水平井开采南海神狐海域天然气水合物数值模拟

2007年5月,南海北部神狐海域的实地钻探结果表明该区域海底存在大量天然气水合物,其作为未来我国潜在的可开发能源的调查和资源评价工作正在展开.本文以SH7站位的钻探、测井数据为基础,建立了实际水合物藏分层地质模型,主要包括上盖层、水合物层和下盖层,其中上下盖层均为可渗透的沉积物.本文利用新型的开采井设计方式,进行了单一...     

南海北部神狐海域天然气水合物钻探区第四纪以来的沉积演化特征

南海北部神狐海域是我国首次获取海洋天然气水合物实物样品的海域.然而, 陆坡区深水水道和海底峡谷的侵蚀以及频发的沉积物失稳, 将会加剧地层对比和沉积相识别的难度, 导致目前该区域典型地震相-沉积相特征、沉积体类型、成因机制和空间匹配关系等方面还缺少精细的研究, 特别是第四纪以来的沉积演化涉及较少, 区域内水合物形成和分布的沉积地质条件尚不清晰.基于海底地形特征的描述、层序地层格架的对比和地震资料的综合解释, 本次研究在第四纪以来的沉积充填序列中识别出5种典型的地震相类型, 并分析了对应的沉积体类型:进积型的陆坡、第四纪早期发育的小型浊积水道、沉积物失稳(滑移和滑塌)、海底峡谷和伴生的沉积物变形、以及深海沉积-块体流沉积的复合体.通过沉积单元的空间匹配关系, 将沉积演化划分为3个阶段:浊积水道侵蚀-沉积物再沉积阶段、陆坡进积-沉积物失稳阶段、海底峡谷的侵蚀-充填阶段.研究结果表明, 受第四纪早期小型浊积水道的侵蚀, 再沉积的沉积物将在中-下陆坡以"近源"的方式堆积下来, 可能具有相对较好的物性条件, 从而可被视为适于水合物赋存的有利沉积体.进积型陆坡带来的沉积物易于发生失稳, 在研究区内广泛分布, 因其具有较小的沉积物颗粒粒度和较好的垂向连续性, 可被认为是水合物的区域盖层.大量发育的海底峡谷及伴生的沉积物变形, 将会侵蚀和破坏先前沉积的有利沉积体, 使其呈现为"斑状/补丁状"的平面展布特征, 进而影响了神狐海域水合物的分布.因此, 神狐海域第四纪以来的沉积演化是钻探区水合物不均匀性分布的关键控制因素之一.     

南海神狐海域地层渗透率与含水合物饱和度关系研究(英文)

本文利用取自南海神狐海域钻井岩芯进行了核磁共振测量,研究了岩石中所含水合物对地层渗透率的影响,该岩芯样品为一"孔隙充填型"水合物样品。核磁共振测量结果表明岩石中所含水合物对地层渗透率影响很大,随着含水合物饱和度的增加,地层渗透率迅速降低。通过对测量结果的进一步分析可知"孔隙充填型"水合物对地层渗透率的影响-存在多方面的因素,包括水合物对地层孔隙度、孔隙迂曲度的影响以及对水合物对孔隙喉道的堵塞等。最后本文利用Masuda下降模型建立了适用于南海神狐海域的相对渗透率与含水合物饱和度的经验公式,下降指数N=7.9718。     

地震数据谱蓝化技术在神狐海域水合物工区的应用

测井数据统计分析表明,其反射系数谱表现为蓝谱特性,因此,在地震波频谱红移的背景下,隐藏着蓝谱特性.谱蓝化技术就是依据这一发现,从测井数据反射系数谱中获取褶积算子,并利用该算子为地震数据提频的技术.神狐海域天然气水合物储层有明显的薄互层特征,且BSR界面成像速度突变会导致上下地层成像模糊,这些问题影响着天然气水合物的勘探与开发.将谱蓝化技术应用于神狐海域天然气水合物工区地震数据,结果表明,谱蓝化技术能够很好地提高地震数据分辨率,对构造刻画及BSR与地层接触关系刻画等方面有极佳的提升效果.     

地震资料精细处理技术在神狐海域研究区的应用

探讨以神狐海域研究区三维地震资料为基础,针对研究区崎岖海底造成的成像精度不高的问题,提出相关的处理方法：利用组合多次波压制技术解决崎岖海底多次波衰减难题,凸出中深层构造特征;利用预测反褶积及零相位处理技术提升浅层水合物分辨率;利用多次迭代速度分析技术逐步细化速度分析精度,突出水合物相关的速度反转特征。最终的处理效果表明,提出的相关处理技术达到了预期效果,成果中BSR极性反转、振幅空白带、速度反转等水合物相关地球物理特征清晰,断层等与水合物气源及运移通道研究相关的地质构造特征清晰,利于解释专家研究水合物的富集、成藏特征。     

南海北部陆坡神狐海域含水合物沉积层时频特征提取及识别方法

南海北部陆坡神狐海域是天然气水合物发育的有利区域,天然气水合物在时间-频率域具有独特的响应特征.结合研究区最新处理的高分辨率三维地震资料、测井和钻井解释成果,采用基于连续小波变换的时频分析方法,可以实现对含水合物沉积层及其下伏游离气沉积层在时间-频率域成像.通过分析,在研究区识别出低频低能、高频低能、低频高能、高频高能、低频盲区和高频盲区等多种频率异常,发现频率异常与游离气饱和度、水合物饱和度、裂隙发育情况及调谐效应密切有关,认为水合物存在带可以通过寻找低频高能、高频低能或高频盲区之上的低频低能、高频高能或高频低能区识别.研究证明基于时频分析的时间-频率域水合物识别方法其分辨率明显高于时间-振幅方法,即使是在时域剖面BSR特征不明显时,也可以对含水合物层进行识别,因此,荻取的时频特征也可以作为水合物识别的直接指示.     

南海神狐海域天然气水合物叠后逆时偏移处理及效果

应用不同的偏移方法对Marmousi速度模型进行了偏移实验,实验结果表明,叠后逆时深度偏移成像清晰,对于复杂构造.尤其是丘体内部构造刻画准确,成像效果优于所比较的其他方法.与传统的偏移方法相比,叠后逆时偏移精度相对较高、无倾角限制,能很好地适应强横向速度变化.对南海神狐海域天然气水合物调查的一条二维测线应用了叠后逆时偏移,偏移效果甚至优于单程波波动方程的叠前深度偏移.因此,天然气水合物地震资料处理中,叠后逆时偏移应是一种值得重视的偏移方法.     

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界. 而一旦水合物形成, 该地层即成为封堵层, 从而阻止甲烷继续向上运移. 因此, 水合物仅仅在水合物稳定带底界上方很薄的一层, 饱和度却可以很高. 此后如果深部气源停止供气, 那么气烟囱会逐渐消失, 只留下水合物存在. 因此, 气烟囱的存在并不一定对应着水合物存在. 另外, 模拟结果还显示, 断裂流体活动(泥底辟)对水合物形成并不十分有利.来自深部的甲烷流量与流体流量之间的匹配很重要, 在甲烷流量一定的情况下, 流体流量越大, 越不容易形成水合物.     

南海北部陆坡神狐海域天然气水合物成藏的流体运移体系

通过新近纪断裂体系和底辟构造特征综合分析认为,底辟构造、高角度的断裂和垂向裂隙系统构成了南海北部神狐海域天然气水合物成藏的主要流体运移体系.神狐海域断层发育,可分为晚中新世活动的NW(NNW)向断层和上新世以来活动的NE(NNE)断层两组.NE向断层活动强度小,规模大,从下至上切穿上新世以来沉积层,组成高角度断裂和垂向裂隙系统.底辟构造在地震剖面上呈直立的、上小下大的烟囱状通道,局部横向扩张呈囊状、花状,形成大型的反射模糊带.底辟构造的发育在上覆沉积层产生了树枝状、似花状组合形态的高角度断裂和垂向裂隙系统,构成了良好的流体运移通道和疏导体系.当富含甲烷气体的流体通过底辟构造、断裂及裂隙系统垂向或侧向运移时,在合适的温压条件下形成天然气水合物.     

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.     

三维地震与OBS联合勘探揭示的神狐海域含水合物地层声波速度特征

以三维高分辨地震与海底高频地震仪（OBS）联合勘探数据为基础,获得海底之下沉积层的地震反射成像剖面及多波信息,并以此确定研究区含天然气水合物沉积层的纵、横波速度的变化特征.根据走时反演获得的横波速度与纵波速度对比分析发现,研究区海底之下500 m深度范围内的某些沉积层具有较高的纵横波速度,这一纵波速度升高区域与水合物稳定带对应,而纵波速度下降并且横波速度变化较小的区域,可能与游离气的存在相关.游离气的可能存在与基于这一区域2007年钻探测井结果的普遍认识不完全相符.     

可燃冰开发：道路曲折，前途光明

2013年12月17日,国土资源部地质勘查司副司长车长波在2013年海域天然气水合物勘探成果新闻发布会上表示,2013年6月至9月,中国海洋地质科技人员在广东沿海珠江口盆地东部海域首次发现高纯度可燃冰样品,并通过钻探发现高达1000亿～1500亿立方米的控制储量。     

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.     

南中国海神狐海域天然气水合物地震识别及分布特征

南中国海北部陆坡神狐海域是天然气水合物发育的有利地区,钻井取芯表明此区域的天然气水合物以细颗粒状分布于水合物稳定带内.以三维地震数据为基础,讨论海洋天然气水合物调查的高分辨率地震成像关键技术,综合利用不同的地球物理方法(阻抗反演、属性聚类分析及神经网络方法等),以钻井结果为约束分析不同方法对天然气水合物识别的适用性,确定利用属性聚类方法来获得神狐海域天然气水合物与游离气的三维空间展布特征.将钻井取芯结果与地质条件相结合,综合多方面地球物理信息,分析产生这一分布特征的地质原因,指出断层与裂缝是南海北部陆坡神狐海域水合物、游离气的分布模式及天然气水合物形成的主要地质控制因素.     

井震联合分析预测神狐海域天然气水合物可能的垂向分布

已有的地质与地球物理信息表明南中国海北部陆坡神狐海域存在天然气水合物,2007年钻井和取样结果证实其以细颗粒均匀存在于水合物稳定带内,但区域分布范围极不规则.由于测井记录长度和取样深度的范围有限,天然气水合物垂向分布特征难以确定.为了深入了解此区域天然气水合物深度上的分布规律,对SH7井的多种测井数据进行综合分析并与地震反射特征建立联系,得到三个主要的沉积物性变化层位并以此为基础进行叠后数据的伪井约束反演,结果表明在已证实的含水合物层之下还存在高速层.而AVO叠前正演模拟分析结果与实际地震数据对比表明,研究区的天然气水合物稳定带可能由含水合物沉积物与饱水沉积物的薄互层组成,这就意味着在取样获得天然气水合物样品的深度之下,很可能存在另一个含水合物层.     

南海北部海底沉积物在温度变化下的三种声速类型

研究南海北部海底沉积物温度变化状态下声速性质,得出以下结论:(1) 南海北部海底沉积物具有声速温度正增长(STPIK)、声速温度负增长(STNIK)和声速温度波动(STWK)三种类型,后两种类型在世界其他范围内海域未见报道.(2) 声速温度正增长类型和声速温度负增长类型沉积物的温度变化对声速影响都具有十分显著的线性关系,但是原状样品由于组成不均匀性,增大了声速的非线性变化.(3)南海北部海底沉积物的孔隙度、密度等主要物理参数差异不明显,难以直接解释三类样品的温度-声速性质的不同.(4)对于STPIK类型沉积物,理论分析与实验结果的统一性,可以运用海底沉积物与海水声速比进行校正不同温度状态下的海底沉积物的声速.(5)对于STNIK和STWK类型沉积物,需要深入研究,从理论和实验角度揭开其机理和成因.海底沉积物声速-温度特性研究将为提高南海北部海域天然气水合物声学探测精度和准确度提供声速性质依据.     

南海北部陆坡水合物勘探区典型站位不同类型热流对比

随着南海北部陆坡天然气水合物勘探工作的深入开展,在南海北部陆坡天然气水合物勘探区典型的集中了钻孔、探针和BSR三种测量方式获得的热流数据.为了解海底热流不同测量方式的差异,以及南海北部陆坡水合物勘探区的热流特征,文章以SH-2和SH-5孔作为典型站位,分别介绍三种热流测量方法并对两个站位的不同类型热流进行对比分析,结果表明:(1)在SH-2孔处探针热流与钻孔热流基本一致,但在SH-5孔处探针热流明显低于钻孔热流;采用钻孔实测沉积物平均热导率计算的SH-2和SH-5两个站位处的BSR热流都与相应钻孔热流基本一致.(2)根据地震剖面及相邻位置探针热流特征分析,SH-5站位处探针热流明显偏低,可能是受到流体活动的影响.(3)相对SH-2孔,SH-5孔具有较高的地温梯度和热流特征,可能是SH-5钻孔未钻到水合物的重要原因,而晚期泥底辟侵入可能是造成SH-5孔具有较高的温度场并导致原本赋存的水合物分解的原因.     

南海神狐峡谷群海底沉积物摩擦特性

海底滑坡区沉积物的摩擦特性对滑坡发育具有控制作用, 是海底边坡稳定性评估、滑坡过程中温压场演化及与滑坡相关的水合物成藏规律研究的基础参数.我国南海北部陆坡区不仅赋存着丰富水合物资源, 而且在地质历史上也曾多次发生滑坡作用, 目前仍是潜在的海底滑坡区.为了尽可能了解南海北部滑坡区沉积物的原位摩擦特性, 本文在围压P_c=20 MPa、孔隙压P_p=10 MPa及温度T≈20 ℃条件下, 对采自南海神狐峡谷群的4个沉积物样品开展了三轴准静态摩擦滑动实验.实验结果表明神狐峡谷群浅层沉积物: (1) 均呈现速度强化及位移强化特征; (2) 最大静摩擦系数μ_max为0.460~0.510, 稳态摩擦系数μ_ss为0.455~0.554, 二者的变化趋势较一致; (3) 内聚力c为0.30~0.57 MPa、摩擦角φ为24.5°~27.0°.而神狐峡谷群地形坡度较缓(＜6.8°).现今神狐峡谷群仅在沉积物自重作用下不会发生失稳, 总体上比较稳定.结合峡谷群多期次的滑坡特征以及滑坡体与水合物稳定域底界(通常与似海底反射层(Bottom simulating reflector, 简写BSR)重叠)、气烟囱等构造的空间分布关系, 我们推测: 神狐峡谷群滑坡的形成主要是由于BSR附近地层孔隙压升高、强度降低, 进而导致失稳.BSR附近地层孔隙压升高则可能是由于深部热成因游离气的聚集、BSR附近的水合物在地震等对其温、压场的扰动下分解所致.

     

南海北部陆坡深水区的海底原位热流测量

海底热流数据是开展海洋地球动力学研究和油气资源评价的基础数据.南海北部陆坡深水区蕴含有丰富的油气和水合物资源,而该区热流站位很少.为了解陆坡深水区水合物有利区块的地热特征,利用剑鱼1型海底原位热流探针,在南海西沙海域和神狐海域成功获得了16个站位的热流值.测量结果表明,西沙海槽与白云凹陷都具有较高的热流值,西沙海槽区除1个站位结果不可信外,另2个站位所测海底表层地温梯度分别为105.3 和99.9℃·km-1,原位热流分别为89±1和87±1 mW·m-2;白云凹陷中部区域13个站位测得表层地温梯度变化于58.5~100.7 ℃·km-1,热流值除4个站位低于70 mW·m-2外,其余都变化于75±2~101±4 mW·m-2范围,比前人在白云凹陷东部获得的热流高.分析认为,西沙海槽和白云凹陷区域的高地热特征与陆坡深水区的高热背景、晚期断裂发育、底辟、岩浆侵入和热流体活动等有关.