潘豪杰，李勇根，魏超，桂志先，李曉明，張翔*，趙懿，張偉

1 長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，武漢 430100 2 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083 3 中國石油華北油田勘探部，河北任丘 062552 4 中國石油集團(tuán)測井有限公司華北事業(yè)部，河北任丘 062552

0 引言

天然氣水合物是由天然氣和水在高壓低溫條件下形成的籠狀晶體化合物，廣泛分布于陸域永久凍土帶和大陸邊緣深水盆地的沉積物中（Kvenvolden,1993）.水合物因其能量密度高、儲量規(guī)模大、埋藏深度淺、分布范圍廣和開發(fā)前景好而被譽(yù)為繼煤層氣、致密油氣和頁巖油氣之后最具潛力的替代能源（寧伏龍等,2020；文鵬飛等，2021）.然而，水合物的分解又會誘發(fā)海洋地質(zhì)災(zāi)害和引起全球氣候變化（Riedel et al.,2010）.因此，預(yù)測水合物含量和空間展布規(guī)律具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價值.

天然氣水合物的存在往往會顯著地改變地震波速度、衰減、電阻率、滲透率和剪切強(qiáng)度等基本物理性質(zhì)（Best et al.,2013;Konno et al.,2015;Yoneda et al.,2019;裴發(fā)根等，2020；Ren et al.,2020;Zhang et al.,2021）.然而，這些巖石物理特性變化的幅度不僅與水合物飽和度有關(guān)，也與水合物賦存模式密切相關(guān)（Ojha et al.,2010）.這種水合物賦存形態(tài)和飽和度之間的耦合影響會引起地球物理響應(yīng)特征的非均勻變化，致使水合物儲層的地球物理表征存在多解性和不確定性.此外，受地質(zhì)與地球物理?xiàng)l件的影響，水合物在實(shí)際地層中賦存形態(tài)復(fù)雜多樣、多種模式共存，導(dǎo)致水合物資源量精細(xì)評價面臨著巨大的挑戰(zhàn).

水合物飽和度的準(zhǔn)確預(yù)測依賴于可靠的賦存形態(tài)信息.為了表征水合物在孔隙空間中的微觀賦存模式，許多學(xué)者先后提出了取樣巖心觀察（Holland et al.,2008）、X射線CT 掃描分析（Chaouachi et al.,2015;Sahoo et al.,2018）、電阻率成像測井（Cook et al.,2008）、速度與密度組合敏感因子（Liu and Liu,2018）、縱波速度和電阻率交會模版（Lee and Collett,2009）以及縱橫波速度（或衰減）與水合物飽和度交會圖版（Dai et al.,2004;Zhan and Matsushima,2018）等識別方法.一般地，取芯分析技術(shù)的巖心保真難、取樣成本高、覆蓋范圍小，而且基于該方法識別的水合物產(chǎn)狀特征（如塊狀、脈狀和層狀等）難以直接建立與地球物理響應(yīng)特征之間的量化關(guān)系.電阻率成像是定性識別孔隙充填和裂縫充填型水合物的有效手段，但其垂向分辨率低且不適用于低角度（<10°）裂縫的識別（Cook et al.,2008;Collett et al.,2019）.與定性識別方法不同，速度與密度組合敏感因子和縱波速度與電阻率交會圖版是以巖石物理模型為基礎(chǔ)，利用彈性和電性響應(yīng)特征的差異實(shí)現(xiàn)孔隙充填型和裂縫充填型水合物的半定量識別，但其無法區(qū)分骨架支撐和膠結(jié)等其他賦存形態(tài)（Liu and Liu,2018）.縱橫波速度（或衰減）與水合物飽和度的交會圖版通常能識別水合物的主導(dǎo)賦存形態(tài)（Dai et al.,2004;Zhan and Matsushima,2018），但難以合理判識復(fù)雜水合物賦存形態(tài).再者，利用不同測量數(shù)據(jù)（滲透率、速度、電阻率等）識別的主要賦存形態(tài)可能差異較大（Yoneda et al.,2019）.因此，亟需發(fā)展復(fù)雜賦存形態(tài)和水合物飽和度同步預(yù)測技術(shù)，以提高賦存形態(tài)識別和水合物飽和度預(yù)測的精度.

地震巖石物理模型建立了水合物儲層微觀結(jié)構(gòu)、物性參數(shù)與彈性響應(yīng)特征之間的量化關(guān)系，為厘清水合物飽和度和賦存形態(tài)對水合物儲層彈性性質(zhì)的影響奠定了理論基礎(chǔ).目前，國內(nèi)外許多學(xué)者提出了一系列用于計(jì)算巖石彈性模量和預(yù)測水合物飽和度的巖石物理模型，大致可分為：顆粒有效介質(zhì)模型、包含物模型和孔隙彈性理論模型.以膠結(jié)模型（Dvorkin and Nur,1996）和接觸模型（Helgerud et al.,1999）為主的顆粒有效介質(zhì)模型通常將沉積物顆粒視為理想彈性球的隨機(jī)集合體，水合物視為膠結(jié)物或孔隙充填物，基于顆粒之間的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系推導(dǎo)接觸剛度和彈性模量，預(yù)測的剪切模量和橫波速度往往偏高.常用的包含物模型是三相或四相Kuster-Toks?z模型（Lee et al.,1996）和自相容-微分等效介質(zhì)模型（SCA-DEM）（Jakobsen et al.,2000;Chand et al.,2006;Liu et al.,2018）.前者將球形沉積物顆粒視為包含物，加入到以水合物和水組成的背景基質(zhì)中，利用迭代方法計(jì)算地層有效彈性模量，適用于高孔隙度（超過80%）的水合物地層；后者考慮了水合物和沉積物顆粒的微觀結(jié)構(gòu)及其連通性，然而水合物充當(dāng)包含物和沉積物顆粒一部分時預(yù)測的不含水合物地層速度差異很大（Chand et al.,2006）.孔隙彈性理論主要是考慮了沉積物顆粒、水合物和孔隙流體之間的相互作用對水合物地層整體彈性性質(zhì)的影響，這方面代表性的模型包括改進(jìn)的Biot-Gassmann理論（BGTL）（Lee,2002）和簡化三相方程（STPE）（Carcione and Gei,2004;Lee and Waite,2008）.BGTL模型基于經(jīng)典Biot-Gassmann方程計(jì)算體積模量，利用沉積物速度比與基質(zhì)速度比之間的關(guān)系修正剪切模量，但需要有實(shí)驗(yàn)或者測井?dāng)?shù)據(jù)等對各種經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；STPE模型利用改進(jìn)的Lee-Pride模型（Pride et al.,2004）計(jì)算干巖石模量，該方程更適合于含水合物的砂巖儲層而非富泥質(zhì)儲層.此外，這些巖石物理模型在實(shí)際應(yīng)用時簡化了賦存形態(tài)假設(shè)，主要針對各向同性或弱各向異性含單一賦存形態(tài)水合物儲層，難以合理表征各向異性復(fù)雜賦存形態(tài)水合物儲層彈性響應(yīng)模式.因此，需要根據(jù)實(shí)際儲層礦物、水合物賦存形態(tài)及孔隙流體特征選擇合適的理論支撐，使巖石物理建模結(jié)果能夠逼近實(shí)際水合物儲層特征.

本文針對復(fù)雜賦存形態(tài)水合物地層，基于邊界平均模型、包含物模型、廣義有效介質(zhì)模型和孔隙彈性理論等，建立了同時含六種賦存形態(tài)水合物儲層巖石物理模型.通過數(shù)值模擬分析了不同賦存形態(tài)和水合物飽和度對巖石彈性特性的影響，結(jié)合聲學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所建模型的有效性和可靠性，利用凍土區(qū)水合物測井?dāng)?shù)據(jù)測試了單一和多重賦存形態(tài)對飽和度預(yù)測精度的影響，聯(lián)合海域水合物縱橫波速度和密度測井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)測了水合物飽和度和賦存形態(tài)百分比，為水合物儲層地震精細(xì)刻畫提供重要的理論和技術(shù)支撐.

1 多重賦存形態(tài)水合物巖石物理建模

按照水合物與沉積物顆粒之間的微觀結(jié)構(gòu)特征，Dai等（2004）系統(tǒng)總結(jié)了六種水合物微觀分布模式：接觸膠結(jié)、顆粒包裹、骨架支撐、孔隙充填、基質(zhì)與包含物共存和結(jié)核/裂隙充填形態(tài)（圖1）.然而，不同賦存形態(tài)的水合物影響巖石彈性性質(zhì)的方式存在一定差異.一般地，占據(jù)孔隙空間的接觸膠結(jié)和顆粒包裹型水合物固結(jié)沉積物顆粒、降低地層孔隙度并增強(qiáng)沉積物剛度；骨架支撐和基質(zhì)與包含物共存型水合物可視為固體基質(zhì)的一部分，降低地層孔隙度并增加巖石基質(zhì)的彈性模量；孔隙充填型水合物只改變孔隙流體的體積模量而不影響巖石基質(zhì)模量；結(jié)核/裂隙充填型水合物使沉積物顆粒分離，并逐漸形成含水合物的結(jié)核和裂隙等，使得水合物地層具有各向異性特征（Lee and Collett,2009）.依據(jù)上述六種微觀賦存形態(tài)水合物對彈性模量影響機(jī)制的差異性，選用不同的巖石物理理論構(gòu)建復(fù)雜賦存形態(tài)水合物儲層巖石物理等效模型.具體巖石物理建模流程包括以下四部分（圖2）：（1） 巖石基質(zhì)模量計(jì)算；（2） 干巖石骨架模量計(jì)算；（3） 流體飽和巖石模量計(jì)算；（4） 各向異性水合物地層速度計(jì)算.

1.1 巖石基質(zhì)模量計(jì)算

假設(shè)骨架支撐型水合物與沉積物顆粒相結(jié)合組成固體基質(zhì)，共同起到應(yīng)力支撐作用.在已知各種礦物組分的體積分?jǐn)?shù)和彈性模量時，通過Voigt-Reuss-Hill（Hill,1952）平均模型可以計(jì)算固體基質(zhì)體積模量和剪切模量：

圖1 六種天然氣水合物賦存形態(tài)（a） 接觸膠結(jié)；（b） 顆粒包裹；（c） 孔隙充填；（d） 骨架支撐；（e） 基質(zhì)與包含物共存；（f） 結(jié)核/裂隙充填.Fig.1 Six basic hydrate morphologies（a） Contact-cementing;（b） Grain-coating;（c） Pore-filling;（d） Matrix-supporting;（e） Matrix-inclusion;（f） Fracture-filling.

（1）

（2）

式中：Ks、Kh和μs、μh分別為固體礦物和水合物的體積模量和剪切模量；骨架支撐型水合物的體積為φh=φγmsSgh,φ,γms和Sgh分別為孔隙度，骨架支撐形態(tài)百分比和水合物飽和度.由于骨架支撐型水合物的存在，孔隙度將會降低為φr=φ（1-γmsSgh）.值得注意的是，當(dāng)不含骨架支撐型水合物（γms=0）時，公式（1）和（2）計(jì)算結(jié)果為固體礦物基質(zhì)模量.

圖2 復(fù)雜賦存形態(tài)水合物儲層巖石物理建模流程Fig.2 Rock physics modeling of the complex-morphology hydrate reservoirs

考慮基質(zhì)與包含物共存型水合物與沉積物顆粒間的連通性以及孔隙結(jié)構(gòu)對水合物儲層彈性性質(zhì)的影響，采用各向同性SCA-DEM彈性模型（Han et al.,2012;Attias et al.,2020）計(jì)算基質(zhì)與包含物共存型水合物和固體基質(zhì)混合得到的巖石基質(zhì)彈性模量.首先，利用SCA模型計(jì)算這兩相介質(zhì)體積含量均為50%條件下巖石基質(zhì)的彈性模量：

0.5（Kh-KSCA）P*h+0.5（Km-KSCA）P*m=0，

（3）

0.5（μh-μSCA）Q*h+0.5（μm-μSCA）Q*m=0，

（4）

其中KSCA和μSCA分別為SCA模型計(jì)算的等效體積模量和剪切模量,P*h、Q*h和P*m、Q*m對應(yīng)水合物和固體基質(zhì)時的極化因子.

然后，將SCA模型計(jì)算的巖石基質(zhì)彈性模量作為DEM模型迭代求解的初始值，通過DEM模型將水合物和固體基質(zhì)的體積含量分別調(diào)整至實(shí)際值：

（5）

（6）

Kma=KDEM，

（7）

μma=μDEM，

（8）

1.2 干巖石骨架模量計(jì)算

為了考慮接觸膠結(jié)和顆粒包裹兩種賦存形態(tài)水合物對干巖石骨架模量的影響，Pan等（2020a）引入壓力相關(guān)的廣義接觸膠結(jié)半徑并提出了改進(jìn)的膠結(jié)模型，表達(dá)式為：

（9）

（10）

（11）

（12）

（13）

為了解決經(jīng)典的膠結(jié)模型與Hashin-Shtrikman-Hertz-Mindlin模型無法耦合的問題，Pan等（2020b）在改進(jìn)的膠結(jié)模型基礎(chǔ)上利用Hashin-Shtrikman界限進(jìn)行約束提出了廣義有效介質(zhì)模型，具體公式為：

（14）

（15）

1.3 流體飽和巖石模量計(jì)算

將孔隙充填型水合物視為孔隙流體的一部分，只考慮其對孔隙流體體積模量的影響.假設(shè)孔隙充填型水合物、游離氣和水均勻分布在孔隙空間中，則孔隙流體體積模量可利用Wood公式（Wood,1941）計(jì)算得到：

（16）

在確定出巖石基質(zhì)彈性模量、干巖石骨架彈性模量和孔隙流體體積模量后，依據(jù)Gassmann方程（Gassmann,1951）可計(jì)算飽和巖石的體積模量和剪切模量：

（17）

μsat=μdry，

（18）

式中，φe=φ[1-（γhc+γms+γmi）Sgh]為有效孔隙度.

當(dāng)孔隙流體呈斑塊分布時，飽和巖石的體積模量由Hill理論（Hill,1963）計(jì)算：

（19）

其中完全水合物飽和、水飽和和氣飽和體積模量分別為：

（20）

（21）

（22）

1.4 各向異性水合物地層速度計(jì)算

Lee和Collett（2009）將裂隙充填型水合物地層簡化為多層完全水合物飽和裂隙和完全水飽和沉積物所構(gòu)成的橫向各向同性層狀介質(zhì)，結(jié)合簡化三相方程和Backus平均（Backus,1962;王吉亮等,2013））推導(dǎo)了層狀介質(zhì)模型.在此模型假設(shè)基礎(chǔ)上，采用Gassmann方程或者Hill方程計(jì)算各向同性不含裂隙沉積物的彈性參數(shù)，利用Backus平均計(jì)算各向異性水合物儲層的縱橫波速度，公式為：

（23）

（24）

（25）

（26）

（27）

ρb=〈ρ〉，

（28）

（29）

（30）

（31）

（32）

2 理論模擬分析

采用上述巖石物理建模方法，定量分析水合物飽和度和賦存形態(tài)對縱橫波速度、泊松比和縱橫波速度比的影響.假設(shè)水合物地層礦物組分由50%黏土和50%石英組成，孔隙度為0.4，孔隙流體由水合物和水均勻分布在孔隙空間中，臨界孔隙度、配位數(shù)、滑動摩擦系數(shù)、包含物縱橫比和有效壓力分別設(shè)定為0.39，8，1.0，0.9和5 MPa.表1給出了數(shù)值計(jì)算所用的各組分彈性模量和密度.

表1 數(shù)值計(jì)算所用的各組分彈性模量和密度Table 1 Elastic moduli and densities for the mineral components

圖3展示了不同賦存形態(tài)水合物地層縱橫波速度、泊松比和縱橫波速度比隨水合物飽和度的變化特征.所有賦存形態(tài)水合物地層縱橫波速度均隨水合物飽和度增大而增加，但不同賦存形態(tài)水合物地層速度隨水合物飽和度的變化趨勢差異較大.對于接觸膠結(jié)和顆粒包裹模式，縱橫波速度在低飽和度（<5%）時迅速增加，然后在高飽和度時緩慢增加.然而，這兩種賦存模式的水合物地層泊松比和速度比與水合物飽和度之間的關(guān)系比較復(fù)雜.泊松比和速度比均是先減小，當(dāng)超過臨界水合物飽和度時快速增加.這一現(xiàn)象主要是因?yàn)樯倭克衔锟梢怨探Y(jié)沉積物顆粒，而大量水合物則在顆粒接觸處或顆粒表面形成水合物薄膜，降低地層剛度.假設(shè)孔隙充填型水合物只影響孔隙流體的體積模量，縱波速度、泊松比和縱橫波速度比均隨水合物飽和度呈線性增加，橫波速度因水合物替換孔隙水引起密度的微弱降低而略微增加.由于骨架支撐型和基質(zhì)與包含物共存型水合物均被視為固體基質(zhì)一部分且充當(dāng)應(yīng)力承載作用，縱橫波速度均隨水合物飽和度增加而增加，然而泊松比和速度比隨水合物飽和度增加而減小.隨著水平和垂直裂隙充填型水合物飽和度增加，縱橫波速度緩慢地增加，而泊松比和速度比逐漸降低.

圖3 不同賦存形態(tài)水合物地層縱波速度（a）、橫波速度（b）、泊松比（c）和縱橫波速度比（d）與水合物飽和度的變化關(guān)系Fig.3 The relationships between hydrate saturation and P-wave （a）,S-wave （b）,Poisson′s ratio（c） and VP/VS ratio （d） of hydrate reservoirs for different morphologies

上述數(shù)值模擬結(jié)果顯示，不同賦存形態(tài)水合物地層彈性參數(shù)對水合物飽和度的敏感性有所差異，這為水合物賦存形態(tài)識別提供了重要的啟示.膠結(jié)型（顆粒包裹和接觸膠結(jié)）水合物在低飽和度時與非膠結(jié)型水合物在高飽和度時可能具有相同的縱橫波速度，這使得利用縱橫波速度識別水合物形態(tài)存在多解性.與其他水合物地層不同的是，膠結(jié)型水合物地層泊松比和速度比隨飽和度先減小再增加的特征，為判識膠結(jié)型水合物奠定基礎(chǔ).值得注意的是，只有孔隙充填型水合物地層縱波速度、泊松比和縱橫波速度比隨著水合物飽和度增加而增加，這為識別孔隙充填型水合物提供了理論依據(jù).綜合分析不同彈性參數(shù)隨水合物飽和度的變化趨勢，可以為水合物賦存形態(tài)識別和飽和度預(yù)測提供針對性指導(dǎo).

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試

水合物聲學(xué)實(shí)驗(yàn)為揭示水合物出現(xiàn)機(jī)制、賦存形態(tài)演化以及物理特性變化提供了重要的規(guī)律性認(rèn)識.大量的甲烷和四氫呋喃（THF）水合物合成實(shí)驗(yàn)測量了不同溫壓、頻率、巖性和合成方法下的聲學(xué)響應(yīng)特征參數(shù)，為檢驗(yàn)巖石物理模型可靠性提供了數(shù)據(jù)支撐.選取4套在“富氣”和“富水”環(huán)境下測量的甲烷和THF水合物合成實(shí)驗(yàn)聲學(xué)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證多重賦存形態(tài)水合物巖石物理建模方法的有效性（Priest et al.,2005,2009;Dugarov et al.,2019）.通過擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模擬曲線，可以確定臨界孔隙度、配位數(shù)、滑動摩擦系數(shù)、孔隙縱橫比和有效壓力分別為0.38，8，0.4，0.9和5 MPa.數(shù)值計(jì)算所用到的彈性常數(shù)見表1.

圖4比較了巖石物理模擬的縱橫波速度與聲學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).從圖中可以看出，在“富氣”環(huán)境下測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大多落在接觸膠結(jié)和顆粒包裹模型曲線之間，而在“富水”環(huán)境下測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)介于孔隙充填和骨架支撐模型曲線之間.這表明水合物在砂巖中可能以多種賦存形態(tài)共存，且在“富氣”環(huán)境下水合物主要以膠結(jié)模式（接觸膠結(jié)和顆粒包裹）出現(xiàn)，而在“富水”環(huán)境下水合物主要以非膠結(jié)模式（骨架支撐和孔隙充填）出現(xiàn).這與前人研究結(jié)論一致，即在“富氣”環(huán)境下，水合物從水所在的顆粒接觸處開始形成，然后隨著水合物含量增加覆蓋顆粒表面進(jìn)而填充孔隙空間（Priest et al.,2005;Kingston et al.,2008;Cook and Waite,2018）；在“富水”環(huán)境下，水合物從氣泡所在的孔隙位置開始形成，然后隨著水合物含量增加形成水合物顆粒支撐沉積物顆粒（Yun et al.,2005;Kingston et al.,2008）.總體上說，水合物聲學(xué)響應(yīng)特征模擬可以捕捉水合物賦存模式及其演化規(guī)律，但仍難以確定水合物賦存形態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化時所對應(yīng)的臨界水合物飽和度.

圖4 比較理論模擬與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果（a） 縱波速度；（b） 橫波速度.Fig.4 Comparison of theoretical modeling and experimental data（a） P-wave;（b） S-wave.

4 實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用

選取代表性的加拿大Mackenzie三角洲地區(qū)的Mallik 2L-38井、日本Nankai海槽AT1-MC井及新西蘭北部Hikurangi邊緣U1518B井來驗(yàn)證所建巖石物理模型的有效性和可靠性.其中，Mallik 2L-38井的數(shù)據(jù)用于分析不同賦存形態(tài)對水合物飽和度預(yù)測精度的影響；AT1-MC井和U1518B井的縱橫波和密度數(shù)據(jù)用于水合物飽和度和賦存形態(tài)的同步定量預(yù)測.

4.1 水合物飽和度估算

1998年日本石油公司、日本國家石油集團(tuán)和加拿大地質(zhì)調(diào)查局在Mackenzie河三角洲的Mallik區(qū)域進(jìn)行了天然氣水合物鉆探項(xiàng)目，通過鉆井資料、測井?dāng)?shù)據(jù)和取芯巖樣推測在897～1110 m井段存在天然氣水合物（Miyairi et al.,1999）.因此，選取890～1110 m深度段作為水合物飽和度預(yù)測研究目的層.圖5顯示了測井解釋的水合物飽和度、孔隙度和泥質(zhì)含量等物性參數(shù)與縱橫波速度和密度等測量數(shù)據(jù).從圖5可以看出，高飽和度水合物主要富集在897～923 m、950～1000 m、1005～1030 m和1075～1110 m等四個深度段的粗粒砂巖中.我們使用上述建模流程對Mallik 2L-38井897～1110 m井段進(jìn)行各向同性水合物儲層巖石物理建模，給定權(quán)重膠結(jié)系數(shù)Wc=0.2，臨界孔隙度φc=0.38，配位數(shù)n=8.5，滑動摩擦系數(shù)τ=0.2，包含物縱橫比α=0.4（Chand et al.,2006;Terry and Knapp,2018），以縱橫波速度為約束，利用快速模擬退火算法預(yù)測不同賦存形態(tài)的水合物飽和度.

圖6對比了接觸膠結(jié)、顆粒包裹、孔隙充填、骨架支撐、基質(zhì)與包含物共存等五種單一形態(tài)和多重賦存形態(tài)（γhc:γms:γpf=10%:75%:15%）下縱橫波速度的預(yù)測值與實(shí)測值.可以觀察到，考慮不同賦存形態(tài)利用所建模型計(jì)算的縱波速度整體與實(shí)測值吻合良好，而橫波速度預(yù)測值與實(shí)測值在950～995 m和1070～1110 m（虛線框部分）之間吻合程度不同.骨架支撐型、基質(zhì)與包含物共存型和多重賦存模式下橫波速度預(yù)測相對比較精確，而接觸膠結(jié)、顆粒包裹和孔隙充填模式下的橫波速度預(yù)測誤差較大.這也側(cè)面反映了Mallik 2L-38井的粗粒砂巖層段中以骨架支撐型水合物為主且含有少量膠結(jié)型和孔隙充填型水合物.

圖7為考慮不同賦存形態(tài)應(yīng)用本文所建模型計(jì)算的水合物飽和度.由圖可知，利用縱橫波速度均可以獲取不同賦存形態(tài)所對應(yīng)的水合物飽和度，但是預(yù)測精度存在一定差異.對比觀察六種賦存形態(tài)水合物飽和度預(yù)測值（尤其是虛線框部分），接觸膠結(jié)型和顆粒包裹型水合物飽和度的估算值都略低于電阻率計(jì)算的水合物飽和度參考值；孔隙充填型和基質(zhì)與包含物共存型水合物飽和度估算值都明顯高于參考值；骨架支撐型水合物飽和度略高于參考值；而多重賦存形態(tài)水合物飽和度預(yù)測值與參考值總體吻合較好，這表明考慮多重賦存形態(tài)較單一形態(tài)預(yù)測精度更高，并揭示了該區(qū)域是以骨架支撐型水合物為主，并伴隨有混合膠結(jié)型和孔隙充填型水合物共同富集于粗粒砂巖中.

圖7 六種賦存形態(tài)下縱橫波速度的預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比Fig.7 Comparisons of measured and estimated P- and S-wave velocities for six hydrate modes

圖8 不同賦存形態(tài)水合物飽和度預(yù)測值與電阻率解釋飽和度對比Fig.8 Comparison of hydrate saturation estimates for six hydrate morphologies and resistivity-based hydrate saturation

圖8從統(tǒng)計(jì)分析的角度直觀展示了四段粗粒砂巖中不同賦存形態(tài)水合物飽和度的預(yù)測精度.如圖8所示，多重賦存形態(tài)水合物飽和度預(yù)測值與參考值相關(guān)性最強(qiáng)，預(yù)測結(jié)果的精度最高；接觸膠結(jié)和顆粒包裹模式預(yù)測的飽和度明顯偏低，而孔隙充填、骨架支撐和基質(zhì)與包含物共存模式預(yù)測的飽和度明顯偏高.這表明水合物巖石物理建模中耦合多種賦存形態(tài)可以更逼近真實(shí)儲層特征，預(yù)測的水合物飽和度精度更高.

4.2 水合物飽和度和賦存形態(tài)同步預(yù)測

與4.1節(jié)通過給定多重賦存形態(tài)百分比預(yù)測水合物飽和度不同，本節(jié)聚焦水合物飽和度和多重賦存形態(tài)同步量化表征，以降低賦存形態(tài)對飽和度預(yù)測精度的影響.對研究井位的取芯分析和測井解釋表明，AT1-MC井的水合物以孔隙充填、骨架支撐和膠結(jié)模式富集于粗粒砂巖儲層的孔隙空間（Ito et al.,2015;Konno et al.,2015），而U1518B井的水合物以孔隙充填、骨架支撐和裂隙充填模式賦存于細(xì)粒粉砂或粉砂質(zhì)黏土的孔隙和裂隙空間（Cook et al.,2020;Pan et al.,2020a,b）.依據(jù)這一賦存形態(tài)假設(shè)，仿照Pan等（2020a,b）和楊文強(qiáng)等（2021）的思想，結(jié)合所建巖石物理模型和快速模擬退火算法同步預(yù)測水合物含量和分布.巖石物理模型所用的組分參數(shù)見表1，其他模型參數(shù)如表2所示.

表2 AT1-MC井和U1518B井巖石物理建模所用模型參數(shù)Table 2 Model parameters used in the calculation at Site AT1-MC and Hole U1518B

圖9為應(yīng)用上述同步預(yù)測方法從AT1-MC井的縱橫波速度和密度數(shù)據(jù)中反演得到的混合膠結(jié)、孔隙充填和骨架支撐形態(tài)百分比及水合物飽和度.從圖中可以看出，計(jì)算的縱橫波速度和密度與實(shí)測值吻合度非常高，而且水合物飽和度預(yù)測值與電阻率和核磁共振-密度測井解釋及巖心測試分析的水合物飽和度也吻合較好.在275～334.9 m層段，預(yù)測的水合物飽和度最大值為95%，高于阿爾奇公式計(jì)算的最高飽和度84.1%和核磁共振-密度測井估算的最高飽和度68.2%；但估算的平均飽和度36.8%，介于阿爾奇公式計(jì)算的平均值46.03%和核磁共振-密度解釋的平均值33.68%之間.造成部分預(yù)測值與解釋結(jié)果之間存在差異的主要原因有兩個：（1） 聲波測井的分辨率低于核磁共振測井及電阻率測井的分辨率，使得縱橫波速度無法準(zhǔn)確預(yù)測出富集于274～286 m薄互層中的水合物含量；（2） 聲波測井與電阻率和核磁共振測井存在深度偏移問題，使得相同幅值所對應(yīng)的深度不一致.預(yù)測的賦存形態(tài)百分比顯示，高飽和度（大于40%）水合物傾向于以骨架支撐形態(tài)分布在孔隙空間中，而中低飽和度水合物則以孔隙充填形態(tài)存在，同時伴隨有少量的膠結(jié)形態(tài)出現(xiàn).這一結(jié)果與Konno等（2015）的研究結(jié)論相一致，即在Nankai海槽粗粒砂巖層段中的水合物主要以骨架支撐型產(chǎn)出.水合物飽和度和賦存形態(tài)百分比預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性驗(yàn)證了所建模型的有效性.

圖9 AT1-MC井聲波和密度反演的水合物飽和度與混合膠結(jié)、骨架支撐和孔隙充填體積比Fig.9 Simultaneous quantification of hydrate saturation and the fractions of hybrid-cementing,matrix-supporting and pore-filling from the sonic and density logs of AT1-MC well

圖10展示了利用U1518B井的縱橫波速度和密度數(shù)據(jù)預(yù)測孔隙充填、骨架支撐和裂隙充填形態(tài)百分比及水合物飽和度.結(jié)果顯示，計(jì)算的縱橫波速度和密度與實(shí)測值具有較好的一致性，尤其是低頻趨勢上趨于一致.在深度超過304.5 m出現(xiàn)縱橫波速度和密度較淺層明顯降低的現(xiàn)象，這主要是緊臨Ppaku斷層帶（304.5～361 m），斷裂和裂隙比較發(fā)育、地層變形強(qiáng)烈等因素導(dǎo)致的（Saffer et al.,2019）.在228～338 m深度段中，預(yù)測的水合物飽和度平均值為5.57%，局部高達(dá)27.3%.與電阻率和壓力巖芯結(jié)果吻合相對較好，局部差異可能與測井儀器探測分辨率、測量深度偏移以及裂縫誘導(dǎo)的各向異性等因素相關(guān).從圖10中可以看到，相對高飽和度（大于8%）的水合物主要以骨架支撐形態(tài)分布在孔隙空間中，而相對低飽和度的水合物主要以裂隙充填形態(tài)為主，同時伴隨有少量孔隙充填型水合物.這與Cook等（2020）的研究結(jié)論比較一致，即U1518區(qū)域形成的水合物是由微生物成因氣局部擴(kuò)散而非沿著斷層長距離運(yùn)移形成，主要分布在粗粒沉積物的孔隙空間而非結(jié)核和裂隙中.

圖11對比了AT1-MC井和U1518B井的水合物賦存形態(tài)百分比均值.對于AT1-MC井，混合膠結(jié)、孔隙充填和骨架支撐型水合物百分比均值依次為4%，49%和47%，揭示高飽和度水合物傾向于以混合膠結(jié)、孔隙充填和骨架支撐等模式分布于粗粒砂巖孔隙空間中.對于U1518B井，孔隙充填、骨架支撐和裂隙充填型水合物百分比均值依次為8%，51%和41%，表明中低飽和度水合物常以孔隙充填、骨架支撐和結(jié)核/裂隙充填等形態(tài)賦存于薄砂層或粉砂層的孔隙和裂隙空間中.這一特征證實(shí)了沉積物巖性和顆粒大小是水合物形成和分布的主控因素.

5 結(jié)論

本文針對復(fù)雜賦存形態(tài)水合物地層，依據(jù)不同賦存模式的水合物對巖石彈性模量影響方式差異性，采用各種有效介質(zhì)理論逐級耦合各類礦物組分、不同賦存形態(tài)水合物及孔隙流體等特征，構(gòu)建了含六種賦存形態(tài)水合物儲層巖石物理模型，厘清了水合物飽和度和賦存形態(tài)與彈性響應(yīng)特征之間的量化關(guān)系，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)和凍土帶及海域水合物測井?dāng)?shù)據(jù)驗(yàn)證了所建模型的可靠性和合理性，取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果.在數(shù)值模擬方面，模擬了不同賦存形態(tài)下水合物飽和度對地層彈性響應(yīng)特征的影響，為賦存形態(tài)準(zhǔn)確識別奠定基礎(chǔ).此外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試結(jié)果表明所建模型可以很好地捕捉不同形成環(huán)境下的水合物聲學(xué)響應(yīng)特征，識別水合物賦存形態(tài)并揭示其演化機(jī)制.對比速度計(jì)算的不同賦存形態(tài)水合物飽和度與電阻率解釋結(jié)果發(fā)現(xiàn)，考慮多重賦存形態(tài)的巖石物理建?？梢愿平鼘?shí)際水合物地層，有效提高水合物飽和度預(yù)測準(zhǔn)確性.另外，水合物飽和度和賦存形態(tài)同步量化表征方法不僅提高了水合物飽和度預(yù)測精度，而且揭示了水合物微觀賦存特征，為水合物含量和空間展布規(guī)律的地震預(yù)測提供了重要的理論和技術(shù)支撐.

圖10 U1518B井聲波和密度反演的水合物飽和度與骨架支撐、孔隙和裂隙充填體積比Fig.10 Simultaneous quantification of hydrate saturation and the fractions of matrix-supporting,pore- and fracture-filling from the sonic and density logs of U1518B well

圖11 基于AT1-MC和U1518B井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)測不同水合物賦存形態(tài)百分比均值對比Fig.11 Comparison of the average proportions of different morphologies estimated from wells AT1-MC and U1518B