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天然气水合物（也被称为“可燃冰”）是一种由水分子和天然气气体分子在高压低温条件下形成的具有笼型结构的类冰状结晶化合物。在自然界中，天然气水合物主要分布在陆域永久冻土带和水深大于300 m的海底沉积物中（苏丕波等，2020），因其资源储量大、能量密度高、埋藏深度浅及环境污染小等特点被认为是未来理想的战略接替能源，受到各国政府和科学家高度重视（王平康等，2019）。我国对天然气水合物的研究虽然起步较晚，但近年来取得了显著进展。1999年，中国地质调查局广州海洋地质调查局首次在南海北部西沙海槽开展以水合物调查为目的的高分辨率多道地震调查，并发现了天然气水合物矿层地球物理标志BSR（似海底反射层），表明我国海域取得了天然气水合物地球物理异常发现的首次突破。2017年和2020年，两轮天然气水合物试采的成功是我国天然气水合物能源研究从跟跑到领跑的重要标志（吴能友等，2020）。
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天然气水合物的分布特征随其赋存形态的差异而变化。依据天然气水合物样品物理性质的差异，总结出天然气水合物主要储集在：① 粗砂岩的孔隙、② 弥散于细砂岩的团块、③ 固体充填裂缝、④ 由少数含有固体天然气水合物之沉积物组成的块状单元中。对储层分布特征和储层物性的准确评估直接影响天然气水合物资源量的估算（苏丕波等，2017a; 孙建孟等，2018; 刘昌岭等，2021），也是天然气水合物开发利用和环境影响研究的基础（宁伏龙等，2013）。在天然气水合物勘探研究中，地震和测井等地球物理方法被广泛运用，是识别、评价天然气水合物地质特征和储层条件的重要手段。其中，地震数据包含了丰富的岩性、地层物性和流体信息，天然气水合物储层的地震响应特征是由于含水合物沉积层与下伏地层的波阻抗差异引起的，其振幅的强弱、连续性、频率特征与地层孔隙度、水合物浓度和游离气特征密切相关（Su Pibo et al.，2024）。此外，测井技术对于水合物储层参数精细描述也十分重要（雷亚妮等，2022），声波速度测井曲线、电阻率测井曲线、电成像测井曲线、井径测井曲线与密度测井曲线等组合分析是判断水合物存在与否的有效途径，也是在原位环境下准确识别天然气水合物和游离气的有效方法。目前，我国在南海北部寻找存在天然气水合物矿体的地球物理证据一般是基于地震剖面或测井数据解释，在常规地震资料处理基础上对剖面进行特殊处理，综合利用多种属性剖面实现对BSR、天然气水合物矿体和游离气带的识别。然而，地震解释的复杂性、测井曲线的多解性、天然气水合物及其游离气的多样共存形式给天然气水合物资源量的估算带来挑战。
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本文以神狐海域调查区水合物储层为重点研究对象，对获取的丰富地震与测井资料及其钻井地质资料进行深入分析，有效识别天然气水合物及其游离气带，阐明水合物的储存特征及其分布状况，尤其是通过地球物理测井和地震探测等响应特征的综合判别，为水合物储层识别、资源评价及勘查试采等决策提供依据和重要参考。
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1 研究区地质背景
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南海北部陆缘位于印度板块、欧亚板块和太平洋板块交汇处，构造背景复杂。晚白垩世以来，受拉张应力作用，珠江口盆地地壳和岩石圈厚度减薄，先后发生了神狐运动、珠琼运动、南海运动、白云运动和东沙运动等5次区域性构造运动，控制了该地区新生代沉积演化史（苏丕波等，2021）。该区域经历了三大构造演化阶段，即古近纪裂陷阶段、新近纪裂后拗陷阶段和新近纪裂后加速沉降阶段。白云凹陷位于珠江口盆地深水区，是盆地内沉积厚度最大的凹陷，新生代沉积厚度超过10 km，从上中新统至第四系优质烃源岩发育处在成熟生烃“门槛”上，有机质丰度高（苏丕波等，2010）。始新统湖相烃源岩属偏腐泥混合型生源母质类型，有机质丰度高，生烃潜力大且处在正常成油窗；渐新统煤系烃源岩属腐殖型、偏腐殖混合型生源母质类型，有机质丰度高，生气潜力大。这两套烃源岩是该区油气与天然气水合物的主要贡献者（何家雄等，2022）。在构造上，神狐海域地处白云凹陷内，水深介于1000~1700 m，水深自北向南逐渐加深，主要发育海丘、海谷、冲蚀槽、冲蚀沟等地貌类型（图1），研究区受构造作用影响发育的泥底辟、气烟囱和高角度断层为深部气体运移提供了通道（图2；姬梦飞等，2024）。
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图1 南海北部神狐海域水合物富集区位置图（据苏丕波等，2020修改）
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Fig.1 Location of hydrate enrichment areas in the Shenhu area of the northern South China Sea (modified from Su Pibo et al., 2020)
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W17站位于神狐海域东南部，处于南海北部陆坡的底部，水深1249 m，是天然气水合物的保压取芯站位。W17站位的取芯结果表明，岩芯样品以钙质黏土质细粉砂—中粉砂为主，天然气水合物以细粒弥散状水合物存在，并根据岩芯样品孔隙水中氯离子淡化程度计算得到水合物饱和度最高可达53.5%（梁劲等，2024）。
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2 数据来源及方法
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2008年“奋斗四号”在研究区初步采集准三维地震数据；本文采用的测井数据来源于2015年中国地质调查局广州海洋地质调查局在神狐海域水合物试采区部署19个钻探井位进行的随钻测井；本文采用的地震数据来源于2018年东方地球物理公司对研究区进行的三维高分辨率地震调查。随钻测井获取了深中浅电阻率、电阻率成像、声波时差、中子、密度、井径和自然伽马等数据资料。对于地震数据主要使用东方地球物理公司的Geoeast进行解释处理；测井数据则使用斯伦贝谢公司的Techlog进行解释处理。
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同时，利用地震属性分析技术、波阻抗反演等与测井曲线结合综合分析判识与确定水合物储层。水合物储层在地震剖面上往往具有特定的特征标志，如似海底反射（BSR）、空白带、高波阻抗、速度反转等。地震属性分析技术可以通过提取这些特征标志相关的地震属性（如振幅、相位、频率等），以多种属性组合来联合分析这些属性的变化规律，进而识别和区分水合物储层与其他类型的地层。叠后地震反演可以获取地下地层的波阻抗分布图，通过对比已知水合物储层的波阻抗特征，初步识别出潜在的水合物储层区域。通过反演得到的波阻抗分布图和相关储层参数信息，可以结合其他地质和地球物理资料，进一步预测水合物储层的厚度、孔隙度、饱和度等关键参数。测井曲线是反映地下岩层物理性质的重要信息源，通过测量不同物理参数（如电阻率、声波速度、密度等）随井深的变化，可以获取关于地层岩性、孔隙结构等信息。通过对比不同测井曲线的特征、分析储层参数的变化规律以及结合地质构造和沉积环境等信息，可以综合判断水合物储层的存在与否及其分布特征。综合地震属性分析、波阻抗反演和测井曲线的结果，对水合物储层进行综合分析判识。通过对比不同数据源的信息和特征参数的变化规律，确定水合物储层的存在及其分布特征。地震与测井的交叉融合为水合物资源的勘探和开发提供重要依据。
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图2 神狐海域天然气水合物构造输导要素特征（据苏丕波等，2017a）
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Fig.2 Characteristics of structural and transport elements of natural gas hydrates in the Shenhu area (after Su Pibo et al., 2017a)
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3 研究区水合物地震与测井响应特征
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3.1 地震响应特征
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天然气水合物具有较高的声波速度，其存在的合成和分解对储层的物理性质会造成很大的影响，使地震反射剖面上出现BSR、空白带和声波速度异常等。尽管这类特征并不与水合物的存在呈一一对应关系，但地震勘探依然是目前探测和识别天然气水合物的最主要手段。
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以神狐海域W17站位的处理好的突出强反射区域，弱化模糊带的地震剖面为例。可以明显观察到气烟囱、断层、BSR及下部游离气等信息，推断出气体运移受气烟囱和断层体系控制（图3）。结合井旁地震道可以观察到该段水道有浊流沉积现象，推测为天然堤沉积，强反射的含水合物层位于天然堤附近（梁劲等，2024）。
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通过地震反射剖面，在W17站位天然气水合物藏下（BSR）下部识别出高角度断裂，在高角度断裂上方可以直接形成天然气水合物矿体。由构造条件形成的这些地质载体构成了气体从深部运移到稳定带的主要输导体系，也是天然气水合物赋存的有利区域。
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地震属性分析技术可以刻画BSR、水合物及游离气的分布特征，在常规地震剖面无法判断异常特征时，利用叠后地震属性能进行有效的判断。以W17站位为例，神狐海域天然气水合物地震响应特征主要体现在瞬时振幅、瞬时频率、瞬时相位、波阻抗、亮点反射等异常。
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图3 神狐海域W17站位地震剖面图
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Fig.3 Seismic profile of W17 station in Shenhu area
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（1）瞬时振幅：主要反映能量上的变化，是反射强度的度量。瞬时振幅剖面（图4）中的BSR具有强振幅特征，可与常规剖面BSR进行对比验证。在BSR上部，水合物形成过程中由于对沉积物孔隙的填充和胶结作用导致含水合物层密度相对均匀，常表现为弱振幅特征，一般情况下难以在地震剖面上解释空白带。但是瞬时振幅剖面上水合物层界线明显，有利于指示天然气水合物发育部位空白带的存在。在BSR下部，游离气受天然气水合物的封堵作用，聚集在水合物底部，形成杂乱反射区，可以作为游离气存在的依据。
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（2）瞬时频率：主要反映地层的岩性变化，是相位时间变化率的度量。可利用含游离气层对高频的吸收反映游离气富集区的分布和验证游离气的存在，根据天然气水合物与游离气之间的关系，进一步推测天然气水合物的分布。瞬时频率剖面可反映地层的含气性（图5）。
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（3）瞬时相位：是地震剖面上反射同相轴连续性的量度。不管地震波反射能量的强与弱都可以显示出其相位。在BSR振幅较弱，连续性较差的情况下，利用瞬时相位剖面可以使BSR更加清晰，易于追踪（图6），而且可以更好的反映空白带内地层产状信息。但是当BSR面与地层不斜交的情况下，瞬时相位剖面的效果则不明显。
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（4）波阻抗：地震勘探中的波阻抗指的是介质（地层）密度和波速度之间的乘积。在地震勘探中，波阻抗是入射角为零度时的情况，即零偏移距，自激自收情况下求得的阻抗值（刘一林等，2022）。相对波阻抗反演（道积分）法是最简单的波阻抗反演方法，通过积分把地震道记录直接反演为波阻抗数据。波阻抗剖面（图7）能清楚的指出水合物的顶界面，即BSR面以上为高阻抗异常区、BSR面以下为低阻抗异常区。其中，高阻抗异常区常为分段性分布，含有天然气水合物；低阻抗区则为游离气的分布区。波阻抗剖面可以更直观展示含水合物层的高阻抗与下部游离气层的低阻抗特征，明确天然气水合物的分布，有利于提高天然气水合物预测的准确度。道积分反演实际上只是对反射系数的积分，并没有测井资料作为约束条件，反演波阻抗数据体只是相对值。虽然其可以在没有约束井的情况下进行反演，但是反演过程几乎只依赖于地震资料，所以地震资料品质高低对最终反演的可靠程度影响很大。
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图4 神狐海域W17站位瞬时振幅剖面
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Fig.4 Instantaneous amplitude profile of W17 station in Shenhu area
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图5 神狐海域W17站位瞬时频率剖面
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Fig.5 Instantaneous frequency profile of W17 station in Shenhu area
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图6 神狐海域W17站位瞬时相位剖面
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Fig.6 Instantaneous phase profile of W17 station in Shenhu area
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（5）亮点反射：在浅地层剖面上一般表现为反射轴局部振幅增强的特点。图7可以看出这种亮点是在气层的顶部，是由相邻介质的波阻抗差异引起，波阻抗差越大，反射界面的系数越大，反射振幅越强（苏丕波等，2017b）。因此，亮点反射也是判别天然气水合物存在的重要标志。由于天然气水合物的形成受控于温度与压力，当游离气扩散向上运移至稳定域时，便会在稳定域底界形成水合物。在稳定域底界天然气水合物和游离气共存的情况下，由于含水合物层与含游离气层之间存在波阻抗差异，使得地震振幅增强明显形成亮点。在研究相对波阻抗剖面图时，我们将其与原始地震剖面对比来看（图8），可以发现BSR的顶部位于亮点的中央，意味着天然气水合物稳定带的底界与上方含高饱和度天然气水合物的地层紧密相邻，由于天然气水合物的高阻抗特性，使得该地层在地震剖面上表现为强振幅的反射波，即“亮点”。
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图7 神狐海域W17站位相对波阻抗剖面图
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Fig.7 Relative wave impedance profile of W17 station in Shenhu area
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图8 神狐海域W17站位原始地震剖面（a）与相对波阻抗剖面（b）对比图
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Fig.8 Comparison of original seismic profile (a) and relative wave impedance profile (b) of W17 station in Shenhu area
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3.2 测井响应特征
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含天然气水合物储层往往表现为相对高的声波传递速度、电阻率和中子孔隙度，在自然伽马（GR）测井曲线中响应为低值（宁伏龙等，2013）。这是由于纯天然气水合物的纵波速度（3.3~3.6 km/s）远大于水的纵波速度（约1.6 km/s），且天然气水合物与冰类似，均是绝缘体，当储层中含有天然气水合物时电阻率值会明显增加（Su Pibo et al.，2024）。以神狐海域W17站位为例，其测井响应特征可在电阻率测井、声波测井、密度测井、中子测井、井径测井、自然伽马测井和成像测井中体现（图9）。
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（1）电阻率测井：影响电阻率测井的主要因素是天然气水合物的含量和导电性（郭洋等，2021）。由于天然气水合物形成阶段具有排盐效应，当水合物饱和度升高时，离子的迁移通道被堵塞，孔隙连通性减小，电阻率测井值就会增大。图9中1460~1520 m为水合物发育层段，电阻率从含水合物层顶部的2 Ω·m增加到4 Ω·m，升高约2倍。
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（2）声波测井：天然气水合物储层的声波速度不仅与岩性有关，同时也受孔隙度、饱和度等因素影响。水合物生成初期以胶结模式为主，当地层储集空间被水合物填充时，胶结程度升高，水合物层声波速度增大。含水合物层段的声波时差相比与纯水层较小，且随着水合物含量增加，其声波时差值减小。含水合物层顶部的纵波声波时差（DTCO）值由0.57 μs/km降低到0.45 μs/km，经过底部又增加至0.63 μs/km，降低趋势明显。
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（3）密度测井：天然气水合物的密度约0.91 g/cm3，气体组分不同，水合物密度值也略有不同，与饱和水层段相比较低，与下伏游离气层相比较高。
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（4）中子测井：天然气水合物形成过程中要从围岩吸取大量的水，且单位体积水合物中20%的水被固态甲烷取代形成笼形结构，使得单位体积储层内含氢量升高。图9显示，中子孔隙度测井在水合物层段响应值略高。但是由于井内有气层存在，在常规测井曲线上有“挖掘效应”，导致中子孔隙度偏小（康冬菊等，2023）。
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（5）井径测井：井径扩径现象明显。图9显示的井径数值变小是由于钻井产热引起部分水合物分解导致井壁坍塌，分解产生的气体加大围岩的压力挤压管道，待气体排出后井径扩大。
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（6）自然伽马测井：天然气水合物的形成伴随着孔隙中甲烷的碳和氢增加，且过程中不存在放射性元素沉淀，故取决于单位体积氢原子数的中子测井响应数据相应增大（Su Pibo et al.，2024），自然伽马（GR）测井响应表现低值（图9）。
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（7）成像测井：成像测井能较好反映天然气水合物储层。常用的成像测井包括电缆测井的微电阻率扫描测井仪（FMS）和随钻测井的地层微成像仪（FMI）以及随钻电阻率成像（GVR），均具有较高的分辨率（卜庆涛等，2020）。图9中的高亮部位很有可能是天然气水合物储层。成像测井还能得到水合物局部分布状态、识别裂缝和断层，判断天然气水合物的赋存状态。
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此外，1510~1520 m层段井径曲线规则显示无扩径，自然伽马数值未发生明显变化，中子孔隙度和密度数值降低，声波时差增大，电阻率值较高且与中子、密度呈镜像特征，即电阻率值较高的位置，中子、密度测井值降低，电成像上也表现为高亮特征，综合测井曲线解释结果认为，该层段为天然气水合物与游离气共存层。
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3.3 地震和测井响应的综合判别
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根据测井-地震数据的综合分析，可以用测井数据将地层划分为四个岩性区间并与地震剖面结合来看，标定四个典型区间所对应的反射界面（图10）。即第一个区间的深度范围为1450~1460 m（水深1249 m，测井曲线图中1450 m即对应海底以下201 m），地震剖面上对应的时间为1890~1902 ms，其反射特征表现为高频清晰反射，地层的成层性较好，反射同相轴在横向上连续，速度缓慢变化，地层的压实作用造成速度随深度的上升。第二个区间的深度范围为1460~1470 m，地震剖面上对应的时间为1902~1913 ms，主要反射特征表现为横向上具有一定的连续性，但成层性相对变差，波阻抗表现不突出，测井曲线表现为伽马的平均值降低，电阻率和声波速度开始升高。第三个区间的深度范围为1470~1520 m，地震剖面上对应的时间为1916~1967 ms，主要特征是BSR表现为一个连续强振幅界面，而地层横向连续性很差，反射特征在横向变化也较大，但整体表现为一个强振幅带，测井曲线表现为电阻率与声波速度明显升高。第四个区间的深度范围为1520~1540 m，地震剖面上对应的时间为1967~1988 ms，主要反射特征表现为弱振幅、低频、低阻抗，测井曲线表现为高声波时差、“扩径”现象明显、电阻率降低、密度降低、中子孔隙度增大。
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图9 神狐海域W17站位测井曲线综合图
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Fig.9 Comprehensive logging curve of W17 station in Shenhu area
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4 讨论
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从地震资料来看，天然气水合物和游离气均表现为强振幅特征。在游离气和水合物共存的层段，表现为高电阻率、低声波速度和低频等特征，说明依靠井震数据无法识别含游离气层。声波速度降低、电阻率增加，可能指示低游离气饱和度层，也有可能是沉积物中黏土的矿物含量、类型和孔隙结构等影响，造成气层电阻率偏低，但天然气饱和度不一定低。因此，共存层则需要结合电成像测井才能有效识别（王秀娟等，2024）。
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图10 波阻抗剖面与测井深度综合分析图
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Fig.10 Comprehensive analysis of wave impedance profile and logging depth
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在上文划分的四个岩性区间中，第二个区间表现出的波阻抗不突出等反射特征，可能与相对较高的砂质含量和孔隙度变化有一定关系。当低的自然伽马平均值伴随着电阻率和声波速度升高，这意味着砂质沉积物含量增加（Lee et al.，2011），也可能是天然气水合物的形成改变了沉积物的物性。而在第三个区间，强振幅带中表现出的地层横向连续性差，可能是天然气水合物的形成过程造成沉积地层破碎，而明显升高的电阻率和声波速度则说明天然气水合物存在于砂质含量相对较高的沉积地层中，这一区间即为天然气水合物赋存区。第四个区间，低频、低振幅、密度值变小且略低于含水合物层、明显降低的电阻率和声波速度结合电成像无高亮显示，可以说明这一区间即为游离气层。
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可以看到，BSR附近地层存在着明显的速度变化现象，即BSR上方为速度相对较高的含水合物层，下方则为聚集的低速游离气层，这与正常沉积地层自浅至深速度逐渐增大刚好相反（梁劲等，2013），而与含天然气水合物的“游离气体带”模型非常吻合。BSR的横向变化可能指示天然气水合物呈层状形式分布于水合物稳定带内的高速层中。同时，微生物气或热解气可以通过断层、裂隙、泥底辟及气烟囱等运移通道以垂向或侧向方式运移，最终在温压条件合适的稳定域内形成天然气水合物矿藏。
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5 结论
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本文基于神狐海域实际的井震资料，对研究区的水合物进行综合分析，从W17站位的地震反射特征、振幅特征、频率特征、速度特征、叠后属性特征等分析水合物与游离气的地球物理响应特征，取得如下认识：
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天然气水合物层表现为强振幅、地层横向连续性差、高阻抗、高电阻率、高声波速度、密度略低于饱和水层段、电成像呈“高亮”；游离气层为弱振幅、低频、低阻抗、低电阻率，低声波速度、“扩径”现象明显、密度低于含水合物层、中子孔隙度增大。
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由于井震单独解释均存在多解性，因此，只有井震紧密结合方可充分利用了地震横向分辨率高，测井纵向分辨率高的特点，准确判识水合物的存在。在水合物分析解释中要综合考虑其异常特征，排除多解性问题，提高水合物综合判识的精度，同时要应用各种信息综合判断以确定水合物和游离气存在的可靠性。
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摘要
天然气水合物储层分布特征及物性的准确评估直接影响天然气水合物资源量的估算，也是天然气水合物开发利用和环境影响研究的基础。本文基于神狐海域高精度三维地震和测井资料，探讨了水合物层、游离气层及共存层的测井-地震响应的综合判别方法。结果表明，通过叠后处理的地震剖面结合测井曲线分析，可准确判别W17站位的天然气水合物层与游离气层。在BSR上方为速度相对较高的水合物层，强振幅带、地层横向连续性差，具有高电阻率和速度等响应特征；而在下方则聚集低速游离气层，低频、弱振幅带，具有低电阻率和速度等响应特征。本研究对于水合物储层识别、资源评价及勘查试采等决策提供依据和重要参考。
Abstract
Accurate evaluation of the distribution characteristics and physical properties of gas hydrate reservoirs is crucial for estimating gas hydrate resources, guiding development and utilization strategies, and understanding environmental impacts. Based on high-precision 3D seismic and well-logging data acquired in the Shenhu area, this paper presents a comprehensive method for discriminating between hydrate layers, free gas layers, and coexistence layers using integrated logging-seismic responses. Our results show that the gas hydrate layer and free gas layer at the W17 station can be accurately identified by combining post-stack seismic profiles with detailed analysis of logging curves. Above the BSR, a hydrate layer is characterized by relatively high seismic velocity, strong amplitude reflections, poor transverse continuity, and high resistivity and velocity values. In contrast, the underlying free gas layer exhibits low seismic velocity, low-frequency weak amplitude reflections, and low resistivity and velocity values. This study provides a robust basis and valuable reference for informed decision-making regarding gas hydrate reservoir identification, resource evaluation, exploration, and trial production activities.
Keywords
Shenhu area ； gas hydrates ； seismic reflection ； logging ； response characteristics
