南海北部神狐海域高饱和度天然气水合物分布特征

神狐海域是我国天然气水合物勘探的一个重点区域,2015年在该区域执行的GMGS3天然气水合物钻探,不仅发现了高饱和度天然气水合物,而且发现了热成因的Ⅱ型天然气水合物。其中的W11井在细粒泥质沉积物中获得了厚度达70多米的水合物层,饱和度平均值达40%,局部层高达53%。本文分析了神狐海域W11井的随钻测井资料,利用各向同性的电阻率模型,基于阿尔奇公式估算了天然气水合物饱和度,并与岩心资料中孔隙水氯离子异常估算的水合物饱和度进行对比,查明水合物在垂向上的变化,再结合地震资料反演的声波阻抗来获得水合物横向分布特征,发现水合物空间分布与储层变化、流体运聚和深部热成因气有关。     

南海北部神狐海域天然气水合物成藏特征

天然气水合物作为一种新型、洁净、潜在的新能源,越来越引起世界各国科学家的重视,对天然气水合物研究也进一步深入,但天然气水合物作为一种能源矿产,对其成藏机制的研究相对较少。针对我国天然气水合物调查研究相对较为详细的神狐海域,从其物质来源、气体运移通道、成藏条件等角度探讨神狐海域天然气水合物的成藏特征,指出白云凹陷古近纪埋藏的巨厚烃源岩是其成藏的主要物质基础;底辟构造发育区是形成水合物流体向上运移的主要通道;新近纪晚期大面积发育的滑塌体是水合物的主要赋存区。神狐海域具备天然气水合物成藏的优越条件,是进一步勘探水合物的远景区。     

南海北部神狐水合物赋存区浅表层沉积物自生矿物特征及其成因探讨

通过对南海北部神狐海域Site5B和Site4B站位岩心柱沉积物中自生矿物的类型、形貌特点、丰度和稳定同位素特征的研究,探讨了自生矿物的成因机制。研究表明,沉积物中主要发育黄铁矿和碳酸盐类自生矿物。两个站位中发育的自生矿物的丰度、分布位置、晶体形貌和个体大小等存在明显差异,可能与不同站位中甲烷通量和深部构造有关。自生黄铁矿可能是硫酸盐与甲烷等烃类气体或有机质的厌氧氧化作用的产物,极低负值的硫同位素值可能与硫酸盐还原菌和单质硫歧化菌共同参与有关。自生碳酸盐矿物的成因则相对复杂,其形成过程受多种因素的综合影响。碳同位素值未表现出极低负值,可能是甲烷、有机质和正常海水等碳源混合的结果。     

南海北部陆坡高饱和度天然气水合物气源运聚通道控藏作用

气源运聚通道与天然气水合物富集成藏关系密切。利用准三维地震资料并结合钻探成果,深入研究了神狐海域GMGS3钻探区高饱和度水合物站位气源运移疏导通道地质地球物理特征及其控藏作用。结果表明:高饱和度水合物产出站位发育多种类型运移疏导通道,且与BSR空间耦合关系较好;紧邻BSR之下为强振幅反射,强振幅下部游离气体充注现象明显,表明水合物稳定域下部存在气体运移的通道,且深部气体向浅层发生了运移。深大断裂、底辟及气烟囱构成了沟通深部热解气及浅层生物气与浅层温压稳定域的垂向通道,在这些通道上方可以直接形成水合物;浅部滑塌面、水道砂及海底扇构成的高孔渗连续性砂体为浅层生物气及深部运移而来的部分热成因气横向运移通道,气体的侧向运移扩大了气体供给范围,增加了矿体横向展布规模。文章认为,天然气运移疏导系统与其他成藏要素匹配良好的构造和区域是勘探高饱和度水合物的有利目标。     

南海北部神狐海域细粒储层矿物组分对天然气水合物储集赋存的影响

为了探明矿物类型对于天然气水合物成藏的影响,笔者等利用南海北部神狐海域W07站位样品及其水合物饱和度数据,进行XRD全岩和黏土矿物测试分析、比表面积分析以及束缚水能力综合分析。结果表明,海床下110~127 m（即110~127 mbsf,meters below sea floor, 海床以下深度）为水合物储层段,海床下127~156 m为非水合物储层段。通过XRD分析可知,高石英及长石含量,低伊蒙混层含量的层段,比表面积与束缚水能力较低,说明其具有相对较好的孔渗条件,为水合物的运移与储集提供了良好的空间条件,因此形成水合物储层段;而在高伊蒙混层的层段中,比表面积较大,束缚水能力较强,其对甲烷气体及流体的吸附和束缚能力较强,对水合物成藏起到潜在的封隔作用,成为非储层段,储层与非储层段纵向叠置序列有利于优质水合物储层的形成。本次研究总结了矿物组分与优质水合物储层之间的关系,并揭示两者存在的潜在成因联系,以期丰富水合物富集成藏的基础理论,对未来南海北部天然气水合物的商业化开发提供支持。     

南海北部神狐海域细粒储层矿物组分对天然气水合物储集赋存的影响

为了探明矿物类型对于天然气水合物成藏的影响,笔者等利用南海北部神狐海域W07站位样品及其水合物饱和度数据,进行XRD全岩和黏土矿物测试分析、比表面积分析以及束缚水能力综合分析。结果表明,海床下110~127 m（即110~127 mbsf,meters below sea floor, 海床以下深度）为水合物储层段,海床下127~156 m为非水合物储层段。通过XRD分析可知,高石英及长石含量,低伊蒙混层含量的层段,比表面积与束缚水能力较低,说明其具有相对较好的孔渗条件,为水合物的运移与储集提供了良好的空间条件,因此形成水合物储层段;而在高伊蒙混层的层段中,比表面积较大,束缚水能力较强,其对甲烷气体及流体的吸附和束缚能力较强,对水合物成藏起到潜在的封隔作用,成为非储层段,储层与非储层段纵向叠置序列有利于优质水合物储层的形成。本次研究总结了矿物组分与优质水合物储层之间的关系,并揭示两者存在的潜在成因联系,以期丰富水合物富集成藏的基础理论,对未来南海北部天然气水合物的商业化开发提供支持。     

波阻抗反演在南海北部神狐海域天然气水合物勘探中的应用

针对神狐海域的地质构造和天然气水合物的赋存特征,以重点测线三维地震数据为基础,分析讨论了基于宽带约束的模拟退火波阻抗反演方法、流程和关键技术问题,定量获得了含天然气水合物沉积物的波阻抗特征。结果表明:基于宽带约束的模拟退火波阻抗反演数据具有较高的有效垂向分辨率和较好的横向连续性;神狐海域高波阻抗异常反映了含天然气水合物沉积层,而不连续异常低波阻抗层是水合物层之下游离气的表现,这与钻探结果吻合。由此可见,基于宽带约束的模拟退火波阻抗反演可为天然气水合物层识别和预测、勘探目标圈定、钻探井位选择提供重要依据。     

南海北部陆坡表层沉积物强度特征研究

随着海洋开发活动由浅海走向深海,南海北部陆坡的沉积物强度特性逐渐成为关注热点。本文通过参与2015年与2016年共享航次计划,在南海北部莺琼陆坡、神狐陆坡、东沙陆坡、台湾浅滩陆坡进行沉积物重力取样与箱式取样,并现场剖样,用以进行沉积物强度测试。地质取样结果表明东沙陆坡砂含量相对较高并发现直径约22cm黑色气孔状碳酸盐结核。在神狐陆坡沉积物表层发现活体壳类生物,在110cm深度处发现壳类生物遗骸。十字板剪切试验与笔式贯入试验结果表明南海北部陆坡,沉积物强度差异较大。但总体而言,除东沙陆坡外,莺琼陆坡、神狐陆坡、台湾浅滩陆坡表层沉积物强度一般较低。0～20cm范围内,笔式贯入阻力一般小于0.1N,十字板剪切强度最大一般不超过10kPa。0～300cm深度范围内,沉积物强度沿深度方向大致呈递增趋势,个别站位递增趋势不明显。台湾浅滩陆坡等南海北部陆坡表层沉积物存在强度分层:分层界面以上,沉积物强度较低;分层界面处,沉积物强度骤增。该分层界面可能是海底滑坡的潜在滑动面。     

南海北部陆坡天然气水合物区地质灾害类型及其分布特征

南海北部陆坡区存在着有利天然气水合物的成藏条件,综合调查及钻探结果揭示南海北部陆坡区蕴藏着丰富的天然气水合物资源,天然气水合物多发育在构造活动复杂地区,同时也是灾害地质因素高发区,潜在的灾害地质因素对水合物的赋存及商业开发是极大的威胁。本文基于广州海洋地质调查局多年来在南海北部天然气水合物发育区采集的大量2D、3D、浅地层剖面及多波束测深资料对南海北部水合物发育区进行海底灾害地质研究,对研究区地形地貌特征、灾害地质因素类型、特征、成因及分布特征进行了综合分析,同时阐述了灾害地质因素与水合物的形成与分解之间的关系,研究结果对南海北部陆坡区天然气水合物区成矿预测、试采井布置及未来灾害风险评价提供了基础数据和决策依据。     

南海神狐海域天然气水合物地球物理测井评价

我国南海北部神狐海域的天然气水合物钻探过程中采用电缆测井来识别水合物储层,使用了自然伽马、电阻率、密度、声波全波列、井温—井方位、井径及中子等7种测井仪器,测量的参数主要包括地层的自然放射性、深(浅)探测电阻率、密度、纵波速度、温度、井径、长(短)源距中子计数率及井眼方位,这些参数对于确定天然气水合物的赋存位置起到非常重要的作用。详细介绍了神狐海域天然气水合物测井的工作方法和基本步骤,参照国外相关分析,针对其中某站位钻孔ZK1的地层孔隙度及天然气水合物饱和度进行初步评价。结果表明密度测井和电阻率测井两种方法求出的地层孔隙度的一致性较好,而计算的天然气水合物饱和度值则高于孔隙水淡化分析得到的值,因此尚需结合研究区岩心分析数据来提高解释精度。研究结果对未来我国的天然气水合物测井评价具有指导意义。     

南海北部陆坡区神狐海域构造特征及对水合物的控制

通过对南海北部陆坡区神狐海域高精度2D和3D地震资料的精细解释,在研究区共识别出4种构造类型,分别为气烟囱(流体底辟)、区域大尺度断层、深水扇中的正断层和滑移体中的滑脱断层。气烟囱具有直立的通道形态,其内部结构可划分为杂乱反射带、模糊反射带和顶部强振幅区域。大尺度断层位于水合物钻探区的西北部和东北部,断层规模大,对深部地层表现出明显的控制作用。深水扇中的正断层广泛发育于上新世的深水扇中,特别是在水合物钻探区西部进积特征明显的深水扇中,正断层的数量更多。滑移体中的滑脱断层在神狐海域的第四纪地层中非常常见,在剖面上呈雁列式分布。研究结果表明,大尺度断层由于和水合物钻探区的距离较远,对于水合物的成藏可能不起控制作用。气烟囱和规模小数量多的断裂体系为含气流体的运移提供了垂向和侧向的输送通道,构成了水合物的流体运移体系。当富含甲烷气体的流体通过这些垂向-侧向的运移通道时,在合适的温压条件下,被适于水合物聚集的沉积体所捕获,就有可能形成水合物。水合物钻探区内东西部构造特征的差异,使得研究区内形成了不同的流体运移体系,这可能是控制钻探区水合物不均匀性分布的一个关键因素。     

The second natural gas hydrate production test in the South China Sea

Clayey silt reservoirs bearing natural gas hydrates (NGH) are considered to be the hydrate-bearing reservoirs that boast the highest reserves but tend to be the most difficult to exploit. They are proved to be exploitable by the first NGH production test conducted in the South China Sea in 2017. Based on the understanding of the first production test, the China Geological Survey determined the optimal target NGH reservoirs for production test and conducted a detailed assessment, numerical and experimental simulation, and onshore testing of the reservoirs. After that, it conducted the second offshore NGH production test in 1225 m deep Shenhu Area, South China Sea (also referred to as the second production test) from October 2019 to April 2020. During the second production test, a series of technical challenges of drilling horizontal wells in shallow soft strata in deep sea were met, including wellhead stability, directional drilling of a horizontal well, reservoir stimulation and sand control, and accurate depressurization. As a result, 30 days of continuous gas production was achieved, with a cumulative gas production of 86.14 ×10⁴ m³. Thus, the average daily gas production is 2.87 ×10⁴ m³, which is 5.57 times as much as that obtained in the first production test. Therefore, both the cumulative gas production and the daily gas production were highly improved compared to the first production test. As indicated by the monitoring results of the second production test, there was no anomaly in methane content in the seafloor, seawater, and atmosphere throughout the whole production test. This successful production test further indicates that safe and effective NGH exploitation is feasible in clayey silt NGH reservoirs. The industrialization of hydrates consists of five stages in general, namely theoretical research and simulation experiments, exploratory production test, experimental production test, productive production test, and commercial production. The second production test serves as an important step from the exploratory production test to experimental production test.     

南海天然气水合物稳定带的影响因素

文章利用南海所积累的大量热流、海底温度和地温梯度数据，针对地温梯度的变化，对地温梯度数据进行了初步校正。分情况研究了纯甲烷，甲烷、乙烷、丙烷混合物分别在纯水、海水条件下形成的天然气水合物在南海的可能分布范围；进而对影响天然气水合物分布的影响因素进行了讨论。研究表明，随着天然气中重烃含量的增加，孔隙水盐度的降低，水合物稳定带在平面上的分布范围越来越大，水合物稳定带的厚度也越来越大。比较而言，气体组成的影响要比孔隙水盐度的大。同时，天然气水合物稳定带的厚度与热流有一定的负相关关系。在南海2000m水深范围之内，由于受海底温度的控制，水合物稳定带的厚度与水深呈明显的正相关关系。     

南海北部陆坡区新近系沉积体系特征与天然气水合物分布的关系

南海北部陆坡区新生界含有丰富的油气资源和各种矿产资源，对其沉积体系的分析可以指导资源勘探和开发。笔者在对南海北部陆坡区的西沙海槽和东沙海域的地震剖面解释与研究的基础上，依据“外部形态＋内部属性”的分类原则，在中新世以来的沉积层中共识别出8种典型的地震相：席状平行相、席状波形相、席状空白相、席状杂乱相、席状前积相、帚状前积相、透镜状前积相和丘状杂乱相。结合地震相分析，在南海北部陆坡区识别出6种典型的沉积体系：三角洲体系、等深流、低位扇、滑塌块体、浊积扇和扇三角洲体系；其中等深流、滑塌块体和各种扇体的前缘与BSR分布的吻合率最高，是最有利于天然气水合物聚集成矿的相带。     

The first offshore natural gas hydrate production test in South China Sea

Natural gas hydrates (NGH) is one of key future clean energy resources. Its industrialized development will help remit the huge demand of global natural gas, relieve the increasing pressure of the environment, and play a vital role in the green sustainable growth of human societies. Based on nearly two decades’ studying on the reservoir characteristics in the South China Sea (SCS) and the knowledge of reservoir system, the China Geological Survey (CGS) conducted the first production test on an optimal target selected in Shenhu area SCS in 2017. Guided by the “three-phase control” exploitation theory which focused on formation stabilization, technologies such as formation fluid extraction, well drilling and completing, reservoir stimulating, sand controlling, environmental monitoring, monitoring and preventing of secondary formation of hydrates were applied. The test lasted for 60 days from May 10^th when starting to pump, drop pressure and ignite to well killing on July 9^th, with gas production of 3.09×10⁵ m³ in total, which is a world record with the longest continuous duration of gas production and maximal gas yield. This successful test brings a significant breakthrough on safety control of NGH production.     

南海北部天然气水合物成藏地质条件及成因模式探讨

中国南海北部陆坡区是天然气水合物成藏的理想场所,资源潜力巨大。文章基于天然气水合物勘探成果,结合南海北部天然气水合物成藏地质背景,从天然气水合物成藏的温压稳定条件、气源形成条件、构造输导条件和沉积储集条件4方面,系统分析了南海北部天然气水合物成藏的基本地质条件,探讨了南海北部陆坡中部神狐海域、南海北部陆坡西部海域和南海北部陆坡东北部海域天然气水合物的成藏类型与成因模式。结果认为,南海北部陆坡中部神狐海域主要发育扩散型水合物,而南海北部陆坡西部海域主要发育渗漏型水合物,南海北部陆坡东北部海域则发育兼具扩散型与渗漏型特征的复合型水合物。     

南海北部陆坡聚集流体活动系统及其对天然气水合物成藏的指示意义

利用台西南盆地三维高精度地震资料,对南海北部陆坡聚集流体活动系统进行了分析和研究。在研究区识别出了断层、气烟囱、泥火山、泥底辟等聚集流体活动系统。研究区聚集流体活动系统主要特征包括：①断层与气烟囱相伴生;②气烟囱发育的区域与似海底反射（BSR）分布区域基本吻合,在气烟囱上方可以识别出一定长度的BSR;③泥底辟/泥火山导致周围和上覆地层形成了大量小尺度断层和微裂隙,中、深部流体可沿破裂带向上运移至天然气水合物稳定带内形成天然气水合物。因此,研究区聚集流体活动系统为天然气水合物发育成藏提供了流体来源,有利于天然气水合物的聚集,对于揭示天然气水合物的富集规律意义重大,能够为其他区域天然气水合物勘探提供借鉴。     

Coexistence of natural gas hydrate,free gas and water in the gas hydrate system in the Shenhu Area,South China Sea

Shenhu Area is located in the Baiyun Sag of Pearl River Mouth Basin, which is on the northern continental slope of the South China Sea. Gas hydrates in this area have been intensively investigated, achieving a wide coverage of the three-dimensional seismic survey, a large number of boreholes, and detailed data of the seismic survey, logging, and core analysis. In the beginning of 2020, China has successfully conducted the second offshore production test of gas hydrates in this area. In this paper, studies were made on the structure of the hydrate system for the production test, based on detailed logging data and core analysis of this area. As to the results of nuclear magnetic resonance (NMR) logging and sonic logging of Well GMGS6-SH02 drilled during the GMGS6 Expedition, the hydrate system on which the production well located can be divided into three layers: (1) 207.8–253.4 mbsf, 45.6 m thick, gas hydrate layer, with gas hydrate saturation of 0–54.5% (31% av.); (2) 253.4–278 mbsf, 24.6 m thick, mixing layer consisting of gas hydrates, free gas, and water, with gas hydrate saturation of 0–22% (10% av.) and free gas saturation of 0–32% (13% av.); (3) 278–297 mbsf, 19 m thick, with free gas saturation of less than 7%. Moreover, the pore water freshening identified in the sediment cores, taken from the depth below the theoretically calculated base of methane hydrate stability zone, indicates the occurrence of gas hydrate. All these data reveal that gas hydrates, free gas, and water coexist in the mixing layer from different aspects.