摘 要：中國南海北部大陸坡具有良好的天然氣水合物(以下簡稱水合物)資源前景，但目前還沒有針對海洋水合物藏開采潛力的地質評價指標，無法對水合物藏進行簡單高效的開采潛力評價預測。為此，重點分析了與產氣潛力密切相關的地質參數(水合物層的孔隙度，水合物初始飽和度，儲層滲透率，導熱系數，儲層上、下蓋層的滲透性，儲層的初始溫度和初始壓力)對產氣潛力的影響情況。結果發現，在其他條件和參數不變的情況下：①水合物儲層孔隙度越大，水合物分解產氣速率越快；②水合物飽和度越高，初始產氣效率較低，但總體產氣開發效益較高；③水合物儲層絕對滲透率越大，水合物分解和產氣效率越高；④水合物儲層導熱系數對水合物分解產氣效率影響不大；⑤蓋層的存在有利于提高水合物的分解效率和氣體的長期穩定生產；⑥水合物儲層初始溫度越高越有利于水合物快速分解；⑦當地層初始壓力越高且離水合物相平衡邊界越近時，水合物藏產氣開發效率也越高。在此基礎上，提出了水合物開采潛力地質評價指標研究的目標、內容、技術路線和方法。
關鍵詞：海洋 天然氣水合物 開采潛力 儲集層 地質參數 地質評價 指標 技術路線 產氣開發效率
A study of geological evaluation indicators for the exploitation potentialof marine natural gas hydrates：Theory and methodology
Abstract：There are good prospects of natural gas hydrate resources on the northern slope of the South China Sea.However,whether or not the gas hydrate will play a part in our energy strategy lies in whether or not it can be effectively extracted.Such real production will mostly rely on the full assessment of gas production potential from the marine hydrate deposits．Unfortunately,the relevant research costs are surprisingly high in the field tests alone，while the experimental simulation of hydrate production under high pressures is limited to a small scale presently，and can not fully characterize the gas production potential on a substantial reservoir scale．Thus it is the only way for hydrate production engineers to establish mining plans and calculate gas production potentials through numerical simulation.Because the gas production potential，hewever，is closely related to the complexity and dissimilarities of the hydrate reservoir characteristics，the production capacities must be evaluated by using different production methods for different types of hydrate reservoirs，which will inevitably raise the research cost．Therefore，based on the response relationship between hydrate production potential and different geological parameters of hydrate reservoirs，this paper discussed the geological parameters，which are most closely related to the gas production potential.Thus，a set of the objectives，contents and methods were presented for the geological evaluation indexes of marine hydrate production potential，providing the theory and methodology for the rapid evaluation of gas production potential in the nlarine gas hydrate reservoirs.
Key words：marine，narural gas hydrate，production potential，reservoir，geological parameters，geological evaluation，index
近年來的調查研究成果表明，中國南海北部陸坡是天然氣水合物(以下簡稱水合物)發育的理想場所[1-3]，已圈定了32750km2的水合物資源遠景區，認為其賦存天然氣資源量約為l85×108t油當量。2007年，在神狐海域實施了水合物鉆探，在3個站位取得水合物實物樣品，水合物最高飽和度分別為25％、44％和48％，證實了鉆探區水合物分布面積約為l5km2，賦存天然氣儲量為l60×108m3[4-8]。然而，水合物能否在中國未來能源結構中有所貢獻，關鍵在于能否被有效地開采出來。
目前，常見的水合物開采方法主要包括：降壓開采法、注熱開采法、注化學劑開采法等[9]。至今，前蘇聯、加拿大、美國、日本等國家已在凍土層成功進行了水合物的試驗性開采[10-15]。近期，日本又在其愛知縣渥美半島近海成功進行了水合物開采試驗，成為全球首個掌握海底水合物開采技術的國家[16-17]。
凍土帶水合物開采試驗的成功具有重大意義，其在不同的地質條件下進行更長時間和更大規模的開發試驗，為水合物開發理論和技術提供了更多的檢驗數據。但是，上述試驗性開發的成果經驗，大多是在凍土環境中取得的，其水合物往往賦存于粗砂、礫沉積物孔隙中，飽和度甚至高達85％，沉積體未固結成巖[11]，如阿拉斯加北部陸坡水合物藏，其砂巖儲層的孔隙度為35％，固有滲透率達l000mD，水合物飽和度為65％[18]。
相對高緯度的凍土環境，資源潛力巨大的海洋水合物開發環境更為惡劣，鉆井作業和試采工程都相對比較困難，成藏地質條件和水合物產出特征較凍土環境具有很大的差異性。這使得海洋水合物開采面臨更大的挑戰，而目前又無成功案例的文獻資料可循。因此，在開采前對水合物藏產氣潛力進行科學評價和預測，對指導水合物鉆探和開發就顯得尤其重要。
目前已能夠對水合物藏產氣潛力進行定性評價[19]，但尚不能達到科學計算的水平。而且海洋水合物產出特征差異巨大，如韓國東海Ulleung盆地水合物產于砂體中，飽和度超過60％[20]，日本Nankai海槽砂體中的水合物飽和度達80％[21-22]，而美國布萊克海臺泥砂沉積中的水合物最大飽和度僅為24％[23]，水合物藏特征必然會影響氣體產能。另外，成本高昂的海洋水合物現場開采試驗僅適合于已發現水合物樣品且具備開采潛力的地區；而高壓條件下的水合物開采實驗模擬，目前仍停留在微小尺度，不能充分表征實際水合物開采中各項參數的時空演化和產氣潛力。
針對南海北部神狐海域水合物的實際儲層特征，有學者曾以產氣量為絕對標準、以氣水比為相對標準，數值模擬評價了水合物藏及游離氣區的產氣潛力，取得了一系列進展[24-26]。然而，水合物儲層特征的復雜性和差異性都會對產氣潛力造成影響，因而只能對不同水合物藏采用不同開采方法和工藝技術進行產能模擬評價，其研究成本較高，且目前尚沒有針對海洋水合物藏產氣潛力的地質評價指標，無法根據水合物藏產出特征和儲層類型進行簡單高效的產氣潛力評價預測。
水合物藏產氣潛力的快速高效評價須利用科學的產氣潛力評價指標，而該指標的建立必須基于對水合物開采產氣效率的數值模擬研究。在沒有產氣潛力評價指標的前提下，神狐海域水合物藏產氣效率不能簡單類比到其他海域。
筆者根據多種不同儲層地質參數對水合物開采潛力影響的結果，綜合分析提出水合物開采潛力地質評價指標研究的目標、內容和技術方法，以期為海洋水合物藏產氣潛力的快速評價、提高研究效率提供理論和方法支撐。
1 海洋水合物儲層特征對產氣潛力的影響
研究發現，水合物產氣開發潛力與水合物儲層特征密切相關，儲層各項地質參數的變化都會引起產氣效率變化。其中最受關注的地質參數包括水合物層的孔隙度，水合物初始飽和度，儲層滲透率，儲層導熱系數，儲層上、下蓋層的滲透性以及儲層的初始溫度和初始壓力。
1．1 孔隙度對產氣潛力的影響
水合物儲層孔隙度指介質中水、氣、水合物的體積占多孔介質總體積的百分數。當孔隙度較小時，多孔介質骨架含量就相對較高，孔隙容納水合物及其他流體的能力較低，也意味著儲層的流體疏導能力較差，壓力在這種水合物儲層中的傳遞能力不足，降壓分解效果較差。有學者通過水合物降壓開采數學模型，得到不同孔隙度對水合物分解產氣速率(Qp)的影響關系[27]。從圖l可以看出，在開采前期含水合物地層的孔隙度越大，水合物分解產氣速率反而較低，但從長時間來看，水合物儲層的孔隙度越大，水合物分解產氣速率也越大且平穩產氣期也越長。
1．2 飽和度對產氣潛力的影響
水合物的飽和度(SHO)指儲層孔隙中水合物含量占沉積物孔隙總體積的比例，是表征水合物藏中水合物聚集程度的量度。在其他儲層特征相同的條件下，當水合物飽和度較高，即系統中水合物含量越高時，水合物分解會產生更多的氣體，但同相水合物的存在降低了儲層的流體疏導能力，影響壓力傳遞效果。如圖2所示[28]，在初始階段，水合物飽和度越高時，累積產氣量(Vp)反而較低，但到后期，隨著壓力的傳遞，水合物分解和累積產氣量都會提高。因此，從長時間來說，高飽和度有利于提高產氣潛力。
1．3 滲透率對產氣潛力的影響
滲透率表征水合物儲層中的流體流動能力，是影響水合物分解和產氣的重要因素。當水合物層的滲透率較高時，表明系統滲透和流體疏導性能較好，從而儲層中的壓力傳遞效率較好，也能使水合物分解產生的氣體高效地流向開采井。如圖3所示，利用降壓分解模型分析了不同地層絕對滲透率對水合物藏累積產氣量(Vp)的影響[29]，發現在水合物藏其他條件不變的情況下，地層絕對滲透率越大，水合物藏的累積產氣量越大。
1．4 導熱系數對產氣潛力的影響
導熱系數是指水合物儲層傳播熱量的能力。水合物分解是一個吸熱過程，對于水合物地層，若其導熱系數大，則在單位時間多孔介質中有更多的熱量傳遞到水合物分解前緣，對水合物分解有更好的促進作用。圖4顯示了地層導熱系數(lR)分別為1.5 W／(m·K)和8W／(m·K)條件下水合物藏產氣速率隨時間變化的關系[28]。可以發現，在其他參數相同的條件下，在開采的前期，隨著地層導熱系數的增加，水合物產氣速率增加；開采后期隨著地層導熱系數的增加，水合物產氣速率反而減小，但導熱系數對水合物藏產氣速率的總體影響很小。
1．5 上、下蓋層滲透性對產氣潛力的影響
水合物儲層上、下蓋層的不同滲透性對水合物產氣潛力也有影響，當水合物層上、下蓋層均不滲透時，水合物開發中的降壓效果將大大增強，從而提高水合物分解速率。Li等在進行水合物藏降壓開采的數值模擬時，通過改變水合物藏上、下蓋層的滲透特性，分析其水合物開采效果的影響[24]，結果如圖5所示。在開采初期不同滲透性蓋層的水合物產氣速率相當；但之后具有上、下蓋層(不滲透的上覆層和下伏層)的水合物藏分解產氣速率略高于具有上蓋層的水合物藏氣體產出速率，更明顯高于無蓋層(滲透的上覆層和下伏層)水合物藏婀氣體產出效率；在開采后期，無蓋層水合物藏的氣體產出速率跌幅較大，但有蓋層水合物藏的氣體產出維持相對穩定。因此，蓋層存在有利于水合物藏的高效開發。
1．6 初始地層溫度對產氣潛力的影響
水合物分解是一個吸熱過程，初始溫度較高的水合物藏能極大地提供水合物分解所需要的熱量，使得水合物更容易分解。如圖6所示[30]，水合物藏初始溫度對氣體產出速率(Qp)影響較大。在開采初期(180d之前)水合物藏初始溫度越高，水合物快速分解，水合物分解產氣效率較高；但在開采后期(180d以后)，水合物藏初始溫度越高，水合物分解產氣速率反而越小。這是因為開采后期產出的氣體以溶解氣為主，而低溫體系水中的氣體溶解度較高。因此，低溫水合物藏開采后期的產氣量相對較大。
1．7 初始地層壓力對產氣潛力的影響
在實際的水合物藏降壓開采時，生產井設置在水合物層或水合物層下方，通過降低生產井壓力而導致水合物失穩分解。對于相同溫度的水合物藏，其水合物相平衡壓力也相同。當初始地層壓力越大時，離相平衡壓力將越遠，壓力降低過程需要更長的時間實現，壓力傳遞緩慢，水合物分解效果較差。圖7顯示了水合物地層初始壓力對降壓開發效率的影響[31]，其中選取的溫度條件均為l2℃，而壓力分別為l0MPa、20MPa。在相同的水合物藏初始溫度和井孔壓力條件下，儲層的初始壓力越低時，水合物分解越快，且平穩產氣期也越長，水合物藏的產氣開發效率越高。但是另外一方面，在常見的海洋水合物系統中，水合物地層壓力往往處在相平衡邊界附近，采用一定井孔壓力開采時，初始地層壓力越高，則地層與井孔之間的壓力差越大，壓力傳遞較快，且引起水合物分解的驅動壓力差越大，必然促使水合物更快地分解。
水合物藏初始溫壓條件、滲透率、飽和度等，都是與開采潛力關系密切的地質參數，可利用這些參數構建海洋水合物藏產氣潛力的地質評價指標，用于對不同的水合物藏產氣潛力進行科學有效的評估，進而指導實地水合物藏的勘探與開發。
2 地質評價指標研究
2．1 目標和內容
海洋水合物開采潛力地質評價，首先必須以水合物藏賦存的實際地質條件、鉆孔取樣資料、水合物產出特征和儲層類型入手，利用各種方法進行水合物開采數值模擬，研究水合物分解過程中各項參數變化規律，定量評價水合物藏開發過程中的產能特征，選取影響水合物藏產氣潛力的地質參數(如沉積體滲透率、孔隙度、水合物飽和度、溫壓條件、儲層厚度等)，從而構建海洋水合物藏產氣潛力的地質評價指標；然后將地質評價指標應用于國際典型水合物研究區，并利用數值模擬結果進行檢驗。
具體的研究內容包括以下3個方面：
2．1．1海洋水合物藏產氣潛力地質評價參數
綜合地質、地球物理、鉆探數據等資料，研究巖性、巖相展布規律、水合物的賦存狀態和地質條件、水合物產出特征和儲層類型；分析研究影響水合物分解和產氣開發潛力的各項要素，如巖性、溫壓條件、沉積體滲透率、孔隙度、水合物飽和度、儲層厚度、孔隙水鹽度等；研究各地質參數對水合物開采巾產氣效率的影響強度，進行排序，并設計水合物藏產氣潛力的地質評價參數。
2．1．2海洋水合物藏產氣潛力地質評價指標
利用影響水合物藏產氣開發潛力的地質參數，開展海洋水合物產氣開發的數值模擬研究，計算各地質參數變化對水合物藏產能特征的影響及敏感性，研究各地質參數與產氣效率的響應關系，確立各地質參數對產氣開發潛萬影響的權重，并在此基礎上構建海洋水合物藏開采潛力地質評價指標的數學模型。
2．1．3海洋水合物藏產氣潛力綜合評價研究
利用海洋水合物藏產氣潛力的地質評價指標，評估國際典型水合物或特定海域水合物藏的產氣潛力，對產氣潛力的差異性進行解釋說明，并將地質指標的評價結果與數值模擬結果進行對比，建立地質評價指標結果與數值模擬結果的對應關系。
2．2 技術路線和方法
2．2．1評價方法
海洋水合物開采潛力地質評價指標研究需要采用定性描述和定量計算相結合的方法。定性研究方面，利用地質、地球物理和鉆探取樣及測井資料，描述南海北部陸坡神狐海域水合物區的巖性特征、水合物層位展布和賦存狀態等，確定水合物藏的產出特征和儲層類型，科學選取影響海洋水合物藏產氣潛力的地質參數。定量研究方面，數值模擬計算水合物藏產氣潛力的地質參數對氣體產能影響的規律、強度和敏感性；利用正交優化試驗方法研究各地質參數對水合物藏產氣潛力影響的強度順序；構建各地質評價參數對水合物藏產氣潛力影響的數學模型，進而構建水合物藏產氣潛力地質評價指標的數學模型，并計算各研究區的產氣潛力指標值；利用數值模擬方法研究水合物開采過程中的產氣量和各項參數的變化，并與地質指標的評價研究結果進行對比。
2．2．2技術路線
首先收集特定海域沉積地質特征和水合物產出的相關資料信息，包括地質、地球物理、沉積序列以及鉆探取心數據，標定各鉆孔的水合物產出特征和儲層類型；然后，沒計海洋水合物藏產氣開發潛力的地質評價參數，并確定評價參數對水合物藏產氣潛力的影響強度和順序；再通過構建水合物藏產氣潛力地質評價指標的數學模型，計算特定海域各站位水合物藏產氣潛力的指標值，并與國外典型水合物的產能狀況進行對比分析；最后，對各研究區水合物藏的產氣開發潛力進行數值模擬研究，并與“指標”評價結果進行對比驗證。總體研究方案如圖8所示。
2．2．3關鍵問題及解決思路
在研究過程中，擬解決的關鍵問題包括：①選擇海洋水合物藏產氣開發潛力的地質評價參數，構建各評價參數與氣體產能的函數關系，確立評價參數對氣體產能影響的權重；②利用評價參數對氣體產能影響的函數關系和權重，構建海洋水合物藏產氣潛力的地質評價指標，確定各研究區的指標值。相應的解決思路如下：
2．2．3．1水合物藏產氣潛力地質評價參數
水合物藏產氣潛力的地質評價參數是指對水合物產氣效率產生影響的沉積地質要素，地質評價參數的正確選擇是產氣潛力評價的關鍵。首先，通過綜合特定海域水合物區的地質、地球物理、鉆探數據等資料，研究巖性、巖相展布規律、水合物的賦存狀態和地質條件、水合物產m特征和儲層類型，定性和定量分析影響水合物分解和產氣潛力的各項要素，如巖性、溫壓條件、沉積體孔隙度、水合物飽和度、滲透率、儲層厚度、孔隙水鹽度等；然后，數值分析地質參數對水合物產能的影響強度和敏感性，利用正交優化試驗方法對地質參數的影響強度進行排序，如表l中南海北部神狐海域3個站位上的水合物產出特征的地質參數，可構建如表2所示的正交優化試驗因素水平表，通過選用合適的正交表即可實現對地質參數的優化和排序；選擇對水合物藏產氣潛力影響較為顯著的地質參數，舍棄影響較小、敏感性差的地質參數。
2．2．3．2水合物藏產氣潛力地質評價指標
地質評價指標是由地質評價參數表征的水合物藏鉆井開發中的產氣潛力，是地質評價參數的函數，其值可以確定。首先，通過構建海洋水合物開采過程的數學模型，確定地質評價參數與產氣潛力的響應函數，Qpb=fb(b)或RGWb=fb(b)。產氣速率Qp衡量產氣潛力的絕對標準，產氣產水比RGW是衡量產氣潛力的相對標準，f表示函數關系式，b表示地質參數。再計算各參數變化對產氣潛力影響的權重，結合f函數和水合物開采數學模型，構建水合物開采中產氣潛力地質評價指標函數，I=g(K，j，SH0，…)。利用該地質評價指標I，即可實現對水合物藏產氣潛能的快速評價。
3 結論與建議
研究了影響水合物開采潛力的主要參數及其與開采潛力的響應關系，發現在其他條件和參數不變的情況下，水合物儲層孔隙度增加，水合物分解產氣速率越快；水合物飽和度越高，初始產氣效率較低，但總體產氣丌友妒益較高；水合物儲層絕對滲透率越大，水合物分解和產氣效率越高；水合物儲層導熱系數對水合物分解產氣效率影響不大；蓋層存在有利于提高水合物的分解效率和氣體的長期穩定生產；水合物儲層初始溫度越高越有利于水合物快速分解；當地層初始壓力越高，且離水合物相平衡邊界越近時，水合物藏產氣開發效率越高。
基于影響水合物開采潛力的儲層地質參數的分析研究，可以建立水合物藏開采潛力的地質評價指標，并可以將地質評價指標應用于不同海洋水合物藏，以快速有效地評價不同海洋水合物藏的產氣潛力，為指導海洋水合物的開采提供理論參考。此外，由于產氣潛力的地質評價指標是基于水合物藏的儲層地質參數，且獨立于開采方法和工藝技術條件。因此，地質評價指標反映的是水合物藏產氣開發的潛力強度，其計算結果與水合物藏產氣開發潛力的數值模擬結果截然不同。目前該評價指標的建立尚處于理論階段，對于全面的儲層地質參數對產氣的影響研究、海洋水合物產氣潛力地質評價指標的進一步完善發展，還需要更廣大的水合物研究工作者作出多的努力。
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本文作者：吳能友 黃麗 蘇正 楊勝雄 王宏斌 梁金強 LU Hailong
作者單位：中國科學院廣州天然氣水合物研究中心
中國科學院廣州能源研究所
廣州海洋地質調查局
中國科學院大學
Division of Emerging Technologies，National Research Council Cahada
(Ottawa，Ontario K1A 0R6，Canada)
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