南海北部天然气水合物物性参数评价与分类体系构建

魏 纳 周守为 崔振军 赵金洲 张烈辉 赵 军

1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学 2.中国石化销售股份有限公司青海石油分公司

0 引言

全球已初步探明的天然气水合物（以下简称水合物）总储量相当于已知煤炭、石油和天然气等能源总储量的2倍[1-2]。因此，水合物有可能成为继页岩气、煤层气之后的另一种潜力巨大的接替能源，它可定性分为成岩型和非成岩型。自然资源部初步确定我国南海的水合物储量达到100×1012m3[3-4]，且主要为非成岩水合物。由于非成岩水合物为泥质粉砂、无岩石骨架，水合物本身即“岩石骨架”的水合物，胶结强度弱，不稳定，受外界影响易溃散塌陷和无序分解[5-7]，造成降压法、固态流化法以及联合试采法等水合物开采方法均面临防控砂、地层失稳问题。其根本原因为海洋水合物储层作为一种新型的矿藏资源[8]，由于钻采案例少、取样成本高、保温保压技术难度大[9-10]，国内外水合物物性研究主要围绕水合物储层饱和度与单一物性参数（声波、力学或孔隙度和渗透率等）的响应关系，研究方法以室内人工岩心模拟和仿真模拟为主，导致储层岩样物性测试研究受限，水合物储层定性认识、定量评价方法尚属空白，造成储层物性原位测试及资源等级定量分类评价认识不清、资源类型与开发模式响应关系不清。因此，基于实际南海海域水合物取样岩心资料，制订科学合理的人造岩心制备方法，开展了不同水合物岩样物性参数研究，建立了海洋水合物资源分类定量评价方法与体系，以期有助于推进海洋水合物勘探开发工作。

1 海洋水合物物性参数敏感性评价模型

1.1 水合物物性参数敏感度熵权的属性识别综合评价模型

常规油气测井评价方法一般采用电法测井、声波测井、放射性测井等，可实现地层的划分和识别，判断地层岩性、孔隙度、渗透率及饱和度等物性特征。同样常规测井评价方法也能够用于水合物储层的测量，但水合物的赋存环境和物性不同于常规油气，其测井响应和分析方法存在较大区别。因此，判断海洋水合物储层与测井响应参数间的敏感性关系，对于储层的评价具有重要意义。为了更好应用多参数评价水合物储层和判断其饱和度与测井响应参数间的敏感性关系，笔者在层次聚类算法的基础上提出了用于水合物物性参数敏感度熵权综合评价模型（图1）。该模型主要涉及3个步骤：①不同评价参数敏感度集合的构建；②参数敏感度集合权重化；③构建敏感度属性判断矩阵、属性测度函数和敏感度属性识别准则。通过以上3个步骤可实现海洋水合物物性参数敏感性综合评价。

图1 水合物物性参数的敏感度熵权综合评价模型图

1.2 水合物物性参数的敏感度熵权综合评价模型

1.2.1 不同评价参数敏感度集合的构建

通过评价参数无量纲化，建立评价参数的敏感度（Si）[11]：

式中Si表示参数a在点ai的敏感度；W表示参数a的函数，W=f(a)。

1.2.2 敏感度熵值权重化

为降低主观因素的误差影响，提高评价结果的准确度，引入信息熵对不同评价参数敏感度集合进行权重化处理。首先，基于n个敏感度方案和m个评价参数建立敏感度评价矩阵，并对矩阵进行归一化处理[12]，即

敏感度熵计算如下：

敏感度熵权的计算如下：

式中xmax表示相应评价参数的最大值；xmin表示相应评价参数的最小值；xij表示第i个方案，第j个参数；(xij)nm、JMij表示第i个方案，第j个参数的归一化值；Hj表示敏感度熵；ewj表示某个方案第j个参数的敏感度熵权；ewij表示第i个方案第j个参数敏感度熵权的和；EW表示敏感度熵权。

综合式（1）～（4）可得到各评价参数的敏感度熵，进而对敏感度评价矩阵进行权重化。

1.2.3 敏感度属性空间判断矩阵构建

基于上述评价参数的敏感度评价矩阵权重化结果，构建敏感度属性判断矩阵、敏感度属性测度函数和敏感度属性识别准则，进行评价参数敏感性分析。

1.2.3.1 敏感度属性空间判断矩阵

设评价参数的权重化结果为区间X上属性，（C1，C2，…，Ck）为该参数权重化结果的有序分割，满足C1＜C2＜…＜Ck，其分类标准判断矩阵可以表示为：

式中amk表示第m个参数在参数权重化结果上的第k个分割值；Vj表示第j个参数。

1.2.3.2 敏感度属性测度函数

计算第i个方案第j个评价参数值xij有属性Ck属性测度需假定aj1＜aj2＜…＜ajk[13]，则各评价参数属性测度μijk计算如下：

将各参数属性测度μijk代入敏感度熵权（EW），得到权重后的属性测度（μik）为：

1.2.3.3 敏感度属性识别准则

敏感度属性识别采用置信度准则来进行，即设定置信度λ（取0.7）的值，根据强序组合来进行综合评价，认为敏感度愈大愈强，而且强的类达到了置信度λ，则认为第i个方案参数值xi属于第i个方案的区间划分属性Cki类，其判断公式为：

式中ki表示置信准则计算值。

据此，可以得到不同指标下模型参数所在的敏感性区域。若对不同敏感区域内的参数进行比较排序，可采用属性识别的评分准则，通过计算属性识别值（qxi）的大小来进行，其计算如下所示。

式中nt表示分数，其值与t取值一致（t=1，2，…，k）。

2 海洋水合物的物性特征

南海北部荔湾凹陷和白云凹陷[14-15]取样水合物地层累计16%粒径（D16）、50%粒径（D50）、84%粒径（D84）分布及储层水合物饱和度分布特征数据如表1、2所示。

综上可知南海水合物藏主要为砂泥质粉砂储层，储层粒级介于3～56 μm，水合物饱和度介于10.0%～46.0%，甲烷含量大于99.3%。

表1 荔湾凹陷岩样粒径分布表

表2 白云凹陷水合物饱和度分布表

3 构建海洋水合物物性参数评价体系

3.1 海洋水合物室内模拟测试实验材料优选

根据南海北部水合物储层沉积特征，在SHW-III型水合物岩样声电力学测试装置中填充不同比例砂土和施加不同加载强度，制备不同胶结的未含水合物的岩心（图2）。采用石英砂充填方法制备弱胶结岩心，石英砂环氧树脂胶结法制备强胶结岩心，通过控制反应釜内温度和注入甲烷气体量的方法控制水合物岩心饱和度大小，实验计方案如表3所示。南海北部神狐海域现场钻采岩样如图3所示。

图2 实验岩心制备石英砂、黏土示意图

表3 弱胶结水合物制备实验设计表

图3 神狐海域现场钻采岩样图

3.2 海洋水合物岩样声电力学测试装置

水合物岩样声电力学测试装置如图4所示[16]，主要包括制备系统、温度调节系统、压力调节系统、声电测量系统、流体控制系统和数据采集控制系统6部分，其具体功能为：①可控制制备釜内部温压制备水合物岩样和观测水合物岩心；②可控制注水量和注气量制备不同饱和度的水合物岩心；③可在水合物生成过程中测量岩心孔渗和声电力学参数。具体仪器技术参数如表4所示。

3.3 海洋弱胶结水合物物理实验参数测定

利用水合物岩样声电力学测试装置，在3 ℃、10 MPa工况下模拟南海1 000 m水深资源赋存环境，得到不同胶结强度、泥质含量、水合物饱和度岩心的物性参数如表5、6所示。饱和度40%的现场砂样岩心与300目、10%泥质含量的岩心物性参数一致，因此，石英砂岩心能够模拟现场水合物储层物性。岩心在石英砂粒径、泥质含量相同条件下，解析气量、声波速度、电阻率、偏应力随水合物饱和度的增大而增大，渗透率、应变随水合物饱和度的增大而减小。其原因为水合物的生成过程主要是通过消耗水和甲烷气，且水合物导电性能差，其声波速度大于水和空气的声波速度，使得岩心在石英砂粒径、泥质含量相同条件下，水合物饱和度增大，分解后的甲烷气体越多，声波速度、电阻率随水合物饱和度的增大而增大，同时水合物饱和度的增大使得岩心有效连通孔隙减小，增强了岩心的胶结强度，导致岩心的偏应力增大，应变和渗透率减小。岩心在石英砂粒径、饱和度相同条件下，解析气量、声波速度、电阻率、偏应力、渗透率随泥质含量的增大而减小，应变随泥质含量的增大而增大。其原因为随泥质含量的增加使得岩心孔隙度减小，且黏土遇水水化造成岩心强度减小，所以在岩心在石英砂粒径、水合物饱和度相同条件下，岩心物性各参数发生如上变化趋势。

图4 水合物岩样声电力学测试装置图

表4 水合物岩样声电力学测试装置具体仪器技术参数表

表5 水合物解析气量、纵波速度和横波速度表

表6 水合物偏应力、应变、渗透率和电阻率表

岩心在石英砂粒径、泥质含量相同条件下，解析气量、声波速度、电阻率、偏应力随水合物饱和度的增大而增大，渗透率、应变随水合物饱和度的增大而减小；岩心在石英砂粒径、饱和度相同条件下，解析气量、声波速度、电阻率、偏应力、渗透率随泥质含量的增大而减小，应变随泥质含量的增大而增大。

3.4 海洋水合物储层物性参数敏感性分析

基于水合物物性参数的敏感度熵权优选模型，针对不同强度、泥质含量、饱和度水合物岩心的声电力学和孔隙度、渗透率参数构建敏感度方案，测得180目纯砂岩心在水饱和度100%条件下未生成水合物时的电阻率、纵波速度、横波速度、偏应力、应变和完全生成水合物后的解析气量、渗透率，结果如表7所示。

表7 海洋水合物岩心物性参数的基准值表

根据信息熵公式对水合物岩心敏感度集合进行权重化处理，进而得到各物性参数的敏感度熵权值如表8所示。

基于上述水合物物性参数的敏感度样本方案集合以及敏感度熵权值，构建敏感度属性空间判断矩阵、敏感度属性测度函数和敏感度属性识别准则，将水合物各物性参数划分为不敏感、较敏感、敏感、高度敏感4个等级，其对应的评价指标值依次为0.2、0.5、0.7和0.9。根据各个参数在不同敏感区域内的属性测度计算得到各个参数的敏感性值（qxi）如表9所示，水合物物性参数敏感性强度由强到弱依次为偏应力、应变、解析气量、纵波速度、电阻率、渗透率和横波速度，再以最弱敏感性参数横波速度为标准进行归一化后得到各参数相对敏感度图5。

表8 水合物性参数的敏感度熵权值表

表9 水合物岩心物性参数的敏感度分布表

图5 水合物岩心物性参数的敏感度分布图

3.5 海洋水合物物性参数评价体系构建

通过水合物物性参数的敏感度熵权综合评价模型分析了水合物物性参数权重值，并得到了其敏感性强度，在此基础上依据水合物岩样的饱和度、粒径以及胶结强度，将水合物初步划分为非成岩Ⅰ类、非成岩Ⅱ类、非成岩Ⅲ类和成岩Ⅳ类、成岩Ⅴ类。为便于直接对比和划分水合物类型，使得所划分等级具体化、数字化，依据水合物物性参数的敏感性和变化规律建立数值划分。同时考虑现阶段水合物开发技术尚未完善，水合物饱和度低于20%开发价值极低，因此以20%饱和度水合物岩心物性参数为基准，对40%、60%饱和度岩心物性参数进行差熵计算，利用各参数差商与相对应敏感度熵权（ewj）得到各类水合物的级内指标大小，其计算如式（10）所示。再结合各级内指标与类型划分（Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类），进一步建立了对海洋水合物储层物性类型的评价方法，其计算如式（11）所示，得到水合物5个类型分类的具体参考指标值范围和所对应的储层稳定性，其具体参考指标值范围依次为0～0.25、0.25～0.34、0.46～0.52、0.70～0.77、0.84～0.89，具体如表10所示。

4 基于南海水合物储层固态流化试采的物性分析

2017年，我国在南海北部荔湾3站位水深1 310 m、海底埋深117～196 m处，全球首次成功实施海洋浅层水合物固态流化试采作业（图6），但是还存在储层物性原位测试及资源类型定量分类评价认识不清。

4.1 海洋浅层水合物固态流化试采粒径分布

固态流化试采中获得的水合物样品累计16%粒径（D16）、25%粒径（D25）、50%粒径（D50）、75%粒径（D75）、84%粒径（D84）分布数据如表11所示，且取样岩心中位粒径随储层深度加深呈递减趋势。

4.2 海洋浅层水合物固态流化试采岩样饱和度与气体组分分析

根据 LW3-H4-1C-02、LW3-H4-1C-04 及 LW3-H4-1B-03样品的电阻率、气体组分得到水合物饱和度如表12所示。该海域水合物储层饱和度可达30%～45%，甲烷气含量达到99%以上，具有较高的开发价值。

表10 海洋水合物分类定量评价表

图6 荔湾3站位水合物富集区水深及水合物钻井位置分布图[17]

表11 2017航次海洋浅层水合物固态流化试采岩样粒径分布表

表12 2017航次海洋浅层水合物固态流化试采岩样电阻率表

4.3 海洋浅层水合物固态流化试采岩样声波分析

采用声波法对南海北部荔湾区水合物样品进行声波测试[18]，得到声学特性参数和对应水合物饱和度（表13），分析发现纵波速度随水合物饱和度增大呈增大趋势。

表13 2017航次海洋浅层水合物试采岩样纵波参数表

4.4 海洋浅层水合物固态流化试采室内模拟岩样力学分析

鉴于南海浅层水合物藏相关力学参数现场测试难的现状，采用南海试采岩土在室内模拟南海荔湾水合物储层，测定水合物饱和度为40%条件下的储层力学参数，力学参数数据如表14所示。

表14 室内模拟南海荔湾水合物储层力学参数表

4.5 海洋浅层水合物固态流化试采室内模拟岩样渗透率分析

采用气测方法测定模拟储层在饱和度为40%条件下的储层渗透率参数，渗透率参数数据如表15所示。

表15 室内模拟南海荔湾水合物储层渗透率参数表

综合数据分析并结合表5、6参数和表10类型划分可知：南海北部荔湾区域水合物藏为非成岩Ⅱ类，钻采面临工程风险、地质风险、设备风险3大安全风险。

5 结论

1）南海北部水合物储层主要为胶结强度较差的砂泥质粉砂为主，粉砂、黏土含量较高，储层中位粒径主要分布介于9～30 μm，水合物饱和度范围介于20%～60%，解析气主要为甲烷气体，气体组分较为单一。

2）进行了海洋水合物岩样物性参数实验研究，测定了不同强度、组分、饱和度下的水合物岩心物性参数。相同粒径岩心在泥质含量相同的条件下，解析气量、声波速度、电阻率、偏应力随水合物饱和度的增大而增大，渗透率、应变变化规律与以上参数反之；相同粒径岩心在相同饱和度条件下，解析气量、声波速度、电阻率、偏应力、渗透率随泥质含量的增大而减小，应变变化规律与以上参数反之。

3）建立了海洋水合物物性参数敏感度熵权综合评价模型，初步形成了海洋水合物储层物性参数评价方法体系。水合物物性参数敏感性从高到底依次为应变、偏应力、解析气量、纵波速度、电阻率、渗透率和横波速度参数，将南海水合物藏综合划分为非成岩Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和成岩Ⅳ类、Ⅴ类。

4）基于南海北部荔湾3站位的水合物储层测井数据，发现南海北部荔湾区域水合物储层属于泥质浅层沉积，无完整圈闭构造，结构较为松散，属于非成岩Ⅱ类水合物藏，水合物钻采面临工程风险、地质风险、设备风险3大安全风险。

5）海洋水合物储层物性参数评价方法体系进行了水合物领域储层定性认识、定量评价，具有一定的创新性和新颖性，但该方法尚处于理论阶段有待于实际现场的进一步应用和验证。