木里冻土区天然气水合物储层识别与评价技术

刘 晖，罗晓玲，卢振权，曹 洁，陈建文，邹长春

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083；2.中国地质调查局发展研究中心，北京 100037；3.中国地质调查局青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266071；4.中国地质大学(北京)，北京 100083)

青藏高原多年冻土区具备良好的天然气水合物找矿前景[1-2]。2008年，在祁连山木里地区(图1)成功钻获天然气水合物实物样品[3]，钻探结果显示，天然气水合物及其异常现象主要产出在冻土层下130～400 m之间，呈肉眼可见的白色冰状薄层(混有泥浆时为烟灰色)出露在岩层裂隙中，或呈肉眼难辨的微细浸染状产在岩层孔隙中[4-6]。由于该区天然气水合物饱和度较低[7]，并且在空间分布上具有非常强的非均质性，利用常规的测井或地震处理解释方法很难进行识别和评价。本文探索利用地震和测井数据进行冻土区天然气水合物储层识别与评价，形成了适用于冻土区天然气水合物测井识别与评价的方法，实现了地震资料含气性检测在冻土区天然气水合物储层识别中的应用，为冻土区天然气水合物资源评价提供技术支撑。

图1 木里地区天然气水合物发现区地质概况

1 储层测井识别与综合评价

1.1 测井响应

以祁连山木里冻土区天然气水合物储层岩芯为对象，通过低温岩石电阻率实验，在人工合成天然气水合物过程中及合成完成后，测定样品的电阻率、声波等物性参数，分析响应特征，认为现有的测井参数中电阻率和声波速度对水合物最敏感，水合物的存在导致储层电阻率和声波速度增大，例如砂岩孔隙中含水合物比不含水合物的砂岩层的声波速度高，范围为2.0～4.0 km/s，电阻率亦为高值，范围为90～180 Ω·m，声波速度、电阻率测井是该区识别和评价水合物最有利的资料[8-9]。

1.2 识别因子

岩芯观察和实验测试分析结果表明，木里冻土区天然气水合物主要存在于富含有机质的油页岩和碳质泥岩、方解石充填的钙质泥岩[10]。与天然气水合物一样，有机质和钙质的存在，也会导致地层电阻率增大，但是有机质、钙质、天然气水合物对岩石声波、密度等的影响不完全相同，可以综合多种测井资料来区分不同类型的地层，进而识别出水合物储层。此外，泥岩裂缝是水合物重要的储集空间[5]，裂缝的识别与评价对于裂缝型水合物储层至关重要。因此构建了利用测井资料识别水合物储层的4种指示因子，包括：裂缝指示因子(the factor of fissure，FF)，主要用于定量评价裂缝的发育程度；有机质指示因子(the factor of carbon，FC)，根据自然伽马与电阻率识别富含有机质地层；钙质指示因子(the factor of calcareous matter，FCa)，根据密度与电阻率识别钙质泥岩；水合物指示因子(the factor of gas hydrate，FH、FHD)，根据电阻率、声波与密度识别天然气水合物。

1) 裂缝指示因子(FF)。裂缝指示因子的计算依据超声成像测井，利用图像处理技术，将超声波成像测井图转化为裂缝指示因子曲线[11](图2)，裂缝指示因子被定义为指示裂缝发育程度的参数，范围由0到1。

图2 基于超声波成像测井图计算裂缝指示因子

2) 富含有机质地层指示因子(FC)。富含有机质地层可根据自然伽马与电阻率[12]进行识别，计算见式(1)。

FC=αC(GR-GRC)log10(RT/RTC)

(1)

式中：αC为系数；GRC为不含有机质泥岩的声波时差，μs/m；RTC为电阻率，Ω·m；GR为地层声波时差，μs/m；RT为电阻率，Ω·m。

当FC>0时，地层可能是富含有机质的油页岩或碳质泥岩。例如，在研究区DK-9井通过该指示因子识别出110～125 m层段、145～190 m层段存在多套富含有机质的油页岩或碳质泥岩，实际钻探显示这些层段岩性主要为油页岩、泥岩与煤层。

3) 钙质泥岩指示因子(FCa)。钙质泥岩可根据密度与电阻率[13]进行识别，计算见式(2)。

FCa=αCa(DEN-DENCa)log10(RT/RTCa)

(2)

式中：αCa为系数；DENCa为不含有机质泥岩的密度，g/cm3；RTCa为电阻率，Ω·m；DEN为地层密度，g/cm3；RT为电阻率，Ω·m。

当FCa>0时，地层可能是钙质泥岩或钙质砂岩。例如，在研究区DK-9井通过该指示因子识别出130～165 m层段存在多套钙质泥岩，实际钻探显示该层段岩性主要为中厚层钙质细砂岩夹薄层钙质泥岩。

4) 水合物储层指示因子(FH、FHD)。水合物储层的识别通过FH、FHD两个指示因子进行判断，计算见式(3)和式(4)。

FH=αH(ACH-AC)log10(RT/RTH)

(3)

式中：αH为系数；ACH为不含有机质泥岩的声波时差，μs/m；RTH为电阻率，Ω·m；AC为地层声波时差，μs/m；RT为电阻率，Ω·m。

当FH>0时，地层可能是水合物储层。

FHD=αHD(DENH-DEN)log10(RT/RTH)

(4)

式中：αHD为系数；DENH为不含水合物地层的密度，g/cm3。

当FHD>0时，地层可能是水合物储层。例如，在研究区DK-9井通过FH、FHD两个指示因子在120～340 m层段发育一系列天然气水合物储层，指示因子越高，识别出的储层可信度越高，实际上在钻探过程中发现该层段发育多个天然气水合物储层，实际工作中要综合考虑裂缝指示因子(FF)、有机质指示因子(FC)、钙质指示因子(FCa)和水合物指示因子(FH、FHD) 4种指示因子进行天然气水合物储层识别。

1.3 测井识别

在天然气水合物储层识别时，应综合考虑4类因子。首先，根据水合物储层识别因子识别出可能的天然气水合物储层；然后，根据富含有机质地层指示因子和钙质泥岩指示因子排除富含有机质地层和钙质泥岩地层；同时，根据裂缝指示因子识别出储层裂缝发育层段，根据以上因子，判断在储层裂缝发育层段中，排除含有机质地层和钙质泥岩地层后的可能天然气水合物储层为天然气水合物发育层段。例如，在木里地区DK-9井中，利用4类5个识别因子综合分析在100～360 m层段识别出6层天然气水合物(图3)，在这些层段内，裂缝指示因子表明裂缝明显发育，水合物储层指示因子明显异常，而富含有机质地层指示因子和钙质泥岩指示因子表明水合物储层指示因子明显异常不是由有机质或钙质引起的。与钻井证实的天然气水合物层段对比，其中5层与实际钻井识别出的天然气水合物层段吻合，另外一层可能由于钻井岩芯水合物相关现象不明显，而在钻井过程中没有被识别出来，表明依据水合物储层识别因子进行水合物储层识别具有一定的可行性和可靠性。

图3 测井资料在木里地区钻井(DK-9)中识别天然气水合物储层示例

2 含气性检测识别天然气水合物储层

2.1 能量系数

理论和实践证明，储层含不同流体介质，频谱曲线的形态、斜率、主频与中心频率的差值等属性参数存在微小的差别，因此，地震资料频谱分析可以预测解释储层的含油气性[14-15]。能量系数是地震频谱曲线低于主频的能量与高于主频的能量之比，换言之，能量系数是低于主频的频谱曲线包络线面积与高于主频的频谱曲线包络线面积之比。含油气层表现为“高频能量衰减、低频能量增加”，从而使含油气频谱能量系数增大，不含油气频谱能量系数较小(图4)。由此可以看出，能量系数值大小的变化，包含有频谱曲线形态的变化、斜率参数的变化和主频与中心频率差值的变化。能量系数是频谱曲线各项参数的综合参数。利用综合参数检测含油气性比单一参数应更为准确合理。

由于地层中温压条件的变化，在天然气水合物储层上下一般会存在游离气层。通过对木里地区钻遇浅层高压气藏的DK-10井的井旁地震道频谱分析表明，天然气水合物层顶部含气层能量系数高，一般大于0.8， 蚂蚁体剖面(裂缝预测技术)表明，钻井

图4 能量比值法预测含油气性原理示意图

注：剖面上虚线范围为低能量系数区，显示水合物分布范围图5 过DK-9井地震测线能量系数剖面

位置，裂缝极为发育，为气体运移提供了良好的通道；速度计算表明，气层埋深50～110 m；水合物层的底部含气层，在能量系数剖面也有清晰的反映，在稳定带的底部，发育明显高能量系数区，显示为含气层特征。对于含天然气水合物层段，分频资料表明其能量系数较低，一般小于0.6，因此，在能量系数剖面上，含天然气水合物层段能量系数表现为“高—低—高”的特征。

2.2 储层预测

通过钻井标定、频谱分析、蚂蚁追踪、地震多属性分析，在过DK-9井的地震测线上对发现的水合物段进行了标定，并分析了地震反射特征，含水合物段为典型的弱振幅特征，同时分频资料表明，含水合物段的主频较低，无论是12 Hz、20 Hz还是26 Hz，均反映出DK-9井含水合物段低主频和低能量系数的特征。另外，由于区内断裂较多，裂缝发育，为水合物的赋存提供了良好的储集空间，而裂缝中水合物与裂缝两侧岩性频谱成分差异也造成裂缝型水合物的频谱曲线具有双峰形态。因此，木里水合物层具有如下特征：弱振幅、低主频、裂缝型水合物具有双峰形态频谱曲线、低能量系数、含水合物段一般裂缝发育。根据上述特征，应用分频技术对木里冻土区地震资料的处理，研究能量系数变化特征，同时结合水合物层的其他地层响应，可以预测水合物层的分布(图5)，为进一步勘探提供依据。

3 结 语

由于陆域冻土区天然气水合物一般赋存在坚硬岩石的孔隙和裂隙中，且含量一般较低，制约了常规地球物理勘探测井对天然气水合物储层的识别，本文综合木里地区已有地质、地震、钻井、测井资料，探索形成了一套适用于冻土区天然气水合物测井识别与评价的方法，实现了地震资料含气性检测在冻土区天然气水合物储层识别中应用，为冻土区天然气水合物资源评价提供技术支撑。