神狐海域天然气水合物声波测井速度与饱和度关系分析
从1999年开始至2007年的九年间，以广州海洋地质调查局科技人员为代表的广大的中国海洋地质工作者完成了南海北部4个海区共16个航次的综合调查与研究，证实了我国海域存在天然气水合物；调查发现南海北部陆坡具有良好的天然气水合物资源远景；并初步圈定了南海北部陆坡天然气水合物资源远景最有利的重点目标区。2004年中国石油地质年会上，南海北部陆坡深水海域就被列为中国油气勘探可持续发展的三大重要新领域之一。2002年，中国地质调查局正式设立《海洋油气新区调查》项目，重点在我国南海北部陆坡深水区、南黄海盆地北部和东海陆架盆地西部等地区开展前期战略性调查研究工作。南海北部陆坡作为我国开展深水区勘探的首选目标，由广州海洋地质调查局正式启动海洋油气新区战略性地质调查。在国家设立专门项目开展这一资源调查的同时，“863”计划及时启动了“天然气水合物探测技术”课题研究，从地震识别技术、地球化学探测技术、综合评价技术和保真取样技术4个方面全面开始了高技术的探索。在广州海洋地质调查局副总工程师吴能友博士牵头下，展开科技攻关。到2005年，最终初步形成了适合我国海域特点的天然气水合物探测技术系列，为我国海域天然气水合物资源调查与评价提供了有力的高技术支撑。2004年，中德两国展开政府间合作，在南海北部陆坡开展甲烷和天然气水合物分布、形成及其对环境的影响研究，中德两国科学家利用先进的调查船——德国“太阳号”开展代号为SO177航次的海上科学研究，取得了丰富的研究成果，在南海北部东沙海域发现了世界上分布面积最大的自生碳酸盐岩等一系列显示天然气水合物存在的证据。但没有获取到浅表层天然气水合物的样品，成为参与这项研究的中德两国地质学家们的一个遗憾。2005年国土资源部也将面积近3万平方公里的白云深水区列为我国六大油气资源战略选区之首。随着调查研究的深入，广州海洋地质调查局认为，南海北部海域在海底浅表层形成天然气水合物的条件并不优越，通过地质取样这一手段获得天然气水合物的可能性不大。因此，从2005年开始，选定目标实施钻探，成为中国海域天然气水合物资源调查的新任务。广州海洋地质调查局通过多年的调查，确定的天然气水合物重点区与“太阳号”所发现的大片碳酸盐岩结壳的区域是吻合的，这更加肯定了他们对天然气水合物发现目标的认识。担任“太阳号”SO177航次中方首席科学家的是广州海洋地质调查局当时的总工程师黄永样，他充满信心：“下一步要打钻，这里应该是我们布孔的位置。” 后来，为了调查研究一种新的类型，神狐海域又成为新的目标，这里从2003年展开区域概查，已经发现了显著的地球物理标志BSR。经过近两年的技术、商务等准备，最后选定辉固国际（香港）集团公司承包海上天然气水合物钻探航次。 经过九年的艰苦奋斗，中国海域天然气水合物调查从“零”开始，终于首钻成功获得实物样品。这是一个全新的领域，中国人没有经验。因此，调查工作借鉴了油气勘探工作的一些步骤和方法，通过区域概查展开，在发现异常后，再对重点区域展开进一步调查，确定靶区，将天然气水合物的地质目标从南海北部的广大区域一步步缩小到重点目标区。 同时，他们不断学习应用国际上的成功经验，广泛运用地质、地球物理、地球化学多手段综合调查方法，在我国南海北部发现了由深至浅，最后到海底表层所存在的与天然气水合物相关的多层次、多信息异常标志，包括深部似海底反射（BSR）、空白带（BZ）、浅部气烟囱、海底微地貌、碳酸盐岩结壳、底水及沉积物地化异常四位一体的充分证据，有力证实了我国海域天然气水合物资源的存在。作为广州海洋地质调查局基层科技人员，从项目成立之初，教授级高级工程师梁金强和他的研究室科技人员们一直专注天然气水合物调查资料综合分析和解释工作，他自信地说：“目前世界上已经证实可显示天然气水合物存在的证据，在南海北部都得以发现。” 广州海洋地质调查局及国内其他相关单位开展了相应的研究工作。对天然气水合物技术方法、环境效应、资源综合评价和勘探开发战略等进行了深入研究，为调查与评价提供了科学依据和技术方法支撑。 国家“863”计划对这一新型后备能源的勘探给予了持续不断的支持。1998年，广州海洋地质调查局副总工程师、教授级高级工程师张光学在“863”经费的支持下，展开对国际上海底天然气水合物资源探测关键技术的预研究。 深邃的海底是天然气水合物矿藏形成的最佳场所。地球有70%以上的面积是海洋，科学家们分析认为，天然气水合物在海洋中有条件成矿的面积约占全部海洋面积的30%以上。目前，全球已在100多处发现有天然气水合物资源的存在，但却仅在其中15个地区通过钻探和表层取样获得实物。在南海南部，去年由多国科学家共同参与的综合国际大洋钻探计划实施钻探，但没有获得天然气水合物样品。因此，要准确钻中目标，获取到冰雪状的天然气水合物样品，还是一个世界性的难题，带有极大的偶然性。 为提高我国实施天然气水合物钻探目标的命中率，2005年，“863”计划紧急启动了“南海北部海域天然气水合物首钻目标优选关键技术”研发课题，由广州海洋地质调查局副总工程师张明教授牵头，和中国地质大学一起展开攻关。 当时，国内并没有针对天然气水合物钻探目标的调查手段和现成的方法，就连国外公开发表的论文资料也没有这方面的实质性内容。同时，还受限于现有的技术装备和调查条件，课题组大胆提出了单震源单电缆的高分辨率三维地震调查方法，经过反复试验研究，提高定位精度，在采集、处理技术上取得了卓有成效的研究成果，最终取得了高质量的三维成像效果，将二维地震识别技术发展为三维地震识别技术。试验成功后，广州海洋地质调查局迅速将研究成果应用于南海神狐海域目标区，将钻探目标从140多平方千米的海区靶区，最终精确为2个目标区块的8个钻探井位。 在高技术的支撑下，我国天然气水合物钻探航次在实施的第一个钻位胜利实现突破，成功获取到斑点状的天然气水合物实物样品。令第一航次首席科学家张海启博士更为欣喜地是：“在第一航次28天完成的4个钻位中，我们在两个钻位上实现了突破，两处所发现的天然气水合物饱和度均高于美国布莱克海台的天然气水合物饱和度，最高达43%。仅仅在一段直径5.6厘米、长约40厘米的沉积物中就收集到26升纯度高达99.7%的甲烷气，从世界范围来看，这都是一种令人振奋的全新类型。”高纯度的天然气在实验室点燃，跳动的蓝色火苗点燃了中国人的新能源梦，展现了中国海域天然气水合物巨大的资源潜力。 同时，钻探结果显示我国海洋地质工作者根据地震资料解释预测的BSR及天然气水合物赋存层位与实际基本吻合。这说明，经过九年艰苦勘探，我国海洋地质工作者所建立的地震解释速度模型是正确的，它证实了我国实施海域天然气水合物资源调查工作所取得的地质勘探基础资料的准确性，显示出中国海洋地质工作者通过自主创新、发展高技术所建立起具有中国特色的天然气水合物探测技术和调查方法是可行的，有效的。06年我国南海东北部陆坡深水区发育厚层中生界及古近系的尖峰北盆地和笔架盆地，油气前景较好，是下一步油气勘探的有利区域。这是广州海洋地质调查局实施的国土资源大调查海洋油气新区项目的最新成果。07年，中国科学家初步认为，中国南海神狐海域的天然气水合物是以，饱和度非常高，显示出中国南海北部天然气水合物资源具有巨大的能源潜力。初步预测中国南海北部陆坡天然气均匀分散的状态，成层分布，已发现的含天然气水合物沉积层厚度较厚，最大厚度达25米水合物总资源量可能大于100亿吨油当量。08年，由国土资源部组织的全国油气资源战略选区国家专项取得阶段性重要成果，首批验收的4个项目均获得油气重大发现，其中南海北部陆坡深水海域具备万亿立方米大气区的前景和潜力，这是我国海域迄今为止获得的最大天然气发现，是我国深水勘探的重大突破，填补了我国在这一领域的空白。中海油通过对南海北部陆坡深水海域的系统研究，取得多项油气地质新认识和深水勘探技术新突破。为进一步验证优选出的有利目标区，中国海洋石油有限公司选择其中之一的白云凹陷目标区成功实施了我国第一口水深超千米探井，获得了我国海域迄今最大的天然气发现，资源量约1100亿立方米至1700亿立方米，初步展示了南海北部陆坡深水海域具备万亿立方米大气区的前景和潜力，也标志着我国深水油气勘探进入新的发展阶段。09年10月，我国第一艘可燃冰综合调查船“海洋六号”，在广州海洋地质调查局仑头码头鸣笛，正式入列我国海洋地质调查船队建制。海洋六号”可燃冰综合调查船，它将以海底可燃冰资源调查为主，兼顾其他海洋地质、海洋矿产资源调查工作。它的入列，将加快我国海洋可燃冰调查步伐。10年12月30日，由国土资源部广州海洋地质调查局完成的《南海北部神狐海域天然气水合物钻探成果报告》通过终审。《报告》显示，科考人员在我国南海北部神狐海域钻探目标区内，圈定11个可燃冰矿体，预测储量约为194亿立方米。研究人员在140平方公里的钻探目标区内，圈定出11个可燃冰矿体，含矿区总面积约22平方公里，矿层平均有效厚度约20米，预测储量约194亿立方米。这是一个令人振奋的数据，科考人员对含可燃冰样品气体组分及同位素分析表明，钻探区可燃冰富集层位气体主要为甲烷，其平均含量高达98.1%，主要为微生物成因气。除此之外，相关部门着眼未来，积极探讨海底可燃冰安全环保开采方案的科学性与可行性，相信不久的将来，沉睡在海底千百万年的可燃冰终将浮出水面。
———水合物层声速的变化与水合物饱和度的关系
天然气水合物沉积层声学特性的研究对于水合物地球物理勘探及资源评价均有重要意义。关于沉积物中水合物饱和度对声学性质的影响已有一些研究，但还不足以验证前人提出的理论模型，从而修正原有模型或建立新的模型。青岛海洋地质研究所于2004年建成了一套地球物理实验装置，专门用以研究沉积物中水合物的饱和度与声学特性的关系。该装置的特色是将超声探测技术和时域反射探测技术集成于一个系统中，前者用于测量水合物形成和分解过程中沉积物的声学参数(声速、幅度和频率等)，后者通过测量体系中的含水量来确定水合物的饱和度，目前已经取得了人工岩心中水合物饱和度与声波速度的初步关系。
实验装置
实验装置主要由高压反应釜及内筒、饱和水高压罐、配气系统、制冷系统和计算机测试系统组成(图75.10)。反应釜的设计压力为30MPa，利用饱和水高压罐事先制定好饱和甲烷水溶液，可以缩短实验时间。通过配气系统加入高压气体，制冷系统控制温度来实现水合物的生成和分解。反应釜内压力由一压力传感器测量，精度为±0.1MPa，分别用两个不同长短的热耦测量沉积物表面和内部的温度，热耦精度为±0.01℃。实验采用纵横波一体化超声换能器和纵波超声换能器各一对，发射频率分别为500kHz和200kHz，可以同时测量体系的声速、幅度及主频参数。TDR探测采用购于美国Tektronix公司的1502c时域反射仪，TDR探针为自行制作的同轴型探针，可以测量体系的含水量。
图75.10 天然气水合物地球物理模拟实验装置图
实验技术与方法
岩心中天然气水合物超声探测实验流程:
1)将人工岩心放入高压反应釜的内筒中，插入TDR探针并接好;
2)分3次向岩心中加入纯水或300×10-6的SDS溶液，直至将岩心刚好淹没，观察TDR波形变化情况;
3)用导线将TDR探针与同轴电缆零线短路，记录TDR波形的变化以确定波形的起始点;
4)安装好反应釜，对整个系统抽真空，打开加压阀使气体缓慢进入反应釜，直至达到实验压力;
5)放置约24h，使甲烷溶入水中，同时可以试验压力是否泄漏;
6)开循环水制冷系统，通过控制温度进行岩心中天然气水合物的生成和分解实验;
7)记录超声波形、TDR波形。
获取实验数据后，对数据进行整理和完善，根据超声波形的文件读出声速、幅度和频率，由TDR波形计算出含水量。由于是在同一个系统中进行实验，因此可以同时得到温压、含水量和声学参数随时间的变化情况，因此不存在水合物饱和度与声学特性关系之间的系统误差问题。为了使实验数据准确可靠，可对不同体系均进行多次重复实验，取其中重复性较好的实验结果使用。
温压、超声及TDR结果分析
岩心孔隙中水合物的饱和度Sh(%)可以通过下式求得:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
式中:Φ为岩心的孔隙度，θV为生成水合物的体积。
在人工岩心中，纵波速度vp和横波速度vs随着岩心中水合物饱和度的增加而增加;在水合物饱和度20%至47%之间，声波速度随饱和度的增大相对快速增长。
图75.11岩心中水合物生成(分解)过程的温压、声速、含水量变化图，图中3条虚线对应的位置分别代表水合物开始生成、水合物开始分解、水合物完全分解的时刻。从图中可以看出，随着水合物的生成，由于放热使岩心内部温度(Ta)和表面温度(Tb)升高，反应消耗气体和水使压力(p)和含水量下降，纵横波速度(vp，vs)增大。vp值在水合物生成前为4242m/s，完全生成后为4685m/s，增幅为443m/s。vs值在水合物生成前为2529m/s，完全生成后为2765m/s，增幅为236m/s。水合物开始生成、开始分解和完全分解的几个时间点上温压异常、超声和含水量变化对应的比较好。
图75.11 岩心中水合物生成(分解)过程的温压、声速、含水量变化图
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 Saturation 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·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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神狐海域天然气水合物声波测井速度与饱和度关系分析
答：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...
南海神狐地区天然气水合物饱和度估算
答：基于稀疏脉冲反演计算了过该井地震剖面的声波阻抗,利用测井获得声波阻抗与饱和水孔隙度之间的关系,获得了地层饱和水孔隙度剖面;再利用阿尔奇公式,能够计算地震剖面上的水合物饱和度。结果表明,利用地震数据计算的神狐海域天然气水合物饱和度占孔隙空间的10%～23%,局部饱和度高达27%,比电阻率测井计算的饱和度偏低。
非常规天然气测井
答：识别非常规天然气所需的常规测井方法主要是:电阻率测井、自然伽马及自然伽马能谱测井、中子测井、岩性密度测井、密度测井、声波速度测井、井径测井。通过测井解释资料可以定性分析储层的岩性,定量评价储层的基本参数,包括评价储层物性的孔隙度和渗透率,评价储层含气性的含气饱和度、含水饱和度与束缚水饱和度、储层厚...
