利用钻孔测井和岩心数据表征阿拉斯加北坡天然气水合物生产试验场的物理性质及对天然气水合物饱和度的控制

《Energy & Fuels》：Characterizing Physical Properties and Controls on Gas Hydrate Saturation Using Borehole Log and Core Data at the Alaska North Slope Gas Hydrate Production Test Site

　　

JOGMEC-DOE-USGS阿拉斯加合作天然气水合物研发项目在阿拉斯加北坡的Kuparuk State 7-11-12场地获取了丰富的地球物理数据，以促进场地表征和2023–2024年延长持续时间储层响应天然气生产试验数据的解释。研究人员整合钻孔测井和岩心数据，以表征储层及其围层，并研究控制天然气水合物饱和度的地质因素。利用钻孔密度测井和岩心来源的颗粒密度信息，研究人员计算了该场地四口天然气水合物井的地层孔隙度。同时，研究人员基于保压岩心获取的密度数据，开发了一个更高分辨率的孔隙度模型。研究人员基于电阻率以及纵波和横波声波速度（分别为V_P和V_S）测井数据，得出了三个独立的天然气水合物饱和度（S_h）估算值。这些基于测井的估算值彼此一致，也与保压岩心中S_h的直接测量值以及核磁共振（NMR）测井的估算值一致。将基于纵波的S_h估算值与储层质量相关的各种参数联系起来，研究人员观察到黏土含量（由岩心样品的X射线衍射分析和伽马射线测井估算的黏土组分指示）与S_h表现出最强的相关性，在黏土组分最低的地层中发现最高的S_h。来自两个目标储层的数据表明，黏土含量从6%增加到14%对应S_h从85%降低到30%。相同的黏土含量范围也对应NMR测井导出的固有渗透率从1500降至6 mD的变化。研究人员观察到较大的粒径与较高的S_h相关，但总体而言，粒径与S_h之间的关系不太明确。

天然气水合物是极具潜力的未来能源资源，砂质储层中的水合物被认为是商业开采最有利的目标。阿拉斯加北坡的Kuparuk 7-11-12场地是JOGMEC-DOE-USGS合作项目的重要研究区，该场地在2023–2024年间开展了延长持续时间的降压生产试验。为了准确解释生产动态，必须系统刻画储层及围层的物理性质，并查明控制水合物分布与饱和度的地质因素。然而，不同地球物理测量方法具有不同的空间分辨率和不确定性，地质异质性可能掩盖真实信号，因此整合多源数据、评估方法局限性成为关键需求。这项研究旨在利用钻孔测井与岩心数据，为场地建立可靠的孔隙度和水合物饱和度模型，并探讨储层物性对S_h的控制作用。论文发表在《Energy》。

研究人员以Geo Data Well（GDW）为重点，结合另外三口井（STW、PTW-1、PTW-2）的随钻测井（LWD）数据，开展了系统的储层评价。他们利用密度测井和岩心颗粒密度分析成果，构建了随深度变化的颗粒密度函数，并据此计算了四口井的地层孔隙度；同时，基于保压岩心在压力岩心分析与转移系统（PCATS）中获取的高分辨率密度数据，建立了更高分辨率的孔隙度模型。研究人员采用Archie公式从电阻率测井估算S_h，并利用有效介质理论（EMT）分别从纵波速度（V_P）和横波速度（V_S）测井获得另外两个独立的S_h估算值。三种基于测井的估算结果与保压岩心脱气直接测量值以及核磁共振（NMR）测井反演结果具有良好一致性。在此基础上，研究人员将V_P导出的S_h与粒度（激光衍射分析）、黏土矿物含量（X射线衍射分析）、泥质含量（V_shale，由伽马射线测井计算）及固有渗透率（K_i，由NMR测井计算）等参数进行交叉分析，以识别控制水合物饱和度的主导因素。

主要研究结果包括：（1）在GDW的B1砂层，V_P、V_S和电阻率三种方法得到的S_h约为80%；D1砂层约为60%；C0砂层顶部薄层约为60%。这些结果与岩心脱气及NMR测井结果吻合，且与钻进过程中观测到的气体流动记录定性一致。（2）对比各井结果，主要储层S_h分布相似，但B1砂层在GDW中显示出更明显的垂向非均质性，存在两个低饱和度薄带。（3）交叉图分析表明，黏土含量（或V_shale）与S_h呈最强的负相关关系：黏土含量从6%增至14%时，S_h从85%降至30%；同时NMR导出的K_i从1500 mD降至6 mD。粒度和分选与S_h的关系较弱，较大粒径虽对应较高饱和度，但规律性不如黏土含量明显。（4）基于V_shale–K_i–S_h关系建立的S_{h_VshKi}曲线，能够较好再现B1砂层内数英尺尺度的S_h变化趋势，表明利用储层物性预测水合物饱和度具有可行性。

讨论部分围绕三个主题展开。在“Relationships between Reservoir Properties and Gas Hydrate Saturation”中，研究人员指出C0砂层下部和C1砂层尽管具有类似的良好储层品质（低V_shale、较高孔隙度），但水合物饱和度极低，推测可能受气体供给不足限制；STW中D1砂层底部的水饱和现象可能反映古气水接触面。在“Measurement Resolution and Scales of Geologic Heterogeneity”中，研究人员讨论了测井数据垂向分辨率与深度对齐问题，PCATS数据虽提供厘米级采样，但与测井深度精确匹配存在困难，更适合用于验证测井解释。在“VP/VS Relationships and Gas Hydrate Morphology”中，通过V_P–V_S交会图分析，多数数据点位于载荷承载型水合物的趋势线附近，表明水合物可能以承载形态产出；不同井间的差异可能与黏土含量变化及横向非均质性有关。

研究结论可归纳为：利用LWD数据结合岩心数据，成功构建了四个井的孔隙度模型和三种独立的S_h估算，它们与NMR及保压岩心测量一致。黏土含量（主要由V_shale指示）是控制S_h和K_i的最主要因素：黏土含量低于10%时，S_h通常高于60%，K_i通常大于100 mD；较大粒径与S_h呈较弱正相关。基于V_shale–K_i关系的S_{h_VshKi}估算代表了给定物性组合下S_h的集中趋势，展示了从储层物性预测水合物饱和度的潜力，为水合物开采建模和资源评价奠定了基础。未来工作需进一步改进测井与岩心数据的深度对齐，并引入黏土类型等更精细的信息，以提升预测能力。