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南海神狐地区天然气水合物饱和度估算


王吉亮1,2，王秀娟1 ， 吴时国1，杨胜雄3
王吉亮（1986－），男，硕士研究生 ， 主要研究方向为天然气水合物和地震反演、解释，E-mail:wangjiliang1986@gmail.com 。
注：本文曾发表于Marine and Petroleum Geo1ogy，本次出版有修改 。
1.中国科学院海洋研究所，青岛　266071
2.中国科学院研究生院，北京　100049
3.广州海洋地质调查局，广州　510301
摘要：南海北部钻探结果表明神狐海域浅层细粒沉积物中存在天然气水合物 。基于阿尔奇方程 ， 利用电阻率测井资料计算的SH7站位在深度160～180 m之间存在的水合物饱和度占孔隙空间10％～35％ 。基于稀疏脉冲反演计算了过该井地震剖面的声波阻抗，利用测井获得声波阻抗与饱和水孔隙度之间的关系，获得了地层饱和水孔隙度剖面；再利用阿尔奇公式，能够计算地震剖面上的水合物饱和度 。结果表明，利用地震数据计算的神狐海域天然气水合物饱和度占孔隙空间的10％～23％ ， 局部饱和度高达27％，比电阻率测井计算的饱和度偏低 。
关键词：天然气水合物；神狐地区；饱和度；稀疏脉冲反演
Gas hydrate saturation in the Shenhu area,South China Sea
Wang Jiliangl,2,Wang Xiujuan1,Wu Shiguo1,Yang Shengxiong3
1.Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,China
2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China
3.Guangzhou Marine Geological Survey,MLR,Guangzhou 510760,China
Abstract:During the China's first gas hydrate drilling expedition-1(GMGS-1),gas hydrate was discovered in a layer ranging from 10 to 25 m above the base of gas hydrate stability zone in the Shenhu area,South China Sea.The gas hydrate saturation calculated from electrical resistivity logs range from 10%to 35‰f the pore space at the depth of 160～180 mbsf using Archie's equation.The water-saturated porosity was also derived from the cross plot of acoustic impedance and density porosity in no gas hydrate-bearing sediments and was used to estimate gas hydrate saturation in combination of Archie equation.Acoustic impedance from seismic data was computed using constrained sparse spike inversion and was also used to estimate gas hydrate saturation.Gas hydrate saturation estimated from acoustic impedance of seismic data is 10％～23% of the pore space,some area even higher up to 27%,but lower than the value from the resistivity.
Key words:Gas hydrate; Shenhu Area; Saturation;CSSI
0 引言
天然气水合物是一种在低温高压条件下由水分子与气体分子组成的似冰状固态化合物，广泛分布在海底和陆上冻土带[1] 。天然气水合物具有巨大的资源潜力 ， 但同时水合物分解也会引发海底滑坡导致海底不稳定性、释放甲烷气体会引发全球气候变暖 ， 基于这些原因天然气水合物研究引起专家学者的广泛重视 。
2007年，国土资源部广州地质调查局（GMGS）在南海北部陆坡神狐海域选择8个站位进行钻探 。每个站位都进行了电缆测井 ， 而SH3、SHl、SH2、SH7和SH5站位进行了常规活塞取心和压力取心 。孔隙水淡化度和压力取心岩心脱气测试结果表明SH2、SH3和SH7站位的岩心中存有天然气水合物，3个站位的天然气水合物均出现在粉砂或者泥质粉砂细粒沉积物中 ， 水合物层位于天然气水合物稳定带之上 。
利用电阻率和声波速度测井可以估算天然气水合物饱和度 。利用电阻率估算水合物饱和度建立在阿尔奇公式[2]基础上，除了利用测井数据外，不同学者提出了各种理论和半经验模型用于估算天然气水合物饱和度 ， 如Wood等[3]提出的模型、Wyllie时间平均方程[4]、有效介质模型[5] 。Lu和Mc Mechan[6]利用稀疏脉冲反演由水合物脊地区的地震数据得到了声波阻抗；王秀娟等[7]将这种方法应用于南海 。用地震数据估算天然气水合物饱和度取决于含水孔隙度、饱和水电阻率和孔隙水电阻率，这些值可以由阿尔奇公式计算得到 。
本文利用测井资料估算天然气水合物饱和度，由地震数据得到的声波阻抗剖面来获得远离井的天然气水合物横向分布；并利用声波阻抗与饱和水孔隙度间的经验关系建立声波阻抗与天然气水合物饱和度之间的关系 。
1 地质背景
神狐海域水合物钻探区位于南海北部陆坡珠江口盆地白云凹陷内，距离LW3-1气田21 km，处于珠江峡谷与古珠江三角洲前缘发育的17条近S—N向峡谷交汇处[8] 。珠江口盆地是一个新生代的裂谷盆地；它的构造演化可以分为两个阶段：始新世到渐新世的裂陷期和上第三纪到第四纪的裂后热沉降期[9] 。始新世裂陷期，湖相泥岩是盆地内主要的烃源岩 。晚渐新世沉积物包括河流相、沼泽和浅湖泊相沉积，其中夹有黑色页岩和薄煤线[10] 。在深水区油气勘探结果表明，中新世层序在地震剖面上出现亮点和气烟囱 。气体可以通过断层和气烟囱由晚渐新世地层向上运移 ， 为该区水合物富集提供丰富气源 。神狐海域钻探结果表明，水合物储集层由粉砂岩和泥质粉砂岩组成，其中含有钙质微生物化石 。在近海底的浅层沉积物中含有大量硅质微生物化石 ， 包括硅藻和放射虫[11] 。
2 数据和方法
SH7站位水深为1 105m，其测井资料包括自然伽马、伽马密度、电阻率、流体温度和声波速度等 。文中所用的三维地震数据体覆盖范围为9.3 km×7 km，测线穿过SH7站位，时间采样率1 ms，主测线和联络测线的空间采样间隔分别为12.5 m和25 m 。
含水合物地层与饱和水地层相比具有高电阻率异常，该异常与水合物饱和度呈正比，应用阿尔奇公式基于电阻率测井资料可以估算水合物饱和度[12] 。天然气水合物饱和度估算也可以通过地震数据反演得到 。本文利用稀疏脉冲反演（CSSI）得到声波阻抗剖面 。利用测井获得声波阻抗与饱和水孔隙度之间的关系 ， 获得地层饱和水孔隙度剖面 。利用阿尔奇公式计算了地震剖面上的水合物饱和度 。
3 天然气水合物饱和度估算
【南海神狐地区天然气水合物饱和度估算】3.1 基于电阻率资料估算天然气水合物饱和度
利用电阻率资料估算天然气水合物饱和度，阿尔奇常数a和m必须已知 。与饱和水地层相比，水合物储层具有较高的电阻率（Rt） 。天然气水合物饱和度可以由地层孔隙度和测量电阻率计算得到 。饱和水孔隙度由阿尔奇公式[1]表示为
南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集
其中：Rw是共生水电阻率；孔隙度φ由密度测井资料计算得到[13] 。地层因子FF定义为R0/Rw，带入公式（1）得到：
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阿尔奇常数a和m可以由地层因子和饱和水沉积物孔隙度的交会图（图1）获得 。饱和水沉积物利用阿尔奇公式指数拟合的结果是FF=2.974-1.023 ， 其中R2=0.61 。共生水电阻率与海水盐度、地温梯度有关，利用Arp's方程[14]计算：
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神狐地区SH7站位的地温梯度为43.65℃/km，盐度为32×10-6 。
在天然气水合物沉积层中，含水饱和度表示为
图1 SH7站位密度孔隙度与地层因子交会图
圆圈表示水合物层，圆点表示饱和水层 ， 黑线为饱和水层的拟合曲线，其中R2=0.61
其中n是饱和度指数 ， 是一个经验参数 。由公式（1）和（4）得到天然气水合物饱和度：
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图2中显示了SH7站位的天然气水合物饱和度曲线，计算过程所用的参数a=2.974,m=1.023,n=2 。
图2 SH7站位由电阻率测井资料计算得到的天然气水合物饱和度曲线
3.2 基于声波阻抗估算天然气水合物饱和度
测井数据可以提供井位点处高分辨率信息 。为了得到水合物在空间的分布和饱和度，可以利用地震数据外延井中的信息 。天然气水合物浓度也可以利用阿尔奇公式由声波阻抗（由声波速度和密度得到）估算得到 。
3.2.1 饱和水孔隙度
饱和水孔隙度φf定义为φf=Swφ[13]，与水饱和沉积层中的总孔隙度相同，但比水合物沉积层中的总孔隙度要小 。假设区域背景电阻率剖面在各点是相同的，利用下面的公式来估算天然气水合物浓度 。
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式中参数R0,a,m和n由SH7站位确定 ， 仅饱和水孔隙度参数未知 。
假设饱和水沉积层是均一、正常压实的，声波阻抗（I）与饱和水孔隙度（φ）之间应该是一条平滑的曲线，随着深度增加φ减小，I值增加 。沉积物中含天然气水合物层声波阻抗增大 ， 饱和水孔隙度降低 。在天然气水合物储层内，由水饱和沉积层内背景趋势可以得到饱和水孔隙度与声波阻抗之间的关系 。利用SH7站位的测井数据（图3）拟合声波阻抗和孔隙度之间的关系，得到公式：
图3 SH7站位饱和水孔隙度与声波阻抗交会图
红点是天然气水合物储层样点，圆圈是饱和水层样点 。红线是天然气水合物储层饱和水孔隙度与声波阻抗拟合曲线 ， 蓝线是水饱和层饱和水孔隙度与声波阻抗拟合曲线
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式中：I是声波阻抗，单位是g/cm3·m.s-1;R2=0.966 。天然气水合物储层内拟合的饱和水孔隙度跟声波阻抗的关系是：
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式中φf是饱和水孔隙度；R2=0.34 。
3.2.2 声波阻抗反演
利用地震数据计算声波阻抗对烃类含量进行估算的方法开始于20世纪70年代[15-16]，也用于估算水合物饱和度[6-7,17] 。反演利用稀疏脉冲反演模块[18] 。因为地震数据是带限信号，CSSI声波阻抗需要增加由井控制的低频趋势获得的低频信息 ， 才能得到完整的声波阻抗剖面 。稀疏脉冲反演的目标函数为
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图4 过SH2和SH7站位的地震剖面（a）由稀疏脉冲反演计算得到的声波阻抗剖面（b）由公式（8）利用声波阻抗剖面计算得到的饱和水孔隙度剖面（c）由公式（6）利用饱和水孔隙度计算得到的与图（d）对应的天然气水合物饱和度剖面（e）
其中：i为时间序列；ri为时间i时的反射系数，di是地震数据；si是合成的地震记录；q和p是经验指数 ， 因子p（反射范数）和q（地震匹配范数）默认的参数值分别是0.9和2;A是数据匹配权重因子；λ因子用来控制不匹配范数之间的平衡，λ值较小时，会加重反射系数权重 ， 输出结果声波阻抗值中会有一些剧烈抖动、清晰度不高还会有较大的残值 。随着λ逐渐接近“真”值，数据匹配提高，输出波阻抗剖面可以更好地反映沉积物的物理性质 。λ值的优化要根据信号的信噪比、相关性匹配、地震数据匹配和反射系数匹配等确定 。文中用的匹配权重因子等于10，经验指数p和q分别为1和2 。反演获得的声波阻抗剖面如图4b所示 。由公式（6）和（8）利用SH7站位测井数据获得饱和水孔隙度剖面（图4c） 。
3.2.3 地震剖面计算的水合物饱和度
由饱和水孔隙度剖面利用公式（6）估算了天然气水合物饱和度剖面（图4d），其中a=2.974,m=1.023,n=2.0 。地震数据计算的天然气水合物层的厚度大于测井曲线计算的厚度 。由地震数据估算的BSR上的水合物饱和度约占孔隙空间10％～23％，略微小于由测井曲线估算得到的饱和度值 。
4 结论
首先利用密度孔隙度与地层因子的交会分析确定了SH7站位的阿尔奇常数a和m ， 其次结合神狐地区SH7站位的电阻率测井资料 ， 计算该站位的天然气水合物饱和度，在深度160～180m水合物饱和度占孔隙空间的10％～35％ 。最后，利用SH7站位测井数据建立的饱和水孔隙度与声波阻抗之间的关系，结合稀疏脉冲反演获得的声波阻抗剖面，基于阿尔奇公式把饱和水孔隙度剖面转化为天然气水合物饱和度剖面 。从地震数据计算的神狐海域天然气水合物饱和度占孔隙空间的10％～23％ ， 局部饱和度高达27％ ， 天然气水合物饱和度横向具有明显的不均匀性 。
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