陳杰，胡高偉，卜慶濤，王秀娟，景鵬飛，劉昌嶺，郭洋，王自豪

1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，自然資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266071

2. 海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266071

3. 中國(guó)石油大學(xué)（華東），青島 266580

4. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266071

天然氣水合物是一種籠狀結(jié)構(gòu)的類冰狀結(jié)晶化合物，主要是由甲烷和水分子結(jié)合而成，因其在凍土地區(qū)和海洋大陸邊緣廣泛分布、與海底穩(wěn)定性相關(guān)，以及可能對(duì)全球氣候具有潛在影響而廣受關(guān)注[1-2]。新西蘭Hikurangi 大陸邊緣每?jī)赡曜笥野l(fā)生一次慢滑移事件[3]，有關(guān)證據(jù)顯示，多期次水合物形成分解可能是造成該區(qū)產(chǎn)生蠕變的重要原因之一[4]。

2017 年 11 月—2018 年 1 月執(zhí)行了“蠕變中的天然氣水合物滑動(dòng)和Hikurangi 隨鉆測(cè)井”為主旨的IODP372 航次。該航次的主要目的之一是調(diào)查天然氣水合物和海底滑坡的關(guān)系，因此，在新西蘭Hikurangi 邊緣 Tuaheni 滑坡復(fù)合體（Tuaheni Landslide Complex，TLC）的U1517 站位進(jìn)行了隨鉆測(cè)井工作（圖1）。該站位鉆井的主要任務(wù)是通過(guò)在滑坡體和天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行測(cè)井和采樣，研究水合物與蠕變的關(guān)系。

20 世紀(jì)末，研究人員在新西蘭Hikurangi 邊緣發(fā)現(xiàn)地震高振幅異常和似海底反射（BSR）標(biāo)志[4-7]。該區(qū)域反射地震[8-11]、電磁[12-14]、甲烷滲漏、海水甲烷濃度、與滲漏相關(guān)的沉積坍塌和冷泉等證據(jù)均指示有天然氣水合物存在[15-19]。通過(guò)反射地震發(fā)現(xiàn)，Hikurangi 大陸邊緣的Tuaheni 滑坡復(fù)合體顯示了活動(dòng)蠕變變形的特征，且蠕變中的近陸邊緣與海底天然氣水合物穩(wěn)定帶底部的尖滅相一致[4]，因此，科學(xué)家認(rèn)為水合物分解—形成過(guò)程可能與新西蘭Hikurangi邊緣的多期次慢滑移密切相關(guān)[4,20-21]。TLC 地區(qū)水合物分布和含量估算是研究蠕變與水合物關(guān)系的必要環(huán)節(jié)。Mountjoy 提出3 種機(jī)制解釋淺層天然氣水合物是如何導(dǎo)致慢滑移，主要認(rèn)為是由于水合物的分解導(dǎo)致沉積物液化失穩(wěn)、水合物分解對(duì)地層孔隙壓力的影響和水合物含量對(duì)地層提供的不同支撐模式的影響[4]。不同飽和度的水合物對(duì)沉積物的支撐模式不同[22]，因此，準(zhǔn)確估算慢滑移區(qū)域水合物的飽和度可以進(jìn)一步分析天然氣水合物導(dǎo)致TLC 慢滑移的原因，IODP372 航次測(cè)井和取心為水合物飽和度估算提供了可靠資料。

由于聲速和電阻率對(duì)水合物儲(chǔ)層最為敏感，常用聲學(xué)、電學(xué)模型來(lái)估算天然氣水合物飽和度[23-24]?；陔娮杪实哪Ｐ陀邪柶娣匠蘙25]和連通性方程[26]；基于聲速的模型有權(quán)重方程（Weighted equation，WE）[27]、等效介質(zhì)理論（Effective Media Theory，EMT）模型[28]、改進(jìn)的 Biot-Gassmann 理論（Biot-Gassmann Theory by Lee，BGTL）模型[29-30]和簡(jiǎn)化三相介質(zhì)方程（Simplified Three-Phase Equation，STPE）[31]等，其中，常用于測(cè)井應(yīng)用的模型主要是STPE 和等效介質(zhì)理論[32]兩種。由于STPE 模型參數(shù)較易獲取，所以多次被實(shí)際應(yīng)用于估算天然氣水合物飽和度，均得到理想的預(yù)測(cè)效果[33-34]；Hu 等采用超聲探測(cè)技術(shù)和時(shí)域反射技術(shù)實(shí)時(shí)探測(cè)了沉積物的縱橫波速度和水合物飽和度的變化情況，檢驗(yàn)了多種理論模型，發(fā)現(xiàn)BGTL 理論預(yù)測(cè)的縱、橫波速度更接近實(shí)測(cè)值[35]，但BGTL 模型中與巖石固結(jié)程度相關(guān)參數(shù)難以通過(guò)實(shí)際地層數(shù)據(jù)計(jì)算，從而導(dǎo)致較少被應(yīng)用于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)估算水合物飽和度。本文主要通過(guò)STPE與BGTL 模型對(duì)U1517 站位水合物飽和度進(jìn)行研究，在BGTL 模型使用新的參數(shù)選取方法，使參數(shù)獲取更為簡(jiǎn)易，計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)巖性劃分不同層段對(duì)應(yīng)的礦物成分含量，用于縱波速度模型計(jì)算，以精確模型判斷水合物儲(chǔ)層深度分布和天然氣水合物飽和度計(jì)算。

1 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析

IODP372 航次 U1517 站位測(cè)井位于 38°S、178°E（圖 1），井深約 205 mbsf。該航次通過(guò)隨鉆測(cè)井采集了井徑、聲波速度、伽馬密度、孔隙度、自然伽馬和電阻率等數(shù)據(jù)，其中縱波數(shù)據(jù)在160～168 mbsf層段內(nèi)未獲取。通過(guò)對(duì) LDEO（Lamont Doherty Earth Observatory）數(shù)據(jù)庫(kù)提供的U1517 站位原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行解釋分析，并擬合背景趨勢(shì)線，結(jié)果如圖2所示，實(shí)測(cè)縱波聲速與背景擬合聲速相比，速度增加出現(xiàn)在94～160 mbsf 層段，氯離子濃度異常出現(xiàn)在 104～ 160 mbsf 層 段 ； 在 94～ 104 mbsf 層 段 縱波速度和孔隙度等明顯增加，而電阻率與密度減小，氯離子濃度并無(wú)異常，該層段的異常與21～28 mbsf 層段相似，可能為井孔和局部巖性變化造成（圖中黃色區(qū)域）。天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)大概位于104～160 mbsf，并且在 130～145 mbsf 層段（圖中綠色區(qū)域），縱波速度、電阻率和井徑明顯增加，密度減小。該航次從U1517 站位獲得多個(gè)柱狀樣品，使用紅外熱像儀進(jìn)行掃描，溫度異常表明天然氣水合物的存在，并發(fā)現(xiàn)在巖心的上層沉積物或其巖心采集器中有甲烷釋放[37]。圖3 所示為地層因子與縱波速度交會(huì)圖，由于含天然氣水合物的沉積物具有較高的縱波速度和地層因子，所以含天然氣水合物的沉積地層的交會(huì)圖顯示高于飽和水沉積地層[34]，在130～145 mbsf 層段顯示較高的地層因子和縱波速度。

2 儲(chǔ)層水合物飽和度估算

依據(jù)國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃出版物（International Ocean Discovery Program Publications）[36]獲取礦物類型及含量數(shù)據(jù)，基于該數(shù)據(jù)，根據(jù)巖性劃分不同層段對(duì)應(yīng)的礦物成分含量，結(jié)果如圖4 所示，用于縱波速度模型計(jì)算，以精確天然氣水合物飽和度計(jì)算值。巖石骨架的不同礦物類型的物性參數(shù)如表1 所示。

2.1 簡(jiǎn)化三相介質(zhì)模型（STPE）

圖2 U1517 站位測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)藍(lán)色實(shí)線為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，紅色實(shí)線為擬合背景趨勢(shì)，黑色虛線為BSR。Fig.2 Well logs at Site U1517The blue lines are measured logging data and the red lines are fitted background trends; the black dashed line is BSR.

圖3 U1517 站位井地層因子與縱波速度交會(huì)圖黑色實(shí)線為0～90 mbsf 擬合背景趨勢(shì)線。Fig.3 Cross plot of formation factor versus the measured P-wave velocities at Site U1517The black line is fitted background trends of 0～90 mbsf.

含天然氣水合物儲(chǔ)層具有相對(duì)較高的縱橫波速度。本次研究中使用STPE 模擬U1517 站位井的縱波速度，其中用于縱波速度（Vp）建模的STPE[31,33]使用等式（1）對(duì)水合物儲(chǔ)層的縱波速度建模：

式中ρ是含天然氣水合物沉積模型的體積密度，k是體積模量，μ是剪切模量。建模參數(shù)ε 是解釋在加強(qiáng)主體沉積物骨架方面天然氣水合物形成相對(duì)于壓實(shí)的影響減小，Lee 和Waite 推薦使用ε=0.12為建模數(shù)值[30]。在Vp和Vs建模中使用的參數(shù)α使用等式（2）計(jì)算：

式中α0是有效壓力p0和深度d0的固結(jié)參數(shù)，αi是有效壓力pi和深度di的固結(jié)參數(shù)，固結(jié)參數(shù)可以使用飽和水沉積物的速度來(lái)估算[40]。固結(jié)參數(shù)取決于固結(jié)程度和該區(qū)域的有效壓力，Mindlin 認(rèn)為體積模和剪切模量為有效壓力的1/3 冪[41]，因此不同位置，根據(jù)研究區(qū)域的主要巖性，α的值隨深度而變化[40]。通過(guò)建模速度基線和實(shí)測(cè)縱波速度之間的最佳擬合選定α的值[40]，本次研究用于U1517 站位井的固結(jié)參數(shù)αi=42（60/di）1/3。使用上述參數(shù)，獲得了井下剖面背景縱波速度和天然氣水合物飽和度，飽和水沉積地層VP符合程度較高（圖5，圖6），黑色實(shí)線為航次實(shí)測(cè)縱波速度，紅色實(shí)線為本文利用STPE 模型計(jì)算結(jié)果，如圖 5 所示，104～160 mbsf 層段內(nèi)測(cè)井實(shí)測(cè)VP大于理論基線速度，可能屬于天然氣水合物儲(chǔ)層區(qū)，利用航次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模型結(jié)果計(jì)算出水合物飽和度（圖6）。結(jié)果顯示，在104～160 mbsf 的深度區(qū)間內(nèi)平均飽和度約為5.2%，最高飽和度達(dá)到22.7%，其中130～145 mbsf 層段內(nèi)水合物飽和度較高，平均飽和度為7.9%。

圖4 U1517 站位所取巖心的巖性和巖石礦物成分相對(duì)含量數(shù)據(jù)黑線為依據(jù)巖性平均礦物成分相對(duì)含量。Fig.4 Simplified lithostratigraphic column with bulk powder XRD results, Site U1517 Black line is average mineral composition based on core data.

表1 骨架組分及物性參數(shù)Table 1 Constants used for the modeling

圖5 使用STPE 在U1517 站位井測(cè)量的縱波速度和計(jì)算的基線速度的比較Fig.5 Measured and calculated baseline P-wave velocities with STPE at the Site U1517

圖6 使用STPE 計(jì)算水合物儲(chǔ)層區(qū)的背景縱波速度及飽和度Fig.6 Measured and calculated baseline resistivities and P-wave velocities at the Site U1517

2.2 改進(jìn)的 Biot-Gassmann 模型（BGTL）

BGTL 理論建立在經(jīng)典的 BGT 理論（Biot-Gassmann Theory）上，在預(yù)測(cè)速度時(shí)不僅考慮了分壓的影響，而且還考慮了巖石的孔隙度、固結(jié)度等因素的影響[35]。在BGTL 模型計(jì)算中，將天然氣水合物作為基質(zhì)中的一種礦物成分。本研究用于VP建模的BGTL 模型使用等式（1）進(jìn)行。

公式（1）中沉積介質(zhì)的剪切模量μ可由下式計(jì)算：

式中，kma為巖石骨架的體積模量；μma為巖石骨架的剪切模量；Φ為孔隙度；常數(shù)G主要用來(lái)校正由基質(zhì)中的黏土引起的差異。Han 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)表明G= 1 對(duì)清潔砂巖有利[42]，隨著黏土體積增加，G將按下式（4）計(jì)算減少：

式中，泥質(zhì)含量Cv 可使用來(lái)自U1517A 井的伽馬射線測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)公式（5）[34]估算：

式中，GCUR 是與地層有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，新地層(古新近系地層)GCUR=3.7[43]，IGR為通過(guò)伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算的伽馬射線指數(shù)，可由公式（6）計(jì)算：

式中，GRlog為測(cè)井伽馬值，GRmin為砂巖層伽馬值，GRmax為泥巖層伽馬值。

公式（3）中參數(shù)n取決于分壓大小及巖石的固結(jié)程度，可由公式（7）得到：

測(cè)量數(shù)據(jù)表明m≈5 適合于固結(jié)沉積物，m≈1.5 適用于疏松沉積物[29]；如圖7 所示利用BGTL預(yù)測(cè)飽和水沉積地層段（0～90 mbsf）速度和實(shí)測(cè)縱波速度對(duì)比，其中使用P=8.0 MPa 和CV=58%，改變m值預(yù)測(cè)速度，在高孔隙度低縱波速度時(shí)m=2.5 預(yù)測(cè)速度擬合程度高，而在低孔隙度高聲速時(shí)，m值應(yīng)小于2.5，大于1。在可能含天然氣水合物地層（104～160 mbsf）的中子孔隙度主要為 45%～65%，因此，本次研究建模使用m=2.5。

使用上述參數(shù)，獲得了井下剖面背景縱波速度和天然氣水合物飽和度（圖8，圖9），如圖所示，黑色實(shí)線為航次實(shí)測(cè)縱波速度，紅色實(shí)線為本文使用BGTL 模型計(jì)算結(jié)果，綠色區(qū)域?yàn)槔煤酱螌?shí)測(cè)與模型速度計(jì)算的水合物飽和度，104～160 mbsf 層段內(nèi)測(cè)井實(shí)測(cè)VP大于理論飽和水背景VP，可能屬于水合物儲(chǔ)層區(qū)，因此導(dǎo)出水合物飽和度。結(jié)果顯示，在104～160 mbsf 的深度區(qū)間內(nèi)平均飽和度約為6.0%，最高飽和度達(dá)到21.6%，其中130～145 mbsf層段內(nèi)平均水合物飽和度為8.5%。

圖7 BGTL 預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)縱波速度Fig.7 Measured and predicted P-wave velocities

3 討論

圖8 使用BGTL 模型在U1517 站位井測(cè)量的縱波速度和計(jì)算的基線速度比較Fig.8 Measured and calculated baseline P-wave velocities with BGTL at the Site U1517

圖9 使用BGTL 模型計(jì)算水合物儲(chǔ)層區(qū)的背景縱波速度及飽和度Fig.9 Background P-wave velocities and gas hydrate saturations at Site U1517 with BGTL

圖10 U1517 站位井井徑、縱波速度、電阻率、密度和伽馬測(cè)井曲線Vp 為實(shí)測(cè)聲波速度，Vpw 為背景速度值；Rt-Ring 為環(huán)電阻率；Rt-P40L 為低頻隨鉆相移電阻；R0 為背景電阻率值。Fig.10 The well logs from site U1517A showing the caliper, P-wave velocity, resistivity, density and gamma ray Vp is measured velocity, Vpw is calculated velocity baseline, Rt-Ring is ring resistivity, Rt-P40L is 400 kHz phasor resistivity,R0 is calculated resistivity baseline.

圖10 為 U1517 站位井在 104～160 mbsf 層段的測(cè)井曲線，通過(guò)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和背景基線看出存在3 層縱波速度和電阻率明顯異常的含水合物層段，同時(shí)，井徑、密度和伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)均有不同程度的異常。在112～114 mbsf 層段，環(huán)電阻率和聲波速度明顯增加，最高峰值分別為 9.25 Ω·m 和 1.79 km/s，可能為含天然氣水合物的薄層；在130～145 mbsf層段，環(huán)電阻率和聲波速度最高峰值分別為2.88 Ω·m 和 1.90 km/s，屬于較厚層的含水合物區(qū)域；在150～160 mbsf 層段，密度與自然伽馬降低較為明顯，環(huán)電阻率和聲波速度最高峰值分別為1.97 Ω·m和 1.83 km/s。

如圖11 所示，由縱波速度數(shù)據(jù)通過(guò)STPE 和BGTL 模型估算了 U1517 站位井 104～160 mbsf 層段的天然氣水合物飽和度，并與IODP372 航次科學(xué)家利用阿爾奇公式和氯離子濃度兩種方法計(jì)算結(jié)果相比較。STPE、BGTL 和航次科學(xué)家利用阿爾奇公式3 種模型在104～160 mbsf 層段計(jì)算的平均飽和度分別為 5.2%、6.0% 和 6.5%，130～145 mbsf 層段的平均飽和度分別為7.9%、8.5%和9.6%；130～145 mbsf 層段符合航次科學(xué)家使用氯離子濃度含量估 算 的 高 飽 和 度 層 段 。 112～ 114 mbsf 和 130～145 mbsf 層段，阿爾奇公式估算的最高飽和度分別為56%和49%，大于BGTL 和STPE 計(jì)算結(jié)果，但是電阻率識(shí)別高飽和度薄層水合物約為2～5 cm，而聲波測(cè)井分辨率約為15 cm，該薄層飽和度異常可能由于聲波測(cè)井無(wú)法探測(cè)到而引起的，同時(shí)井徑也發(fā)生變化，可能影響隨鉆測(cè)井速度與電阻率。氯離子異常在局部地層出現(xiàn)異常高值，從巖心分析看，異常高值與薄砂層相對(duì)應(yīng)。因此，在104～160 mbsf層段3 種方法估算的飽和度隨深度變化相似，表明不同測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)之間差異不大，且天然氣水合物平均飽和度最高的層段為130～145 mbsf。使用STPE和 BGTL 模型計(jì)算的飽和水地層（0～90 mbsf）的縱波速度與實(shí)測(cè)縱波速度比較見(jiàn)圖12 所示，對(duì)于U1517 井BGTL 模型比STPE 模型更適用于該站位水合物飽和度估算。

圖11 根據(jù)BGTL、STPE 與電阻率、氯離子估算的天然氣水合物飽和度的對(duì)比Fig.11 The gas hydrate saturation calculated by BGTL, STPE compared with the hydrate saturation calculated by the Expedition 372 scientists used the Archie equation and the chloride concentration

4 結(jié)論

（1）通過(guò)U1517 站位隨鉆測(cè)井和巖心數(shù)據(jù)綜合分析，證實(shí)了該站位黏土質(zhì)粉砂巖性不同層位存在天然氣水合物，水合物呈層狀分布。天然氣水合物儲(chǔ)層區(qū)域在104～160 mbsf 層段，其中存在3 層縱波速度和電阻率明顯異常的含水合物層段（112～114、130～145 和 150～160 mbsf），112～114 mbsf 層段可能為薄的天然氣水合物層，而130～145 mbsf 層段相較于其他層段水合物飽和度相對(duì)較高。其中112～114 mbsf 層段天然氣水合物飽和度最高，130～145 mbsf 層段為主要天然氣水合物賦存區(qū)域。

圖12 STPE 與 BGTL 在飽和水地層（0～90 mbsf）預(yù)測(cè)縱波速度與實(shí)測(cè)縱波速度對(duì)比Fig.12 The measured P-wave velocity compared with the calculated results of the STPE and BGTL in water-saturated sediments (0～90 mbsf)

（2）依據(jù)LWD 和取心數(shù)據(jù)，在計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)巖性劃分不同井段對(duì)應(yīng)的礦物成分含量，用于縱波速度模型計(jì)算，并使用飽和水地層孔隙度與縱波速度擬合得到BGTL 模型參數(shù)的方法，使BGTL 模型更便于應(yīng)用到測(cè)井資料估算水合物飽和度，通過(guò)STPE 和BGTL 模型計(jì)算出了U1517 站位的水合物飽和度，并比較分析兩種模型在飽和水地層的預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)縱波速度表明BGTL 擬合度高于STPE；計(jì)算結(jié)果與航次科學(xué)家估算的飽和度相比，平均飽和度相近，3 種方法計(jì)算的水合物飽和度值隨深度變化相似，表明計(jì)算結(jié)果的合理性。

致謝：本研究所用樣品和數(shù)據(jù)由IODP372 航次提供，中國(guó)IODP 辦公室提供了胡高偉參加航次的旅費(fèi)資助，在此一并致謝！