瓊東南盆地松南低凸起天然氣水合物儲層特征及勘探潛力

陳鳴,廖晉,歐陽敏,孫殿強,曲長偉,蔡惠敏

(1.中海石油(中國)有限公司海南分公司,海南海口570311;2.斯倫貝謝(中國)公司,北京100015)

0 引 言

天然氣水合物是在一定的溫度和壓力條件下,由甲烷等烴類氣體與水分子結(jié)合形成的具有籠型結(jié)構(gòu)的白色似冰狀固態(tài)物質(zhì)[1]。天然氣水合物廣泛地分布在全球水深超過300 m的陸緣海沉積物中,少量分布于高緯度和高海拔的凍土帶等處[2-4]。天然氣水合物資源儲量豐富,保守估計其碳儲量超過陸地上已知化石燃料碳儲量的2倍[3]。之前學(xué)者對天然氣水合物的研究主要通過地震、地化及取心等方法[5-12],但這些研究手段有著周期長、成本高及精度低等缺點。測井以其高精度及連續(xù)性的特點已成為油氣勘探不可或缺的手段,眾多學(xué)者逐步將測井引入對天然氣水合物儲層特征的研究中[13-18]。但天然氣水合物儲層埋藏淺、壓實程度弱,處于未固結(jié)狀態(tài),常規(guī)油氣測井評價方法不能直接應(yīng)用于對天然氣水合物儲層特性的評價,需建立天然氣水合物特有的測井評價體系。此外,不同于常規(guī)油氣,天然氣水合物以固態(tài)形式賦存,其富集需要特定的溫度和壓力條件,但在鉆井過程或者取心過程中,天然氣水合物的溫度和壓力條件發(fā)生破壞,天然氣水合物常發(fā)生分解,因此,對其賦存特征的研究很難得到最原位的狀態(tài)。此外,通過現(xiàn)有的實驗手段無法獲得天然氣水合物儲層準(zhǔn)確的巖電參數(shù),基于常規(guī)方法對天然氣水合物飽和度評價誤差較大、準(zhǔn)確性較低,阻礙了天然氣水合物的勘探開發(fā)進程。

本文以瓊東南盆地松南低凸起為研究靶區(qū),利用隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù),尤其是高分辨率隨鉆電阻率成像測井?dāng)?shù)據(jù),分析該區(qū)水合物的賦存狀態(tài),確定天然氣水合物儲層縱向上的成藏規(guī)律,并對其飽和度進行精細計算,進而評價研究區(qū)天然氣水合物的勘探潛力并圈定有利的鉆探靶區(qū),對進一步擴展瓊東南盆地水合物勘探新領(lǐng)域具有重要指導(dǎo)意義。

1 天然氣水合物測井識別

天然氣水合物是在一定的高壓低溫環(huán)境下形成的固體礦物,常富集于巖石孔隙中,而游離氣與地層水也均可存在于巖石孔隙中,此外,天然氣水合物與巖石礦物的物理特性也存在一定的差異,這就意味著可以通過測井曲線識別出天然氣水合物,從而為之后的儲層定量評價打下基礎(chǔ)?；谥暗慕?jīng)驗,對水和天然氣水合物的識別要依靠電阻率、核磁共振和縱波時差的變化,而對天然氣水合物和氣的識別主要通過中子、密度和縱波時差的變化。但通過測井方法進行水合物的識別時,因為巖性及孔隙度的變化也會引起測井曲線表現(xiàn)出類似于天然氣水合物的測井響應(yīng)特征,僅依靠1種或2種測量方法很難判斷天然氣水合物是否存在。因此,在天然氣水合物識別中,應(yīng)視具體情況,結(jié)合所有的測量信息,使用各種技術(shù)進行全面的儲層評價。

以研究區(qū)A6井為例,在X 993.3～X 999.7 m和Y 002.5～Y 010.5 m層段,井徑讀值接近鉆頭尺寸8.5 in(1)非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,指示該層段未發(fā)生擴徑,自然伽馬顯示巖性與上下層段無變化,但電阻率有明顯抬升,密度略有變小,聲波縱波時差相對基值略小(見圖1),綜合這些曲線特征確定這2個層段含有天然氣水合物。而在Y 030.5 m以下的部分層段電阻率讀值變大,密度孔隙度變小,聲波縱波時差變大,聲波速度變慢(見圖1),綜合所有測井曲線在這些層段的響應(yīng)特征,判斷這些層段含有游離氣。

圖1 松南低凸起A6井水合物層及氣層典型測井響應(yīng)特征

2 天然氣水合物賦存狀態(tài)

與常規(guī)油氣不同,天然氣水合物常以不同的固態(tài)形式富集于儲層中,不同賦存狀態(tài)的水合物往往需要不同的開采方法[17]。之前學(xué)者對天然氣水合物賦存狀態(tài)的研究主要依據(jù)巖心資料,但天然氣水合物取心資料不連續(xù)并且水合物常發(fā)生分解,因此,根據(jù)巖心資料分析判斷天然氣水合物的賦存狀態(tài)具有很大的不確定性。本文根據(jù)高分辨率的隨鉆微電阻率掃描成像、電阻率成像的頻譜分析及Sand Counting分析可對水合物原位賦存狀態(tài)進行分析,結(jié)果表明,研究區(qū)共發(fā)育2種不同賦存狀態(tài)的水合物,分別是分散狀水合物及薄層狀水合物(見圖2和圖3)。

(1)分散狀水合物:電阻率圖像為亮色塊狀,主要呈分散浸染狀分布于基質(zhì)中,厚度較大,單層厚度最大可達5 m。分散狀水合物飽和度以中高為主,最大可達2%。分散狀水合物電阻率頻譜較寬,分選系數(shù)也較大,電阻率分布柱狀圖為寬緩的單峰特征,表明分散狀水合物具有一定的非均質(zhì)性。

(2)薄層狀水合物:常規(guī)測井曲線特征表現(xiàn)為電阻率有所增加,電阻率圖像薄層狀水合物表現(xiàn)為單層層厚較薄的高亮特征,水合物飽和度較低。薄層狀水合物通過常規(guī)測井手段無法識別,只有通過高分辨率電阻率成像才能識別薄層狀水合物的賦存。

3 天然氣水合物成藏特征

基于隨鉆微電阻率掃描成像、電阻率成像的頻譜分析及Sand Counting分析可確定在鉆井井位縱向上天然氣水合物的賦存狀態(tài),進而在單井上可建立如鮑瑪序列的水合物成藏序列,確定縱向上連續(xù)的天然氣水合物成藏特征。

A6井X 993.3～X 999.7 m主要發(fā)育分散狀水合物,天然氣水合物以中高飽和度為主,分選較差,具有一定的非均質(zhì)性;X 999.7～Y 002.5 m無明顯天然氣水合物顯示,主要為基質(zhì)沉積;Y 002.5～Y 010.5 m主要發(fā)育薄層狀水合物,以低飽和度水合物為主,其飽和度低于10%,天然氣水合物分選較差且非均質(zhì)性較強;Y 010.5～Y 021.5 m無明顯水合物顯示,主要為基質(zhì)沉積(見圖2)。

A7井中X 998.0～Y 003.0 m層段主要發(fā)育分散狀天然氣水合物,天然氣水合物以中高飽和度為主,飽和度大于20%,分選較差,具有一定的非均質(zhì)性;Y 003.0～Y 011.0 m無明顯天然氣水合物顯示,主要為基質(zhì)沉積;Y 011.0～Y 017.8 m主要發(fā)育薄層狀水合物,以低飽和度水合物為主,其飽和度低于10%,水合物分選較差且非均質(zhì)性較強;Y 017.8～Y 031.5 m無明顯水合物顯示,主要為基質(zhì)沉積(見圖3)。

綜合研究區(qū)各井不同賦存狀態(tài)的水合物發(fā)育情況,建立松南低凸起地區(qū)水合物的縱向成藏序列。研究區(qū)水域一般較深,主要分布在1 600～1 900 m,似海底反射界面(Bottom Simulation Reflector,BSR)分布在泥面下X50～X30 m(見圖4)。水合物的分布主要有2層:淺層分散狀水合物和深層薄層狀水合物。淺層分散狀水合物厚度一般在15～35 m,其飽和度較高,一般大于2%,具有一定的非均質(zhì)性,分選也較差。深層薄層狀水合物飽和度一般小于1%,厚度主要分布在1～40 m,分選差且非均質(zhì)性強。淺層分散狀水合物和深層薄層水合物之間應(yīng)該有裂隙作為氣體和流體的疏導(dǎo)通道,推測有裂隙型天然氣水合物的發(fā)育,但裂隙發(fā)育無規(guī)律,因此,在現(xiàn)有的井位上未發(fā)現(xiàn)裂隙型天然氣水合物的發(fā)育。天然氣水合物縱向成藏序列的研究可確定主力層的天然氣水合物賦存狀態(tài)及埋深等重要信息。

圖2 松南低凸起A6井主力水合物層水合物成藏序列

圖3 松南低凸起A7井主力層天然氣水合物成藏序列

圖4 松南低凸起主力水合物層水合物成藏序列

4 天然氣水合物飽和度的精細計算

天然氣水合物勘探的關(guān)注重點是準(zhǔn)確計算地下天然氣水合物的儲量,天然氣水合物賦存狀態(tài)和成藏特征的研究可提供天然氣水合物縱向及橫向的展布狀態(tài),另外要對天然氣水合物的飽和度進行準(zhǔn)確評估。之前學(xué)者主要是通過分析天然氣水合物儲層的地層水礦化度來估算其飽和度,但結(jié)果誤差較大,對天然氣水合物儲量的計算有很大影響。天然氣水合物飽和度的計算方法主要有電阻率法和聲波速度法。基于電阻率計算天然氣水合物飽和度時需選擇不同的公式及相應(yīng)的巖電參數(shù),但在天然氣水合物這種未固結(jié)地層中取心并在實驗室分析巖電參數(shù)存在極大的困難,巖電參數(shù)的不確定性影響天然氣水合物飽和度計算的準(zhǔn)確性。不同天然氣水合物的賦存方式可能會表現(xiàn)出不同的測井響應(yīng)。此外,天然氣水合物的飽和度越高,地層聲波速度也相對越快,可利用合適的巖石物理模型來通過聲波對水合物飽和度進行計算[15]。但不同微觀賦存狀態(tài)的天然氣水合物的巖石物理模型存在很大差異,不同天然氣水合物賦存模式的聲波速度和飽和度均有很大的差異,因此,根據(jù)聲波速度來計算天然氣水合物飽和度的計算也存在一定的不確定性。

在天然氣水合物層中,核磁共振測量僅測量到黏土束縛水、毛細管束縛水及自由水的信號,而不包含天然氣水合物的信號,所以核磁共振測量的孔隙度僅為流體的部分[19-21]。而常規(guī)密度孔隙度則包含了流體和天然氣水合物的部分,在天然氣水合物穩(wěn)定帶內(nèi)幾乎所有的烴類氣體完全與水結(jié)合形成了水合物,因此,密度孔隙度反映了水和天然氣水合物所占的孔隙空間,結(jié)合密度孔隙度和核磁共振孔隙度可得到天然氣水合物孔隙度,進一步求出其飽和度。與常規(guī)電阻率和聲波速度計算的水合物飽和度相比,密度核磁共振相結(jié)合的方法計算天然氣水合物飽和度所需的參數(shù)較少,不確定性較低,可靠性較高。在新區(qū)塊尤其是巖心數(shù)據(jù)缺乏的條件下,密度核磁共振相結(jié)合的方法計算天然氣水合物的飽和度結(jié)果準(zhǔn)確性相對于其他方法較高。

本文首次采用了密度核磁共振相結(jié)合的方法計算天然氣水合物飽和度,并利用常規(guī)電阻率方法計算天然氣水合物飽和度,將兩者進行對比。A6井分散狀天然氣水合物層段用電阻率方法計算的天然氣水合物飽和度最低為2.3%,最高為42.6%,平均為22.9%(見圖5);利用密度核磁共振相結(jié)合的方法計算的水合物飽和度最低為1.6%,最高為25.2%,平均為14%;根據(jù)密度核磁共振相結(jié)合的方法計算得到的水合物飽和度平均值較電阻率方法計算的平均飽和度低9%左右,主要是由于分散狀天然氣水合物分選較差,且具有一定的非均質(zhì)性。薄層狀天然氣水合物層段利用電阻率方法計算的飽和度平均值為6.3%,基于密度核磁共振相結(jié)合的方法計算的飽和度平均為4.1%,電阻率方法計算的飽和度也略高于密度核磁共振相結(jié)合的方法計算的飽和度值,主要原因也是因為薄層狀水合物分選也較差,且非均質(zhì)性較強。

5 天然氣水合物勘探潛力

綜上分析,瓊東南盆地深水區(qū)松南低凸起具有良好的水合物成藏條件[22],因此,有必要對研究區(qū)水合物的勘探潛力及勘探方向進行探討分析,為今后水合物勘探開發(fā)指明方向。之前學(xué)者對瓊東南區(qū)塊水合物成藏的主控因素進行了詳細分析,結(jié)果表明瓊東南盆地淺層發(fā)育的氣煙囪控制著水合物的成藏,越靠近氣煙囪水合物顯示越好,在氣煙囪內(nèi)部所鉆探的井位全井段均有水合物賦存[23-24]。對研究區(qū)所鉆探的8口井位進行了對比分析,發(fā)現(xiàn)A5井Y 015～Y 021 m層段、A3井X 985～Y 018 m層段及A1井Y 010～Y 016 m層段有電阻率升高的響應(yīng)(見圖6),這些電阻率明顯升高的層段與A6和A7井天然氣水合物發(fā)育的層段相對應(yīng)。因此,推測A5井Y 015～Y 021 m層段、A3井X 985～Y 018 m層段及A1井Y 010～Y 016 m層段也發(fā)育天然氣水合物,尤其是東南部的領(lǐng)眼井A3、A5及A6井天然氣水合物顯示較好,天然氣水合物較厚且飽和度較高。此外,A3井相移及衰減電阻率出現(xiàn)明顯的分離,A6井部分層段相移及衰減電阻率也出現(xiàn)分離的現(xiàn)象(見圖6)。從連井地震剖面可明顯看出,A3和A6井附近有氣煙囪發(fā)育,且A3井井位更靠近氣煙囪,正是由于氣煙囪內(nèi)部發(fā)育高角度地層,造成在A3和A6井天然氣水合物發(fā)育層段出現(xiàn)相移及衰減電阻率的分離現(xiàn)象。對天然氣水合物儲層而言,氣煙囪常作為氣體和流體的疏導(dǎo)通道,溝通了深部氣源和淺部儲層,是天然氣水合物聚集成藏的優(yōu)勢指向。基于測井?dāng)?shù)據(jù)及地震資料分析認(rèn)為研究區(qū)東南方向有氣煙囪的發(fā)育,該區(qū)域的東南方向為下一步水合物主要勘探目的區(qū)域。

圖6 瓊東南盆地松南低凸起水合物勘探潛力分析

6 結(jié) 論

(1)松南低凸起天然氣水合物層段具有獨特的測井響應(yīng)特征,電阻率變高,聲波速度變快,且密度孔隙度大于核磁共振孔隙度,在天然氣水合物下部層段見淺層游離氣發(fā)育。

(2)研究區(qū)天然氣水合物主要存在淺層分散狀及深層薄層狀2種類型,分選差且均具有非均質(zhì)性,分散狀天然氣水合物飽和度較高,薄層狀天然氣水合物飽和度較低。

(3)由于研究區(qū)天然氣水合物層段具有一定的非均質(zhì)性,因此,相較于常規(guī)基于電阻率計算飽和度的方法,基于密度核磁共振相結(jié)合的方法計算飽和度所需的參數(shù)較少、誤差較小、可信度高。

(4)研究區(qū)東南方向的井位天然氣水合物層較厚且飽和度較高,而且相移及衰減電阻率出現(xiàn)分離,該區(qū)域發(fā)育氣煙囪,為今后天然氣水合物勘探的主要區(qū)域。