寧伏龍，吳能友，李實，張可，余義兵，劉力，孫嘉鑫，蔣國盛，孫長宇，陳光進

（1. 中國地質大學（武漢）工程學院；2. 中國科學院廣州天然氣水合物研究中心；3. 提高石油采收率國家重點實驗室；4. 中國石油大學（北京）化學工程學院）

0 引言

天然氣水合物是目前非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的重點之一。由于水合物儲集層尤其是海域水合物儲集層的復雜性以及水合物分解導致的特殊流固耦合作用，天然氣水合物的開采還需要克服一些難題。鉆井和開采過程中水合物分解會導致井壁失穩(wěn)、地層沉降、套管變形、氣體泄漏等問題[1-3]，水合物儲集層力學性質是解決這些問題所需的關鍵信息，其掌握程度決定了能否安全、可持續(xù)地開發(fā)水合物資源。

目前研究水合物儲集層力學性質的方法主要有 3類：野外巖心室內力學測試、實驗模擬巖心力學測試和數(shù)值模擬。野外巖心室內力學測試很容易受鉆井取樣及樣品運輸過程的影響，即使目前性能最好的水合物取樣器也無法做到100%原位保真。實驗模擬巖心力學測試是最常用的方法，即在實驗室內模擬合成水合物沉積物后再進行力學測試[4]。但利用測試結果對水合物儲集層進行測井解釋或將其與現(xiàn)場獲取的其他數(shù)據進行對比時會出現(xiàn)一些問題[5]，因此，對這種方法能否如實反映野外實際情況還存在較大爭議。數(shù)值模擬方法（如離散單元法）也被用來研究水合物儲集層力學性質，但理論模型的準確性和適用性不足。因此，原位測試是準確掌握水合物儲集層力學性質的最佳手段。在常規(guī)油氣儲集層中，聲波數(shù)據已被廣泛應用于估算地層力學參數(shù)并成功用于超前預測或實時評價井壁穩(wěn)定性[6-8]。本文以分屬海洋和凍土區(qū)的南海神狐SH7井和阿拉斯加凍土區(qū)Mount Elbert井為例，基于利用測井數(shù)據估算常規(guī)油氣儲集層力學參數(shù)的方法，根據測井結果估算水合物儲集層的力學參數(shù)，并與其他研究者的測試或計算結果進行對比，分析采用本文提出的方法研究水合物儲集層力學性質的可行性。

1 方法概述

常規(guī)油氣儲集層中，力學參數(shù)與聲波速度間常有下列關系[8-13]：

其中

在建立適用于水合物儲集層的力學參數(shù)與聲波速度間的關系式前，可根據測井結果采用（1）式—（11）式初步估算水合物儲集層力學參數(shù)。此外，已有室內實驗和現(xiàn)場測試都表明聲波速度和水合物飽和度有相關性[14]，因此，可通過（1）式—（11）式以及聲波波速與水合物飽和度間的關系建立力學參數(shù)與水合物飽和度之間的關系式。

2 算例分析

2.1 南海神狐SH7井

2007年，由國土資源部廣州地質調查局負責實施了南海北部神狐海域天然氣水合物鉆探工程 GMGS-1，共完成了8個鉆位的鉆探和測井，對5個鉆位進行了取心，在其中3個鉆位（SH2、SH3和SH7）獲得了天然氣水合物樣品。根據巖心分析結果，南海神狐海域的天然氣水合物位于海底以下153～229 m，厚度為10～43 m，孔隙度為33%～48%，主要是I型的甲烷水合物，以均勻分散狀態(tài)成層分布在未固結的細粒黏土或沙質黏土中。

SH7井處海水深度為1 108 m，水合物層位于海底以下155～177 m，聲波測井（見圖1）顯示縱波波速在1.5～2.3 km/s，水合物飽和度在5%～46%。橫波波速可根據下列經驗關系式[15]計算：

根據（12）式計算出的橫波波速在 0.12～0.81 km/s。在利用（1）式—（11）式估算水合物儲集層力學參數(shù)時，地層密度取值為1.900 g/cm3，實際鉆井液密度為1.190 g/cm3，海水密度為1.035 g/cm3，A1，A2，K1和K2分別按下式計算：

其中

利用（1）式—（11）式估算水合物儲集層力學參數(shù)的結果為：Ed為 81～3 560 MPa，Es為 302～652 MPa，μd為 0.43～0.49，μs為 0.26～0.27，Kb為 4 230～8 380 MPa，Vcl為 3.3%～4.6%，σc為 0.38～16.00 MPa，St為 0.031～1.370 MPa，τo為 0.005～0.500 MPa，C 為0.006～0.500 MPa，φ 為 25.29°～25.31°。

從圖 1中選取具有代表性的水合物飽和度及對應的縱波波速數(shù)據（見圖 2），擬合得到縱波波速與水合物飽和度的關系式：

圖1 SH7井測井曲線（來自GMGS-1工程測井數(shù)據）

圖2 SH7井縱波波速和水合物飽和度擬合曲線

將（17）式代入（12）式，可得到橫波波速與水合物飽和度的關系式：

鄉(xiāng)村旅游是展示江城縣美麗鄉(xiāng)村建設成果的最好舞臺，采摘旅游是人民群眾青睞的休閑方式，不僅讓客人體驗了農家生活的樂趣，還拉近了游客和果農的距離，創(chuàng)造了一個新的銷售模式，實現(xiàn)了游客滿意消費，種植戶收入增加的雙贏。

根據（17）式、（18）式以及（1）式—（11）式，即可得到該水合物儲集層力學參數(shù)與水合物飽和度之間的關系式。例如，體積模量與飽和度間有如下關系式：

將水合物飽和度（5%～46%）代入（19）式，可得體積模量在6 270～9 550 MPa，比利用（1）式—（11）式估算的結果偏大，但數(shù)量級相同。對于其他參數(shù)，用此方法估算的結果與利用（1）式—（11）式估算的結果相近或處于同一數(shù)量級。

2.2 阿拉斯加Mount Elbert井

2007年，美國地質調查局、能源部和英國石油阿拉斯加勘探公司為了驗證地震勘探結果的準確性和獲取更加詳實的水合物儲集層參數(shù)，共同啟動了一項水合物長期開采測試項目，在阿拉斯加北部陸坡完成了Mount Elbert井的鉆井工作[16]。通過鉆探取心和測井分析，確定C和D（見圖3）2個層位含有水合物，層厚分別為16.6 m 和13.5 m[17]。聲波測井數(shù)據顯示含水合物層段的縱波速度在2.2～3.1 km/s，橫波速度在0.7～1.1 km/s。通過巖心分析和測井解釋可得到含水合物層孔隙度為35%～40%，水合物飽和度為10%～70%[16]。

在利用（1）式—（11）式估算含水合物層力學參數(shù)時，地層密度取值為2.1 g/cm3，由于無相關鉆井液密度數(shù)據，取相同區(qū)域 Hot Ice#1井鉆井液密度 1.06 g/cm3[18]。利用（1）式—（11）式估算含水合物層力學參數(shù)的結果為：Ed為 2 970～7 250 MPa，Es為 2 170～3 020 MPa，μd為 0.43～0.44，μs為 0.26～0.27，Kb為8 700～16 700 MPa，Vcl為 3.61%～4.13%，σc為 13.7～33.7 MPa，St為 1.14～2.80 MPa，τo為 0.438～2.050 MPa，C 為 0.44～2.05 MPa，φ 為 25.24°～25.29°。

從圖 3中選取具有代表性的水合物飽和度及對應的縱波波速和橫波波速數(shù)據（見圖4），并分別擬合得到縱波波速、橫波波速與水合物飽和度的關系式：

根據（20）式、（21）式以及（1）式—（11）式，即可得到該水合物儲集層力學參數(shù)與水合物飽和度之間的關系式。例如，體積模量與飽和度間有如下關系式：

圖3 Mount Elbert井測井曲線及評價結果[19]

圖4 Mount Elbert井含水合物層聲波速度與水合物飽和度擬合曲線

可見，通過建立水合物儲集層力學參數(shù)與水合物飽和度之間的關系式，并結合水合物飽和度的測井結果，可以估算水合物儲集層力學參數(shù)。

3 討論

本文估算的南海神狐 SH7井水合物層內聚力為0.006～0.500 MPa，內摩擦角在 25°左右，而印度NGHP-01水合物計劃中的水合物樣品內摩擦角測試結果為 21.3°～24.5°，內聚力為 0.007 2～0.009 7 MPa[20]，在本文計算結果范圍內。日本南海海槽水合物樣品測試表明砂質粉土和泥質沉積物的抗拉強度分別為0.161 MPa和0.347 MPa[21]，在本文計算結果（0.031～1.370 MPa）范圍內。Yun T S等[22-23]測試的墨西哥灣和印度 KG盆地水合物樣品的不排水抗剪強度在0.13～0.33 MPa，而南海神狐海域水合物樣品Torvane剪切和小型十字板剪切試驗測試的抗剪強度為0.027～0.029 MPa，均在本文計算結果（0.005～0.500 MPa）范圍內。因此，根據常規(guī)油氣儲集層力學參數(shù)與聲波波速間的關系式，采用聲波波速測井數(shù)據，可以比較準確地估算海洋區(qū)水合物儲集層的內聚力、內摩擦角、抗拉強度和抗剪強度。

Malik 2L-38水合物樣品內摩擦角測試結果最大為44.4°，附近不含水合物的凍土試樣內摩擦角為33.8°～38.6°[24]，與本文估算的阿拉斯加Mount Elbert井水合物層內摩擦角（25.24°～25.29°）相差較大。南海神狐SH7井和阿拉斯加Mount Elbert井利用（1）式—（11）式估算的楊氏模量、體積模量都與實際水合物地層相差較大，與Goldberg D等[25]的計算結果也相差甚遠。此外，本文估算的南海神狐SH7井水合物層泥質含量為3.3%～4.6%，與測井結果（約25%）相差較大。這可能是因為水合物地層屬于未固結或弱固結地層，而聲波受壓實程度影響大，或者是因為常規(guī)油氣儲集層一些參數(shù)與聲波波速間的關系式不適用于水合物地層。因此，應該建立適用于水合物儲集層的力學參數(shù)與聲波波速或水合物飽和度間的關系式，并通過測井方法獲取聲波波速或水合物飽和度數(shù)據，從而更準確地估算原位水合物儲集層力學參數(shù)。

利用（1）式—（11）式估算的海洋和凍土區(qū)的水合物儲集層力學參數(shù)有一定的差異，特別是內聚力和強度（單軸抗拉、抗壓、抗剪）差異較大，這與實驗模擬巖心力學測試結果一致[20,24]。這是因為，雖然陸相和海相水合物具有相同的微觀結構[26]，但陸相凍土區(qū)水合物在成藏環(huán)境、骨架類型、分布模式等方面與海洋區(qū)水合物差別很大，凍結、固結作用以及大部分骨架為砂礫等因素導致凍土區(qū)水合物儲集層的強度比海洋含泥質水合物儲集層的強度高幾倍[26]。凍土區(qū)與海洋區(qū)水合物的泊松比和內摩擦角相差都不大，而且變化范圍很小。圖 5為不同水合物生長模式下波速與水合物飽和度間的關系曲線[27]，將圖 2、圖 4與圖 5進行對比可以發(fā)現(xiàn)：南海神狐SH7井水合物層介于骨架支撐型和孔隙填充型之間，偏向孔隙填充型；阿拉斯加 Mount Elbert井水合物層也介于孔隙填充型和骨架支撐型之間，但偏向骨架支撐型。

圖5 不同水合物生長模式下波速與水合物飽和度間關系

4 結論

利用常規(guī)油氣儲集層力學參數(shù)與聲波波速間的關系式，結合測井結果估算了南海神狐SH7井和阿拉斯加凍土區(qū) Mount Elbert井的水合物地層力學參數(shù)，并與其他研究者的測試或計算結果進行對比。結果表明：本文采用的方法可以估算海洋區(qū)水合物地層的內聚力、內摩擦角、抗拉強度和抗剪強度，但海洋區(qū)水合物地層泥質含量、凍土區(qū)水合物地層內摩擦角、海洋區(qū)和凍土區(qū)水合物地層楊氏模量、體積模量的估算結果與實際測井結果或其他研究者的測試/計算結果相差較大。

利用南海神狐 SH7井和阿拉斯加凍土區(qū) Mount Elbert井的測井結果分別建立了海洋區(qū)和凍土區(qū)水合物地層聲波波速與水合物飽和度間的關系式，并結合力學參數(shù)與聲波波速間的關系式，推導了水合物儲集層力學參數(shù)與水合物飽和度間的關系式。算例分析結果表明：利用本文推導的水合物儲集層力學參數(shù)與水合物飽和度間關系式估算的力學參數(shù)與直接利用常規(guī)油氣儲集層力學參數(shù)與聲波波速間關系式估算的結果相近或處在同一數(shù)量級。

符號注釋：

vp，vs——縱波和橫波波速，km/s；ρ——地層密度，g/cm3；Ed，Es——動態(tài)和靜態(tài)楊氏模量，MPa；μd，μs——動態(tài)和靜態(tài)泊松比；A1，A2，K1，K2——回歸系數(shù)，A1單位為MPa，其余無量綱；Kb——體積模量，MPa；σc——單軸抗壓強度，MPa；Vcl——泥質含量；St——單軸抗拉強度，MPa；τo——抗剪強度，MPa；C——內聚力，MPa；φ——地層內摩擦角，（°）；σv——上覆巖層壓力，MPa；pm——測井時鉆井液液柱壓力，MPa；Sh——水合物飽和度，%。

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