利用聲波測井估算裂縫型水合物儲層水合物飽和度

肖 昆 鄒長春 鄧居智 盧振權 張 華

(①東華理工大學放射性地質與勘探技術國防重點學科實驗室，江西南昌 330013； ②中國地質大學(北京)地下信息探測技術與儀器教育部重點實驗室，北京 100083； ③中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100029)

·測井技術應用·

利用聲波測井估算裂縫型水合物儲層水合物飽和度

肖 昆*①②鄒長春②鄧居智①盧振權③張 華①

(①東華理工大學放射性地質與勘探技術國防重點學科實驗室，江西南昌 330013； ②中國地質大學(北京)地下信息探測技術與儀器教育部重點實驗室，北京 100083； ③中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100029)

肖昆，鄒長春，鄧居智，盧振權，張華﹒利用聲波測井估算裂縫型水合物儲層水合物飽和度.石油地球物理勘探，2017,52(5):1067-1076.

水合物飽和度參數的準確計算對水合物資源量的評價至關重要。本文提出利用超聲波測井資料與兩端元層狀介質模型相結合的方法，可有效評價祁連山凍土區鉆孔地層的水合物飽和度變化特征，并在典型裂縫型水合物鉆孔DKXX-19進行了應用。研究區鉆孔地層裂縫內充填水合物體積分數的變化對縱、橫波速度影響較大，而裂縫傾角的變化對縱、橫波速度影響較小，可將利用兩端元層狀介質模型正演模擬得到的縱波相速度直接轉換為縱波群速度；通過正演模擬識別出5個井段存在水合物；水合物賦存井段地層的水合物飽和度變化范圍為14.1%～89.9%，平均值為69.4%，與現場觀測結果接近。研究結果可為祁連山凍土區水合物地層測井評價和地震勘探提供理論依據和技術支撐。

祁連山凍土區 裂縫 超聲波成像測井 兩端元層狀介質模型 水合物飽和度

1 引言

水合物是由水分子和天然氣(通常以甲烷為主)構成的籠型結構固態晶體，主要賦存于海底和極地永凍土中[1]。在陸地，水合物賦存于地下200～2000m的永凍土地區；在大洋，水合物賦存于300～3000m的深水盆地、陸架坡折帶等水合物穩定域內[2，3]。水合物作為一種儲量巨大、潔凈的新型替代能源受到普遍關注，目前世界上已經在100多個地區間接或直接發現了水合物賦存區[4]。中國于2008年11月在祁連山凍土區鉆獲水合物樣品[5，6]，這是中國凍土區首次鉆獲并檢測出水合物實物樣品，也是世界上第一次在中緯度高原凍土區發現水合物，這里有望成為中國最具潛力的水合物戰略勘探區[7]。

祁連山凍土區發現的水合物具有凍土層薄、埋深較淺、氣體組分復雜、橫向分布連續性較差等顯著特點，不同于國外極地凍土區發現的水合物，應為一種新類型水合物[8]。因此，中國陸域凍土區水合物勘探有其自身特殊性，與國外極地凍土區水合物勘探相比更為困難。近年來，中國地質調查局在青海省天峻縣木里煤田組織實施了水合物專項調查研究，開展了綜合地球物理勘查工作，以期建立切合中國實際的陸域凍土區水合物地球物理探測技術、資源綜合評價技術及各種找礦標志，為中國凍土區水合物資源的勘探開發提供切實可行的技術支撐。由于中國陸域凍土區水合物調查研究起步較晚，迄今為止相關的地球物理勘查方法還很少用于凍土區水合物勘探，在水合物儲層物性參數研究、地球物理響應特征研究及水合物飽和度估算研究等方面，相關的研究成果鮮有報道[9-13]。中國凍土區水合物的相關研究還處于水合物資源勘查的起步階段，滯后于國外相關研究。

在祁連山凍土區已鉆獲的水合物實物樣品中，水合物存在兩種明顯不同的產出方式，即孔隙充填和裂縫充填。產出于裂縫內的水合物并不占據孔隙空間，而是迫使地層巖石張開形成裂縫并充填其中，呈肉眼可見的白色冰狀薄層[14]。由于含水合物層段的裂縫傾角一般較大，且裂縫的發育分布通常受區域構造主應力控制，一般呈定向排列而導致水合物賦存層段出現各向異性特征[15]。此時如果使用孔隙型水合物儲層模型，假設水合物均勻充填于各向同性的巖石孔隙中，正演模擬得到的速度用于水合物飽和度反演會產生較大誤差[16-19]。為了給祁連山凍土區水合物儲層測井識別與水合物飽和度的求取提供技術支持，同時也為該地區水合物資源量的評價提供參考，針對研究區裂縫型水合物儲層，采用合理的速度模型開展聲波速度與水合物飽和度變化特征研究顯得尤為重要。

本文首先利用超聲波成像測井圖像和鉆井巖心資料分析了研究區裂縫型水合物的儲層特征；然后根據研究區裂縫型水合物的實際賦存地質條件，通過對水合物儲層進行聲波測井方法的建模，利用兩端元層狀介質模型正演模擬了水合物儲層的聲波速度特征，識別了水合物賦存井段；最后利用正演模擬得到的聲波速度反演估算了水合物儲層的水合物飽和度。

2 區域地質概況

2.1 大地構造及地層特征

祁連山地處青藏高原北部，大地構造單元分為北祁連構造帶、中祁連陸塊和南祁連構造帶等三大構造單元(圖1)。自震旦紀以來，祁連山先后經歷了大陸裂谷階段(震旦紀—中寒武世)、洋底擴張及溝弧體系階段(晚寒武世—中奧陶世)、造山階段(中奧陶世之后的俯沖造山、碰撞造山和陸內造山等)等演化階段，形成了現今的地質構造格局[20]。

早古生代期間，祁連山地區為介于柴達木地塊和華北地塊之間的一個小型洋盆，志留紀晚期的加里東運動使古洋盆封閉并開始隆升剝蝕； 石炭紀時又開始下沉形成廣闊的淺海陸棚或陸表海環境； 三疊紀時南祁連仍為海盆環境，沉積了一套海相砂泥巖夾灰巖建造； 晚三疊紀末，受印支運動影響，古特提斯海洋完全封閉，整個祁連山抬升成陸，成為剝蝕區； 早燕山運動使得祁連山地區局部拉張，形成一系列條帶狀的山間斷陷盆地，并沉積了一套侏羅系河湖沼澤相含煤碎屑巖[21]。白堊系和古近系、新近系以細粒紅色碎屑巖、粘土巖為主； 第四系在盆地內分布廣泛，以冰水—洪積相和冰川堆積物為主[22]。

圖1 祁連山凍土區水合物大地構造綱要圖[14]

祁連山是中國西部多年凍土廣泛分布的地區之一，多年凍土區面積約105km2。研究區地處青海省天俊縣木里煤田內(圖1)，該區海拔4000～4300m，年平均氣溫為-5.1°C，多年凍土層廣泛發育，呈島狀分布，凍土層平均厚度為95m，相當一部分地區多年凍土層厚度大于100m[23]，為水合物的形成提供了有利的封蓋條件。研究區出露的地層除第四系外，主要包括中侏羅統江倉組(J2j)和木里組(J2m)。兩套地層中均含多個可采煤層。其中，江倉組以黑色、灰色油頁巖、泥巖為主，夾灰色粉砂巖、細砂巖、中砂巖；木里組以灰色粉砂巖、細砂巖、中砂巖、粗砂巖為主，夾深灰色油頁巖。油頁巖的有機碳含量為0.98%～5.76%，兩套地層均已達到優質烴源巖的標準，且已進入過成熟階段，以產氣為主，具有良好的氣源條件[5，6]。

2.2 水合物地質特征

2008～2009年，中國地質調查局組織實施了水合物科學鉆探工程，在研究區共鉆探8口科學鉆探孔(圖2)，并成功鉆獲水合物實物樣品。鉆獲水合物實物樣品的鉆孔包括DK-1、DK-2、DK-3、DK-7、DK-8，在DK-4、DK-5、DK-6鉆孔中僅發現一些水合物存在的異常現象[7]。2013～2015年，為了進一步研究祁連山凍土區水合物的形成條件、控制因素及分布規律，神華集團聯合中國地質調查局和青海煤炭地質105勘探隊在祁連山凍土區補充實施了部分科學鉆探孔，目前已在DKXX-19、DKXX-13、DKXX-11鉆孔成功鉆獲水合物實物樣品，為研究區開展相關研究奠定了基礎[24，25]。目前所鉆獲的水合物實物樣品均產于凍土層之下，埋藏深度介于133～396m，層位上屬于中侏羅統江倉組[5，6]。

研究區水合物主要以兩種方式賦存。當水合物賦存層段裂縫較發育時，通常以網狀、結核狀或脈狀賦存于粉砂巖、泥巖和油頁巖的裂縫中，肉眼可觀測到水合物呈乳白色晶體狀[17]；另一種是以浸染狀賦存于粉砂巖和細粉砂巖的孔隙中，肉眼難辨水合物晶體，但紅外熱像儀呈現地溫異常，水合物分解時含水合物巖心不斷滲出水珠，并將其投入水中會冒出一連串氣泡，水合物分解完后在巖心上殘留蜂窩狀構造等[26，27]。與國外凍土區水合物相比，祁連山凍土區水合物具有埋深淺、凍土層薄、氣體組分復雜、熱解氣為主等明顯特征，是一種新類型水合物，具有重要的科學、經濟和環境意義[5，6]。

圖2 祁連山凍土區水合物科學鉆探選區圖[8]

3 數值模擬方法

3.1 聲波速度正演

對于定向排列裂縫導致的地層各向異性，前人開展了相關研究，提出了多種簡化模型，主要包括層狀介質模型[28]、裂縫嵌于孔隙介質模型[29，30]、周期性薄互層與擴容模型[31]等。針對裂縫型水合物儲層，前人已利用兩端元層狀介質模型對墨西哥灣和印度半島出產于裂縫的水合物進行了聲波速度特征模擬和飽和度估算，取得了較好的應用效果[17-19]。因此，針對祁連山凍土區裂縫型水合物儲層，本文選用兩端元層狀介質模型進行相關研究。

祁連山凍土區水合物科學鉆探工程在部分鉆孔實施了超聲波成像測井，能夠有效地識別地層裂縫并分析裂縫產狀，為裂縫型水合物儲層聲波測井數值模擬研究提供了極大便利。圖3a所示為研究區水合物鉆孔鉆獲水合物實物樣品的一段超聲波成像測井圖像。從圖像上可知該層段裂縫非常發育，且以高角度裂縫為主，水合物主要出產于這些高角度裂縫內。圖3b給出了相對應的裂縫型水合物儲層的兩端元層狀介質模型，用來模擬賦存于裂縫內的水合物聲波速度特征。

圖3 水合物賦存井段超聲波成像測井圖像(a)和兩端元層狀介質模型(b)

裂縫型水合物儲層的兩端元層狀介質模型由Ⅰ和Ⅱ兩個端元組成(圖3b)。其中端元Ⅰ是各向異性的裂縫介質，裂縫內100%充填水合物；端元Ⅱ是各向同性的孔隙介質，孔隙內完全為飽和水。端元Ⅰ裂縫介質所占的體積分數為η1，裂縫孔隙度為φ1，且假設φ1=100%；端元Ⅱ孔隙介質所占的體積分數為η2，飽和水孔隙度為φ2。對于裂縫型水合物儲層的彈性參數，定義

〈M〉≡η1M1+η2M2

(1)

(2)

式中M為圖3b中端元Ⅰ和端元Ⅱ任意彈性參數或彈性參數的組合。對于端元Ⅰ裂縫介質，由于水合物完全充填于裂縫，故各彈性參數可用水合物的彈性參數替代；對于端元Ⅱ孔隙介質，各彈性參數可用孔隙型水合物儲層基于等效介質理論的彈性波速度模型來計算。因此，裂縫型水合物儲層的縱波相速度和橫波相速度可由拉梅常數λ和剪切模量μ來表示[32]

(3)

(4)

(5)

其中

(6)

(7)

(8)

(9)

N=〈μ〉

(10)

ρ=〈ρ〉

(11)

Q={ [(A-L)sin2φ-(C-L)cos2φ]2+

(12)

3.2 水合物飽和度反演

由于祁連山凍土區水合物鉆孔只有實測縱波速度測井資料，因此本文只將兩端元層狀介質模型正演模擬得到的縱波速度用于水合物飽和度反演中。圖4為裂縫型水合物儲層利用縱波速度反演水合物飽和度的流程。其反演水合物飽和度具體流程(圖4)如下：先設定一個初始水合物飽和度值，再分別輸入端元Ⅰ裂縫介質和端元Ⅱ孔隙介質的體積模量、剪切模量、孔隙度、密度等參數，利用式(3)正演模擬得到該水合物飽和度下的理論縱波相速度；再根據超聲波成像測井圖像對水合物產出層段裂縫產狀的統計，判斷是否需要將縱波相速度轉換為群速度；最后計算得到的理論縱波群速度與實際測井縱波速度之差，如果兩者差值在設定的允許誤差范圍內，則認為該水合物飽和度是水合物儲層的實際水合物飽和度； 反之，則修正飽和度初值，重復上述步驟直到滿足誤差精度。

圖4 裂縫型水合物儲層水合物飽和度反演流程

4 結果與討論

4.1 DKXX-19孔測井資料分析

DKXX-19孔在X10.9～X14.2m井段鉆獲水合物實物樣品，水合物潛力層層厚達33.7m(圖5)。對于水合物賦存井段，常規測井曲線在整體上顯示為高電阻率、低聲波時差的響應特征，在部分井段(X11.4～X11.9m、X12.6～X12.7m、X12.8～X12.9m)出現電阻率減小、聲波時差增大的現象，表明上述井段不存在水合物。對于井徑曲線，在水合物賦存井段多處顯示井徑波動變化，反映該井段地層裂縫發育，導致地層較為破碎，從而致使井徑曲線擴徑。

DKXX-19孔在鉆探過程中實施了超聲波成像測井工作，對該鉆孔裂縫產狀隨深度變化的特征進行了統計分析(圖6)。從圖中可知：全井段共提取1986條裂縫，裂縫密度平均值為33.1條/10m，表明全井段地層裂縫較為發育；在水合物賦存井段(X10.9～X14.2m)共提取裂縫157條，裂縫密度平均值為46.6條/10m，最大裂縫密度為64條/10m，裂縫傾角主要為50°～70°，屬高角度裂縫，反映水合物賦存井段的高角度裂縫發育較多，從而表明該井段水合物主要賦存于地層巖石裂縫中，這與常規測井曲線的響應特征和現場鉆獲的水合物實物樣品結果一致。

圖5 祁連山凍土區DKXX-19孔水合物賦存井段常規測井曲線

圖6 祁連山凍土區DKXX-19孔地層裂縫參數隨深度變化規律

4.2 聲波速度特征分析

4.2.1 地層孔隙度估算

由于水合物密度與地層水密度較接近，因此利用密度測井資料計算的孔隙度可近似反映地層總孔隙度[34]，包括裂縫充填水合物孔隙度和飽和水孔隙度兩部分[35]。密度測井測量的是散射伽馬射線強度，它反映地層的電子密度，因而也反映巖石的體積密度(ρb)。利用密度測井計算地層孔隙度的公式[36]

(13)

式中：ρma為巖石骨架密度，根據巖石骨架的礦物組分計算得ρma=2.64g/cm3；ρf為流體密度，取為地層水的密度ρf=1.00g/cm3。由于該鉆孔水合物賦存井段地層泥質含量較高，因此需進行泥質校正，則式(13)改寫為[36]

(14)

其中

(15)

(16)

式中：Vsh為泥質的體積含量； SH為泥質含量指數；ρsh為泥質的密度； GR、GRmin、GRmax分別為目的層、純砂巖層和純泥巖層的自然伽馬測井值， GCUR為Hilchie指數，對北美古近系、新近系地層取3.7，老地層取2.0[37]。

利用式(14)計算了DKXX-19孔X10.0～X15.0m井段的地層孔隙度，結果見圖7。從圖中可以看出：X11.5～X11.9m和X12.8～X12.9m井段地層孔隙度為0，指示地層巖性為泥巖； X10.9～X14.2m井段地層孔隙度基本在5.0%～20.0%之間變化，平均值為11.9%，說明DKXX-19孔水合物賦存井段地層孔隙度相對較高。

圖7 祁連山凍土區DKXX-19孔X10.0～X15.0m井段密度測井計算孔隙度結果

4.2.2 水合物儲層縱波速度特征

對于裂縫型水合物儲層，由于充填于裂縫內的水合物含量和裂縫傾角的變化均會影響兩端元層狀介質模型正演模擬的縱橫波速度，因此有必要分析這兩個參數與縱、橫波速度的變化關系。

表1 祁連山凍土區水合物儲層各組分彈性參數

圖8 縱橫波速度隨水合物體積分數(a)與裂縫傾角(b)的變化曲線

通過以上分析可知：在地層孔隙度φ<30.0%的情況下，裂縫內充填水合物體積分數的變化對縱、橫波速度的影響較大，而裂縫傾角的變化對縱、橫波速度的影響較小。由于DKXX-19孔X10.0～X15.0m井段地層孔隙度均值為11.9%，裂縫傾角主要為50°～70°，故該井段利用兩端元層狀介質模型正演模擬得到的縱波相速度，可將裂縫傾角近似轉換為垂直裂縫，從而可以將縱波相速度直接轉換為縱波群速度。

利用兩端元層狀介質模型正演模擬了DKXX-19孔X10.0～X15.0m井段地層(泥巖段除外)飽和水情況下的縱波速度(圖9)。從圖中可知：在不含水合物井段(X10.0～X10.9m和X14.2～X15.0m)，兩端元層狀介質模型正演模擬的飽和水縱波速度曲線與實際測井縱波速度曲線趨勢基本一致，且在X10.6～X10.8m和X14.6～X14.7m井段兩曲線重合，可知該速度模型及參數的設置是合理的，能夠用于分析研究區裂縫型水合物儲層的縱波速度特征。

圖9 兩端元層狀介質模型縱波速度正演模擬

在X10.9～X14.2m井段，多處曲線(X11.1～X11.3m、X11.9～X12.2m、X12.5～X12.6m、X12.7～X12.8m和X12.9～X14.2m)顯示實際測井縱波速度高于飽和水縱波速度，表明上述井段存在水合物；在X10.1～X10.6m、X14.3～X14.6m和X14.7～X15.0m井段，實際測井縱波速度也比飽和水縱波速度有一定的增大，但圖5中常規測井電阻率曲線在上述井段并沒有顯示電阻率值增大，推斷這些異常可能為水合物融解引起地層電阻率降低所致。

4.3 水合物飽和度估算

利用兩端元層狀介質模型反演估算了DKXX-19孔X10.0～X15.0m井段地層水合物飽和度，如圖11所示。從圖中可知，在水合物異常井段內(X10.1～X10.6m、X14.3～X14.6m和X14.7～X15.0m)，水合物飽和度變化范圍為3.4%～22.5%，平均值為14.5%；在水合物賦存井段內，X11.1～X11.3m、X11.9～X12.2m、X12.5～X12.6m、X12.7～X12.8m和X12.9～X14.2m井段估算結果顯示存在水合物，水合物飽和度變化范圍為14.1%～89.9%，平均值為69.4%，反映水合物賦存井段內裂縫充填型水合物飽和度較高，反演估算的水合物飽和度平均值與研究區現場觀測到的水合物充填于裂縫內的水合物含量結果較接近，一定程度上驗證了利用兩端元層狀介質模型來反演估算研究區水合物賦存于裂縫內的水合物飽和度是可靠的。

圖10 祁連山凍土區DKXX-19孔X10.0～X15.0m井段地層縱波速度正演模擬

圖11 祁連山凍土區DKXX-19孔X10.0～X15.0m井段地層水合物飽和度估算

5 結論和認識

(1)利用超聲波成像測井資料結合鉆井巖心資料可有效識別祁連山凍土區水合物在地層巖石中的賦存類型，識別出DKXX-19孔為典型裂縫充填型水合物儲層；

(2)利用兩端元層狀介質模型對典型裂縫型水合物儲層DKXX-19孔的聲波速度和水合物飽和度特征進行模擬，結果表明裂縫內充填水合物體積分數的變化對縱、橫波速度的影響較大，而裂縫傾角的變化對縱、橫波速度的影響較小，可將利用兩端元層狀介質模型正演模擬得到的縱波相速度直接轉換為縱波群速度；

(3)通過正演模擬的縱波速度與實際測井縱波速度對比，識別出X11.1～X11.3m、X11.9～X12.2m、X12.5～X12.6m、X12.7～X12.8m、X12.9～X14.2m井段存在水合物，水合物賦存井段地層的水合物飽和度變化范圍為14.1%～89.9%，平均值為69.4%，與現場觀測結果接近。

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(本文編輯：劉英)

肖昆 講師，1987年生；2010年畢業于東華理工大學勘查技術與工程專業，獲學士學位；2015年獲中國地質大學(北京)地球探測與信息技術專業博士學位；現在東華理工大學地球物理與測控技術學院從事巖石物理學、非常規油氣藏測井理論與方法等方面的教學與研究工作。

1000-7210(2017)05-1067-10

P631

A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.05.021

*江西省南昌市經開區廣蘭大道418號東華理工大學地球物理與測控技術學院地球物理系，330013。Email：xiaokun0626@163.com

本文于2016年12月12日收到，最終修改稿于2017年8月3日收到。

本項研究受中國地質調查局天然氣水合物勘查與試采專項(GZHL20110313)、東華理工大學博士科研基金項目(DHBK2015314)、國家自然科學基金項目(41604086)、江西省自然科學基金項目(20161BAB211029)和江西省教育廳科技計劃項目(GJJ150574)聯合資助。