南海北部天然气水合物钻探区烃类气体成因类型研究

第２４卷第３期　２０１０年６月　现代地质　ＧＥ０ＳＣＩＥＮＣＥ　Ｖ０１．２４　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２０１０　

南海北部天然气水合物钻探区烃类气体　成因类型研究　

黄　霞，祝有海，卢振权，王平康　（中国地质科学院矿产资源研究所，北京１０００３７）　摘要：南海北部天然气水合物钻探区水合物气、顶空气样品和沉积物样品烃类气体组分和甲烷同位素特征测试结果表　明，气体样品中烃类气体以甲烷为主，含微量乙烷和丙烷，Ｃ　／（Ｃ：＋Ｃ　）值均大于或接近１　０００。甲烷的碳同位素值为　５４．１％ｏ～一６２．２％ｏ，氢同位素值为一１８０％ｏ～一２５５％０，属于微生物气或是以微生物气为主的混合气，甲烷由ＣＯ　还　原生成，由原地提供或侧向运移而来。沉积物样品酸解烃分析显示多数样品甲烷丰度大于９０％，含一定量的乙烷、丙　烷及少量的丁烷，Ｃ，／（Ｃ　＋Ｃ　）值均小于５０。甲烷的碳同位素值为一２９．８％０～一４８．２％ｅ，呈现典型的热解气特征，显示　由深部运移而来。　关键词：南海北部；天然气水合物；气体成因类型　中图分类号：Ｐ７４４．４；Ｐ５９　文献标志码：Ａ　文章编号：１０００—８５２７（２０１０）０３—０５７６—０５　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｇｅｎｅｔｉｃ　Ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ　Ｇａｓｅｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　Ｇａｓ　Ｈｙｄｒａｔｅ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ａｒｅａ，ｔｈｅ　Ｎｏｒｔｈｅｒｎ　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｓｅａ　ＨＵＡＮＧ　Ｘｉａ，ＺＨＵ　Ｙｏｕ—ｈａｉ，ＬＵ　Ｚｈｅｎ—ｑｕａｎ，ＷＡＮＧ　Ｐｉｎｇ—ｋａｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＭｉｎｅｒａｌ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅ￣ｉｉｎｇ　１０００３７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇａｓ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｓｏｔｏｐｅｓ　ｏｆ　ｇａｓ　ｈｙｄｒａｔｅ，ｈｅａｄｓｐａｃｅ　ｇａｓ　ａｎｄ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｈｙ—　ｄｒａｔｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ａｒｅａ，ｔｈｅ　Ｎｏｒｔｈｅｒｎ　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｓｅａ，ａｒｅ　ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｇａｓ　ｈｙｄｒａｔｅ　ａｎｄ　ｈｅａｄｓｐａｃｅ　ｇａｓ　ａｒｅ　ｎｅａｒｌｙ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｍｅｔｈａｎｅ　ｗｉｔｈ　ｔｒａｃｅ　ｅｔｈａｎｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐａｎｅ．Ｔｈｅｉｒ　ｒａｔｉｏｓ　ｏｆ　Ｃ１／（Ｃ２＋Ｃ３）ａｒｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　ｏｒ　ｃｌｏｓｅ　ｔｏ　１，０００．６　Ｃ１　ｖａｌｕｅｓ　ｒａｎｇｅ　ｆｒｏｍ一５４．１％ｏ　ｔｏ一６２．２％０，ａｎｄ　６ＤｃＨ　ｖａｌｕｅｓ　ｖａｒｙ　ｆｒｏｍ一１８０％０　ｔｏ　一２５５％ｏ．Ｈｅｎｃｅ　ｔｈｅｙ　ａｒｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｂａｃｔｅｒｉａｌ　ｏｒ　ｍｉｘｅｄ　ｗｉｔｈ　ｂａｃｔｅｒｉａｌ　ｇａｓｅｓ，ｄｅｒｉｖｅｄ　ｆｒｏｍ　ＣＯ２　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏ—　ｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｓｉｔｕ　ｏｒ　ｂｙ　ｓｉｄｅ　ｍｉｇｒａｔｉｏｎ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ａｃｉｄ—ｄｅｇａｓｓｅｄ　ｇａｓｅｓ　ｏｆ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｓａｍｐｌｅｓ　ａｌｓｏ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｍｅｔｈ—　ａｎｅ　ｉｓ　ｍｏｓｔｌｙ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　９０％，ｗｉｔｈ　ｓｏｍｅ　ｅｔｈａｎｅ，ｐｒｏｐａｎｅ　ａｎｄ　ｍｉｎｏｒ　ｂｕｔａｎｅ．Ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｓ　ｏｆ　Ｃ１／（Ｃ２＋Ｃ３）ａｒｅ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈａｎ　５０　ａｎｄ　６Ｈ　Ｃ　１　ｖａｌｕｅｓ　ｃｈａｎｇｅ　ｆｒｏｍ一２９．８％。ｔｏ一４８．２％。．Ｔｈｅｓｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｉｎｄｉｃａｔｉｖｅ　ｏｆ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｔｈｅｒｍｏｇｅｎｉｃ　ｇａｓｅｓ　ｍｉｇｒａｔｅｄ　ｕｐ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｄｅｐｔｈ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ　Ｎｏｒｔｈｅｒｎ　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｓｅａ；ｇａｓ　ｈｙｄｒａｔｅ；ｇｅｎｅｔｉｃ—ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｇａｓｅｓ　

０引　言　我国南海北部沉积盆地油气资源丰富，海底　天然气渗漏发育，根据迄今所获油气勘探成果及　油气地质综合研究，其油气运聚分布特征可以概　括为具有“北油南气、西气东油”和“北部陆架浅水　区富油、西部陆架浅水区富气、南部陆坡深水区　富气为主”的规律及特点¨　。２００７年４＿＿６月，中　国地质调查局在南海北部陆坡神狐海域实施了天　然气水合物钻探，取得了天然气水合物实物样品，　收稿日期：２０１０—０３—１６；改回日期：２０１０—０５—１０；责任编辑：楼亚儿。　基金项目：国家“９７３”项目（２００９ＣＢ２１９５０１）；中央级公益性科研院所基本科研业务费资助项目（Ｋ０９０９）。　作者简介：黄霞，女，助理研究员，博士，１９８２年出生，地质学专业，主要从事天然气水合物气体成因来源的研究工作。　Ｅｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｘｉａ＠ｌｉ

ｖｅ．ＣＯＢ。　第３期　黄霞等：南海北部天然气水合物钻探区烃类气体成因类型研究　５７７　为南海北部能源战略布局开辟了新领域。由于南　海北部含油气盆地发育，气源丰富，类型众多，　深部热解气、浅层微生物气均有可能形成天然气　水合物，究竟哪种气源形成天然气水合物？它们　如何形成天然气水合物？本文通过南海北部陆坡　水合物钻探区ＳＨ１、ＳＨ２、ＳＨ３、ＳＨ５、ＳＨ７站位　气体样品和沉积物样品的测试分析，研究天然气　水合物烃类气体成因，探讨烃类气体来源，以便　为南海北部天然气水合物的成藏机理研究和资源　调查、评价及其以后的开发利用奠定基础。　天然气水合物是指由气体分子与水分子组成　的一种冰状结晶固体物质，其中的气体分子以烃　类气体（主要是甲烷）为主。烃类气体是天然气水　合物的物质基础，是气体资源最重要的组成部分。　不同成因类型的烃类气体具有不同的成生机制、　不同的运移聚集过程，并影响到天然气水合物的　成矿过程及其分布特征。　海底天然气水合物的烃类气体成因，常见的　大致可以分为微生物气、热解气以及混合气成　因　－５］。微生物气是指沉积物中的有机质在厌氧　细菌作用下分解产生的气体，主要由二氧化碳还　原以及醋酸根发酵作用形成　Ｊ。由于绝大多数天　然气水合物均由微生物气组成，如布莱克海岭、　南海海槽等　，故微生物气的生成过程得到较多　的关注。许多学者详细研究了水合物产区附近产　甲烷菌的分布特征及其生物地球化学作用，探讨　微生物气的成气机理和成气过程，并取得了重要　进展　Ｊ。热解气是指沉积物中的有机质在一定　的温度、压力条件下，经裂解作用产生的气体。　热解气在其运移富集过程中常常与浅部的原地微　生物气发生混合形成混合气。热解气是常规天然　气藏的主要气源。在天然气水合物领域，过去并　没有太多重视热解气研究，随着墨西哥湾、里海、　黑海及加拿大Ｍａｌｌｉｋ等地发现热解气或混合气型　天然气水合物　。Ｊ，国外学者逐渐关注起热解气　及混合气的成生运移机制。　１　钻探区地质特征及样品介绍　南海北部陆坡水合物钻探区位于神狐暗沙东　南海域附近，即西沙海槽与东沙群岛之问的海域，　晚中新世以来沉积速率较高，更新世平均沉积速　率为４—８　ｃｍ／ｋａ，上新世平均沉积速率为２～６　ｃｍ／ｋａ，区内流体活动比较强烈，介于７４．０～７８．０　ｍＷ・１ＴＩ，平均热流值为７６．２　ｍＷ・Ｉｌｌ，地温　梯度为４５～６７．７￣Ｃ／ｋｉｎｌ】　。沉积物以粉砂和粘土　质粉砂为主，富含有孔虫和钙质超微化石，硅质　生物贫乏，孔隙度为４０％～６０％。沉积物主要由　陆源物质和海洋生物碳酸盐组成。水合物赋存区　不同时期沉积物的有机碳含量大体为０．３９％～　１．８％ｌ１２］。钻探站位８个，取心孔５个，其中在３　个站位（ＳＨ２、ＳＨ３、ＳＨ７）取得天然气水合物实物　样品，通过钻探、测井、取心、原位温度测量和　孔隙水取样、现场测试分析等表明，含天然气水　合物沉积层位于海底之下１５３～２２５　ｍ，厚度为１０　～２５　Ｉｎ，最高天然气水合物饱和度分别为２５％、　４４％和４８％　。　本文对钻探区ＳＨ１、ＳＨ２、ＳＨ３、ＳＨ５、ＳＨ７　共５个站位的样品进行了采集，具体为：（１）４个　气体样品，包括水合物分解后的气体样品（编号为　ＳＨ２Ｂ一１２Ｒ、ＳＨ３Ｂ一１３Ｐ）和顶空气样品（ＳＨ３Ｂ一　７Ｐ、ＳＨ５Ｃ一１１Ｒ）；（２）１１３个沉积物样品，其中　ＳＨＩＢ站位３２个，ＳＨ２Ｂ站位２５个，ＳＨ５Ｃ站位３７　个，ＳＨ７Ｂ站位１９个。对气体样品进行气体组分　和碳、氢同位素测试，对沉积物样品进行酸解烃　分析，测试气体组分和碳同位素，测试由中国科　学院兰州地质研究所地球化学测试部完成。　２结果与讨论　２．１气体组分特征　水合物气和顶空气样品气体组分主体上以烃　类丰度高、含少量非烃气体为特征。烃类气体以　甲烷为主，含微量重烃。将测试数据剔除掉大气　组分后，按１００％烃类气体来进行换算，分析测试　结果见表１。从表１中可以看出：水合物气样品中　甲烷相对含量高达９９．８９％和９９．９ｌ％，与钻探现　场水合物样品甲烷含量测试结果（９９．８２％）非常相　近¨　Ｊ，乙烷、丙烷相对含量低（表１）。Ｃ　／（Ｃ　＋　Ｃ　）（气体成分比，也称干燥系数，下同）值为　１　０００左右。顶空气样品中甲烷相对含量均为９９％　以上，乙烷、丙烷的相对含量也非常低（表１）。　Ｃ　／（Ｃ，＋Ｃ　）值大于１　０００。　沉积物样品酸解烃分析显示，ＳＨ１Ｂ站位甲烷　相对含量为７６．４８％一９４．６９％，平均９０．５６％，甲　烷丰度大于９０％的占７５％，Ｃ。／（Ｃ：＋Ｃ　）值为５．０　～２２．７；ＳＨ２Ｂ站位甲烷相对含量为７５％～　９３．９３％，平均９０．８０％，甲烷丰度大于９０％的占　８０％，Ｃ１／（Ｃ２＋Ｃ３）值为４．７～２０．９；ＳＨ５Ｃ站位　甲烷相对含量为７８．２７％～９４．９５％，平均８４．８０％，

　５７８　现代地质　表１　南海北部天然气水合物钻探区样品烃类气体组分及其同位素数据　Ｔａｂｌｅ　１　Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ　ｇａｓ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｓｏｔｏｐｅ　ｏｆ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｆｒｏｍ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　ｈｙｄｒａｔｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ａｒｅａ，ｔｈｅ　Ｎｏｒｔｈｅｒｎ　Ｓｏｕｔｈ　ＣｈｉＨａ　Ｓｅａ　

注：烃类气体相对含量单位为％，碳、氢同位素单位为‰。　甲烷丰度大于９０％的占２４％，大于８０％的占５７％，　ｃ１／（ｃ２＋Ｃ　）值为５．８～２４．４；ＳＨ７Ｂ站位甲烷相　对含量为７８．４２％～９４．１５％，平均８９．３４％，甲烷　丰度大于９０％的占６３％，Ｃ　／（Ｃ　＋Ｃ　）值为５．９～　２２．２。整体上来看，沉积物样品中甲烷分布范围　较大，多数样品甲烷丰度大于９０％，均含一定量　的乙烷、丙烷，此外还有少量的丁烷等。湿度比　高，大于５％。Ｃ　／（Ｃ：＋Ｃ　）值较低，均小于５０。　在天然气领域，一般来说甲烷含量在９０％以　上的叫干气；甲烷含量低于９０％，而乙烷、丙烷　等烷烃的含量在１０％以上的叫湿气。在天然气水　合物领域，较少使用气体组分来划分类型。按照　气体组分测试结果，气体样品属于干气，与此不　同，沉积物样品呈现湿气特征。对测试结果进一　步分析发现，１　１３个沉积物样品酸解烃甲烷含量有　随深度增加而逐渐增加的趋势，显示沉积物中烃　类气体更多地可能来自深部。　２．２同位素组成特征　甲烷的碳同位素组成：水合物气样品甲烷的　碳同位素值　Ｃ　为一５６．７％ｖ和一６０．９％ｏ（ＰＤＢ标　准，下同），顶空气样品甲烷的碳同位素值６”Ｃ　为一６２．２％ｅ～一５４．１‰（表１），沉积物样品酸解烃　甲烷的碳同位素值　”Ｃ　值偏高，为一２９．８％ｏ～　一４８．２‰，平均一３９．４７‰，大于一５０‰。　甲烷的氢同位素组成：水合物气样品甲烷的　氢同位素值　Ｄ　为一１９９％ｅ和一１８０％ｃ（ＳＭＯＷ标准，　下同），顶空气样品甲烷的氢同位素值６Ｄ　为　一２５５％ｏ和一１９１％。（表１）。　２．３　Ｃ１／（Ｃ２＋Ｃ３）一　”Ｃ１的关系　气体组分和同位素组成的相互关系可以反映　其来源、成因、演化和运聚特征。碳、氢同位素　组成可以反映母质类型、沉积环境和演化环境，　是气体类型划分、运移特征的重要参数。　Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ等曾利用甲烷的碳同位素值　”Ｃ．　和Ｃ。／（ｃ　＋Ｃ　）比值来判别不同成因的水合物，　图１南海北部水合物钻探区天然气水合物甲烷的碳ｌ司　位素值　Ｃ　与Ｃ　／（Ｃ　＋Ｃ　）投点图　Ｆｉｇ．１　Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｖｅ　ｐｌｏｔ　ｏｆ　ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｒａｔｉｏｓ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ　ＶＳ．ｃａｒｂｏｎ　ｉｓｏｔｏｐｅ　ｏｆ　ｍｅｔｈａｎｅ　ｆｒｏｍ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｏｆ　ｎａｔｕ—　ｒａｌ　ｇａｓ　ｈｙｄｒａｔｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ａｒｅａ，ｔｈｅ　Ｎｏ．ｈｅｍ　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉ—　Ｈａ　Ｓｅａ　水合物气、顶空气样品甲烷的碳同位素　Ｃ　值为一５４．１％ｏ～一６２．２％０，Ｃ１／（Ｃ２＋Ｃ３）值均大于　或接近１　０００，从Ｃ　／（Ｃ：＋Ｃ　）值以及烃类气体成　因类型判识图（图１）分析，南海北部天然气水合　物钻探区水合物、顶空气样品中的烃类气体应是　微生物气或是以微生物气为主的混合气。根据钻　探区各站位大型重力活塞沉积物岩心及钻探岩心　若＞且问　体一据气积　孑　ＩＩ］