陳 鳴, 孫殿強, 吳進波, 王 彬, 曲長偉

(1.中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.斯倫貝謝中國公司，北京 100015)

天然氣水合物(俗稱“可燃冰”)是由水分子組成的籠狀構架將小型氣體分子吸附其中而形成的似冰狀固體，在自然界中甲烷水合物分布最為常見[1]。天然氣主要分布在陸緣海水深超過300 m的沉積物中，此外在高緯度高海拔的凍土帶也見天然氣水合物的富集成藏[2-3]。單位體積的天然氣水合物分解可產(chǎn)生146 m3的氣體，因此天然氣水合物被視為一種潛在的新型能源，據(jù)統(tǒng)計其資源量是石油、天然氣等常規(guī)能源的2倍多[3]。但是，天然氣水合物的開采可能會帶來溫室效應、鉆井事故和海底滑坡等地質災害[2-3]，因此受到人們的關注。

目前水合物的研究面臨著諸多困難：①水合物儲層埋藏淺、時代新、結構松散，儲層孔隙度及滲透率與常規(guī)油氣儲層有著天壤之別；②與常規(guī)油氣不同，水合物以固態(tài)形式賦存；③水合物的成藏保存必須有特定的溫度和壓力條件，在鉆井過程或者取心過程中，水合物的溫壓條件發(fā)生變化，水合物常發(fā)生分解，對水合物的賦存特征的研究很難得到原位的狀態(tài)。因此不能將傳統(tǒng)油氣系統(tǒng)的評價方法直接套用于水合物的儲層評價中。近年來，眾多學者對水合物的研究主要通過地震、地球化學及取心等方法[4-8]，但這些研究手段面臨著周期長、成本高及精度低等不足。測井手段以其高精度及連續(xù)性的特點已成為油氣勘探不可或缺的手段，眾多學者逐步將測井手段應用到對水合物儲層特征的研究中[9-14]。

中國南海瓊東南盆地松南低凸起油氣資源豐富，成為近年來水合物勘探的重點靶區(qū)。本文以最新采集的隨鉆測井數(shù)據(jù)為基礎，首次將隨鉆電阻率成像技術引入該區(qū)水合物賦存狀態(tài)、成藏序列、儲層沉積及構造特征的研究中，并結合區(qū)域地質及地球物理資料確定水合物勘探的主要潛力區(qū)，為水合物勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質背景

瓊東南盆地是新生代以來南海北部發(fā)育的大型斷陷沉積盆地，位于海南島東南與西沙隆起區(qū)之間，呈北東向延伸，是南海北部油氣勘探的主戰(zhàn)場[15-18](圖1)。瓊東南盆地自北向南劃分為北部拗陷帶、中部隆起帶、中央拗陷帶及南部隆起。松南低凸起是位于中央拗陷帶的一個正向構造單元，其被樂東-陵水凹陷、松南-寶島凹陷、長昌凹陷所包圍，呈現(xiàn)典型的“多凹環(huán)抱”的構造格局，是油氣運移和聚集成藏的主要靶區(qū)[15-18](圖1)。

松南低凸起構造活動受控于瓊東南盆地整體的構造運動，先后經(jīng)歷了古新世至早漸新世的斷陷期、晚漸新世的斷拗轉換期及中新世至第四紀的拗陷期[19-20](圖1)。松南低凸起自下而上依次發(fā)育崖城組、陵水組、三亞組、梅山組、黃流組、鶯歌海組及更新統(tǒng)地層。其中崖城組與陵水組主要發(fā)育在斷陷期及斷拗轉換期，儲層主要為扇三角洲砂體；三亞組至黃流組主要發(fā)育于拗陷期，海底扇沉積為主要的儲層類型；鶯歌海組及樂東組厚層海相泥巖構成了區(qū)域性蓋層。

圖1 瓊東南盆地構造區(qū)劃及松南低凸起地層柱狀圖Fig.1 Tectonic division of Qiongdongnan Basin and stratigraphic column of Songnan low uplift, western portion of South China Sea (據(jù)楊計海等[17]修改)

2 水合物測井識別

若想基于測井手段對水合物進行識別及評價，首先需要對水合物的物理特性進行綜合分析，確定哪些測井方法適用于水合物的識別與評價。水合物、水的密度和中子孔隙度值較為接近，都接近1，但游離氣的密度和中子孔隙度值略偏低(表1)。從電阻率上看，水合物和游離氣的電阻率均呈高值，而地層水電阻率則相對較低(表1)。從聲波時差上看，水合物為固態(tài)，其縱波時差較小，縱波速度較快；游離氣的縱波時差較大，縱波速度較慢；而地層水的縱波時差則在水合物和氣之間，約為656 μs/m(表1)。從核磁孔隙度上看，由于水合物為固體，核磁無響應，因此水合物核磁孔隙度為0；游離氣在核磁中的孔隙度值相對較低；而在地層水中，核磁孔隙度接近1(表1)。通過上述分析可得，對水和水合物的識別要依靠電阻率、核磁孔隙度和縱波時差的變化；而對水合物和氣的識別主要通過中子孔隙度、密度和縱波時差的變化(表1)。

表1 天然氣水合物測井響應特征Table 1 Logging response of natural gas hydrate (NGH) reservoir

以研究區(qū)L6井為例，在X993.3～X999.7 m層段伽馬和井徑?jīng)]有發(fā)生明顯變化，表明巖性未發(fā)生改變；深淺側向電阻率及深淺感應電阻率均明顯增大，聲波縱波時差相對于基線略有變小，縱波速度變快；密度值略有下降，核磁孔隙度也有降低的趨勢；電阻率圖像上呈現(xiàn)出高亮的特征：綜合以上測井響應特征確定該層段發(fā)育水合物(圖2)。Y002.1～Y010.1 m層段的測井響應特征與X993.3～X999.7 m層段相似，因此確定該層段也發(fā)育水合物；不同點在于深淺側向電阻率及深淺感應電阻率值低于X993.3～X999.7 m層段，主要是因為Y002.1～Y010.1 m層段水合物飽和度比X993.3～X999.7 m層段水合物飽和度低。

圖2 松南低凸起水合物儲層典型測井響應特征Fig.2 Typical logging response of gas hydrate reservoir in Songnan low uplift

3 水合物成藏特征

3.1 水合物宏觀賦存狀態(tài)

水合物是在一定溫度和壓力條件下由水和氣體在地下形成的固體，這種固體既可以充填于顆粒孔隙中，也可以骨架的形式支撐分散的顆粒，宏觀上表現(xiàn)為一定的賦存狀態(tài)，例如厚層狀水合物、分散狀水合物、薄層狀水合物等。水合物賦存狀態(tài)直接影響水合物開采方案及井壁穩(wěn)定性的研究設計，因此確定水合物賦存狀態(tài)至關重要。之前對水合物賦存狀態(tài)的研究只能基于巖心資料，但在取心過程中水合物常發(fā)生分解，且?guī)r心資料不連續(xù)、周期長、成本高，造成對水合物賦存狀態(tài)的研究還處于萌芽階段。隨著高精度、連續(xù)性好的測井技術逐步引入水合物研究中，對水合物賦存狀態(tài)的研究也日益精進。本文以高分辨率隨鉆電阻率成像為分析基礎，結合電阻率頻譜分析及Sand Counting分析[9,12]對水合物在地下的賦存狀態(tài)進行精細表征，為水合物勘探試采提供指導。

前文已論述了研究區(qū)L6井縱向上發(fā)育2套水合物層，分別為X993.3～X999.7 m層段及Y002.1～Y010.1 m層段，兩者測井響應相似，但水合物的賦存狀態(tài)卻有所不同。X993.3～X999.7 m層段水合物厚度較大，縱向上厚度可達6.4 m，水合物呈分散浸染狀分布于地層中(圖3)?；陔娮杪食上馭and Counting分析確定該層段水合物主要為相對高飽和水合物，其次為中飽和水合物；電阻率頻譜分析結果表明該層段水合物分選系數(shù)較大，分選性較差，頻譜較寬，具有一定的非均質性(圖3)；此外，該層段水合物飽和度較高，大約為20%。基于以上分析，確定X993.3～X999.7 m層段水合物賦存狀態(tài)主要為分散狀水合物(圖3)。

L6井Y002.1～Y010.1 m層段水合物單層相對較薄，一般小于1 m，水合物主要以薄層狀分布于基質中(圖3)。該層段高飽和水合物含量降低，而中飽和水合物含量增加；分選系數(shù)大，分選性差，電阻率頻譜寬，非均質性強；此外，該層段水合物飽和度較低，一般小于10%(圖3)：綜合以上分析確定Y002.1～Y010.1 m層段水合物賦存狀態(tài)主要為薄層狀水合物。

對研究區(qū)顯示水合物較好的L7井也進行了水合物賦存狀態(tài)的分析，L7井X998～Y004 m層段水合物厚度可達6 m，水合物也呈分散浸染狀分布于基質中(圖4)。該層段以高飽和水合物為主，其次為中飽和水合物；分選性較差，具有一定的非均質性，且水合物飽和度較高(圖4)，與L6井X993.3～X999.7 m層段水合物相似，發(fā)育分散狀水合物。L7井Y009～Y016.8 m層段水合物單層厚度小于1 m，中飽和水合物含量增加且高飽和水合物含量降低，同時水合物層分選性差，非均質性強，水合物飽和度較低，與L6井Y002.1～Y010.1 m層段水合物一致，主要發(fā)育薄層狀水合物。

圖3 L6井水合物宏觀賦存狀態(tài)Fig.3 Occurrence mode of gas hydrate in Well L6

在單井水合物賦存狀態(tài)分析的基礎上，綜合不同井位水合物賦存狀態(tài)的發(fā)育情況，從而建立研究區(qū)縱向上水合物的成藏序列。研究區(qū)縱向上水合物主要有2個發(fā)育層段，分別為淺層分散狀水合物和深層薄層狀水合物[9](圖4)。淺層分散狀水合物單層厚度較大，一般超過5 m，分布在泥面之下150～230 m的范圍內(nèi)，分選性較差且具有一定的非均質性，水合物飽和度較高，一般大于20%(圖4)。深層薄層狀水合物單層厚度較薄，但累計厚度也可達5～10 m，主要分布在泥面之下270～290 m的范圍內(nèi)，分選性差且非均質性強，水合物飽和度較低，一般小于10%(圖4)。水合物成藏序列的建立可確定主要水合物層縱向上的分布范圍，為水合物的成藏研究及勘探開發(fā)提供理論指導。

3.2 水合物微觀賦存狀態(tài)

水合物的宏觀賦存狀態(tài)展示了肉眼可視的水合物狀態(tài)，而水合物的微觀賦存狀態(tài)反映了水合物與周圍沉積物環(huán)境的相互關系，并決定水合物沉積的基本物理特性。結合前人研究成果，主要認為存在4種水合物微觀賦存狀態(tài)，分別為顆粒膠結型、顆粒包裹型、骨架支撐型和孔隙填充型[21-22](圖5)。不同水合物微觀賦存狀態(tài)會表現(xiàn)不同的測井響應，尤其是在聲波上，因此可通過水合物層段聲波和飽和度的交匯圖來判斷水合物的微觀賦存狀態(tài)。結合研究區(qū)水合物顯示較好的L6和L7井的聲波和水合物飽和度計算結果，對研究區(qū)域水合物的微觀賦存狀態(tài)進行了分析，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)采樣點都落在骨架支撐型和孔隙填充型范圍內(nèi)及其附近，因此研究區(qū)水合物微觀賦存方式是以骨架支撐型和孔隙填充型為主(圖5)。水合物微觀賦存狀態(tài)的研究有助于研究水合物的成藏模式，并可進行在水合物開采過程中井壁穩(wěn)定性的模擬。

圖4 研究區(qū)水合物縱向成藏序列特征Fig.4 Characteristics of longitudinal accumulation sequence of gas hydrate reservoir in the study area

圖5 研究區(qū)水合物微觀賦存狀態(tài)Fig.5 The microscopic occurrence state of hydrate in the study area

4 水合物儲層特征

4.1 儲層巖性特征

研究區(qū)水合物儲層巖石顆粒較細，以泥質粉砂巖及粉砂質泥巖為主。結合XRD分析結果，研究區(qū)水合物儲層主要發(fā)育黏土礦物、巖石碎屑及碳酸鹽礦物三大類，主要為黏土礦物，其次為巖石碎屑，而碳酸鹽礦物含量較少(圖6)。不同鉆井中的水合物儲層礦物組成也略有不同，其中L6井及L8井水合物儲層礦物組成較為相似，以黏土礦物為主，巖石碎屑變化較大(圖6-A、C)；而L7井水合物儲層中黏土礦物含量最多，但巖石碎屑變化較小，分布較為集中(圖6-B)。

4.2 儲層物性特征

研究區(qū)水合物儲層埋藏淺，壓實程度較弱，造成水合物儲層孔隙度往往偏高。L6井儲層孔隙度主要分布在33%～55%，平均為43%(圖6-D)；L7井儲層孔隙度主要分布在34%～56%，平均為44%(圖6-E)；L8井儲層孔隙度主要分布在34%～60%，平均為37%(圖6-F)。前文已論述，水合物微觀賦存狀態(tài)主要為孔隙填充型及骨架支撐型，且水合物儲層巖石粒度較細，含有較多的黏土礦物，因此水合物儲層滲透率常常呈現(xiàn)出較低的特征。L6井儲層滲透率主要分布在(0.01～9.9)×10-3μm2，平均為0.09×10-3μm2(圖6-G)；L7井儲層滲透率主要分布在(0.01～9.6)×10-3μm2，平均為0.10×10-3μm2(圖6-H)；L8井儲層滲透率主要分布在(0.01～59.2)×10-3μm2，平均為0.15×10-3μm2(圖6-I)。

圖6 松南低凸起水合物儲層巖性及物性特征Fig.6 Lithological and petrophysical characteristics of gas hydrate reservoir in Songnan low uplift area

5 水合物儲層沉積與構造特征

水合物勘探的重點內(nèi)容之一是要對地下水合物儲層進行精細表征，水合物賦存狀態(tài)和成藏特征的研究可提供水合物縱向及橫向的展布狀態(tài)，另外一個重要的要素就是要對水合物儲層沉積與構造特征進行分析。

5.1 水合物儲層沉積特征

通常來講，泥巖常形成于沉積水體能量較低的環(huán)境，泥巖中發(fā)育的地層界面特征可以較為客觀地反映區(qū)域整體沉積特征。泥巖中的地層界面在高分辨率電阻率圖像中表現(xiàn)為以中心為軸的對稱的正弦或余弦曲線，其“幅度”較小，呈現(xiàn)出水平層理的特征(圖7-A、B、C、D)。研究區(qū)的地層傾角較小，反映地層產(chǎn)狀較為平緩，未發(fā)生較大的變化。這表明研究區(qū)整體沉積環(huán)境較為穩(wěn)定，處于一個地形相對較為平緩的背景中。

圖7 松南低凸起水合物儲層水平層理及變形層理成像特征Fig.7 Characteristics of horizontal bedding and deformed bedding of gas hydrate reservoir in Songnan low uplift area

圖像灰度、形態(tài)變化是沉積構造識別的主要依據(jù)，常見沉積構造在電阻率成像測井圖像上均有不同程度的顯示。研究區(qū)水合物儲層典型的沉積構造類型為變形層理，變形層理傾向變化較大，傾角集中在幾度至幾十度之間，在高分辨率電阻率圖像中表現(xiàn)為“幅度”中等的正弦或余弦曲線(圖7-E、F、G、H)。對于變形層理的成因，之前學者普遍認為當研究區(qū)發(fā)育重力滑塌體或者濁流、等深流等重力流沉積環(huán)境，由于滑塌變形構造是一種雜亂構造活動，造成在地層中均發(fā)育變形層理[23]；且坡度越陡，滑塌變形構造越發(fā)育，變形層理角度越大。針對淺層弱壓實、未固結的水合物儲層而言，筆者認為變形層理的成因可能還有以下2種可能：①水合物形成時由于孔隙中流體與氣體形成固態(tài)水合物時造成地層變形；②由于在鉆井過程中水合物發(fā)生分解，氣體逸散造成地層發(fā)生變形從而形成變形層理。

前文已論述研究區(qū)地層產(chǎn)狀較為穩(wěn)定，因此不存在濁流等沉積環(huán)境，因此研究區(qū)水合物儲層中發(fā)育的變形層理可能與水合物本身有關。對研究區(qū)各鉆井中的變形層理進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，水合物飽和度越高，變形層理傾角變化范圍越大，傾角平均值越大。因此變形層理的成因是在水合物形成過程中，由于孔隙中液體與氣體形成固態(tài)水合物時造成地層變形；并且在鉆井過程中水合物層段溫壓條件發(fā)生變化，水合物發(fā)生分解，氣體逸散造成地層變形：兩者共同作用造成地層中變形層理發(fā)育。

5.2 水合物儲層構造特征

儲層構造特征主要表現(xiàn)在兩個方面：一個是由古應力場形成的斷層、裂縫等，這些構造產(chǎn)物常作為油氣的疏導通道，有利于油氣的縱向及橫向運移；另一個就是由現(xiàn)今應力場形成的誘導縫及井壁崩落等產(chǎn)物，此類構造產(chǎn)物指示現(xiàn)今應力場方向，幫助判斷現(xiàn)今應力場模式，進而為水平井鉆進方向的設計提供依據(jù)。

前人對斷層的識別?；诘卣鹳Y料，但由于地震資料分辨率低且信噪比較差，因此通過地震資料識別的斷層常屬于規(guī)模較大的斷層，而規(guī)模較小的斷層在地震剖面上無法識別。隨鉆高分辨率電阻率成像具有較高的分辨率，分辨率約為3 cm，因此隨鉆高分辨率電阻率成像既可識別出規(guī)模較大的斷層并與地震資料互相刻度，也可判斷地震剖面無法識別的規(guī)模較小的微斷層。根據(jù)高分辨率電阻率成像，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)主要發(fā)育微斷層、高導縫及高阻縫。微斷層及高導縫的斷面為低阻特征(圖8-A、B、C)，在電阻率靜態(tài)圖像上表現(xiàn)為暗色的正弦曲線，微斷層與高導縫不同之處在于可見微斷層的斷面兩側地層錯動(圖8-A)，而高導縫兩側地層未見明顯錯動(圖8-B、C)。微斷層及高導縫均處于開啟狀態(tài)，常作為氣體或液體向上運移的通道。高阻縫的縫面在電阻率靜態(tài)圖像上表現(xiàn)為亮色的正弦曲線(圖8-D)，說明其被高阻物質所充填，是一種閉合型的裂縫，不再作為氣體或液體運移的通道，對液體及氣體的疏導作用有限。

圖8 松南低凸起水合物裂縫、斷層及誘導縫成像特征Fig.8 Imaging characteristics of hydrate fracture, fault and induced fracture in gas hydrate reservoir in Songnan low uplift area

誘導縫在成像圖上表現(xiàn)為一組平行且呈180°對稱的高角度裂縫，多為羽狀特征(圖8-E)，這組裂縫的方向即為現(xiàn)今最大水平主應力的方向；井壁崩落在圖像上表現(xiàn)為兩條180°對稱的垂直長條暗帶或暗塊(圖8-E)，井眼崩落的方位即為地層現(xiàn)今最小水平主應力方位。由于研究區(qū)水合物儲層埋藏相對較淺，誘導縫及井壁崩落發(fā)育程度較弱。研究區(qū)內(nèi)誘導縫方位主要為北東-南西向(圖8-F)，因此現(xiàn)今最大水平應力方向為北東-南西向，最小水平應力方向為北西-南東向?，F(xiàn)今地應力方向的分析能夠為后期水平井鉆進方向的設計、壓裂和注水等生產(chǎn)措施的確定提供依據(jù)。

6 勘探潛力

水合物勘探的重點一方面是對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進行分析，從而確定研究區(qū)內(nèi)水合物儲層發(fā)育情況；更重要的是基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，確定今后水合物的勘探方向，從而為后期水合物試產(chǎn)指明方向。前人研究表明瓊東南盆地淺層廣泛發(fā)育氣煙囪[24-26]，氣煙囪常作為縱向上氣體和液體的疏導通道，是溝通深部氣源和淺部水合物儲層的“橋梁”，有利于水合物富集成藏，造成瓊東南淺層氣煙囪附近的鉆井往往具有較好的水合物顯示。

研究區(qū)地震剖面上可見明顯的同相軸“上拉”現(xiàn)象，表明研究區(qū)發(fā)育氣煙囪這種地質構造，而且在氣煙囪附近可見疑似水合物的振幅異常。對研究區(qū)所有的井位進行對比分析，結果發(fā)現(xiàn)東南方向的L5井Y015～Y021 m層段及L3井X985～Y018 m層段電阻率有明顯抬升的趨勢，并且這兩口鉆井中電阻率抬升的層段與L6井水合物發(fā)育的層段相對應(圖9)。在研究區(qū)這種地層沉積穩(wěn)定的環(huán)境中，推測L5井Y015～Y021 m層段及L3井X985～Y018 m層段也是發(fā)育厚層水合物的。此外，在L3、L5及L6井電阻率抬升的層段衰減電阻率及相移電阻率出現(xiàn)了明顯的分異，那么為什么在這3口鉆井中發(fā)生衰減電阻率和相移電阻率分異呢？

東南方向的L3、L5和L6三口井是靠近氣煙囪實施的鉆井，地震資料上氣煙囪可見明顯的同相軸上拉特征，表明在氣煙囪內(nèi)發(fā)育高角度的地層，這種高角度的變形常近乎直立，且全部地層都有這種高角度變形，其角度可達80°～90°，主要是由熱流體活動而形成，與前文提到的水合物層段變形層理成因不同。因此在氣煙囪里面地層具有較強的非均質性，造成電阻率測量結果產(chǎn)生各向異性；同時衰減電阻率和相移電阻率的測量范圍有所不同，衰減電阻率探測范圍更深，這種強非均質性的地層導致在衰減電阻率及相移電阻率出現(xiàn)明顯分異的情況。鉆井及地震資料均驗證了研究區(qū)東南方向為有利的水合物勘探靶區(qū)[9]。

圖9 松南低凸起水合物勘探方向預測Fig.9 Exploration potential of gas hydrate reservoir in Songnan low uplift area

7 結 論

a.研究區(qū)水合物具有高電阻率、快聲波速度及低核磁孔隙度的測井響應，宏觀上在縱向識別了淺層分散狀及深層薄層狀水合物層段，具有一定的非均質性，微觀上以孔隙填充型及骨架支撐型為主。

b.研究區(qū)水合物儲層巖石粒度較細，以粉砂質泥巖及泥質粉砂巖為主，黏土礦物占主導地位；由于水合物儲層埋藏淺、壓實弱，造成孔隙度高；而水合物儲層巖石粒度較細且孔隙中有水合物填充，儲層滲透率整體偏低。

c.研究區(qū)水合物儲層沉積環(huán)境較為穩(wěn)定，水合物層段常見變形層理，其成因與水合物形成過程中的相態(tài)變化和鉆井過程中水合物分解有關。

d.研究區(qū)發(fā)育微斷層及裂縫等古應力場產(chǎn)物，其常作為液體和氣體的疏導通道，有利于水合物的聚集成藏；此外，還發(fā)育了誘導縫這種現(xiàn)今應力場的產(chǎn)物，指示現(xiàn)今最大水平應力為北東-南西向。

e.研究區(qū)東南方向發(fā)育氣煙囪，且氣煙囪附近鉆井中水合物厚度及飽和度均較高，井震資料結合確定研究區(qū)東南方向為下一步水合物的勘探方向。