同位素组成特征分析,天然气组分以烃类气为主,烃类含量大于96%,干燥系数在88% ~ 92%之间;δ13C1介于 -37.1‰ ~ -36.6‰之间（表1）,表明气体成熟度较高[20]。天然气样品中甲烷的氢同位素值介于 -175.6‰ ~ -158.1‰之间（表1）,表明其气源岩沉积于咸水环境[20]。总之,LW3-1-1天然气母质类型为腐殖-腐泥型,且成熟度Ro较高,在1.1% ~ 1.4%之间,处于凝析气演化阶段,天然气主要来自恩平组气源岩[19],为白云凹陷典型的热成因气。神狐海域天然气水合物试采区位于珠江口盆地白云凹陷深水区,毗邻LW3-1气田,因此选取LW3-1气田气体作为热成因气的端元气,4个样品的δ13C1介于 -37.1‰ ~ -36.6‰之间,平均值为 -36.8‰。
Table 1 Parameters of typical thermogenic gas and biogenic gas in Baiyun Sag表1 白云凹陷典型热成因气和生物成因气参数 |
| 盆地 | 气体类型 | 井号 | 深度 / m | δ13C1 / ‰ | C1/(C2+C3) | δDCH4 / ‰ | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 珠江口盆地 | 热成因气 | LW3-1-1Sa | 3 067.5 ~ 3 070.0 | -37.1 | 12.2 | -158.1 | 文献[19] |
| LW3-1-1 | 3 144.5 ~ 3 144.5 | -36.6 | 12.5 | -158.4 | |||
| LW3-1-1Sa | 3 183.5 ~ 3 189.5 | -36.8 | 12.5 | -155.8 | |||
| LW3-1-1 | 3 499.5 ~ 3 499.5 | -36.6 | 10.7 | -175.6 | |||
| 生物气 | PY35-2-5 | 754.0 | -68.8 | - | - | ||
| PY35-2-5 | 792.0 | -69.3 | - | - | |||
| PY34-1-1 | 811.0 | -61.5 | - | - | |||
| PY34-1-1 | 837.0 | -63.9 | - | - | |||
| PY34-1-1 | 936.0 | -58.7 | - | - | |||
| PY34-1-1 | 966.0 | -62.6 | - | - |
生物成因气是未成熟有机质（Ro < 0.3%）在微生物降解作用下的产物。在相对较低的温度（一般低于50℃）条件下,通过细菌的参与或作用,生成以甲烷为主并含有极少量其他成分的气体。与热成因气相比,生物成因气具有干和轻的特点,干燥系数一般大于95%,甲烷的δ13C值较低,大多学者都以δ13C1小于 -55‰为生物成因气与热成因气的甲烷碳同位素组成的特征分界值[22,23]。BERNARD等[24]认为可以用烃类气体成分比值和甲烷碳同位素值来区分甲烷成因类型。白云凹陷北坡PY35-2、PY34-1气田浅层气（<1 000 m）δ13C1介于 -69.3‰ ~ -58.7‰之间（表1）,平均值为-64.1‰,根据判别标准,为典型的生物成因气。
3.2 混合类型
Table 2 Isotopic parameters of gas hydrate in Shenhu area表2 神狐海域天然气水合物气体的同位素参数 |
| 站位 | 深度 / m | δ13C1 / ‰ | C1/(C2+C3) | δDCH4 / ‰ | 文献 |
|---|---|---|---|---|---|
| SH2B | 197.5 ~ 197.9 | -56.7 | - | -199 | [26] |
| SH3B | 123.0 ~ 123.8 | -62.2 | - | -225 | |
| SH3B | 190.5 ~ 191.3 | -60.9 | - | -191 | |
| SH5C | 114.0 ~ 114.9 | -54.1 | - | -180 | |
| HS-23PC-1 | - | -57.0 | 2 185 | - | [27] |
| HS-23PC-2 | - | -62.4 | 2 027 | - | |
| HS-23PC-3 | - | -64.9 | 1 524 | - | |
| HS-23PC-4 | - | -62.1 | 1 551 | - | |
| HS-23PC-5 | - | -61.7 | 1 804 | - | |
| HS-23PC-6 | - | -59.5 | 1 473 | - | |
| HS-23PC-7 | - | -69.5 | 1 833 | - | |
| HS-4PC-1 | - | -60.7 | 1 708 | - | |
| HS-4PC-2 | - | -62.1 | 1 205 | - | |
| HS-4PC-3 | - | -74.3 | 2 200 | - | |
| HS-4PC-4 | - | -46.2 | 575 | - | |
| HS-4PC-5 | - | -56.9 | 616 | - | |
| HS-4PC-6 | - | -63.0 | 639 | - | |
| HS-4PC-7 | - | -51.8 | 605 | - | |
| W19-010 | 134.0 ~ 137.0 | -46.5 | - | -184 | [29] |
| W19-011 | 134.0 ~ 137.0 | -46.2 | - | -168 | |
| W19-012 | 134.0 ~ 137.0 | -45.5 | - | -148 |
Table 3 Ratios of mixed source gas表3 混源气的定量比例 |
| 站位 | 深度 / m | δ13C1 / ‰ | 成因类型 | 生物气贡献 / % | 热成因气贡献 / % |
|---|---|---|---|---|---|
| SH5C | 114.0 ~ 114.9 | -54.1 | 混源气 | 63 | 37 |
| HS-4PC-4 | - | -46.2 | 混源气 | 34 | 66 |
| HS-4PC-7 | - | -51.8 | 混源气 | 55 | 45 |
| W19-010 | 134.0 ~ 137.0 | -46.5 | 混源气 | 36 | 64 |
| W19-011 | 134 .0 ~ 137.0 | -46.2 | 混源气 | 35 | 65 |
| W19-012 | 134.0 ~ 137.0 | -45.5 | 混源气 | 32 | 68 |
4 讨论
目前,已证实神狐海域水合物气源以生物气为主,含少量混合成因气（生物气和热成因气）,并且定量计算了混合比例。稳定域内水合物的形成必要条件之一是气源的运移方式和运移疏导体系。因此,疏导体系构成了气源与浅层水合物稳定带之间的“桥梁”。运移方式既有纵向上的,也有横向上的;疏导体系一般包括不整合面、断层、岩性通道等,横向和纵向运移系统相互配置,有效沟通了深部气源与浅部的水合物成藏系统[28]。
前人的研究已经证实白云凹陷为富生烃凹陷,具有优异的生排烃潜力,热成因气较为充足,可以为水合物的形成提供充足的气源[10]。地震资料显示神狐海域内的流体运移通道由气烟囱[29]、大尺度断层、底辟构造、中小尺度的断层和渗透层所组成[30],并根据流体运移可能的运移方向将其分为垂向运移通道和侧向运移通道[31]。热成因气的贡献大小主要取决于“深部烃源层系—中部运移通道—浅部水合物矿体”三者的配置关系。研究表明,气体全部来源于生物气的井位（如SH2B、SH3B、HS-23PC等）主要位于陆坡限制型峡谷群的脊部,气烟囱模糊带和中小尺度断层作为主要的运移路径,缺乏沟源断裂,故热成因气的贡献极小,水合物储集层为薄层透镜状细粒浊积体[27];而东侧的W19-01井位主要处在峡谷群的脊部和下游段-倾没端位置,疏导体系配置良好,在似海底反射（bottom simulating reflector, BSR）下部不仅发育气烟囱和底辟模糊带等通道,还在这些通道的侧翼和顶部发育大量的高角度底辟伴生断层,沟通了BSR下部气源与浅层温压稳定域,气体来源以深部混合成因气为主,热成因气的贡献明显增加[29]。
5 结论
（1）南海北部发育多套气源岩,存在混源气的物质基础。浅表层沉积物TOC值介于0.1% ~ 2.9%之间,平均值为0.53%,有机质类型主要为III型,以生物气为主。深层恩平组烃源岩平均TOC含量为2.19%,有机质类型以II2型为主,目前主要处于成熟-高成熟演化阶段,处于大量生气阶段。
（2）根据甲烷的同位素数据,南海北部神狐海域天然气水合物气源已证实两种类型:生物成因气、混源气。其中混源气的混合类型为异源岩混合。
（3）通过混源天然气二元混合模型,得到混源气中热成因气的贡献比例最高可达68%。热成因气的贡献大小取决于沟通深层和浅层的疏导体系发育状况。
（4）富生烃凹陷背景下,应重视深部热成因气对浅部地层水合物的贡献,并开展深部热成因气和浅部水合物气“两气合采”的基础性研究,以提高水合物开采的经济性。