岩石物理模型毕业论文

张如伟，张宝金，文鹏飞，徐华宁

张如伟（1984－），男，工程师，主要从事地震处理、反演与储层预测的方法研究，E-mail:。

注：本文曾发表于《石油地球物理勘探》2011年第4期，本次出版有修改。

广州海洋地质调查局，广州510760

摘要：天然气水合物沉积层在地震剖面上会产生比较明显的似海底反射（BSR）特征，一般可用于天然气水合物的直接识别，但并非所有BSR特征均为水合物的表现，则BSR形成背景的研究是天然气水合物深度预测的关键与基础。首先认真分析了天然气水合物沉积的3种微观模式，根据其不同的岩石物理模型特点，试验弹性参数随水和物饱和度的变化规律；其次以精确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，并分析BSR产生的3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、游离气的存在与否与沉积层孔隙的变化是影响BSR特征的重要因素。

关键词：天然气水合物；似海底反射；振幅随入射角变化；岩石物性

AVA Character Researches on Gas Hydrate-Bearing Sedimentary Deposit

Zhang Ruwei,Zhang Baojin,Wen Pengfei,Xu Huaning

Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China

Abstract:Gas hydrate-bearing deposit usually has obvious feature of seismic reflection,for example,bottom simulating reflector(BSR) ,it commonly used as gas hydrate direct indication,but the same reflection characteristic is not sure the presence of gas hydrate,so the background of BSR phenomenon is the base of most paper seriously analysis three microscopic models of gas hydrate-bearing sedimentary deposit at first,according to the petrophysical model,we have researched the variational rule of elastic have discussed the AVA character for the saturation variation base on accurate zoepprize last,this paper simulates BSR phenomenon on using different theoretical model,at the same time,we analysis three external conditionfor BSR,and research the tuning effect of gas hydrate-bearing sedimentary research result indicates that gas hydrate saturation and exist of free gas and sedimentary deposit' s porosity are the important factor for BSR this paper could provide some conclusions for the depth research of gas hydrate base on the experimentation in this paper.

Key words:gas hydrate; Bottou Simulating Reflector; Auplitude Variation with Angle;petrophysicalp roperties

0 引言

天然气水合物作为21世纪的新能源，被誉为石油的替代品和清洁环保能源，广泛受到国内外许多学者的关注[1-2]。我国于2007年5月在南海北部成功钻获天然气水合物的实物样品，从此我国在天然气水合物研究上迈开了关键和重要的一步[3]。似海底反射（BSR）特征是利用地震手段研究天然气水合物的至关证据，目前国内外学者普遍认同：BSR具有与海底大体平行、负极性、高中振幅、与沉积层理斜交等特点，在一些地区有空白带特征产生[4]。但BSR的形成背景与其饱和度、下伏游离气层的相互关系一直处于研究中，没有形成一定的共识[5]。本文通过研究天然气水合物的3种沉积模型，并对之进行对比分析，得到了弹性参数随水合物饱和度变化的规律特征；并以精确zoepprize方程为基础，拟合出天然气水合物的AVA特征，从而通过试验验证获取了BSR特征产生的一些客观条件；这些客观条件有利于更加紧密研究BSR特征与天然气水合物的相互联系，为后期我国的天然气水合物勘探打下更加坚实的基础，为水合物形成背景研究提供相关的科学依据。

1 岩石物理模型

岩石物理性质是对天然气水合物进行地震识别方法的基础，全面和准确地得到水合物沉积层的岩石物性就显得至关重要。但由于水合物在室内条件下极不稳定，因此，目前仍然无法采用实验手段去检测水合物的岩石物性[6]，这样只有通过建立合适的岩石物理方程在理论上讨论水合物的一些特性，这就必然会对水合物的沉积状态存在一些不同程度的近似，例如假定水合物饱和度的变化不会影响其岩石孔隙度的改变等等。

图1 天然气水合物的3种微观模式[7]

据Ecker于2001年提出天然气水合物沉积的3种微观模式[7]：悬浮模式、颗粒接触模式与胶结模式（图1）。本文分别采用了3种水合物沉积的岩石物理方程用于试验，分别是WOOD方程、Lee加权方程和时间平均方程，运用这3种模型来研究弹性参数与岩石物性之间的理论关系。

WOOD方程模型

WOOD方程描述的是水合物沉积的悬浮模式，具体表达形式[8]如下：

南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集

式中：Vp为水合物沉积的纵波速度（m/s）；ρ为水合物沉积的密度（kg/m3）；φ为岩石孔隙度；S为水合物的饱和度；Vw为孔隙流体（一般为水）的速度（m/s）; Vh为纯水合物的速度（m/s）;Vm为岩石骨架的速度（m/s）；ρw为孔隙流体（一般为水）的密度（kg/m3）；ρh为纯水合物的密度（kg/m3）;pm为岩石骨架的密度（kg/m3）。

时间平均方程模型

时间平均方程反映的是水合物沉积的胶结模式，简单的表达形式[9]为：

南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集

式中：Vp为水合物沉积的纵波速度（m/s）；φ为岩石孔隙度；S为水合物的饱和度；Vw为孔隙流体（一般为水）的速度（m/s）; Vh为纯水合物的速度（m/s）; Vm为岩石骨架的速度（m/s）。

Lee加权方程模型

Lee加权方程描述的是水合物沉积的颗粒接触模型，针对高孔隙非固结的海洋沉积物速度－孔隙度关系，WOOD方程参数估计偏小，时间平均方程参数估计偏大，因此，Lee于1996年提出了一个无意义的加权方程[10]：

南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集

式中：Vp为水合物沉积的纵波速度（m/s）; Vp1为由WOOD方程计算得到的水合物沉积纵波速度（m/s）; Vp2为由时间平均方程计算得到的水合物沉积纵波速度（m/s）；φ为岩石孔隙度；S为水合物的饱和度；w为加权因子；n反映的是水合物在沉积物中的状态；由于缺乏水合物实际的资料， w，n参数比较难以确定，但有一定的规律，n增加时，Lee方程会快速地向时间平均方程靠拢；w> 1时向WOOD方程靠拢，w< 1时向时间平均方程靠拢。

对于横波速度，Lee同时也作了简单的假设，认为横波速度与纵波速度一样，会随着水合物饱和度的增加而变大，公式如下：

南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集

式中： 。

由于横波不能在流体中传播，则上式中最后一项可以去掉，同时为了获取岩石骨架的横波与纵波速度比，根据Castagna等于1985年提出的公式[11]:

南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集

式中：C为黏土在骨架中的体积分数（%），通常会取C=65％、Φ＝0％，这样得到的骨架横波速度为。

2 弹性参数分析

为了更好研究天然气水合物的岩石物理特性，设计了表1的理论模型，第三层为天然气水合物沉积层，各个弹性参数的计算采用前面的3个模拟方程模型；第四层为游离气沉积层，各参数采用Biot-Gassmann方程计算得到。

表1 理论模型设计参数

图2为采用3种模型计算得到的随水合物饱和度变化时引起的弹性参数变化。3个方程模拟结果均有相同的特点，随着水合物饱和度的增大，纵波速度也随着增大，横波速度与纵波速度有着相同的变化规律，密度基本不变。将3者计算得到的纵波速度进行对比可知，WOOD方程参数估计过小，时间平均方程参数估计过大，Lee加权方程参数估计适中（w=1,n=1）。

图2 3种模型的3参数变化以及纵波速度对比

方程；b.时间平均方程；加权方程；d.纵波速度对比

同时，从Lee加权方程出发，改变岩石的孔隙度参数，再观察纵波速度的变化规律。图3为模拟结果，可以看出，随着孔隙度的增大，纵波速度参数估计值有减少趋势，横波速度有着相同的变化特征。

图3 岩石孔隙度变化引起的弹性参数变化Lee加权方程

在Lee加权方程中，由于至今难以获取水合物的实际试验资料，参数w与n一般会较难确定，但它们影响着纵波速度的变化规律。随着参数n的增大，Lee加权方程会快速向时间平均方程靠拢（图4），为了使参数估计平均，文中一般取n值为1。加权因子w也影响着弹性参数的变化，从图5可以看出，当加权因子小于1时，该方程向时间平均方程靠拢，大于1时向WOOD方程靠拢。根据南海的部分资料显示，当水合物饱和度在30％～60％之间时，水合物沉积层的纵波速度为2 000～2 500 m/s，此时若将加权因子w定为，则根据曲线分析得到上类似结论。

图4 参数n改变引起的纵波速度变化

根据3个岩石物理方程模拟得到的弹性参数变化结果，可知Lee加权方程将WOOD方程与时间平均方程结合起来，有效避免了参数估计过大或者过小的情况，比较符合水合物沉积层的状态。但参数w与n的确定至关重要，在试验之前，需要通过相关的实际资料来确定这2个参数。

图5 参数w改变引起的纵波速度变化

3 BSR的AVA特征

从精确的Zoepprize方程出发，以Lee加权方程来计算水合物变化引起的纵波速度的估计值，然后以Biot-Gassman 方程对水合物沉积层的下伏地层来进行流体替代，这样可以随意改变水合物饱和度、下伏地层流体类型和孔隙度，从而可以多方位研究BSR的存在特征与其AVA的变化趋势。

图6为水合物饱和度变化后，其反射系数的变化规律特征，下层为游离气层，饱和度为10％，孔隙度为20％；随着水合物饱和的增加，反射系数绝对值增大，并逐渐快速减小，有极性反转的趋势。

图6 水合物饱和度变化后反射系数变化规律

BSR产生的一般条件为下伏地层含有游离气，这样由于地层一当含有气之后，纵波速度会快速下降，就与水合物沉积层就形成了负极性的反射系数，但是BSR现象却无法判断下伏地层的含气饱和度。从图7可以看出这样一个规律（上覆层为含水合物沉积层，饱和度为20％）：当含有2％的游离气时，反射系数已经变化为负极性；10％时只是反射系数的绝对值发生了改变，变化趋势却没有任何变化；含气饱和度再向上增长时，反射系数的绝对值也变化甚微，这就说明通过BSR特征是无法判断出下伏地层含气饱和度的。

同时，基于褶积模型，以Zoepprize方程计算的角度反射系数为基础，进行一系列地震正演模拟研究。地震子波采用主频为50 Hz，采样率为1 ms的标准雷克子波，模拟入射角度为0°到60°之间，主要观察700 ms左右同相轴的变化（BSR出现位置）。

图7 水合物下伏游离气层饱和度改变时反射系数的变化规律

图8为游离气层含气饱和度变化时BSR的AVA特征（上覆层为含水合物沉积层，饱和度为30%），图左含气饱和度为0％，反射振幅为正极性，随着入射角度增大，振幅逐渐增大，不符合BSR的特征；图右含气饱和度为10％时，比较明显出现了BSR特征，并伴随有随着入射角度增大振幅减小的特征出现，从而也证明了BSR出现的第一个客观条件为下伏地层含有游离气。

图8 含气饱和度变化时的BSR特征

含气饱和度左为0％，右为10％

图9 水合物饱和度及孔隙度变化时BSR的AVA特征

图左水合物饱和度为80％，孔隙度为20％；图右水合物饱和度为30％，孔隙度为10％

当然含有游离气这个条件不一定是必需的，图9就给予了充分的论证，试验验证时下伏地层的含气饱和度均为0％，只是改变水合物沉积层的水合物饱和度以及岩石孔隙度。图左就是将水合物饱和度由30％变化为80％时，就出现了BSR的特征，但振幅能量会比较弱，随着入射角度增大，振幅逐渐减小，并很快出现极性反转的特征；图右的水合物饱和度仍为30％，只是将沉积层的孔隙度由20％改变为10％，这样也会出现BSR的现象，同样也是随着入射角度增大振幅逐渐减小的趋势，当入射角度达到一定值时，也会出现极性反转的效果。

通过图8与图9的试验验证，可以基本得到如下结论：天然气水合物沉积层产生BSR特征主要有3个客观条件，其一为下伏地层含有游离气，游离饱和度（大于0）基本不影响BSR的变化特征；其二为天然气水合物的饱和度达到一定程度，具体的数值需要根据实际情况来分析得到；其三为水合物沉积层的岩石孔隙度比较小（水合物饱和度可能会引起孔隙度的改变），目前由于资料有限，同样无法做到对实际数据进行定量分析。当然3个条件不需要同时出现，从理论上来说，只需要满足其中一个条件即可以产生BSR特征。

图10 调谐效应对BSR的影响

最后，研究了调谐效应对BSR的影响效果。当地层足够薄的时候，就会出现调谐效应，这样会影响对BSR特征的判断。图10左两层的地层时间为10 ms,BSR的负极性特性基本被掩盖，难以准确给予判断水合物是否存在；而当两层的地层时间为30 ms时，可以勉强分辨出。所以调谐效应也会影响最终结果的判断，提高地震资料的分辨率，能在一定程度上缓解调谐效应带来的影响。

4 结论

1）由于目前缺乏足够的实验数据，实际的天然气水合物岩石物理性质尚无准确的定论，只有通过数学方程来模拟其沉积过程。Lee加权方程参数估计比较平均、形式简单、比较适合理论研究，但对于两个未知因子的确定，需来源于野外的测井与实验测试数据。

2）对于天然气水合物沉积层的下伏地层一般为含游离气地层，但BSR特性无法确定含气饱和度的大小。

3）是否含有游离气、水合物饱和度的多少与地层孔隙度的大小是影响BSR特征出现的3个客观条件，但不一定是必须条件，一般情况下，3个条件有其一就能够出现BSR现象。

4）天然气水合物在岩石中与骨架如何接触，目前尚无准确的定论，这也就是影响水合物众多弹性参数难以确定的原因，水合物饱和度与岩石孔隙度的关系有待于以后更深一步研究。

参考文献

[1]史斗，孙成权，朱岳年.国外天然气水合物研究进展[M].兰州：兰州大学出版社，1992: 1-249.

[2]宋海斌，江为为，张文生，等.天然气水合物的海洋地球物理研究进展[J].地球物理学进展，2002,17(2）:224-229.

[3]张洪涛，张海启，祝有海.中国天然气水合物调查研究现状及其进展[J].中国地质，2007,34(6）: 953-961.

[4]马在田，耿建华，董良国，等.海洋天然气水合物的地震识别方法研究[J].海洋地质与第四纪地质，2002,22(1）:1-8.

[5]宋海斌，松林修，杨胜雄，等.海洋天然气水合物的地球物理研究（Ⅱ）：地震方法[J].地球物理学进展，2001,16(3）:110-118.

[6]宋海斌，松林修，吴能友，等.海洋天然气水合物的地球物理研究（I）：岩石物性[J].地球物理学进展，2001,16(2）:118-126.

[7]Ecker Characterization of Methane Hydrate Structures[D].California:Stanford University,2001.

[8]Wood A Test Book of Sound[M].New York:Macmillan,1941:578.

[9]Wylie M R J,Gregory A R,Gardner G H Experimental Investigation of Factors Affecting Elastic Wave Velocities in Porous Media[J].Geophysics,1958,23(3):459-493.

[10]Lee M W,Hutchinson D R,Colet T S,et Velocities for Hydrate-Bearing Sediments Using Aweighted Equation[J].J Geophys (B9):20347-20359.

[11]Castagna JP,M L Batzle,R L Between Compressional-Wave and Shear-Wave Velocities in Clastic Silicate Rocks[J]Geophysics,1985,50(4):571-581.

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（1）流体效应分析

应用修正Hertz－Mindlin接触理论模型，分析地层水、稠油、轻油、气体的效应。

计算模型如下：

储层矿物为疏松的泥质石英砂层，泥质含量12％，孔隙度31％，有效压力16MPa，温度64℃。该体 系看作砂、泥质二元弹性体系，取砂的体积模量为39GPa和剪切模量33GPa；泥质体积模量20GPa和剪 切模量10GPa。有效的矿物体积模量，剪切模量，密度。

流体数据：

原始地层水矿化度6000×10－6，密度，体积模量；

稠油：气油比10，密度为，体积模量；

轻油：密度为，体积模量；

气体：密度为，体积模量；

岩石骨架：体积模量，剪切模量；

表 不同流体饱和时岩石波速变化

表的数据显示，稠油接近于水的性质，而轻油接近于气体的性质。模型预测的数据与实验测定的 结果大致相当。

（2）水驱油过程分析

基于修正Hertz－Mindlin接触理论模型，对水驱稠油过程中疏松砂岩波速变化进行数值模拟计算。图 除在高含油饱和度处计算结果略比实验数据低，总的变化特征基本吻合。说明在此采用的岩石物理模 型和算法基本能满足实际过程分析的要求。

（3）泡点附近流体属性变化对岩石地震波速的影响模拟分析

当流体压力变低到泡点压力以下后，由于有气体从油中逸出，岩石的波速将变小。稠油溶解有一定 量的气体，典型的气油比GOR为10。泡点压力在14～10MPa附近。从该油藏温压条件看，地层流体压 力16MPa，（开采等引起的）压力的波动在2～4MPa，温度64℃，波动2℃左右；显然油藏中部分稠油 可能处在泡点附近。对于小的压力波动（变小），可能会导致稠油进入泡点压力下的状态，部分气体从 稠油中逸出，孔隙中形成气—液两相流体状态，其结果将会引起储层地震波速改变。

应用岩石物理模型模拟计算这种变化特征。把该体系看做砂、泥质二元弹性体系，泥质含量18％，孔隙度32％，有效压力16MPa，温度25℃。取砂的体积模量为39GPa和剪切模量33GPa，密度为 cm3；泥质体积模量20GPa和剪切模量10GPa；得到矿物的体积模量和剪切模量，密度为；油的密度为，体积模量；气的密度为，体积模量； 有效压力16MPa下，疏松砂岩的骨架体积模量为，剪切模量为。

图 水驱稠油过程中疏松砂岩波速变化图

图 岩石物理模型预测泡点附近疏松岩石地震波速变化特征

把上述参数作为输入，得到如图模拟结果。从图中可以看出岩石物理模型预测结果与测量值 大致一致。