沉积物中天然气水合物微观分布模式及其声学响应特征_工程实践

摘要

摘要：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

摘要：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200～300m/s。

关键词：天然气水合物；微观分布；纵波速度；横波速度；饱和度；超声探测技术；声学响应特征；权重方程

获取沉积物的天然气水合物(以下简称水合物)声学响应特征，可反过来研究水合物的微观分布^[1～7]，对水合物的勘探、资源评价及形成机制研究等都具有重要的指导意义。

笔者采用超声和时域反射联合探测技术，实时探测了固结沉积物和松散沉积物中天然气水合物饱和度与声速之间的关系，并利用声速等参数与现有岩石物理模型探索水合物在沉积物中的分布模式，具有重要的理论和实践意义。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置与材料

实验在青岛海洋地质研究所水合物实验室地球物理模拟实验装置上进行，该装置主要由高压反应釜及内筒、温控系统、压力控制系统、测试系统(包括超声探测和时域反射探测)和数据采集系统5大功能模块组成(图1)。实验过程为：在高压反应釜中模拟海底真实的温度压力条件，使水合物在沉积物中形成，同时采用超声探测技术和时域反射技术(TDR，Time Domain Reflectometry)实时探测全过程中沉积介质的声学参数和水合物饱和度。为加快水合物生成进程，实验采用300mg/L的SDS(十二烷基硫酸钠)溶液和99.99%甲烷生成水合物。实验的详细介绍见本文参考文献[8]、[9]。

1.2 实验方法与原理

实验采用超声探测技术和TDR技术分别测量沉积物样品的纵、横波速度和含水量。超声探测装置主要包括换能器、信号发生卡和数据采集卡3个部分。将两换能器紧贴于测试岩心的两端获取超声波形，采用的发射频率为0.5MHz。由加拿大Gage公司生产的CompuSope14100数据卡采集超声波形。根据分析波形的首波分别得出纵、横波的总体走时t₁和t₂，用样品长度分别除以纵、横波在样品中的走时时间，即可得到纵、横波速度。

TDR探测采用的装置为美国Tektronix公司生产的1502C型时域反射仪和自制的同轴型TDR探针。Wright等^[10]采用TDR技术测量了含甲烷水合物沉积物的含水量，并认为其测量精度与Topp等^[11]测量土壤含水量的精度相当，即为±2%～2.5%。因此，本实验没有再对含水量的测量精度及误差进行标定，而是重点试验了温度(20～0.5℃)、压力(1～7MPa)等因素对含水量测试的影响^[12]。结果表明，温度和压力对TDR含水量测量影响很小，分别为±1.6%(含水量±0.73%)和±0.5%(含水量±0.23%)。TDR测量含水量的过程为：根据TDR仪获取的波形得出样品的介电常数，再利用Wright等^[10]的经验公式计算含水量(θ_V)，从而可以根据孔隙度(φ)和公式S_h=(φ-θ_V)/φ×100%来计算水合物饱和度。

2 实验结果与分析

实验主要在两种类型的沉积物(人工固结岩心和松散沉积物)中进行。人工固结岩心的各参数如表1所示，由于所采用的莫来石是一种具有高骨架速度的材料，对于含饱和水的固结岩心(孔隙度为40.18%)，其纵波速度(v_s)为4242m/s，横波速度(v_p)为2530m/s(图2)。当水合物形成时，纵、横波速度均随着水合物生成而增大，待水合物大量生成后，保持釜内的温度和压力1～2d，使水合物尽可能多的充填孔隙。尽管如此，水合物始终没有完全充填孔隙，实验仅获取了水合物饱和度(S_h)为0～65.5%时各参数的变化情况。利用获取的实验数据建立了固结沉积物中水合物饱和度与声速之间的关系(图3)。结果表明，在同一饱和度时，在水合物分解过程中获取的纵波速度高于在水合物生成过程中获取的纵波速度，横波速度也是如此。由于难以判断野外勘探中水合物是出于生成阶段还是分解阶段，故采用同一饱和度下声速的平均值建立了固结沉积物中水合物饱和度与声速之间的关系(图3)：当水合物饱和度小于10%时，声速随水合物饱和度变化不明显；饱和度大于10%后声速随水合物饱和度增加而增大，且在10%～30%间声速增长最快。

表1 人工固结岩心实验中材料及参数表^[9]

参数	体积模量/GPa	剪切模量/Gpa	密度/g·cm^-3	v_p/m·s^-1	v_s/m·s^-1
莫来石	173.90	89.47	3.19	9586.98	5295.94
水合物	5.60	2.40	0.90	3650	1890
纯水	2.29	0	1.00	1500	0

松散沉积物为采自于青岛海边的天然砂，粒径为0.18～0.25mm，其物质成分及含量如表2所示。由于难以探测松散沉积物的横波速度，本文实验仅获取了纵波速度随水合物生成和分解的变化情况(图4)。结果表明，水合物刚开始生成时，纵波速度有一个陡然增大的现象，随后由于超声衰减极大，纵波速度难以获取^[13]。水合物完成生成时，含水合物松散沉积物的纵波速度为278m/s左右，比含饱和水沉积物的声速增长1000m/s左右。

表2 松散沉积物矿物成分及参数表^[13]

矿物名称	含量/%	密度/g·cm^-3	体积模量/GPa	剪切模量/Gpa
磁铁矿	1.94	5.21	161.0	91.4
普通闪石	1.10	3.12	87.0	43.0
绿帘石	0.55	3.40	106.2	61.2
石英	38.95	2.65	36.6	45.0
长石	57.46	2.62	76.0	26.0

3 水合物微观分布特征及其影响因素

Hu等^[14]利用上述实验数据验证了前人提出的速度模型，结果表明，在固结沉积物中，结合Lee等^[15]提出的权重方程和Lee^[16^～17]提出的BGTL理论(Biot-Gassmann Theory by Lee)可准确预测含水合物固结沉积物的纵横波速度；在松散沉积物中，Dvorkin等^[1]和Helgerud等^[2]提出的等效介质理论可准确预测含水合物松散沉积物的纵波速度。由于BGTL理论从物理模型上将水合物视为基质中的一种矿物成分看待，等效介质理论的3种模式则分别指示水合物在孔隙流体中、与沉积物颗粒接触或与沉积物颗粒胶结，因此，笔者利用这些速度模型探讨了不同类型沉积物中水合物的分布及其影响情况。

3.1 固结沉积物

利用权重方程和BGTL理论预测的速度值与实测值标绘在图5中。当水合物饱和度低于40%时，利用权重方程预测的纵波速度与实测纵波速度一致，结合权重方程与BGTL中的v_s/v_p公式，预测的横波速度与实测值一致；当水合物饱和度大于30%时，利用BGTL理论预测的纵波速度和横波速度均与实测值一致。这表明，当水合物饱和度小于30%时，水合物可能在孔隙流体中形成(图6-a)，并慢慢向骨架靠拢，当水合物饱和度大于30%后，水合物开始胶结沉积物颗粒生成。且随着水合物逐渐增多，水合物胶结沉积物颗粒封闭了一定的孔隙流体(图6-b)，被封闭的这部分流体由于得不到气源的供给无法进一步生成水合物。因此固结沉积物中，水合物饱和度仅为65.5%左右。

3.2 松散沉积物

利用等效介质理论的3种模式预测的纵波速度与实测的纵波速度标绘在图7中。由图可以看出，当水合物饱和度小于1%时，等效介质理论C模式(胶结模式)预测的纵波速度与实测值一致；当水合物饱和度大于1%后，等效介质理论A模式(悬浮模式)预测的纵波速度值与实测值一致。由此可以推断，少量的水合物(饱和度小于1%)先胶结沉积物颗粒生成(图8-b)，随后，水合物在孔隙流体中以悬浮状形态生成(图8-c)。由于水合物并没有完全胶结沉积物颗粒，水合物与沉积物颗粒间存在的缝隙使气体能运移至孔隙流体中，从而有利于水合物的进一步生成。因此，松散沉积物实验中，水合物最终几乎完全充填满了沉积物孔隙。

松散沉积物中的水合物微观分布已由Jin等^[18]通过X射线断层扫描直接观测(图9)。结果表明水合物和沉积物颗粒间由水隔开，即水合物以悬浮状形态存在于孔隙流体中，与笔者实验中利用声速所推测的结果一致。

3.3 声学响应特征

在固结沉积物实验中，笔者发现低饱和度的水合物(饱和度小于10%)对声速影响不明显的现象，这种现象也被不同学者所捕捉^[19～20]。经上述分析后认为，水合物在沉积物孔隙流体中形成，对声速影响不大，可能是造成这一现象的原因。而当水合物胶结沉积物颗粒时，其对声速的影响则可能成倍增长，如在松散沉积物中，微量的水合物(饱和度1%左右)即可使纵波速度增长200～300m/s。可见，在天然气水合物的资源评价中，了解水合物的微观分布同样具有重要的作用。

4 结论与展望

对不同类型沉积物中水合物的微观分布进行了声学探测模拟实验研究。结果表明，利用声学探测技术可以灵敏探测水合物在沉积物的微观分布：在固结沉积物中，水合物在饱和度小于30%时在孔隙流体中形成，或部分依附于骨架生成，在饱和度大于30%时胶结沉积物颗粒生成；在松散沉积物中，水合物在饱和度小于1%时胶结沉积物颗粒生成，在饱和度大于1%时在孔隙流体中形成。

水合物的微观分布对沉积物内气体运移通道具有重要影响：在固结沉积物中，水合物在饱和度大于30%后胶结沉积物颗粒，使沉积孔隙中部分流体被“封闭”，得不到气源的供给而不能进一步生成水合物；而在松散沉积物中，大部分水合物因在孔隙流体中生成(只有最初1%饱和度的水合物胶结沉积物颗粒)，未堵塞流体运移通道，因此水合物几乎能完全充填孔隙。

水合物的微观分布对沉积物的声学性质具有重要影响：在固结沉积物中，由于在孔隙流体中生成，0～10%饱和度的水合物对声速影响甚小；在松散沉积物中，由于水合物胶结沉积物颗粒生成，微量的水合物(饱和度1%左右)使纵波速度陡增。这表明，了解水合物的微观分布对水合物资源估算具有重要的指导作用。

本文利用声学探测成功研究了水合物的微观分布，在将来的应用上可能更具有普遍性。但是，其不足之处是不能直接观测沉积物中的水合物微观分布。因此，如果能将X射线断层扫描技术结合起来研究，将对水合物的勘探、资源评价及其形成机制等具有更重要的指导意义。

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(本文作者：胡高伟^1，2，3 业渝光^1，2 张剑^1，2 刁少波^1，2 1.国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室；2.国土资源部青岛海洋地质研究所；3.中国地质大学地球科学学院)