基于热弹性理论的天然气水合物和游离气饱和度估算

目前大多通过双相介质理论的纵波速度来估计水合物和游离气的饱和度.含水合物的地层具有低导热和高纵波速度等特性,以热弹性理论为基础,建立天然气水合物和游离气饱和度与纵波速度之间的关系,就可以估算出天然气水合物和游离气的饱和度.首先给出了热弹性理论估算水合物和游离气饱和度的方法;然后利用ODP164航次实际地震资料估算了布莱克海台地区的水合物和游离气的饱和度.纵波速度通过约束宽带反演方法得到,天然气水合物和游离气饱和度的估算采用迭代正演模拟法.同时,对影响饱和度的因素进行了分析,认为地层孔隙度是影响水合物和游离气饱和度的关键因素.对水合物而言,若假定的地层孔隙度比实际孔隙度高,则反演得到的饱和度就偏高;反之,饱和度偏低.对游离气来说,若假定的地层孔隙度比实际孔隙度高,则反演得到的饱和度就偏低;反之则偏高.     

天然气水合物和游离气层的弹性参数异常特征及其在饱和度估算中的应用

 与水饱和沉积层相比，天然气水合物和游离气储集层的地震波速度、泊松比、弹性模量及其比值等弹性参数具有明显的异常特征。对于接触胶结水合物层来说，对饱和度变化最为敏感的弹性参数是横波速度和横波波阻抗；对于非接触胶结水合物层来说，对饱和度变化最为敏感的参数是弹性模量比和纵波速度；对于游离气层来说，对饱和度变化最为敏感的弹性参数是弹性模量比和泊松比。当水合物与岩石骨架呈接触胶结时，水合物层在速度和波阻抗剖面上表现为近似平行于海底的高值异常带，而泊松比剖面却无明显异常。利用对饱和度变化敏感的弹性参数估算水合物和游离气饱和度的精度较高。依据对美国布莱克海台区USGS95-1测线的地震数据进行水合物分析研究，发现该地区的水合物是接触胶结类型，得到该地区的水合物饱和度最大可达20%；下伏游离气层的含量小于2%。     

基于分形孔隙模型的含天然气水合物沉积物电阻率数值模拟

电阻率法是确定天然气水合物(以下简称水合物)饱和度的重要方法,通过数值模拟可以有效研究含水合物沉积物的电阻率特性,但过去构建的孔隙模型由于约束条件较少,而与实际的孔隙结构存在着较大的差异。为此,基于自然界沉积物具有自相似特征,选定地毯总边长为3和颗粒边长为1的谢尔宾斯基地毯作为沉积物的分形孔隙模型,根据等效电阻网络模式建立了含水合物沉积物的电导模型,并利用上述模型分析了孔隙度、孔隙水电导率、沉积物骨架电导率等因素对含水合物沉积物电阻率与水合物饱和度关系的影响。研究结果表明:(1)含水合物沉积物的电阻率可以表示为孔隙度、面积比、微观结构尺寸、孔隙水电导度、沉积物骨架电导率及经验参数的函数;(2)孔隙水电导率和孔隙度的减小都会导致沉积物电阻率的增大;(3)含水合物沉积物的电阻率随水合物饱和度的增大而增大;(4)在高水合物饱和度范围内,含水合物沉积物的电阻率随沉积物颗粒骨架电导率的增大而明显减小。结论认为:在一定的水合物饱和度范围内,该分形孔隙模型计算结果与实验数据和测井数据都能较好地吻合,准确度较高。     

南海北部神狐海域含天然气水合物沉积层的速度特征

2007年在南海北部神狐海域对天然气水合物（以下简称水合物）的钻探结果表明,仅依靠似海底反射（BSR）和振幅空白不能揭示沉积层内水合物的赋存状态,不能准确地圈定水合物的分布面积和储层厚度。为准确判定水合物储层情况,对南海北部神狐海域声波测井及地震资料进行了精细分析,研究了含水合物沉积层的声波速度、地震速度的分布特征和变化规律。结果认为：①地震反射剖面上,由于水合物饱和度、厚度增大,引起含水合物沉积层的速度增大而产生上拉构造,其下方同时显示出因低速含气层引起的速度下拉构造,即“眼球状”的速度振幅异常结构;②含水合物层的层速度大小与沉积物孔隙度和水合物饱和度密切相关,水合物饱和度随声波速度升高而上下波动,总体趋势上随声波速度的升高而增高;③在含水合物带内部,高速层呈平行于海底的带状分布,底部速度最高,从底部往上速度逐渐降低;④利用上述特征,结合其他地质和地球物理资料,依据层速度可识别地层中水合物的存在,计算水合物的饱和度,确定含水合物层的厚度、分布范围,并可进一步计算水合物的资源量。     

天然气水合物横波速度等效介质模型预测方法

由于天然气水合物具有多种充填模式,水合物既可作为固体骨架又可作为孔隙充填物赋存于地层中,因此天然气水合物岩石物理模型与常规油气的岩石物理模型具有较大的差异,常规横波预测方法不再适用。为此,开展了利用等效介质模型进行天然气水合物横波预测的方法研究。首先分析矿物组分、孔隙度和水合物饱和度对纵横波速度的影响;然后利用纵波时差、密度、泥质含量、孔隙度、饱和度等常规测井资料根据等效介质模型构建约束优化方程,其中以纵波速度、密度等常规测井资料为约束,孔隙度和饱和度作为优化变量以寻找最优解;采用收敛快、计算结果可靠的信赖域算法求解该约束最优化问题。最后利用神狐海域天然气水合物的钻井资料对方法进行验证,计算的横波速度和饱和度与实际资料吻合度较高。     

东沙海域天然气水合物特征分析及饱和度估算

构造控制天然气水合物的赋存,在底辟构造、海底滑坡、活动断层和挤压脊等特殊地质体发育区是天然气水合物成藏的有利区域。不同地质体附近含水合物地层反射振幅强度和连续性各不相同,仅从地震剖面上难以进行准确识别。声波阻抗可以提供丰富的岩性信息。在东沙海域,以大洋钻探1148井的测井资料和叠加速度作为约束条件,采用约束稀疏脉冲反演方法,基于地震资料进行了波阻抗反演,获得了声波阻抗剖面,在声波阻抗剖面上水合物层表现为高声波阻抗异常,水合物层之下出现低声波阻抗异常。通过最小二乘法建立了1148井的声波阻抗与饱和水孔隙度之间的拟合关系式,计算出饱和水地层的孔隙度为40%~50%。基于阿尔奇方程,通过反演的声波阻抗计算了0101地震测线水域的水合物饱和度,其占孔隙空间的比例为10%~20%,含水合物地层呈横向部分连续分布特征。     

天然气水合物沉积层的AVA特征

本文首先分析了天然气水合物沉积的三种微观模式,根据其不同的岩石物理模型特点,研究了弹性参数随水合物饱和度的变化规律;以精确Zoepprize方程为基础,研究随饱和度变化的AVA特征;最后,利用不同的理论模型模拟了BSR现象,分析BSR产生的三种客观条件以及调谐作用对BSR的影响。研究结果表明:天然气水合物饱和度、下伏层游离气的存在与否与水合物沉积层孔隙的变化是影响BSR特征的重要因素。本文的研究结果可为天然气水合物的深度研究提供一种思路。     

南海沉积物天然气水合物饱和度与电阻率的关系

在天然气水合物勘探中,阿尔奇公式是由电阻率测井数据估算沉积层含水合物饱和度的基本公式,是对含油(气)岩心进行实验总结出的规律。但是对于水合物填充于多孔介质孔隙的沉积物,其电阻率与沉积物的物性以及水合物在孔隙的微观分布状态有关,可能存在一定的非阿尔奇现象,因此采用电阻率估算饱和度需要进行一定的校正。采用交流电桥法测量了3.5 % 盐水饱和的南海沉积物以及水合物在水饱和的沉积物中形成过程中的电阻率数据。水合物形成过程中其电阻率随着含水合物饱和度的增大而增大,尤其在低水合物饱和度(S_h<22 % ),其电阻率随着水合物的生成异常增大,含水合物沉积物的电阻率由水饱和的1.667Ω·m增大到含水合物饱和度为45 % 的2.661Ω·m。对于含水合物的沉积物,其双对数坐标系的电阻率增大指数和含水饱和度并不是阿尔奇公式所描述的直线关系,其饱和度指数n不是定值1.938 6,而随水饱和度S_w的增加而增加。当54.8 % w<78.6 % 时,n小于1.938 6;当S_w>78.6 % 时,n大于1.938 6。     

利用声波速度测井估算海域天然气水合物饱和度

应用针对含水合物地层的TPEM和STPBE岩石物理模型,估算神狐海域水合物钻探区SH2井的天然气水合物饱和度。利用测井和取心样品分析数据确定模型参数,分别在含水合物层段内、外选取样点数据,通过计算数据间欧氏距离定量比较模型预测的声波速度与测井数据间的差异。结果表明2个模型在含水合物地层有相当的适用性,但在不含水合物的地层中TPEM预测的声波速度更接近实测值。这2个模型估算的水合物饱和度与现场孔隙水测试分析得到的结果一致,显示出较好的实用性,TPEM模型预测的饱和度平均值为35.4%,STPBE模型预测的为29%,预测的最大值则分别为67.5%和69.4%。     

沉积物中天然气水合物微观分布模式及其声学响应特征

天然气水合物（以下简称水合物）的微观分布与其形成条件、流体运移通道等密切相关,对天然气水合物资源勘探与评价具有重要意义。为了解水合物在固结沉积物和松散沉积物中的微观分布及其声学响应特征,采用超声和时域反射联合探测技术实时测量了沉积物中水合物生成、分解过程中声速等参数的变化情况。结果表明,在固结沉积物中,水合物先在孔隙流体中形成,随后逐渐向骨架靠拢,当饱和度大于30%后水合物开始胶结沉积物颗粒生成,这种胶结模式会圈闭部分孔隙流体,使之因得不到气源的补充而难以形成水合物,因此固结沉积物中水合物饱和度最终为65.5%左右;在松散沉积物中,少量的水合物（饱和度1%左右）胶结沉积物颗粒生成,当饱和度大于1%后水合物开始在孔隙流体中以悬浮状形态生成,由于水合物与沉积物颗粒间尚有流体运移通道,水合物能进一步生成,最终几乎完全充填沉积物孔隙。不同的水合物微观分布特征对沉积物的声速具有不同影响：水合物在孔隙流体中生成时,10%饱和度的水合物对固结沉积物的声速影响不明显;当水合物胶结沉积物颗粒生成时,约1%饱和度的水合物可使松散沉积物的纵波速度增长200~300 m/s。     

天然气水合物勘探技术研究现状

简要介绍了天然气水合物及其研究现状、天然气水合物聚集的地质特征和地球化学异常识别技术。介绍了以似海底反射层、AVO技术和速度振幅结构为主的天然气水合物地震检测技术。阐述了电阻率测井、声波时差测井等常规测井方法和介电测井、随钻测井等4种特殊测井方法以及天然气水合物孔隙度、饱和度和泥质含量等天然气水合物的测井解释方法，同时指出了目前天然气水合物地震检测和测井中存在的问题及今后的研究方向。     

南海北部神狐海域浅层深水沉积体对天然气水合物成藏的控制

南海北部神狐海域是我国海域天然气水合物(以下简称水合物)研究的热点区域,但该区域水合物储集体类型及特征尚未得到充分的认识。为此,在对不断积累的资料进行分析总结的基础上,基于高分辨率三维地震资料精细解释、岩心沉积物粒度参数描述和粒度C—M模式分析,系统探讨了该海域含水合物层与上覆不含水合物层沉积物的成因机制,分析了含水合物层沉积物粒度参数与水合物饱和度的关系,并初步揭示了深水沉积与水合物藏分布的耦合关系。研究结果表明:①该区水合物赋存在南海北部陆坡峡谷脊部和下游段—嘴部的细粒浊积体中,含水合物细粒浊积体和上覆不含水合物层的沉积物具有不同的粒度参数特征和显著的沉积成因差异;②与峡谷脊部细粒浊积体相比,峡谷下游段—嘴部的细粒浊积体中可能存在着不同成因类型的沉积物夹层,其沉积过程具有复杂性和多期性;③含水合物层的粒度分选系数与水合物饱和度关联性最大,其次为偏度,粒度参数可能通过影响储层物性进而控制水合物饱和度;④气烟囱、断层等流体运移通道和细粒浊积体共同构成水合物的"运聚体系"。结论认为,细粒浊积体和气烟囱构造的空间匹配是神狐海域水合物不均匀性分布的关键控制因素,"水合物运聚体系"控制水合物成...     

海域天然气水合物岩石物理建模方法

海域天然气水合物赋存于疏松沉积物中,天然气水合物岩石物理建模之前需要建立疏松沉积物的岩石物理模型。为此,针对传统疏松沉积物岩石物理模型存在横波速度估计误差偏高、建模过程不自洽的问题,考虑海水对沉积物颗粒的润滑作用,引入改进的Hertz-Mindlin方程进行岩石物理建模,提高了建模精度;针对疏松沉积物的建模过程,首先利用改进的Hertz-Mindlin方程计算临界孔隙度条件下沉积物的弹性模量,然后利用Hashine-Shtrikman界限计算疏松沉积物骨架的弹性模量;在讨论不同赋存形态的水合物对沉积物弹性性质的影响及适用模型、判别准则的基础上,针对以颗粒支撑和孔隙流体充填两种赋存状态存在的天然水合物,设计了兼容两种赋存形态的岩石物理建模方法和流程。浅钻井的实测曲线与建模结果吻合度高,证实了该方法的适用性。     

孔隙水垂向不均匀分布体系中水合物生成过程的电阻率变化

天然气水合物具有极强的储气能力,被认为是一种潜力巨大的新型能源矿产。电阻率测井技术在海洋天然气水合物勘探工作中发挥着重要作用,然而涉及水合物电阻率数据的处理与Archie公式应用等方面的工作仍需进一步完善。利用自主研发的水合物电学特性模拟实验装置开展了孔隙水垂向不均匀分布体系中甲烷水合物的合成实验,获得了不同饱和度下含水合物沉积物电阻率数据,并在此基础上试算了Archie公式的经验参数。结果表明:电阻率变化能够指示水合物反应过程,其变化特征是反应不同阶段排盐效应、孔隙含水量和孔隙填充方式等多种影响因素共同作用的结果;含水合物的天然海砂电阻率参数存在非Archie现象,地层因子、电阻率增大指数等Archie公式参数受水合物饱和度变化的影响。     

南海北部陆坡天然气水合物地震识别研究

天然气水合物的存在改变沉积地层的声学特征，使得多道地震勘探成为发现天然气水合物的主要手段。地震识别首先通过地震剖面上独特的地震反射特征初步判断，然后经过地震反演获得地层的速度场分布，从而确定天然气水合物的存在及分布。南海北部陆坡是天然气水合物形成并稳定存在的有利区域，其多道地震反射剖面上具有明显的天然气水合物存在标志，包括强振幅的似海底反射（BSR）、振幅空白带、BSR与地层斜交等典型地震反射特征。文章以南海北部陆坡区的多道高分辨率地震数据为基础，探讨了天然气水合物地震识别的地震成像和波阻抗反演这二个方面的关键技术；研究结果不但突出了含天然气水合物地层的地震反射特征，并得到与天然气水合物最相关的地层岩性参数--声波速度；地震反射特征与速度场异常分别为天然气水合物的识别提供了定性和定量的地球物理证据；根据声波速度场的分布，可以推断存在于研究区地层的天然气水合物主要分布在靠近BSR的上覆沉积地层中。     

南海神狐海域天然气水合物储层参数测井评价

南海北部神狐海域经历了复杂的构造演化过程,断裂发育,该区天然气水合物的垂向分布具有明显的不连续性和不均匀性。利用测井资料计算地层孔隙度和水合物储层饱和度等参数,对深入研究储层水合物分布特征、储层优选等具有重要意义。基于电阻率和声波测井等资料,讨论了地层孔隙度的几种计算和修正方法,并在此基础上对南海神狐海域SH2井水合物饱和度做了探讨和定量评价。结果表明:考虑泥质含量和井径变化等因素的影响,要对密度法计算的孔隙度进行适当修正;含泥质修正的电阻率法能较准确地预测水合物饱和度;不同的岩石物理模型影响饱和度的计算结果,四相介质Wood方程和等效介质理论各有优势和不足,将上述2个模型结合得到改进的Wood方程计算的水合物饱和度与通过氯离子浓度异常计算的饱和度值吻合较好。多种评价方法结果相一致可表明水合物的大致分布,由此估计沿SH2井饱和度大于20%的水合物层厚度约为22m,最大含量约为23%。     

南海北部神狐海域浅层深水沉积体对天然气水合物成藏的控制

南海北部神狐海域是我国海域天然气水合物（以下简称水合物）研究的热点区域,但该区域水合物储集体类型及特征尚未得到充分的认识。为此,在对不断积累的资料进行分析总结的基础上,基于高分辨率三维地震资料精细解释、岩心沉积物粒度参数描述和粒度C—M模式分析,系统探讨了该海域含水合物层与上覆不含水合物层沉积物的成因机制,分析了含水合物层沉积物粒度参数与水合物饱和度的关系,并初步揭示了深水沉积与水合物藏分布的耦合关系。研究结果表明：①该区水合物赋存在南海北部陆坡峡谷脊部和下游段—嘴部的细粒浊积体中,含水合物细粒浊积体和上覆不含水合物层的沉积物具有不同的粒度参数特征和显著的沉积成因差异;②与峡谷脊部细粒浊积体相比,峡谷下游段—嘴部的细粒浊积体中可能存在着不同成因类型的沉积物夹层,其沉积过程具有复杂性和多期性;③含水合物层的粒度分选系数与水合物饱和度关联性最大,其次为偏度,粒度参数可能通过影响储层物性进而控制水合物饱和度;④气烟囱、断层等流体运移通道和细粒浊积体共同构成水合物的“运聚体系”。结论认为,细粒浊积体和气烟囱构造的空间匹配是神狐海域水合物不均匀性分布的关键控制因素,“水合物运聚体系”控制水合物成藏的模式将有助于进一步理解深水沉积与水合物成藏的关联性。     

南海神狐海域水合物对岩心电阻率的影响

研究南海神狐海域天然气水合物的电学特性,对资源量的估算具有重要意义。选取南海神狐海域SH7B站位岩心样品,采用高过冷度和冰点以下温度震荡等方式,合成含天然气水合物的岩心样品,实验研究含天然气水合物海底沉积物的电学特性。甲烷在3.6℃形成天然气水合物时,岩心样品电阻率从1.220Ω·m(水饱和状态)增加至2.150Ω·m(水合物饱和度S_h为37.7%);当S_h≤18.0%时,样品电阻率变化明显,水合物开始胶结于沉积物颗粒;当18.0%S_h≤25.0%时,电阻率变化较平缓,水合物可能以接触模式存在于沉积物孔隙;当S_h25.0%时,大量的水合物可能胶结于沉积物孔隙,以致电阻率增加较快。最终甲烷气体难以扩散至被水合物封闭的孔隙流体中,电阻率趋于稳定。     

气体水合物反射层的速度结构研究

地震反射剖面的成像特征反映了海底模拟反射层(BSRs)与海底底面平行特征,人们通常称该反射层就是甲烷水合物稳定带的基底。本文根据地震反射数据的波形反演技术,分析了用于估算BSR层的反射速度结构特点和水合物层厚度。通过大洋钻探计划(ODP)验证结果表明,BSR层下部的沉积物孔隙层中含有大约30m厚的游离甲烷气。水合物层和其下部的气体代表着巨大的甲烷气藏,它将有着重要的经济意义和影响全球气候变化。     

泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系的力学特性

天然气水合物开采过程中，厘清储层力学参数的演化特征是进行工程地质风险评估的基础，但目前针对中国南海含天然气水合物泥质粉砂储层力学性质评价与测试相关研究的报道却鲜见。为此，以南海北部神弧海域W18/19矿体天然气水合物顶界沉积物为研究对象，用四氢呋喃（THF）水合物代替天然气水合物，以此来探讨泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系的力学参数演化特征。研究结果表明：①在低质量丰度条件（小于等于16.7%）下泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系呈现应变硬化破坏特征，抗剪强度、切线模量、内聚力随着水合物含量的增大而增大；②纯天然气水合物的应力—应变曲线表现出明显的脆性破坏特征，与低丰度条件下的泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系破坏特征截然不同。进而提出了采用丰度（质量丰度或体积丰度）代替原有的砂质沉积物中饱和度概念来表征天然气水合物含量的建议，在考虑天然气水合物合成结束后泥质粉砂沉积物含水率影响的基础上，将泥质粉砂型天然气水合物—沉积物混合体系划分为纯沉积物、含天然气水合物沉积物、含沉积物天然气水合物和纯天然气水合物4种基本类型，以克服目前针对含天然气水合物泥质粉砂储层力学性质研究中所存在的不足。