中心在天然气水合物混合层的赋存机制及地球物理表征方面取得进展

天然气水合物与游离气在稳定带底部形成水合物与游离气共存的过渡带，这种特殊现象主要受控于温压条件、流体运移与储层特性的动态平衡，我国南海天然气水合物储层中已有混合层的相关报导。

揭示天然气水合物储层内稳定带中水合物游离气共存现象的内在机制，对深入理解储层成藏机制及开发潜力具有重要意义，但相关机理至今尚未完全阐明。水合物中心研究团队以南海神狐海域泥质粉砂沉积物为对象，开展了一系列水合物形成分解实验并连续观测了水合物的稳定温压条件，发现沉积物孔隙中形成的水合物具有不同的热力学稳定性，并通过相平衡曲线进一步界定了稳定边界。研究结果表明：沉积物孔隙结构和盐度导致水合物的稳定性差异可能是水合物稳定带内游离气与水合物长期共存的重要成因机制（图1）。该研究成果发表于《energy&fuels》，中心博士后蔡文久为第一作者，詹林森特聘副研究员和卢海龙教授为共同通讯作者。

图1 南海神狐海域孔隙水-水合物-游离气三相共存的潜在机制

在水合物和游离气共存的过渡带中，由于二者均具有电绝缘特性，传统电阻率难以区分水合物与游离气，更无法获取各自的饱和度。联合储层声波特性，基于岩石物理模型可反演水合物和游离气饱和度，但游离气-水合物共存体系的岩石物理模型研究仍较为匮乏。中心研究团队在等效介质模型中引入更贴近实际的气泡尺寸分布和包裹体纵横比参数，系统分析了混合层在地震到超声波频段内的纵、横波速度与衰减特性。研究结果表明：这种共存会降低低频（地震频段）纵波速度，但会提高高频段（超声波频段）的纵、横波速度（图2）。低频纵波速度降低主要源于气泡震荡的作用，而高频段纵波速度受此影响较小；同时，游离气-水合物共存会增强整个频段范围内纵波的衰减。低频段纵波衰减由气泡振荡阻尼主导，而高频段则主要来自多孔水合物内部的喷射流机制。本研究表明，通过混合层的岩石物理建模可为表征水合物-游离气共存体系提供理论基础。该研究成果发表于《Journal of Applied Geophysics》，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2 水合物与游离气共存体系下速度与衰减随水合物/游离气/水饱和度变化的预测值与实验结果的对比：(a)纵波速度，(b)横波速度，(c)纵波衰减，(d)横波衰减。

基于混合层游离气-水合物-水三相共存的岩石物理模型，中心研究团队进一步分析了南海神狐海域SHSC-4J1井和GMGS6-SH02井的声波测井资料，分别提取了水合物层、混合层、游离气层的纵、横波速度与衰减，并提出了通过声波测井的速度与衰减交会识别三种层位（游离气、水合物、混合层）的判定标准。研究结果还表明：在SHSC-4J1井，与水合物层相比，混合层纵波速度降低14%，横波速度降低11%，纵波衰减增强104%，横波衰减降低44%。GMGS6-SH02井亦呈现相似规律。两井的纵波衰减峰值分别为0.66（SHSC-4J1井）和0.60（GMGS6-SH02井），均出现在混合层。此外，纵、横波速度与衰减的交会图分析表明：相较于速度，衰减对混合层更敏感（图3）。基于声波测井的纵、横波速度，通过岩石物理模型反演，估算了两口井混合层中游离气和水合物的饱和度，SHSC-4J1井混合层中水合物饱和度最大值为26%（平均13%），GMGS6-SH02井最大值为23%（平均7%）（图4）。该研究成果发表于《Journal of Natural Gas Science and Engineering》（现改名为：《Gas Science and Engineering》），中心詹林森特聘副研究员为第一作者，中心卢海龙教授与广州海洋地质调查局陆敬安教授为共同通讯作者。

图3 SHSC-4J1井纵、横波速度与衰减的交会图：(a)速度；(b)衰减。其中红点代表水合物层，黑点代表混合层，蓝点代表游离气层。

图4 基于岩石物理模型估算的SHSC-4J1井水合物与游离气饱和度（红线）：（a）纵波速度反演的水合物饱和度，（b）纵波速度反演的游离气饱和度，（c）横波速度反演的水合物饱和度，（d）横波速度反演的游离气饱和度。其中黑线代表电阻率测井计算的水合物饱和度。

原文信息如下：

Cai, W., Guan, W., Zhan, L., Lu, H., Xu, C., 2024. Coexistence of Methane Hydrate and Gas Associated with the Difference in Thermodynamic Stabilities of Hydrate in the Pores of Sediments from Shenhu, South China Sea. Energy & Fuels 38, 8612–8619. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.3c05064

Zhan, L., Kang, D., Lu, H., Lu, J., 2022. Characterization of coexistence of gas hydrate and free gas using sonic logging data in the Shenhu Area, South China Sea. J. Nat. Gas Sci. Eng. 101, 104540. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2022.104540

Zhan, L., Lu, H., 2023. Introducing realistic distributions of gas bubble size and inclusion aspect ratio to model the coexistence of gas hydrate and free gas. J. Appl. Geophys. 213, 105023. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2023.105023