海洋天然氣水合物綜合地球物理識別方法評述

雷亞妮，吳時國，孫金，王廣建

(1.青島科技大學化工學院，山東青島，266061；2.中國科學院深海科學與工程研究所海南省海底資源與探測技術重點實驗室，海南三亞，572000；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海)，廣東珠海，519080)

天然氣水合物是水和天然氣在低溫高壓環境條件下形成的冰態、結晶狀籠形化合物，主要分布在一定水深(通常超過300 m)的海底沉積物和陸地凍土帶[1-2]。據推斷，全球天然氣水合物中所含天然氣為1.8×1016～2.1×1016m3，蘊藏量約為傳統地球化石燃料的2倍，是一種資源潛力巨大的化石能源[3-6]，因此，如何識別海洋天然氣水合物是實現水合物精準勘探和安全高效開發的首要問題。MARKL 等[7]在大西洋陸緣布萊克海臺通過單道地震資料發現與海底平行、但與地層斜交的異常強反射，認為這是水合物底界，命名為似海底反射(bottom simulating reflectors，BSR)，之后BSR 作為水合物的指示標志被廣泛使用[8-9]。HYDMANN等[10]專門論述了BSR 的特征，后來很多學者研究了水合物層的精細速度結構[11]，建立了不同含水合物層的多孔介質模型[12-14]，并基于此利用三維地震資料反演水合物飽和度。除三維地震技術之外，淺層高分辨率地震技術也被廣泛用于天然氣水合物探測[15-20]。

井中地球物理技術對于水合物儲層參數精細描述也十分重要[21-23]。然而，目前關于含水合物儲層測井響應特征的研究還不深入，一般是將高電阻率和縱波速度層段視為水合物層。但由于測井解釋存在多解性，單純利用電阻率和聲波時差測井可能無法精細描述水合物儲層參數，應設法利用多測井數據開展孔隙度、滲透率和水合物飽和度等儲層參數的定量描述。海洋可控源電磁法(controlled source electromagnetic method，CSEM)是近年來發展起來的一項有效的天然氣水合物勘探方法[24]，可以根據天然氣水合物儲層、海底沉積物和海水三者之間的電性差異，確定天然氣水合物的賦存產狀，為常規水合物地震勘探提供互補信息，從而提高水合物勘探精度。高精度重力測量也可用于探測天然氣水合物。徐行等[25]利用高精度磁力測量技術識別海底天然氣水合物，目前有關這方面的公開報道還比較少[26]。總的來說，由于海域天然氣水合物引起的重力異常不顯著，只有高精度的海底重力儀才能達到要求，該方法可作為配合地震技術識別水合物的補充手段。

為了實現水合物的精細識別，有必要開發綜合地球物理識別技術。海洋天然氣水合物地球物理識別技術的基本思路是以井震結合為核心，綜合運用重、磁、電、震等綜合地球物理識別技術，識別天然氣水合物和預測天然氣水合物儲量。本文通過梳理和分析天然氣水合物地球物理識別技術方面的現有研究成果，探討天然氣水合物地球物理識別方面的重點和難點問題，并對其未來發展態勢進行展望。

1 天然氣水合物的地震識別技術

1.1 天然氣水合物的地震定性識別技術

BSR 是海洋天然氣水合物最重要的識別標志之一[27-28]。由于含水合物的上覆地層聲波速度高，而下伏地層可能含有游離氣，速度和密度都降低[29]，從而形成BSR，如圖1所示。明顯的波阻抗差異導致水合物底界面的反射系數增大，形成了明顯的反射同相軸，同時，由于海底沉積物的地溫變化很大，而壓力變化不大，海底的起伏變化將造成沉積物等溫面的起伏變化，故BSR 大致與海底地形平行[30]。

圖1 水合物層和下伏游離氣層速度結構Fig.1 Velocity structure of gas hydrate layer and underlying free gas layer

作為水合物識別標志的BSR具有如下特征：

1)BSR 表征水合物層底界，而水合物層頂界很難確定。

BSR表征水合物層底界[31]，在地震剖面上較容易識別。圖2所示為過瓊東南盆地深水區某水合物勘探區的地震剖面。由圖2可見：地震剖面上的BSR 特征非常明顯，實鉆結果表明BSR 位置與水合物層底界基本一致。一般很難通過地震資料確定水合物層頂界，這是因為BSR 之上沉積物內的水合物濃度向上逐漸降低，無明顯波阻抗差異。

圖2 瓊東南盆地某地震剖面上的BSRFig.2 BSR in a seismic profile in Qiongdongnan Basin

2)陸坡區BSR有時與沉積層斜交。

陸坡區BSR往往具有與沉積層理斜交的特征，圖3所示為日本Nankai海槽過AT1-MC井的典型地震剖面[32]。由圖3可見BSR與正常沉積層斜交，這種特征可以很好地指示水合物底界。

圖3 日本Nankai海槽過AT1-MC井的地震剖面及自然伽馬和電阻率曲線[32]Fig.3 Typical seismic cross section through AT1-MC well,Gamma and resistivity logs in AT1-MC Well[32]

如果沉積物界面與海底平行，那么它的地震反射特征與BSR 相似，造成BSR 在地震剖面上識別比較困難，這時需要根據水合物相平衡方程計算穩定帶底界的大概深度，確定BSR 的位置。利用BSR 識別水合物時需要注意：1)BSR 指示天然氣水合物的可能存在，但是不能用于計算水合物的厚度和飽和度；2)BSR 僅適用于海洋未固結沉積層中的水合物識別，而陸地凍土區的水合物往往不具有BSR的特征。

除BSR 外，地震屬性也可用于天然氣水合物識別，主要包括速度、AVO(amplitude versus offset)屬性、三瞬屬性等。對于成巖和非成巖型水合物層，各自對應的地震屬性特征[33-39]如表1所示。

表1 成巖及非成巖型水合物層地震屬性特征[33-39]Table 1 Seismic attributes characteristics of gas hydrate bearing rocks and sediments[33-39]

1.2 基于地震資料的天然氣水合物定量識別技術

疊前和疊后地震資料攜帶了眾多反映地層巖性和孔隙流體性質的信息，可用于獲取儲層參數。目前，天然氣水合物的定量識別主要通過地震正演和反演技術進行，包括地震正演模擬、AVO 技術、彈性波阻抗反演和全波形反演等，各種不同方法的原理、分類及可獲取參數[40-48]如表2所示。

表2 主要的天然氣水合物定量識別技術[40-48]Table 2 Primary quantitative identification techniques of natural gas hydrate[40-48]

1.3 用于水合物飽和度預測的巖石物理模型

含天然氣水合物地層的巖石物理模型是地震反演預測水合物飽和度的基礎[49]，目前人們已經提出了將水合物飽和度與地層速度聯系起來的多個巖石物理模型。如WOOD 等[50]將WYLLIE 時間平均方程與地震速度結合，估算水合物飽和度；LEE等[51]指出含水合物沉積物速度可以通過三相時間平均方程加權計算。這些方法各有優勢和適用范圍，以下為幾種常用的估算水合物飽和度的模型。

1.3.1 時間平均方程

對于含水合物沉積物，地層的時間平均方程為

式中：vb，vw，vh，vma分別為含水合物沉積物、孔隙水、純水合物和骨架的縱波速度；φ為孔隙度；Sh為水合物飽和度。

該方法參數少、簡單易用，為最簡單的水合物飽和度預測方程，該公式在膠結較好的地層介質中可以很好地評價水合物。

1.3.2 WOOD方程

沉積物中存在較高泥質含量，且膠結程度差，這種情況下時間平均方程的計算結果與實際測量結果并不一致。為此，提出了WOOD方程[51]：

式中：ρb為巖石的密度，kg/m3；ρma為巖石骨架的密度，kg/m3；ρw為地層水的密度，kg/m3；ρh為水合物的密度，kg/m3。

WOOD 方程是在時間平均方程的基礎上再考慮密度的影響得到的，在低孔隙度下較適用，不太適用于高孔隙度地層。

1.3.3 LEE權重方程

為了準確評估高孔隙度海底沉積物中的水合物飽和度，LEE 等[52]提出一個基于TIMUR 和WOOD方程修正公式的加權平均公式：

式中：n為水合物儲層膠結指數；W為權重系數，多數情況下為1；vWOOD和vTIMUR分別為WOOD 和TIMUR公式計算的速度。

1.3.4 改進的BIOT-GASSMANN模型

對于泥質含量較高、流體黏度大的含水合物地層，BIOT-GASSMANN 理論關于地層橫波速度與縱波速度之比為常數的假設不合理。為此，LEE[53]假設地層縱橫波速度比是與孔隙度有關的函數，提出了改進的BIOT-GASSMANN模型：

式中：α為干巖石骨架的橫波速度與縱波速度之比；H和m為與地層孔隙扁平率、泥質含量、膠結程度和壓差有關的參數。

將式(4)代入到BIOT-GASSMANN 方程中，可得到改進后的地層剪切模量G的表達式：

式中：Kma和Gma分別為地層骨架體積模量和剪切模量，可以由Hill 平均得到；β為Biot 系數；M為Biot 模量，為孔隙流體體積模量。

地層的體積模量K為

對于軟地層或未固結沉積物，有

對于堅硬或固結的地層，Biot系數為

地層縱波速度vb可用下式計算：

沉積物骨架的彈性模量和其組成礦物有關，可根據Hill平均模型計算。當確定干巖石彈性模量后，可利用GASSMANN方程計算飽含流體巖石的彈性模量，進而可以得到縱橫波的速度。

1.3.5 等效介質模型

ECKER等[54]提出了水合物在沉積物中生成的3種模式。

1)模式A。水合物被認為是孔隙流體的一部分。

2)模式B。水合物被認為是巖石骨架的一部分，產生了2個效應，一方面使孔隙度減小，另一方面改變了骨架的體積模量和剪切模量。

3)模式C。假設水合物與骨架呈半膠結狀態，水合物飽和度增大會同時提高孔隙流體和巖石骨架的體積模量。

干巖石骨架的體積模量Kdry和剪切模量Gdry可分別表示為：

求出干巖石的Kdry和Gdry后，可用GASSMANN方程計算飽和巖石的體積模量和剪切模量。對于模式A，水合物是孔隙流體的一部分，不會改變固體骨架的模量，只能通過影響流體體積模量來改變波速，流體體積模量用下式計算：

式中：Kf為流體體積模量；Kh為水合物體積模量。

由于水合物的體積模量大于孔隙水的體積模量，因此，增加水合物飽和度將增大等效孔隙流體的體積模量，進而使波速增大。

1.3.6 基于不同巖石物理模型的水合物飽和度預測

以南海北部神狐海域SH2 井為例，對比不同模型的水合物飽和度評價效果，分析不同模型在水合物飽和度估算中的適用性。

圖4所示為SH2井密度、自然伽馬、聲波時差和電阻率測井曲線。由圖4可見：SH2井的測井深度范圍為海底以下38.0～245.0 m，在海底以下188.0～219.5 m深度處聲波速度和電阻率明顯增大，推測該深度范圍為潛在水合物層。

圖4 SH2井測井曲線Fig.4 Logging curves of well SH2

分別利用時間平均方程、WOOD 方程、LEE權重方程、改進的BIOT-GASSMANN 方程估算水合物飽和度，并與氯離子濃度異常法預測的水合物飽和度進行對比，分析不同模型的預測效果。

首先，利用地層密度測井計算地層孔隙度：

式中：φd為密度測井孔隙度；ρf為流體密度。

海洋沉積物含有泥質，考慮泥質的影響，將地層密度孔隙度計算公式修正為

式中：Vsh為泥質含量，可用自然伽馬測井曲線計算，即

式中：GCUR為地區經驗系數，神狐海域取為3.7；IGR為中間變量；GR為目的層段的自然伽馬測井值，API；GRmin和GRmax分布為純砂巖和泥巖層段的自然伽馬測井值，API。

考慮泥質含量影響，取GRmin= 15 API，GRmax= 90 API，C=3.7，計算地層孔隙度。根據該區域其他井的取心資料，地層骨架主要由石英、黏土和方解石構成，所占質量分數分別為65.7%，20.0%和14.3%，各礦物/物質的彈性和物性參數見表3。

表3 速度模型中的彈性和物性參數Table 3 Elastic and physical parameters in the velocity models

圖5所示為利用時間平均方程、WOOD 方程、LEE 權重方程、改進BIOT-GASSMANN 方程和等效介質模型計算的SH2井水合物飽和度。

由圖5可見不同模型預測的SH2井水合物飽和度存在較大差異，具體結果如下。

圖5 采用不同模型預測的SH2井水合物飽和度Fig.5 Prediction of hydrate saturation of well SH2 by different models

1)時間平均方程預測的水合物飽和度為0，與氯離子濃度異常法的預測結果相差最大，這是因為時間平均方程預測的縱波速度偏大，說明時間平均方法不能直接用于海洋沉積物水合物飽和度預測。

2)相比于氯離子濃度法，WOOD 方程和LEE權重方程飽和度預測結果略大，但明顯優于時間平均方程預測結果，其中LEE 權重方程的水合物飽和度預測值略大于WOOD方程預測值。

3)改進的BIOT-GASSMANN 模型的聲波速度偏小，因此，水合物飽和度預測結果偏大，預測精度不高，可能與假設的礦物質量分數保持不變有關。

4)等效介質模型在水合物層段的預測結果與氯離子濃度差異法的預測結果較吻合，且模式A的水合物飽和度預測結果比模式B的大。

各個巖石物理模型的適用性和優缺點見表4。

表4 不同巖石物理模型的適用性和特點Table 4 Application and characteristics for different petrophysical models

2 基于測井的天然氣水合物地球物理識別和定量評價技術

自我國南海北部發現天然氣水合物后，利用多種地球物理方法開展了水合物勘探研究，其中基于測井資料的水合物識別及儲層參數評價方法在南海北部水合物資源探查中起到了關鍵作用。這是因為天然氣水合物的物理性質與地層水、巖石骨架存在一定差異，這是能夠對地層中天然氣水合物進行測井識別的先決條件，不同測井曲線對成巖和非成巖型水合物層的響應特征[55-58]如表5所示。

表5 不同類型水合物地層的測井響應特征[55-58]Table 5 Characteristics of different logging response of gas hydrate bearing formations[55-58]

3 天然氣水合物的電磁探測技術

由于含水合物儲層與含水層段具有明顯的電性差異，而海洋可控源電磁法能夠得到海底的導電參數，因此，可利用海洋電磁法根據電性差異確定水合物的分布范圍，估算水合物飽和度，從而提高海洋天然氣水合物的探測成功率。目前，海洋水合物的電磁探測技術包括海洋可控源電磁法(CSEM)和海洋大地電磁測深[59]。

美國Scripps 海洋研究所研制出了頻率域CSEM系統，該系統是目前世界最先進海洋電磁探測系統之一[60]，其發射機系統距海底為50～100 m，接收器可任意布設，因此，幾乎可以在源和接收器之間進行任何幾何布置，記錄電磁場的所有分量，提供更為豐富的數據。俄勒岡陸緣水合物脊應用該電磁系統進行了水合物探測，證明CSEM法是一種切實可行的水合物探測方法[61]；EDWARDS[62]將CSEM方法用于深海沉積物含水合物濃度的定量估算；EVANS[63]利用頻域拖曳磁偶極子系統對墨西哥灣水合物丘進行成像，發現該系統能實現海底以下20 m 以內的淺表層沉積物成像。海水對電磁波強烈吸收、早期儀器發射功率不足以及早期儀器靈敏度較差等因素都影響了海洋電磁法在水合物探測中的應用。近年來，隨著儀器設備和處理解釋技術的發展，尤其是電子與信息技術的快速發展，極大推動了海洋電磁探測技術的發展，這些不利因素正在被克服，未來CSEM法將在海洋水合物探測方面獲得更加廣泛的應用。

4 發展態勢

天然氣水合物定量識別是未來水合物地球物理技術的發展趨勢，需要定量描述的參數包括水合物的分布面積，水合物儲層厚度、游離氣層厚度、地層孔隙度、水合物飽和度和氣體飽和度等，這些參數是優選水合物甜點區和水合物資源量估算的重要依據。而單獨使用常規的BSR 并不能對水合物儲層的資源量進行定量估算，因此，需要綜合利用地質條件分析以及地震反演等方法進行天然氣水合物儲層精細描述。

地球物理方法仍然是目前海域天然氣水合物識別與預測分析的主要手段之一，地球物理手段包括地震測量、重力測量、電磁測量、地熱測量以及測井等。其中地震測量依然是未來最主要的水合物地球物理探測手段，包括高分辨二維及三維地震、海底多分量地震、廣角海底地震和垂直地震剖面等。在地震資料處理方面，高精度的速度分析、多次波壓制、高分辨率處理、子波處理、保幅處理和DMO等特殊處理被用來提高水合物識別的準確度，目前水合物識別已由原來的主要利用速度及振幅信息發展到利用疊前彈性阻抗反演方法提取多種屬性參數進行判別。

在上述理論方法基礎上，本文提出基于水合物系統概念+地層物性參數定量評估的天然氣水合物綜合地球物理識別方法，如圖6所示，其基本思路為：

圖6 天然氣水合物地球物理識別及儲層特征描述方法Fig.6 Geophysical identification of natural gas hydrate and its parameters description method

1)進行天然氣水合物富集的烴源條件、構造條件、流體疏導條件和沉積條件分析，基于熱力學平衡方程計算水合物穩定域，估算天然氣水合物穩定帶范圍；

2)結合區域地質條件分析進行BSR 識別和其他地震屬性分析，初步圈定天然氣水合物空間展布；

3)基于高分辨率地震數據結合測井數據進行彈性阻抗/波阻抗/全波形反演，獲得精細波阻抗/速度剖面，結合巖石物理模型對水合物分布進行定量識別。

除了三維地震和測井，未來水合物探測還將引入新的地球物理技術，如分布式聲傳感技術(distributed acoustic sensing，DAS)。這是一種近年興起的長距離、大剖面、動態測量的地震監測技術，其空間采樣間距動態可調，傳感距離可達數十公里，結構簡單，開發維護成本低，兼具實時數據傳輸功能，可有效降低觀測成本并提高分辨率[64-66]。分布式光纖傳感技術能夠直接獲得水合物層應力場、滲流場和飽和度，因此，未來這一全新技術有望被應用在天然氣水合物探測中。

傳統船載地球物理手段尚達不到深海海底淺層資源探測的高分辨率要求。近年來，隨著我國國產化水下機器人和微小型、高精度、超深水工作的新型地球物理裝備技術的發展，如光纖震磁傳感器、弱磁傳感器、水聽器等，解決了菲涅爾半徑和傳輸衰減因素限制等問題，使高信噪比、高分辨率和高穿透深度的近海底綜合地球物理探測成為可能。研發新型國產化地球物理傳感器及裝備，研制或集成模塊化掛載地球物理傳感器(重、磁、電、震、放射性)，構建一個智能導航、自主探測的深海近底地球物理智能作業平臺，形成一套近海底深海地球物理試驗平臺和實現深海淺層高分辨率探測的綜合地球物理探測系統，引領我國地球物理技術用于深海近底高精度探測，將為我國海底資源的勘探開發與深海海洋環境探測提供技術支撐和保障。

5 結論

1)似海底反射是海域天然氣水合物最重要的識別標志之一，但易受沉積界面干擾，為提高天然氣水合物識別精度，應結合地震振幅、衰減等屬性進行水合物的地球物理識別。

2)目前水合物飽和度鉆前預測主要基于反射地震反演技術，而含天然氣水合物的巖石物理模型是地震反演預測水合物飽和度的基礎，且不同模型均有其各自的適應性。

3)測井是儲層參數精細評價的重要手段。不過，由于測井解釋存在多解性，單純利用電阻率和聲波時差測井可能無法實現水合物儲層參數的精細描述，應利用多測井數據對孔隙度、滲透率、水合物飽和度等儲層參數進行定量描述。

4)天然氣水合物的定量識別是未來水合物地球物理識別的發展趨勢，建議綜合利用水合物成藏條件分析、多地震敏感屬性分析、地震反演和測井實現水合物的地球物理識別以及儲層特征精細刻畫。

5)深海重磁法和電磁法等是未來海洋水合物探測的重要補充技術。