大洋钻探天然气水合物储层测井评价研究进展

国际科学大洋钻探计划自1970年首次在布莱克海脊钻遇天然气水合物(以下简称水合物)以来,迄今已在全球三大洋(太平洋、大西洋、印度洋)的大陆边缘总共53个站位钻遇了水合物,采集了大量的地球物理测井资料,为理解水合物及其宿主沉积物原位特性提供了关键信息。水合物所具有的不导电、低密度、高声波速度、高含氢量等特性,为根据测井资料识别水合物并预测其分布提供了重要的依据。目前已提出的一系列根据测井资料估算水合物饱和度的方法,主要包括阿尔奇公式、密度—核磁共振测井联合、各种形式的三相声波方程以及基于不同岩石物理模型的弹性波速度模拟等方法。海底水合物具有明显的非均质分布特性,主要表现在水合物分布对宿主沉积物岩性的选择性以及在相同岩性宿主沉积物内部对成核部位的选择性上。尽管测井资料在评价水合物分布的非均质性、推断水合物生长习性方面已经得到了初步应用,但仍然存在着一些不足:①大洋钻探水合物测井解释中所依赖的地层模型还是过于简单,大多数都是两组分或三组分模型;②高分辨率随钻测井资料的应用还很有限;③测井解释与岩心地质研究的结合还不够紧密。结论认为,将水合物与宿主沉积物视为一个整体,基于更为复杂的地层模型,在岩心标定的基础上,依据多种高分辨率随钻测井资料,联合反演地层的岩性组分、孔隙度和水合物饱和度,或许是未来水合物储层测井评价发展的一个重要方向。     

大洋钻探天然气水合物储层测井评价研究进展

国际科学大洋钻探计划自1970年首次在布莱克海脊钻遇天然气水合物（以下简称水合物）以来，迄今已在全球三大洋（太平洋、大西洋、印度洋）的大陆边缘总共53个站位钻遇了水合物，采集了大量的地球物理测井资料，为理解水合物及其宿主沉积物原位特性提供了关键信息。水合物所具有的不导电、低密度、高声波速度、高含氢量等特性，为根据测井资料识别水合物并预测其分布提供了重要的依据。目前已提出的一系列根据测井资料估算水合物饱和度的方法，主要包括阿尔奇公式、密度—核磁共振测井联合、各种形式的三相声波方程以及基于不同岩石物理模型的弹性波速度模拟等方法。海底水合物具有明显的非均质分布特性，主要表现在水合物分布对宿主沉积物岩性的选择性以及在相同岩性宿主沉积物内部对成核部位的选择性上。尽管测井资料在评价水合物分布的非均质性、推断水合物生长习性方面已经得到了初步应用，但仍然存在着一些不足：①大洋钻探水合物测井解释中所依赖的地层模型还是过于简单，大多数都是两组分或三组分模型；②高分辨率随钻测井资料的应用还很有限；③测井解释与岩心地质研究的结合还不够紧密。结论认为，将水合物与宿主沉积物视为一个整体，基于更为复杂的地层模型，在岩心标定的基础上，依据多种高分辨率随钻测井资料，联合反演地层的岩性组分、孔隙度和水合物饱和度，或许是未来水合物储层测井评价发展的一个重要方向。     

利用声波测井估算裂缝型水合物储层水合物饱和度

水合物饱和度参数的准确计算对水合物资源量的评价至关重要。本文提出利用超声波测井资料与两端元层状介质模型相结合的方法,可有效评价祁连山冻土区钻孔地层的水合物饱和度变化特征,并在典型裂缝型水合物钻孔DKXX-19进行了应用。研究区钻孔地层裂缝内充填水合物体积分数的变化对纵、横波速度影响较大,而裂缝倾角的变化对纵、横波速度影响较小,可将利用两端元层状介质模型正演模拟得到的纵波相速度直接转换为纵波群速度;通过正演模拟识别出5个井段存在水合物;水合物赋存井段地层的水合物饱和度变化范围为14.1%~89.9%,平均值为69.4%,与现场观测结果接近。研究结果可为祁连山冻土区水合物地层测井评价和地震勘探提供理论依据和技术支撑。     

南海北部神狐海域含天然气水合物沉积层的速度特征

2007年在南海北部神狐海域对天然气水合物（以下简称水合物）的钻探结果表明,仅依靠似海底反射（BSR）和振幅空白不能揭示沉积层内水合物的赋存状态,不能准确地圈定水合物的分布面积和储层厚度。为准确判定水合物储层情况,对南海北部神狐海域声波测井及地震资料进行了精细分析,研究了含水合物沉积层的声波速度、地震速度的分布特征和变化规律。结果认为：①地震反射剖面上,由于水合物饱和度、厚度增大,引起含水合物沉积层的速度增大而产生上拉构造,其下方同时显示出因低速含气层引起的速度下拉构造,即“眼球状”的速度振幅异常结构;②含水合物层的层速度大小与沉积物孔隙度和水合物饱和度密切相关,水合物饱和度随声波速度升高而上下波动,总体趋势上随声波速度的升高而增高;③在含水合物带内部,高速层呈平行于海底的带状分布,底部速度最高,从底部往上速度逐渐降低;④利用上述特征,结合其他地质和地球物理资料,依据层速度可识别地层中水合物的存在,计算水合物的饱和度,确定含水合物层的厚度、分布范围,并可进一步计算水合物的资源量。     

利用声波资料计算天然气水合物饱和度的可靠性实验

为了探讨利用声波速度数据计算天然气水合物(以下简称水合物)饱和度的可靠性,通过岩石物理实验测量非固结砂泥沉积物中水合物生成过程中的纵、横波速度及其变化值;利用物质平衡方程,结合pVT状态方程及其测试条件,建立了实验过程中水合物饱和度的计算模型;在此基础上,分析了非固结沉积物声波速度随水合物饱和度增加的变化规律,利用修正的Lee权重声波公式,计算了水合物的饱和度,并与实验得到的饱和度数据进行了比较。研究结果表明:(1)在水合物含量达到一定程度的情况下,可以利用声波资料计算水合物的饱和度;(2)随着沉积物中水合物含量的不断增加,非固结砂泥沉积物的纵、横波速度也随之增大,二者之间具有较好的线性相关性;(3)利用声波资料计算所得的水合物饱和度数值与实验室测试得到的结果可比性较高、误差较小。结论认为,该研究成果为利用实际声波测井资料计算水合物的饱和度提供了依据。     

基于热弹性理论的天然气水合物和游离气饱和度估算

目前大多通过双相介质理论的纵波速度来估计水合物和游离气的饱和度.含水合物的地层具有低导热和高纵波速度等特性,以热弹性理论为基础,建立天然气水合物和游离气饱和度与纵波速度之间的关系,就可以估算出天然气水合物和游离气的饱和度.首先给出了热弹性理论估算水合物和游离气饱和度的方法;然后利用ODP164航次实际地震资料估算了布莱克海台地区的水合物和游离气的饱和度.纵波速度通过约束宽带反演方法得到,天然气水合物和游离气饱和度的估算采用迭代正演模拟法.同时,对影响饱和度的因素进行了分析,认为地层孔隙度是影响水合物和游离气饱和度的关键因素.对水合物而言,若假定的地层孔隙度比实际孔隙度高,则反演得到的饱和度就偏高;反之,饱和度偏低.对游离气来说,若假定的地层孔隙度比实际孔隙度高,则反演得到的饱和度就偏低;反之则偏高.     

天然气水合物横波速度等效介质模型预测方法

由于天然气水合物具有多种充填模式,水合物既可作为固体骨架又可作为孔隙充填物赋存于地层中,因此天然气水合物岩石物理模型与常规油气的岩石物理模型具有较大的差异,常规横波预测方法不再适用。为此,开展了利用等效介质模型进行天然气水合物横波预测的方法研究。首先分析矿物组分、孔隙度和水合物饱和度对纵横波速度的影响;然后利用纵波时差、密度、泥质含量、孔隙度、饱和度等常规测井资料根据等效介质模型构建约束优化方程,其中以纵波速度、密度等常规测井资料为约束,孔隙度和饱和度作为优化变量以寻找最优解;采用收敛快、计算结果可靠的信赖域算法求解该约束最优化问题。最后利用神狐海域天然气水合物的钻井资料对方法进行验证,计算的横波速度和饱和度与实际资料吻合度较高。     

东沙海域天然气水合物特征分析及饱和度估算

构造控制天然气水合物的赋存,在底辟构造、海底滑坡、活动断层和挤压脊等特殊地质体发育区是天然气水合物成藏的有利区域。不同地质体附近含水合物地层反射振幅强度和连续性各不相同,仅从地震剖面上难以进行准确识别。声波阻抗可以提供丰富的岩性信息。在东沙海域,以大洋钻探1148井的测井资料和叠加速度作为约束条件,采用约束稀疏脉冲反演方法,基于地震资料进行了波阻抗反演,获得了声波阻抗剖面,在声波阻抗剖面上水合物层表现为高声波阻抗异常,水合物层之下出现低声波阻抗异常。通过最小二乘法建立了1148井的声波阻抗与饱和水孔隙度之间的拟合关系式,计算出饱和水地层的孔隙度为40%~50%。基于阿尔奇方程,通过反演的声波阻抗计算了0101地震测线水域的水合物饱和度,其占孔隙空间的比例为10%~20%,含水合物地层呈横向部分连续分布特征。     

南海神狐海域天然气水合物储层参数测井评价

南海北部神狐海域经历了复杂的构造演化过程,断裂发育,该区天然气水合物的垂向分布具有明显的不连续性和不均匀性。利用测井资料计算地层孔隙度和水合物储层饱和度等参数,对深入研究储层水合物分布特征、储层优选等具有重要意义。基于电阻率和声波测井等资料,讨论了地层孔隙度的几种计算和修正方法,并在此基础上对南海神狐海域SH2井水合物饱和度做了探讨和定量评价。结果表明:考虑泥质含量和井径变化等因素的影响,要对密度法计算的孔隙度进行适当修正;含泥质修正的电阻率法能较准确地预测水合物饱和度;不同的岩石物理模型影响饱和度的计算结果,四相介质Wood方程和等效介质理论各有优势和不足,将上述2个模型结合得到改进的Wood方程计算的水合物饱和度与通过氯离子浓度异常计算的饱和度值吻合较好。多种评价方法结果相一致可表明水合物的大致分布,由此估计沿SH2井饱和度大于20%的水合物层厚度约为22m,最大含量约为23%。     

基于地震属性分析的地层孔隙压力钻前预测模型

钻前准确预测地层孔隙压力是进行井壁稳定状态分析的基础。基于地震和测井信息间的密切联系,提出了利用地震属性预测孔隙压力的新方法。通过神经网络建立已钻井段的井旁地震属性和声波时差测井数据之间的非线性关系模型,以此模型为基础预测未钻地层的声波速度。利用预测结果结合岩石力学模型得到垂直有效应力,最后根据有效应力原理计算地层孔隙压力。该方法有效克服了传统的地震层速度预测模型的不足之处,在油田的实际应用中取得了良好的效果,尤其适用于在勘探新区进行孔隙压力预测。     

南海沉积物天然气水合物饱和度与电阻率的关系

在天然气水合物勘探中,阿尔奇公式是由电阻率测井数据估算沉积层含水合物饱和度的基本公式,是对含油(气)岩心进行实验总结出的规律。但是对于水合物填充于多孔介质孔隙的沉积物,其电阻率与沉积物的物性以及水合物在孔隙的微观分布状态有关,可能存在一定的非阿尔奇现象,因此采用电阻率估算饱和度需要进行一定的校正。采用交流电桥法测量了3.5 % 盐水饱和的南海沉积物以及水合物在水饱和的沉积物中形成过程中的电阻率数据。水合物形成过程中其电阻率随着含水合物饱和度的增大而增大,尤其在低水合物饱和度(S_h<22 % ),其电阻率随着水合物的生成异常增大,含水合物沉积物的电阻率由水饱和的1.667Ω·m增大到含水合物饱和度为45 % 的2.661Ω·m。对于含水合物的沉积物,其双对数坐标系的电阻率增大指数和含水饱和度并不是阿尔奇公式所描述的直线关系,其饱和度指数n不是定值1.938 6,而随水饱和度S_w的增加而增加。当54.8 % w<78.6 % 时,n小于1.938 6;当S_w>78.6 % 时,n大于1.938 6。     

利用海洋地震数据估算游离气和天然气水合物的储量

南卡罗纳的ＢlakeRidge海的海洋地震数据和测井资料表明，含天然气水合物的沉积物覆盖于含游离气的沉积层之上导臻了明显的海底地震模拟反射体（ＢＳＲs)。本文将一个理论上的岩石－物理模型应用到该区实际的２Ｄ地震数据中来计算游离气和天然气水合物的饱和度。把高孔隙度的海洋沉积物模拟成一个粒状体系。在该体系中、弹性波速与下列 因素有关：孔隙、有效压力、矿物、孔隙充填物的弹性特征以及孔隙中的水、气和天然气水合物的饱和度等。为了将理论模型应用到实际的地震资料中去，首先要利用叠加速度分析获得了层速度；其次，除了孔隙度水、气和天然气水合物的饱和度以外的输入参数应由地质资料获得。为了利用层间速度估算孔隙度和饱和度，要先假设整个沉积物不含游离气或天然气水合物，再利用岩石物理模型直接由层速度得到孔隙度。这样得到的孔隙度剖面图在含有游离气或天然气水合物的地方存在异常（和在不含气或气水合物的沉积中获得的典型的孔隙度剖面相对比）。在含水合物的区域孔隙度估计不足，而在含游离气的区域孔隙 度估计高，通过从有异常的孔隙度剖面中减去无气或水合物的典型孔隙度计算出剩余孔度。然后在模型中引入气或天然气水合物的饱和度来消除异常。于是，得到了想要的２Ｄ饱和度图。这样获得的气－水合物饱和度的最大值在１３％－１８％之间（与所用模型的版本有关），与在远离测线的ＢlakeRidge钻中得到的值基本吻合，约为１２％，游离气饱和度在１％－２％之间变化，因为饱和度的估算输入的速度值极为敏感，所以精确的速度值是评价储层特征的关键。     

基于支持向量回归机的地层孔隙压力预测方法

测井资料是确定地层孔隙压力的基础性资料，为此，利用测井资料来研究准噶尔盆地某区块的地层孔隙压力，开展地层孔隙压力区域研究，以充分认识异常地层孔隙压力分布规律。在分析地层孔隙压力预测传统方法局限性的基础上，提出了一种基于有效应力定理和声波速度模型的地层孔隙压力预测方法。由相关测井资料计算泥质含量、孔隙度和声波速度，利用声波速度模型计算垂直有效应力，利用密度测井资料计算上覆岩层压力，最后根据有效应力定理计算地层孔隙压力。声波速度模型由支持向量回归机（SVR）通过对相关测井、测压资料的非线性回归得到。实际应用表明，该方法能够以较高精度预测到异常地层孔隙压力，为钻井工程设计提供依据，提高钻井工艺水平，对钻井过程中防止工程事故发牛，减少地层污染，节省钻井成本有着重要的应用价值。     

南海东北部陆坡天然气水合物藏特征

2013年下半年,国土资源部中国地质调查局、广州海洋地质调查局在南海东北部陆坡水深664~1 420m范围内钻探13个站位,取心获取了大量、多种类型的天然气水合物(以下简称水合物)实物样品,其中甲烷气体含量超过99%。对南海东北部陆坡天然气水合物成藏特征的研究结果表明:1地震反射剖面上具有多道似海底反射层(BSR)、振幅空白带(BZ)、BSR与地层斜交、速度反转等地震异常;2测井曲线揭示含水合物沉积层具有高电阻率(200Ω·m)、高纵波速度(2 700m/s)的特征;3地震和测井异常特征暗示该区具有单、双层水合物藏组合特征;4该区域水合物藏位于海底之下埋深220m以内的粉砂质黏土及生物碎屑灰岩沉积物中,水合物饱和度为45%~100%;5自然状态下,水合物呈块状、层状、瘤状、脉状、分散状等5种赋存形式;6研究区天然气水合物赋存类型多、饱和度高、甲烷纯度高,初步估算该区天然气水合物地质储量约为1 250×108 m3(50%概率条件下),是有利的勘探目标区。     

对提高地层压力预测精度的探讨——声波测井层速度与地震层速度的关系

用准噶尔盆地35口井的实际数据比较了用声波时差与层间传播时间预测地层压力时结果的差别。分别用声波时差和叠加速度预测同一口井的地层压力，结果比较相差不大，验证了可以用测井的声波时差数据推导出较为精确的该地区的预测模型，再用有勘探资料的地区的叠加速度代入由声波时差推导出的模型系数中去，预测地层压力。     

岩石可钻性与地层孔隙压力关系的测井研究

岩石可钻性是钻头选型和钻速预测的重要参数.岩石可钻性与其声波时差有着密切的关系.地层孔隙压力在一定程度上可由测井声波时差来反映.若能建立岩石可钻性与地层孔隙压力之间的定量关系,就可由地层孔隙压力对岩石可钻性进行实时预测.鉴于此,从测井估算地层压力的等效深度法和岩石可钻性模型出发,推导了岩石可钻性与地层孔隙压力的理论关系模型,并利用川东渡口河构造的Du4井和S油田实际资料建立了两者间的回归统计模型,进一步印证了该理论关系的正确性,为利用地层孔隙压力实时预报岩石可钻性提供了依据,也为岩石可钻性的测井解释找到了一条新的途径.     

基于分形孔隙模型的含天然气水合物沉积物电阻率数值模拟

电阻率法是确定天然气水合物(以下简称水合物)饱和度的重要方法,通过数值模拟可以有效研究含水合物沉积物的电阻率特性,但过去构建的孔隙模型由于约束条件较少,而与实际的孔隙结构存在着较大的差异。为此,基于自然界沉积物具有自相似特征,选定地毯总边长为3和颗粒边长为1的谢尔宾斯基地毯作为沉积物的分形孔隙模型,根据等效电阻网络模式建立了含水合物沉积物的电导模型,并利用上述模型分析了孔隙度、孔隙水电导率、沉积物骨架电导率等因素对含水合物沉积物电阻率与水合物饱和度关系的影响。研究结果表明:(1)含水合物沉积物的电阻率可以表示为孔隙度、面积比、微观结构尺寸、孔隙水电导度、沉积物骨架电导率及经验参数的函数;(2)孔隙水电导率和孔隙度的减小都会导致沉积物电阻率的增大;(3)含水合物沉积物的电阻率随水合物饱和度的增大而增大;(4)在高水合物饱和度范围内,含水合物沉积物的电阻率随沉积物颗粒骨架电导率的增大而明显减小。结论认为:在一定的水合物饱和度范围内,该分形孔隙模型计算结果与实验数据和测井数据都能较好地吻合,准确度较高。     

井约束地震反演预测地层压力的方法——以渤海湾盆地某凹陷为例

从异常地层压力的成因机制出发,建立了一种以测井资料为约束条件,利用地震反演技术的地层压力预测方法，其流程包括：①通过不同孔隙度测井曲线的综合比对,再结合地质综合分析,确定研究区地层压力与孔隙度有关；②在满足适用条件的前提下,从多井的测井声波曲线中提取正常变化趋势和地表声波值等参数,绘制平面图来约束预测参数的平面变化；③以测井声波曲线为约束,对三维地震数据体进行速度体反演,保证速度体空间变化的客观性；④以平衡深度法将速度体转化为所需压力数据体。该方法综合了测井资料纵向分辨率高、对区域特点反映强和地震资料空间连续性好的特点，适用于以不均衡压实作用为增压机制和与孔隙度异常有关的地层压力预测。在我国东部新生代盆地的应用显示,压力预测结果符合率高,误差小,对地层压力展布和结构反映清晰,效果良好。     

斜井测井声波检测孔隙压力校正方法研究

针对斜井地层压力检测中的重要因素——泥页岩声波各向异性,提出测井声波各向异性因子计算模型及斜井测井声波校正方法,并利用其进行斜井地层压力计算。首先,在大量分析国内外实验数据和理论分析的基础上,提出泥页岩在地层应力条件下声波各向异性因子的线性-指数计算模型,指出声波各向异性因子的大小与泥页岩中泥质含量呈正相关关系,得到声波各向异性因子的计算模型;然后,在Hornby B.E.椭圆方程理论基础上,进行斜井声波数据校正;最后,对某油田一口大斜度井,利用其测井声波数据,进行地层孔隙压力检测。结果表明:校正后,部分井段测井声波校正量高达20%,地层压力计算精度平均提高了10%。与传统方法相比,该模型计算简捷,且考虑了泥质含量、地应力对泥页岩声波各向异性因子影响,斜井地层压力计算精度得到提高。     

基于岩石物理方法分析青藏高原天然气水合物填充模式

根据岩石物理的分析方法,针对青藏高原木里地区DK1井孔143.40~144.20m含水合物层段和DK4井孔165.80~166.35m含水合物层段,分析水合物在岩层孔隙中的填充模式。首先采用时间平均公式估算含水合物粉砂岩的物性参数,然后依据弹性模量模型方法构建岩石物理模型,其中模式一是将水合物看作孔隙充填物的一部分,模式二是将水合物看作岩石骨架的一部分,分别基于不同的模式计算含水合物岩层的纵波速度和横波速度,并比较2种模式的速度差异。最后通过理论计算的曲线与实际采样点数据对比,推测该地区岩层中水合物的填充赋存方式符合模式二,认为将该层段水合物作为骨架的一部分进行分析,更能反映真实含水合物地层的物性特征。