梁劲1，王明君2，王宏斌1，陆敬安1，梁金强1
梁劲（1971－），男，教授级高级工程师，主要从事天然气水合物调查与研究工作，E-mail:Liangjin 1999@163.com。
注：本文曾发表于《现代地质》2009年第2期，本次出版有修改。
1.广州海洋地质调查局，广州 510760
2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037
摘要：利用地震和测井资料，综合分析了南海北部神狐海域含天然气水合物沉积层声波测井速度及水合物饱和度的分布特征和变化规律，对水合物饱和度的理论计算值和实测值进行对比分析，并对水合物稳定带的速度特征与饱和度的关系进行了综合研究。结果表明：神狐海域A站位水合物层厚度约20 m，声波速度在1 873～2 226 m/s变化，水合物饱和度在15％～47％变化，饱和度值相对较高；受海底复杂地质因素的影响，实测的水合物饱和度随声波速度的变化并不是单一的正比例关系，而是随声波速度的升高而上下波动，波动幅度在10％～20％变化，总体趋势上随声波速度的升高而升高，并集中分布在理论曲线附近；利用热弹性理论的速度模型计算并通过校正的水合物饱和度曲线随速度的增加有规律增加，水合物饱和度理论曲线与实测数据比较吻合，说明所建立岩石物理模型正确，模型参数选取合理；可根据地震速度扩展到整个研究区域来计算水合物饱和度，并为研究区的水合物资源量计算提供基础数据。
关键词：天然气水合物；声波测井；速度；饱和度
Relationship Between The Sonic Logging Velocity and Satur多功能声级计ation for Gas Hydrate in Shenhu Region,Northern South China Sea
Liang Jin1,Wang Mingjun2,Wang Hongbin1,Lu Jingan1,Liang Jinqiang1
1.Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China
2.Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China
Abstract:The distributing feature and regular pattern of sonic logging velocity and gas hydrates saturation in gas hydrate-bearing sediments have been summarized by use of seismic and logging data,furthermore,theoretic calculational and practical values of gas hydrates saturation have also been compared,in Shenhu area,northern slope of South China Sea.The relationship between velocity and gas hydrates saturation in gas hydrate stability zone has been analyzed,too.These evidences show: (1)The thickness,the variety of sonic velocity,and gas hydrates saturation of gas hydrate-bearing zone are separately about 20m,1 873～2 226m/s,15％～47%,and the value of gas hydrates saturation is bigger.(2)The relationship between practical value of gas hydrates saturation and sonic velocity is not only dirECt proportion under the influence of seafloor geological factor,but practical value of gas hydrates saturation fluctuates according to sonic velocity,which the range is 10％～20%,generally increasing with increasing sonic velocity and the distribution near theoretic curve.(3)The value,which from calculated by velocity model of heat elasticity theory and corrected,of gas hydrates saturation regular raises with velocity increasing.The fit between the theoretic and practical value of gas hydrates saturation indicated that established rock physical model is correctional and selected model parameter is rational.The methods that gas hydrates saturation is calculated by use of seismic velocity may extend total research area,and it also provides basic data for resource volume of gas hydrates in research area.
Key words:gas hydrate; the sonic logging; velocity; saturation
0 引言
天然气水合物是在低温、高压环境下，由水的冰晶格架及其间吸附的天然气分子组成的笼状结构化合物，广泛分布于海底和永久冻土带。据估计，全球天然气水合物中蕴涵的有机碳总量是已探明的所有煤、石油、天然气等化石类燃料中有机碳总量的两倍，因而是一种极有前途的21世纪乃至以后更长时期的潜在能源。这种水合物对温度、压力十分敏感，由温压变化引起的水合物分解可释放出大量温室效应极强的甲烷气体，也会引起海底滑坡，从而破坏钻井平台和海底电缆等基础设施。因此，当今对赋存于海底的水合物研究已在能源、环境和灾害等领域引起了普遍关注。一般认为海底天然气水合物的储量主要取决于水合物的分布面积、水合物稳定带的厚度、沉积层的孔隙度及水合物的饱和度（或充填率）等，所以水合物在沉积物孔隙中的饱和度对其储量的估计具有重要的意义[1-2]。
广州海洋地质调查局于2007年在神狐海区进行了天然气水合物钻探取样工作，其中在3个站位取得了天然气水合物实物样品。本研究通过对神狐海区声波测井速度与现场测试的水合物饱和度关系的精细分析，结合声波测井速度特征，对比速度估算水合物饱和度理论模型，最后对声波测井速度与水合物饱和度的关系进行了分析和探讨。
1 研究区地质概况
研究区位于南海北部陆缘陆坡区的中段，是欧亚、太平洋和印度—澳大利亚三大板块交汇处的一部分，地质发展经历了由板内裂陷演变为边缘坳陷的过程。研究区基底构造复杂，断裂发育、新构造作用活跃，由于受到北东、北东东、东西、北西方向断裂的控制，南海北部陆坡海底地形呈阶梯状逐级下降，在陆坡上发育有深海槽、海底高原、陆坡台地、冲刷槽沟、海底陡崖、海底陡坡和海谷海丘等各种特殊构造地貌或地质体。研究区内张性断层和褶皱构造发育，为下部天然气向浅部地层运移开辟了有利通道，促使气体向上运移到水合物的稳定带上，而褶皱构造更易于对天然气的捕获，进而形成水合物矿藏。区内还发育一系列可能与天然气水合物有关的特殊构造体，如滑塌体、泥底辟、增生楔等，是天然气水合物发育的有利区域。研究区水深在800～2 000 m，东西横跨约20 km，南北纵跨25 km，水深线走向大体与海岸线平行。海底地形比较复杂，坡度变化大，上陆坡陡，下陆坡缓。晚中新世以来深水重力流相当发育，沉积速率达（40～120)cm/ka，高的沉积速率导致发育有巨厚的中、新生代快速沉积物，厚达几千米，有的甚至超过万米，并在沉积中积累大量有机质含量，为细菌将其降解成甲烷气提供物源。经过近几年来的调查，区内已发现多处BSR发育区，并在2007年钻探取得天然气水合物实物样品[3-4]。
2 天然气水合物饱和度的理论计算
天然气水合物饱和度的估算可以利用一些参数反演计算来获得，反演方法有多种分类方法，根据反演的目标不同可分为属性参数反演、岩性参数反演、储层参数反演三类。根据反演方法的不同，可分为迭代正演模拟法、线性反演法与非线性反演法。本文主要应用迭代正演模拟法反演饱和度。基本思想：假定模型的孔隙度、密度、初始饱和度及一些物性参数已知，根据给定模型计算初始饱和度下的速度，与实际反演或测井得到的速度比较，通过不断修改模型饱和度参数，使理论计算的速度值和实际反演或测井得到的记录最佳匹配，反复修正模型来达到反演饱和度参数目的。常用的速度估计天然气水合物饱和度包括2种理论：一是根据双相介质理论推导出纵波速度公式来估计天然气水合物含量和游离气的饱和度[5-6]；二是根据热弹性理论推导出纵波速度公式来估计天然气水合物含量和游离气的饱和度[7]。本文研究的理论计算采用热弹性理论推导的纵波速度公式。
热弹性理论的速度模型为
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式中：vp为纵波速度（m/s）;K为有效体积模量；μ为剪切模量；α为膨胀系数；T0为初始温度（开氏度）；Ce为比热系数；ρm为沉积层有效密度（g/cm3）。
假定地层为均匀的多孔隙岩石且孔隙中流体饱和，孔隙中填充天然气水合物和水，沉积在孔隙空间的天然气水合物包裹着岩石颗粒，类似于成岩胶结物，影响固体岩石的体积模量，称接触胶结型水合物[8]。相邻颗粒间普遍存在机械相互作用，同初始的岩石（因为初期为软胶结）速度相比，天然气水合物沉积处地震速度高，若沉淀于颗粒接触处，则小颗粒物质的硬度较高[9]。
对于有效热膨胀和有效比热系数定义为
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其中：φeff为有效孔隙度；αs为颗粒的热膨胀系数；αw为水的热膨胀系数；αg为游离气的热膨胀系数；Sw为水的饱和度；Sg为游离气的饱和度；Ces为颗粒的比热（J/cm3&midDOt;K）; Cew为水的比热；Ceg为游离气的比热。
对于体积模量（K）采用Gassmann导出的计算公式[10]：
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其中，Kb为岩石基质固有的体积模量；Km为干燥岩石骨架体积模量，R为泥质体积分数。
假定流体相和固体相的压缩率为
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其中：Ss为颗粒的饱和度；Sh为水合物的饱和度；Cs为颗粒的可压缩率；Ch为水合物的可压缩率；Sw为水的饱和度；Sg为游离气的饱和度；Cw为水的压缩率；Cg为游离气的压缩率；体积模量和压缩率之间满足关系式：K = 1/C。
为了考虑在天然气水合物饱和度较高时，水合物和固体基质胶结情况的影响，采用渗滤模型[11]，即从连续状态（完全胶结）到不连续状态（无胶结）的转变体系。基质的剪切模量定义为
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其中：μsmKT为固体骨架剪切模量（完全胶结）；μsm0为固体骨架剪切模量（无胶结）；φh为水合物的体积分数；φs为颗粒的体积分数。
对于流体相ρf和固体相ρb的密度，则分别采用：
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其中：ρw为水的密度（g/cm3）；ρg为游离气的密度（g/cm3）；ρs为颗粒的密度（g/cm3）；ρh为水合物的密度（g/cm3）。
与固体骨架颗粒接触型胶结的天然气水合物，包裹或沉积在岩石颗粒相，沉积的结果使骨架的孔隙空间变小，用有效孔隙度（φeff）表示。孔隙中充填流体时，并不影响骨架孔隙的变化，孔隙度保持不变。有效孔隙度定义为
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其中：Ch为天然气水合物的浓度；φ为岩石骨架的孔隙度。那么，充填水合物或流体的沉积层有效密度ρm可以表示为
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根据上述天然气水合物饱和度的估算原理，建立速度与孔隙度、饱和度的岩石物理模型，模型参数包括沉积物中岩石矿物组分、海水、游离气和天然气水合物的物性参数。把根据假定模型的初始饱和度，通过热弹性理论计算出含水合物地层的速度作为理论值，根据迭代正演模拟法，通过不断修正模型参数，使理论值和实际值最佳匹配，多次迭代，即可计算出天然气水合物的饱和度[12-15]。
3 研究区天然气水合物声波测井速度和饱和度
3.1 天然气水合物声波测井速度特征
用测井技术来确定海洋沉积物中气体水合物与其下伏地层游离气的联系已被证明非常有效，测井技术能揭示实验室样品难以测量到的气体水合物现场性质，声波速度测井在确定地震信号与气体水合物及游离气关系的作用尤其明显，如果在气体水合物层下存在游离气层，会导致速度的减少和出现强反射。神狐海区中部海区有2007年水合物钻探的几个先导孔的声波测井数据，有部分声波测井曲线呈现明显的高速、速度倒转等天然气水合物存在的特征；根据这些速度异常特征，结合其他地球物理、地质和地温资料，先后在3个站位成功地钻获了天然气水合物实物样品，笔者利用这其中的一个站位（A站位）声波测井资料，结合地震反射剖面，来分析声波测井速度特征。
A站位位于神狐海区中部，水深1 232 m，最大井深248 m。图1为该站位的声波测井曲线，这是一条典型的含天然气水合物的速度异常曲线，声波测井段范围为40～248 m，声波速度值主要在1 600～2 250 m/s的范围内变化。按曲线变化特征可分为4段。40～195 m为第一段，声波速度缓慢增大，范围在1 600～1 900 m/s之间，是普通的沉积物特征。195～215 m为第二段，声波速度随深度增加而起伏，且表现为递增快，递减快，整段呈典型三段式异常特征，即两头小中间大；其中在195～215 m段声波速度明显增高，该厚度范围内声波速度平均值为2 105 m/s，并在该段成功采集到水合物样品，水合物厚度约20 m，水合物饱和度最高为47.3％。215～220 m段声波速度快速下降到1750 m/s，是水合物之下存在游离气层的缘故。220 ～248 m 段，声波速度缓慢增加，为普通的沉积物特征。在地震剖面上， BSR特征明显，BSR之上为眼球状结构，BSR 位置距海底239 ms， （图2），根据时深转换，对应的深度约为210 m，即测井数据与地震解释的BSR位置相差不大。
图1 A站位声波测井速度曲线
图2 通过A站位的地震反射剖面
3.2 天然气水合物饱和度理论数据和现场测试结果
由于海底地层存在许多不确定的因素，利用地震波速度求取的水合物饱和度一般都需要进行校正。天然气水合物一般分布于海底以下未固结的沉积物中，地层岩性主要为粉砂质泥。在利用地震波速度求天然气水合物饱和度时，应首先考虑对地震波速度进行压实校正。在未压实的松软地层中，声波速度降低，而在孔隙度较大且孔隙被流体或气体填充的压实地层中，地震波速度同样降低，因此只有正确地校正地层的压实效应才能求准地层的孔隙度和饱和度参数[16-18]。
表1和图3分别为利用热弹性理论的速度模型计算并通过校正的天然气水合物饱和度数据和随纵波速度变化的饱和度曲线。理论计算的天然气水合物饱和度数据，是一种理想型的饱和度值，图中饱和度曲线随速度的增加有规律增加，其变化规律满足公式：
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式中：V为纵波速度（m/s）,S为水合物饱和度。
含水合物的沉积物中孔隙水的淡化程度与水合物饱和度之间存在着某种相关性，即氯离子浓度自上而下减小，这是岩心中水合物分解所释放的低盐度水淡化所造成的，所以现场实测一般是利用岩心孔隙水氯离子淡化程度来计算水合物的饱和度。
利用岩心孔隙水氯离子淡化程度来计算水合物的饱和度，首先需要建立水合物分解前的原地孔隙水氯离子浓度剖面，从而制约由水合物分解所造成的稀释程度。假定岩心孔隙水氯离子剖面上小于原地孔隙水氯离子剖面的部分都代表了水合物分解的影响，则可以用如下经验公式进行水合物饱和度的估算[19-21]:
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式中：Sh为天然气水合物饱和度；ρh为纯天然气水合物密度，取0.9 g/cm3; Clpw为实测的岩心孔隙水中氯离子浓度；Clsw为原地孔隙水中氯离子的浓度，主要采用水取样温度探针测量获得。
表2和图4分别为神狐海区A站位的现场测试的饱和度数据和饱和度随声波速度变化的散点图。现场测试的饱和度数据，是真实可靠的实测数据，虽然受复杂的地质因素影响较大，饱和度与声波速度的对应并不严整，但总体趋势上与理论计算比较接近。
表1 理论计算的饱和度数据
表2 神狐海区A站位现场测试的饱和度数据
图3 理论计算的水合物饱和度随速度变化曲线
图4 现场测试的水合物饱和度随速度变化散点图
4 结果讨论
海底沉积层的地质因素相当复杂，通过热弹性理论计算的水合物饱和度，是假设海底沉积物均匀变化的计算结果，忽略了海底复杂地质因素带来的影响，大大地简化了复杂的计算程序，是一种简单的计算结果，不可避免地存在一定的误差。利用岩心孔隙水氯离子淡化程度来现场测试的水合物饱和度，虽然只是某一井口位置垂向的饱和度数据，但可以扩展到整个研究区域，并且体现了各种复杂影响因素，是沉积层水合物饱和度的真实体现。
利用理论计算的水合物饱和度与现场测试的水合物饱和度数据的对比分析，可以验证水合物饱和度的准确度和误差程度。图5为神狐海区A站位现场测试和理论计算的水合物饱和度交汇图，从图中可以看出，神狐海区A站位的水合物饱和度值大约在15％～47％之间，受海底复杂地质因素的影响，水合物的饱和度随声波速度的变化并不是单一的正比例关系，而是随声波速度的升高而上下波动，波动幅度在10％～20％内变化，但总体趋势上是随声波速度的升高而升高，并集中分布在理论曲线附近，这说明理论计算的速度与孔隙度、饱和度等岩石物理模型正确，模型参数选取合理，理论值和实测值的匹配达到最佳效果。
图5 神狐海区A站位现场测试和理论计算的水合物饱和度对比
5 结论
通过对神狐海区现场测试的饱和度数据、声波测井速度以及理论计算的水合物饱和度对比分析，总结出神狐海区水合物饱和度随声波速度变化规律，并得出以下结论：
1)A站位水合物层厚度约20 m，声波速度在1 873～2 226 m/s之间变化，水合物饱和度在15％～47％之间变化，饱和度值相对较高。
2）利用热弹性理论的速度模型计算并通过校正的水合物饱和度值，是简化了复杂地质因素带来的影响，饱和度曲线随速度的增加有规律增加。
3）受海底复杂地质因素的影响，实测的水合物饱和度随声波速度的变化并不是单一的正比例关系，而是随声波速度的升高而上下波动，波动幅度在10％～20％内变化，总体趋势上随声波速度的升高而升高，并集中分布在理论曲线附近。
4）水合物饱和度理论曲线与实测数据比较吻合，说明所建立岩石物理模型正确，模型参数选取合理，可根据地震速度扩展到整个研究区域来计算水合物饱和度，并为研究区的水合物资源量计算提供基础数据。
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