南海沉积物天然气水合物饱和度与电阻率的关系

在天然气水合物勘探中,阿尔奇公式是由电阻率测井数据估算沉积层含水合物饱和度的基本公式,是对含油(气)岩心进行实验总结出的规律。但是对于水合物填充于多孔介质孔隙的沉积物,其电阻率与沉积物的物性以及水合物在孔隙的微观分布状态有关,可能存在一定的非阿尔奇现象,因此采用电阻率估算饱和度需要进行一定的校正。采用交流电桥法测量了3.5 % 盐水饱和的南海沉积物以及水合物在水饱和的沉积物中形成过程中的电阻率数据。水合物形成过程中其电阻率随着含水合物饱和度的增大而增大,尤其在低水合物饱和度(S_h<22 % ),其电阻率随着水合物的生成异常增大,含水合物沉积物的电阻率由水饱和的1.667Ω·m增大到含水合物饱和度为45 % 的2.661Ω·m。对于含水合物的沉积物,其双对数坐标系的电阻率增大指数和含水饱和度并不是阿尔奇公式所描述的直线关系,其饱和度指数n不是定值1.938 6,而随水饱和度S_w的增加而增加。当54.8 % w<78.6 % 时,n小于1.938 6;当S_w>78.6 % 时,n大于1.938 6。     

陆相泥页岩在水平地应力作用下裂缝的多样性——以济阳坳陷古近系泥页岩为例

基于水平最大主应力（S_H）、水平最小主应力（S_h）和垂向应力（S_V）数据,探讨了济阳坳陷的地应力状态。济阳坳陷中,埋深小于2 600 m的地层总体处于Ⅰ类地应力状态（S_V>S_H>S_h）,埋深大于3 200 m的地层一般处于Ⅲ类地应力状态（S_H > S_V > S_h）,在不同地区由Ⅰ类地应力状态转换为Ⅲ类地应力状态的深度不同。利用岩心资料分析了Ⅲ类地应力状态下的动力学特征,动力学作用表现为横向挤压和错动,并识别出5类典型的Ⅲ类地应力裂缝,即脆性层竖直缝、非均质层竖直主干缝+水平分支缝、雁列式方解石透镜体充填缝、挤压逆冲派生缝和复杂网状缝。由于陆相泥页岩的组成和力学性质在纵向上具有强烈的非均质性,在Ⅲ类地应力状态下更容易形成多样性裂缝。     

沉积物中天然气水合物微观分布模式及其声学响应特征

天然气水合物（以下简称水合物）的微观分布与其形成条件、流体运移通道等密切相关,对天然气水合物资源勘探与评价具有重要意义。为了解水合物在固结沉积物和松散沉积物中的微观分布及其声学响应特征,采用超声和时域反射联合探测技术实时测量了沉积物中水合物生成、分解过程中声速等参数的变化情况。结果表明,在固结沉积物中,水合物先在孔隙流体中形成,随后逐渐向骨架靠拢,当饱和度大于30%后水合物开始胶结沉积物颗粒生成,这种胶结模式会圈闭部分孔隙流体,使之因得不到气源的补充而难以形成水合物,因此固结沉积物中水合物饱和度最终为65.5%左右;在松散沉积物中,少量的水合物（饱和度1%左右）胶结沉积物颗粒生成,当饱和度大于1%后水合物开始在孔隙流体中以悬浮状形态生成,由于水合物与沉积物颗粒间尚有流体运移通道,水合物能进一步生成,最终几乎完全充填沉积物孔隙。不同的水合物微观分布特征对沉积物的声速具有不同影响：水合物在孔隙流体中生成时,10%饱和度的水合物对固结沉积物的声速影响不明显;当水合物胶结沉积物颗粒生成时,约1%饱和度的水合物可使松散沉积物的纵波速度增长200~300 m/s。     

南海北部天然气水合物潜在区973-3岩心古菌多样性

海底微生物产甲烷和甲烷厌氧氧化作用对全球甲烷循环有着重要影响。在全球升温的背景下,海底天然气水合物作为地球上的一个巨大甲烷库,具有重要的环境效应。利用基于16S rDNA的分子生物学技术,对南海北部台西南盆地天然气水合物潜在区沉积物中古菌多样性进行了分析,探讨了成岩环境因素对古菌种群分布的影响。结果显示：在973-3岩心20～450 cm深度段,Methanosaeta为优势菌群,所占比例为32.9%;Methanosarcinales在542～870 cm深度段所占比例最高,达到28.3%;Methanomicrobiales在1 075～1 162 cm深度段所占比例高达20.7%。973-3岩心古菌种群分布与甲烷产生、氧化密切相关,预示其下部赋存天然气水合物。973-3岩心成岩环境参数垂向变异与天然气水合物成藏有着明显响应关系：pH值随岩心深度增加而变大,E_h（氧化还原电位）值、盐度和沉积物粒径的变化趋势则相反。973-3岩心与日本海、南海神狐海域等天然气水合物赋存区、非赋存区古菌群落结构明显不同,这是由于pH值、E_h值和沉积物粒径等成岩环境参数对973-3岩心古菌种群分布有着显著影响,故必须深入研究微生物代谢甲烷活动的生态位,以提高古菌群落结构对天然气水合物的指示性。     

南海北部神狐海域含天然气水合物沉积层的速度特征

2007年在南海北部神狐海域对天然气水合物（以下简称水合物）的钻探结果表明,仅依靠似海底反射（BSR）和振幅空白不能揭示沉积层内水合物的赋存状态,不能准确地圈定水合物的分布面积和储层厚度。为准确判定水合物储层情况,对南海北部神狐海域声波测井及地震资料进行了精细分析,研究了含水合物沉积层的声波速度、地震速度的分布特征和变化规律。结果认为：①地震反射剖面上,由于水合物饱和度、厚度增大,引起含水合物沉积层的速度增大而产生上拉构造,其下方同时显示出因低速含气层引起的速度下拉构造,即“眼球状”的速度振幅异常结构;②含水合物层的层速度大小与沉积物孔隙度和水合物饱和度密切相关,水合物饱和度随声波速度升高而上下波动,总体趋势上随声波速度的升高而增高;③在含水合物带内部,高速层呈平行于海底的带状分布,底部速度最高,从底部往上速度逐渐降低;④利用上述特征,结合其他地质和地球物理资料,依据层速度可识别地层中水合物的存在,计算水合物的饱和度,确定含水合物层的厚度、分布范围,并可进一步计算水合物的资源量。     

沉积物中天然气水合物生成与分解过程的电阻率变化

测定天然气水合物在沉积物形成和分解过程中电阻率的变化对海底天然气水合物的勘探开采具有重要的意义。利用设计的水合物实验装置,以99.9%的甲烷气体—3.5%氯化钠溶液—南海沉积物为研究体系,模拟测量了温度周期变化下海底沉积物中天然气水合物形成与分解过程的电阻率。实验结果表明：当水合物在沉积物中生成时,沉积物电阻率增大。水合物初始成核时,沉积物的电阻率从4.493Ω·m减小至3.173Ω·m,随着水合物的大量形成、聚集,沉积物的电阻率增大至3.933Ω·m,最后随着松散的水合物逐渐老化致密,沉积物的电阻率逐渐减小趋于稳定至3.494Ω·m。当水合物分解时,沉积物电阻率减小。沉积物的电阻率随水合物的分解从6.763Ω·m减小到2.675Ω·m,最后趋于稳定至2.411Ω·m。温度震荡可促进沉积物中高饱和度水合物的形成,并且沉积物的电阻率随水合物饱和度增加而增大。样品的水合物饱和度从初次水合物生成时的21.80%增大到水合物再次生成时的82.17%,其电阻率从3.494Ω·m增到6.763Ω·m。     

泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系的力学特性

天然气水合物开采过程中，厘清储层力学参数的演化特征是进行工程地质风险评估的基础，但目前针对中国南海含天然气水合物泥质粉砂储层力学性质评价与测试相关研究的报道却鲜见。为此，以南海北部神弧海域W18/19矿体天然气水合物顶界沉积物为研究对象，用四氢呋喃（THF）水合物代替天然气水合物，以此来探讨泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系的力学参数演化特征。研究结果表明：①在低质量丰度条件（小于等于16.7%）下泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系呈现应变硬化破坏特征，抗剪强度、切线模量、内聚力随着水合物含量的增大而增大；②纯天然气水合物的应力—应变曲线表现出明显的脆性破坏特征，与低丰度条件下的泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系破坏特征截然不同。进而提出了采用丰度（质量丰度或体积丰度）代替原有的砂质沉积物中饱和度概念来表征天然气水合物含量的建议，在考虑天然气水合物合成结束后泥质粉砂沉积物含水率影响的基础上，将泥质粉砂型天然气水合物—沉积物混合体系划分为纯沉积物、含天然气水合物沉积物、含沉积物天然气水合物和纯天然气水合物4种基本类型，以克服目前针对含天然气水合物泥质粉砂储层力学性质研究中所存在的不足。     

火山-幔源与有机成因CO2气混合模型探讨——以南海北部边缘盆地为例

以南海北部边缘盆地为例，选取典型火山-幔源型CO₂气和不同有机成因CO₂气的碳同位素值作为端元，模拟计算了2种成因CO₂气按不同比例混合后碳同位素值变化规律。结果表明，无论有机成因CO₂的同位素值（-10‰～-25‰）和初始有机成因CO₂气含量（0.5%～2.0%）如何变化，当CO₂气含量小于10%（摩尔分数）时，混合后的δ¹³C_CO2值随总的CO₂气含量增加而迅速增大；而当CO₂含量超过约10%（摩尔分数）时，δ¹³C_CO2值增加缓慢，最后都迅速趋近火山-幔源型CO₂的端元碳同位素值（约-4‰）。该模拟结果合理地解释了为什么世界上所发现的火山-幔源型CO₂气为主天然气藏，其CO₂含量多高于10%（摩尔分数）或15%（重量分数），其碳同位素值大都介于-4‰~-7‰之间。模拟结果与北部湾盆地福山凹陷和珠江口盆地实测CO₂气的碳同位素值变化趋势吻合很好。     

水合物沉积物动态弹性力学参数试验研究

水合物沉积物的声学特性是水合物藏资源评估、水合物地层钻探开发的重要依据,而目前实际原状取心难度大、成本高,故通过试验的方法对该问题进行研究具有重要意义。利用中国石油大学岩石力学实验室自主设计开发的水合物声波原位测量系统,在不同围压条件下对不同水合物饱和度的原位合成沉积物岩样进行了声波测试,并根据弹性理论,利用所测得的超声波波速,计算得到试样的动弹性力学参数。结果表明:水合物沉积物的纵横波速以及动态弹性模量均随着围压、水合物饱和度的增大而增大。      

南海北部二氧化碳对天然气水合物形成与分布的影响

南海北部天然气富含CO₂等非烃气体,非烃气体对于水合物既有建设性,也有破坏性。含CO₂的天然气向上运移渗漏到浅层,条件适当时,CO₂可作为碳源,被还原成CH₄,在浅层形成水合物成藏。选取南海北部的几组不同CO₂、N₂含量的气体组分进行的实验表明,含CO₂的天然气形成水合物的温度比纯甲烷水合物要高,致使水合物的赋存深度增加,从而拓展了水合物稳定带的厚度。高含CO₂的天然气藏发生强渗漏并运移至上覆甲烷水合物层时,CO₂可能会置换甲烷水合物中的甲烷,使原有的水合物矿藏遭受破坏或甲烷饱和度下降。      

沉积物中甲烷水合物的CO2置换实验

CO₂置换法是一种具有经济和环境双重效益的天然气水合物开采方法,如何测定CO₂置换沉积物中甲烷水合物的置换速率以及怎样提高置换效率一直备受关注。为此,利用自行研制的实验装置,分别进行了置换温度、甲烷水合物饱和度两个因素影响下的CO₂置换沉积物中甲烷水合物模拟实验,探讨了这两个因素对CO₂置换效率的影响规律,并对得到的影响规律进行了置换反应物理过程和相关理论分析。结果表明：①在实验条件下置换反应过程经历快速反应和缓慢反应两个阶段,快速反应阶段的甲烷产气过程受表层甲烷水合物分解过程所控制,而缓慢反应阶段的甲烷产气过程受气体在孔隙水或者冰内的扩散过程所控制;②甲烷水合物分解方式包括吸收CO₂水合物合成释放的热量而分解与降压引起的分解,前者主要由孔隙水或冰的含量决定,而后者主要与温度和压力条件有关;③置换效率随置换温度的增加和甲烷水合物饱和度初始值的减小而变大,置换出来的甲烷气体量随置换温度和甲烷水合物饱和度初始值的增加而增大。结论认为,CO₂置换法更适用于水合物饱和度较高的海域甲烷水合物地层。     

大洋钻探天然气水合物储层测井评价研究进展

国际科学大洋钻探计划自1970年首次在布莱克海脊钻遇天然气水合物（以下简称水合物）以来，迄今已在全球三大洋（太平洋、大西洋、印度洋）的大陆边缘总共53个站位钻遇了水合物，采集了大量的地球物理测井资料，为理解水合物及其宿主沉积物原位特性提供了关键信息。水合物所具有的不导电、低密度、高声波速度、高含氢量等特性，为根据测井资料识别水合物并预测其分布提供了重要的依据。目前已提出的一系列根据测井资料估算水合物饱和度的方法，主要包括阿尔奇公式、密度—核磁共振测井联合、各种形式的三相声波方程以及基于不同岩石物理模型的弹性波速度模拟等方法。海底水合物具有明显的非均质分布特性，主要表现在水合物分布对宿主沉积物岩性的选择性以及在相同岩性宿主沉积物内部对成核部位的选择性上。尽管测井资料在评价水合物分布的非均质性、推断水合物生长习性方面已经得到了初步应用，但仍然存在着一些不足：①大洋钻探水合物测井解释中所依赖的地层模型还是过于简单，大多数都是两组分或三组分模型；②高分辨率随钻测井资料的应用还很有限；③测井解释与岩心地质研究的结合还不够紧密。结论认为，将水合物与宿主沉积物视为一个整体，基于更为复杂的地层模型，在岩心标定的基础上，依据多种高分辨率随钻测井资料，联合反演地层的岩性组分、孔隙度和水合物饱和度，或许是未来水合物储层测井评价发展的一个重要方向。     

Acoustic velocity and electrical resistance of hydrate bearing sediments

Characterization of natural gas hydrate bearing formations is important in the exploration and development of gas hydrate resources in subsea sediments. Solid hydrates can fill the voids of the matrix formed by sand grains and change their cementation condition, which may have a great impact on the electrical resistance and sound velocity of the sand matrix. In this study, experiments have been conducted to measure the ultrasonic velocity and electrical resistance in a large sandpack simulating the conditions of hydrate formation in subsea sediments. The effects of hydrate on the resistivity and ultrasonic velocity of hydrate bearing sand matrix have been revealed and modeled. The data can be used in well logging to determine hydrate saturation and other properties of hydrate bearing formations.     

利用地震方法识别天然气水合物

地震识别技术已广泛地应用于油气田的勘探与开发中。天然气水合物及其所捕集的含气带与围岩有显著的物性差异，我们可以利用地震技术对其进行识别。国外多年的研究成果证明，应用声学方法确定大面积分布的水合物非常有效，因为水合物具有强烈的声反射效应，它的声速很高，大约是海底沉积物的两倍。若水合物下方的沉积物捕集了天然气，其声速会更低，由此产生的反射波具有鲜明的特点。从物理模型出发，探讨了水合物的地震特征，利用地震资料从构造形态，相位特征以及AVO属性等方面对靶区可能存在的天然气水合物进行了判别。     

非成岩弱胶结天然气水合物沉积物弹性力学参数的实验分析

海洋环境中的大部分天然气水合物(以下简称水合物)都存在于弱胶结沉积物中,原状取心难度大、成本高,因而不得不通过室内试验来了解水合物声学性质与弹性力学性质之间的关系。为此,通过室内制备水合物沉积物样品,并对其进行岩石物理实验,通过实验测得了水合物沉积物的岩电、声波参数,根据弹性理论计算出3种不同三轴压力、3种不同粒径骨架、3种不同泥质含量情况下的动态弹性力学参数,分析不同条件对水合物沉积物动态弹性力学参数的影响规律。研究结果表明:(1)在一定的水合物饱和度范围内,水合物的饱和度和沉积物的弹性参数呈现出一定的正比关系;(2)当水合物饱和度一定时,随着粒径(0.125～1.180mm)的变大、泥质含量的减少、轴压的增大,水合物沉积物的动态杨氏模量增大,而泊松比与轴压的关系则不大;(3)建立了弹性参数与泥质含量、轴压的关系模型。结论认为,利用声波测井方法分析水合物的动态弹性力学参数,可以解决水合物取心难、造价高、无法获取连续数据的问题;该研究成果为利用测井资料计算水合物沉积物的力学性质提供了借鉴和参考。     

赛汉塔拉和文留地区的横波资料解释

横波地震勘探在我国还处于初期阶段。在东濮凹陷文留地区和内蒙赛汉塔拉地区开展的横波地震勘探工作,取得了一些有意义的结果。1. 获得了v_s、v_p/v_s、σ和岩性及油气变化的关系曲线,这些曲线可以作为岩性解释和烃类检测的依据。2. 纵波主频约为横波主频的2～2.5倍,而且横波的频带比较窄,这和以往的结论是不一致的。 3.把纵横波剖面分别和井孔中地层连接时,横波剖面更为可靠。横波剖面对于识别小断层、小幅度构造和追踪薄砂层也更有效果。     

致密含气砂岩核磁共振-声波速度联合实验

为研究致密含气砂岩有效储层划分、流体识别方法,选取了典型致密含气砂岩样品,开展核磁共振-声波速度联合实验。以核磁共振实验为基础,结合压汞曲线特征,研究了储层孔隙结构特征,分析了储层可储性;以岩石声学特性实验为基础,研究纵、横波速对储层含气性的敏感性;分析了核磁共振T₂谱与横波速度对岩石孔隙特征的共性反映,得出了T₂几何平均值(T_2gm)与横波速度之间的关系,进而建立了核磁共振-声波速度联合含气性识别图版。研究表明,目标区致密砂岩储层有4种孔隙结构,孔隙发育尺度与粗-细小喉道交互配位关系,决定了4种孔隙结构储层的储集和渗透能力。致密含气砂岩纵波速度对含气性敏感,利用纵波时差与纵、横波速比交会识别含气性效果良好;核磁共振T_2gm与横波速度呈幂函数关系,为利用核磁共振测井预测地层横波速度提供了帮助。进而将不同含气岩石纵波时差与核磁共振T_2gm进行交会,显示该方法对致密砂岩储层含气性具有较好的识别效果。