天然气水合物储层声波特性研究现状

本文摘要：（由ai生成）

声波数据在油气储集层力学参数和井壁稳定性评价中广泛应用。声波速度可用于估算水合物储层力学参数，但不适用于内摩擦角、杨氏模量和体积模量。水合物饱和度与声波速度关系非线性，权重方程和BGT方程在预测上较吻合，但传统BGT方程不适用于实际水合物储层。这些发现对天然气水合物勘探和开发有重要意义。

在常规油气储集层中，声波数据已被广泛应用于估算地层力学参数并成功用于超前预测或实时评价井壁稳定性[46-48]。宁伏龙等以分属海洋和冻土区的南海神狐SH7井和阿拉斯加冻土区MountElbert井为例，基于利用测井数据估算常规油气储集层力学参数的方法，根据测井结果估算水合物储集层的力学参数，并与其他研究者的测试或计算结果进行对比，分析力采用声波数据估算水合物储层力学参数方法的可行性，对比结果表明：采用水合物储层声波速度估算的方法可以估算海洋区水合物地层的内聚力、内摩擦角、抗拉强度和抗剪强度，但海洋区水合物地层泥质含量、冻土区水合物地层内摩擦角、海洋区和冻土区水合物地层杨氏模量、体积模量的估算结果与实际测井结果或其他研究者的测试/计算结果相差较大。这表明利用声波速度估算部分天然气水合物储层力学参数的方法是可行的，但该方法不适用于估算水合物储层的内摩擦角、杨氏模量和体积模量。  

在水合物饱和度与天然气水合物储层声波速度之间的关系方面，英国南安普顿大学最早采用共振柱技术在低频条件进行水合物方面的研究。Priest[42, 49]等利用此装置先后研究了过量气、过量水和体系中生成的水合物对沉积物纵横波速影响。水合物饱和度是根据消耗的水量或不同系统消耗的天然气量计算的。由于水合指数等因素无法准确确定，测量精度不够高，实验研究针对的是合成水合物样品的水合物饱和度，声速与水合物饱和度之间的关系不能实时观察。  

美国乔治亚州理工学院测量的纵波和横波速度分别比传统的装置高出22%和64%，并且更接近原位地震速度。Geser等[50]使用该实验装置在细砂沉积物中制备四氢呋喃（THF）水合物，并测量声学和力学参数，实验结果表明，THF水合物首先在孔隙流体中生成，当饱和度大于40%后水合物开始与沉积物颗粒接触。实验只能得到反应完全的水合物饱和度值，不能实时探测实验过程中的数据。  

Sultaniya等[43]用共振柱测量方法测得了水合物生成和分解时波速的变化情况，对于所有的样品，波速和水合物饱和度之间是非线性的关系，并且在生成和分解过程中表现出明显的差异。观察到的模式表明水合物的形态不仅在生成尾声的时候对波速有很重要的控制作用，而且对水合物生成和分解时波速的变化速率有很重要的影响。  

Winters[51]等通过声波测量实验研究了天然气水合物对沉积物声波特性和强度特性的影响，包括：在不同类型的沉积物中，水合物和冰对其声波特性的影响；饱和度、孔隙填充材料以及孔隙压力对沉积物剪切强度的影响。这些研究表明：沉积物的纵波速度V_p会随着空袭中水合物或冰的饱和度发生显著的变化，随着饱和度的增大，其纵波速度V_p从小于1.0km/s增大到4.0km/s或者更高。  

胡高伟等[52-54]利用传统超声技术、将弯曲元技术引进到测量含甲烷水合物松散沉积物的声学特性研究中，不仅制造了新型结构的弯曲元换能器,而且采用小波分析和频谱分析的方法提高了获取声波速度的能力，并建立了固结沉积物中实测的纵横波速度与水合物饱和度之间的关系，并得出以下结论：当水合物饱和度S_h＜10%时，纵横波速度变化不明显，当S_h＞10%后，纵横波速度随增加而快速增大，且在10%＜S_h＜30%时纵横波速度增长最快。  

张剑[55]通过实验模拟了自然环境中天然气水合物赋存的条件，测量多孔介质中不同水合物饱和度情况下的声波速度。分别利用时间平均方程、伍德方程、权重方程和BGTL方程分析了固结人工岩心中水合物饱和度与声波速度（包括纵波速度和横波速度）的关系。实验结果表明：权重方程和BGTL方程的速度预测值与实验值比较吻合,有广泛的适用性，并同时得出水合物饱和度对沉积物声学特性的响应关系十分复杂，单一的模型或模型中参数的单一取值方式可能并不能完全适应所有的应用实例的结论。  

卜庆涛[45]通过模拟气体垂向运移条件下水合物在沉积物中生成和分解过程，利用超声探测技术和时域反射技术（TDR），确定不同甲烷通量对水合物饱和度、声学响应特征的影响，并验证了声波速度模型在各种条件下的适应情况。并系统地获得了气体垂向运移体系中水合物生成和分解实验的声学和饱和度数据，建立了气体垂向运移体系下声学和水合物饱和度的关系。发现含水合物沉积物声速随水合物饱和度的增加呈现出快速-慢速-快速增加的变化趋势。  

图1.3 Lee利用BGT方法估算出的声波速度与实测声波速度的对比（A图中Boit系数α=34，B图中Boit系数固结参数α=24）[56]  

Lee[56]等根据阿拉斯加Mount Elbert井的水合物饱和度数据，利用BGT方程计算了Mount Elbert井的声波速度，计算结果与实测数据对比时发现：在Mount Elbert井的非水合物层段，估算出的声波速度与实测数据接近；在水合物层段，估算出的声波速度比实测结果小了30%—40%左右，这说明直接利用传统的BGT方程估算实际水合物储层的声波速度并不可取。