南海北部神狐海域天然氣水合物分解的測井異常

王秀娟，吳時(shí)國，王吉亮，3，楊勝雄，王真真，3

1 中國科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院海洋研究所，青島 266071

2 國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266071

3 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

4 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075

1 引 言

天然氣水合物是一種類似于冰的固態(tài)化合物，自然界中水合物主要存在于粗粒砂質(zhì)沉積物、細(xì)粒泥質(zhì)、火山灰或粉砂沉積物中或海底，美國、加拿大、印度、日本、中國、韓國相繼鉆探到水合物樣品［1－4］.水合物既可以呈均勻狀或者球狀充填在孔隙空間，也可以沿裂隙主應(yīng)力方向呈脈狀富集在泥質(zhì)沉積物中［4－6］.但是南海北部神狐海域鉆探表明：水合物充填在孔隙空間，在縱向、橫向分布不均一［7］.研究表明獲得水合物樣品的SH2和SH7井含水合物層的縱波速度、電阻率增加，速度增加量與水合物含量呈正比［8－11］.目前有三類模型被用于研究速度與水合物飽和度之間的關(guān)系：（1）膠結(jié)模型；（2）孔隙充填模型和（3）承載模型.在孔隙充填模型中，水合物在沉積物顆粒邊緣成核，向孔隙空間自由生長但是并不使沉積物顆粒間相連結(jié).水合物主要影響孔隙流體體積模量和導(dǎo)電性；在膠結(jié)模型中，水合物膠結(jié)相鄰的沉積物顆粒，即使少量水合物也能使沉積物的體積和剪切模量迅速增加［12］；在承載模型中，水合物與相鄰的顆粒相連結(jié)，通過成為骨架一部分來增強(qiáng)沉積物顆粒間的機(jī)械穩(wěn)定性.利用速度來定量估算沉積物中水合物飽和度，需要建立孔隙空間的水合物飽和度與速度之間關(guān)系的模型.目前使用的有效介質(zhì)理論（Effective Media Theory）［13］和修改的 Biot－Gassmann理論（MBGL）［14］都基于孔隙充填模型研究速度與水合物的飽和度關(guān)系，盡管模型討論了水合物作為骨架一部分，改變骨架的彈性模量，但是其理論基礎(chǔ)是孔隙充填模型.三相Biottype方程（TPBE）假設(shè)地層是由沉積物、水合物和孔隙流體三相組成的理想模式，每一種骨架具有各自的體積和剪切模量，通過矩陣元素來計(jì)算水合物穩(wěn)定帶內(nèi)彈性波速度［15－16］.但是Biot理論假設(shè)孔隙水不接觸沉積物顆粒，因此，TPBE可以用來模擬砂巖中的水合物，不適用于富泥的沉積物［17］.最近實(shí)驗(yàn)室研究表明，在水合物飽和度達(dá)到孔隙空間25%～40%時(shí)，水合物在孔隙中從孔隙充填模式轉(zhuǎn)換成承載模式［18－19］，因此，自然界中孔隙空間生成的水合物利用承載模型更合適［20］.Lee等［17］基于滲流理論［21］把水合物作為一個(gè)獨(dú)立相，引入膠結(jié)常數(shù)和地層含水合物后相對(duì)于骨架硬化程度兩個(gè)參數(shù)，利用TPBE速度來估算水合物的飽和度，該方法適用于富泥的沉積物.

由于構(gòu)造活動(dòng)及鉆井過程都可能造成水合物的分解釋放出游離氣［22］，游離氣和水合物都是電的絕緣體，具有較高電阻率.目前，已經(jīng)在多個(gè)盆地發(fā)現(xiàn)水合物分解及其水合物和游離氣共存的現(xiàn)象，例如，ODP204航次1245和1247井的測井資料顯示在水合物穩(wěn)定帶內(nèi)的局部地層，P波速度略微低于飽和水速度，而橫波速度略微增加，該異常是由于沉積物中水合物和游離氣共存造成.1250井附近存在雙BSR，雙BSR可能由于海底侵蝕、海平面變化、局部地溫梯度變化或者氣體化學(xué)組分差異造成的［23］.鉆井過程可能導(dǎo)致井孔附近水合物發(fā)生分解，而且水合物分解產(chǎn)生的游離氣量與分解的水合物量相當(dāng)［24］.僅利用測井資料很難判斷沉積物中游離氣是原位游離氣還是水合物分解產(chǎn)生的.利用未固結(jié)孔隙介質(zhì)的縱波速度與游離氣的關(guān)系，假設(shè)游離氣在孔隙中均勻分布，能夠估算其飽和度［25－26］.但是如果沉積物為水和游離氣混合，在孔隙分布不均勻處的壓力梯度較大，流體流很強(qiáng)，利用 White［27］模型能更準(zhǔn)確計(jì)算氣體飽和度.

本文分析了神狐海域SH3井位的測井資料，發(fā)現(xiàn)含水合物層出現(xiàn)低速異常，假設(shè)水合物均勻充填在孔隙空間，基于阿爾奇方程計(jì)算了SH3井水合物飽和度.利用不同速度制作合成地震記錄并與實(shí)際地震資料對(duì)比，分析了低速異常形成原因.

2 STPBE （Simplified Three Phase Biot Equation）速度模型

Lee［28］基于簡化的TPBE速度模型計(jì)算了水合物飽和度，假定沉積物、水合物和孔隙流體形成了三相均勻的介質(zhì)，且水合物均勻分布在沉積物中.在低頻測井和地震頻帶范圍，含水合物層沉積物的體積模量和剪切模量分別為：

α為膠結(jié)常數(shù)［29－30］，φas＝φw＋εφh，φw＝ （1－Sh）φ，φh＝Shφ；Kma，Kw和Kh分別為顆粒、水和水合物的體積模量；Sh為水合物飽和度；μma為顆粒的剪切模量.ε為水合物形成比正常地層壓實(shí)作用使沉積物骨架發(fā)生硬化的降低量，但是不同井位置該參數(shù)取值變化不大，趨于常數(shù)0.12［17］.膠結(jié)常數(shù)α取決于有效壓力和膠結(jié)程度，Mindlin［31］認(rèn)為體積模量和剪切模量為有效壓力的1／3冪，即αi＝α0（p0／pi）n≈α0（d0／di）n.n為冪指數(shù)，α0為壓力p0或者深度di時(shí)的膠結(jié)常數(shù)，αi為在任意有效壓力pi或深度di時(shí)的膠結(jié)常數(shù).含水合物層的STPBE速度模型為：

ρb為水合物穩(wěn)定帶的體積密度，ρb＝ρS（1－φ）＋ρwφ（1－Sh）＋ρhφSh.

STPBE模型中，在SH3井，膠結(jié)常數(shù)α與深度關(guān)系為：

假設(shè)孔隙空間為水飽和，圖1為分別利用STPBE速度模型（黑線）和EMT速度模型（藍(lán)線）、密度孔隙度及礦物組分（表1）［32］計(jì)算的飽和水縱波速度與電纜測井獲得縱波速度（紅線）對(duì)比.由圖可知，在深度194m和199m之間地層，聲波測井速度小于理論計(jì)算的飽和水縱波速度，表明沉積層可能含有游離氣.

表1 骨架組分及物性參數(shù)Table 1 Mineral components and elastic moduli and density of minerals

3 電阻率估算水合物飽和度

其中Rw為地層共生水電阻率，a和m 為阿爾奇常數(shù)，φ為地層孔隙度，m為水合物膠結(jié)指數(shù).阿爾奇常數(shù)a和m是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般是通過巖石導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)來獲得.假設(shè)沉積層的孔隙空間充滿水，則測量的電阻率為水飽和地層的電阻率，利用交會(huì)分析也能夠獲得該常數(shù).共生水電阻率與海水鹽度、地溫梯度有關(guān)，利用 Arp′s方程［33］來計(jì)算：

其中Rw1和Rw2分別為溫度T1和T2時(shí)在一定鹽度下的水的電阻率，溫度單位為℃.由于缺乏該井孔隙水電阻率測試資料，我們利用溫度18℃時(shí)，Rw1為0.24Ωm經(jīng)驗(yàn)參數(shù)［34］.SH3井測量的原位地溫梯度為49.33℃／km，鹽度為32‰.飽和水電阻率與地層共生水電阻率比值（即R0／Rw）被稱為地層因子（FF）.假設(shè)不含水合物地層的孔隙空間充滿水，可以利用測井測量的電阻率代替飽和水電阻率.阿爾奇方程寫成：

利用阿爾奇方程計(jì)算的飽和水地層的電阻（R0）為：

由于淺層井徑變化相對(duì)較大，地層因子與孔隙度交會(huì)圖比較發(fā)散（圓圈），而深度140～195m層位（紅點(diǎn)）測井資料相對(duì)比較可靠.圖2為地層因子與密度孔隙度交會(huì)圖，擬合方程為FF ＝1.1／φ2.3，即阿爾奇常數(shù)為a＝1.1和m＝2.3.

圖3 SH3井測井測量的電阻率（黑線）、計(jì)算的共生水電阻率（綠線）和基于阿爾奇方程計(jì)算的飽和水地層電阻率（藍(lán)線）Fig.3 The measured resistivity（black line），resistivity of connate water （green line）and the calculated baseline resistivity（blue curve）at site SH3

圖3給出了利用Arp方程、溫度和鹽度計(jì)算的SH 3井孔隙共生水電阻率（綠線）和基于阿爾奇常數(shù)計(jì)算的地層飽和水電阻率R0（藍(lán)線）與電纜測量的電阻率對(duì)比.淺部地層利用該阿爾奇常數(shù)計(jì)算的背景電阻率與實(shí)測電阻率并不吻合，該異常可能是由于計(jì)算的阿爾奇常數(shù)及孔隙水共生電阻率與實(shí)際情況并不吻合.在深度140m以下不含水合物地層，計(jì)算的背景電阻率與實(shí)測電阻率吻合較好，在深度195～205m之間，測量電阻率明顯高于計(jì)算的飽和水背景電阻率.假設(shè)該電阻率異常是由于沉積物含有水合物引起的，且孔隙空間僅由水合物和水組成，假設(shè)水合物呈均勻分布，利用電阻率異常估算水合物飽和度方程為：

其中n為飽和度指數(shù)，一般趨于2.神狐海域SH3井細(xì)粒沉積物為黏土粉砂，我們利用經(jīng)驗(yàn)值n＝2估算水合物飽和度.圖4中藍(lán)線為a＝1.1，m＝2.3，n＝2.0時(shí)，利用電阻率計(jì)算的水合物飽和度.從計(jì)算結(jié)果看，在海底以下50～120m，局部地層存在低水合物飽和度異常區(qū)，該水合物飽和度可能是由于局部井徑的變化導(dǎo)致地層孔隙度變化.在深度190～205m之間，水合物飽和度平均值為10%左右，最高達(dá)26.8%.氯離子資料顯示在SH3B－14C和15R（深度192～197m）出現(xiàn)低值，利用其異常估算水合物飽和度最高達(dá)26%［35］，該區(qū)域利用電阻率計(jì)算水合物飽和度與氯離子異常計(jì)算結(jié)果相吻合.壓力取芯釋放游離氣在SH3B－13P（深度190～192m）處，水合物飽和度僅為0.2%，小于利用氯離子和電阻率計(jì)算的水合物飽和度.水合物飽和度在垂向上差異比較大，呈明顯的不均勻性.

圖4 SH3利用電阻基于阿爾奇公式（藍(lán)線）和氯離子異常（紅點(diǎn)）計(jì)算的水合物飽和度Fig.4 Gas hydrate saturation estimated from Archie equation（blue line）and chloride measurements（red dots）

4 含水合物層低速異常分析

4.1 縱波速度對(duì)比

SH3鉆井資料顯示在深度120m以下，井徑變化不大，表明測井資料可靠.在深度190～205m出現(xiàn)高電阻率異常，水合物和游離氣都是電絕緣體，該異常可能是由于地層含有水合物也可能是含游離氣造成的.地層含水合物時(shí)出現(xiàn)速度正異常，而含游離氣時(shí)出現(xiàn)負(fù)異常，盡管該層位出現(xiàn)低縱波速度異常，但是該低縱波可能是由于地層含有原位游離氣，也可能是由于水合物分解產(chǎn)生的游離氣.鉆探取芯的氯離子異常分析表明該層存在天然氣水合物.為了研究該低速度異常原因，我們利用測井獲得的孔隙度、密度資料基于STPBE方法，分別計(jì)算了孔隙空間內(nèi)含水合物或者含游離氣時(shí)的縱波速度（圖5），其中游離氣飽和度值等于利用電阻率計(jì)算的水合物飽和度，即水合物完全分解.從該圖看，假設(shè)孔隙空間含水合物時(shí)，計(jì)算的含水合物層縱波速度（黑線）遠(yuǎn)大于測量的縱波速度（紅線）；而假設(shè)孔隙空間含游離氣，而飽和度等于利用電阻率計(jì)算的水合物飽和度，計(jì)算的縱波速度（藍(lán)線）在某些位置小于測井測量的縱波速度，表明計(jì)算中給定的游離氣飽和度偏高，在這些位置可能是水合物并沒有完全分解.

圖5 假設(shè)含有游離氣（藍(lán)線）和含有水合物（黑線）的飽和度與電阻率計(jì)算的水合物飽和度相等時(shí)，計(jì)算的縱波速度與測井測量的縱波速度（紅線）對(duì)比Fig.5 The comparisons of calculated P－wave velocities assuming free gas（blue line）and gas hydrate（black line）saturations similar to gas hydrate saturation estimated from resistivities and the measured P－wave velocity（red line）

4.2 游離氣飽和度

在深度194～199m出現(xiàn)的低縱波速度，與飽和水縱波速度相比，縱波速度的負(fù)異常表明地層含有游離氣［25，36－37］.Tinivella［25］基于流體充填的孔隙介質(zhì)中的縱波速度［26］估算了游離氣飽和度，該理論假定孔隙均勻分布，考慮孔隙中的黏滯流體與其耦合的固體骨架之間的耗散，且孔隙空間充滿水和游離氣，游離氣在孔隙中可能呈均勻也可能呈塊狀分布.基于測井獲得的縱波速度、密度、孔隙度，就可以計(jì)算孔隙空間游離氣飽和度.公開發(fā)表資料中還沒有SH3井位的巖芯礦物組分及百分比，我們利用相鄰的SH2井巖芯組分及百分比來計(jì)算該井的骨架彈性模量［32，38］.圖6給出了該低速異常區(qū)游離氣呈均勻分布（紫線）、不均勻的塊狀分布（紅線）和孔隙空間內(nèi)為部分含氣（黑線）時(shí)計(jì)算的飽和度值.對(duì)于孔隙介質(zhì)中部分含氣地層，由于流體波與地震體波的耦合，縱波速度存在頻散［27］.當(dāng)縱波在孔隙介質(zhì)中傳播，壓力梯度使流體與固體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng).在均勻骨架和低頻條件下，這種壓力梯度很小，流體產(chǎn)生的衰減可以忽略.如果沉積物中有被隔離的氣體，在氣－水接觸的非均勻處，該壓力梯度就很大.White把介質(zhì)假設(shè)為同心球形，外半徑為水飽和，是一個(gè)自由參數(shù)，與測量的頻散有關(guān)；內(nèi)半徑為氣飽和，與氣體飽和度有關(guān)，未固結(jié)沉積物中內(nèi)半徑一般為厘米尺度.Wang等［39］利用該模型計(jì)算了測量的低速異常的游離氣飽和度（黑線）.從圖中可知，利用 White模型計(jì)算的游離氣飽和度大于其它方法計(jì)算的結(jié)果.

圖6 利用孔隙介質(zhì)中的速度模型［26］，假設(shè)游離氣呈均勻（紫線）、不均勻的塊狀（紅線）分布和利用White模型［27］計(jì)算的游離氣飽和度［39］（黑線）及利用電阻率計(jì)算的水合物飽和度（藍(lán)線）Fig.6 Saturations estimated from P－wave velocity of porous medium assuming free gas－filled in the pore space with homogeneous（purple line），and patchy（red line）distributions and free gas saturation［39］ （black line）calculated by White model［27］and gas hydrate saturation estimated from resistivity（blue line）

5 討 論

鉆井可能導(dǎo)致井孔附近水合物發(fā)生分解，如果氣體是來自水合物分解，鉆井中及鉆井后收集的氣體量應(yīng)該與沉積物中分解的水合物量相當(dāng)，游離氣可能暫時(shí)與水合物共存在井口附近［24］.盡管世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多處水合物和游離氣共存現(xiàn)象，例如，南水合物脊的海底噴口處發(fā)現(xiàn)羽狀流［40］，Gorman等［41］認(rèn)為甲烷氣體可以沿著斷層和裂隙快速通過水合物穩(wěn)定帶.在阿拉斯加的Cirque－2井，由于缺乏形成水合物的孔隙水，在水合物穩(wěn)定帶出現(xiàn)了游離氣區(qū).南海神狐海域SH3井水合物穩(wěn)定帶厚度為206m［35］，穩(wěn)定帶內(nèi)出現(xiàn)低縱波速度異常，電阻率和氯離子異常均表明該地層含有水合物.X－射線成像在SH3－13P巖芯觀測到層狀分布的水合物層，但是電纜測井測量的P波速度出現(xiàn)低速異常，龔建明等在研究神狐BSR特征時(shí)，分析了該井的速度、電阻率和伽馬曲線指出該異常區(qū)可能含有游離氣［42］.我們基于三相介質(zhì)理論的水合物承載模式，計(jì)算的地層飽和水縱波速度比測量的縱波速度大200m／s，該異?？赡苁牵海?）地層含有原位游離氣；（2）水合物分解產(chǎn)生的游離氣；（3）水合物和原位游離氣共存；（4）水合物部分分解產(chǎn)生游離氣和水合物共存.從測井資料上，基于不同假設(shè)條件可以計(jì)算出導(dǎo)致該速度異常的水合物和游離氣飽和度，但是很難判斷是原位游離氣還是水合物分解產(chǎn)生游離氣導(dǎo)致的低速異常.地震資料在鉆探之前采集，不受鉆探的影響.利用不同速度模型，制作合成記錄并與地震資料相對(duì)比可以判斷游離氣來源.圖7給出了利用不同速度生成的合成地震記錄.從該圖可以看出，假設(shè)在深度100～125m地層的低速區(qū)為飽和水地層，而水合物穩(wěn)定帶上部深度194～198m的低速異常區(qū)為含水合物層，水合物飽和度值為利用電阻率計(jì)算的結(jié)果，利用STPBE方法計(jì)算的縱波速度產(chǎn)生的合成記錄與地震資料相關(guān)較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.8（圖7a）.而利用測井測量的縱波速度在低速異常區(qū)與地震資料吻合相對(duì)較差，合成記錄與地震剖面上在速度異常附近振幅變化差異較大（圖7b）.因此，SH3井水合物穩(wěn)定帶的低縱波速度異常是由于部分水合物分解造成的游離氣和水合物共存產(chǎn)生的.

圖7 不同速度的合成地震記錄對(duì)比：（a）由電阻率計(jì)算的水合物飽和度基于STPBE計(jì)算的縱波速度和（b）測井測量的縱波速度Fig.7 Synthetic seismograms generated using（a）the P－wave velocity calculated with gas hydrate saturations estimated from resistivity using STPBE method and（b）the measured P－wave velocity

6 結(jié) 論

利用密度孔隙與地層因子的交會(huì)分析確定了SH3井的阿爾奇常數(shù)a和m 值分別為1.1和2.3.假設(shè)水合物均勻分布在孔隙空間，基于阿爾奇方程利用電阻率估算了水合物飽和度，在深度190～200m水合物飽和度平均值為10%左右，局部地層飽和度達(dá)26.8%.在深度194～199m處，電纜測井測量的縱波速度比利用簡化的三相Biot方程計(jì)算的飽和水地層的背景縱波速度低200m／s，表明該地層含有游離氣.不同合成地震記錄的相關(guān)系數(shù)看，在深度194～198m處，假設(shè)地層含有水合物時(shí)計(jì)算的速度產(chǎn)生的合成記錄與實(shí)際地震資料吻合較好，表明SH3站位測井測量的低速異常是由于鉆探導(dǎo)致水合物發(fā)生分解而產(chǎn)生的游離氣.估算的游離氣飽和度與游離氣在孔隙空間分布模式和選擇的速度模型有關(guān).基于有效介質(zhì)理論的速度模型，假設(shè)孔隙空間中游離氣呈均勻分布時(shí)，造成該低速異常的游離氣飽和度占孔隙空間的2%～3%，局部較高；而假設(shè)游離氣呈塊狀分布時(shí)，計(jì)算的游離氣飽和度略高于均勻分布飽和度.考慮孔隙分布的不均勻性，利用White模型計(jì)算的游離氣飽和度最高.

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