確定天然氣水合物飽和度的測井解釋新方法

莫修文，陸敬安，沙志彬，馬 龍

1.吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026 2.廣州海洋地質調查局，廣州 510760

確定天然氣水合物飽和度的測井解釋新方法

莫修文1，陸敬安2，沙志彬2，馬 龍1

1.吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026 2.廣州海洋地質調查局，廣州 510760

為了豐富和發展天然氣水合物的定性識別方法和定量解釋技術，研究試驗了由測井資料計算孔隙水的氯離子質量濃度并確定水合物飽和度的方法。根據南海某海域水合物儲層的測井特征和孔隙水氯離子質量濃度化驗結果，證實了氯離子質量濃度與水合物飽和度有密切關系。利用孔隙度測井和電阻率測井資料，計算了孔隙水的氯離子質量濃度，由此確定了天然氣水合物的飽和度。為了提高測井解釋的可靠性，用回歸方法建立了儲層的孔隙度解釋公式，確定了相應的阿爾奇參數m和a，用濾波和插值的方法得到了目的層的氯離子質量濃度的背景值。初步應用表明，由測井解釋氯離子質量濃度計算的水合物飽和度與化驗結果的平均值和分布范圍都有較好的匹配。

天然氣水合物；飽和度；氯離子質量濃度；測井

0 引言

天然氣水合物是由水和氣體分子在一定的溫度和壓力條件下（通常為低溫和高壓）形成的晶狀物質，其外形似冰。在自然界中，有多種氣體分子可以與水分子結合形成水合物，但通常以甲烷為主，故天然氣水合物通常又被稱為“甲烷水合物”。它在凍土帶和海域地區廣泛存在且資源量巨大，雖然有時可能會帶來一些自然災害或環境問題，但同時它也被認為是石油、天然氣潛在的替代能源［1－3］；因此，國內外對它的資源調查力度不斷加大。近幾年，我國在南海S海域通過鉆探成功地獲取了海底天然氣水合物的樣品，并在國內首次取得了針對天然氣水合物儲層的常規測井資料和部分巖心分析數據，為研究其儲層特征和探測技術創造了有利條件［4－7］。

地球物理測井在天然氣水合物儲層的識別及其含量評價中起著無可替代的作用。純的天然氣水合物在密度、聲波傳播速度、含氫量等方面與冰的性質很接近，因此在測井曲線上其儲層通常呈現高電阻率、低密度、較高的含氫指數、低聲波時差等特征，這可以作為水合物定性識別的基本依據，并且得到大量測井實例的證實［3－6］。在定量解釋方面，現有的方法基本都是直接復制于傳統的油氣測井解釋方法，如孔隙度解釋，以密度、中子和聲波測井為主；而水合物飽和度的計算，目前大多是采用阿爾奇公式、雙水模型或者類似的飽和度方程［6－10］。但是，由于天然氣水合物成藏模式和環境比較特殊，目前還難以通過實驗獲取準確的解釋參數，影響了這些傳統解釋模型的應用效果。

有實例表明，在海底天然氣水合物的鉆探過程中，伴隨著天然氣水合物的分解，被結合的水分子會得到釋放，導致沉積物孔隙水鹽離子質量濃度較水合物分解之前會有所降低。因此，前人提出利用地層孔隙水的氯離子質量濃度異常定性識別天然氣水合物的存在，并由此估計它的含量。但是以往人們在這方面的嘗試，使用的都是直接由水樣分析化驗得到的含鹽度，不是測井解釋的結果［11－14］。雖然有人提出可以用測井解釋得到的地層水含鹽度計算天然氣水合物飽和度，但由于在定量刻度和礦化度背景值確定方面還存在一些困難［11－12］，迄今還沒有這方面的應用實例。筆者針對這一方法進行了研究，并對其中的關鍵問題提出了嘗試性的解決辦法。

1 天然氣水合物儲層的主要特征

1.1 測井響應特征

目前國內外對天然氣水合物儲層進行研究的常規測井方法主要有：自然伽馬、井徑、深－淺電阻率、補償密度、補償中子以及聲波時差等。由于天然氣水合物具有不同于儲層骨架及油氣的物理性質，因此，在含水合物儲層中呈現出獨特的測井響應特征：低自然伽馬、井徑擴大、高電阻率、低密度、高中子孔隙度以及低聲波時差等，尤其是高電阻率和低聲波時差特征最為明顯［3－6，15］。由此，可以根據上述測井響應特征來定性地識別天然氣水合物。我國南海S海域鉆探和取心成果顯示，本區天然氣水合物儲層巖性以細粒的粉砂、黏土質粉砂為主，且主要以分散狀均勻地充填在沉積物中［16］。在測井曲線上，水合物發育層段（圖1陰影部分）呈明顯的高電阻率、低聲波時差特征。

1.2 孔隙水的礦化度異常

在S海域，除了進行常規測井外，同時還取得了一定數量的地層水樣品并分析了其氯離子質量濃度，見圖1最右側一道ρcore（Cl－）。可以看出：在含水合物的目的層（196～218m）上部和下部，ρcore（Cl－）保持相對穩定的數值，大約為20×103mg／L；而在含水合物的目的層，ρcore（Cl－）約為（11～20）×103mg／L，較上、下部有明顯降低。這表明，水合物的存在與氯離子質量濃度異常之間有一定的關聯性；如果能利用測井方法得到可靠的氯離子質量濃度，可有助于對天然氣水合物儲層的定性識別。

2 由氯離子質量濃度確定水合物飽和度的基本原理

天然氣水合物在形成過程中會吸取孔隙中的淡水，常溫常壓下，1m3飽和天然氣水合物分解時可釋放164m3的甲烷氣體和0.87m3的水，所以水合物的分解會造成其所在處孔隙水被稀釋，這里的水樣比其他層位的水樣具有更低的含鹽度。在鉆井和取心過程中，由于鉆頭和儲層間的機械摩擦，使得天然氣水合物分解并釋放出淡水，因此會造成此處孔隙水離子質量濃度的降低。

由于氯離子在海洋沉積物孔隙中含量豐富且性質穩定，因此，可以利用氯離子質量濃度的變化來研究天然氣水合物的形成和分解。基于此，有人提出，可以根據氯離子質量濃度的異常識別天然氣水合物的存在，并由此計算天然氣水合物的飽和度［11－12］：

圖1 南海S海域天然氣水合物測井特征Fig.1 Log response of gas hydrate reservoir in S area in South China Sea

式中：Sh為天然氣水合物的飽和度，%；ρh為天然氣水合物的密度，g／cm3；ρ（Cl－）為實際孔隙水氯離子質量濃度，mg／L；ρc（Cl－）為原始狀態下（水合物未分解前）孔隙水氯離子質量濃度，即背景值，mg／L。

該方法的有效性和精度取決于孔隙水中氯離子質量濃度是否能被精確測量，同時還取決于沉積環境和地層條件。要獲得孔隙水的氯離子質量濃度，最簡單和最直接的辦法就是對孔隙水進行取樣和化驗，而準確地確定其背景值是該方法成功應用的關鍵。

由于目的層的背景值無法直接測量得到，因此只能通過其他手段來估計。目前常用的方法有2種：一是簡單地假定水合物層段的原始氯離子質量濃度與海水中一致；二是用擬合的辦法，通過其上、下層段的氯離子質量濃度變化趨勢得到一個背景值。后者基于以下事實和條件：

1）大量實踐表明，在不含水合物的地層，除了個別有鹽水形成的沉積層外，其他絕大多數海洋沉積地層中氯離子質量濃度都會保持一個較為穩定的背景值。

2）在富含水合物的層段，可以認為水合物形成時已經排出了所有溶解離子。即便孔隙中還含有少量的水，在水合物形成之后，它最終將與周圍孔隙水中的含鹽度達到平衡。

3 測井解釋的氯離子質量濃度計算水合物飽和度

用水分析的氯離子質量濃度確定天然氣水合物飽和度固然直接、簡便，但它并非原位測量的結果，且效率低下。若有可靠的測井資料及其相應解釋方法，則可以快速、經濟、高效地解決這一問題。在海洋沉積環境下，由于富含NaCl，淺層沉積物中的地層水礦化度與氯離子質量濃度往往呈簡單的線性關系。

用測井資料解釋孔隙水的礦化度或氯離子質量濃度，通常要用到自然電位測井，但本區缺乏自然電位測井數據，因此研究中使用的是電阻率測井和孔隙度測井。

3.1 氯離子質量濃度測井解釋方法

首先，由下式計算出視地層水電阻率：

式中：Rwa為要計算的視地層水電阻率，Ω·m；Rt為測井測得的電阻率，Ω·m；φ為地層孔隙度；a和m是與巖性和孔隙結構有關的常數，通常由實驗的方法確定。

其次，將（2）式求得的Rwa換算成24℃時的地層水電阻率Rwn：

式中：t為采樣點的地層溫度，℃；Rwa（t）為由式（2）求得的地層溫度下的孔隙水視電阻率。

然后，計算地層水中氯離子的質量濃度［17－18］：

式中：σwn為24℃時的地層水電導率，10－4S／m；ρ（Cl－）為計算的氯離子質量濃度，mg／L。

3.2 有關解釋參數的確定

3.2.1 孔隙度解釋方法的確定

由于水合物和水的密度接近，在不單獨區分泥質的情況下，由密度測井求孔隙度的公式可以簡化為

式中：ρb為地層的密度（g／cm3），由測井得到；ρma為骨架密度，g／cm3；ρw為地層水的密度，g／cm3；φD為地層的密度測井孔隙度。

國內外多數研究者［7－9，18］將ρma取2.65g／cm3，ρw取1.03g／cm3，這樣做的結果是，即便在不含水合物的層段，孔隙度解釋結果也偏低。為了改善孔隙度的計算效果，本文采用巖心分析的孔隙度φcore和密度測井值DEN進行統計回歸的辦法［19］（圖2），得到二者的統計關系，因此孔隙度計算公式可以寫為

以此得到的孔隙度φ與巖心分析孔隙度φcore的一致性得到了明顯改善（圖3）。

圖2 分析孔隙度與密度測井值的關系Fig.2 Relationship between core porosity and density log

3.2.2 阿爾奇參數a、m的確定

為了提高氯離子質量濃度解釋結果的可靠性，準確地確定式（2）中的a、m值也非常關鍵。受水合物特殊的沉積環境和成藏條件限制，目前還缺乏這方面的實驗結果。前人在有關研究中建議a取1.1，m取2.07［7－9］；經試算，在這里應用效果并不理想。

筆者通過反算和統計方法確定了a和m。首先在本區域3口井中選取一組有代表性的純水層采樣點，根據測井得到的電阻率Rt、地層水礦化度分析數據得到的Rw以及巖心分析的孔隙度φ，計算得到了各采樣點的a和m值，然后取其平均值，可得a為1.07，m為2.39。

3.2.3 確定目的層的氯離子質量濃度背景值

由測井資料計算出氯離子質量濃度后，還需要設法確定目的層氯離子質量濃度的背景值，即天然氣水合物在未分解狀態下或形成之前孔隙水中的氯離子質量濃度。

曾經有人提出采用鉆孔深度范圍內海水氯離子質量濃度的擬合求得其背景值［11－12］，其前提條件是孔隙水中的氯離子與海水中的是穩定的平衡。實際上，水合物穩定帶的孔隙水是一個開放系統，易受對流、擴散作用以及其他因素的影響而發生改變，這樣擬合出的背景質量濃度并不嚴格代表實際情況。

對測井解釋得到的氯離子質量濃度進行分析可以看到：雖然在非水合物層段，由測井求得的氯離子質量濃度ρ（Cl－）有一定的小幅波動，但基本保持在20×103mg／L這一相對穩定的數值附近（圖3），與水分析化驗的結果ρcore（Cl－）符合較好。在含天然氣水合物的層段，氯離子的背景質量濃度應該符合上、下非水合物層段的氯離子質量濃度的變化趨勢；因此，通過對上、下層段的氯離子質量濃度濾波和插值，即可得到目的層各采樣點處的氯離子背景質量濃度ρc（Cl－）（圖4）。

圖3 孔隙度與氯離子質量濃度解釋結果Fig.3 Interpetation results of porosity and chloride concentration

圖4 確定氯離子質量濃度背景值的示意圖Fig.4 Schematic diagram to determine the background value of chloride concentration

4 應用效果與分析

根據上述解釋方法得到氯離子質量濃度和目的層各點處的背景質量濃度后，通過式（1）即可計算目的層水合物的含量。

圖5所示為本區一口井的解釋實例。在含水合物的層段，測井解釋的氯離子質量濃度ρ（Cl－）呈現出較顯著的降低，由此計算的水合物飽和度Sh為20%～72%，平均值約為40%；由水樣分析得到的水合物飽和度Score為27%～50%，平均值為37%。可見，二者在均值和和數值范圍上比較接近，在總的變化趨勢上亦很相似。

同時還有一些誤差較大的數據點（208m附近），其測井解釋的水合物飽和度要明顯高于樣品分析結果；直觀地看，這是由于測井解釋氯離子質量濃度低于水分析氯離子質量濃度造成的。由于海洋鉆探和取樣環境和工藝的特殊性，暫時無法確定導致這一誤差的準確原因，還有待進一步研究。

5 結論

圖5 由測井解釋氯離子質量濃度計算的天然氣水合物飽和度Fig.5 Gas hydrate saturation from interpreted chloride concentration

1）鉆井剖面上地層水礦化度的降低可以指示天然氣水合物的存在，因此，將它與其他方法結合，可以更高效地識別天然氣水合物儲層。

2）利用測井資料解釋鉆孔剖面上孔隙水的氯離子質量濃度是可行的，筆者提出并嘗試用測井計算氯離子質量濃度方法可以較好地估算地層水的氯離子質量濃度。根據其淡化程度所計算的天然氣水合物的飽和度，與樣品分析值有較好的匹配。

3）如果缺乏可靠的自然電位曲線，可利用電阻率測井和孔隙度測井相結合估算孔隙水的氯離子質量濃度，但需要準確地確定有關的解釋參數，以保證結果的可靠性和精度。

4）當鉆孔剖面內孔隙水氯離子質量濃度的變化趨勢已經明確時，可以通過井段范圍內氯離子質量濃度的濾波和插值來近似得到目的層的離子質量濃度背景值。

（References）：

［1］ 周懷陽，彭小彤，葉瑛，等.天然氣水合物［M］.北京：海洋出版社，2000：1－66.

Zhou Huai－yang，Peng Xiao－tong，Ye Ying.Gas Hydrates［M］.Beijing：Ocean Press，2000：1－66.

［2］ 楊木壯，王明君，呂萬軍.南海西北陸坡天然氣水合物成礦條件研究［M］.北京：氣象出版社，2008：1－118.

Yang Mu－zhuang，Wang Ming－jun，LüWan－jun.Geological Factors for Gas Hydrates Formation ＆Distribution in the Northwest Continental Slope of the South China Sea［M］.Beijing：China Meteorological Press，2008：1－118.

［3］ 姚伯初.南海天然氣水合物的形成和分布［J］.海洋地質與第四紀地質，2005，25（2）：81－90.

Yao Bo－chu.The Forming Condition and Distribution Characteristics of the Gas Hydrate in the South China Sea［J］.Marine Geology ＆Quaternary Geology，2005，25（2）：81－90.

［4］ 付少英，陸敬安.神狐海域天然氣水合物的特征及其氣源［J］.海洋地質動態，2010，26（9）：6－10.

Fu Shao－ying，Lu Jing－an.The Characteristics and Origin of Gas Hydrate in Shenhu Area，South China Sea［J］.Marine Geology Letters，2010，26（9）：6－10.

［5］ 陸敬安，楊勝雄，吳能友，等.南海神狐海域天然氣水合物地球物理測井評價［J］.現代地質，2008，22（3）：447－451.

Lu Jing－an，Yang Sheng－xiong，Wu Neng－you，et al.Well Logging Evaluation of Gas Hydrates in Shenhu Area，South China Sea［J］.Geoscience，2008，22（3）：447－451.

［6］ 梁勁，王明君，陸敬安，等.南海神狐海域含水合物地層測井響應特征［J］.現代地質，2010，24（3）：506－513.

Liang Jin，Wang Ming－jun，Lu Jing－an，et al.Logging Response Characteristics of Gas Hydrate Formation in Shenhu Area of the South China Sea［J］.Geoscience，2010，24（3）：506－513.

［7］ 王秀娟，吳時國，劉學偉，等.基于電阻率測井的天然氣水合物飽和度估算及估算精度分析［J］.現代地質，2010，24（5）：993－999.

Wang Xiu－juan，Wu Shi－guo，Liu Xue－wei，et al.Estimation of Gas Hydrate Saturation Based on Resistivity Logging and Analysis of Estimation Error［J］.Geoscience，2010，24（5）：993－999.

［8］ Collett T S.Well Log Evaluation of Natural Gas Hydrates［R］.Denver：Geological Survey，1992.

［9］ 周越.天然氣水合物測井解釋方法初步研究［D］.長春：吉林大學，2010.

Zhou Yue.Research on Logging Interpretation Method of Gas Hydrates［D］.Changchun：Jilin University，2010.

［10］ 王飛，潘保芝.天然氣水合物儲層的地球物理特性及測井評價［J］.油氣地球物理，2010，8（3）：19－24.

Wang Fei，Pan Bao－zhi.Gas Hydrate Reservoir Geophysical Characteristics and Logging Evaluation［J］.Petroleum Geophysics，2010，8（3）：19－24.

［11］ Schulz H D，Zabel M.Marine Geochemistry［M］.2nd ed.Berlin：Springer，2006：494－500.

［12］ Hesse R.Pore Water Anomalies of Submarine Gas Hydrate Zones as Tool to Assess Hydrate Abundance and Distribution in the Subsurface：What Have We Learned in the Past Decade［J］.Earth Science Review，2003，61：149－179.

［13］ Yuan T，Hyndman R D，Spence G D，et al.Seismic Velocity Increase and Deep－Sea Gas Hydrate Concentration Above a Bottom Simulation Reflector on the Northern Cascadia Continental Slope［J］.Journal of Geophysical Research，1996，101（B6）：13655－13671.

［14］ Lu S M，Mcmechan G A.Estimation of Gas Hydrate and Free Gas Saturation，Concentration，and Distribution from Seismic Data［J］.Geophysics，2002，67（2）：582－593.

［15］ 王祝文，李舟波，劉菁華.天然氣水合物的測井識別和評價［J］.海洋地質與第四紀地質，2003，23（2）：97－102.

Wang Zhu－wen，Li Zhou－bo，Liu Jing－hua.Logging I－dentification and Evaluation Methods for Gas Hydrate［J］.Marine Geology ＆Quaternary Geology，2003，23（2）：97－102.

［16］ 陳芳，蘇新，周洋，等.南海北部陸坡神狐海域晚中新世以來沉積物中生物組分變化及意義［J］.海洋地質與第四紀地質，2009，29（2）：1－8.

Chen Fang，Su Xin，Zhou Yang，et al.Variations in Biogenic Components of Late Miocene Holocene Sediments From Shenhu Area in the Northern South China Sea and Their Geological Implication［J］.Marine Geology ＆Quaternary Geology，2009，29（2）：1－8.

［17］ Sch?n J H.Physical Properties of Rocks：Foundmentals and Principles of Petrophysics［M］.Berlin：Elservier，1998.

［18］ Sloan E D，Carolyn A K.Clathrate Hydrates of Natural Gases［M］.3rd ed.Boca Raton：CRC Press，2007.

［19］ 唐海燕，莫修文，唐馨，等.烏爾遜地區凝灰質砂巖儲集層孔隙度計算方法研究［J］.吉林大學學報：地球科學版，2008，38（增刊）：121－123.

Tang Hai－yan，Mo Xiu－wen，Tang Xin，et al.The Study on Computing Porosity of the Tuffaceous Sands Reservoir of Wuerxun Area［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2008，38（Sup.）：121－123.

A New Method for Gas Hydrate Saturation Estimation Using Well Logging Data

Mo Xiu－wen1，Lu Jing－an2，Sha Zhi－bin2，Ma Long1

1.College of Geo Exploration Science and Technology，Jilin University，Changchun 130026，China
2.Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou 510760，China

In order to develop and enrich the qualitative identification and quantitative interpretation methods in gas hydrate investigation，a new method for gas hydrate saturation estimation using chloride concentration from well logging interpretation was studied and applied with field data.The experimental result on chloride concentration，along with the log response of the gas reservoir in certain area in South China Sea，show the well－known close relationship between gas hydrate content and pore water’s chloride concentration.Chloride concentration of pore water was calculated through porosity and resistivity logs，and gas hydrate content was estimated from it consequently.For the purpose of improving the accuracy and reliability of this method，a regression formula for porosity interpretation was built up，the parameters of m and a in Archie formula were estimated，and the background value of chloride concentration correspond to the target zone was defined by filtering and interpolation.The preliminary application show that the method for gas hydrate content estimation by using of chloride concentration from log interpretation can work as expected and the estimated gas hydrate content can match the experimental result approximately both in their mean values and distribution ranges.

gas hydrates；saturation；chloride concentration；well logging

book=2012,ebook=448

P631.8

A

1671－5888（2012） 04－0921－07

2012－04－26

國家“863”計劃項目（2009AA09A202）

莫修文（1970－），男，教授，主要從事復雜巖性和特殊油氣儲層的測井解釋方法研究，E－mail：moxw＠jlu.edu.