南海北部天然氣水合物物性參數評價與分類體系構建

魏 納 周守為 崔振軍 趙金洲 張烈輝 趙 軍

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2.中國石化銷售股份有限公司青海石油分公司

0 引言

全球已初步探明的天然氣水合物（以下簡稱水合物）總儲量相當于已知煤炭、石油和天然氣等能源總儲量的2倍[1-2]。因此，水合物有可能成為繼頁巖氣、煤層氣之后的另一種潛力巨大的接替能源，它可定性分為成巖型和非成巖型。自然資源部初步確定我國南海的水合物儲量達到100×1012m3[3-4]，且主要為非成巖水合物。由于非成巖水合物為泥質粉砂、無巖石骨架，水合物本身即“巖石骨架”的水合物，膠結強度弱，不穩定，受外界影響易潰散塌陷和無序分解[5-7]，造成降壓法、固態流化法以及聯合試采法等水合物開采方法均面臨防控砂、地層失穩問題。其根本原因為海洋水合物儲層作為一種新型的礦藏資源[8]，由于鉆采案例少、取樣成本高、保溫保壓技術難度大[9-10]，國內外水合物物性研究主要圍繞水合物儲層飽和度與單一物性參數（聲波、力學或孔隙度和滲透率等）的響應關系，研究方法以室內人工巖心模擬和仿真模擬為主，導致儲層巖樣物性測試研究受限，水合物儲層定性認識、定量評價方法尚屬空白，造成儲層物性原位測試及資源等級定量分類評價認識不清、資源類型與開發模式響應關系不清。因此，基于實際南海海域水合物取樣巖心資料，制訂科學合理的人造巖心制備方法，開展了不同水合物巖樣物性參數研究，建立了海洋水合物資源分類定量評價方法與體系，以期有助于推進海洋水合物勘探開發工作。

1 海洋水合物物性參數敏感性評價模型

1.1 水合物物性參數敏感度熵權的屬性識別綜合評價模型

常規油氣測井評價方法一般采用電法測井、聲波測井、放射性測井等，可實現地層的劃分和識別，判斷地層巖性、孔隙度、滲透率及飽和度等物性特征。同樣常規測井評價方法也能夠用于水合物儲層的測量，但水合物的賦存環境和物性不同于常規油氣，其測井響應和分析方法存在較大區別。因此，判斷海洋水合物儲層與測井響應參數間的敏感性關系，對于儲層的評價具有重要意義。為了更好應用多參數評價水合物儲層和判斷其飽和度與測井響應參數間的敏感性關系，筆者在層次聚類算法的基礎上提出了用于水合物物性參數敏感度熵權綜合評價模型（圖1）。該模型主要涉及3個步驟：①不同評價參數敏感度集合的構建；②參數敏感度集合權重化；③構建敏感度屬性判斷矩陣、屬性測度函數和敏感度屬性識別準則。通過以上3個步驟可實現海洋水合物物性參數敏感性綜合評價。

圖1 水合物物性參數的敏感度熵權綜合評價模型圖

1.2 水合物物性參數的敏感度熵權綜合評價模型

1.2.1 不同評價參數敏感度集合的構建

通過評價參數無量綱化，建立評價參數的敏感度（Si）[11]：

式中Si表示參數a在點ai的敏感度；W表示參數a的函數，W=f(a)。

1.2.2 敏感度熵值權重化

為降低主觀因素的誤差影響，提高評價結果的準確度，引入信息熵對不同評價參數敏感度集合進行權重化處理。首先，基于n個敏感度方案和m個評價參數建立敏感度評價矩陣，并對矩陣進行歸一化處理[12]，即

敏感度熵計算如下：

敏感度熵權的計算如下：

式中xmax表示相應評價參數的最大值；xmin表示相應評價參數的最小值；xij表示第i個方案，第j個參數；(xij)nm、JMij表示第i個方案，第j個參數的歸一化值；Hj表示敏感度熵；ewj表示某個方案第j個參數的敏感度熵權；ewij表示第i個方案第j個參數敏感度熵權的和；EW表示敏感度熵權。

綜合式（1）～（4）可得到各評價參數的敏感度熵，進而對敏感度評價矩陣進行權重化。

1.2.3 敏感度屬性空間判斷矩陣構建

基于上述評價參數的敏感度評價矩陣權重化結果，構建敏感度屬性判斷矩陣、敏感度屬性測度函數和敏感度屬性識別準則，進行評價參數敏感性分析。

1.2.3.1 敏感度屬性空間判斷矩陣

設評價參數的權重化結果為區間X上屬性，（C1，C2，…，Ck）為該參數權重化結果的有序分割，滿足C1＜C2＜…＜Ck，其分類標準判斷矩陣可以表示為：

式中amk表示第m個參數在參數權重化結果上的第k個分割值；Vj表示第j個參數。

1.2.3.2 敏感度屬性測度函數

計算第i個方案第j個評價參數值xij有屬性Ck屬性測度需假定aj1＜aj2＜…＜ajk[13]，則各評價參數屬性測度μijk計算如下：

將各參數屬性測度μijk代入敏感度熵權（EW），得到權重后的屬性測度（μik）為：

1.2.3.3 敏感度屬性識別準則

敏感度屬性識別采用置信度準則來進行，即設定置信度λ（取0.7）的值，根據強序組合來進行綜合評價，認為敏感度愈大愈強，而且強的類達到了置信度λ，則認為第i個方案參數值xi屬于第i個方案的區間劃分屬性Cki類，其判斷公式為：

式中ki表示置信準則計算值。

據此，可以得到不同指標下模型參數所在的敏感性區域。若對不同敏感區域內的參數進行比較排序，可采用屬性識別的評分準則，通過計算屬性識別值（qxi）的大小來進行，其計算如下所示。

式中nt表示分數，其值與t取值一致（t=1，2，…，k）。

2 海洋水合物的物性特征

南海北部荔灣凹陷和白云凹陷[14-15]取樣水合物地層累計16%粒徑（D16）、50%粒徑（D50）、84%粒徑（D84）分布及儲層水合物飽和度分布特征數據如表1、2所示。

綜上可知南海水合物藏主要為砂泥質粉砂儲層，儲層粒級介于3～56 μm，水合物飽和度介于10.0%～46.0%，甲烷含量大于99.3%。

表1 荔灣凹陷巖樣粒徑分布表

表2 白云凹陷水合物飽和度分布表

3 構建海洋水合物物性參數評價體系

3.1 海洋水合物室內模擬測試實驗材料優選

根據南海北部水合物儲層沉積特征，在SHW-III型水合物巖樣聲電力學測試裝置中填充不同比例砂土和施加不同加載強度，制備不同膠結的未含水合物的巖心（圖2）。采用石英砂充填方法制備弱膠結巖心，石英砂環氧樹脂膠結法制備強膠結巖心，通過控制反應釜內溫度和注入甲烷氣體量的方法控制水合物巖心飽和度大小，實驗計方案如表3所示。南海北部神狐海域現場鉆采巖樣如圖3所示。

圖2 實驗巖心制備石英砂、黏土示意圖

表3 弱膠結水合物制備實驗設計表

圖3 神狐海域現場鉆采巖樣圖

3.2 海洋水合物巖樣聲電力學測試裝置

水合物巖樣聲電力學測試裝置如圖4所示[16]，主要包括制備系統、溫度調節系統、壓力調節系統、聲電測量系統、流體控制系統和數據采集控制系統6部分，其具體功能為：①可控制制備釜內部溫壓制備水合物巖樣和觀測水合物巖心；②可控制注水量和注氣量制備不同飽和度的水合物巖心；③可在水合物生成過程中測量巖心孔滲和聲電力學參數。具體儀器技術參數如表4所示。

3.3 海洋弱膠結水合物物理實驗參數測定

利用水合物巖樣聲電力學測試裝置，在3 ℃、10 MPa工況下模擬南海1 000 m水深資源賦存環境，得到不同膠結強度、泥質含量、水合物飽和度巖心的物性參數如表5、6所示。飽和度40%的現場砂樣巖心與300目、10%泥質含量的巖心物性參數一致，因此，石英砂巖心能夠模擬現場水合物儲層物性。巖心在石英砂粒徑、泥質含量相同條件下，解析氣量、聲波速度、電阻率、偏應力隨水合物飽和度的增大而增大，滲透率、應變隨水合物飽和度的增大而減小。其原因為水合物的生成過程主要是通過消耗水和甲烷氣，且水合物導電性能差，其聲波速度大于水和空氣的聲波速度，使得巖心在石英砂粒徑、泥質含量相同條件下，水合物飽和度增大，分解后的甲烷氣體越多，聲波速度、電阻率隨水合物飽和度的增大而增大，同時水合物飽和度的增大使得巖心有效連通孔隙減小，增強了巖心的膠結強度，導致巖心的偏應力增大，應變和滲透率減小。巖心在石英砂粒徑、飽和度相同條件下，解析氣量、聲波速度、電阻率、偏應力、滲透率隨泥質含量的增大而減小，應變隨泥質含量的增大而增大。其原因為隨泥質含量的增加使得巖心孔隙度減小，且黏土遇水水化造成巖心強度減小，所以在巖心在石英砂粒徑、水合物飽和度相同條件下，巖心物性各參數發生如上變化趨勢。

圖4 水合物巖樣聲電力學測試裝置圖

表4 水合物巖樣聲電力學測試裝置具體儀器技術參數表

表5 水合物解析氣量、縱波速度和橫波速度表

表6 水合物偏應力、應變、滲透率和電阻率表

巖心在石英砂粒徑、泥質含量相同條件下，解析氣量、聲波速度、電阻率、偏應力隨水合物飽和度的增大而增大，滲透率、應變隨水合物飽和度的增大而減小；巖心在石英砂粒徑、飽和度相同條件下，解析氣量、聲波速度、電阻率、偏應力、滲透率隨泥質含量的增大而減小，應變隨泥質含量的增大而增大。

3.4 海洋水合物儲層物性參數敏感性分析

基于水合物物性參數的敏感度熵權優選模型，針對不同強度、泥質含量、飽和度水合物巖心的聲電力學和孔隙度、滲透率參數構建敏感度方案，測得180目純砂巖心在水飽和度100%條件下未生成水合物時的電阻率、縱波速度、橫波速度、偏應力、應變和完全生成水合物后的解析氣量、滲透率，結果如表7所示。

表7 海洋水合物巖心物性參數的基準值表

根據信息熵公式對水合物巖心敏感度集合進行權重化處理，進而得到各物性參數的敏感度熵權值如表8所示。

基于上述水合物物性參數的敏感度樣本方案集合以及敏感度熵權值，構建敏感度屬性空間判斷矩陣、敏感度屬性測度函數和敏感度屬性識別準則，將水合物各物性參數劃分為不敏感、較敏感、敏感、高度敏感4個等級，其對應的評價指標值依次為0.2、0.5、0.7和0.9。根據各個參數在不同敏感區域內的屬性測度計算得到各個參數的敏感性值（qxi）如表9所示，水合物物性參數敏感性強度由強到弱依次為偏應力、應變、解析氣量、縱波速度、電阻率、滲透率和橫波速度，再以最弱敏感性參數橫波速度為標準進行歸一化后得到各參數相對敏感度圖5。

表8 水合物性參數的敏感度熵權值表

表9 水合物巖心物性參數的敏感度分布表

圖5 水合物巖心物性參數的敏感度分布圖

3.5 海洋水合物物性參數評價體系構建

通過水合物物性參數的敏感度熵權綜合評價模型分析了水合物物性參數權重值，并得到了其敏感性強度，在此基礎上依據水合物巖樣的飽和度、粒徑以及膠結強度，將水合物初步劃分為非成巖Ⅰ類、非成巖Ⅱ類、非成巖Ⅲ類和成巖Ⅳ類、成巖Ⅴ類。為便于直接對比和劃分水合物類型，使得所劃分等級具體化、數字化，依據水合物物性參數的敏感性和變化規律建立數值劃分。同時考慮現階段水合物開發技術尚未完善，水合物飽和度低于20%開發價值極低，因此以20%飽和度水合物巖心物性參數為基準，對40%、60%飽和度巖心物性參數進行差熵計算，利用各參數差商與相對應敏感度熵權（ewj）得到各類水合物的級內指標大小，其計算如式（10）所示。再結合各級內指標與類型劃分（Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類），進一步建立了對海洋水合物儲層物性類型的評價方法，其計算如式（11）所示，得到水合物5個類型分類的具體參考指標值范圍和所對應的儲層穩定性，其具體參考指標值范圍依次為0～0.25、0.25～0.34、0.46～0.52、0.70～0.77、0.84～0.89，具體如表10所示。

4 基于南海水合物儲層固態流化試采的物性分析

2017年，我國在南海北部荔灣3站位水深1 310 m、海底埋深117～196 m處，全球首次成功實施海洋淺層水合物固態流化試采作業（圖6），但是還存在儲層物性原位測試及資源類型定量分類評價認識不清。

4.1 海洋淺層水合物固態流化試采粒徑分布

固態流化試采中獲得的水合物樣品累計16%粒徑（D16）、25%粒徑（D25）、50%粒徑（D50）、75%粒徑（D75）、84%粒徑（D84）分布數據如表11所示，且取樣巖心中位粒徑隨儲層深度加深呈遞減趨勢。

4.2 海洋淺層水合物固態流化試采巖樣飽和度與氣體組分分析

根據 LW3-H4-1C-02、LW3-H4-1C-04 及 LW3-H4-1B-03樣品的電阻率、氣體組分得到水合物飽和度如表12所示。該海域水合物儲層飽和度可達30%～45%，甲烷氣含量達到99%以上，具有較高的開發價值。

表10 海洋水合物分類定量評價表

圖6 荔灣3站位水合物富集區水深及水合物鉆井位置分布圖[17]

表11 2017航次海洋淺層水合物固態流化試采巖樣粒徑分布表

表12 2017航次海洋淺層水合物固態流化試采巖樣電阻率表

4.3 海洋淺層水合物固態流化試采巖樣聲波分析

采用聲波法對南海北部荔灣區水合物樣品進行聲波測試[18]，得到聲學特性參數和對應水合物飽和度（表13），分析發現縱波速度隨水合物飽和度增大呈增大趨勢。

表13 2017航次海洋淺層水合物試采巖樣縱波參數表

4.4 海洋淺層水合物固態流化試采室內模擬巖樣力學分析

鑒于南海淺層水合物藏相關力學參數現場測試難的現狀，采用南海試采巖土在室內模擬南海荔灣水合物儲層，測定水合物飽和度為40%條件下的儲層力學參數，力學參數數據如表14所示。

表14 室內模擬南海荔灣水合物儲層力學參數表

4.5 海洋淺層水合物固態流化試采室內模擬巖樣滲透率分析

采用氣測方法測定模擬儲層在飽和度為40%條件下的儲層滲透率參數，滲透率參數數據如表15所示。

表15 室內模擬南海荔灣水合物儲層滲透率參數表

綜合數據分析并結合表5、6參數和表10類型劃分可知：南海北部荔灣區域水合物藏為非成巖Ⅱ類，鉆采面臨工程風險、地質風險、設備風險3大安全風險。

5 結論

1）南海北部水合物儲層主要為膠結強度較差的砂泥質粉砂為主，粉砂、黏土含量較高，儲層中位粒徑主要分布介于9～30 μm，水合物飽和度范圍介于20%～60%，解析氣主要為甲烷氣體，氣體組分較為單一。

2）進行了海洋水合物巖樣物性參數實驗研究，測定了不同強度、組分、飽和度下的水合物巖心物性參數。相同粒徑巖心在泥質含量相同的條件下，解析氣量、聲波速度、電阻率、偏應力隨水合物飽和度的增大而增大，滲透率、應變變化規律與以上參數反之；相同粒徑巖心在相同飽和度條件下，解析氣量、聲波速度、電阻率、偏應力、滲透率隨泥質含量的增大而減小，應變變化規律與以上參數反之。

3）建立了海洋水合物物性參數敏感度熵權綜合評價模型，初步形成了海洋水合物儲層物性參數評價方法體系。水合物物性參數敏感性從高到底依次為應變、偏應力、解析氣量、縱波速度、電阻率、滲透率和橫波速度參數，將南海水合物藏綜合劃分為非成巖Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和成巖Ⅳ類、Ⅴ類。

4）基于南海北部荔灣3站位的水合物儲層測井數據，發現南海北部荔灣區域水合物儲層屬于泥質淺層沉積，無完整圈閉構造，結構較為松散，屬于非成巖Ⅱ類水合物藏，水合物鉆采面臨工程風險、地質風險、設備風險3大安全風險。

5）海洋水合物儲層物性參數評價方法體系進行了水合物領域儲層定性認識、定量評價，具有一定的創新性和新穎性，但該方法尚處于理論階段有待于實際現場的進一步應用和驗證。