海洋天然气水合物综合地球物理识别方法评述

雷亚妮，吴时国，孙金，王广建

(1.青岛科技大学化工学院，山东青岛，266061；2.中国科学院深海科学与工程研究所海南省海底资源与探测技术重点实验室，海南三亚，572000；3.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，广东珠海，519080)

天然气水合物是水和天然气在低温高压环境条件下形成的冰态、结晶状笼形化合物，主要分布在一定水深(通常超过300 m)的海底沉积物和陆地冻土带[1-2]。据推断，全球天然气水合物中所含天然气为1.8×1016～2.1×1016m3，蕴藏量约为传统地球化石燃料的2倍，是一种资源潜力巨大的化石能源[3-6]，因此，如何识别海洋天然气水合物是实现水合物精准勘探和安全高效开发的首要问题。MARKL 等[7]在大西洋陆缘布莱克海台通过单道地震资料发现与海底平行、但与地层斜交的异常强反射，认为这是水合物底界，命名为似海底反射(bottom simulating reflectors，BSR)，之后BSR 作为水合物的指示标志被广泛使用[8-9]。HYDMANN等[10]专门论述了BSR 的特征，后来很多学者研究了水合物层的精细速度结构[11]，建立了不同含水合物层的多孔介质模型[12-14]，并基于此利用三维地震资料反演水合物饱和度。除三维地震技术之外，浅层高分辨率地震技术也被广泛用于天然气水合物探测[15-20]。

井中地球物理技术对于水合物储层参数精细描述也十分重要[21-23]。然而，目前关于含水合物储层测井响应特征的研究还不深入，一般是将高电阻率和纵波速度层段视为水合物层。但由于测井解释存在多解性，单纯利用电阻率和声波时差测井可能无法精细描述水合物储层参数，应设法利用多测井数据开展孔隙度、渗透率和水合物饱和度等储层参数的定量描述。海洋可控源电磁法(controlled source electromagnetic method，CSEM)是近年来发展起来的一项有效的天然气水合物勘探方法[24]，可以根据天然气水合物储层、海底沉积物和海水三者之间的电性差异，确定天然气水合物的赋存产状，为常规水合物地震勘探提供互补信息，从而提高水合物勘探精度。高精度重力测量也可用于探测天然气水合物。徐行等[25]利用高精度磁力测量技术识别海底天然气水合物，目前有关这方面的公开报道还比较少[26]。总的来说，由于海域天然气水合物引起的重力异常不显著，只有高精度的海底重力仪才能达到要求，该方法可作为配合地震技术识别水合物的补充手段。

为了实现水合物的精细识别，有必要开发综合地球物理识别技术。海洋天然气水合物地球物理识别技术的基本思路是以井震结合为核心，综合运用重、磁、电、震等综合地球物理识别技术，识别天然气水合物和预测天然气水合物储量。本文通过梳理和分析天然气水合物地球物理识别技术方面的现有研究成果，探讨天然气水合物地球物理识别方面的重点和难点问题，并对其未来发展态势进行展望。

1 天然气水合物的地震识别技术

1.1 天然气水合物的地震定性识别技术

BSR 是海洋天然气水合物最重要的识别标志之一[27-28]。由于含水合物的上覆地层声波速度高，而下伏地层可能含有游离气，速度和密度都降低[29]，从而形成BSR，如图1所示。明显的波阻抗差异导致水合物底界面的反射系数增大，形成了明显的反射同相轴，同时，由于海底沉积物的地温变化很大，而压力变化不大，海底的起伏变化将造成沉积物等温面的起伏变化，故BSR 大致与海底地形平行[30]。

图1 水合物层和下伏游离气层速度结构Fig.1 Velocity structure of gas hydrate layer and underlying free gas layer

作为水合物识别标志的BSR具有如下特征：

1)BSR 表征水合物层底界，而水合物层顶界很难确定。

BSR表征水合物层底界[31]，在地震剖面上较容易识别。图2所示为过琼东南盆地深水区某水合物勘探区的地震剖面。由图2可见：地震剖面上的BSR 特征非常明显，实钻结果表明BSR 位置与水合物层底界基本一致。一般很难通过地震资料确定水合物层顶界，这是因为BSR 之上沉积物内的水合物浓度向上逐渐降低，无明显波阻抗差异。

图2 琼东南盆地某地震剖面上的BSRFig.2 BSR in a seismic profile in Qiongdongnan Basin

2)陆坡区BSR有时与沉积层斜交。

陆坡区BSR往往具有与沉积层理斜交的特征，图3所示为日本Nankai海槽过AT1-MC井的典型地震剖面[32]。由图3可见BSR与正常沉积层斜交，这种特征可以很好地指示水合物底界。

图3 日本Nankai海槽过AT1-MC井的地震剖面及自然伽马和电阻率曲线[32]Fig.3 Typical seismic cross section through AT1-MC well,Gamma and resistivity logs in AT1-MC Well[32]

如果沉积物界面与海底平行，那么它的地震反射特征与BSR 相似，造成BSR 在地震剖面上识别比较困难，这时需要根据水合物相平衡方程计算稳定带底界的大概深度，确定BSR 的位置。利用BSR 识别水合物时需要注意：1)BSR 指示天然气水合物的可能存在，但是不能用于计算水合物的厚度和饱和度；2)BSR 仅适用于海洋未固结沉积层中的水合物识别，而陆地冻土区的水合物往往不具有BSR的特征。

除BSR 外，地震属性也可用于天然气水合物识别，主要包括速度、AVO(amplitude versus offset)属性、三瞬属性等。对于成岩和非成岩型水合物层，各自对应的地震属性特征[33-39]如表1所示。

表1 成岩及非成岩型水合物层地震属性特征[33-39]Table 1 Seismic attributes characteristics of gas hydrate bearing rocks and sediments[33-39]

1.2 基于地震资料的天然气水合物定量识别技术

叠前和叠后地震资料携带了众多反映地层岩性和孔隙流体性质的信息，可用于获取储层参数。目前，天然气水合物的定量识别主要通过地震正演和反演技术进行，包括地震正演模拟、AVO 技术、弹性波阻抗反演和全波形反演等，各种不同方法的原理、分类及可获取参数[40-48]如表2所示。

表2 主要的天然气水合物定量识别技术[40-48]Table 2 Primary quantitative identification techniques of natural gas hydrate[40-48]

1.3 用于水合物饱和度预测的岩石物理模型

含天然气水合物地层的岩石物理模型是地震反演预测水合物饱和度的基础[49]，目前人们已经提出了将水合物饱和度与地层速度联系起来的多个岩石物理模型。如WOOD 等[50]将WYLLIE 时间平均方程与地震速度结合，估算水合物饱和度；LEE等[51]指出含水合物沉积物速度可以通过三相时间平均方程加权计算。这些方法各有优势和适用范围，以下为几种常用的估算水合物饱和度的模型。

1.3.1 时间平均方程

对于含水合物沉积物，地层的时间平均方程为

式中：vb，vw，vh，vma分别为含水合物沉积物、孔隙水、纯水合物和骨架的纵波速度；φ为孔隙度；Sh为水合物饱和度。

该方法参数少、简单易用，为最简单的水合物饱和度预测方程，该公式在胶结较好的地层介质中可以很好地评价水合物。

1.3.2 WOOD方程

沉积物中存在较高泥质含量，且胶结程度差，这种情况下时间平均方程的计算结果与实际测量结果并不一致。为此，提出了WOOD方程[51]：

式中：ρb为岩石的密度，kg/m3；ρma为岩石骨架的密度，kg/m3；ρw为地层水的密度，kg/m3；ρh为水合物的密度，kg/m3。

WOOD 方程是在时间平均方程的基础上再考虑密度的影响得到的，在低孔隙度下较适用，不太适用于高孔隙度地层。

1.3.3 LEE权重方程

为了准确评估高孔隙度海底沉积物中的水合物饱和度，LEE 等[52]提出一个基于TIMUR 和WOOD方程修正公式的加权平均公式：

式中：n为水合物储层胶结指数；W为权重系数，多数情况下为1；vWOOD和vTIMUR分别为WOOD 和TIMUR公式计算的速度。

1.3.4 改进的BIOT-GASSMANN模型

对于泥质含量较高、流体黏度大的含水合物地层，BIOT-GASSMANN 理论关于地层横波速度与纵波速度之比为常数的假设不合理。为此，LEE[53]假设地层纵横波速度比是与孔隙度有关的函数，提出了改进的BIOT-GASSMANN模型：

式中：α为干岩石骨架的横波速度与纵波速度之比；H和m为与地层孔隙扁平率、泥质含量、胶结程度和压差有关的参数。

将式(4)代入到BIOT-GASSMANN 方程中，可得到改进后的地层剪切模量G的表达式：

式中：Kma和Gma分别为地层骨架体积模量和剪切模量，可以由Hill 平均得到；β为Biot 系数；M为Biot 模量，为孔隙流体体积模量。

地层的体积模量K为

对于软地层或未固结沉积物，有

对于坚硬或固结的地层，Biot系数为

地层纵波速度vb可用下式计算：

沉积物骨架的弹性模量和其组成矿物有关，可根据Hill平均模型计算。当确定干岩石弹性模量后，可利用GASSMANN方程计算饱含流体岩石的弹性模量，进而可以得到纵横波的速度。

1.3.5 等效介质模型

ECKER等[54]提出了水合物在沉积物中生成的3种模式。

1)模式A。水合物被认为是孔隙流体的一部分。

2)模式B。水合物被认为是岩石骨架的一部分，产生了2个效应，一方面使孔隙度减小，另一方面改变了骨架的体积模量和剪切模量。

3)模式C。假设水合物与骨架呈半胶结状态，水合物饱和度增大会同时提高孔隙流体和岩石骨架的体积模量。

干岩石骨架的体积模量Kdry和剪切模量Gdry可分别表示为：

求出干岩石的Kdry和Gdry后，可用GASSMANN方程计算饱和岩石的体积模量和剪切模量。对于模式A，水合物是孔隙流体的一部分，不会改变固体骨架的模量，只能通过影响流体体积模量来改变波速，流体体积模量用下式计算：

式中：Kf为流体体积模量；Kh为水合物体积模量。

由于水合物的体积模量大于孔隙水的体积模量，因此，增加水合物饱和度将增大等效孔隙流体的体积模量，进而使波速增大。

1.3.6 基于不同岩石物理模型的水合物饱和度预测

以南海北部神狐海域SH2 井为例，对比不同模型的水合物饱和度评价效果，分析不同模型在水合物饱和度估算中的适用性。

图4所示为SH2井密度、自然伽马、声波时差和电阻率测井曲线。由图4可见：SH2井的测井深度范围为海底以下38.0～245.0 m，在海底以下188.0～219.5 m深度处声波速度和电阻率明显增大，推测该深度范围为潜在水合物层。

图4 SH2井测井曲线Fig.4 Logging curves of well SH2

分别利用时间平均方程、WOOD 方程、LEE权重方程、改进的BIOT-GASSMANN 方程估算水合物饱和度，并与氯离子浓度异常法预测的水合物饱和度进行对比，分析不同模型的预测效果。

首先，利用地层密度测井计算地层孔隙度：

式中：φd为密度测井孔隙度；ρf为流体密度。

海洋沉积物含有泥质，考虑泥质的影响，将地层密度孔隙度计算公式修正为

式中：Vsh为泥质含量，可用自然伽马测井曲线计算，即

式中：GCUR为地区经验系数，神狐海域取为3.7；IGR为中间变量；GR为目的层段的自然伽马测井值，API；GRmin和GRmax分布为纯砂岩和泥岩层段的自然伽马测井值，API。

考虑泥质含量影响，取GRmin= 15 API，GRmax= 90 API，C=3.7，计算地层孔隙度。根据该区域其他井的取心资料，地层骨架主要由石英、黏土和方解石构成，所占质量分数分别为65.7%，20.0%和14.3%，各矿物/物质的弹性和物性参数见表3。

表3 速度模型中的弹性和物性参数Table 3 Elastic and physical parameters in the velocity models

图5所示为利用时间平均方程、WOOD 方程、LEE 权重方程、改进BIOT-GASSMANN 方程和等效介质模型计算的SH2井水合物饱和度。

由图5可见不同模型预测的SH2井水合物饱和度存在较大差异，具体结果如下。

图5 采用不同模型预测的SH2井水合物饱和度Fig.5 Prediction of hydrate saturation of well SH2 by different models

1)时间平均方程预测的水合物饱和度为0，与氯离子浓度异常法的预测结果相差最大，这是因为时间平均方程预测的纵波速度偏大，说明时间平均方法不能直接用于海洋沉积物水合物饱和度预测。

2)相比于氯离子浓度法，WOOD 方程和LEE权重方程饱和度预测结果略大，但明显优于时间平均方程预测结果，其中LEE 权重方程的水合物饱和度预测值略大于WOOD方程预测值。

3)改进的BIOT-GASSMANN 模型的声波速度偏小，因此，水合物饱和度预测结果偏大，预测精度不高，可能与假设的矿物质量分数保持不变有关。

4)等效介质模型在水合物层段的预测结果与氯离子浓度差异法的预测结果较吻合，且模式A的水合物饱和度预测结果比模式B的大。

各个岩石物理模型的适用性和优缺点见表4。

表4 不同岩石物理模型的适用性和特点Table 4 Application and characteristics for different petrophysical models

2 基于测井的天然气水合物地球物理识别和定量评价技术

自我国南海北部发现天然气水合物后，利用多种地球物理方法开展了水合物勘探研究，其中基于测井资料的水合物识别及储层参数评价方法在南海北部水合物资源探查中起到了关键作用。这是因为天然气水合物的物理性质与地层水、岩石骨架存在一定差异，这是能够对地层中天然气水合物进行测井识别的先决条件，不同测井曲线对成岩和非成岩型水合物层的响应特征[55-58]如表5所示。

表5 不同类型水合物地层的测井响应特征[55-58]Table 5 Characteristics of different logging response of gas hydrate bearing formations[55-58]

3 天然气水合物的电磁探测技术

由于含水合物储层与含水层段具有明显的电性差异，而海洋可控源电磁法能够得到海底的导电参数，因此，可利用海洋电磁法根据电性差异确定水合物的分布范围，估算水合物饱和度，从而提高海洋天然气水合物的探测成功率。目前，海洋水合物的电磁探测技术包括海洋可控源电磁法(CSEM)和海洋大地电磁测深[59]。

美国Scripps 海洋研究所研制出了频率域CSEM系统，该系统是目前世界最先进海洋电磁探测系统之一[60]，其发射机系统距海底为50～100 m，接收器可任意布设，因此，几乎可以在源和接收器之间进行任何几何布置，记录电磁场的所有分量，提供更为丰富的数据。俄勒冈陆缘水合物脊应用该电磁系统进行了水合物探测，证明CSEM法是一种切实可行的水合物探测方法[61]；EDWARDS[62]将CSEM方法用于深海沉积物含水合物浓度的定量估算；EVANS[63]利用频域拖曳磁偶极子系统对墨西哥湾水合物丘进行成像，发现该系统能实现海底以下20 m 以内的浅表层沉积物成像。海水对电磁波强烈吸收、早期仪器发射功率不足以及早期仪器灵敏度较差等因素都影响了海洋电磁法在水合物探测中的应用。近年来，随着仪器设备和处理解释技术的发展，尤其是电子与信息技术的快速发展，极大推动了海洋电磁探测技术的发展，这些不利因素正在被克服，未来CSEM法将在海洋水合物探测方面获得更加广泛的应用。

4 发展态势

天然气水合物定量识别是未来水合物地球物理技术的发展趋势，需要定量描述的参数包括水合物的分布面积，水合物储层厚度、游离气层厚度、地层孔隙度、水合物饱和度和气体饱和度等，这些参数是优选水合物甜点区和水合物资源量估算的重要依据。而单独使用常规的BSR 并不能对水合物储层的资源量进行定量估算，因此，需要综合利用地质条件分析以及地震反演等方法进行天然气水合物储层精细描述。

地球物理方法仍然是目前海域天然气水合物识别与预测分析的主要手段之一，地球物理手段包括地震测量、重力测量、电磁测量、地热测量以及测井等。其中地震测量依然是未来最主要的水合物地球物理探测手段，包括高分辨二维及三维地震、海底多分量地震、广角海底地震和垂直地震剖面等。在地震资料处理方面，高精度的速度分析、多次波压制、高分辨率处理、子波处理、保幅处理和DMO等特殊处理被用来提高水合物识别的准确度，目前水合物识别已由原来的主要利用速度及振幅信息发展到利用叠前弹性阻抗反演方法提取多种属性参数进行判别。

在上述理论方法基础上，本文提出基于水合物系统概念+地层物性参数定量评估的天然气水合物综合地球物理识别方法，如图6所示，其基本思路为：

图6 天然气水合物地球物理识别及储层特征描述方法Fig.6 Geophysical identification of natural gas hydrate and its parameters description method

1)进行天然气水合物富集的烃源条件、构造条件、流体疏导条件和沉积条件分析，基于热力学平衡方程计算水合物稳定域，估算天然气水合物稳定带范围；

2)结合区域地质条件分析进行BSR 识别和其他地震属性分析，初步圈定天然气水合物空间展布；

3)基于高分辨率地震数据结合测井数据进行弹性阻抗/波阻抗/全波形反演，获得精细波阻抗/速度剖面，结合岩石物理模型对水合物分布进行定量识别。

除了三维地震和测井，未来水合物探测还将引入新的地球物理技术，如分布式声传感技术(distributed acoustic sensing，DAS)。这是一种近年兴起的长距离、大剖面、动态测量的地震监测技术，其空间采样间距动态可调，传感距离可达数十公里，结构简单，开发维护成本低，兼具实时数据传输功能，可有效降低观测成本并提高分辨率[64-66]。分布式光纤传感技术能够直接获得水合物层应力场、渗流场和饱和度，因此，未来这一全新技术有望被应用在天然气水合物探测中。

传统船载地球物理手段尚达不到深海海底浅层资源探测的高分辨率要求。近年来，随着我国国产化水下机器人和微小型、高精度、超深水工作的新型地球物理装备技术的发展，如光纤震磁传感器、弱磁传感器、水听器等，解决了菲涅尔半径和传输衰减因素限制等问题，使高信噪比、高分辨率和高穿透深度的近海底综合地球物理探测成为可能。研发新型国产化地球物理传感器及装备，研制或集成模块化挂载地球物理传感器(重、磁、电、震、放射性)，构建一个智能导航、自主探测的深海近底地球物理智能作业平台，形成一套近海底深海地球物理试验平台和实现深海浅层高分辨率探测的综合地球物理探测系统，引领我国地球物理技术用于深海近底高精度探测，将为我国海底资源的勘探开发与深海海洋环境探测提供技术支撑和保障。

5 结论

1)似海底反射是海域天然气水合物最重要的识别标志之一，但易受沉积界面干扰，为提高天然气水合物识别精度，应结合地震振幅、衰减等属性进行水合物的地球物理识别。

2)目前水合物饱和度钻前预测主要基于反射地震反演技术，而含天然气水合物的岩石物理模型是地震反演预测水合物饱和度的基础，且不同模型均有其各自的适应性。

3)测井是储层参数精细评价的重要手段。不过，由于测井解释存在多解性，单纯利用电阻率和声波时差测井可能无法实现水合物储层参数的精细描述，应利用多测井数据对孔隙度、渗透率、水合物饱和度等储层参数进行定量描述。

4)天然气水合物的定量识别是未来水合物地球物理识别的发展趋势，建议综合利用水合物成藏条件分析、多地震敏感属性分析、地震反演和测井实现水合物的地球物理识别以及储层特征精细刻画。

5)深海重磁法和电磁法等是未来海洋水合物探测的重要补充技术。