莫修文，陆敬安，沙志彬，马 龙

1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026 2.广州海洋地质调查局，广州 510760

确定天然气水合物饱和度的测井解释新方法

莫修文1，陆敬安2，沙志彬2，马 龙1

1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026 2.广州海洋地质调查局，广州 510760

为了丰富和发展天然气水合物的定性识别方法和定量解释技术，研究试验了由测井资料计算孔隙水的氯离子质量浓度并确定水合物饱和度的方法。根据南海某海域水合物储层的测井特征和孔隙水氯离子质量浓度化验结果，证实了氯离子质量浓度与水合物饱和度有密切关系。利用孔隙度测井和电阻率测井资料，计算了孔隙水的氯离子质量浓度，由此确定了天然气水合物的饱和度。为了提高测井解释的可靠性，用回归方法建立了储层的孔隙度解释公式，确定了相应的阿尔奇参数m和a，用滤波和插值的方法得到了目的层的氯离子质量浓度的背景值。初步应用表明，由测井解释氯离子质量浓度计算的水合物饱和度与化验结果的平均值和分布范围都有较好的匹配。

天然气水合物；饱和度；氯离子质量浓度；测井

0 引言

天然气水合物是由水和气体分子在一定的温度和压力条件下（通常为低温和高压）形成的晶状物质，其外形似冰。在自然界中，有多种气体分子可以与水分子结合形成水合物，但通常以甲烷为主，故天然气水合物通常又被称为“甲烷水合物”。它在冻土带和海域地区广泛存在且资源量巨大，虽然有时可能会带来一些自然灾害或环境问题，但同时它也被认为是石油、天然气潜在的替代能源［1－3］；因此，国内外对它的资源调查力度不断加大。近几年，我国在南海S海域通过钻探成功地获取了海底天然气水合物的样品，并在国内首次取得了针对天然气水合物储层的常规测井资料和部分岩心分析数据，为研究其储层特征和探测技术创造了有利条件［4－7］。

地球物理测井在天然气水合物储层的识别及其含量评价中起着无可替代的作用。纯的天然气水合物在密度、声波传播速度、含氢量等方面与冰的性质很接近，因此在测井曲线上其储层通常呈现高电阻率、低密度、较高的含氢指数、低声波时差等特征，这可以作为水合物定性识别的基本依据，并且得到大量测井实例的证实［3－6］。在定量解释方面，现有的方法基本都是直接复制于传统的油气测井解释方法，如孔隙度解释，以密度、中子和声波测井为主；而水合物饱和度的计算，目前大多是采用阿尔奇公式、双水模型或者类似的饱和度方程［6－10］。但是，由于天然气水合物成藏模式和环境比较特殊，目前还难以通过实验获取准确的解释参数，影响了这些传统解释模型的应用效果。

有实例表明，在海底天然气水合物的钻探过程中，伴随着天然气水合物的分解，被结合的水分子会得到释放，导致沉积物孔隙水盐离子质量浓度较水合物分解之前会有所降低。因此，前人提出利用地层孔隙水的氯离子质量浓度异常定性识别天然气水合物的存在，并由此估计它的含量。但是以往人们在这方面的尝试，使用的都是直接由水样分析化验得到的含盐度，不是测井解释的结果［11－14］。虽然有人提出可以用测井解释得到的地层水含盐度计算天然气水合物饱和度，但由于在定量刻度和矿化度背景值确定方面还存在一些困难［11－12］，迄今还没有这方面的应用实例。笔者针对这一方法进行了研究，并对其中的关键问题提出了尝试性的解决办法。

1 天然气水合物储层的主要特征

1.1 测井响应特征

目前国内外对天然气水合物储层进行研究的常规测井方法主要有：自然伽马、井径、深－浅电阻率、补偿密度、补偿中子以及声波时差等。由于天然气水合物具有不同于储层骨架及油气的物理性质，因此，在含水合物储层中呈现出独特的测井响应特征：低自然伽马、井径扩大、高电阻率、低密度、高中子孔隙度以及低声波时差等，尤其是高电阻率和低声波时差特征最为明显［3－6，15］。由此，可以根据上述测井响应特征来定性地识别天然气水合物。我国南海S海域钻探和取心成果显示，本区天然气水合物储层岩性以细粒的粉砂、黏土质粉砂为主，且主要以分散状均匀地充填在沉积物中［16］。在测井曲线上，水合物发育层段（图1阴影部分）呈明显的高电阻率、低声波时差特征。

1.2 孔隙水的矿化度异常

在S海域，除了进行常规测井外，同时还取得了一定数量的地层水样品并分析了其氯离子质量浓度，见图1最右侧一道ρcore（Cl－）。可以看出：在含水合物的目的层（196～218m）上部和下部，ρcore（Cl－）保持相对稳定的数值，大约为20×103mg／L；而在含水合物的目的层，ρcore（Cl－）约为（11～20）×103mg／L，较上、下部有明显降低。这表明，水合物的存在与氯离子质量浓度异常之间有一定的关联性；如果能利用测井方法得到可靠的氯离子质量浓度，可有助于对天然气水合物储层的定性识别。

2 由氯离子质量浓度确定水合物饱和度的基本原理

天然气水合物在形成过程中会吸取孔隙中的淡水，常温常压下，1m3饱和天然气水合物分解时可释放164m3的甲烷气体和0.87m3的水，所以水合物的分解会造成其所在处孔隙水被稀释，这里的水样比其他层位的水样具有更低的含盐度。在钻井和取心过程中，由于钻头和储层间的机械摩擦，使得天然气水合物分解并释放出淡水，因此会造成此处孔隙水离子质量浓度的降低。

由于氯离子在海洋沉积物孔隙中含量丰富且性质稳定，因此，可以利用氯离子质量浓度的变化来研究天然气水合物的形成和分解。基于此，有人提出，可以根据氯离子质量浓度的异常识别天然气水合物的存在，并由此计算天然气水合物的饱和度［11－12］：

图1 南海S海域天然气水合物测井特征Fig.1 Log response of gas hydrate reservoir in S area in South China Sea

式中：Sh为天然气水合物的饱和度，%；ρh为天然气水合物的密度，g／cm3；ρ（Cl－）为实际孔隙水氯离子质量浓度，mg／L；ρc（Cl－）为原始状态下（水合物未分解前）孔隙水氯离子质量浓度，即背景值，mg／L。

该方法的有效性和精度取决于孔隙水中氯离子质量浓度是否能被精确测量，同时还取决于沉积环境和地层条件。要获得孔隙水的氯离子质量浓度，最简单和最直接的办法就是对孔隙水进行取样和化验，而准确地确定其背景值是该方法成功应用的关键。

由于目的层的背景值无法直接测量得到，因此只能通过其他手段来估计。目前常用的方法有2种：一是简单地假定水合物层段的原始氯离子质量浓度与海水中一致；二是用拟合的办法，通过其上、下层段的氯离子质量浓度变化趋势得到一个背景值。后者基于以下事实和条件：

1）大量实践表明，在不含水合物的地层，除了个别有盐水形成的沉积层外，其他绝大多数海洋沉积地层中氯离子质量浓度都会保持一个较为稳定的背景值。

2）在富含水合物的层段，可以认为水合物形成时已经排出了所有溶解离子。即便孔隙中还含有少量的水，在水合物形成之后，它最终将与周围孔隙水中的含盐度达到平衡。

3 测井解释的氯离子质量浓度计算水合物饱和度

用水分析的氯离子质量浓度确定天然气水合物饱和度固然直接、简便，但它并非原位测量的结果，且效率低下。若有可靠的测井资料及其相应解释方法，则可以快速、经济、高效地解决这一问题。在海洋沉积环境下，由于富含NaCl，浅层沉积物中的地层水矿化度与氯离子质量浓度往往呈简单的线性关系。

用测井资料解释孔隙水的矿化度或氯离子质量浓度，通常要用到自然电位测井，但本区缺乏自然电位测井数据，因此研究中使用的是电阻率测井和孔隙度测井。

3.1 氯离子质量浓度测井解释方法

首先，由下式计算出视地层水电阻率：

式中：Rwa为要计算的视地层水电阻率，Ω·m；Rt为测井测得的电阻率，Ω·m；φ为地层孔隙度；a和m是与岩性和孔隙结构有关的常数，通常由实验的方法确定。

其次，将（2）式求得的Rwa换算成24℃时的地层水电阻率Rwn：

式中：t为采样点的地层温度，℃；Rwa（t）为由式（2）求得的地层温度下的孔隙水视电阻率。

然后，计算地层水中氯离子的质量浓度［17－18］：

式中：σwn为24℃时的地层水电导率，10－4S／m；ρ（Cl－）为计算的氯离子质量浓度，mg／L。

3.2 有关解释参数的确定

3.2.1 孔隙度解释方法的确定

由于水合物和水的密度接近，在不单独区分泥质的情况下，由密度测井求孔隙度的公式可以简化为

式中：ρb为地层的密度（g／cm3），由测井得到；ρma为骨架密度，g／cm3；ρw为地层水的密度，g／cm3；φD为地层的密度测井孔隙度。

国内外多数研究者［7－9，18］将ρma取2.65g／cm3，ρw取1.03g／cm3，这样做的结果是，即便在不含水合物的层段，孔隙度解释结果也偏低。为了改善孔隙度的计算效果，本文采用岩心分析的孔隙度φcore和密度测井值DEN进行统计回归的办法［19］（图2），得到二者的统计关系，因此孔隙度计算公式可以写为

以此得到的孔隙度φ与岩心分析孔隙度φcore的一致性得到了明显改善（图3）。

图2 分析孔隙度与密度测井值的关系Fig.2 Relationship between core porosity and density log

3.2.2 阿尔奇参数a、m的确定

为了提高氯离子质量浓度解释结果的可靠性，准确地确定式（2）中的a、m值也非常关键。受水合物特殊的沉积环境和成藏条件限制，目前还缺乏这方面的实验结果。前人在有关研究中建议a取1.1，m取2.07［7－9］；经试算，在这里应用效果并不理想。

笔者通过反算和统计方法确定了a和m。首先在本区域3口井中选取一组有代表性的纯水层采样点，根据测井得到的电阻率Rt、地层水矿化度分析数据得到的Rw以及岩心分析的孔隙度φ，计算得到了各采样点的a和m值，然后取其平均值，可得a为1.07，m为2.39。

3.2.3 确定目的层的氯离子质量浓度背景值

由测井资料计算出氯离子质量浓度后，还需要设法确定目的层氯离子质量浓度的背景值，即天然气水合物在未分解状态下或形成之前孔隙水中的氯离子质量浓度。

曾经有人提出采用钻孔深度范围内海水氯离子质量浓度的拟合求得其背景值［11－12］，其前提条件是孔隙水中的氯离子与海水中的是稳定的平衡。实际上，水合物稳定带的孔隙水是一个开放系统，易受对流、扩散作用以及其他因素的影响而发生改变，这样拟合出的背景质量浓度并不严格代表实际情况。

对测井解释得到的氯离子质量浓度进行分析可以看到：虽然在非水合物层段，由测井求得的氯离子质量浓度ρ（Cl－）有一定的小幅波动，但基本保持在20×103mg／L这一相对稳定的数值附近（图3），与水分析化验的结果ρcore（Cl－）符合较好。在含天然气水合物的层段，氯离子的背景质量浓度应该符合上、下非水合物层段的氯离子质量浓度的变化趋势；因此，通过对上、下层段的氯离子质量浓度滤波和插值，即可得到目的层各采样点处的氯离子背景质量浓度ρc（Cl－）（图4）。

图3 孔隙度与氯离子质量浓度解释结果Fig.3 Interpetation results of porosity and chloride concentration

图4 确定氯离子质量浓度背景值的示意图Fig.4 Schematic diagram to determine the background value of chloride concentration

4 应用效果与分析

根据上述解释方法得到氯离子质量浓度和目的层各点处的背景质量浓度后，通过式（1）即可计算目的层水合物的含量。

图5所示为本区一口井的解释实例。在含水合物的层段，测井解释的氯离子质量浓度ρ（Cl－）呈现出较显著的降低，由此计算的水合物饱和度Sh为20%～72%，平均值约为40%；由水样分析得到的水合物饱和度Score为27%～50%，平均值为37%。可见，二者在均值和和数值范围上比较接近，在总的变化趋势上亦很相似。

同时还有一些误差较大的数据点（208m附近），其测井解释的水合物饱和度要明显高于样品分析结果；直观地看，这是由于测井解释氯离子质量浓度低于水分析氯离子质量浓度造成的。由于海洋钻探和取样环境和工艺的特殊性，暂时无法确定导致这一误差的准确原因，还有待进一步研究。

5 结论

图5 由测井解释氯离子质量浓度计算的天然气水合物饱和度Fig.5 Gas hydrate saturation from interpreted chloride concentration

1）钻井剖面上地层水矿化度的降低可以指示天然气水合物的存在，因此，将它与其他方法结合，可以更高效地识别天然气水合物储层。

2）利用测井资料解释钻孔剖面上孔隙水的氯离子质量浓度是可行的，笔者提出并尝试用测井计算氯离子质量浓度方法可以较好地估算地层水的氯离子质量浓度。根据其淡化程度所计算的天然气水合物的饱和度，与样品分析值有较好的匹配。

3）如果缺乏可靠的自然电位曲线，可利用电阻率测井和孔隙度测井相结合估算孔隙水的氯离子质量浓度，但需要准确地确定有关的解释参数，以保证结果的可靠性和精度。

4）当钻孔剖面内孔隙水氯离子质量浓度的变化趋势已经明确时，可以通过井段范围内氯离子质量浓度的滤波和插值来近似得到目的层的离子质量浓度背景值。

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A New Method for Gas Hydrate Saturation Estimation Using Well Logging Data

Mo Xiu－wen1，Lu Jing－an2，Sha Zhi－bin2，Ma Long1

1.College of Geo Exploration Science and Technology，Jilin University，Changchun 130026，China
2.Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou 510760，China

In order to develop and enrich the qualitative identification and quantitative interpretation methods in gas hydrate investigation，a new method for gas hydrate saturation estimation using chloride concentration from well logging interpretation was studied and applied with field data.The experimental result on chloride concentration，along with the log response of the gas reservoir in certain area in South China Sea，show the well－known close relationship between gas hydrate content and pore water’s chloride concentration.Chloride concentration of pore water was calculated through porosity and resistivity logs，and gas hydrate content was estimated from it consequently.For the purpose of improving the accuracy and reliability of this method，a regression formula for porosity interpretation was built up，the parameters of m and a in Archie formula were estimated，and the background value of chloride concentration correspond to the target zone was defined by filtering and interpolation.The preliminary application show that the method for gas hydrate content estimation by using of chloride concentration from log interpretation can work as expected and the estimated gas hydrate content can match the experimental result approximately both in their mean values and distribution ranges.

gas hydrates；saturation；chloride concentration；well logging

book=2012,ebook=448

P631.8

A

1671－5888（2012） 04－0921－07

2012－04－26

国家“863”计划项目（2009AA09A202）

莫修文（1970－），男，教授，主要从事复杂岩性和特殊油气储层的测井解释方法研究，E－mail：moxw＠jlu.edu.