木里凍土區(qū)天然氣水合物儲層識別與評價技術

劉 暉，羅曉玲，盧振權，曹 潔，陳建文，鄒長春

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；2.中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，北京 100037；3.中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071；4.中國地質(zhì)大學(北京)，北京 100083)

青藏高原多年凍土區(qū)具備良好的天然氣水合物找礦前景[1-2]。2008年，在祁連山木里地區(qū)(圖1)成功鉆獲天然氣水合物實物樣品[3]，鉆探結果顯示，天然氣水合物及其異?，F(xiàn)象主要產(chǎn)出在凍土層下130～400 m之間，呈肉眼可見的白色冰狀薄層(混有泥漿時為煙灰色)出露在巖層裂隙中，或呈肉眼難辨的微細浸染狀產(chǎn)在巖層孔隙中[4-6]。由于該區(qū)天然氣水合物飽和度較低[7]，并且在空間分布上具有非常強的非均質(zhì)性，利用常規(guī)的測井或地震處理解釋方法很難進行識別和評價。本文探索利用地震和測井數(shù)據(jù)進行凍土區(qū)天然氣水合物儲層識別與評價，形成了適用于凍土區(qū)天然氣水合物測井識別與評價的方法，實現(xiàn)了地震資料含氣性檢測在凍土區(qū)天然氣水合物儲層識別中的應用，為凍土區(qū)天然氣水合物資源評價提供技術支撐。

圖1 木里地區(qū)天然氣水合物發(fā)現(xiàn)區(qū)地質(zhì)概況

1 儲層測井識別與綜合評價

1.1 測井響應

以祁連山木里凍土區(qū)天然氣水合物儲層巖芯為對象，通過低溫巖石電阻率實驗，在人工合成天然氣水合物過程中及合成完成后，測定樣品的電阻率、聲波等物性參數(shù)，分析響應特征，認為現(xiàn)有的測井參數(shù)中電阻率和聲波速度對水合物最敏感，水合物的存在導致儲層電阻率和聲波速度增大，例如砂巖孔隙中含水合物比不含水合物的砂巖層的聲波速度高，范圍為2.0～4.0 km/s，電阻率亦為高值，范圍為90～180 Ω·m，聲波速度、電阻率測井是該區(qū)識別和評價水合物最有利的資料[8-9]。

1.2 識別因子

巖芯觀察和實驗測試分析結果表明，木里凍土區(qū)天然氣水合物主要存在于富含有機質(zhì)的油頁巖和碳質(zhì)泥巖、方解石充填的鈣質(zhì)泥巖[10]。與天然氣水合物一樣，有機質(zhì)和鈣質(zhì)的存在，也會導致地層電阻率增大，但是有機質(zhì)、鈣質(zhì)、天然氣水合物對巖石聲波、密度等的影響不完全相同，可以綜合多種測井資料來區(qū)分不同類型的地層，進而識別出水合物儲層。此外，泥巖裂縫是水合物重要的儲集空間[5]，裂縫的識別與評價對于裂縫型水合物儲層至關重要。因此構建了利用測井資料識別水合物儲層的4種指示因子，包括：裂縫指示因子(the factor of fissure，F(xiàn)F)，主要用于定量評價裂縫的發(fā)育程度；有機質(zhì)指示因子(the factor of carbon，F(xiàn)C)，根據(jù)自然伽馬與電阻率識別富含有機質(zhì)地層；鈣質(zhì)指示因子(the factor of calcareous matter，F(xiàn)Ca)，根據(jù)密度與電阻率識別鈣質(zhì)泥巖；水合物指示因子(the factor of gas hydrate，F(xiàn)H、FHD)，根據(jù)電阻率、聲波與密度識別天然氣水合物。

1) 裂縫指示因子(FF)。裂縫指示因子的計算依據(jù)超聲成像測井，利用圖像處理技術，將超聲波成像測井圖轉化為裂縫指示因子曲線[11](圖2)，裂縫指示因子被定義為指示裂縫發(fā)育程度的參數(shù)，范圍由0到1。

圖2 基于超聲波成像測井圖計算裂縫指示因子

2) 富含有機質(zhì)地層指示因子(FC)。富含有機質(zhì)地層可根據(jù)自然伽馬與電阻率[12]進行識別，計算見式(1)。

FC=αC(GR-GRC)log10(RT/RTC)

(1)

式中：αC為系數(shù)；GRC為不含有機質(zhì)泥巖的聲波時差，μs/m；RTC為電阻率，Ω·m；GR為地層聲波時差，μs/m；RT為電阻率，Ω·m。

當FC>0時，地層可能是富含有機質(zhì)的油頁巖或碳質(zhì)泥巖。例如，在研究區(qū)DK-9井通過該指示因子識別出110～125 m層段、145～190 m層段存在多套富含有機質(zhì)的油頁巖或碳質(zhì)泥巖，實際鉆探顯示這些層段巖性主要為油頁巖、泥巖與煤層。

3) 鈣質(zhì)泥巖指示因子(FCa)。鈣質(zhì)泥巖可根據(jù)密度與電阻率[13]進行識別，計算見式(2)。

FCa=αCa(DEN-DENCa)log10(RT/RTCa)

(2)

式中：αCa為系數(shù)；DENCa為不含有機質(zhì)泥巖的密度，g/cm3；RTCa為電阻率，Ω·m；DEN為地層密度，g/cm3；RT為電阻率，Ω·m。

當FCa>0時，地層可能是鈣質(zhì)泥巖或鈣質(zhì)砂巖。例如，在研究區(qū)DK-9井通過該指示因子識別出130～165 m層段存在多套鈣質(zhì)泥巖，實際鉆探顯示該層段巖性主要為中厚層鈣質(zhì)細砂巖夾薄層鈣質(zhì)泥巖。

4) 水合物儲層指示因子(FH、FHD)。水合物儲層的識別通過FH、FHD兩個指示因子進行判斷，計算見式(3)和式(4)。

FH=αH(ACH-AC)log10(RT/RTH)

(3)

式中：αH為系數(shù)；ACH為不含有機質(zhì)泥巖的聲波時差，μs/m；RTH為電阻率，Ω·m；AC為地層聲波時差，μs/m；RT為電阻率，Ω·m。

當FH>0時，地層可能是水合物儲層。

FHD=αHD(DENH-DEN)log10(RT/RTH)

(4)

式中：αHD為系數(shù)；DENH為不含水合物地層的密度，g/cm3。

當FHD>0時，地層可能是水合物儲層。例如，在研究區(qū)DK-9井通過FH、FHD兩個指示因子在120～340 m層段發(fā)育一系列天然氣水合物儲層，指示因子越高，識別出的儲層可信度越高，實際上在鉆探過程中發(fā)現(xiàn)該層段發(fā)育多個天然氣水合物儲層，實際工作中要綜合考慮裂縫指示因子(FF)、有機質(zhì)指示因子(FC)、鈣質(zhì)指示因子(FCa)和水合物指示因子(FH、FHD) 4種指示因子進行天然氣水合物儲層識別。

1.3 測井識別

在天然氣水合物儲層識別時，應綜合考慮4類因子。首先，根據(jù)水合物儲層識別因子識別出可能的天然氣水合物儲層；然后，根據(jù)富含有機質(zhì)地層指示因子和鈣質(zhì)泥巖指示因子排除富含有機質(zhì)地層和鈣質(zhì)泥巖地層；同時，根據(jù)裂縫指示因子識別出儲層裂縫發(fā)育層段，根據(jù)以上因子，判斷在儲層裂縫發(fā)育層段中，排除含有機質(zhì)地層和鈣質(zhì)泥巖地層后的可能天然氣水合物儲層為天然氣水合物發(fā)育層段。例如，在木里地區(qū)DK-9井中，利用4類5個識別因子綜合分析在100～360 m層段識別出6層天然氣水合物(圖3)，在這些層段內(nèi)，裂縫指示因子表明裂縫明顯發(fā)育，水合物儲層指示因子明顯異常，而富含有機質(zhì)地層指示因子和鈣質(zhì)泥巖指示因子表明水合物儲層指示因子明顯異常不是由有機質(zhì)或鈣質(zhì)引起的。與鉆井證實的天然氣水合物層段對比，其中5層與實際鉆井識別出的天然氣水合物層段吻合，另外一層可能由于鉆井巖芯水合物相關現(xiàn)象不明顯，而在鉆井過程中沒有被識別出來，表明依據(jù)水合物儲層識別因子進行水合物儲層識別具有一定的可行性和可靠性。

圖3 測井資料在木里地區(qū)鉆井(DK-9)中識別天然氣水合物儲層示例

2 含氣性檢測識別天然氣水合物儲層

2.1 能量系數(shù)

理論和實踐證明，儲層含不同流體介質(zhì)，頻譜曲線的形態(tài)、斜率、主頻與中心頻率的差值等屬性參數(shù)存在微小的差別，因此，地震資料頻譜分析可以預測解釋儲層的含油氣性[14-15]。能量系數(shù)是地震頻譜曲線低于主頻的能量與高于主頻的能量之比，換言之，能量系數(shù)是低于主頻的頻譜曲線包絡線面積與高于主頻的頻譜曲線包絡線面積之比。含油氣層表現(xiàn)為“高頻能量衰減、低頻能量增加”，從而使含油氣頻譜能量系數(shù)增大，不含油氣頻譜能量系數(shù)較小(圖4)。由此可以看出，能量系數(shù)值大小的變化，包含有頻譜曲線形態(tài)的變化、斜率參數(shù)的變化和主頻與中心頻率差值的變化。能量系數(shù)是頻譜曲線各項參數(shù)的綜合參數(shù)。利用綜合參數(shù)檢測含油氣性比單一參數(shù)應更為準確合理。

由于地層中溫壓條件的變化，在天然氣水合物儲層上下一般會存在游離氣層。通過對木里地區(qū)鉆遇淺層高壓氣藏的DK-10井的井旁地震道頻譜分析表明，天然氣水合物層頂部含氣層能量系數(shù)高，一般大于0.8， 螞蟻體剖面(裂縫預測技術)表明，鉆井

圖4 能量比值法預測含油氣性原理示意圖

注：剖面上虛線范圍為低能量系數(shù)區(qū)，顯示水合物分布范圍圖5 過DK-9井地震測線能量系數(shù)剖面

位置，裂縫極為發(fā)育，為氣體運移提供了良好的通道；速度計算表明，氣層埋深50～110 m；水合物層的底部含氣層，在能量系數(shù)剖面也有清晰的反映，在穩(wěn)定帶的底部，發(fā)育明顯高能量系數(shù)區(qū)，顯示為含氣層特征。對于含天然氣水合物層段，分頻資料表明其能量系數(shù)較低，一般小于0.6，因此，在能量系數(shù)剖面上，含天然氣水合物層段能量系數(shù)表現(xiàn)為“高—低—高”的特征。

2.2 儲層預測

通過鉆井標定、頻譜分析、螞蟻追蹤、地震多屬性分析，在過DK-9井的地震測線上對發(fā)現(xiàn)的水合物段進行了標定，并分析了地震反射特征，含水合物段為典型的弱振幅特征，同時分頻資料表明，含水合物段的主頻較低，無論是12 Hz、20 Hz還是26 Hz，均反映出DK-9井含水合物段低主頻和低能量系數(shù)的特征。另外，由于區(qū)內(nèi)斷裂較多，裂縫發(fā)育，為水合物的賦存提供了良好的儲集空間，而裂縫中水合物與裂縫兩側巖性頻譜成分差異也造成裂縫型水合物的頻譜曲線具有雙峰形態(tài)。因此，木里水合物層具有如下特征：弱振幅、低主頻、裂縫型水合物具有雙峰形態(tài)頻譜曲線、低能量系數(shù)、含水合物段一般裂縫發(fā)育。根據(jù)上述特征，應用分頻技術對木里凍土區(qū)地震資料的處理，研究能量系數(shù)變化特征，同時結合水合物層的其他地層響應，可以預測水合物層的分布(圖5)，為進一步勘探提供依據(jù)。

3 結 語

由于陸域凍土區(qū)天然氣水合物一般賦存在堅硬巖石的孔隙和裂隙中，且含量一般較低，制約了常規(guī)地球物理勘探測井對天然氣水合物儲層的識別，本文綜合木里地區(qū)已有地質(zhì)、地震、鉆井、測井資料，探索形成了一套適用于凍土區(qū)天然氣水合物測井識別與評價的方法，實現(xiàn)了地震資料含氣性檢測在凍土區(qū)天然氣水合物儲層識別中應用，為凍土區(qū)天然氣水合物資源評價提供技術支撐。