陸域天然氣水合物儲(chǔ)藏的裂隙模型及其地震波傳播特性

劉元英, 吳小平

(1. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球和空間科學(xué)學(xué)院 地震與地球內(nèi)部物理實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026;2. 蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，蒙城 233500)

0 引言

天然氣水合物是可持續(xù)發(fā)展的清潔能源，然而受開(kāi)采技術(shù)等制約，全球水合物開(kāi)發(fā)基本處于室內(nèi)試驗(yàn)和室外資源普查、試采階段[1-2]。目前僅麥索雅哈氣田是世界唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)性開(kāi)采的陸域水合物藏。作為世界第三大凍土國(guó)，我國(guó)陸域天然氣水合物資源前景良好，但是由于起步晚，其成藏模式及勘探技術(shù)處于初步探索階段，至今僅青藏高原北部木里地區(qū)鉆獲水合物樣品[3-5]。

陸域天然氣水合物勘探從理論上講，可以借鑒海洋水合物的勘探經(jīng)驗(yàn)。全球已探明的數(shù)百個(gè)水合物礦藏基本都是通過(guò)地震剖面的似海底反射(Bottom Simulating Reflection, BSR)獲得的[6-7]。海洋水合物微觀模式是基于球狀理論[9]，針對(duì)高孔隙度(36%～40%)[8]沉積層提出的。其在解釋海底BSR的形成，以及預(yù)測(cè)天然氣水合物含量方面獲得了廣泛地認(rèn)可[10-15]。海洋沉積層孔隙度較高(約40%)，因而國(guó)內(nèi)海域天然氣水合物勘探理論研究，主要圍繞高孔隙度海洋水合物微觀模式展開(kāi)[16-19]。

陸域天然氣水合物的調(diào)查工作顯示，陸域天然氣水合物儲(chǔ)藏的巖石物理模型及勘探理論需要有針對(duì)性的研究。首先，陸域天然氣水合物地震剖面上并無(wú)BSR現(xiàn)象[5, 20-21]。其次，我國(guó)凍土區(qū)沉積層孔隙度低，如木里地區(qū)沉積層平均孔隙度僅為3.45%[22]。再者，我國(guó)凍土區(qū)裂隙、斷裂破碎帶發(fā)育[21-24]，凍土層較薄，有別于世界極地凍土區(qū)[4]。徐明才等[21,25]根據(jù)木里地震資料，初步認(rèn)為DK3 鉆井天然氣水合物賦存區(qū)具有高頻、弱振幅特點(diǎn)，DK4 疑似天然氣水合物層段則表現(xiàn)為低頻、強(qiáng)振幅特點(diǎn)；田玉昆等[26]對(duì)青海哈拉湖地區(qū)進(jìn)行地震采集實(shí)驗(yàn)，獲得了低頻段較高信噪比的地震資料，認(rèn)為天然氣水合物賦存區(qū)的地震響應(yīng)特征為弱振幅；王新全等[27]研究了和田玉昆等[26]同一工區(qū)的地震資料，同樣認(rèn)為陸域天然氣水合物地震勘探特征為低頻、弱振幅。關(guān)于陸域天然氣水合物地震勘探特征，有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

結(jié)合頁(yè)巖氣開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)陸域天然氣水合物勘探前景良好。頁(yè)巖氣埋深一般大于180 m，有效孔隙度小于5%，可進(jìn)行工業(yè)開(kāi)采的條件為有裂隙系統(tǒng)[28-30]。以祁連山凍土區(qū)為例，其凍土層厚50 m～90 m，平均孔隙度3.45%，裂隙及斷裂破碎帶發(fā)育[21-23]，符合頁(yè)巖氣的開(kāi)采特征。理論上，我國(guó)凍土帶水合物具備開(kāi)采價(jià)值，凍土區(qū)開(kāi)采可行性則依賴于裂隙系統(tǒng)的發(fā)育。筆者研究的是陸域天然氣水合物儲(chǔ)藏的裂隙模型，以及其地震波傳播特性。

1 裂隙理論及其應(yīng)用

以球形顆粒為基礎(chǔ)的有效介質(zhì)理論在實(shí)際應(yīng)用中局限性大。早在17世紀(jì)，Walsh 針對(duì)上地幔巖石部分熔融的現(xiàn)象，提出以“Penny-Shaped”結(jié)構(gòu)來(lái)描述石墨，冰等在高溫高壓下部分熔融的狀態(tài)，即以簡(jiǎn)化的橢球體來(lái)描述孔隙形狀[33-34]，在玻璃和陶瓷制品中也時(shí)有出現(xiàn)橢球狀孔隙[31-32]。橢球體通過(guò)三個(gè)軸a、b、c來(lái)確定，且滿足(a=b)，定義縱橫比為α=c/a。Walsh給出孔隙為裂隙(α?1)，且裂隙填充物剪切模量遠(yuǎn)小于骨架的剪切模量，裂隙隨機(jī)分布的有效彈性模量公式[34]：

(1)

其中：c為孔隙含量，且c?1；K、μ分別為體積模量和剪切模量；m為骨架相；i為填充物相；α為裂隙縱橫比。

Le Ravalec and Guéguen[33]在此基礎(chǔ)上，通過(guò)差分迭代求解，給出裂隙含量較高時(shí)的有效彈性模量。其差分求解過(guò)程為，隨著孔隙度的每一次增加，第i+1 次的背景骨架彈性模量“等效”為前一次即第i次的有效彈性模量，并提出用裂隙密度ε來(lái)衡量裂隙含量[35]。

ε=3φ/(4πα)

(2)

1.1 裂隙理論在巖芯水合物樣品中的應(yīng)用

中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所使用木里地區(qū)DK8井水合物層段樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，其樣品及數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 DK8巖心數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)物樣品，使用基于孔隙形態(tài)的裂隙理論，對(duì)表1中樣品進(jìn)行P波速度的數(shù)值模擬，其結(jié)果見(jiàn)圖 1中實(shí)線部分，不同的顏色代表不同的樣品。圖 1表明使用裂隙理論，通過(guò)調(diào)節(jié)裂隙縱橫比，可以得到很好的擬合效果，圖 2為數(shù)值模擬所使用的縱橫比。

圖1 縱波速度隨甲烷水合物含量的變化

圖2 孔隙縱橫比隨水合物飽和度的變化關(guān)系

由圖 2可見(jiàn)，縱橫比均小于0.06(球體的縱橫比為1)，表明陸域凍土區(qū)水合物賦存層段的孔隙形狀為裂隙型。王平康等[36]總結(jié)祁連山凍土區(qū)科學(xué)鉆探實(shí)驗(yàn)井DK1、DK2、DK3、DK4天然氣水合物賦存層段的特征，肉眼可見(jiàn)有11/13的層段天然氣水合物產(chǎn)狀均為裂隙型，該觀察結(jié)果與本文對(duì)DK8實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬結(jié)果一致，表明對(duì)于陸域凍土區(qū)的天然氣水合物微觀模式，球形孔隙理論不再適用，裂隙模型具有重要作用，水合物賦存層段可富集裂隙。

1.2 裂隙理論在測(cè)井中的應(yīng)用

使用裂隙理論對(duì)木里地區(qū)DK1測(cè)井進(jìn)行詳細(xì)分析，所使用數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 DK1裂隙模型所用參數(shù)

DK1鉆井曲線顯示[36]，天然氣水合物賦存層段為：133.5 m～135.5 m、142.9 m～147.7 m，見(jiàn)圖3中黃色線段標(biāo)注部分。

圖3 DK1井P波模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比

根據(jù)DK1的孔隙度[22]，首先計(jì)算不同孔隙度的巖石骨架彈性模量，再根據(jù)式(1)的差分迭代方法，以及表2中參數(shù)，對(duì)測(cè)井速度進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果及對(duì)應(yīng)裂隙密度見(jiàn)圖 3。

從圖3(a)可以看出，同一深度巖石骨架(紅線所示)速度總是大于或等于擬合 (藍(lán)線所示)速度。當(dāng)巖石骨架(紅線所示)速度小于實(shí)測(cè)曲線時(shí)，擬合會(huì)失敗，其原因與復(fù)雜的實(shí)際條件有關(guān)。當(dāng)巖石骨架(紅線所示)速度大于或等于實(shí)測(cè)速度(綠線所示)時(shí)，擬合曲線(藍(lán)線所示)都能擬合的很好。從圖3中可以看出，當(dāng)巖石富含裂隙時(shí)，其P波速度急劇下降。

在圖3中，兩段水合物層下方均存在小段裂隙發(fā)育區(qū)，右邊的裂隙密度曲線也表明水合物的出現(xiàn)與裂隙密度值高的部位有關(guān)。已有的調(diào)查資料表明[21-22, 36]，祁連山地處構(gòu)造活動(dòng)帶，孔隙度低，水合物賦存帶斷裂破碎及裂隙發(fā)育。數(shù)值模擬與實(shí)際調(diào)查結(jié)果一致，表明陸域天然氣水合物賦存區(qū)與裂隙發(fā)育層位密切相關(guān)。

2 地震波在裂隙介質(zhì)中的傳播

我們從實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)以及測(cè)井資料方面，論證裂隙與天然氣水合物的存在關(guān)系密切，探討地震波在裂隙介質(zhì)中的傳播特征。

Pointer et al.[37]根據(jù)裂隙中流體的運(yùn)移方式，將裂隙分為三種：①流體通過(guò)裂隙相互流通；②裂隙部分飽和，流體在裂隙內(nèi)部流通；③裂隙中流體在含孔隙的骨架中流通，如圖 4所示。

圖4 三種類(lèi)型裂隙

裂隙介質(zhì)彈性模量的剛度矩陣為式(3)。

C=C0+εC1+ε2C2

(3)

(4)

其中：M和K分別為縱波模量和體積模量。

各向異性介質(zhì)中的地震波速，見(jiàn)Thomsen[39]的計(jì)算式，常用參數(shù)見(jiàn)表3。

2.1 裂隙中流體相互連通

縱波模量和體積模量計(jì)算為式(5)。

(5)

其中：Pi=(aκf)/(cμ)；Plrd=(κfKraω)/(εηfcυ2)；κf為流體體積模量；ηf為粘度見(jiàn)表3；Kr為巖石骨架滲透率；c/a為裂隙縱橫比；υ為骨架速度。

表3 流體常用參數(shù)[37]

聯(lián)合式(3)～式(5)，得到的P波速度與裂隙密度、縱橫比、以及頻率的關(guān)系見(jiàn)圖 5、圖 6和圖 7。裂隙含氣時(shí)，P波速度與裂隙密度的關(guān)系如圖 5所示，裂隙密度越大，對(duì)應(yīng)的速度越小。P波速度與縱橫比的關(guān)系如圖 6所示，可以看到P波速度基本不受裂隙縱橫比的影響，由于該裂隙模型中流體相互連通，所以不難理解P波速度不受縱橫比的影響。裂隙與頻率的關(guān)系見(jiàn)圖 7，入射角一定時(shí)，頻率越高，P波速度越小。

圖5 P波速度與裂隙密度的關(guān)系

圖6 P波速度與裂隙縱橫比的關(guān)系

圖7 P波速度與頻率的關(guān)系

2.2 裂隙中流體部分飽和

縱波模量和體積模量計(jì)算式為

(6)

其中：下標(biāo)l和g分別代表液體相和氣體相；q1為液體的體積含量，本文中設(shè)為0.5，氣體的體積含量為1-q1。

ηgFg(1-q1)}

F1(q)?0.053(1-q)[1+cos π(1-q)]

Fg(q)?0.058(1-q)[1+cos π(1-q)]

Pointer[37]給出P波速度衰減與Ps q=ωη1(α)3/μ有關(guān)，圖 8 中 P波速度受裂隙縱橫比影響大，圖9中P波速度基本不受頻率影響，與Pointer[37]闡明的 P 波衰減規(guī)律(衰減與縱橫比的三次方、頻率一次方等線性相關(guān))一致。對(duì)于裂隙內(nèi)流體部分飽和的模型，其裂隙之間流體不連通，故不難理解其P波速度受縱橫比的影響較大。

圖8 P波速度與裂隙縱橫比的關(guān)系

圖9 P波速度與頻率的關(guān)系

2.3 流體通過(guò)巖石骨架連通

縱波模量和體積模量計(jì)算式為：

(7)

其中：φm為巖石骨架孔隙度。

P波速度與縱橫比、頻率的關(guān)系見(jiàn)圖 10和圖 11。裂隙縱橫比對(duì)P波速度影響甚微，而頻率對(duì)其有較大影響，流體通過(guò)巖石骨架連通的裂隙模型，其頻率越低，對(duì)應(yīng)的P波速度越小。

圖10 P波速度與裂隙縱橫比的關(guān)系

圖11 P波速度與頻率的關(guān)系

2.4 不同裂隙模型對(duì)比分析

筆者主要研究三種裂隙系統(tǒng)的裂隙密度、縱橫比，和頻率對(duì)P 波速度的影響：裂隙密度越大，P 波速度越??；裂隙縱橫比和頻率對(duì)P 波速度的影響則較為復(fù)雜，具體影響關(guān)系見(jiàn)表4。當(dāng)裂隙中流體通過(guò)裂隙流通時(shí)，頻率越高，速度越小，這是因?yàn)轭l率較高時(shí)，裂隙中流體來(lái)不及流通，裂隙表現(xiàn)為空[37, 40]。而當(dāng)裂隙中流體通過(guò)沉積物骨架流通時(shí)，頻率越高，速度越大。

表4 裂隙縱橫比和頻率對(duì)P 波速度的影響

3 水合物裂隙模型的AVO分析

陸域天然氣水合物地震勘探特征是否為高頻弱振幅，還是低頻弱振幅，目前觀點(diǎn)尚未統(tǒng)一，本節(jié)主要對(duì)地震勘探頻率和振幅進(jìn)行探討。針對(duì)陸域凍土帶沉積層孔隙度低，所用裂隙類(lèi)型為流體通過(guò)裂隙相互流通型。

中國(guó)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘察研究所綜合地質(zhì)、地球物理、測(cè)井等資料，建立了水合物泥巖儲(chǔ)藏模型，其模型參數(shù)設(shè)置如圖12。對(duì)泥巖儲(chǔ)藏模型進(jìn)行AVO(amplitude versus offset)正演模擬，其AVO觀測(cè)示方式如圖 12所示。

圖12 泥巖儲(chǔ)藏模型參數(shù)設(shè)置及AVO觀測(cè)示意圖

水合物巖芯數(shù)據(jù)表明，水合物賦存層段可含裂隙。當(dāng)水合物賦存區(qū)含裂隙，圍巖不含裂隙時(shí)，賦存區(qū)的地震波速度隨著頻率變化而變化。裂隙密度為0.05，賦存區(qū)在0.1 Hz和3 000 Hz時(shí)，其地震波速度見(jiàn)圖13。圖13為水合物賦存區(qū)界面反射P波的AVO曲線，賦存區(qū)界面包括水合物層頂界面和底界面，見(jiàn)圖 13(a)和圖13(b)，虛線和實(shí)線分別對(duì)應(yīng)0.1 Hz和3 000 Hz。可以看到，不論是水合物賦存區(qū)頂界面，還是底界面反射，低頻相對(duì)于高頻的振幅均較強(qiáng)，這是因?yàn)轭l率降低，賦存區(qū)速度增大，賦存區(qū)和圍巖的速度差異隨之增大。徐明才等[21]根據(jù)DK1、DK3鉆井資料總結(jié)，天然氣水合物富集在斷裂破碎帶內(nèi)，水合物賦存區(qū)和疑似區(qū)的地震勘探響應(yīng)為高頻弱振幅，以及低頻強(qiáng)振幅。徐明才等人的研究與圖13中的結(jié)果一致，表明水合物賦存層段富集裂隙的儲(chǔ)藏模型是比較符合實(shí)際的，流體通過(guò)裂隙流通的裂隙模型滿足水合物儲(chǔ)藏特點(diǎn)。

圖13 水合物賦存區(qū)含裂隙時(shí)的AVO曲線

裂隙密度的縱向分布表明，相對(duì)于水合物賦存層段，圍巖可含裂隙。當(dāng)圍巖裂隙發(fā)育，而水合物賦存區(qū)不含裂隙時(shí)，圍巖的地震波速度隨著頻率的變化而變化。圍巖裂隙密度為0.05，圍巖在0.1 Hz和3 000 Hz時(shí)的地震波速度見(jiàn)圖14。水合物賦存區(qū)的AVO曲線見(jiàn)圖14。與圖13中不同的是，AVO曲線低頻比高頻的振幅弱，這是因?yàn)閲鷰r在低頻時(shí)速度增大，其與水合物賦存區(qū)的速度差異隨之減小。圖14中的結(jié)論與田玉昆等[26]、王新全等[27]的研究一致，認(rèn)為陸域天然氣水合物低頻弱振幅與所在工區(qū)處于斷裂發(fā)育、構(gòu)造活動(dòng)帶有一定關(guān)系。這些結(jié)果表明，圍巖富集裂隙的天然氣水合物儲(chǔ)藏模型比較可靠，流體通過(guò)裂隙相互流通的裂隙模型符合陸域天然氣水合物儲(chǔ)藏特點(diǎn)。

圖14 圍巖含裂隙時(shí)的AVO曲線

4 結(jié)論

陸域天然氣水合物地震勘探特征是否為高頻弱振幅，還是低頻弱振幅，目前觀點(diǎn)尚未統(tǒng)一，有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。筆者結(jié)合凍土帶沉積層特點(diǎn)，從基本的巖石物理模型出發(fā)，探討了橢球狀孔隙在水合物中的適用性，結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)樣例、測(cè)井資料，證實(shí)了水合物賦存層段，以及圍巖均可含裂隙。研究了地震波在不同裂隙介質(zhì)中的傳播規(guī)律—當(dāng)裂隙中流體(氣體或液體)處于連通狀態(tài)時(shí)，其地震波速度受頻率影響顯著。建立了水合物賦存層段和圍巖分別含裂隙的儲(chǔ)藏模型，研究其地震勘探頻率和振幅特點(diǎn)。根據(jù)凍土帶沉積層特點(diǎn)，研究流體通過(guò)裂隙相互連通的裂隙模型。當(dāng)水合物賦存層段含裂隙時(shí)，其地震剖面可顯示為高頻弱振幅(或者低頻強(qiáng)振幅)。當(dāng)圍巖裂隙較為發(fā)育時(shí)，其地震響應(yīng)為低頻弱振幅(或者高頻強(qiáng)振幅)。以上結(jié)果與實(shí)際地震勘探響應(yīng)一致，表明流體通過(guò)裂隙相互流通的裂隙模型符合凍土帶天然氣水合物的儲(chǔ)藏特點(diǎn)。