天然氣水合物儲層吸收衰減機制及巖石物理理論研究進展

武存志 張 峰 李向陽

(中國石油大學(北京)，北京102249)

0 引言

反射地震是水合物地球物理勘探的重要技術。賦存天然氣水合物的海底沉積物的反射地震響應往往存在似海底反射(BSR)特征[1]。BSR是由上覆高速的含水合物層與下伏低速的含游離氣層之間的阻抗差異產生的，大體平行于海底，指示天然氣水合物穩定帶的底部，具有負極性、強振幅特征。但天然氣水合物和游離氣與BSR特征的關系仍欠明確，基于BSR的天然氣水合物識別具有多解性[2]。此外，BSR僅能指明天然氣水合物底部位置，卻無法用于水合物含量的定量解釋。

地震波的吸收衰減是天然氣水合物地層地震響應的一個顯著特征。研究發現，在加拿大Mallik凍土帶、日本南海海槽等水合物探區BSR位置的上方存在與天然氣水合物有關的低地震振幅或振幅“空白”帶[3]。雖然空白的成因尚不完全清楚，但人們普遍認為空白的“強度”與地震波吸收衰減直接相關，可作為天然氣水合物分布的一項指標。多個水合物探區的聲波測井波形也顯示，天然氣水合物的存在導致了異常的衰減值[4]。國內外學者針對性地開展了巖石物理實驗和理論研究，目的是探索地震波衰減機制及其與天然氣水合物含量的定量關系，提高水合物儲量的預測能力。

本文概述了不同探區天然氣水合物儲層的地震波吸收衰減特征，探討并總結了水合物儲層可能存在的衰減機制及相關的巖石物理理論模型研究現狀，展望了水合物儲層吸收衰減特性的應用及巖石物理模型構建的未來發展方向。

1 不同地區天然氣水合物儲層的地震波吸收衰減特征

1.1 加拿大Mallik凍土帶

Mallik凍土帶位于加拿大西北部的Mackenzie三角洲，是世界上已經證實的凍土帶中含有天然氣水合物的典型地區。該區2L38井的陣列聲波測井波形記錄結果顯示，含水合物地層的波形振幅發生明顯減弱[4](圖1)，表明聲波在含水合物地層中傳播時可能發生了強烈吸收衰減。Guerin等[4]利用質心頻率偏移法分別計算了縱波和橫波衰減，發現在含水合物地層二者都表現為高衰減值。文中用品質因子Q的倒數(逆品質因子Q-1)表示衰減強度，則高衰減對應高Q-1值或低Q值。進而對含水合物飽和度和縱、橫波衰減(QP-1、QS-1)進行交會分析，得知縱、橫波衰減與水合物飽和度大致呈線性關系，且相同含水合物飽和度條件下，橫波衰減大于縱波衰減(圖2)。這也是在含水合物地層吸收衰減特性分析研究中，首次將縱、橫波衰減特性與含水合物飽和度進行定量分析。

圖2 Mallik-2L38井中利用電阻率法估算的天然氣水合物飽和度與聲波衰減之間的關系[4]

Pratt等[5]和Bauer等[6]利用基于射線的層析成像技術對井間地震資料進行了衰減剖面的成像。結果顯示，在含水合物地層地震波衰減也表現出明顯的高值異常。由于聲波測井頻率一般在100～25kHz，而井間地震數據頻率是在100～1000Hz(如采用美國Tomoseis公司的壓電震源、10單元有源陣列接收系統，掃描頻率為100～2000Hz，處理后頻率為100～1000Hz)，因此Pratt等[5]和Bauer等[6]的研究是對Guerin等[4]分析結果的重要補充。

1.2 日本南海海槽

日本南海海槽是上新世以來菲律賓海板塊向歐亞板塊俯沖形成的年輕海溝，在水深800～2000m的內陸坡，分布數個新近系沉積充填的弧前沉積盆地。在弧前盆地的外側，較深的陸坡處發育增生楔[7]。

由于該區在早期地震調查中識別出廣泛分布的BSR，為了進一步確認天然氣水合物藏的存在，JMITI(Japanese Ministry of International Trade and Industry)在日本南海海槽展開鉆探，采集到含有大量

天然氣水合物的砂巖巖心。與加拿大Mallik凍土帶相似，在該區的陣列聲波測井中，聲波波形振幅也發生明顯減弱。Matsushima[8]使用質心頻率偏移法對陣列聲波測井波形記錄數據分別計算了縱波和橫波衰減，雖然該區含水合物地層較薄，且水合物飽和度較低，但縱、橫波衰減仍然都表現為高值異常，并且縱、橫波衰減與含水合物飽和度也大致呈線性關系。Matsushima[9]又利用VSP數據進行了吸收衰減參數的提取，在地震頻帶范圍內進一步研究了日本南海海槽含水合物地層的地震波吸收衰減特性。結果顯示在含游離氣區域，縱波衰減表現出明顯高值異常，而在含水合物地層位置，VSP提取的衰減參數并沒有明顯的異常(圖3)。因此Matsushima認為，含水合物地層的吸收具有頻率選擇性，在30～110Hz的頻率范圍內，含水合物地層并未對地震波產生強烈的吸收作用。

圖3 對日本南海海槽PSW1現場VSP數據利用譜比法(a)和質心頻率偏移法(b)估算的縱波逆品質因子[9]

1.3 阿拉伯海Makran增生楔

Makran增生楔位于西印度洋阿拉伯海海域，該區雖無井資料直接證明天然氣水合物的存在，但Sain等[10]、Ojha等[11]基于該區地震資料通過多種方法證明了天然氣水合物和游離氣藏的存在。為了分析該區含水合物地層的地震波吸收特征，Sain等[12]在疊前道集上利用譜比法針對三個典型CDP處的水合物上覆地層、水合物穩定帶及游離氣層分別求取層間品質因子(圖4)，這三個CDP分別對應強BSR、弱BSR及無BSR三個典型位置。分析這三個CDP處的地層品質因子變化規律可知，Makran增生楔地區含水合物地層吸收效應較弱，而BSR下部游離氣藏的吸收效應較強。Sain等[12]指出，在Makran增生楔地區，含水合物地層的地震吸收特征與Mallik地區和日本南海海槽區的特征不一致，可能緣于該區含水合物地層中只有水合物和巖石骨架兩相，而不存在流體，水合物與骨架的膠結作用增加了巖石的硬度從而造成地層吸收效應減弱。

圖4 Makran增生楔地區 CDP 4286(a)、4372(b)和4524(c)處的地震道集分別與估計的層間品質因子Q疊加[12]

1.4 墨西哥灣

墨西哥灣西北陸緣是油氣十分富集的被動大陸邊緣，中新生代沉積盆地發育了巨厚海相碳酸鹽巖，形成大規模的鹽底辟構造和斷裂構造。目前在眾多區塊識別出BSR[13-15]，并采集到大量天然氣水合物樣品。在該區陣列聲波測井中，聲波振幅也發生明顯減弱。王吉亮等[16]使用質心頻率偏移法對墨西哥灣GC955H井的陣列聲波測井波形數據計算了縱波衰減(圖5)。該區含有兩種不同類型的含水合物地層，裂隙填充型的水合物層Ⅰ及孔隙填充型的砂巖水合物層Ⅱ。前者衰減大小與上覆背景泥巖層段相比并無明顯變化，推測原因有三：①泥巖層水合物對衰減無影響；②泥巖層段內水合物飽和度太低；③可能是因為水合物充填于垂直裂隙中，對進入地層垂向傳播的聲波作用不大。而后者表現出明顯的衰減高值異常，并且縱波衰減與含水合物飽和度也大致呈線性關系，隨著水合物飽和度增加，縱波衰減逐漸增強。

圖5 墨西哥灣GC955H井聲波衰減計算結果[16]

1.5 中國珠江口盆地南海神狐海域

位于南海北部陸緣的珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷南側的神狐海域是中國近年來天然氣水合物勘探的重點目標。廣州海洋地質調查局于2007年及2015年先后在神狐海域進行了GMGS1、GMGS3兩航次水合物鉆探，均獲得了水合物實物樣品。鉆探資料研究結果表明，神狐海域水合物儲集層以黏土質粉砂細粒沉積物為主，局部存在具有較高孔滲性的粉砂細粒沉積物，水合物以分散式或者膠結式充填在其孔隙中[17]。GMGS1鉆探區的水合物分布在海底以下約200m，厚度處于10～47m，平均飽和度約20%，最高達48%。GMGS3鉆探區的水合物主要分布于海底以下100～250m，飽和度介于0～76%，較GMGS1鉆探區厚度大、飽和度高、展布規模及儲量大[18]。目前，針對中國南海水合物地震吸收衰減特征的研究較少。Li等[19]對神狐海域天然氣水合物的反射地震數據分析表明，含水合物層的吸收衰減明顯低于相鄰地層。Wang等[20]利用神狐海域垂直電纜地震(VCS)資料，采用譜比法估算了海底各層品質因子Q值，研究發現，含水合物地層的Q值比不含水合物或游離氣地層的Q值大，即吸收衰減弱，含游離氣地層的Q值比不含水合物或游離氣地層的Q值小，即吸收衰減強，但造成這一特征的主要原因和影響因素有待進一步研究。

1.6 人造巖樣實驗室測量結果

Priest等[21]在實驗室合成水合物飽和巖石樣品，利用共振法在頻率50～400Hz下對13個含不同體積水合物的砂巖樣本進行了衰減值的測量。結果(圖6)顯示：在水合物飽和度3%～5%范圍內，縱橫波衰減隨飽和度增加迅速增至最大值，爾后縱波衰減迅速降低，接著又呈現緩慢增加的趨勢，而橫波衰減迅速減小且逐漸保持平穩，但仍比不含水合物地層的衰減值高2～3倍；當水合物飽和度增至3%～5%的臨界飽和度時，衰減達到最強。

圖6 Priest實驗試樣H4-1及H5-1在500kPa圍壓下縱波衰減及橫波衰減隨水合物飽和度變化[21]

Priest等[21]認為，實驗室合成的含水合物砂巖樣品為部分飽和，包含巖石骨架、水合物、吸附水和游離氣等多個相態。在巖石中的水合物形成之前，地震波傳播會引起吸附水和游離氣在巖石裂隙和孔隙中產生噴射流，從而造成地震波能量的衰減。當水合物形成之后，水合物與巖石骨架的膠結會增加裂縫和孔隙的長度，從而加劇衰減作用。隨著水合物飽和度進一步增加，水合物與巖石的膠結會逐漸完全堵塞裂隙和孔隙，吸附水和游離氣被束縛，噴射流效應減弱，因而吸收作用逐漸減弱，但由于水合物本身也是多孔隙結構，吸附水和游離氣可能在水合物內部結構中也會產生一定的噴射流效應，所以此時含水合物地層的吸收衰減效應仍強于不含水合物地層。對于橫波的衰減只在水合物飽和度小于3%～5%時才會有敏感變化，該結論與Mallik地區的測井分析結果并不一致。在Mallik地區，隨著水合物飽和度增加，橫波衰減要比縱波衰減嚴重。Priest等[21]認為這主要是因為Mallik地區為完全飽和巖石，只含有巖石骨架、水合物和流體水三種相態，而實驗樣本含氣體，氣體的膨脹壓縮作用，導致縱波衰減的變化更明顯。

1.7 小結

為便于對比，將五個水合物探區及人工巖樣的縱、橫波衰減特征進行歸納總結(表1)。可以發現，對于不同的水合物探區或樣品、使用不同的資料，地震波表現出不同的衰減特征，目前人們對此現象并未達成共識，這也是后續開展水合物地層吸收衰減機制及巖石物理研究的主要論題之一。

表1 各水合物探區及人工巖樣的地震波衰減特征對比

2 天然氣水合物儲層吸收衰減機制及巖石物理理論研究

地下油氣儲層為多孔隙介質，孔隙結構的不規則性和孔隙介質的多相性導致多孔介質的宏觀物理性質對孔隙流體含量、流體性質或孔隙結構的細小變化十分敏感。因此，當地震波在多孔隙介質中傳播時，受其影響，介質孔隙發生閉合或張開、流體產生相對運動，致使多孔隙巖石的宏觀物理性質甚至化學性質發生變化，從而引起地震波傳播速度的頻散、能量和振幅的頻率依賴性衰減。可見，研究地震波在多孔隙介質中傳播特性隨孔隙流體及孔隙結構動態變化的關系，認識地震波在其中的傳播規律，對于解決譬如儲層流體預測等問題有重要的理論與實際意義。

國內外學者對含流體孔隙介質中的地震波傳播與衰減問題進行了大量研究，建立了多種雙相孔隙介質波動理論模型，如經典的Biot理論[22]、White模型[23]、BISQ理論[24]等。這些理論模型廣泛應用于常規的油氣儲層研究，并取得了顯著的應用效果[25]。而天然氣水合物因其自身物理狀態(冰態、結晶狀化合物)及賦存方式(常見孔隙填充型、顆粒支撐性、膠結型)的特殊性，對儲層流變性質及孔隙結構的影響遠比油氣層復雜得多，基于傳統的理論來模擬天然氣水合物與其宿主沉積物之間的相互作用、了解能量耗散過程，結果并不準確。因此學者們基于以上理論，考慮了各種水合物存在時可能帶來的附加衰減機制，用來描述含水合物儲層的地震波吸收衰減現象，由此形成了一系列巖石物理模型，如Leclaire模型[26]、CT模型[27]、改進的Leclaire模型[28]、HEG模型[29]、HBES模型[30]等，并結合水合物探區實際數據取得了較好的理論模擬及應用效果，為利用地震波衰減屬性進行水合物儲層識別及定量評價奠定了理論基礎。

2.1 Leclaire模型(三相Biot理論)

Biot[22]最早(1956年)提出的描述含飽和流體孔隙介質的彈性波理論——Biot雙相介質理論，奠定了孔隙介質彈性波理論的基礎。該理論假設介質為各向同性、孔隙空間連續，且孔隙流體是相對于固體骨架可以進行Poiseuille流動的牛頓流體，并將孔隙介質受到的力分解為作用于固體骨架和孔隙流體兩部分的應力，當地震波傳播經過孔隙介質時，導致了固體骨架和孔隙流體之間的相互運動，其能量由于黏性摩擦而發生衰減，這就是Biot耗散機制。Biot理論不僅首次提出了流固耦合作用及其對地震波響應的影響，還預測了慢縱波的存在。

Leclaire等[26]認為在0℃以下，孔隙空間中的水和冰晶共存，并將結冰過程中的冰晶從連續態轉化為不連續態，將適用于飽和流體多孔介質的Biot理論拓展到包含巖石顆粒、冰晶和孔隙流體三相的多孔介質，稱其為Leclaire模型或三相Biot理論(圖7)。該模型有兩個重要假設，一是巖石顆粒與冰晶之間無直接接觸；二是最小波長大于孔徑，使骨架在宏觀上可看成有效介質。模型基于連續介質力學給出了介質的動能、勢能和耗散能量，推導出在巖石顆粒、冰晶、孔隙流體三相介質中波的傳播方程

圖7 含巖石顆粒、冰晶和孔隙流體的Leclaire模型[26]

(1)

式中：φ和ψ表示波的縱向和橫向位移，上標點表示對時間求導；R、μ、ρ和F分別表示剛度、剪切模量、質量密度和摩擦系數矩陣，且有

(2)

Guerin等[4]將Leclaire模型中的冰晶替換為水合物，分析了不同水合物飽和度下儲層衰減變化(圖8)。模型孔隙度設置為35%，縱波頻率采用12kHz，橫波頻率為2.5kHz，圖中點線、虛線、實線分別對應地層滲透率κ為10-8m2、10-9m2、10-10m2，黑點為加拿大Mallik凍土區2L38含水合物井的實測數據。分析發現雖然模型與實測數據κ=10-10m2的條件下能匹配，但模型曲線并未很好地描述實際數據的趨勢，其主要原因是該模型未考慮巖石顆粒與冰晶之間的相互作用。

圖8 縱(左)、橫(右)波逆品質因子隨水合物飽和度的變化[4]

2.2 CT模型

Carcione等[27]考慮了巖石顆粒與冰晶之間接觸而產生的勢能與動能，發展了Leclaire理論，即CT(Carcione Tinivella)模型，并將CT模型中的冰晶替換為水合物顆粒，應用于計算水合物沉積地層的彈性波速度。但CT模型忽略了巖石顆粒與水合物之間的相互摩擦。Guerin等[28]利用Leclaire模型和CT模型分析了水合物飽和度及巖性對含水合物沉積層縱、橫波速度及衰減的影響(圖9)。相比Leclaire模型，CT模型中縱、橫波速度隨水合物飽和度增大的趨勢更明顯。此外，橫波速度曲線表明：當水合物飽和度小于30%時，橫波速度的增量可忽略；而當水合物飽和度較高時，橫波速度的增加非常顯著。但布萊克海脊數據表明，橫波速度在低水合物飽和度時也有明顯變化，與模型不相符[31]。Leclaire模型和CT模型均考慮了黏性流體摩擦，但衰減特征并不顯著，這與Mallik凍土區(圖8)數據明顯矛盾，其原因是Guerin等[4]使用水合物滲透率和剪切模量的極值。表明Leclaire模型和CT模型均不能準確描述該含水合物地層的衰減現象。

2.3 改進的Leclaire模型

2.3.1 考慮沉積物顆粒與水合物間膠結作用

Guerin等[28]假設天然氣水合物和沉積物顆粒之間的膠結作用可用耦合剪切模量來描述。使用類似于Johnson等[32]固結模型中剪切模量的表達式，該模量的簡單表達式為巖石顆粒和天然氣水合物體積分數的二階多項式函數

μsh=μsh0(φhφs)2=μsh0[φh(1-φ)]2

(3)

圖9 Leclaire模型和CT模型的模擬結果[28]

2.3.2 考慮沉積物顆粒與水合物之間的摩擦作用

巖石礦物顆粒與天然氣水合物之間的膠結作用是速度隨水合物飽和度增加而增加的必要條件[32]，這兩相之間可能發生接觸和摩擦，而Leclaire模型和CT模型都忽略了摩擦。Berryman等[33]描述了雙孔隙、雙滲透率介質中固相之間的摩擦。Guerin等[28]假設固體顆粒與水合物之間的摩擦力是其間速度差的線性函數，類似于對孔隙流體的黏性摩擦力，并定義新的摩擦系數為天然氣水合物和沉積物組分的二階多項式函數，類似于Berryman等[33]計算的阻力系數，從而給出摩擦矩陣，將沉積物顆粒與水合物之間的摩擦損耗引入Leclaire模型：

(4)

2.3.3 考慮沉積物顆粒、水合物、孔隙水之間的慣性耦合

2.3.4 考慮噴射流

圖10 各Leclaire模型模擬結果(線)與Mallik-2L38井數據(點)對比[28]

將以上模型結果與Mallik-2L38井實際數據對比發現，在三相Leclaire模型中，摩擦、膠結和噴射流動機制的組合(無慣性耦合)，能夠較合理地再現Mallik探區速度和衰減隨水合物飽和度增加而增加的情況。

2.4 HEG(Hydrate Effective Grains)模型

2.4.1 BSM模型與存在問題

Stoll等[36]假設松散海洋沉積物骨架中存在全局摩擦損耗。在Biot理論中引入常數復骨架剪切模量和體積模量，這種對Biot理論的擴展，稱為Biot-Stoll模型(BSM)。Stoll[37]的實驗室數據表明，在松散的細粒海相沉積物中，縱波與橫波的對數衰減率非常接近。因此，如果給定了復剪切模量，則可以通過假設骨架的合理泊松比估計無法通過測量直接獲得的復骨架體積模量；Stoll[38]實驗室數據進一步解釋了此結果，認為細粒海洋沉積物中，存在由于骨架中的局部黏彈性損失引起的附加頻率依賴性衰減，即全局骨架摩擦損耗，還使用Cole-Cole模型[39]中的公式引入復剪切模量。通過與實際數據對比，發現Biot理論明顯低估了衰減，而Biot-Stoll模型也給出了低估的衰減值。Wood等[40]認為為了匹配這些數據而假設一個更高的剪切模量是不合理的，因為會導致很高的縱波速度。

2.4.2 EGM模型

Leurer[41]認為需一個附加衰減機制來增加縱波能量的衰減，該機制在加載期間分別通過純壓縮和膨脹激活，即使剪切波對其吸收應非常高，也對縱波速度和衰減的影響很小，因為細顆粒近地表海洋沉積物的剪切模量很低[42]。因此Leurer[41]提出了等效顆粒模型(Effective-Grain Model，EGM模型)，認為通常假設的體積模量對沉積物顆粒的描述是不充分的，因而假設沉積物具有較多的黏土組分，并且存在膨脹性的黏土礦物(以蒙脫石為代表)，因為在幾乎所有含黏土的海洋沉積物中都有不同數量的膨脹性黏土礦物。由于膨脹，即吸水，蒙脫石變成一個兩相體系。為了描述等效顆粒材料的動態行為，膨脹蒙脫石被認為是均勻各向同性的平面柱狀包裹體，假設包裹體被晶內水飽和，包裹體邊緣與自由孔隙水所占據的孔隙空間相連。因此，顆粒材料被視為對應力具有黏彈性響應的等效介質，引入復體積模量來描述。衰減機制為應力誘導擠壓引起的流體運動，因此可視為噴射流動過程，這一現象的一般特征是從低縱橫比包裹體到縱橫比接近統一的孔隙的局部流體流動。

2.4.3 EGM的拓展——含水合物層HEG模型

Priest等[43-44]使用過量氣(Excess gas)和過量水(Excess water)兩種方法在砂巖樣本中形成甲烷水合物。過量氣法包括將已知質量的水分布在整個砂樣中，用甲烷氣體使部分水飽和的砂飽和，水傾向于覆蓋濕砂粒，甲烷與水反應形成顆粒覆蓋型水合物，其中一部分作用于在顆粒接觸處膠結顆粒[45]。相比之下，過量水法需要向砂樣中注入甲烷氣體，然后用水沖洗砂樣，這被認為產生了一種孔隙填充型水合物形態，因為甲烷氣體傾向于分布在砂巖的孔隙空間中，周圍是自然附著在濕砂顆粒上的水。該解釋分別得到了文獻[44]和文獻[46]中報告的速度和彈性模量結果的支持。Best等[29]提出水合物顆粒可認為是含有氣體或水的柔性材料，而不是單純的固體礦物。包裹體是在Excess gas或Excess gas條件下水合物形成過程中捕獲的孤立氣或水的結果。在此情況下，水合物可能以與沉積物和巖石中其他微孔、柔性礦物類似的方式，產生局部黏性流體(噴射流)。Ecker等[47-48]不僅給出關于顆粒膠結水合物的骨架模量表達式，還給出承載型和孔隙填充型水合物的骨架體積和剪切模量的表達式，并將這些骨架模量值輸入到Gassman[49]方程，以計算流體飽和沉積物中的地震速度。Best等[29]將其引入Biot理論中，以預測頻率相關的縱波和橫波速度和衰減。為了解釋與微孔水合物顆粒相關的噴射流，Best等[29]使用Leurer等[41，50]的EGM方法，使骨架彈性模量是與頻率相關的復模量。這里，Ecker等[47-48]表達式中的固體水合物相的體積模量和剪切模量被含有流體包裹體的等效水合物顆粒的體積模量和剪切模量代替。并遵循Johnston等[51]的方案，利用對應性原理引入頻率相關的復包裹材料彈性模量，使水合物的等效顆粒模量為頻率相關的復模量。由此提出水合物等效顆粒模型(Hydrate Effective Grains，HEG，圖11)。

圖11 水合物等效顆粒模型示意圖[47]

Best等[29]模擬發現，膠結水合物HEG模型估算的衰減可忽略不計；孔隙填充水合物HEG模型只能解釋飽和水條件下縱波衰減的增加(預測橫波衰減為零)；承載HEG模型預測縱波和橫波衰減的增加。

圖12 氣體飽和時承載型HEG模型模擬結果[29]

圖13顯示含水飽和(Sw=1)、承載型水合物的類似結果，圖13c和圖13d顯示通過固定Si=0.5和不同的包裹體縱橫比預測Sh=0.15時衰減峰值。

圖13 水飽和時承載型HEG模型模擬結果(同圖12)

圖14 承載型HEG模型結果與Best等[29]實驗數據對比

2.5 HBES模型

Marín-Moreno等[30]給出含水合物沉積物微觀結構的理想狀態(圖15)。他們將HEG模型[29]引入的水合物中流體包裹體與孔隙之間的流動稱為亞微米噴射流，并以HEG模型和Biot-Stoll模型[36]為基礎，將水合物生成孔隙和原始孔隙(如砂巖骨架主孔隙)之間的微米噴射流以及氣泡阻尼引起的衰減加入其中，提出含水合物等效沉積物模型(Hydrate-Bearing Effective Sediment，HBES)，模擬多重衰減機制下縱波衰減隨水合物飽和度的變化。圖16模型示意圖展示了不同的單獨衰減機制，含水合物沉積物中的總能量損失由每種衰減機制的貢獻給出。

圖15 含水合物沉積物微觀結構的理想狀態[30]

圖16 含水合物有效沉積物(HBES)模型流程圖[30]

圖17為孔隙填充型水合物層的的縱波衰減隨頻率及飽和度的變化，地震頻率下顯示的衰減峰值是由水合物(亞微米噴射流)中的流體包裹體引起的，而在超聲波頻率下，衰減峰值是由孔隙填充水合物存在導致的初始孔隙度降低和不同縱橫比孔隙的引起的。水合物中流體包裹體產生的亞微噴射流的衰減最大值出現在整個頻率范圍內，這取決于包裹體中流體的縱橫比和類型(圖18a和圖18b)，而不同縱橫比孔隙產生的微噴射流的峰值出現在聲波頻率和超聲波頻率下，與孔隙的縱橫比無關(圖18c)。本質上，水合物中流體包裹體的類型控制著衰減變化的幅度和衰減峰值對應頻率。相比之下，水合物中流體包裹體的縱橫比僅控制衰減峰值的頻率依賴性，而包裹體的濃度僅控制衰減幅度。

圖17 孔隙填充型HBES模型結果[30]

圖18 孔隙填充型HBES模型變化模擬結果(相對于不含水合物)[53]

將HBES模型結果(圖19)與Priest等[21]實驗數據對比，可發現模型預測的縱橫波速度與實驗數據吻合較好，也同樣預測了較低飽和度下的縱波衰減峰值，但結果偏低，而預測的橫波衰減為零，與數據不符。

圖19 孔隙填充型HBES模型結果(相對于不含水合物)與Priest等[21]實驗數據對比[43]

2.6 小結

為方便讀者對比，本文將各種巖石物理模型的假設條件與優缺點、衰減機制、模擬結果及對實際探區或實驗數據的適用性進行了歸納總結(表2)。

表2 各模型假設條件與優缺點、衰減機制、模擬結果及對實際探區或實驗數據適用性分析對比

3 結論與展望

本文回顧了國內外多探區天然氣水合物地震波吸收衰減特征，綜述了水合物儲層可能存在的衰減機制及相關巖石物理理論，得到以下幾點認識：

(1)很多地區的水合物地層的地震數據呈現較明顯的吸收衰減特征，但是相互之間存在較大的差異，造成差異的主要原因是水合物的賦存狀態不同，以及儲層是否含流體。

(2)地震衰減具頻散特征，但現有的現場觀測和實驗測試數據有限，難以全面體現衰減隨頻率變化的性質。

(3)水合物對衰減的作用還不明確，現有的吸收衰減機制和巖石物理理論在一定程度上能夠描述地震波衰減隨水合物飽和度的關系，例如改進的Leclaire模型與井數據相匹配，HEG模型與Best的實驗數據的趨勢相一致，但是適用性和精度還需要進一步結合實際數據進行分析和驗證。

(4)由于實驗室內較難合成與原位地層條件相同的水合物樣品，基于人工合成巖心的巖石物理實驗得到的水合物與各種巖石物理參數之間的關系，并不能準確描述實際地層的情況。

(5)與天然氣水合物存在有關的測井聲波波形異常及低地震振幅或振幅“空白”帶，與地震波吸收衰減直接相關，可作為天然氣水合物量化的一個指標。但由于我們對沉積物中的衰減機制，特別是水合物的作用認識有限，因此對聲波測井或者地震衰減測量的解釋是不確定的，很難定量地將吸收衰減與特定的水合物或沉積物條件聯系起來，但實驗室研究可為其提供理論基礎。

基于以上認識，本文認為：

(1)基于孔隙介質地震波傳播理論，開展一系列賦存方式和分布特征各異的含水合物儲層的吸收衰減機制、巖石物理理論和衰減特征研究，對實驗和現場數據的更可靠解釋具有決定性的作用，可提高將地震振幅與天然氣水合物含量聯系起來的可能性，提高估算水合物儲量的能力。

(2)對于含水合物沉積物，研究水合物對巖石微觀結構改變的作用機理，分離固有損耗機制并準確預測其依賴性(如測量頻率、等效壓力、溫度、滲透率、孔隙流體類型和飽和度、水合物飽和度和形態)，從而建立描述這種衰減機理的最佳巖石物理模型，仍是目前的主要挑戰。