魏 納 周守為 崔振軍 趙金洲 張烈輝 趙 軍

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué) 2.中國石化銷售股份有限公司青海石油分公司

0 引言

全球已初步探明的天然氣水合物（以下簡稱水合物）總儲量相當(dāng)于已知煤炭、石油和天然氣等能源總儲量的2倍[1-2]。因此，水合物有可能成為繼頁巖氣、煤層氣之后的另一種潛力巨大的接替能源，它可定性分為成巖型和非成巖型。自然資源部初步確定我國南海的水合物儲量達(dá)到100×1012m3[3-4]，且主要為非成巖水合物。由于非成巖水合物為泥質(zhì)粉砂、無巖石骨架，水合物本身即“巖石骨架”的水合物，膠結(jié)強(qiáng)度弱，不穩(wěn)定，受外界影響易潰散塌陷和無序分解[5-7]，造成降壓法、固態(tài)流化法以及聯(lián)合試采法等水合物開采方法均面臨防控砂、地層失穩(wěn)問題。其根本原因為海洋水合物儲層作為一種新型的礦藏資源[8]，由于鉆采案例少、取樣成本高、保溫保壓技術(shù)難度大[9-10]，國內(nèi)外水合物物性研究主要圍繞水合物儲層飽和度與單一物性參數(shù)（聲波、力學(xué)或孔隙度和滲透率等）的響應(yīng)關(guān)系，研究方法以室內(nèi)人工巖心模擬和仿真模擬為主，導(dǎo)致儲層巖樣物性測試研究受限，水合物儲層定性認(rèn)識、定量評價方法尚屬空白，造成儲層物性原位測試及資源等級定量分類評價認(rèn)識不清、資源類型與開發(fā)模式響應(yīng)關(guān)系不清。因此，基于實際南海海域水合物取樣巖心資料，制訂科學(xué)合理的人造巖心制備方法，開展了不同水合物巖樣物性參數(shù)研究，建立了海洋水合物資源分類定量評價方法與體系，以期有助于推進(jìn)海洋水合物勘探開發(fā)工作。

1 海洋水合物物性參數(shù)敏感性評價模型

1.1 水合物物性參數(shù)敏感度熵權(quán)的屬性識別綜合評價模型

常規(guī)油氣測井評價方法一般采用電法測井、聲波測井、放射性測井等，可實現(xiàn)地層的劃分和識別，判斷地層巖性、孔隙度、滲透率及飽和度等物性特征。同樣常規(guī)測井評價方法也能夠用于水合物儲層的測量，但水合物的賦存環(huán)境和物性不同于常規(guī)油氣，其測井響應(yīng)和分析方法存在較大區(qū)別。因此，判斷海洋水合物儲層與測井響應(yīng)參數(shù)間的敏感性關(guān)系，對于儲層的評價具有重要意義。為了更好應(yīng)用多參數(shù)評價水合物儲層和判斷其飽和度與測井響應(yīng)參數(shù)間的敏感性關(guān)系，筆者在層次聚類算法的基礎(chǔ)上提出了用于水合物物性參數(shù)敏感度熵權(quán)綜合評價模型（圖1）。該模型主要涉及3個步驟：①不同評價參數(shù)敏感度集合的構(gòu)建；②參數(shù)敏感度集合權(quán)重化；③構(gòu)建敏感度屬性判斷矩陣、屬性測度函數(shù)和敏感度屬性識別準(zhǔn)則。通過以上3個步驟可實現(xiàn)海洋水合物物性參數(shù)敏感性綜合評價。

圖1 水合物物性參數(shù)的敏感度熵權(quán)綜合評價模型圖

1.2 水合物物性參數(shù)的敏感度熵權(quán)綜合評價模型

1.2.1 不同評價參數(shù)敏感度集合的構(gòu)建

通過評價參數(shù)無量綱化，建立評價參數(shù)的敏感度（Si）[11]：

式中Si表示參數(shù)a在點ai的敏感度；W表示參數(shù)a的函數(shù)，W=f(a)。

1.2.2 敏感度熵值權(quán)重化

為降低主觀因素的誤差影響，提高評價結(jié)果的準(zhǔn)確度，引入信息熵對不同評價參數(shù)敏感度集合進(jìn)行權(quán)重化處理。首先，基于n個敏感度方案和m個評價參數(shù)建立敏感度評價矩陣，并對矩陣進(jìn)行歸一化處理[12]，即

敏感度熵計算如下：

敏感度熵權(quán)的計算如下：

式中xmax表示相應(yīng)評價參數(shù)的最大值；xmin表示相應(yīng)評價參數(shù)的最小值；xij表示第i個方案，第j個參數(shù)；(xij)nm、JMij表示第i個方案，第j個參數(shù)的歸一化值；Hj表示敏感度熵；ewj表示某個方案第j個參數(shù)的敏感度熵權(quán)；ewij表示第i個方案第j個參數(shù)敏感度熵權(quán)的和；EW表示敏感度熵權(quán)。

綜合式（1）～（4）可得到各評價參數(shù)的敏感度熵，進(jìn)而對敏感度評價矩陣進(jìn)行權(quán)重化。

1.2.3 敏感度屬性空間判斷矩陣構(gòu)建

基于上述評價參數(shù)的敏感度評價矩陣權(quán)重化結(jié)果，構(gòu)建敏感度屬性判斷矩陣、敏感度屬性測度函數(shù)和敏感度屬性識別準(zhǔn)則，進(jìn)行評價參數(shù)敏感性分析。

1.2.3.1 敏感度屬性空間判斷矩陣

設(shè)評價參數(shù)的權(quán)重化結(jié)果為區(qū)間X上屬性，（C1，C2，…，Ck）為該參數(shù)權(quán)重化結(jié)果的有序分割，滿足C1＜C2＜…＜Ck，其分類標(biāo)準(zhǔn)判斷矩陣可以表示為：

式中amk表示第m個參數(shù)在參數(shù)權(quán)重化結(jié)果上的第k個分割值；Vj表示第j個參數(shù)。

1.2.3.2 敏感度屬性測度函數(shù)

計算第i個方案第j個評價參數(shù)值xij有屬性Ck屬性測度需假定aj1＜aj2＜…＜ajk[13]，則各評價參數(shù)屬性測度μijk計算如下：

將各參數(shù)屬性測度μijk代入敏感度熵權(quán)（EW），得到權(quán)重后的屬性測度（μik）為：

1.2.3.3 敏感度屬性識別準(zhǔn)則

敏感度屬性識別采用置信度準(zhǔn)則來進(jìn)行，即設(shè)定置信度λ（取0.7）的值，根據(jù)強(qiáng)序組合來進(jìn)行綜合評價，認(rèn)為敏感度愈大愈強(qiáng)，而且強(qiáng)的類達(dá)到了置信度λ，則認(rèn)為第i個方案參數(shù)值xi屬于第i個方案的區(qū)間劃分屬性Cki類，其判斷公式為：

式中ki表示置信準(zhǔn)則計算值。

據(jù)此，可以得到不同指標(biāo)下模型參數(shù)所在的敏感性區(qū)域。若對不同敏感區(qū)域內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行比較排序，可采用屬性識別的評分準(zhǔn)則，通過計算屬性識別值（qxi）的大小來進(jìn)行，其計算如下所示。

式中nt表示分?jǐn)?shù)，其值與t取值一致（t=1，2，…，k）。

2 海洋水合物的物性特征

南海北部荔灣凹陷和白云凹陷[14-15]取樣水合物地層累計16%粒徑（D16）、50%粒徑（D50）、84%粒徑（D84）分布及儲層水合物飽和度分布特征數(shù)據(jù)如表1、2所示。

綜上可知南海水合物藏主要為砂泥質(zhì)粉砂儲層，儲層粒級介于3～56 μm，水合物飽和度介于10.0%～46.0%，甲烷含量大于99.3%。

表1 荔灣凹陷巖樣粒徑分布表

表2 白云凹陷水合物飽和度分布表

3 構(gòu)建海洋水合物物性參數(shù)評價體系

3.1 海洋水合物室內(nèi)模擬測試實驗材料優(yōu)選

根據(jù)南海北部水合物儲層沉積特征，在SHW-III型水合物巖樣聲電力學(xué)測試裝置中填充不同比例砂土和施加不同加載強(qiáng)度，制備不同膠結(jié)的未含水合物的巖心（圖2）。采用石英砂充填方法制備弱膠結(jié)巖心，石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)法制備強(qiáng)膠結(jié)巖心，通過控制反應(yīng)釜內(nèi)溫度和注入甲烷氣體量的方法控制水合物巖心飽和度大小，實驗計方案如表3所示。南海北部神狐海域現(xiàn)場鉆采巖樣如圖3所示。

圖2 實驗巖心制備石英砂、黏土示意圖

表3 弱膠結(jié)水合物制備實驗設(shè)計表

圖3 神狐海域現(xiàn)場鉆采巖樣圖

3.2 海洋水合物巖樣聲電力學(xué)測試裝置

水合物巖樣聲電力學(xué)測試裝置如圖4所示[16]，主要包括制備系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、聲電測量系統(tǒng)、流體控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)6部分，其具體功能為：①可控制制備釜內(nèi)部溫壓制備水合物巖樣和觀測水合物巖心；②可控制注水量和注氣量制備不同飽和度的水合物巖心；③可在水合物生成過程中測量巖心孔滲和聲電力學(xué)參數(shù)。具體儀器技術(shù)參數(shù)如表4所示。

3.3 海洋弱膠結(jié)水合物物理實驗參數(shù)測定

利用水合物巖樣聲電力學(xué)測試裝置，在3 ℃、10 MPa工況下模擬南海1 000 m水深資源賦存環(huán)境，得到不同膠結(jié)強(qiáng)度、泥質(zhì)含量、水合物飽和度巖心的物性參數(shù)如表5、6所示。飽和度40%的現(xiàn)場砂樣巖心與300目、10%泥質(zhì)含量的巖心物性參數(shù)一致，因此，石英砂巖心能夠模擬現(xiàn)場水合物儲層物性。巖心在石英砂粒徑、泥質(zhì)含量相同條件下，解析氣量、聲波速度、電阻率、偏應(yīng)力隨水合物飽和度的增大而增大，滲透率、應(yīng)變隨水合物飽和度的增大而減小。其原因為水合物的生成過程主要是通過消耗水和甲烷氣，且水合物導(dǎo)電性能差，其聲波速度大于水和空氣的聲波速度，使得巖心在石英砂粒徑、泥質(zhì)含量相同條件下，水合物飽和度增大，分解后的甲烷氣體越多，聲波速度、電阻率隨水合物飽和度的增大而增大，同時水合物飽和度的增大使得巖心有效連通孔隙減小，增強(qiáng)了巖心的膠結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致巖心的偏應(yīng)力增大，應(yīng)變和滲透率減小。巖心在石英砂粒徑、飽和度相同條件下，解析氣量、聲波速度、電阻率、偏應(yīng)力、滲透率隨泥質(zhì)含量的增大而減小，應(yīng)變隨泥質(zhì)含量的增大而增大。其原因為隨泥質(zhì)含量的增加使得巖心孔隙度減小，且黏土遇水水化造成巖心強(qiáng)度減小，所以在巖心在石英砂粒徑、水合物飽和度相同條件下，巖心物性各參數(shù)發(fā)生如上變化趨勢。

圖4 水合物巖樣聲電力學(xué)測試裝置圖

表4 水合物巖樣聲電力學(xué)測試裝置具體儀器技術(shù)參數(shù)表

表5 水合物解析氣量、縱波速度和橫波速度表

表6 水合物偏應(yīng)力、應(yīng)變、滲透率和電阻率表

巖心在石英砂粒徑、泥質(zhì)含量相同條件下，解析氣量、聲波速度、電阻率、偏應(yīng)力隨水合物飽和度的增大而增大，滲透率、應(yīng)變隨水合物飽和度的增大而減??；巖心在石英砂粒徑、飽和度相同條件下，解析氣量、聲波速度、電阻率、偏應(yīng)力、滲透率隨泥質(zhì)含量的增大而減小，應(yīng)變隨泥質(zhì)含量的增大而增大。

3.4 海洋水合物儲層物性參數(shù)敏感性分析

基于水合物物性參數(shù)的敏感度熵權(quán)優(yōu)選模型，針對不同強(qiáng)度、泥質(zhì)含量、飽和度水合物巖心的聲電力學(xué)和孔隙度、滲透率參數(shù)構(gòu)建敏感度方案，測得180目純砂巖心在水飽和度100%條件下未生成水合物時的電阻率、縱波速度、橫波速度、偏應(yīng)力、應(yīng)變和完全生成水合物后的解析氣量、滲透率，結(jié)果如表7所示。

表7 海洋水合物巖心物性參數(shù)的基準(zhǔn)值表

根據(jù)信息熵公式對水合物巖心敏感度集合進(jìn)行權(quán)重化處理，進(jìn)而得到各物性參數(shù)的敏感度熵權(quán)值如表8所示。

基于上述水合物物性參數(shù)的敏感度樣本方案集合以及敏感度熵權(quán)值，構(gòu)建敏感度屬性空間判斷矩陣、敏感度屬性測度函數(shù)和敏感度屬性識別準(zhǔn)則，將水合物各物性參數(shù)劃分為不敏感、較敏感、敏感、高度敏感4個等級，其對應(yīng)的評價指標(biāo)值依次為0.2、0.5、0.7和0.9。根據(jù)各個參數(shù)在不同敏感區(qū)域內(nèi)的屬性測度計算得到各個參數(shù)的敏感性值（qxi）如表9所示，水合物物性參數(shù)敏感性強(qiáng)度由強(qiáng)到弱依次為偏應(yīng)力、應(yīng)變、解析氣量、縱波速度、電阻率、滲透率和橫波速度，再以最弱敏感性參數(shù)橫波速度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸一化后得到各參數(shù)相對敏感度圖5。

表8 水合物性參數(shù)的敏感度熵權(quán)值表

表9 水合物巖心物性參數(shù)的敏感度分布表

圖5 水合物巖心物性參數(shù)的敏感度分布圖

3.5 海洋水合物物性參數(shù)評價體系構(gòu)建

通過水合物物性參數(shù)的敏感度熵權(quán)綜合評價模型分析了水合物物性參數(shù)權(quán)重值，并得到了其敏感性強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上依據(jù)水合物巖樣的飽和度、粒徑以及膠結(jié)強(qiáng)度，將水合物初步劃分為非成巖Ⅰ類、非成巖Ⅱ類、非成巖Ⅲ類和成巖Ⅳ類、成巖Ⅴ類。為便于直接對比和劃分水合物類型，使得所劃分等級具體化、數(shù)字化，依據(jù)水合物物性參數(shù)的敏感性和變化規(guī)律建立數(shù)值劃分。同時考慮現(xiàn)階段水合物開發(fā)技術(shù)尚未完善，水合物飽和度低于20%開發(fā)價值極低，因此以20%飽和度水合物巖心物性參數(shù)為基準(zhǔn)，對40%、60%飽和度巖心物性參數(shù)進(jìn)行差熵計算，利用各參數(shù)差商與相對應(yīng)敏感度熵權(quán)（ewj）得到各類水合物的級內(nèi)指標(biāo)大小，其計算如式（10）所示。再結(jié)合各級內(nèi)指標(biāo)與類型劃分（Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類），進(jìn)一步建立了對海洋水合物儲層物性類型的評價方法，其計算如式（11）所示，得到水合物5個類型分類的具體參考指標(biāo)值范圍和所對應(yīng)的儲層穩(wěn)定性，其具體參考指標(biāo)值范圍依次為0～0.25、0.25～0.34、0.46～0.52、0.70～0.77、0.84～0.89，具體如表10所示。

4 基于南海水合物儲層固態(tài)流化試采的物性分析

2017年，我國在南海北部荔灣3站位水深1 310 m、海底埋深117～196 m處，全球首次成功實施海洋淺層水合物固態(tài)流化試采作業(yè)（圖6），但是還存在儲層物性原位測試及資源類型定量分類評價認(rèn)識不清。

4.1 海洋淺層水合物固態(tài)流化試采粒徑分布

固態(tài)流化試采中獲得的水合物樣品累計16%粒徑（D16）、25%粒徑（D25）、50%粒徑（D50）、75%粒徑（D75）、84%粒徑（D84）分布數(shù)據(jù)如表11所示，且取樣巖心中位粒徑隨儲層深度加深呈遞減趨勢。

4.2 海洋淺層水合物固態(tài)流化試采巖樣飽和度與氣體組分分析

根據(jù) LW3-H4-1C-02、LW3-H4-1C-04 及 LW3-H4-1B-03樣品的電阻率、氣體組分得到水合物飽和度如表12所示。該海域水合物儲層飽和度可達(dá)30%～45%，甲烷氣含量達(dá)到99%以上，具有較高的開發(fā)價值。

表10 海洋水合物分類定量評價表

圖6 荔灣3站位水合物富集區(qū)水深及水合物鉆井位置分布圖[17]

表11 2017航次海洋淺層水合物固態(tài)流化試采巖樣粒徑分布表

表12 2017航次海洋淺層水合物固態(tài)流化試采巖樣電阻率表

4.3 海洋淺層水合物固態(tài)流化試采巖樣聲波分析

采用聲波法對南海北部荔灣區(qū)水合物樣品進(jìn)行聲波測試[18]，得到聲學(xué)特性參數(shù)和對應(yīng)水合物飽和度（表13），分析發(fā)現(xiàn)縱波速度隨水合物飽和度增大呈增大趨勢。

表13 2017航次海洋淺層水合物試采巖樣縱波參數(shù)表

4.4 海洋淺層水合物固態(tài)流化試采室內(nèi)模擬巖樣力學(xué)分析

鑒于南海淺層水合物藏相關(guān)力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場測試難的現(xiàn)狀，采用南海試采巖土在室內(nèi)模擬南海荔灣水合物儲層，測定水合物飽和度為40%條件下的儲層力學(xué)參數(shù)，力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)如表14所示。

表14 室內(nèi)模擬南海荔灣水合物儲層力學(xué)參數(shù)表

4.5 海洋淺層水合物固態(tài)流化試采室內(nèi)模擬巖樣滲透率分析

采用氣測方法測定模擬儲層在飽和度為40%條件下的儲層滲透率參數(shù)，滲透率參數(shù)數(shù)據(jù)如表15所示。

表15 室內(nèi)模擬南海荔灣水合物儲層滲透率參數(shù)表

綜合數(shù)據(jù)分析并結(jié)合表5、6參數(shù)和表10類型劃分可知：南海北部荔灣區(qū)域水合物藏為非成巖Ⅱ類，鉆采面臨工程風(fēng)險、地質(zhì)風(fēng)險、設(shè)備風(fēng)險3大安全風(fēng)險。

5 結(jié)論

1）南海北部水合物儲層主要為膠結(jié)強(qiáng)度較差的砂泥質(zhì)粉砂為主，粉砂、黏土含量較高，儲層中位粒徑主要分布介于9～30 μm，水合物飽和度范圍介于20%～60%，解析氣主要為甲烷氣體，氣體組分較為單一。

2）進(jìn)行了海洋水合物巖樣物性參數(shù)實驗研究，測定了不同強(qiáng)度、組分、飽和度下的水合物巖心物性參數(shù)。相同粒徑巖心在泥質(zhì)含量相同的條件下，解析氣量、聲波速度、電阻率、偏應(yīng)力隨水合物飽和度的增大而增大，滲透率、應(yīng)變變化規(guī)律與以上參數(shù)反之；相同粒徑巖心在相同飽和度條件下，解析氣量、聲波速度、電阻率、偏應(yīng)力、滲透率隨泥質(zhì)含量的增大而減小，應(yīng)變變化規(guī)律與以上參數(shù)反之。

3）建立了海洋水合物物性參數(shù)敏感度熵權(quán)綜合評價模型，初步形成了海洋水合物儲層物性參數(shù)評價方法體系。水合物物性參數(shù)敏感性從高到底依次為應(yīng)變、偏應(yīng)力、解析氣量、縱波速度、電阻率、滲透率和橫波速度參數(shù)，將南海水合物藏綜合劃分為非成巖Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和成巖Ⅳ類、Ⅴ類。

4）基于南海北部荔灣3站位的水合物儲層測井?dāng)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)南海北部荔灣區(qū)域水合物儲層屬于泥質(zhì)淺層沉積，無完整圈閉構(gòu)造，結(jié)構(gòu)較為松散，屬于非成巖Ⅱ類水合物藏，水合物鉆采面臨工程風(fēng)險、地質(zhì)風(fēng)險、設(shè)備風(fēng)險3大安全風(fēng)險。

5）海洋水合物儲層物性參數(shù)評價方法體系進(jìn)行了水合物領(lǐng)域儲層定性認(rèn)識、定量評價，具有一定的創(chuàng)新性和新穎性，但該方法尚處于理論階段有待于實際現(xiàn)場的進(jìn)一步應(yīng)用和驗證。