中国地质大学庄新国

A. 南海东沙海域水合物成藏动力学模拟

郭依群^1,2，李桂菊³，乔少华³，庄新国³

郭依群（1968－），女，高级工程师，主要从事石油地质和天然气水合物的研究，E-mail:[email protected]。

注：本文曾发表于《现代地质》2010年第24卷第3期，本次出版有修改。

1.广州海洋地质调查局，广州510760

2.中国地质大学海洋学院，北京10083

3.中国地质大学资源学院，武汉430074

摘要：基于南中国海东沙海域某地震剖面资料，利用Basin2二维模拟软件，结合研究区有关地温场、热流探测资料和ODP184航次调查的岩心数据，重塑了研究区沉降史、有机质生烃史、古地温场与热史变迁。进而利用“生物成因天然气水合物成藏动力学模拟系统”软件，模拟了水合物聚集的过程与分布范围。模拟结果表明，研究区水合物稳定域较厚（200～250 m），有机质含量适中，生物成因甲烷主要在海底1 km以浅范围内形成。稳定域之下早先埋藏的沉积物中有机质形成的生物成因甲烷在压实流的作用下能够向浅部层位中运移聚集，从而对现在的矿层有所贡献。水合物主要赋存于稳定域底部以上50 m的层位内，富集带中水合物的平均质量分数在5％左右。

关键词：天然气水合物；成藏动力学；模拟

Simulation of Reservoir Dynamic of Gas Hydrates of Dongsha Area of South China Sea

Guo Yi qun^1,2,Li Guiju³,Qiao Shaohua³,Zhuang Xinguo³

1.Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China

2.School of Marine Geosciences,China University of Geosciences,Beijing 10083,China

3.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China

Abstract:Based on the seismic profile data of Dongsha of the South China Sea,using a two-dimensional simulation software,Basin2,combined with the data of the geothermal field,heat flow and core of leg 184 of ODP,this paper rebuilt the subsidence history of the study area,the hydrocarbon-generating history of the organic matter,and the change history of the ancient geothermal field and thermal.The paper simulated the process of hydrate accumulation and distribution with “Biogenic Gas Hydrate Reservoir Dynamics Simulation System” （Hydrate Dynamics).Simulation results show that the thickness of the hydrate stability region is large (200～250 m) ,and organic matter content is moderate,biogenic methane is generated 1000 m bsf.Biogenic methane generated by the organic matter in the sediments buried previously under the stability region can migrate to and accumulate in the shallow strata because of the compaction flow,and contribute to the current mineral deposit.Hydrate occur in the stability region mainly for the thickness of 50m,and average saturation of hydrate is about 5%.

Key words:gas hydrates ; reservoir dynamic; simulation

0 引言

研究海底天然气水合物实际分布与赋存状态是天然气水合物资源评价的核心环节，水合物成藏动力学研究的目的在于掌握时空上水合物形成、分布与演化的规律。

天然气水合物的成藏是一个动态的过程，包括海底甲烷气产出动力学、流体运移动力学、水合物成核生长动力学等。构造条件、沉积条件和温压场条件的变化，都导致水合物的再分解与再聚集。因此，必须用系统、动态、整体的观念来分析水合物的成藏机理，指导评价。天然气水合物的成藏动力学模拟主要研究以下3个方面的内容：1）利用盆地分析技术、盆地模拟技术研究深水盆地沉积体系的构成和分布，反演沉积盆地动态演化的历史；2）模拟盆地内部温度场、压力场、流体动力场的变化对甲烷的生成、排出、运移、进入稳定带形成水合物这一过程的控制，模拟水合物动态聚集－消亡的过程；3）基于天然气水合物成藏动力学模拟，对稳定带内水合物实际生成部位进行预测，实现水合物资源的定位预测与定量评价。

南海东沙海域具有丰富的水合物资源潜力，广州海洋地质调查局通过地震手段发现了BSR等典型标志以及与水合物相关的地球化学异常^[4]。本文利用Basin2盆地模拟软件，基于东沙海域实际的地质、地球物理、地球化学资料，结合ODP184航次的钻探资料，重塑了研究区沉降史、有机质生烃史、古地温场与热史变迁。在此基础上，利用“863”课题研发的“天然气水合物成藏动力学模拟”软件，进一步模拟了该海域水合物在时空上的形成、分布及演化规律。

1 区域地质背景

东沙海域位于南海北部陆坡的东部，水深介于200～3 000 m之间（图1），覆盖了珠江口盆地、东沙群岛、台西南盆地和笔架南盆地的部分地区。东沙海域的地质发展历史与南海北部陆缘相似，经历了由板内裂陷演变为边缘坳陷的两大演化阶段。晚白垩世到早渐新世为裂陷阶段，在南海北部形成了一系列地堑或半地堑型拉张盆地，盆地内发育了充填型的陆相沉积。晚渐新世以来，南海北部陆缘区自东向西进入坳陷阶段，形成了海陆过渡相——以海相沉积为主导的区域性沉积层^[1]。

图1 南海东沙DS-A地震剖面（虚线中为模拟选取的部分）

T₂.上新世/中新世；T₃.晚中新世/中中新世；T₅.中新世/渐新世；T₇.晚始新世/中始新世

本文通过对东沙群岛南部经过ODP184航次1146和1148钻孔的高分辨率地震测线DS-A（图1）进行盆地模拟和水合物成藏动力学的模拟，进一步了解水合物聚集的过程与分布范围。

2 研究区Basin2模拟

Basin2盆地模拟软件由美国伊利诺斯大学开发。它主要以地质流体为研究对象，可以对沉积盆地进行岩石孔隙度和渗透率的演化、盆地压力场及流体势的演化、地质流体流动样式的演化、盆地古地温史的演化、地层中有机质热成熟度的演化等工作^[2]。

Basin2模拟主要需要地质、岩石物理学和流体力学3大类盆地数值模拟参数^[3]，这些参数的正确选取直接关系到模拟结果的可信度。在参数选取的过程中，尽量保证各种参数与东沙海区的实际情况一致，而目前没有从相关资料获得的参数则采用了程序设定的默认值。

2.1 模拟参数

模拟前首先根据地震剖面划分沉积层序（图1），确定各层序界面的时间，以及各个时期沉积厚度与沉积速率；依据实际调查资料确定或类比盆地中沉积充填物的岩性（孔隙度、压缩率）、有机质的含量与分布；依据地层古生物资料确定古水深、古地温及其变化，然后利用这些数据进行模拟，处理和解释模拟结果。

2.1.1 地质参数

盆地数值模拟中的地质参数包括地层地质年代、地层厚度、地层岩性、古水深、古地表温度、古热流以及盆地发育过程中的地质事件等内容。

地层地质年代 本次模拟中各地层地质年代是：T₂为上新世与中新世的分界，T₃为晚中新世与中中新世分界，T₅为中新世与渐新世分界，T₇为晚始新世与中始新世分界^[4-5]。此参数是根据广州海洋地质调查局的研究成果和ODP184航次的钻探资料确定。

地层厚度 这是盆地数值模拟中最主要的参数，包括模拟区自下而上的分层地层厚度。根据广州海洋地质调查局地震反射界面的埋深图间接测量求取。

地层岩性 Basin2盆地模拟系统所能处理的岩性缺省的为砂岩、泥岩、灰岩等三类岩性。用户也可以根据模拟区域的实际情况定义多种岩性。本次模拟中，岩性参数主要是根据ODP184航次1148站位钻孔的岩性资料来确定（表1）。

表1 大洋钻探184航次东沙附近各站位新生代各时期沉积物组分平均体积分数值（砂/粉砂/黏土）^[5]

古水深和古地表温度 盆地演化过程中不同时期沉积水体的古水深一般可根据古生物及地层岩性等资料分析确定。模拟中古水深的取值是根据ODP184航次调查结果的古生物资料^[5]和广州海洋地质调查局研究确定的东沙海区的沉积相^[4]粗略确定的。该地区自渐新世以来古海面变化范围在－17～0m^[6]，对模拟的结果影响不大，所以没有考虑古海面变化的影响。盆地演化期间不同时期的古地表温度一般可根据全球平均温度的变化并结合模拟区的古气候变化趋势和不同时期沉积水体的古水深，运用低纬度地区特别温暖、温暖和寒冷时期的不同深度水温变化曲线分析确定。本次模拟只是根据现今的地温梯度推算的。

古热流 一般来说，盆地演化过程中的古热流是无法测定的。但是，古热流值一方面可以根据构造地质学原理进行推导，另一方面也可以根据区域构造条件选择与现代相应的构造单元的大地热流值进行类比后而借用。姚伯初等^[7]对南海新生代构造沉降史进行了模拟，结果显示，自渐新世以来地幔热流总的呈递增的趋势，但在珠一坳陷和东沙群岛附近，现今的地幔热流不如早期高。由于缺少古热流资料，所以模拟过程只考虑了现今的热流值^[7-9]。

2.1.2 岩性物理学参数

模拟过程中所要提供的岩石参数包括密度、孔隙度及其压缩系数、渗透率、热导率、热容和热膨胀系数等，其中岩石的渗透率是影响模拟结果的关键因素。

岩石密度 在计算中使用系统的缺省值，泥岩的密度是2.65 kg/m³，砂岩的密度是2.74 kg/m³。

岩石的孔隙度 本次模拟是将ODP184航次1148站位钻孔的孔隙度拟合曲线数值化，然后根据岩石孔隙度与深度的关系，计算确定泥岩和砂岩孔隙度随深度的变化关系，分别为

泥岩：

砂岩：

式中Z为埋深，单位：m。

岩石的渗透率 渗透率是流体模拟中至关重要的参数。模拟过程中采用系统默认的孔隙度与渗透率的关系：

泥岩：lnk_x=8φ－7；

砂岩：lnk_x=15φ－3。

式中：φ是岩石孔隙度。

岩石的热导率 岩石热导率的确定在模拟盆地温度场时也很重要，热导率直接影响热流值，同时也控制了流体运动对地温场的影响。岩石的热导率与岩石的孔隙度相关：

南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集

岩石热容 模拟过程中使用Basin2系统缺省的岩石热容－温度关系来确定岩石热容。

2.1.3 流体性质参数

盆地数值模拟中多孔介质流体的物性参数主要包括流体密度、粘度、流体热容、岩盐饱和度等。图2a、b分别表示了Basin2软件中采用的流体密度和盐度与溶液温度、盐度的计算关系图^[10]。

2.2 模拟结果分析

本文用Basin 2软件反演了盆地地史演化、有机质成熟度演化、流体场的演化、温度－压力场演化。

图2 Basin2软件中流体密度、粘度的计算方法

a.溶液的温度、盐度和压力与溶液密度的关系；b.温度、盐度与溶液粘度的关系

构造沉降史 盆地的构造沉降是指由深部作用引起的基底沉降^[11]。东沙海区在渐新世以来到上新世—第四纪基本上一直处于沉降阶段。渐新世以来，主要出现三次大的沉降速率，分别出现在渐新世、中中新世和上新世—第四纪。最大的沉降速率在中中新世。早中新世、晚中新世沉降速率较低。总体上沉降中心逐渐南移（图3）。

有机质热演化过程 对于新生代烃源岩，其热成熟度主要取决于地温。总的来说，在热流值差别不是很大的情况下，埋藏较深的烃源岩成熟时间早，埋藏浅的成熟时间晚。而在热流值差别大的情况下，成熟门限值存在较大差异。在热流较高的地区，埋藏较浅就可成熟。而热流较小的地区，要埋藏较深才能成熟^[6]。有机质热演化R_o指数模拟结果（图4）表明：剖面穿过的2个小洼陷中沉积层有机质都处于未成熟－低成熟阶段，R。最大值为0.8％，而海底之下近2 500 m厚的沉积层中R_o均小于0.6％，中中新世以来，这些地层中有机质主要转化为生物成因气，是区内主要的水合物气体来源。

流体动力场演化过程 流体动力场的演化过程（图5）显示。流体总体由底部的泥岩向浅层运移，然后在水合物稳定带中向两侧运移。剖面两端都有流体下渗的现象，可能是海水下渗的缘故，而在中间段没有流体下渗的现象，这似乎可以说明浅层具有很好的盖层，阻碍了流体的下渗，这对水合物的形成也是极其有利的。从流体运动的方向来看，主要是从底部的泥岩向浅层运移，如果深部的水和气体到浅层一定的深度可以聚集下来，在特定的温压条件下可以在浅层形成天然气水合物。

流体温压场演化过程 一般而言，水深在300 m以上，海底温度为0～4℃，海底压力已进入水合物稳定域压力^[12]。研究区海底温度为2～5℃，模拟区段的地温梯度较高为8.3℃/100 m。压力场演化过程显示（图6），早中新世开始（～20 Ma），该段发生超压作用，这或许和渐新期的高沉积速率有关。第四纪以来的高沉积速率也造成异常高压，这种底辟区附近的高沉积速率沉积区容易形成欠压实区，可以提供良好的流体输导体系。中中新世时期，该处的水合物稳定带潜在厚度大约为140 m，晚中新世的稳定带厚度大约为170 m，现今的稳定带厚度在200 m左右，反映了天然气水合物稳定带随时间和水深变化的动态过程。

图3 南海东沙DS-A剖面地史演化模拟结果

图4 南海东沙DS-A剖面有机质演化（R_o）模拟结果

图5 南海东沙DS-A剖面流体场模拟结果

3 研究区水合物成藏动力学模拟

水合物成藏是宏观地球动力学演化与微观物质－能量演化的统一。Hydrate Dynamics软件是将盆地分析思想、盆地模拟手段与天然气水合物成藏动力学模型集成起来预测水合物资源分布和动态演化过程的一个二维可视化软件。它以盆地动力学演化为框架，以海底生物成因甲烷的产出、含甲烷流体在沉积物中的流动－反应、甲烷与水在有利的物理化学条件下结晶形成水合物这一动力学过程为纲，基于实际的地质地球化学资料，正反演盆地尺度水合物在时空上的形成、演化、分布^[13]。它能客观地揭示水合物成藏机理，分析水合物可能赋存空间的变化，预测水合物在二维空间上的分布，从而评价水合物的资源潜力。

基于Basin2的模拟结果，用Hydrate Dynamics软件正演模拟了水合物的分布。

从南海东沙DS-A剖面水合物分布的模拟结果（图7）来看，水合物主要分布在水深2 200～2 500m的陆坡区，水合物稳定域较厚，可达250m。水合物分布比较集中，海底以下200～250 m沉积层段是天然气水合物最富集的地段，含水合物层厚约50 m，但水合物的饱和度较低，平均含量在5％左右。

综合分析2个模拟结果：研究区自晚渐新世以来一直处于沉降阶段；在中中新世时，区内的温压场环境具备形成水合物的温压条件，并且随着水体逐渐加深，水合物稳定域的厚度逐渐增大。由于沉积物的不断堆积充填被压实，温度和压力逐渐升高，有机质成熟度也逐渐升高，生物成因甲烷主要在海底1 km以浅范围内形成，而早先埋藏的沉积物中有机质形成的生物成因甲烷在压实流的作用下也向浅部层位中运移，二者共同为水合物的形成提供了气源条件。但水合物稳定域内并不是处处均有水合物的发育和赋存，只有在流体活动异常活跃的区域才是水合物的发育区。

图6 南海东沙DS-A剖面温度－压力演化模拟结果

图7 南海东沙DS-A剖面水合物分布模拟结果

4 结论

1）通过对研究区地质构造演化的模拟，认为研究区自晚渐新世以来（～23.3 Ma）一直处于下沉状况，在渐新世、中中新世和上新世—第四纪出现三次大的沉降速率，沉降中心逐渐南移。

2）有机质热演化R_o指数模拟结果表明，研究区始新统有机质一直处于未成熟－低成熟阶段，中中新世以来，这些地层中有机质主要转化为生物成因气，是区内主要的水合物气体来源。

3）温压场和流体场的模拟结果表明，第四纪以来的高沉积速率造成了研究区局部的高压异常，这种异常高压区往往是欠压实区，可以提供良好的流体输导体系，对水合物的形成有利。

4）流体动力场的演化结果表明，研究区浅层具有很好的盖层，阻碍了流体的下渗，有利于水合物的形成。

5）研究区水合物稳定域较厚（200～250 m），含水合物层厚50 m左右，水合物富集带中水合物的平均含量在5％左右。

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[13]吕万军.“ 生物成因天然气水合物成藏动力学模拟及稳定带预测系统”说明书：中国，2004SR08516[P],2003.

B. 留学读研问题，各位前辈，本人今年国内211重本毕业，打算工作一年后申请新加坡国立大学或者南洋理工大学。

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C. 任建业的学术论文

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