劉 暉，羅曉玲，盧振權(quán)，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(xué)(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(shí)物樣品[3]，鉆探結(jié)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(shí)為煙灰色)出露在巖層裂隙中，或呈肉眼難辨的微細(xì)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(qiáng)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(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)。本文探索利用地震和測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行凍土區(qū)天然氣水合物儲(chǔ)層識(shí)別與評(píng)價(jià)，形成了適用于凍土區(qū)天然氣水合物測井識(shí)別與評(píng)價(jià)的方法，實(shí)現(xiàn)了地震資料含氣性檢測在凍土區(qū)天然氣水合物儲(chǔ)層識(shí)別中的應(yīng)用，為凍土區(qū)天然氣水合物資源評(píng)價(jià)提供技術(shù)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(chǔ)層測井識(shí)別與綜合評(píng)價(jià)

1.1 測井響應(yīng)

以祁連山木里凍土區(qū)天然氣水合物儲(chǔ)層巖芯為對(duì)象，通過低溫巖石電阻率實(shí)驗(yàn)，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(yīng)特征，認(rèn)為現(xiàn)有的測井參數(shù)中電阻率和聲波速度對(duì)水合物最敏感，水合物的存在導(dǎo)致儲(chǔ)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(shí)別和評(píng)價(jià)水合物最有利的資料[8-9]。

1.2 識(shí)別因子

巖芯觀察和實(shí)驗(yàn)測試分析結(jié)果表明，木里凍土區(qū)天然氣水合物主要存在于富含有機(jī)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(jī)質(zhì)和鈣質(zhì)的存在，也會(huì)導(dǎo)致地層電阻率增大，但是有機(jī)質(zhì)、鈣質(zhì)、天然氣水合物對(duì)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(jìn)而識(shí)別出水合物儲(chǔ)層。此外，泥巖裂縫是水合物重要的儲(chǔ)集空間[5]，裂縫的識(shí)別與評(píng)價(jià)對(duì)于裂縫型水合物儲(chǔ)層至關(guān)重要。因此構(gòu)建了利用測井資料識(shí)別水合物儲(chǔ)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(píng)價(jià)裂縫的發(fā)育程度；有機(jī)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(shí)別富含有機(jī)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(shí)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(shí)別天然氣水合物。

1) 裂縫指示因子(FF)。裂縫指示因子的計(jì)算依據(jù)超聲成像測井，利用圖像處理技術(shù)，將超聲波成像測井圖轉(zhuǎn)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(jì)算裂縫指示因子

2) 富含有機(jī)質(zhì)地層指示因子(FC)。富含有機(jī)質(zhì)地層可根據(jù)自然伽馬與電阻率[12]進(jìn)行識(shí)別，計(jì)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(jī)質(zhì)泥巖的聲波時(shí)差，μs/m；RTC為電阻率，Ω·m；GR為地層聲波時(shí)差，μs/m；RT為電阻率，Ω·m。

當(dāng)FC>0時(shí)，地層可能是富含有機(jī)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(shí)別出110～125 m層段、145～190 m層段存在多套富含有機(jī)質(zhì)的油頁巖或碳質(zhì)泥巖，實(shí)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(jìn)行識(shí)別，計(jì)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(jī)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(dāng)FCa>0時(shí)，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(shí)別出130～165 m層段存在多套鈣質(zhì)泥巖，實(shí)際鉆探顯示該層段巖性主要為中厚層鈣質(zhì)細(xì)砂巖夾薄層鈣質(zhì)泥巖。

4) 水合物儲(chǔ)層指示因子(FH、FHD)。水合物儲(chǔ)層的識(shí)別通過FH、FHD兩個(gè)指示因子進(jìn)行判斷，計(jì)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(jī)質(zhì)泥巖的聲波時(shí)差，μs/m；RTH為電阻率，Ω·m；AC為地層聲波時(shí)差，μs/m；RT為電阻率，Ω·m。

當(dāng)FH>0時(shí)，地層可能是水合物儲(chǔ)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(dāng)FHD>0時(shí)，地層可能是水合物儲(chǔ)層。例如，在研究區(qū)DK-9井通過FH、FHD兩個(gè)指示因子在120～340 m層段發(fā)育一系列天然氣水合物儲(chǔ)層，指示因子越高，識(shí)別出的儲(chǔ)層可信度越高，實(shí)際上在鉆探過程中發(fā)現(xiàn)該層段發(fā)育多個(gè)天然氣水合物儲(chǔ)層，實(shí)際工作中要綜合考慮裂縫指示因子(FF)、有機(jī)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(jìn)行天然氣水合物儲(chǔ)層識(shí)別。

1.3 測井識(shí)別

在天然氣水合物儲(chǔ)層識(shí)別時(shí)，應(yīng)綜合考慮4類因子。首先，根據(jù)水合物儲(chǔ)層識(shí)別因子識(shí)別出可能的天然氣水合物儲(chǔ)層；然后，根據(jù)富含有機(jī)質(zhì)地層指示因子和鈣質(zhì)泥巖指示因子排除富含有機(jī)質(zhì)地層和鈣質(zhì)泥巖地層；同時(shí)，根據(jù)裂縫指示因子識(shí)別出儲(chǔ)層裂縫發(fā)育層段，根據(jù)以上因子，判斷在儲(chǔ)層裂縫發(fā)育層段中，排除含有機(jī)質(zhì)地層和鈣質(zhì)泥巖地層后的可能天然氣水合物儲(chǔ)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(gè)識(shí)別因子綜合分析在100～360 m層段識(shí)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(chǔ)層指示因子明顯異常，而富含有機(jī)質(zhì)地層指示因子和鈣質(zhì)泥巖指示因子表明水合物儲(chǔ)層指示因子明顯異常不是由有機(jī)質(zhì)或鈣質(zhì)引起的。與鉆井證實(shí)的天然氣水合物層段對(duì)比，其中5層與實(shí)際鉆井識(shí)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(guān)現(xiàn)象不明顯，而在鉆井過程中沒有被識(shí)別出來，表明依據(jù)水合物儲(chǔ)層識(shí)別因子進(jìn)行水合物儲(chǔ)層識(shí)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(shí)別天然氣水合物儲(chǔ)層示例

2 含氣性檢測識(shí)別天然氣水合物儲(chǔ)層

2.1 能量系數(shù)

理論和實(shí)踐證明，儲(chǔ)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(yù)測解釋儲(chǔ)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(luò)線面積與高于主頻的頻譜曲線包絡(luò)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(xiàng)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(yīng)更為準(zhǔn)確合理。

由于地層中溫壓條件的變化，在天然氣水合物儲(chǔ)層上下一般會(huì)存在游離氣層。通過對(duì)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(yù)測技術(shù))表明，鉆井

圖4 能量比值法預(yù)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(yùn)移提供了良好的通道；速度計(jì)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(duì)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(chǔ)層預(yù)測

通過鉆井標(biāo)定、頻譜分析、螞蟻?zhàn)粉?、地震多屬性分析，在過DK-9井的地震測線上對(duì)發(fā)現(xiàn)的水合物段進(jìn)行了標(biāo)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(shí)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(chǔ)集空間，而裂縫中水合物與裂縫兩側(cè)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(yīng)用分頻技術(shù)對(duì)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(shí)結(jié)合水合物層的其他地層響應(yīng)，可以預(yù)測水合物層的分布(圖5)，為進(jìn)一步勘探提供依據(jù)。

3 結(jié) 語

由于陸域凍土區(qū)天然氣水合物一般賦存在堅(jiān)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(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層的識(shí)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(shí)別與評(píng)價(jià)的方法，實(shí)現(xiàn)了地震資料含氣性檢測在凍土區(qū)天然氣水合物儲(chǔ)層識(shí)別中應(yīng)用，為凍土區(qū)天然氣水合物資源評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。