印度克里希納-戈達(dá)瓦里盆地天然氣水合物飽和度特征

孔 秀，李 琦，姜曉虹，張燦影

（1.中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所，海南 三亞572000；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京100083；3.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島266071）

天然氣水合物，簡(jiǎn)稱水合物，是水分子和氣體分子在低溫高壓條件下形成的似冰狀的固態(tài)物質(zhì)［1］。在自然界中，水合物廣泛存在于大陸邊緣及陸上凍土帶，因其是潛在的清潔能源［2］且其分解可能加劇全球氣候變化［3-4］，造成海底地質(zhì)災(zāi)害［5］，成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。

經(jīng)鉆探證實(shí)，自然界中水合物不僅賦存于粗粒沉積物中，也可在細(xì)粒沉積物中聚集［6-7］。海底特定部位的砂質(zhì)沉積物孔隙連通性好、滲透率高，有利于流體運(yùn)移，易于形成高富集度的水合物藏，因此砂巖水合物儲(chǔ)層在全球各地海洋環(huán)境中廣泛發(fā)育［6-8］。與砂巖不同，滲透率相對(duì)較低的細(xì)粒沉積物中常發(fā)育超壓，在超壓作用下流體活動(dòng)可以在沉積物中形成裂隙，一定的溫壓條件下水合物會(huì)在裂隙坍塌之前充填其中形成水合物藏［9］。Cook等（2008）提出當(dāng)天然氣在水中的濃度超過了沉積物中的溶解度時(shí)，水合物會(huì)沿著最大主應(yīng)力方向的裂隙表面形成，在多數(shù)情況下充填于近垂直的裂隙中［10］。Lee等（2011）基于LWD數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了墨西哥灣的多種天然氣水合物儲(chǔ)層，主要有砂巖中的各向同性儲(chǔ)層、泥巖中的垂直裂縫性儲(chǔ)層和粉砂質(zhì)頁(yè)巖中的水平狀儲(chǔ)層［11］。

盡管對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層的物質(zhì)顆粒類型的研究較多，但不同儲(chǔ)層的水合物賦存狀態(tài)、飽和度及其形成機(jī)制有待更深入的研究和認(rèn)識(shí)。本研究利用測(cè)井曲線和巖心氯離子濃度數(shù)據(jù)估算印度克里希納-戈達(dá)瓦里盆地（KG盆地）的水合物飽和度，結(jié)合巖心X射線成像技術(shù)分析水合物賦存狀態(tài)，推斷KG盆地存在3種不同的水合物儲(chǔ)層，綜合區(qū)域地質(zhì)條件提出3種儲(chǔ)層的水合物富集模式并解釋其成因機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

印度國(guó)家天然氣水合物計(jì)劃（NGHP01）旨在調(diào)查印度大陸邊緣及安達(dá)曼匯聚大陸邊緣的天然氣水合物資源潛力［12］，該調(diào)查計(jì)劃在KG盆地共計(jì)完成15個(gè)站位鉆孔（圖1），并獲取相應(yīng)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和巖心樣品，本研究中基于NGHP01-07、NGHP01-10和NGHP01-15共3個(gè)鉆井站位進(jìn)行分析。

圖1 克里希納-戈達(dá)瓦里盆地NGHP01各鉆井站位位置Fig.1 Location of NGHP01 drill sites in the Krishna-Godavari Basin

KG盆地位于印度東部大陸邊緣，克里希納和戈達(dá)瓦里兩條河流向KG盆地輸入大量陸源沉積［13］，有機(jī)質(zhì)含量豐富，使得KG盆地成為重要的含油氣盆地。該盆地為被動(dòng)大陸邊緣盆地，主構(gòu)造走向?yàn)镹E—SW，多發(fā)于NE—SW向正斷層和走滑斷層。KG盆地經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化過程［14］。在侏羅紀(jì)之前克拉通發(fā)育，整體構(gòu)造活動(dòng)較弱，發(fā)育河流相和沼澤-湖泊相沉積。侏羅紀(jì)到早白堊紀(jì)為裂谷期，岡瓦那大陸的解體和印度板塊的進(jìn)一步裂解形成了裂谷盆地，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地塹和半地塹發(fā)育，沉積了厚層河流相和湖泊相沉積。早白堊紀(jì)晚期到晚白堊紀(jì)末期為熱沉降期，大約123 Ma，印度板塊開始向北漂移，印度板塊東部陸源構(gòu)造活動(dòng)趨于停止，以熱沉降為主，主要發(fā)育海相頁(yè)巖、濱淺海相砂巖、海相三角洲砂巖以及深海濁積巖沉積。古新世至今為新構(gòu)造期。白堊紀(jì)末期到古新世，印度板塊向歐亞板塊之下的俯沖越來(lái)越強(qiáng)，當(dāng)時(shí)在KG盆地內(nèi)部曾發(fā)生火山噴發(fā)，因此發(fā)育火山巖相地層?；鹕狡诤螅琄G盆地趨于抬升發(fā)生海退，三角洲相發(fā)育，沉積物快速發(fā)育導(dǎo)致同生斷層發(fā)育，近似平行于海岸延伸方向。

NGHP01-07站位位于KG盆地東部地區(qū)，水深約1 285 m，沉積物主要為松散的粘土。測(cè)井曲線和壓力巖心取樣都證實(shí)了水合物的存在，其中75～93 m和138～152 m層段水合物賦存證據(jù)尤為明顯。NGHP01-10站位水深1 038 m，巖性主要為細(xì)粒泥質(zhì)沉積物。巖心上發(fā)現(xiàn)有肉眼可見的天然氣水合物，賦存狀態(tài)包括固體結(jié)核、高角度裂隙充填的脈狀水合物，主要集中于泥線以下25～160 m的層段［15］。NGHP01-15站位沿著區(qū)域構(gòu)造走向分布，水深約926 m，鉆遇的巖性主要以泥巖為主，但分布砂質(zhì)、粉砂質(zhì)薄互層［15］，天然氣水合物主要賦存于泥巖之中的砂質(zhì)沉積夾層中。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及方法

本研究利用孔隙水氯離子濃度異常、電阻率測(cè)井曲線和聲波測(cè)井曲線等數(shù)據(jù)分析NGHP01鉆井站位的水合物飽和度，結(jié)合取心樣品的X射線成像分析水合物的賦存狀態(tài)。在NGHP01-07和NGHP01-15站位，地震剖面上的似海底反射層（BSR）分別出現(xiàn)在海底以下188 m和126 m，兩站位鉆井均鉆透BSR的深度，電阻率、聲波、氯離子濃度等數(shù)據(jù)均可使用；NGHP01-10D鉆孔的水合物飽和度前人已經(jīng)利用多種方法進(jìn)行估算［12，16］，本研究重點(diǎn)結(jié)合巖心X射線成像分析水合物賦存狀態(tài)。

1.2.1 孔隙度 地層的孔隙度（φ）利用密度測(cè)井曲線計(jì)算獲得：

式（1）中：ρb為密度測(cè)井值（g/cm3），ρw為海水密度（1.03 g/cm3），ρg為巖石骨架密度（g/cm3），本研究中取2.75 g/cm3［17］。

1.2.2 基于氯離子濃度計(jì)算水合物飽和度 含水合物的巖心樣品失去原位溫壓條件后，水合物發(fā)生分解形成游離氣和水［18］，此時(shí)，測(cè)得的樣品孔隙水中氯離子濃度會(huì)比正常海水濃度偏低。利用該氯離子濃度的異常可以計(jì)算水合物的飽和度，計(jì)算公式如下［19］：

式（2）中：Sh為水合物的飽和度（%），CClsw為正常海水中的氯離子濃度（mmol/dm3），CClpw為水合物分解之后巖心中測(cè)得氯離子濃度（mmol/dm3），ρh為純凈水合物的密度（g/cm3），本研究中取0.92 g/cm3。計(jì)算過程所用參數(shù)如表1所示。

1.2.3 基于電阻率曲線計(jì)算水合物飽和度 水飽和沉積物的電阻率可以利用阿爾奇公式［21］計(jì)算獲得：

表1 水合物飽和度計(jì)算參數(shù)Tab.1 Parameters for calculation of gas hydrate saturations

式（3）中：R0為水飽和沉積物電阻率（Ω·m），Rw為孔隙水的電阻率（Ω·m），a和m為阿爾奇常數(shù)（表1），φ為孔隙度?？紫端碾娮杪剩≧w）利用Arp公式［22］計(jì)算：

式（4）中：T和Tf分別為地層溫度及其參考值（℃），Rw和Rwf分別為電阻率及其參考值（Ω·m）。

天然氣水合物的賦存會(huì)改變地層的物理性質(zhì)，其中最明顯的就是電阻率的增大。地層電阻率隨著水合物飽和度的增大而增大［23］，水合物飽和度（Sh）基于如下公式利用電阻率曲線計(jì)算獲得：

式（5）中：Sw為含水飽合度，Rt表示測(cè)量所獲得的地層電阻率（Ω·m），n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.2.4 基于聲波速度計(jì)算水合物飽和度 Dvorkin等（1999）提出了基于第一性原理的有效介質(zhì)理論用于模擬海底高孔隙度沉積物地層的彈性性質(zhì)［24］。Helgerud等（1999）將有效介質(zhì)理論應(yīng)用于含水合物地層的彈性性質(zhì)建模，假設(shè)水合物為固相的一部分，水合物的存在減小地層孔隙度并膠結(jié)巖石骨架，進(jìn)而改變地層的體積模量和剪切模量［25］。有效介質(zhì)理論基于水合物在地層中均勻分布的前提條件。

在KG盆地平均接觸數(shù)取3或4［26］，有效壓力計(jì)算公式如下：

式（6）中：P為有效壓力（Pa），d為深度（m），g為重力加速度（9.8 m/s2），rg為沉積物密度（g/cm3），rw為水的密度（g/cm3），地層礦物組分如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 鉆孔數(shù)據(jù)

2.1.1 NGHP01-15A鉆孔 NGHP01-15站位水深926 m，鉆孔NGHP01-15A鉆探深度達(dá)海底以下200 m。自然伽馬測(cè)井和巖心取樣均顯示NGHP01-15A鉆孔巖性相對(duì)均一，以泥巖為主，但該鉆孔層狀砂巖/粉砂巖夾層比NGHP01其他站位都厚［15］。在海底以下65～110 m層段，電阻率比飽和水地層的偏高，最大值達(dá)20Ω·m，聲波速度也比背景層段的偏大（圖2），表明該層段中賦存水合物。取心樣品的紅外成像也證實(shí)了該層段內(nèi)存在水合物［15］。

表2 巖石物理建模彈性參數(shù)Tab.2 Elastic parameters for rock physic modeling

利用氯離子濃度計(jì)算的水合物飽和度為2.0%～20.0%，最大值為20.1%（海底以下78 m）（圖3）?；诠剑?），利用電阻率曲線計(jì)算NGHP01-15A鉆孔的水合物飽和度（圖3），結(jié)果顯示水合物主要賦存于海底以下65～110 m層段，最大值出現(xiàn)在海底以下79 m處達(dá)到33.0%，在此層度內(nèi)水合物飽和度平均值為9.6%。聲波曲線指示水合物主要集中在海底以下75～90 m層段，使用有效介質(zhì)模型計(jì)算的水合物飽和度最大值為37.0%（圖3）。

2.1.2 NGHP01-07D鉆孔 NGHP01-07站位是KG盆地中最北邊的鉆探站位，水深1 296 m，對(duì)NGHP01-07D鉆孔進(jìn)行取心和電纜測(cè)井，鉆探深度260 m。沉積層序主要是富含超微化石和有孔蟲的泥巖［15］。電阻率成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)顯示該站位中水合物富集在高角度裂隙中，但飽和度低，裂隙未見連通［15］。

海底以下60～80 m層段密度值極低，Cook等（2010）指出該層段存在嚴(yán)重的井眼擴(kuò)徑［20］，因此，在80 m以下的數(shù)據(jù)分析更可靠。利用電阻率測(cè)井計(jì)算的80～260 m層段的水合物飽和度介于1.0%～36.0%，平均值僅為5.0%。利用氯離子濃度計(jì)算的水合物飽和度介于1.5%～12.0%?；谟行Ы橘|(zhì)模型利用聲波測(cè)井曲線計(jì)算的水合物飽和度最大值僅為15.0%（圖4）。

圖2 克里希納-戈達(dá)瓦里盆地NGHP01-07D、NGHP01-15A和NGHP01-10D鉆孔的伽馬、聲波速度和電阻率測(cè)井值Fig.2 Measured wireline logging gamma ray，sonic velocity and resistivity of Holes NGHP01-07D，NGHP01-15A and NGHP01-10D in the Krishna-Godavari Basin

2.1.3 NGHP01-10D鉆孔 KG盆地發(fā)現(xiàn)的最大富集度水合物出現(xiàn)在NGHP01-10站位，水合物賦存于細(xì)粒沉積物的高角度裂隙［27］。該站位共鉆探4個(gè)鉆孔，其中NGHP01-10D鉆孔進(jìn)行了取心和電纜測(cè)井。成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析表明水合物以結(jié)核狀或脈狀充填在細(xì)粒沉積物的裂隙中［15］。圖5為一段取心樣品的X射線成像圖，裂隙多為高角度，連通性較好［20］。

Lee等（2009）利用層狀介質(zhì)模型假設(shè)水平或者垂直裂隙計(jì)算了NGHP01-10D鉆孔中的水合物飽和度［12］。王吉亮等（2013）和錢進(jìn)等（2016）基于層狀介質(zhì)模型利用縱橫波速度計(jì)算的水合物飽和度平均值達(dá)24.0%［16，28］。與有效介質(zhì)模型相比，利用縱橫波同時(shí)反演獲得的水合物飽和度與壓力取心得出的結(jié)果更為接近。

圖3 克里希納-戈達(dá)瓦里盆地NGHP01-15A鉆孔的水合物飽和度Fig.3 Gas hydrate saturations at Hole NGHP01-15A in the Krishna-Godavari Basin

圖4 克里希納-戈達(dá)瓦里盆地NGHP01-07D鉆孔的水合物飽和度Fig.4 Gas hydrate saturations at Hole NGHP01-07D in the Krishna-Godavari Basin

圖5 克里希納-戈達(dá)瓦里盆地NGHP01-07D、NGHP01-10D和NGHP01-15A鉆孔取心樣品的伽瑪密度曲線和X射線成像Fig.5 Gamma density and X-ray image of the cores at Holes NGHP01-07D，NGHP01-10D and NGHP01-15A in the Krishna-Godavari Basin

2.2 水合物飽和度分析

基于飽和度計(jì)算和對(duì)巖心X射線成像分析，鉆孔NGHP01-15A、NGHP01-07D和NGHP01-10D分別鉆遇3種不同類型的水合物儲(chǔ)層，即泥巖中砂質(zhì)夾層各向同性儲(chǔ)層、泥質(zhì)/粉砂質(zhì)高角度低連通的低飽和度裂隙儲(chǔ)層和泥巖中高角度高連通的高飽和度裂隙儲(chǔ)層。在NGHP01-15A鉆孔中，基于各向同性理論利用電阻率和聲波曲線計(jì)算的水合物飽和度結(jié)果與巖心中氯離子測(cè)試計(jì)算的結(jié)果比較吻合，相應(yīng)層段水合物充填在砂巖孔隙中。對(duì)于高角度裂隙水合物儲(chǔ)層，基于阿爾奇公式利用電阻率曲線計(jì)算的水合物飽和度值偏高［12］。在NGHP01-07D鉆孔中利用電阻率計(jì)算的水合物飽和度局部高達(dá)36.0%，但是利用聲波曲線計(jì)算的水合物飽和度在相同層段內(nèi)的值明顯偏低（圖4），后者與氯離子濃度計(jì)算的結(jié)果更為一致。這可能是由于電阻率測(cè)井儀器分辨率更高，即使低飽和度的裂隙充填水合物引起的各向異性影響較大，對(duì)聲波測(cè)井儀器而言其分辨率比電阻率測(cè)井儀器低，低飽和度（小于15.0%）的水合物充填裂隙引起的各向異性造成的影響相對(duì)較小，基于各向同性介質(zhì)模型進(jìn)行處理結(jié)果相對(duì)可靠［17］。當(dāng)高角度裂隙中水合物飽和度增大所引起的各向異性對(duì)水合物飽和度估算會(huì)造成較大的影響［12］，在計(jì)算水合物飽和度時(shí)必須充分考慮儲(chǔ)層的各向異性（如NGHP01-10D井［16］）。

2.3 3種儲(chǔ)層水合物的富集模式

在細(xì)粒沉積物中，氣體通常通過斷層、泥底劈、氣煙囪等特定通道運(yùn)移進(jìn)入水合物穩(wěn)定帶形成水合物［29］。KG盆地雖然處于被動(dòng)大陸邊緣，但由于沉積速率大和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等作用，發(fā)育大量斷裂［27］，有利于天然氣運(yùn)移進(jìn)入穩(wěn)定帶形成水合物。

NGHP01-15A鉆孔中利用電阻率計(jì)算的水合物飽和度與壓力取心氯離子測(cè)得的水合物飽和度一致。鉆孔中水合物充填于砂巖或者粉砂巖中［15］，孔隙度相對(duì)較大，結(jié)合測(cè)井曲線分析，NGHP01-15A鉆孔的水合物充填于泥巖之中的砂巖夾層的孔隙中。水合物藏的形成過程如圖6a所示，深部活動(dòng)的流體沿著斷裂向上運(yùn)移，遇到孔隙性和滲透性條件更好的砂巖層，天然氣組分優(yōu)先進(jìn)入其中形成水合物。水合物儲(chǔ)層表現(xiàn)為各向同性，可以使用阿爾奇公式和有效介質(zhì)模型估算其飽和度。

NGHP01-07D鉆孔中，通過巖心的X射線成像分析，水合物充填在高角度連通性較差的裂隙中（圖5）［15］。圖6b給出NGHP01-07D鉆孔中水合物富集的可能機(jī)制。低水合物飽和度是由低通量的甲烷流體活動(dòng)形成，由于流體通量較低，流體引起的超壓不能持續(xù)向上傳遞，裂隙沒能形成連通性，水合物飽和度也較低。

NGHP01-10D鉆孔發(fā)現(xiàn)高富集度的裂隙型水合物儲(chǔ)層，由于飽和度較高，高角度裂隙造成的各向異性比較明顯。圖6c提出NGHP01-10D鉆孔中水合物形成的機(jī)制。深部高通量流體活動(dòng)通過斷裂進(jìn)入水合物穩(wěn)定帶，在淺部形成裂隙，流體中的甲烷與水結(jié)合形成水合物充填在裂隙中，阻止了裂隙空間的崩塌。由于流體通量較大，超壓會(huì)持續(xù)向上傳遞，形成聯(lián)通性的高角度裂隙和高富集度的水合物。

圖6 3種儲(chǔ)層中的水合物成藏模式Fig.6 Models of three formation processes for the gas hydrate in petroleum system

3 結(jié)論

（1）基于各向同性介質(zhì)模型利用電阻率和聲波測(cè)井計(jì)算NGHP01-15A鉆孔的水合物飽和度為0.2%～33.0%，平均值為9.6%。在NGHP01-07D鉆孔，利用標(biāo)準(zhǔn)的阿爾奇公式計(jì)算獲得的水合物飽和度高于巖心氯離子異常和氣體釋放獲得的結(jié)果，但是基于各向同性巖石物理模型利用聲波測(cè)井計(jì)算的水合物飽和度與巖心結(jié)果一致，平均值為5.0%。

（2）水合物以較低飽和度（小于15.0%）儲(chǔ)集于裂隙時(shí)，基于各向同性巖石物理模型計(jì)算的水合物飽和度與巖心測(cè)試結(jié)果一致。水合物以相對(duì)較高飽和度（大于15.0%）富集在高角度裂隙中引起明顯的介質(zhì)各向異性，基于各向同性介質(zhì)模型計(jì)算的水合物飽和度明顯偏大，須充分考慮儲(chǔ)層的各向異性使用各向異性模型進(jìn)行計(jì)算飽和度。

（3）通過測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析結(jié)合巖心資料，KG盆地存在3種不同類型的水合物儲(chǔ)層，即泥巖中砂質(zhì)夾層各向同性儲(chǔ)層、泥質(zhì)/粉砂質(zhì)高角度低連通的低飽和度裂隙儲(chǔ)層和泥巖中高角度高聯(lián)通的高飽和度裂隙儲(chǔ)層。不同類型水合物藏的形成與儲(chǔ)層巖性、流體活動(dòng)通量、超壓等因素綜合作用有關(guān)。