琼东南盆地松南低凸起天然气水合物储层精细表征及勘探方向预测

陈 鸣, 孙殿强, 吴进波, 王 彬, 曲长伟

(1.中海石油(中国)有限公司 湛江分公司，广东 湛江 524057；2.斯伦贝谢中国公司，北京 100015)

天然气水合物(俗称“可燃冰”)是由水分子组成的笼状构架将小型气体分子吸附其中而形成的似冰状固体，在自然界中甲烷水合物分布最为常见[1]。天然气主要分布在陆缘海水深超过300 m的沉积物中，此外在高纬度高海拔的冻土带也见天然气水合物的富集成藏[2-3]。单位体积的天然气水合物分解可产生146 m3的气体，因此天然气水合物被视为一种潜在的新型能源，据统计其资源量是石油、天然气等常规能源的2倍多[3]。但是，天然气水合物的开采可能会带来温室效应、钻井事故和海底滑坡等地质灾害[2-3]，因此受到人们的关注。

目前水合物的研究面临着诸多困难：①水合物储层埋藏浅、时代新、结构松散，储层孔隙度及渗透率与常规油气储层有着天壤之别；②与常规油气不同，水合物以固态形式赋存；③水合物的成藏保存必须有特定的温度和压力条件，在钻井过程或者取心过程中，水合物的温压条件发生变化，水合物常发生分解，对水合物的赋存特征的研究很难得到原位的状态。因此不能将传统油气系统的评价方法直接套用于水合物的储层评价中。近年来，众多学者对水合物的研究主要通过地震、地球化学及取心等方法[4-8]，但这些研究手段面临着周期长、成本高及精度低等不足。测井手段以其高精度及连续性的特点已成为油气勘探不可或缺的手段，众多学者逐步将测井手段应用到对水合物储层特征的研究中[9-14]。

中国南海琼东南盆地松南低凸起油气资源丰富，成为近年来水合物勘探的重点靶区。本文以最新采集的随钻测井数据为基础，首次将随钻电阻率成像技术引入该区水合物赋存状态、成藏序列、储层沉积及构造特征的研究中，并结合区域地质及地球物理资料确定水合物勘探的主要潜力区，为水合物勘探开发提供理论依据。

1 区域地质背景

琼东南盆地是新生代以来南海北部发育的大型断陷沉积盆地，位于海南岛东南与西沙隆起区之间，呈北东向延伸，是南海北部油气勘探的主战场[15-18](图1)。琼东南盆地自北向南划分为北部拗陷带、中部隆起带、中央拗陷带及南部隆起。松南低凸起是位于中央拗陷带的一个正向构造单元，其被乐东-陵水凹陷、松南-宝岛凹陷、长昌凹陷所包围，呈现典型的“多凹环抱”的构造格局，是油气运移和聚集成藏的主要靶区[15-18](图1)。

松南低凸起构造活动受控于琼东南盆地整体的构造运动，先后经历了古新世至早渐新世的断陷期、晚渐新世的断拗转换期及中新世至第四纪的拗陷期[19-20](图1)。松南低凸起自下而上依次发育崖城组、陵水组、三亚组、梅山组、黄流组、莺歌海组及更新统地层。其中崖城组与陵水组主要发育在断陷期及断拗转换期，储层主要为扇三角洲砂体；三亚组至黄流组主要发育于拗陷期，海底扇沉积为主要的储层类型；莺歌海组及乐东组厚层海相泥岩构成了区域性盖层。

图1 琼东南盆地构造区划及松南低凸起地层柱状图Fig.1 Tectonic division of Qiongdongnan Basin and stratigraphic column of Songnan low uplift, western portion of South China Sea (据杨计海等[17]修改)

2 水合物测井识别

若想基于测井手段对水合物进行识别及评价，首先需要对水合物的物理特性进行综合分析，确定哪些测井方法适用于水合物的识别与评价。水合物、水的密度和中子孔隙度值较为接近，都接近1，但游离气的密度和中子孔隙度值略偏低(表1)。从电阻率上看，水合物和游离气的电阻率均呈高值，而地层水电阻率则相对较低(表1)。从声波时差上看，水合物为固态，其纵波时差较小，纵波速度较快；游离气的纵波时差较大，纵波速度较慢；而地层水的纵波时差则在水合物和气之间，约为656 μs/m(表1)。从核磁孔隙度上看，由于水合物为固体，核磁无响应，因此水合物核磁孔隙度为0；游离气在核磁中的孔隙度值相对较低；而在地层水中，核磁孔隙度接近1(表1)。通过上述分析可得，对水和水合物的识别要依靠电阻率、核磁孔隙度和纵波时差的变化；而对水合物和气的识别主要通过中子孔隙度、密度和纵波时差的变化(表1)。

表1 天然气水合物测井响应特征Table 1 Logging response of natural gas hydrate (NGH) reservoir

以研究区L6井为例，在X993.3～X999.7 m层段伽马和井径没有发生明显变化，表明岩性未发生改变；深浅侧向电阻率及深浅感应电阻率均明显增大，声波纵波时差相对于基线略有变小，纵波速度变快；密度值略有下降，核磁孔隙度也有降低的趋势；电阻率图像上呈现出高亮的特征：综合以上测井响应特征确定该层段发育水合物(图2)。Y002.1～Y010.1 m层段的测井响应特征与X993.3～X999.7 m层段相似，因此确定该层段也发育水合物；不同点在于深浅侧向电阻率及深浅感应电阻率值低于X993.3～X999.7 m层段，主要是因为Y002.1～Y010.1 m层段水合物饱和度比X993.3～X999.7 m层段水合物饱和度低。

图2 松南低凸起水合物储层典型测井响应特征Fig.2 Typical logging response of gas hydrate reservoir in Songnan low uplift

3 水合物成藏特征

3.1 水合物宏观赋存状态

水合物是在一定温度和压力条件下由水和气体在地下形成的固体，这种固体既可以充填于颗粒孔隙中，也可以骨架的形式支撑分散的颗粒，宏观上表现为一定的赋存状态，例如厚层状水合物、分散状水合物、薄层状水合物等。水合物赋存状态直接影响水合物开采方案及井壁稳定性的研究设计，因此确定水合物赋存状态至关重要。之前对水合物赋存状态的研究只能基于岩心资料，但在取心过程中水合物常发生分解，且岩心资料不连续、周期长、成本高，造成对水合物赋存状态的研究还处于萌芽阶段。随着高精度、连续性好的测井技术逐步引入水合物研究中，对水合物赋存状态的研究也日益精进。本文以高分辨率随钻电阻率成像为分析基础，结合电阻率频谱分析及Sand Counting分析[9,12]对水合物在地下的赋存状态进行精细表征，为水合物勘探试采提供指导。

前文已论述了研究区L6井纵向上发育2套水合物层，分别为X993.3～X999.7 m层段及Y002.1～Y010.1 m层段，两者测井响应相似，但水合物的赋存状态却有所不同。X993.3～X999.7 m层段水合物厚度较大，纵向上厚度可达6.4 m，水合物呈分散浸染状分布于地层中(图3)。基于电阻率成像Sand Counting分析确定该层段水合物主要为相对高饱和水合物，其次为中饱和水合物；电阻率频谱分析结果表明该层段水合物分选系数较大，分选性较差，频谱较宽，具有一定的非均质性(图3)；此外，该层段水合物饱和度较高，大约为20%。基于以上分析，确定X993.3～X999.7 m层段水合物赋存状态主要为分散状水合物(图3)。

L6井Y002.1～Y010.1 m层段水合物单层相对较薄，一般小于1 m，水合物主要以薄层状分布于基质中(图3)。该层段高饱和水合物含量降低，而中饱和水合物含量增加；分选系数大，分选性差，电阻率频谱宽，非均质性强；此外，该层段水合物饱和度较低，一般小于10%(图3)：综合以上分析确定Y002.1～Y010.1 m层段水合物赋存状态主要为薄层状水合物。

对研究区显示水合物较好的L7井也进行了水合物赋存状态的分析，L7井X998～Y004 m层段水合物厚度可达6 m，水合物也呈分散浸染状分布于基质中(图4)。该层段以高饱和水合物为主，其次为中饱和水合物；分选性较差，具有一定的非均质性，且水合物饱和度较高(图4)，与L6井X993.3～X999.7 m层段水合物相似，发育分散状水合物。L7井Y009～Y016.8 m层段水合物单层厚度小于1 m，中饱和水合物含量增加且高饱和水合物含量降低，同时水合物层分选性差，非均质性强，水合物饱和度较低，与L6井Y002.1～Y010.1 m层段水合物一致，主要发育薄层状水合物。

图3 L6井水合物宏观赋存状态Fig.3 Occurrence mode of gas hydrate in Well L6

在单井水合物赋存状态分析的基础上，综合不同井位水合物赋存状态的发育情况，从而建立研究区纵向上水合物的成藏序列。研究区纵向上水合物主要有2个发育层段，分别为浅层分散状水合物和深层薄层状水合物[9](图4)。浅层分散状水合物单层厚度较大，一般超过5 m，分布在泥面之下150～230 m的范围内，分选性较差且具有一定的非均质性，水合物饱和度较高，一般大于20%(图4)。深层薄层状水合物单层厚度较薄，但累计厚度也可达5～10 m，主要分布在泥面之下270～290 m的范围内，分选性差且非均质性强，水合物饱和度较低，一般小于10%(图4)。水合物成藏序列的建立可确定主要水合物层纵向上的分布范围，为水合物的成藏研究及勘探开发提供理论指导。

3.2 水合物微观赋存状态

水合物的宏观赋存状态展示了肉眼可视的水合物状态，而水合物的微观赋存状态反映了水合物与周围沉积物环境的相互关系，并决定水合物沉积的基本物理特性。结合前人研究成果，主要认为存在4种水合物微观赋存状态，分别为颗粒胶结型、颗粒包裹型、骨架支撑型和孔隙填充型[21-22](图5)。不同水合物微观赋存状态会表现不同的测井响应，尤其是在声波上，因此可通过水合物层段声波和饱和度的交汇图来判断水合物的微观赋存状态。结合研究区水合物显示较好的L6和L7井的声波和水合物饱和度计算结果，对研究区域水合物的微观赋存状态进行了分析，发现绝大多数采样点都落在骨架支撑型和孔隙填充型范围内及其附近，因此研究区水合物微观赋存方式是以骨架支撑型和孔隙填充型为主(图5)。水合物微观赋存状态的研究有助于研究水合物的成藏模式，并可进行在水合物开采过程中井壁稳定性的模拟。

图4 研究区水合物纵向成藏序列特征Fig.4 Characteristics of longitudinal accumulation sequence of gas hydrate reservoir in the study area

图5 研究区水合物微观赋存状态Fig.5 The microscopic occurrence state of hydrate in the study area

4 水合物储层特征

4.1 储层岩性特征

研究区水合物储层岩石颗粒较细，以泥质粉砂岩及粉砂质泥岩为主。结合XRD分析结果，研究区水合物储层主要发育黏土矿物、岩石碎屑及碳酸盐矿物三大类，主要为黏土矿物，其次为岩石碎屑，而碳酸盐矿物含量较少(图6)。不同钻井中的水合物储层矿物组成也略有不同，其中L6井及L8井水合物储层矿物组成较为相似，以黏土矿物为主，岩石碎屑变化较大(图6-A、C)；而L7井水合物储层中黏土矿物含量最多，但岩石碎屑变化较小，分布较为集中(图6-B)。

4.2 储层物性特征

研究区水合物储层埋藏浅，压实程度较弱，造成水合物储层孔隙度往往偏高。L6井储层孔隙度主要分布在33%～55%，平均为43%(图6-D)；L7井储层孔隙度主要分布在34%～56%，平均为44%(图6-E)；L8井储层孔隙度主要分布在34%～60%，平均为37%(图6-F)。前文已论述，水合物微观赋存状态主要为孔隙填充型及骨架支撑型，且水合物储层岩石粒度较细，含有较多的黏土矿物，因此水合物储层渗透率常常呈现出较低的特征。L6井储层渗透率主要分布在(0.01～9.9)×10-3μm2，平均为0.09×10-3μm2(图6-G)；L7井储层渗透率主要分布在(0.01～9.6)×10-3μm2，平均为0.10×10-3μm2(图6-H)；L8井储层渗透率主要分布在(0.01～59.2)×10-3μm2，平均为0.15×10-3μm2(图6-I)。

图6 松南低凸起水合物储层岩性及物性特征Fig.6 Lithological and petrophysical characteristics of gas hydrate reservoir in Songnan low uplift area

5 水合物储层沉积与构造特征

水合物勘探的重点内容之一是要对地下水合物储层进行精细表征，水合物赋存状态和成藏特征的研究可提供水合物纵向及横向的展布状态，另外一个重要的要素就是要对水合物储层沉积与构造特征进行分析。

5.1 水合物储层沉积特征

通常来讲，泥岩常形成于沉积水体能量较低的环境，泥岩中发育的地层界面特征可以较为客观地反映区域整体沉积特征。泥岩中的地层界面在高分辨率电阻率图像中表现为以中心为轴的对称的正弦或余弦曲线，其“幅度”较小，呈现出水平层理的特征(图7-A、B、C、D)。研究区的地层倾角较小，反映地层产状较为平缓，未发生较大的变化。这表明研究区整体沉积环境较为稳定，处于一个地形相对较为平缓的背景中。

图7 松南低凸起水合物储层水平层理及变形层理成像特征Fig.7 Characteristics of horizontal bedding and deformed bedding of gas hydrate reservoir in Songnan low uplift area

图像灰度、形态变化是沉积构造识别的主要依据，常见沉积构造在电阻率成像测井图像上均有不同程度的显示。研究区水合物储层典型的沉积构造类型为变形层理，变形层理倾向变化较大，倾角集中在几度至几十度之间，在高分辨率电阻率图像中表现为“幅度”中等的正弦或余弦曲线(图7-E、F、G、H)。对于变形层理的成因，之前学者普遍认为当研究区发育重力滑塌体或者浊流、等深流等重力流沉积环境，由于滑塌变形构造是一种杂乱构造活动，造成在地层中均发育变形层理[23]；且坡度越陡，滑塌变形构造越发育，变形层理角度越大。针对浅层弱压实、未固结的水合物储层而言，笔者认为变形层理的成因可能还有以下2种可能：①水合物形成时由于孔隙中流体与气体形成固态水合物时造成地层变形；②由于在钻井过程中水合物发生分解，气体逸散造成地层发生变形从而形成变形层理。

前文已论述研究区地层产状较为稳定，因此不存在浊流等沉积环境，因此研究区水合物储层中发育的变形层理可能与水合物本身有关。对研究区各钻井中的变形层理进行统计发现，水合物饱和度越高，变形层理倾角变化范围越大，倾角平均值越大。因此变形层理的成因是在水合物形成过程中，由于孔隙中液体与气体形成固态水合物时造成地层变形；并且在钻井过程中水合物层段温压条件发生变化，水合物发生分解，气体逸散造成地层变形：两者共同作用造成地层中变形层理发育。

5.2 水合物储层构造特征

储层构造特征主要表现在两个方面：一个是由古应力场形成的断层、裂缝等，这些构造产物常作为油气的疏导通道，有利于油气的纵向及横向运移；另一个就是由现今应力场形成的诱导缝及井壁崩落等产物，此类构造产物指示现今应力场方向，帮助判断现今应力场模式，进而为水平井钻进方向的设计提供依据。

前人对断层的识别常基于地震资料，但由于地震资料分辨率低且信噪比较差，因此通过地震资料识别的断层常属于规模较大的断层，而规模较小的断层在地震剖面上无法识别。随钻高分辨率电阻率成像具有较高的分辨率，分辨率约为3 cm，因此随钻高分辨率电阻率成像既可识别出规模较大的断层并与地震资料互相刻度，也可判断地震剖面无法识别的规模较小的微断层。根据高分辨率电阻率成像，发现研究区主要发育微断层、高导缝及高阻缝。微断层及高导缝的断面为低阻特征(图8-A、B、C)，在电阻率静态图像上表现为暗色的正弦曲线，微断层与高导缝不同之处在于可见微断层的断面两侧地层错动(图8-A)，而高导缝两侧地层未见明显错动(图8-B、C)。微断层及高导缝均处于开启状态，常作为气体或液体向上运移的通道。高阻缝的缝面在电阻率静态图像上表现为亮色的正弦曲线(图8-D)，说明其被高阻物质所充填，是一种闭合型的裂缝，不再作为气体或液体运移的通道，对液体及气体的疏导作用有限。

图8 松南低凸起水合物裂缝、断层及诱导缝成像特征Fig.8 Imaging characteristics of hydrate fracture, fault and induced fracture in gas hydrate reservoir in Songnan low uplift area

诱导缝在成像图上表现为一组平行且呈180°对称的高角度裂缝，多为羽状特征(图8-E)，这组裂缝的方向即为现今最大水平主应力的方向；井壁崩落在图像上表现为两条180°对称的垂直长条暗带或暗块(图8-E)，井眼崩落的方位即为地层现今最小水平主应力方位。由于研究区水合物储层埋藏相对较浅，诱导缝及井壁崩落发育程度较弱。研究区内诱导缝方位主要为北东-南西向(图8-F)，因此现今最大水平应力方向为北东-南西向，最小水平应力方向为北西-南东向。现今地应力方向的分析能够为后期水平井钻进方向的设计、压裂和注水等生产措施的确定提供依据。

6 勘探潜力

水合物勘探的重点一方面是对现有的数据进行分析，从而确定研究区内水合物储层发育情况；更重要的是基于现有的数据，确定今后水合物的勘探方向，从而为后期水合物试产指明方向。前人研究表明琼东南盆地浅层广泛发育气烟囱[24-26]，气烟囱常作为纵向上气体和液体的疏导通道，是沟通深部气源和浅部水合物储层的“桥梁”，有利于水合物富集成藏，造成琼东南浅层气烟囱附近的钻井往往具有较好的水合物显示。

研究区地震剖面上可见明显的同相轴“上拉”现象，表明研究区发育气烟囱这种地质构造，而且在气烟囱附近可见疑似水合物的振幅异常。对研究区所有的井位进行对比分析，结果发现东南方向的L5井Y015～Y021 m层段及L3井X985～Y018 m层段电阻率有明显抬升的趋势，并且这两口钻井中电阻率抬升的层段与L6井水合物发育的层段相对应(图9)。在研究区这种地层沉积稳定的环境中，推测L5井Y015～Y021 m层段及L3井X985～Y018 m层段也是发育厚层水合物的。此外，在L3、L5及L6井电阻率抬升的层段衰减电阻率及相移电阻率出现了明显的分异，那么为什么在这3口钻井中发生衰减电阻率和相移电阻率分异呢？

东南方向的L3、L5和L6三口井是靠近气烟囱实施的钻井，地震资料上气烟囱可见明显的同相轴上拉特征，表明在气烟囱内发育高角度的地层，这种高角度的变形常近乎直立，且全部地层都有这种高角度变形，其角度可达80°～90°，主要是由热流体活动而形成，与前文提到的水合物层段变形层理成因不同。因此在气烟囱里面地层具有较强的非均质性，造成电阻率测量结果产生各向异性；同时衰减电阻率和相移电阻率的测量范围有所不同，衰减电阻率探测范围更深，这种强非均质性的地层导致在衰减电阻率及相移电阻率出现明显分异的情况。钻井及地震资料均验证了研究区东南方向为有利的水合物勘探靶区[9]。

图9 松南低凸起水合物勘探方向预测Fig.9 Exploration potential of gas hydrate reservoir in Songnan low uplift area

7 结 论

a.研究区水合物具有高电阻率、快声波速度及低核磁孔隙度的测井响应，宏观上在纵向识别了浅层分散状及深层薄层状水合物层段，具有一定的非均质性，微观上以孔隙填充型及骨架支撑型为主。

b.研究区水合物储层岩石粒度较细，以粉砂质泥岩及泥质粉砂岩为主，黏土矿物占主导地位；由于水合物储层埋藏浅、压实弱，造成孔隙度高；而水合物储层岩石粒度较细且孔隙中有水合物填充，储层渗透率整体偏低。

c.研究区水合物储层沉积环境较为稳定，水合物层段常见变形层理，其成因与水合物形成过程中的相态变化和钻井过程中水合物分解有关。

d.研究区发育微断层及裂缝等古应力场产物，其常作为液体和气体的疏导通道，有利于水合物的聚集成藏；此外，还发育了诱导缝这种现今应力场的产物，指示现今最大水平应力为北东-南西向。

e.研究区东南方向发育气烟囱，且气烟囱附近钻井中水合物厚度及饱和度均较高，井震资料结合确定研究区东南方向为下一步水合物的勘探方向。