隨機介質理論天然氣水合物羽狀流正演模擬

鄧 霖，高 陽，李志敏，張 沂，陶俊文，馬海軍

隨機介質理論天然氣水合物羽狀流正演模擬

鄧 霖，高 陽，李志敏，張 沂，陶俊文，馬海軍

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西 西安 710018）

羽狀流發育地區通常會發現富含天然氣水合物的儲層，但其非均質性很強，刻畫難度大，目前的常規建模方法已經無法完整地描述天然氣羽狀流，需要進一步發展天然氣水合物羽狀流建模理論。介紹了隨機介質建模的基本理論。其次，在建立天然氣水合物羽狀流模型時，引入了隨機介質建模理論。最后，通過正演模擬結果發現，該方法可以靈活、準確地描述天然氣水合物羽狀流的地震波形特征，從而為尋找天然氣水合物的提供了一定的參考依據。

天然氣水合物； 羽狀流； 正演； 隨機介質

天然氣水合物也可稱為“可然冰”，具有使用方便，燃燒值高，清潔無污染等特點，被科學家譽為21世紀能源。早在200多年前人類就發現了天然氣水合物，2007年，我國科學家證明中國海域存在豐富的天然氣水合物資源。經研究發現，天然氣在地殼動力作用下，會滲入到海水中，形成羽狀流，而羽狀流發育地區通常會發現富含天然氣水合物的儲層[1]。由于羽狀流的非均質性很強烈，主要表現氣泡半徑和含量與所處的海水深度有關，而常規的數值模擬方法是以均勻介質或層狀介質理論為基礎，沒有考慮到羽狀流的非均質性，無法得到與這些非均質性相聯系的地震波場特征[2-3]。因此，應該需要尋求一種能靈活、方便、完整地描述羽狀流的非均勻性的模型。本文主要利用隨機介質理論來模擬天然氣水合物羽狀流，并進行正演模擬分析，為該天然氣水合物羽狀流的識別提供了一定的參考依據。

1 基本原理

1.1 隨機介質

非均勻介質可由大尺度和小尺度的非均勻的兩部分所組成，大尺度部分描述介質的平均特性，即傳統意義上的地質模型；小尺度部分是加在地質模型上的隨機擾動 ，如圖1所示。 是均值為零且具有一定自相關函數及方差的空間平穩隨機過程，通常采用各種自相關函數來求取，其中比較典型的有指數型、高斯型、Von Karman型[4]。根據Brich原理，假設介質的縱波、橫波速度的相對擾動量是相同的，而密度的相對擾動量與其有線性關系，因此，可用縱波速度的相對擾動量來描述隨機介質在小尺度上的非均勻性，即：

由（1）式得：

1.2 天然氣水合物羽狀流

羽狀流現象是由于海水中存在滲漏甲烷氣體產生的氣泡導致的，這將改變海水內壓力分布，從而使海水的聲學特性發生改變。溶入氣泡的海水聲速與氣泡半徑和氣泡含量有關，含氣泡介質內聲速表達式[1]：

式中：c——氣液混合體的聲速，m/s；

——液體體積模量，N/m2；

K——氣體體積模量，N/m2；

——液體密度，kg/m3；

——氣體密度，kg/m3；

——頻率，Hz；

——氣泡半徑，m；

——液體表面張力，N/m2；

——假定含氣泡兩相混合區為球形時的半徑，m；

——氣泡含量或氣泡體積分數，%，即半徑為的球形區域內

氣泡所占據的體積分數。

其中，、K、、、、為固定參量，、、和為給定的可變參量。

由于羽狀流分布在海水中，氣泡半徑和氣泡含量與所處海水深度有關，呈現出很強的非均質性，所以可以根隨機介質理論求出氣泡半徑和氣泡含量的隨機擾動，然后結合（2）式建立羽狀流速度模型，如圖2所示。從圖中可以看出，羽狀流速度是隨機變化的，因為氣泡半徑和含量是隨機變化的，所以得到的速度也是隨機變化的。

圖2 羽狀流速度模型

2 模型正演

2.1 天然氣水合物羽狀流建模

羽狀流處于海水中，把圖2中的羽狀流速度模型放入海水速度模型中得到羽狀流速度模型，模型的規模為：縱向深1 350 m，橫向寬2 000 m，如圖3所示。圖中黑色部分為速度均一的海水，速度為1 500 m/s，中間部分為羽狀流，羽狀流位于海底深350~1 350 m處，橫向位于模型中間，即900~1 100 m。與實際探測到的羽狀流對比，圖3模型基本能夠較好地反映出實際羽狀流的特征。

2.2 地震正演

對上述天然氣水合物羽狀流速度模型，進行模型正演，得到正演模擬結果，如圖4所示。從圖中可以看出，羽狀流模型部分反射波雜亂，剖面的中部能量強，而上下兩端較弱，當遇到該種反射特征，天然氣水合物羽狀流的可能性比較大。該成果為進一步研究羽狀流產生的地震響應特征奠定了基礎，也為需找天然氣水合物提供了一條新的思路。

圖3 天然氣水合物羽狀流速度模型

圖4 羽狀流模型正演剖面

3 結束語

本文在前人的研究基礎上，針對目前天然氣水合物羽狀流的非均質性的特點，基于隨機介質理論，通過正演模擬技術，對天然氣水合物羽狀流進行了應用研究，得出了以下結論：

（1）從上述模擬結果可以看出，利用隨機介質理論模擬的天然氣水合物羽狀流，具有適應性強、使用方便靈活的優點，能有效地描述天然氣水合物羽狀流的非均質性。

（2）通過正演模擬發現，羽狀流模型部分反射波雜亂，剖面的中部能量強，而上下兩端較弱，當遇到該種反射特征，天然氣水合物羽狀流的可能性比較大。

上述結論為進一步研究羽狀流產生的地震響應特征奠定了基礎，可以為尋找天然氣水合物的提供了一定的參考依據。

［1］李燦蘋，劉學偉，勾麗敏，等．冷泉活動區天然氣水合物上覆水體中氣泡羽狀流的數值模擬[J]．巖石力學與工程學報，2013，43(2)：391-399．

［2］楊志力，呂福亮，吳時國，等．西沙海域天然氣水合物的地庚響應特征及分布[J]．地球物理學進展，2013，28(2)：3307-3312．

［3］姚姚，奚先．區域多尺度隨機介質模型及其波場分析[J]．石油物探，2004，43(1)：1-7．

［4］馬靈偉，顧漢明，趙迎月，等．應用隨機介質正演模擬刻畫深水區臺緣礁碳酸鹽巖儲層[J]．石油地球物理勘探，2013，48(4)：583-590+676+502．

Forwarding Modeling of Natural Gas Hydrate Plumes Based on Random Medium Theory

(PetroChina Changqing Oilfield Company No.1 Gas Production Plant, Shaanxi Xi'an 710018, China)

There are always rich nature gas hydrate reservoirs in plume development areas, but the plume has a strong heterogeneity, so it is difficult to describe it. Current conventional model-building is difficult to completely describe the nature gas hydrate plume, so we need develop the modeling-building theory of nature gas hydrate plume. In this paper, the basic theory of random medium model-building was firstly described. And then the theory of random medium model-building wasintroducedinto model-building of nature gas hydrate plume. The result of forwarding modeling shows that this method can describe the seismic wave characteristics of nature gas hydrate plume flexibly and accurately, which can provide some reference for searching nature gas hydrate.

nature gas hydrate; plume; forward; random medium

TE19

A

1004-0935（2017）03-0251-03

2017-01-16

鄧霖（1986-），男，助理工程師，陜西西安人，研究方向：從事天然氣勘探與開發工作。