陸敬安
（廣州海洋地質調查局 廣州 510760）
作者簡介：陸敬安，男，（1970—），博士，高級工程師，主要從事綜合地球物理資料解釋工作。
摘要 測井是水合物深入勘探階段—鉆探階段的必要手段，已得到較好應用。文章綜合介紹和分析了ODP204航次、加拿大西北馬更些河三角洲地區Mallik 5L-38井、IODP311航次及日本南海海槽等較新的水合物鉆探調查的測井方法與技術，重點分析了核磁測井、電磁波測井及偶極橫波測井等測井新技術在水合物勘探與評價中的應用，對測井方法在水合物勘探中存在的問題進行了討論。
關鍵詞 天然氣水合物 測井方法 測井解釋
1 前言
測井方法在油氣藏勘探和開發過程中得到了廣泛的應用，由於水合物的發現與研究相對較晚，測井方法在天然氣水合物中勘探中的應用也只是隨著鉆探工作的開展而有了應用的空間。由於天然氣水合物存在於合適的溫壓條件環境中，壹旦脫離該條件，水合物即分解。因此，能夠在原位地層壓力和溫度條件下測量地層物理特性的測井方法對發現和研究天然氣水合物來說是其它的勘探方法所不能替代的（高興軍等，2003）。到目前為止，已有的水合物鉆孔勘探中幾乎都使用了測井方法，如危地馬拉的570號鉆孔、ODP164航次（Paull，C.K.，Matsumoto，2000）、State Ellien-2及日本南海海槽天然氣水合物鉆探、ODP204航次、Mallik 5 L-38井及IODP311航次等。測井方法對含水合物沈積層的識別起到了良好的效果。在水合物鉆探過程中，壹個井場往往要鉆幾口井，分別用於隨鉆測井、鉆探取芯及電纜測井等。隨鉆測井方法與電纜測井是在鉆井的不同階段進行的，同樣的測井方法原理基本相同。根據以往的情況分析，不是所有的水合物鉆探都使用了隨鉆測井。作為測井工作的壹部分及為了全面了解水合物測井方法及其特點，本文將分別加以介紹。
2 測井方法概述
2.1 隨鉆測井
天然氣水合物鉆探中隨鉆測井（LWD）的主要目的之壹是為了確定合適的取芯位置。通常隨鉆測井與隨鉆測量（MWD）同時進行。LWD和MWD儀器測量不同的參數，MWD儀器位於緊鄰鉆頭之上的鉆環中，用於測量井下鉆探參數（如鉆頭重量、扭矩等）。LWD和MWD儀器的差別是LWD數據被記錄到井下內存當中並在儀器到達海面之後取出數據，而MWD數據是通過鉆桿內的流體以調制壓力波（或泥漿脈沖）的形式傳輸並進行實時監控。在LWD和MWD兩種儀器聯合使用的情況下，MWD儀器可同時將兩種數據向井上傳輸。在最新的水合物鉆探中，日本南海海槽的天然氣水合物鉆探、ODP204航次及IODP311航次使用了LWD測井，所使用的儀器名稱及其輸出參數見表1。
表1 天然氣水合物隨鉆測井和隨鉆測量方法 Table1 The LWD＆MWD tools description used for gas hydrate logging
204航次中使用的LWD和MWD儀器有鉆頭電阻率儀（RAB）、能量脈沖MWD儀、核磁***振儀（NMR-MRP）及可視中子密度儀（VND），如圖1 所示，圖中GVR6 為可視地層電阻率儀，包括深、中、淺電阻率及環帶電阻率和自然伽瑪五種測量。這是NMRMRP儀器首次用於ODP航次。不同的測井方法組合在不同的測井場合有不同的名稱，如在日本的天然氣水合物鉆探中，密度與中子組合在壹起稱為CDN、伽馬射線和電阻率組合稱為CDR，盡管名稱存在差異，但其測量的物理參數是壹致的。
LWD測量被安排在鉆孔之後及鉆探或取芯作業所引起的負面效應之前進行。由於鉆探和測量相距的時間較短，相對於電纜測井而言鉆井液對井壁的侵入處於輕微階段。
圖1 ODP204航次使用的隨鉆測井及隨鉆測量儀器串
（圖中數字單位為米，從鉆頭最底部算起）
Fig.1 LWD＆MWD Tools Used in ODP204
（The unit of the number is meter and starts from the bottom）
LWD設備由電池提供電源並使用可擦寫/編程的只讀存儲器芯片來存儲測井數據。LWD儀器以等時間間隔的方式開展測量並與鉆井架上監控時間和鉆探深度的系統同步。鉆探之後，LWD儀器被收上來下載數據。井上和井下時鐘的同步能夠使得將時-深數據與井下時間測量數據合並成壹個深度測量的數據文件。最終的深度測量數據被傳送到船上的實驗室進行整理和解釋。
2.2 電纜測井
電纜測井對天然氣水合物儲層的精確定量評價起非常重要的作用。由於天然氣水合物儲層的電阻率及聲波速度明顯偏高，因此電阻率測井和聲波測井是識別天然氣水合物的有效方法。另外，精確的評價天然氣水合物儲層還需要結合其它測井方法進行綜合評價。天然氣水合物鉆探中使用過的電纜測井方法見表2，這些測井方法的詳細介紹可在有關書籍和文件中找到。壹些較新的測井技術，如FMI、DSI、EPT、CMR等測井方法在ODP204航次（Tréhu，A.M.，Bohrmann，2003）、Mallik 5L-38及日本南海海槽天然氣水合物的識別和評價過程中發揮了重要作用。
表2 天然氣水合物電纜測井方法 Table2 The wireline logging methods for gas hydrate exploration
續表
表2中大部分測井儀為204航次使用的方法，EPT在Mallik 5L-38井中首次使用，日本南海海槽的天然氣水合物鉆井勘探中使用了CMR儀（Takashi UCHIDA，Hailong LU，2004）。
3 水合物測井評價
天然氣水合物儲層測井評價的關鍵問題之壹是建立合適的儲層評價模型（手冢和彥，2003）。根據巖心觀察，天然氣水合物在沈積物中的分布主要有以下幾種情形（王祝文等，2003）：分散膠結物、節狀、脈狀及塊狀。永久凍土帶及海洋天然氣水合物的儲層模型如圖2所示。模型***分四類，其中永久凍土帶兩類：凍土層內及凍土層下，二者的區別為在凍土層之下，流體部分含自由水，而在凍土層內部流體部分含冰成分；海洋天然氣水合物也分兩類：壹類為流體部分含自由水，另壹類為流體部分含遊離氣。在ODP204航次及日本的南海海槽水合物鉆探中使用模型C對測井資料進行解釋，而在Mallik井中則使用的是模型A。模型A和C均是基於常規油氣評價的雙水模型提出的。
由於天然氣水合物具有獨特的化學成分及特殊的電阻率和聲學特性，因此，通過了解天然氣水合物儲層的這些特征應有可能獲得天然氣水合物飽和度及沈積孔隙度（陳建文，2002；王祝文等，2003），這也是兩個最難確定的儲層參數。鉆井是獲取孔隙度及烴飽和度的重要數據來源。本質上，目前大部分的天然氣水合物測井評價技術還是定性的，且借用的是未經證實的石油工業使用的測井評價方法。為了證明標準的石油測井評價技術在評價天然氣水合物儲層中的有效性，還需要進行大量的實驗室和現場測量。由於天然氣水合物以不同的方式影響每種孔隙度測量方法，因此可通過對比不同的孔隙度測量技術來估計天然氣水合物的數量。
圖2 永久凍土及海洋天然氣水合物儲層模型
Fig.2 The reservoir models for permafrost and marine gas hydrate
3.1 孔隙度評價
天然氣水合物儲層的孔隙度評價所利用的測井數據主要包括電阻率測井、密度測井、聲波測井、中子測井、核磁***振測井等與地層孔隙密切相關的地層物理響應，同時還輔以自然電位、自然伽瑪、巖心分析等數據來進行的。有關文獻已經對部分常規測井方法的應用作了介紹，這裏僅介紹較新的測井手段及其解釋方法。
3.2 飽和度評價
（1）電磁波傳播測井
電磁波傳播測井儀只在 Mallik 5L-38井中使用過（S.R.Dallimore，T.S.Collett，2005），電磁波傳播測井的垂向分辨率高於5cm，用來測量天然氣水合物的原位介電特性，據此計算天然氣水合物的飽和度。天然氣水合物儲集帶的平均介電常數為9，在5到20之間變化；帶內的平均電阻率超過5Ω·m，當儀器的工作頻率為1.1GHz時，電阻率在2Ω·m到10Ω·m之間變化。電磁波傳播測井儀同時輸出傳播時間及信號衰減兩個參數。地層的介電常數及電導率可由下式計算（Y.-F.Sun，D.Goldberg，2005）：
南海地質研究.2006
南海地質研究.2006
式中：tpl為慢度或傳播時間，單位ns/m；a為衰減量，單位為db/m；εr為相對介電常數，無量綱；σ為電導率，單位為西門子/s，c（=0.3m/ns）為真空中光的速度。
Y.F.Sun及D.Goldberg等采用等效介質方法並假定含天然氣水合物地層的多相系統可近似為連續、均質及各向同性介質，認為含天然氣水合物介質的等效磁導率為1，其介電常數及體積密度遵從下面的體積平均混合規則：
南海地質研究.2006
南海地質研究.2006
南海地質研究.2006
式中，φa為第a種成分的體積百分比，ρa和εa分別是第a種成分的密度和介電常數，ρ和εr分別為體密度及體介電常數。這裏假定孔隙性介質僅包含三種組分：固體顆粒、天然氣水合物及水。從而上面的公式可以簡化為：
ρ=（1-φ）ρs+φShρh+φ（1-Sh）ρw （6）
南海地質研究.2006
式中，φ為總孔隙度，Sh為天然氣水合物的飽和度，ρs、ρh及ρw分別為固體顆粒、天然氣水合物及水的密度，εrs、εrh及εrw分別為固體顆粒、天然氣水合物及水的介電常數。在已知每種組分的密度和介電參數情況下，就可依據介電和密度測井由上面的方程計算出含天然氣水合物地層的孔隙度和水合物飽和度。
圖3所示為電磁波傳播測井在Mallik 5 L-38井中含水合物層的傳播時間與電阻率圖。從圖中可以看出，電磁波傳播時間曲線與聲波傳播時間曲線具有相似的趨勢，但其分辨率更高。右邊的電阻率曲線道上，電磁波傳播電阻率的分辨率也明顯高於感應電阻率。
圖4為根據電磁波傳播測井求出的地層孔隙度及天然氣水合物飽和度。圖中中子孔隙度的數值偏高，這是由於中子孔隙度測量的含氫指數不僅與遊離態的氫有關，還與束縛水中的氫有關。由於電磁波傳播測井具有較高的垂向分辨率，因此其在揭示含天然氣水合物層的細微結構方面擁有獨特的能力。
（2）聲波測井
與不含天然氣水合物的沈積層相比，含有天然氣水合物的沈積層呈現出相對較高的縱波和橫波速度。目前已提出了許多不同的速度模型來預測天然氣水合物對彈性波速度的影響，如時間平均方程、等效介質理論、孔隙填充模型、膠結理論、加權方程及改進的Biot-Gassmann理論（BGTL）等。以下介紹BGTL的基本理論及應用效果。
根據縱橫波速度的如下關系式：
Vs=VpGα（1-φ）n （8）
式中，Vp為縱波速度，Vs為橫波速度，α為骨架物質的Vs/Vp比值，n的值取決於不同的壓力和固結程度，φ為孔隙度，G為取決於骨架物質的參數，Lee（2003）推導出了下面的剪切模量μ：
南海地質研究.2006
其中，
南海地質研究.2006
式中的kma、μma、kfl及β分別為骨架的體積模量、骨架的剪切模量、流體的體積模量及Biot系數。
Biot-Gassmann理論給出了沈積物體積模量的計算方法：
k=kma（1-β）+β2M （11）
飽和水的沈積物的彈性波速度可由下式依據彈性模量計算：
南海地質研究.2006
圖3 電磁波傳播測井曲線與聲波及感應電阻率曲線的對比
（其中聲波傳播時間、電磁波傳播時間較低段及電阻率顯示高阻值段為水合物層）
Fig.3 The comparison of logging curves between EPT，acoustic and induction
（The depth interval between 906.5～925meters is the gas hydrate zone）
式中ρ為地層的密度。
對於松軟巖石或未固結的沈積物，采用如下的Biot系數
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對於堅硬或固結的地層，采用Biot系數為
β=1-（1-φ）3.8 （14）
Lee（2003）建議采用下面的方程計算n值：
圖4 電磁波傳播測井計算出的地層孔隙度及天然氣水合物飽和度
Fig.4 The porosity and gas hydrate saturation calculated from by EPT logging
南海地質研究.2006
式中，p為差分壓力（MPa），m代表固結或壓實對速度的影響。實際問題中，?φ/?p很少知道，上式中的m很難直接應用。測量數據分析表明固結沈積物的m值為4～6，未固結沈積物的m值為1～2。
參數G用於補償當骨架為富含粘土的砂巖時實測值與預測值之間的差異。對於泥質砂巖，G值為：
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其中，Cv為粘土含量百分比。對於含天然氣水合物沈積有如下的求取G的方程：
南海地質研究.2006
式中Ch為孔隙空間中天然氣水合物的濃度。Lee（2002）指出含天然氣水合物沈積的n=1及G=1。由於這些參數是在沒有考慮速度發散的情況下在超聲頻率範圍由速度獲得的，因此參數n和G可以認為是用來擬合測量數據的自由調節參數。圖5為根據縱波速度及NMR孔隙度求出的天然氣水合物濃度對比圖。
圖5 由縱波求出的天然氣水合物濃度及由NMR求出的天然氣水合物飽和度
Fig.5 The gas hydrate saturation calculated from P-wave and NMR
根據分析結果可知，當采用聲波數據估計天然氣水合物濃度時，P波速度優於S波速度，主要原因是當采用P波速度時與BGTL中的n和G參數有關的誤差較小；另外，在純砂巖層段，NMR孔隙度測井估計的天然氣水合物濃度值略高於由P波速度估計的數值。
（3）核磁***振測井
核磁***振測井在描述天然氣水合物沈積方面起著重要作用。如果與密度孔隙度測量結合起來，可能是獲取天然氣水合物飽和度的最簡單同時也是最可靠的手段。核磁***振測井儀僅對孔隙空間中的液態水有響應，對天然氣水合物沒有響應。計算儲層孔隙度和天然氣水合物飽和度的公式如下：
南海地質研究.2006
南海地質研究.2006
式中，水的氫指數HIw?1，甲烷水合物的NMR視氫指數HIh=0。水的密度ρw=1.0g/cm3，天然氣水合物的密度ρh=0.91g/cm3，砂巖骨架的密度ρma=2.65g/cm3，Ph為天然氣水合物的NMR極化校正值，僅與HIh伴生出現。λ=0.054，因此
南海地質研究.2006
聲波和電阻率測井求出的飽和度在大部分層段是壹致的，而在1003～1006m、1014～1020m之間，三種方法給出了三種不同的結果。而核磁***振方法與另兩種確定的方法得到的結果不壹致，造成這種不壹致的原因目前尚不得而知，有待於進壹步分析。
3.3 地層應力分析
圖6 1088m深度處天然氣水合物層段發散曲線
圖6中a）圖分別為快橫波偶極撓曲波（紅色）、慢橫波偶極撓曲波（深藍色）、低頻單極斯通利波（淡藍色）及高頻單極斯通利波（綠色）；b）圖為相應的平均譜特征。
Fig.6 The dispersion curves from the gas hydrate interval at a depth of 1088m
a）The dispersion curves for the fast shear dipole-flexural（red），the slow shear dipole-flexural（dark blue），the low frequency monopole stoneley（light blue）and high frequency monopole stoneley（green）；b）Average spectral characteristics
交叉偶極聲波測井數據提供了描述地層橫向各向異性的條件。傳統的處理是在時間域進行的，得到的是地層各向同性或各向異性特征（Lee，M.W.，2002）。聲波各向異性既可以是內在的，也可以是應力誘導的。最近的研究表明交叉偶極測井數據的頻域處理可以將內在各向異性與應力誘導的各向異性區分開。交叉偶極測井數據的頻域處理還使得對地層橫波慢度的徑向變化描述成為可能，對交叉偶極撓曲波的慢度頻域分析還表明低頻部分的探測深度達到六倍的井孔半徑，可探測到原狀巖石，而高頻部分的偶極撓曲波則可以穿透壹倍井孔半徑的深度，探測到機械損壞區。高頻測量數據偏離均質、各向同性模型則是機械破壞的指示。分析偶極發散曲線可以估計機械破壞區的深度。
聲波數據的處理分兩步進行：①慢度及各向異性分析，及②發散曲線分析。
圖6及圖7所示分別為含天然氣水合物層及水填充的各向異性層段的發散曲線。曲線發散分析是了解聲波波形數據的有效方法。在低頻段，撓曲波穿透能力深至地層並可探測到遠場應力；在高頻段，撓曲波探測靠近井周的應力。圖6a的縱波首波慢度大約為300us/m，它是非擴散型的且最大激發頻率超過8 kHz。斯通利波慢度為850us/m，同時含有淡藍色及綠色的點，表明低頻和高頻單極激發都能產生斯通利波。兩條正交的偶極撓曲波發散曲線相互重疊。這是在垂直於井孔的平面內地層為各向同性的關鍵指示。
圖7 1112.8m深度處水填充各向異性層段發散曲線
Fig.7 Dispersion curves from the water-filled anisotropic interval at a depth of 1112.8m
a）The dispersion curves for the fast shear dipole-flexural（red），the slow shear dipoleflexural（dark blue），the low frequency monopole stoneley（light blue）and high frequency monopole stoneley（green）；（b）Average spectral characteristics
圖7a所示與圖6a所示具有明顯的不同，即它是各向異性層。偶極撓曲波清楚顯示出在低頻段的各向異性特征。地層的快橫波慢度約為900us/m，而慢橫波約為1100us/m。這指示出了22%的各向異性。與含天然氣水合物層段相比，縱波數據高度發散。
4 結論
測井技術在天然氣水合物勘探的高級階段是必不可少的工具，其對天然氣水合物儲層參數的精確評價對計算天然氣水合物的儲量至關重要，並為天然氣水合物的開采提供準確的層位定位及基礎數據。測井方法的發展日新月異，數據解釋的精度也不斷提高，在利用測井技術研究天然氣水合物儲層時仍限於移植油氣評價方法，由於天然氣水合物在地層中具有不同於油氣的賦存狀態，對於這樣做的合理性還有待於深入的研究。根據以上研究成果得出以下結論：
1）電磁波傳播測井由於具有較高的垂向分辨率，對於較薄的地層顯示出較其它測井方法具有精細評價飽和度的優勢；
2）核磁***振測井反映的是自由流體所占的孔隙空間，有利於詳細評價自由水、束縛水及水合物所占的空間，但有關核磁測井的精細解釋尚需建立在實驗分析的基礎上；
3）偶極聲波測井對預測地層各向異性及應力分布有良好的效果；
4）另外，還應開展對天然氣水合物樣品的實驗室研究，以便對測井解釋結果進行刻度。
參考文獻及參考資料
陳建文.2002.天然氣水合物及其實測的地球物理測井特征，18（9）：28～29
高興軍，於興河，李勝利，段鴻彥.2003.地球物理測井在天然氣水合物勘探中的應用，地球科學進展，18（4）：305～311
手冢和彥，等.2003.天然氣水合物的測井解析，海洋地質動態，19（6）：21～23
王祝文，李舟波，劉菁華.2003.天然氣水合物的測井識別和評價，23（2）：97～102
王祝文，李舟波，劉菁華.2003.天然氣水合物評價的測井響應特征，物探與化探，27（1）：13～17
Lee M.W.2003.Velocity ratio and its application to predicting velocities：United States Geological Survey，Bulletin 2197，15p
Lee，M.W.2002.Biot-Gassmann theory for velocities of gas hydrate-bearing sediments，Geophysics，V.67，1711～1719
Paull C K，Matsumoto R，Wallace P J，and Dillon，W P（Eds.）.2000.Proceedings of the Ocean Drilling Program，Scientific Results，Vol.164
S.R.Dallimore and T.S.Collett（ed.）.2005.Geological Survey of Canada Bulletin 585，Scientific results from the Mallik 2002 Gas Hydrate Production Research Well Program，Mackenzie Delta，Northwest Territories，Canada
Takashi UCHIDA，Hailong LU*，Hitoshi TOMARU**and the MITI Nankai Trough Shipboard Scientists，Subsurface Occurrence of Natural Gas Hydrate in the Nankai Trough Area：Implication for Gas Hydrate Concentration RESOURCE GEOLOGY，Vol.54，No.1，35～44，2004
Tréhu A M，Bohrmann G，Rack F R，Torres M E，et al.2003.Proceedings of the Ocean Drilling Program，Initial Reports Volume 204
Y.-F.Sun，D.Goldberg，Analysis of electromagnetic propagation tool response in gas-hydrate-bearing formations，in Scientific Results from the Mallik 2002 Gas Hydrate Prodction Research Well Program，Mackenzie Delta，Northwest Territories，Canada，（ed.）S.R.Dallimore and T.S.Collett；Geological Survey of Canada，Bulletin 585，8p
The Application of Well Logging To Exploration And Evaluation of Gas Hydrates
Lu Jingan
（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）
Abstract：Well logging is the indispensable approach when the exploration of gas hydrates step into drilling and good results has been illustrated.The paper briefly introduces and construes the well logging technologies employed in the exploration of gas hydrates of Mallik 5 L-38，IODP311 and MITI Nankai-trough well.The emphasis lies in the analysis of the application of NMR，EPT and DSI logging to exploration and evaluation of gas hydrates.Also some issues during the well log interpretation of gas hydrates are discussed.
Key Words：Gas hydrates Well logging methods Well logging interpretation