南海神狐海域天然气水合物–游离气共生层段的测井识别与定量评价方法研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：Well-Log-Based Identification and Quantitative Evaluation of Marine Gas Hydrate–Free Gas Co-Existence Zones in the Shenhu Area, South China Sea

　　

针对南海北部神狐海域天然气水合物成藏研究，已揭示其垂向分布模式为上部水合物、下部游离气、中部两者共生的特征。为应对测井过程中水合物赋存层段内共生水合物与游离气相互作用所带来的定量评价难题，研究人员建立了一种基于三条孔隙度测井曲线交会特征的识别方法，该方法可直接展示水合物储层的垂向分布模式。为定量评价共生的水合物与游离气，首先基于目标层段岩心实验建立的电阻率增大率与含水饱和度关系，构建了含气饱和度计算模型；在此基础上，利用中子–密度归一化差值计算共生层段的含气饱和度；通过确定束缚水与游离气的相对含量，获得共生层段的水合物饱和度。采用上述方法获得的水合物饱和度与岩心实验结果一致，表明该方法具有可靠性。研究结果确定了共生层段内的水合物含量，为研究区天然气水合物资源量的准确评估提供了依据。

论文解读

一、研究背景与科学问题

天然气水合物是由烃类气体（以甲烷为主，亦可能含重烃、二氧化碳及硫化氢）与水分子在低温高压条件下形成的固态化合物，广泛赋存于海洋大陆边缘及冻土区。在南海神狐海域，天然气水合物的成藏模式表现为气源自下而上运移，在适宜的温度、压力和孔隙空间条件下聚集成藏。随着水合物持续生成，沉积物孔隙被固态水合物充填，渗透率降低，阻碍了下部气体的向上运移；在气源供给充足的条件下，气体在水合物赋存层段之下聚集成游离气，从而形成上部水合物、下部游离气、中部两者共生的垂向分布格局。2018年广州海洋地质调查局在神狐海域钻探中发现了混合层段氯离子浓度异常降低的现象，进一步证实了水合物分解产生淡水导致地层水盐度降低的机制。

这种水合物与游离气共生的现象并非神狐海域独有，在北大西洋Blake Ridge、美国俄勒冈近海、日本南海海槽以及多个北极边缘海域均有观测记录。然而，在测井评价中，共生层段内水合物与游离气的相互作用给定量评价带来了严峻挑战：水合物为固态非导电相，游离气为可压缩气相，二者对测井响应的效应相互抵消；且该层段沉积物为未固结、富含黏土的粉砂质沉积，缺乏胶结作用以稳定测井响应。孔隙度、岩性、孔隙水盐度、相饱和度及水合物赋存形态均会影响各测井读数，由密度、中子及声波测井分别计算的孔隙度在含气和含水合物层段并不一致。因此，亟需建立适用于共生层段的识别与定量评价方法。

二、研究内容与主要技术方法

研究人员基于神狐海域四口钻井的裸眼电缆测井资料（包括自然伽马GR、井径CAL、相位电阻率P40H、补偿中子TNPH、岩性密度RHON及纵波声波时差DTCO），以及四口井压力取心获得的10个沉积物样品，开展了以下研究：首先建立基于三孔隙度曲线交会特征的定性识别方法；其次通过岩心电阻率增大率实验建立含气饱和度计算模型；再次利用中子–密度归一化差值定量计算共生层段含气饱和度；最后结合束缚水饱和度模型计算水合物饱和度。关键实验条件为将岩心恢复至原位温度（16 ℃）和压力（15 MPa）条件，采用底部注气方式模拟气源自下而上的运移过程。

三、研究结果

3.1 三孔隙度交会法定性识别共生层段

通过多口井的测井数据将三条孔隙度曲线按特定比例尺叠合（中子0–100%、密度1–2.7 g/cm3、声波时差800–300 μs/m），在非水合物层段三条曲线相互重合。在水合物层段，密度与声波时差曲线明显交会，形成蓝色交会区；在游离气层段，由于天然气的氢指数远低于地层水，气体替代孔隙水后降低了地层减速快中子的能力，产生“挖掘效应”，导致中子与密度曲线显著交会，形成黄色交会区；在共生层段，两种交会特征同时出现。多口井的交会特征证实了该垂向分布模式在神狐海域水合物成藏中的普遍性。

3.2 基于岩心电阻率增大率的含气饱和度计算

对10个沉积物样品在恢复原位温压条件下进行底部注气实验，测量不同含气饱和度下的电阻率增大率。结果表明电阻率增大率与含水饱和度呈良好的线性关系，据此建立了目标地层基于岩心电阻率增大率的含气饱和度计算模型。

3.3 共生层段含气饱和度的中子–密度差值计算

由于水合物密度（0.92 g/cm3）和含氢指数（1.06）与水（1 g/cm3，含氢指数1）接近，水合物对中子及密度测井影响甚微；而游离气因其低密度和低含氢指数使中子与密度测井值显著降低。通过将密度测井按比例尺转换（RHON_B）与中子测井统一量纲后，二者的差值（Δφ）与含气饱和度呈强线性相关，据此可计算共生层段的游离气饱和度。

3.4 共生层段水合物饱和度计算

基于已有的束缚水饱和度多元回归模型，结合中子密度交会计算的孔隙度、比表面积（区域平均值14.86 m2/g）、泥质含量及地层水盐度（区域经验值3.5%）计算束缚水饱和度，进而由水合物饱和度=1?束缚水饱和度?游离气饱和度求得共生层段的水合物饱和度。在XX井共生层段（144.75–163.25 mbsf）的计算结果为：游离气饱和度11%–35%（平均23%），束缚水含量21%–68%（平均35%），水合物饱和度31%–65%（平均52%），与压力取心实验测得的水合物饱和度结果吻合。

四、讨论与结论

讨论部分指出：三孔隙度交会特征具有唯一性，可通过同井非水合物层段的基线对比、两种交会特征对不同物理性质的响应差异及氯离子异常和压力取心数据的独立佐证加以确认；验证数据具有独立性，电阻率增大率模型基于常压处理后的岩心电学测量标定，而验证数据来自压力取心减压释气测量，二者仅在地质背景上共享，属外部检验；方法存在局限性，包括仅适用于神狐海域未固结富黏土粉砂质沉积、系数嵌入区域比表面积和盐度经验值、水合物赋存形态影响电阻路径、标定井位未包含盲测验证，以及中子–密度差值对任何低密度低含氢指数相均有响应可能导致游离气高估。

研究结论为：（1）三孔隙度交会方法可直观展示水合物储层垂向分布模式，有效识别水合物与游离气共生层段，为储层研究提供测井证据；（2）共生层段含气饱和度可通过归一化中子–密度差值计算，标定用含气饱和度来自基于岩心实验建立的电阻率增大率模型；（3）水合物饱和度由束缚水饱和度与含气饱和度结合求得，结果与岩心实测值高度一致，证明该方法可用于确定共生层段水合物与游离气的相对含量；（4）研究成果为研究区天然气水合物资源量准确评估提供了重要依据，未来可通过优化岩心实验方案、考虑不同岩性类型及补充束缚水和含气量/电阻率增大率实验进一步提高方法精度。