南海北部神狐海域W19井天然氣水合物儲層類型與特征

石思思，陳星州，馬 健，孫玉梅，孫超業

(1.北京大學造山帶與地殼演化教育部重點實驗室，北京 100871；2.北京大學石油與天然氣研究中心，北京 100871；3.中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010；4.石家莊鐵路職業技術學院，河北 石家莊 050047)

0 引 言

天然氣水合物(以下簡稱水合物)是由氣體分子和水分子組成的似冰狀固態結晶物質，由于其巨大的地質儲量和清潔無污染的特點，被視為未來最有前途的替代能源[1]，主要分布在深海海洋沉積物中[2]。布萊克海嶺水合物產出區沉積物粒度由于受到微化石含量的影響整體偏粗[3]；大洋鉆探204航次鉆遇的絕大多數水合物儲存在粗粒沉積地層中[4]；墨西哥灣Alaminos Canyon Block 818站位水合物層孔隙度高達0.30%[5]；麥肯齊三角洲的Mallik L-38井觀察到的水合物存在于松散的沙石中[6]。陳芳等人對2007年神狐海域的鉆探結果進行研究發現，粗砂、粗粉砂的含量與水合物飽和度有著明顯的對應關系[7]；楊勝雄等通過對神狐W19井水合物研究后發現，其以厚層狀、分散狀、薄層狀和斑塊狀賦存在W19井的不同深度[8]。前人僅就水合物的賦存狀態以及儲層的整體物性進行初步討論，并未對水合物儲層進行詳細的分類和具體評價。2015年,通過W19井提取了該地區的沉積物粒度參數、組成成分等特征，并對該地區水合物儲層進行分類并評價，為今后神狐海域水合物的勘探開發提供有效依據。

1 地質概況

神狐海域位于中國南海北部陸坡中段(圖1)，地理坐標約為115 °E，20 °N，構造上位于珠江口盆地珠二坳陷、雙峰北盆地和神狐隆起[9]，海水深度為800～2 000 m，地形變化較大，整體呈北西向南東傾斜[10]。自第三紀以來，神狐海域以富含鈣質超微化石的半深海沉積物為主[11]，并伴隨有高沉積速率的陸源碎屑物質的不斷輸入。前人研究表明：神狐海域陸源碎屑來源豐富且供給充足，沉積速率較高，且由于洋流、等深流和沉積物漂積等對碎屑物質的長途搬運，使得該區域普遍發育滑塌沉積、濁流沉積等[12]。

2 材料與方法

研究材料來自南海北部神狐海域的W19井，水深為1 277 m，樣品長度為242.17 m，共采樣106件，層段位于1 390～1 440 m，該層段為水合物賦存區間，樣品在進行巖心觀察前均低溫冷凍保存于4 ℃以下的巖心庫中。激光粒度分析：儀器選取Mastersizer 2000型激光粒度分析儀，其測量范圍為0.02～2 000.00 μm，重復測量誤差小于3%[13]；掃描電鏡：使用JSM-IT300鎢燈絲掃描電鏡進行礦物初步鑒定，輔以EDS能譜分析；XRD測試：將樣品研磨至約300目后，使用RAPID-S型號的XRD進行測試。

圖1 南海北部神狐海域構造地質

3 結果分析

3.1 巖心觀察

W19井沉積物以海洋細粒沉積為主，主要是黏土質粉砂和粉砂(圖2)。上部儲層為1 390～1 410 m，巖性較為均一，以灰色—灰黃色黏土質粉砂為主，巖心松散，壓實作用較弱，孔隙和裂隙發育。中部儲層為1 410～1 430 m，沉積物主要呈黃綠色的奶油狀—粥狀沉積，巖性以粉砂和黏土質粉砂互層為主，含水率較高；其中，粥狀沉積作為水合物分解的重要指示標志[14]，其成因是當水合物發生分解時，水合物中的固態水轉化為自由水進入地層中，從而使得沉積物變得松軟稀散，含水率升高[15]。下部儲層為1 430～1 450 m，沉積物主要以綠黃色粉砂為主，且由于較強的壓實作用，沉積物含水率較低，孔隙和裂隙發育程度較低。

3.2 掃描電鏡結果分析

結合SEM和EDS能譜，觀察到黃鐵礦主要表現為草莓狀和分散微粒狀2種形態(圖3a、b)。其中，草莓狀黃鐵礦主要生成于鈣質超微化石內部，微粒狀集合體主要發育于細粒沉積物中。草莓狀黃鐵礦是一種強缺氧微生物活動的指示物，其形成受到沉積物內有機質孔隙水中的溶解硫化物和鐵礦物的影響[16-17]。沉積物中鈣質組分的主要來源是鈣質超微化石，如有孔蟲(圖3c)、顆石藻(3d)等，自生方解石含量較少。

圖2 神狐海域W19井綜合柱狀圖

3.3 粒度分析

綜合多參數特征，采用McManus提出的矩值法，對沉積物的粒度參數進行計算并得出組分隨深度變化規律(圖4)。由圖4可知，W19井整體粒度較細，以黏土質粉砂為主。其中，黏土的平均含量約占沉積物組分的26.04%，粉砂的平均含量約占沉積物組分的67.87%，細砂的平均含量約占沉積物組分的6.09%，細砂組分和黏土組分含量曲線呈現較為明顯的鋸齒互補狀。細砂的含量整體較低，大多低于3.00%，但在1 395～1 425 m層位處，細砂的含量突然增加且最高達10.85%。黏土和粉砂在W19井中占據絕對優勢，兩者的含量總和高達90.00%以上。綜合粒度特征分析可知，W19所在區域處于能量較低且相對穩定的沉積環境，水動能變化較小且沉積物質來源具有多源性。

3.4 XRD分析

通過對106個樣品進行XRD全巖分析，5種主要礦物的具體含量隨深度變化見圖4。由圖4可知，方解石的含量最高，平均含量為26.90%，最高可達47.10%。方解石的高含量主要來源于以有孔蟲為主體的鈣質超微化石。由于有孔蟲具有特殊的殼體孔隙結構[18]，且自身粒級程度達到細砂級，因此,有孔蟲不僅增加了儲層中的粗組分含量，同時使得沉積物的孔隙度增加，為水合物的生長和儲集提供了良好的孔隙空間[19]。

圖3 神狐海域W19井掃描電鏡照片

黏土礦物和石英的含量僅次于方解石，黏土的平均含量約為26.90%，最高可達46.90%；石英的平均含量約為25.10%，最高可達39.90%。在1 400 m以上層段，黏土的含量較高，基本保持在30.00%以上，而石英的整體含量較低；在1 400 m以下層段，石英的含量明顯增加，黏土礦物的含量明顯減少，兩者的含量隨著深度的增加以相反的趨勢變化。

斜長石的平均含量為6.10%，最高可達12.20%。在1 410 m以上層段，斜長石的含量較低，一般低于10.00%；在1 410～1 430 m處，斜長石的含量陡增且達到最大值；在1 430 m以下層段，斜長石的含量隨著深度的增加又逐漸降低。

黃鐵礦的含量較低，平均在1.90%左右，其中，儲層的上部層段，黃鐵礦的含量很低，但在儲層段1 410～1 430 m內，黃鐵礦的含量陡增，最高可達18.10%。

4 儲層類型及特征

W19井水合物顯示較好，水合物厚度近30 m。楊勝雄等對W19井的研究顯示：W19井水合物以4種不同的宏觀賦存狀態縱向不均勻地分布在同一口井中，分別是厚層狀、分散狀、薄層狀和斑塊狀[8],其代表著水合物穩定性及含量由優轉劣。綜合W19井的沉積物含量及粒度參數隨深度變化規律發現，厚層狀、薄層狀、分散狀、斑塊狀水合物分別賦存于不同儲層中(圖5)，根據儲層的巖性、粒度以及水合物的賦存狀態，可將儲層分為有孔蟲控制型、石英控制型、黏土控制型等3類(表1)。

圖4 W19井沉積物粒度參數和組分隨深度變化規律

其中，Ⅰ類儲層為有孔蟲控制型，深度為1 395～1 410 m，水合物以厚層狀賦存其中。該類型儲層沉積物組分中，砂含量有明顯增加，最高達到10.85%，且砂的主要貢獻者是有孔蟲；方解石含量增加至50.00%，黏土含量出現明顯降低，從44.19%逐漸下降至20.00%，石英、黃鐵礦、斜長石等礦物的含量無明顯變化；平均粒徑顯著增大，W19井的平均粒徑在1 407 m處達到最大值；分選系數較上部層段有顯著增加，由上部層段較低的1.40陡增至2.14且一直保持在2.00左右；偏度也有較大幅度的變化，從正態逐漸過渡到正偏；峰度值保持在低值0.90～1.00。上述研究表明，由于砂、粉砂等粗組分含量的增加，該層段整體粒度粗，分選較差。

圖5 神狐海域W19井3類儲層的沉積物粒度參數和組分變化特征

Ⅱ類儲層為石英控制型，深度分別為1 415～1 420 m、1 426～1 431 m，水合物以薄層狀賦存其中。該類型儲層的沉積物組分中，石英、方解石、斜長石等粗組分含量較高，使得沉積物中砂含量增加，黏土含量降低至20.00%左右；該類型儲層的平均粒徑、分選系數、偏度、峰度表現出雙峰的特征，且發生明顯變化，其中，1 410～1 415 m層段平均粒徑增至6.20Φ,分選系數增至2.10，偏度增至0.4，峰度則降低至0.87；1 426～1 431 m層段粒度參數總體趨勢與1 415～1 420 m相近。粒度參數的變化表明，由于砂含量的增加和黏土含量的降低，該層段整體粒度較粗，分選較好。

Ⅲ類儲層為黏土控制型，深度分別位于1 410～1 415 m、1 420～1 426 m，水合物以分散狀、斑塊狀賦存其中。該類型儲層的沉積物組分中，盡管石英、斜長石和黃鐵礦等礦物含量增加，但伴隨著方解石含量的急劇降低，黏土礦物含量的陡增，導致該層段砂含量幾乎降低至0.00，可見有孔蟲殼體是主要的粗組分來源；該類型儲層的平均粒徑、分選系數、偏度都呈現出不同程度的降低，且表現出單峰或多峰的特征，其中，1 410～1 415 m層段平均粒徑在1 410 m處陡然降低至7.50Φ，砂含量，分選系數降低至1.42，偏度降低至0.0，峰度則增加至1.08；1 420～1 426 m層段平均粒徑在1 424 m處降低至7.30Φ，分選系數、偏度、峰度均呈雙峰變化，總體趨勢與1 410～1 415 m相近。粒度參數的變化表明，由于砂含量的顯著降低和黏土含量的顯著增加，該層段整體粒度較細，分選較好。

表1 W19井3類儲層的分類及特征

5 結 論

(1) 神狐海域W19井的沉積物樣品的平均粒徑為6.14～7.97Φ，為黏土質粉砂和粉砂；分選系數為1.36～2.14，整體分選較差；偏度為0.0～0.4，表現為正態和輕微正偏；峰度值為0.85～1.10，表現為平坦和正態。綜合粒度特征分析可知，W19所在區域處于能量較低且相對穩定的沉積環境。

(2) 通過對神狐海域W19井水合物儲層進行分類及評價，將其分為有孔蟲控制型、石英控制型、黏土控制型3類。其中，有孔蟲控制型儲層為天然氣水合物儲存的最有利層段。通過將儲層進行分類，有效解決了水合物儲層評價不明確、有利層段描述不清等問題，對尋找研究區有利儲層具有指導意義。