南海北部神狐海域W19井天然气水合物储层类型与特征

石思思，陈星州，马 健，孙玉梅，孙超业

(1.北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京 100871；2.北京大学石油与天然气研究中心，北京 100871；3.中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010；4.石家庄铁路职业技术学院，河北 石家庄 050047)

0 引 言

天然气水合物(以下简称水合物)是由气体分子和水分子组成的似冰状固态结晶物质，由于其巨大的地质储量和清洁无污染的特点，被视为未来最有前途的替代能源[1]，主要分布在深海海洋沉积物中[2]。布莱克海岭水合物产出区沉积物粒度由于受到微化石含量的影响整体偏粗[3]；大洋钻探204航次钻遇的绝大多数水合物储存在粗粒沉积地层中[4]；墨西哥湾Alaminos Canyon Block 818站位水合物层孔隙度高达0.30%[5]；麦肯齐三角洲的Mallik L-38井观察到的水合物存在于松散的沙石中[6]。陈芳等人对2007年神狐海域的钻探结果进行研究发现，粗砂、粗粉砂的含量与水合物饱和度有着明显的对应关系[7]；杨胜雄等通过对神狐W19井水合物研究后发现，其以厚层状、分散状、薄层状和斑块状赋存在W19井的不同深度[8]。前人仅就水合物的赋存状态以及储层的整体物性进行初步讨论，并未对水合物储层进行详细的分类和具体评价。2015年,通过W19井提取了该地区的沉积物粒度参数、组成成分等特征，并对该地区水合物储层进行分类并评价，为今后神狐海域水合物的勘探开发提供有效依据。

1 地质概况

神狐海域位于中国南海北部陆坡中段(图1)，地理坐标约为115 °E，20 °N，构造上位于珠江口盆地珠二坳陷、双峰北盆地和神狐隆起[9]，海水深度为800～2 000 m，地形变化较大，整体呈北西向南东倾斜[10]。自第三纪以来，神狐海域以富含钙质超微化石的半深海沉积物为主[11]，并伴随有高沉积速率的陆源碎屑物质的不断输入。前人研究表明：神狐海域陆源碎屑来源丰富且供给充足，沉积速率较高，且由于洋流、等深流和沉积物漂积等对碎屑物质的长途搬运，使得该区域普遍发育滑塌沉积、浊流沉积等[12]。

2 材料与方法

研究材料来自南海北部神狐海域的W19井，水深为1 277 m，样品长度为242.17 m，共采样106件，层段位于1 390～1 440 m，该层段为水合物赋存区间，样品在进行岩心观察前均低温冷冻保存于4 ℃以下的岩心库中。激光粒度分析：仪器选取Mastersizer 2000型激光粒度分析仪，其测量范围为0.02～2 000.00 μm，重复测量误差小于3%[13]；扫描电镜：使用JSM-IT300钨灯丝扫描电镜进行矿物初步鉴定，辅以EDS能谱分析；XRD测试：将样品研磨至约300目后，使用RAPID-S型号的XRD进行测试。

图1 南海北部神狐海域构造地质

3 结果分析

3.1 岩心观察

W19井沉积物以海洋细粒沉积为主，主要是黏土质粉砂和粉砂(图2)。上部储层为1 390～1 410 m，岩性较为均一，以灰色—灰黄色黏土质粉砂为主，岩心松散，压实作用较弱，孔隙和裂隙发育。中部储层为1 410～1 430 m，沉积物主要呈黄绿色的奶油状—粥状沉积，岩性以粉砂和黏土质粉砂互层为主，含水率较高；其中，粥状沉积作为水合物分解的重要指示标志[14]，其成因是当水合物发生分解时，水合物中的固态水转化为自由水进入地层中，从而使得沉积物变得松软稀散，含水率升高[15]。下部储层为1 430～1 450 m，沉积物主要以绿黄色粉砂为主，且由于较强的压实作用，沉积物含水率较低，孔隙和裂隙发育程度较低。

3.2 扫描电镜结果分析

结合SEM和EDS能谱，观察到黄铁矿主要表现为草莓状和分散微粒状2种形态(图3a、b)。其中，草莓状黄铁矿主要生成于钙质超微化石内部，微粒状集合体主要发育于细粒沉积物中。草莓状黄铁矿是一种强缺氧微生物活动的指示物，其形成受到沉积物内有机质孔隙水中的溶解硫化物和铁矿物的影响[16-17]。沉积物中钙质组分的主要来源是钙质超微化石，如有孔虫(图3c)、颗石藻(3d)等，自生方解石含量较少。

图2 神狐海域W19井综合柱状图

3.3 粒度分析

综合多参数特征，采用McManus提出的矩值法，对沉积物的粒度参数进行计算并得出组分随深度变化规律(图4)。由图4可知，W19井整体粒度较细，以黏土质粉砂为主。其中，黏土的平均含量约占沉积物组分的26.04%，粉砂的平均含量约占沉积物组分的67.87%，细砂的平均含量约占沉积物组分的6.09%，细砂组分和黏土组分含量曲线呈现较为明显的锯齿互补状。细砂的含量整体较低，大多低于3.00%，但在1 395～1 425 m层位处，细砂的含量突然增加且最高达10.85%。黏土和粉砂在W19井中占据绝对优势，两者的含量总和高达90.00%以上。综合粒度特征分析可知，W19所在区域处于能量较低且相对稳定的沉积环境，水动能变化较小且沉积物质来源具有多源性。

3.4 XRD分析

通过对106个样品进行XRD全岩分析，5种主要矿物的具体含量随深度变化见图4。由图4可知，方解石的含量最高，平均含量为26.90%，最高可达47.10%。方解石的高含量主要来源于以有孔虫为主体的钙质超微化石。由于有孔虫具有特殊的壳体孔隙结构[18]，且自身粒级程度达到细砂级，因此,有孔虫不仅增加了储层中的粗组分含量，同时使得沉积物的孔隙度增加，为水合物的生长和储集提供了良好的孔隙空间[19]。

图3 神狐海域W19井扫描电镜照片

黏土矿物和石英的含量仅次于方解石，黏土的平均含量约为26.90%，最高可达46.90%；石英的平均含量约为25.10%，最高可达39.90%。在1 400 m以上层段，黏土的含量较高，基本保持在30.00%以上，而石英的整体含量较低；在1 400 m以下层段，石英的含量明显增加，黏土矿物的含量明显减少，两者的含量随着深度的增加以相反的趋势变化。

斜长石的平均含量为6.10%，最高可达12.20%。在1 410 m以上层段，斜长石的含量较低，一般低于10.00%；在1 410～1 430 m处，斜长石的含量陡增且达到最大值；在1 430 m以下层段，斜长石的含量随着深度的增加又逐渐降低。

黄铁矿的含量较低，平均在1.90%左右，其中，储层的上部层段，黄铁矿的含量很低，但在储层段1 410～1 430 m内，黄铁矿的含量陡增，最高可达18.10%。

4 储层类型及特征

W19井水合物显示较好，水合物厚度近30 m。杨胜雄等对W19井的研究显示：W19井水合物以4种不同的宏观赋存状态纵向不均匀地分布在同一口井中，分别是厚层状、分散状、薄层状和斑块状[8],其代表着水合物稳定性及含量由优转劣。综合W19井的沉积物含量及粒度参数随深度变化规律发现，厚层状、薄层状、分散状、斑块状水合物分别赋存于不同储层中(图5)，根据储层的岩性、粒度以及水合物的赋存状态，可将储层分为有孔虫控制型、石英控制型、黏土控制型等3类(表1)。

图4 W19井沉积物粒度参数和组分随深度变化规律

其中，Ⅰ类储层为有孔虫控制型，深度为1 395～1 410 m，水合物以厚层状赋存其中。该类型储层沉积物组分中，砂含量有明显增加，最高达到10.85%，且砂的主要贡献者是有孔虫；方解石含量增加至50.00%，黏土含量出现明显降低，从44.19%逐渐下降至20.00%，石英、黄铁矿、斜长石等矿物的含量无明显变化；平均粒径显著增大，W19井的平均粒径在1 407 m处达到最大值；分选系数较上部层段有显著增加，由上部层段较低的1.40陡增至2.14且一直保持在2.00左右；偏度也有较大幅度的变化，从正态逐渐过渡到正偏；峰度值保持在低值0.90～1.00。上述研究表明，由于砂、粉砂等粗组分含量的增加，该层段整体粒度粗，分选较差。

图5 神狐海域W19井3类储层的沉积物粒度参数和组分变化特征

Ⅱ类储层为石英控制型，深度分别为1 415～1 420 m、1 426～1 431 m，水合物以薄层状赋存其中。该类型储层的沉积物组分中，石英、方解石、斜长石等粗组分含量较高，使得沉积物中砂含量增加，黏土含量降低至20.00%左右；该类型储层的平均粒径、分选系数、偏度、峰度表现出双峰的特征，且发生明显变化，其中，1 410～1 415 m层段平均粒径增至6.20Φ,分选系数增至2.10，偏度增至0.4，峰度则降低至0.87；1 426～1 431 m层段粒度参数总体趋势与1 415～1 420 m相近。粒度参数的变化表明，由于砂含量的增加和黏土含量的降低，该层段整体粒度较粗，分选较好。

Ⅲ类储层为黏土控制型，深度分别位于1 410～1 415 m、1 420～1 426 m，水合物以分散状、斑块状赋存其中。该类型储层的沉积物组分中，尽管石英、斜长石和黄铁矿等矿物含量增加，但伴随着方解石含量的急剧降低，黏土矿物含量的陡增，导致该层段砂含量几乎降低至0.00，可见有孔虫壳体是主要的粗组分来源；该类型储层的平均粒径、分选系数、偏度都呈现出不同程度的降低，且表现出单峰或多峰的特征，其中，1 410～1 415 m层段平均粒径在1 410 m处陡然降低至7.50Φ，砂含量，分选系数降低至1.42，偏度降低至0.0，峰度则增加至1.08；1 420～1 426 m层段平均粒径在1 424 m处降低至7.30Φ，分选系数、偏度、峰度均呈双峰变化，总体趋势与1 410～1 415 m相近。粒度参数的变化表明，由于砂含量的显著降低和黏土含量的显著增加，该层段整体粒度较细，分选较好。

表1 W19井3类储层的分类及特征

5 结 论

(1) 神狐海域W19井的沉积物样品的平均粒径为6.14～7.97Φ，为黏土质粉砂和粉砂；分选系数为1.36～2.14，整体分选较差；偏度为0.0～0.4，表现为正态和轻微正偏；峰度值为0.85～1.10，表现为平坦和正态。综合粒度特征分析可知，W19所在区域处于能量较低且相对稳定的沉积环境。

(2) 通过对神狐海域W19井水合物储层进行分类及评价，将其分为有孔虫控制型、石英控制型、黏土控制型3类。其中，有孔虫控制型储层为天然气水合物储存的最有利层段。通过将储层进行分类，有效解决了水合物储层评价不明确、有利层段描述不清等问题，对寻找研究区有利储层具有指导意义。