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沉积物中天然气水合物微观分布模式及其声学响应特征_图文

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沉积物 天然气 水合物 微观 分布 模式 及其 声学 响应 特征 图文
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    基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (编 号 : 40576028 ) 、“ 我 国 海 域 天 然 气 水 合 物 资 源 调 查 评 价 ” 专 项 项 目 (编 号 :、 国 土 资 源 部 海 洋 油 气 资 源 与 环 境 地 质 重 点 实 验 室 基 金 项 目 (编 号 :。作 者 简 介 :胡 高 伟 ,1982 年 生 ,博 士 研 究 生 ;主 要 从 事 天 然 气 水 合 物 模 拟 实 验 方 面 的 研 究 工 作 。 地 址 : (266071)山 东 省 青 岛 市 福州 南 路 62 号 青 岛 海 洋 地 质 研 究 所 。 电 话 : (0532) 85710043 ,15954801295。 163. 物 中 天 然 气 水 合 物 微 观 分 布 模 式 及 其声 学 响 应 特 征胡 高 伟 1 ,2 ,3   业 渝 光 1 ,2   张 剑 1 ,2   刁 少 波 1 ,21. 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 院胡 高 伟 等 . 沉 积 物 中 天 然 气 水 合 物 微 观 分 布 模 式 及 其 声 学 响 应 特 征 . 天 然 气 工 业 ,2010 ,30 (3) : 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~ 300 m/ 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10. 3787/ j. 100020976. 2010. 03. 031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 [127 ] ,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 ( 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 300 L 的 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 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. 5 M 由 加 拿 大 司 生 产·021·                         天   然   气   工   业                                     2010 年 3 月    图 1   实 验 装 置 图(左 图 为 天 然 气 水 合 物 地 球 物 理 模 拟 实 验 装 置 示 意 图 ;右 图 为 高 压 反 应 釜 截 面 示 意 图 。 2 只 阻 温 度 计 分 别 测 量 沉 积 物 内 部 和 表 层 温 度 ;压 力由 釜 外 的 一 压 力 传 感 器 测 量 ;反 应 釜 上 端 一 金 属 顶 杆 紧 压 换 能 器 ,使 两 换 能 器 能 紧 贴 于 样 品 两 端 获 取 声 学 参 数 。 同 轴 型 针 用 来 探 测 沉 积 物的 含 水 量 )的 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 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 。 测 采 用 的 装 置 为 美 国 司 生 产的 1502C 型 时 域 反 射 仪 和 自 制 的 同 轴 型 针 。 [10 ]采 用 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 [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~ 7 等因 素 对 含 水 量 测 试 的 影 响 [12 ] 。 结 果 表 明 ,温 度 和 压 力对 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 %) 。 量 含 水 量 的 过 程 为 :根 据 获 取 的 波 形 得 出 样品 的 介 电 常 数 ,再 利 用 [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 (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 ( 为 4 242 m/ s ,横 波 速 度 ( 为 2 530m/ s (图 2) 。 当 水 合 物 形 成 时 ,纵 、 横 波 速 度 均 随 着 水表 1   人 工 固 结 岩 心 实 验 中 材 料 及 参 数 表 [9 ]参 数 体 积 模 量 / 切 模 量 / 度 /g · 3 vp/m · s - 1 vs/m · s - 1莫 来 石 173. 90 89. 47 3. 19 9 586. 98 5 295. 94水 合 物 5. 60 2. 40 0. 90 3 650 1 890纯 水 2. 29 0 1. 00 1 500 0图 2   固 结 沉 积 物 中 水 合 物 生 成 、 分 解 过 程 各 参 数 变 化 情 况 图( 别 为 沉 积 物 内 部 和 表 层 温 度 )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~ 2 d ,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 ( 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 一·121·第 30 卷 第 3 期                                       新   能   源                              图 3   固 结 沉 积 物 中 声 速 随 水 合 物 饱 和 度 变 化 情 况 图饱 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 。松 散 沉 积 物 为 采 自 于 青 岛 海 边 的 天 然 砂 ,粒 径 为0. 18~ 0. 25 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) 。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 · 3 体 积 模 量 / 切 模 量 / 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图 4   松 散 沉 积 物 中 水 合 物 生 成 、 分 解 过 程 中 各 参 数 变 化 情 况 图结 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 2 780 m/ s 左 右 ,比 含 饱 和 水 沉 积 物 的 声 速增 长 1 000 m/ s 左 右 。3   水 合 物 微 观 分 布 特 征 及 其 影 响 因 素 [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 [ 15 ] 提出 的 权 重 方 程 和 6217 ] 提 出 的 B 论 (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 , [1 ]和 [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 B 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 B 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 B 的 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B 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 62a) ,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 62b) ,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 。图 5   权 重 方 程 和 论 预 测 的 速 度 值 与 实 测 值 比 较 图·221·                         天   然   气   工   业                                     2010 年 3 月图 6   固 结 沉 积 物 中 水 合 物 微 观 分 布 图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 大图 7   等 效 介 质 理 论 预 测 的 纵 波 速 度 与 实 测 值 比 较 图于 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 82b) ,随 后 ,水 合 物 在 孔 隙 流 体 中 以 悬 浮 状 形 态 生 成 (图 82c) 。 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 。图 8   松 散 沉 积 物 中 水 合 物 微 观 分 布 图松 散 沉 积 物 中 的 水 合 物 微 观 分 布 已 由 [ 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 。图 9 由 的 水 、 水 合 物 、 气 和 沉 积 物 颗 粒 分 布 图注 :S 为 砂 粒 ; 离 气 ;W 为 水 ; H 为 水 合 物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 [19220 ] 。 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~ 300 m/ 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 。·321·第 30 卷 第 3 期                                       新   能   源                                  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 。参   考   文   献[1 ] , , A I A ,et J ]. 1999 ,26 (2) :178121784.[2 ] H B , , A , et in J ]. 1999 ,26 :202122024.[3 ] J , F , H ,et on ]. 2007 ,56 (1/ 3) :1272135.[4 ] F , J , H. in ]. 2004 ,89 :120221207.[5 ] A , I , R I. 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