中心发表用地球物理方法估算天然气水合物饱和度的综述

准确表征天然气水合物的赋存量，对水合物资源评估、滑坡灾害防治及全球碳循环研究具有重要意义。目前，全球水合物储层甲烷资源量的估算结果差异显著，不同研究给出的估值跨越8.2×10¹²至5×10¹⁵立方米三个数量级。受限于水合物分布的非均质性和勘探数据不足，全球尺度甲烷储量的精确估算仍存在重大挑战。要实现水合物商业化开采，需突破现有粗略地质储量评估方法，建立可采资源量的精准预测技术。可采资源量估算的核心在于通过勘探结果获取水合物饱和度的分布信息，饱和度分布还影响着储层的渗透率，直接决定水合物的产气潜力与开发可行性。具体而言：开采潜力评估需要获取生产井周孔隙尺度水合物饱和度分布信息，而系统资源评价则需大区域乃至全球尺度的水合物饱和度数据支撑。

尽管物探技术在储层表征方面已取得显著进展，但由于地球物理探测的多尺度特性、水合物赋存形态的复杂性以及岩石物理建模的挑战，饱和度估算仍存在显著不确定性。常规地球物理探测方法（包括测井、地震反射波法和可控源电磁法）通过识别储层电性与声学特性的变化来估算水合物饱和度。然而即使在同一区域，不同方法得出的饱和度估算值仍存在差异，且这些技术的适用条件尚未完全明确。开展系统性综述对厘清这些不确定性、完善水合物饱和度预测方法、最终提升资源评价精度具有关键意义。当前水合物储层表征仍面临两大挑战：现有岩石物理模型对实际水合物体系的过度简化（图1），以及水合物孔隙尺度分布特征与地球物理勘探尺度之间的不匹配（图2）。天然气水合物储层储量估算的主要问题在于如何将局部高精度的测井水合物饱和度数据外推至整个储层。这需要将小尺度饱和度估算上外推至地震和海洋电磁数据的尺度，但测井数据得到的储层物性（如水合物饱和度、密度和孔隙度）在井孔外区域的空间变化难以准确约束。首先，地震与海洋电磁数据的分辨率通常不足以捕捉水合物分布的微观非均质性，尤其在薄互层或各向异性地层中。其次，测井数据与地震/海洋电磁反演的融合受限于测量尺度、测量原理和敏感度的差异。最后，水合物饱和度本身的空间非均质性（表现为显著的横向和垂向变化）给尺度升级过程中可靠的区域尺度资源评价带来困难。为解决这些问题，本研究系统评述了地震、测井和电磁探测中与水合物赋存相关的典型异常响应，剖析了各类方法的理论基础、优势及局限性，结合典型实例和多方法对比研究，揭示了水合物饱和度、沉积物特性与测量频率之间的复杂耦合关系。得到结论如下：

(1) 地震反演可得到水合物饱和度在地震尺度的具体分布信息，但易受地震噪声、岩性变化及岩石物理模型假设的影响。测井方法（电阻率、声波、核磁共振）能实现更高精度的饱和度估算，但需对各项参数（尤其是各向异性、细粒或裂隙沉积层参数）进行精细标定。海洋可控源电磁法可有效圈定电阻率异常，但受分辨率和探测深度制约。通过融合地震反演、测井数据与海洋电磁方法的联合解释，可显著降低天然气水合物储层资源评价的不确定性。

 (2) 传统地球物理方法在粗粒沉积层中能够可靠估算水合物饱和度，但在细粒或裂隙地层面临挑战。针对此类复杂储层，必须采用包含电阻率和声波各向异性特征的岩石物理模型（图1）。横波能有效识别裂隙充填型水合物，但目前应用中仍不充分。未来应充分考虑地震衰减，衰减对低饱和度水合物响应灵敏，结合速度可有效检测储层中伴生的游离气。

 (3) 针对水合物-游离气共存，声波-电阻率测井资料的小尺度融合可实现高精确饱和度估算，而地震与海洋电磁数据的大尺度联合则适用于水合物资源的区域性评价。发展岩石物理模型时，需重点考虑水合物-游离气共生体系对电阻率和声波特性的耦合影响，以此提升此类复杂储层的水合物资源评估精度。

 (4) 必须通过高精度测量尺度转换和多地球物理参数联合来解决地球物理观测尺度差异（如测井与地震数据的分辨率鸿沟）（图2）。应用机器学习等先进的地质统计方法分析多尺度、多物理参数，可有效弥合不同尺度间的表征差异，从而获得更可靠的储层级甚至全球天然气水合物储层的资源评估。

该研究成果发表于《Marine and Petroleum Geology》，中心詹林森特聘副研究员为第一作者，卢海龙教授为通讯作者。

图1 天然气水合物储层岩石物理模型研究：裂隙充填细粒沉积物类型、多水合物赋存形态及水合物-游离气共存导致的地震/电性各向异性对储层电阻率、波速及衰减特性的影响，并系统分析各储层孔隙度测井方法关于孔隙度的表征差异。

图2 基于储层声学和电学特性地球物理勘探方法的测量尺度对水合物饱和度估算的影响。

原文信息如下：

Zhan, L., Cai, W., Liu, H., Yang, R., Shi, S., Lu, H., 2025. Estimating gas hydrate saturation in sediments using geophysical methods. Mar. Pet. Geol. 179, 107458. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2025.107458