裂隙充填型天然气水合物的各向异性分析及饱和度估算——以印度东海岸NGHP01-10D井为例

沿裂隙发育的天然气水合物是印度深水盆地细粒沉积物中水合物的重要产出方式,水合物以结核状或脉状充填在高角度裂隙中.天然气水合物主要沿着构造主应力方向生成,由于裂隙的存在,含水合物的沉积物层呈现各向异性.利用孔隙介质中水合物呈均匀分布的速度模型计算的NGHP01-10D井水合物饱和度高达40%,而压力取芯表明水合物饱和度占孔隙空间的20%左右.为了研究水合物饱和度差异,基于层状介质的各向异性模型计算了裂隙充填型水合物的饱和度.在垂直井孔中,由于波入射角与裂隙倾角有关,考虑裂隙倾角变化,利用纵波和横波速度同时反演水合物饱和度和裂隙倾角.利用层状介质模型计算的水合物占孔隙空间的15%～25%,裂隙的倾角在60°～90°,多为高角度裂隙.在NGHP01-10D井中,纵横波速度联合计算的饱和度与压力取芯结果吻合更好.     

Acoustic properties of sediments saturated with gas hydrate, free gas and water

We obtain the wave velocities and quality factors of gas‐hydrate‐bearing sediments as a function of pore pressure, temperature, frequency and partial saturation. The model is based on a Biot‐type three‐phase theory that considers the existence of two solids (grains and gas hydrate) and a fluid mixture. Attenuation is described with the constant‐Q model and viscodynamic functions to model the high‐frequency behaviour. We apply a uniform gas/water mixing law that satisfies Wood's and Voigt's averages at low and high frequencies, respectively. The acoustic model is calibrated to agree with the patchy‐saturation theory at high frequencies (White's model). Pressure effects are accounted by using an effective stress law for the dry‐rock moduli and permeabilities. The dry‐rock moduli of the sediment are calibrated with data from the Cascadia margin. Moreover, we calculate the depth of the bottom simulating reflector (BSR) below the sea floor as a function of sea‐floor depth, geothermal gradient below the sea floor, and temperature at the sea floor.     

天然气水合物似海底反射层(BSR)AVA特征:双相介质模型

The bottom simulating reflector （BSR） in gas hydrate-bearing sediments is a physical interface which is composed of solid, gas, and liquid and is influenced by temperature and pressure. Deep sea floor sediment is a porous, unconsolidated, fluid saturated media. Therefore, the reflection and transmission coefficients computed by the Zoeppritz equation based on elastic media do not match reality. In this paper, a two-phase media model is applied to study the reflection and transmission at the bottom simulating reflector in order to find an accurate wave propagation energy distribution and the relationship between reflection and transmission and fluid saturation on the BSR. The numerical experiments show that the type I compressional （fast） and shear waves are not sensitive to frequency variation and the velocities change slowly over the whole frequency range. However, type II compressional （slow） waves are more sensitive to frequency variation and the velocities change over a large range. We find that reflection and transmission coefficients change with the amount of hydrate and free gas. Frequency, pore fluid saturation, and incident angle have different impacts on the reflection and transmission coefficients. We can use these characteristics to estimate gas hydrate saturation or detect lithological variations in the gas hydrate-bearing sediments.     

基于弯曲元技术的含水合物松散沉积物声学特性研究

含水合物松散沉积物的声学特性对海上天然气水合物地球物理勘探和资源评价具有重要意义.研制了适用于高压条件下含水合物沉积物声学特性探测的纵横波一体化新型弯曲元换能器,提出利用频谱分析(FFT)和小波分析(WT)相结合的方法获取纵横波速度,并进行了多个轮次的水合物声学特性模拟实验研究.结果表明,新型弯曲元技术可以灵敏探测松散沉积物中水合物的生成和分解,随着水合物饱和度(Sh)的增大,纵横波速度呈规律性增长:当Sh<25%时,纵横波速度增长较快,水合物可能胶结沉积物颗粒生成;25%~60%之间,声速增长较为缓慢,水合物可能与沉积物颗粒呈接触关系;在Sh>60%时声速随着水合物饱和度增加又快速增长,表明水合物可能重新胶结沉积物颗粒生成.     

水合物层下伏游离气渗漏过程的数值模拟及实例分析

海洋环境中天然气水合物层是理想的毛细管封闭层,游离气被抑制在水合物层下,游离气层的气体压力随气体聚集和气层厚度的增加而升高,当气压超过封闭层的毛细管力时,游离气会克服毛细管进入压力、刺入上伏封闭层孔隙空间,毛细管封闭作用随之消失,从而形成水合物下伏游离气向海底的渗漏.通过对该过程进行的数值模拟计算表明：渗漏气体是以活塞式驱动上伏沉积层中的孔隙水向海底排出,水合物稳定带内流体渗漏速度随水流柱高度的减小而增加,当水流阻抗大于相应沉积层段的静岩压力时,沉积层将转变为流沙,流沙沉积被海流移除后便在海底留下凹陷麻坑.麻坑形成后流体运移通道演化为气体通道,气体快速排放.麻坑深度主要取决于游离气层的厚度和水合物封闭层（底界）的深度,而与沉积层的渗透率无关.麻坑深度一定程度上指示了渗漏前水合物层下伏游离气层的资源量.对布莱克海台海底麻坑深度的数值模拟计算表明,形成4 m深的海底麻坑需要至少22 m厚的游离气层.     

南海北部神狐海域天然气水合物成藏演化分析研究

南海北部陆坡具备天然气水合物成藏的基本地质条件,神狐海域天然气水合物是当前我国海洋天然气水合物勘探开发研究的重点靶区.然而,神狐海域水合物集中分布在水合物稳定带的底部薄层中,饱和度高,其水合物特征与典型的低甲烷通量控制的水合物分布有很大差异,对其成藏机理和控制因素尚不明确.本文构建了针对神狐水合物成藏过程的一维动力学模型,模型包括沉积压实作用、甲烷溶解度、以及水合物生成和沉积体渗透率,模拟计算的主控参量为海底沉积速率和水流通量,在孔隙水中甲烷浓度一定的情况下,水流速率决定了溶解甲烷的迁移速率和稳定带中甲烷的供给速率,并以此模型计算了神狐海域水合物聚集成藏的动力学过程.模型讨论了特定沉积速率和水流通量条件下水合物成藏与分布特征,并与实际观测数据进行比较研究.研究发现,基于当前沉积速率和水流通量条件模拟的水合物形成演化过程,与神狐海域实际水合物分布特征存在很大差异,但在假定系统中水合物饱和度初值达16~20%时,模拟的水合物饱和度分布特征与观测数据吻合,并因此推测在早期地质历史上,神狐海域存在更加丰富的甲烷水合物,当前的水合物分布特征是在对早期水合物继承基础上发展而成的,而且神狐海域水合物含量正逐渐减少.     

南海北部神狐海域天然气水合物分解的测井异常

南海北部神狐海域GMGS-1钻探揭示SH3井天然气水合物位于稳定带上部,厚度约为10 m.氯离子异常计算的水合物饱和度最高达26%,高水合物饱和度层出现高电阻率和低纵波速度.为分析该低纵波速度异常,本文基于简化的三相介质理论计算了饱和水纵波速度,在深度195 m附近,测量的纵波速度小于饱和水纵波速度.利用阿尔奇公式,基于原位温度、盐度、密度孔隙度和测量的电阻率,利用交会分析确定了该井的阿尔奇常数为a=1.1和m=2.3.基于该参数,利用阿尔奇方程计算的水合物饱和度占孔隙空间5%~20%,局部地层水合物饱和度达26.8%,在垂向上分布不均匀.由于钻探可能导致水合物发生分解而产生游离气,原位游离气和水合物分解产生的气体都能造成低纵波速度异常.由于地震资料采集在测井之前完成,利用不同速度制作合成地震记录并与地震资料进行对比,能够确定水合物稳定带上部的低速异常形成原因.     

海洋含水合物沉积层的速度频散与衰减特征分析

随着水合物含量的增加,往往会引起纵、横波速度的增加,同时也会引起衰减的变化.针对含水合物沉积层的速度频散与衰减特征分析,有助于水合物含量的估计.本文以有效介质理论模型(EMT)为基础,研究了海洋未固结含水合物沉积层的纵、横波速度的非线性变化趋势.同时采用BISQ模型替代有效介质模型中的Gassmann方程,具体分析了全频带范围内海洋含水合物沉积层的速度频散与衰减特征.采用该模型,速度与衰减均随着水合物含量的增加而增加,且岩石孔隙度与泥质含量对衰减系数的影响较小.针对大洋钻探计划(ODP)164航次的实际数据,运用该模型方程计算采用声波测井数据(20kHz)与VSP数据(100Hz),分别获取了水合物稳定带的饱和度数据,平均在5%~7%之间,由于速度频散的影响,VSP估算结果要弱低于声波测井估算数据,均与实测保压取芯的甲烷含量数据、他人研究成果以及神经网络趋势预测结果均有着较好的一致性.对南海神狐海域三口钻位开展了水合物含量预测,与保压取芯结果有着较好的吻合关系.同时基于层剥离法提取该区域某地震测线BSR层的等效Q值,采用本文方法估算了该区域的等效天然气水合物含量15%~30%.数值模拟与实际应用结果表明:含水合物沉积层的速度频散与衰减特征均随着水合物含量的变化而变化,联合利用这一些变化特征,有助于天然气水合物含量的估计.     

全球与区域天然气水合物中天然气资源量估算

天然气水合物作为未来的一种替代能源引起了国内外很多研究者的关注,他们从不同的方面对天然气水合物进行了研究.随着研究的深入,许多研究者发现,全球天然气水合物中天然气资源量并没有最初认为的那么多,而且相差了几个数量级,这就大大降低了天然气水合物在未来能源中的地位.本文的研究目的是通过分析全球天然气水合物中天然气资源量的估算方法,归纳总结有关全球及区域估算天然气水合物中天然气资源量的文献,使人们对天然气水合物有个重新的认识,同时为未来的能源勘探开发提供一定的参考.通过分析我们发现全球天然气水合物中天然气资源量的估算值随着人们对天然气水合物认识程度的增加而降低;而且目前能够较准确反映全球海洋天然气水合物中天然气资源量的估算值是（1~5）×1015m3（大约500~2 500 Gt甲烷碳）.我们通过总结国外及国内几个典型区域的天然气资源量估算值还发现,国外研究者主要是根据钻孔及BSR资料确定用于计算天然气资源量的参数,使得计算结果较符合实际;而国内的学者基本是使用模拟计算及假设的方法确定各种参数,估算值仍存在很大差异,因此,我们认为只有获得实测数据才能使国内的估算结果更加接近实际.     

Passing gas through the hydrate stability zone at southern Hydrate Ridge,offshore Oregon

We present an equilibrium model of methane venting through the hydrate stability zone at southern Hydrate Ridge, offshore Oregon. Free gas supplied from below forms hydrate, depletes water, and elevates salinity until pore water is too saline for further hydrate formation. This system self-generates local three-phase equilibrium and allows free gas migration to the seafloor. Log and core data from Ocean Drilling Program (ODP) Site 1249 show that from the seafloor to 50 m below seafloor (mbsf), pore water salinity is elevated to the point where liquid water, hydrate and free gas coexist. The elevated pore water salinity provides a mechanism for vertical migration of free gas through the regional hydrate stability zone (RHSZ). This process may drive gas venting through hydrate stability zones around the world. Significant amount of gaseous methane can bypass the RHSZ by shifting local thermodynamic conditions.     

水合物合成及导热系数测定

设计了一套实验装置，结合瞬态面热源法来测量混合气水合物导热系数及含混气水合物的沙子多孔介质的有效导热系数.在-10℃～5℃，压力66MPa下，含体积比甲烷9001%，乙烷503%，丙烷496%的混合气与0971mol/m3十二烷基磺酸钠水溶液生成的水合物的导热系数约为055W/(m·K)，并且其值随温度的上升而增高，呈玻璃体导热特性.由于“爬壁”效应的存在，混合气与饱含SDS水溶液的沙子多孔介质反应生成含混合气水合物的沙子多孔介质的有效导热系数（约12W/(m·K)）显著低于含四氢呋喃水合物的沙子多孔介质的值（约19W/(m·K)）.虽然本实验使用了SDS来加速和促进水合反应的进行，但是水合物样品中依然存在游离水，因此本研究采用了温度振荡法来进一步促进含SDS水溶液的水合反应进行，研究发现当浴槽温度在-10℃～4℃间周期变化时，游离水在水的相变温度区附近转变为水合物，通过几个周期的温度振荡，样品中的游离水被完全消耗掉.最后通过对含不同浓度SDS的四氢呋喃水合物导热系数测试，讨论了实验中加入SDS对水合物导热系数的影响，结果认为本实验中加入的SDS量对测试结果影响很小（±15%）.     

海洋天然气水合物的地球物理研究(III):似海底反射

对天然气水合物研究中与似海底反射有关的一些观点进行讨论 ,以推动天然气水合物地震研究的认识 .30年的似海底反射研究表明 ,似海底反射仍然是指示天然气水合物沉积存在的最好手段之一 .有似海底反射 ,是可以认为存在天然气水合物的 .虽然存在“游离气带速度模型”与“水合物楔速度模型” ,但似海底反射主要由天然气水合物稳定带底界下方的游离气引起 .BSR上方的天然气水合物、下方的游离气与天然气再循环和含甲烷的流体流有关 .由于天然气水合物稳定带计算控制因素难以准确确定等因素 ,似海底反射与天然气水合物稳定带底界只是近似的对应关系 .需从动态的观点考虑天然气水合物 天然气体系及其与似海底反射的关系 .     

南海北部神狐海域天然气水合物成藏模式研究

南海北部陆坡神狐海域是我国海洋天然气水合物勘探开发研究的重点靶区,独特的水合物成藏特征,难以利用当前观测到的沉积速率和流体流动条件对其成藏机理进行解释和量化说明,对其形成演化模式和控制因素尚不明确.本文构建了海洋天然气水合物形成演化过程的动力学模型,模型的主控参量为海底沉积速率和水流速率,以此计算了神狐海域天然气水合物聚集演化过程,并与饱和度的盐度测试值进行对比.最后,在研究神狐海域地质构造活动和水合物成藏动力学基础上建立了神狐天然气水合物形成演化模式.认为神狐海域当前的天然气水合物是在上新世末—更新世早期断裂体系水合物基础上继承演化而来的,神狐海域天然气水合物形成演化具有典型的二元模式.第一阶段水合物形成发生在距今1.5 Ma之前构造活动形成的断裂体系中,高达50 m/ka的孔隙水流动携带了大量的甲烷进入水合物稳定带,导致了水合物的快速生成,在4万年内形成了饱和度达20%的甲烷水合物;第二阶段发生在1.5 Ma以来,泥质粉砂沉积使沉积体渗透率骤减,0.7 m/ka的低速率水流使甲烷供给不足,在海底浅层新沉积体中无法生成水合物,仅在水合物稳定带底部有缓慢的水合物继承增长,并因此形成了神狐海域当前观测到的水合物产出特征,而且水合物资源量仍在减少.     

南海北部陆坡细粒沉积物天然气水合物系统的形成模式初探

我国在南海北部陆坡的细粒沉积物中首次钻获水合物样品,为深入了解这一特殊成藏体系的形成机制,本研究以钻探区域高精度的二维和三维多道地震资料为基础,通过精细的地球物理解释和地质分析,探讨了该天然气水合物系统的成藏控制因素.细粒沉积物天然气水合物系统中水合物的富集过程存在着三个特殊的控制因素：（1）大面积丰富的含甲烷流体的参与.南海北部深水盆地广泛存在的异常热流体活动促使深部的热解成因天然气或浅层的生物成因气运移到水合物稳定带,有利于水合物的发育.热流体活动表现为底辟和气烟囱构造,在地震剖面上,表现为地震声学模糊带、同相轴下拉或中断、顶部出现反射亮点,这些构造直抵水合物稳定带.在气烟囱或底辟构造顶部通常有BSR伴生,说明热流体活动与水合物成藏具有密切关系;（2）断裂构造的发育在水合物稳定带中细粒沉积物的成核和生长过程中具有重要的作用,一方面促进稳定带流体的垂向和侧向运移,另一方面,构造裂缝可能成为成核和生长过程的空间;（3)大型海底滑坡导致了地层中超压流体活动和构造裂缝的发育,从而促进了水合物富集.在上述研究基础上,提出了南海北部水合物钻探区高饱和度水合物成藏模式.     

Distribution of gas hydrate in fractured reservoirs: Insights from anisotropic seismic measurements

Seismic properties of hydrate-bearing reservoirs that are affected significantly by the hydrate distribution are key for quantitative assessment of the reservoir. The knowledge of hydrate distribution in fractured reservoirs remains poorly understood. To obtain such knowledge, we measured and analyzed five anisotropic velocities needed to fully characterize the seismic anisotropy in an artificial sandstone with aligned fractures during hydrate formation associated with varying distribution. We showed that while the formation of hydrate improved the velocities, the improvement was more significant for hydrate saturation above 10%. We also showed that the increasing trends varied among the anisotropic velocities when hydrate saturation was above 10%. Specifically, the compressional wave velocity travelling vertical to the bedding plane and the shear wave velocity with polarization perpendicular to the bedding plane increased more rapidly than the other compressional and shear wave velocities, respectively. Interpretation of the anisotropic seismic results suggested that the hydrate tends to bind to the grains in the fractures at low hydrate saturation, and becomes to bridge the fracture surfaces when the hydrate saturation exceeds 10%. The results have provided new insights into the hydrate distribution and its resulting anisotropic seismic properties in fractured reservoirs. This will pave the way for the successful assessment of hydrate in fractured reservoirs.     

南海北部神狐海域天然气水合物形成聚集的数值模拟研究

利用2D数值方法对南海北部陆坡神狐海域水合物形成聚集过程进行了模拟,对气烟囱、泥底辟与水合物成藏间的关系进行研究.模拟结果表明,来自深部的甲烷热解气在向上运移过程中以垂向运动为主,且局限在某一狭窄的范围内,故在地震剖面上显示为气烟囱及顶部BSR.只有当其越过水合物稳定带底界,才能形成水合物,此时BSR等于水合物稳定带底...     

Effects of salinity on methane gas hydrate system

Using an approximately analytical formation, we extend the steady state model of the pure methane hydrate system to include the salinity based on the dynamic model of the methane hydrate system. The top and bottom boundaries of the methane hydrate stability zone (MHSZ) and the actual methane hy-drate zone (MHZ), and the top of free gas occurrence are determined by using numerical methods and the new steady state model developed in this paper. Numerical results show that the MHZ thickness becomes thinner with increasing the salinity, and the stability is lowered and the base of the MHSZ is shifted toward the seafloor in the presence of salts. As a result, the thickness of actual hydrate occur-rence becomes thinner compared with that of the pure water case. On the other hand, since lower solubility reduces the amount of gas needed to form methane hydrate, the existence of salts in sea-water can actually promote methane gas hydrate formation in the hydrate stability zone. Numerical modeling also demonstrates that for the salt-water case the presence of methane within the field of methane hydrate stability is not sufficient to ensure the occurrence of gas hydrate, which can only form when the methane concentration dissolved in solution with salts exceeds the local methane solubility in salt water and if the methane flux exceeds a critical value corresponding to the rate of diffusive methane transport. In order to maintain gas hydrate or to form methane gas hydrate in marine sedi-ments, a persistent supplied methane probably from biogenic or thermogenic processes, is required to overcome losses due to diffusion and advection.     

海洋天然气水合物发育顶界的模拟计算

天然气水合物顶界的确定对于其资源评价十分重要,但目前还没有很好的方法来确定.本文利用在甲烷-硫酸根（SMI）界面硫酸根与甲烷所消耗的量相等和水-天然气水合物二相体系甲烷溶解度模型,建立了水合物顶界埋深计算的数学模型,并考虑硫酸根氧化有机质和微生物原位甲烷生成的影响.计算的ODP1245和IODP1327站位水合物顶界埋深分别为53 mbsf和83 mbsf,与钻探获得的水合物顶界埋深相吻合.     

沉积物孔隙空间天然气水合物微观分布观测

在高分辨率工业型X射线层析扫描仪上（X-CT,X-Ray Computerized Tomography）,研制了适用于沉积物中水合物微观赋存状态研究的CT原位探测装置,可通过模拟天然气水合物生成/分解过程,直接观测水合物在沉积孔隙中的微观分布特征.对粒径为0.425~0.85 mm沉积物中水合物形成过程进行了CT观测研究,结果表明,沉积孔隙中水合物呈混合分布模式,但在水合物不同形成阶段,以某种分布模式为主导：在水合物形成初期,仅有极少量水合物悬浮在流体中,水合物主要以接触或胶结模式为主;在水合物形成中期（如饱和度为24.6%、35.0%时）,水合物倾向于在孔隙流体中以悬浮状形态生成;在水合物形成后期（如饱和度为51.4%之后）,悬浮状的水合物慢慢生长聚拢在一起,水合物又重新胶结沉积物颗粒.