随机介质理论天然气水合物羽状流正演模拟

邓 霖，高 阳，李志敏，张 沂，陶俊文，马海军

随机介质理论天然气水合物羽状流正演模拟

邓 霖，高 阳，李志敏，张 沂，陶俊文，马海军

（中国石油长庆油田分公司第一采气厂，陕西 西安 710018）

羽状流发育地区通常会发现富含天然气水合物的储层，但其非均质性很强，刻画难度大，目前的常规建模方法已经无法完整地描述天然气羽状流，需要进一步发展天然气水合物羽状流建模理论。介绍了随机介质建模的基本理论。其次，在建立天然气水合物羽状流模型时，引入了随机介质建模理论。最后，通过正演模拟结果发现，该方法可以灵活、准确地描述天然气水合物羽状流的地震波形特征，从而为寻找天然气水合物的提供了一定的参考依据。

天然气水合物； 羽状流； 正演； 随机介质

天然气水合物也可称为“可然冰”，具有使用方便，燃烧值高，清洁无污染等特点，被科学家誉为21世纪能源。早在200多年前人类就发现了天然气水合物，2007年，我国科学家证明中国海域存在丰富的天然气水合物资源。经研究发现，天然气在地壳动力作用下，会渗入到海水中，形成羽状流，而羽状流发育地区通常会发现富含天然气水合物的储层[1]。由于羽状流的非均质性很强烈，主要表现气泡半径和含量与所处的海水深度有关，而常规的数值模拟方法是以均匀介质或层状介质理论为基础，没有考虑到羽状流的非均质性，无法得到与这些非均质性相联系的地震波场特征[2-3]。因此，应该需要寻求一种能灵活、方便、完整地描述羽状流的非均匀性的模型。本文主要利用随机介质理论来模拟天然气水合物羽状流，并进行正演模拟分析，为该天然气水合物羽状流的识别提供了一定的参考依据。

1 基本原理

1.1 随机介质

非均匀介质可由大尺度和小尺度的非均匀的两部分所组成，大尺度部分描述介质的平均特性，即传统意义上的地质模型；小尺度部分是加在地质模型上的随机扰动 ，如图1所示。 是均值为零且具有一定自相关函数及方差的空间平稳随机过程，通常采用各种自相关函数来求取，其中比较典型的有指数型、高斯型、Von Karman型[4]。根据Brich原理，假设介质的纵波、横波速度的相对扰动量是相同的，而密度的相对扰动量与其有线性关系，因此，可用纵波速度的相对扰动量来描述随机介质在小尺度上的非均匀性，即：

由（1）式得：

1.2 天然气水合物羽状流

羽状流现象是由于海水中存在渗漏甲烷气体产生的气泡导致的，这将改变海水内压力分布，从而使海水的声学特性发生改变。溶入气泡的海水声速与气泡半径和气泡含量有关，含气泡介质内声速表达式[1]：

式中：c——气液混合体的声速，m/s；

——液体体积模量，N/m2；

K——气体体积模量，N/m2；

——液体密度，kg/m3；

——气体密度，kg/m3；

——频率，Hz；

——气泡半径，m；

——液体表面张力，N/m2；

——假定含气泡两相混合区为球形时的半径，m；

——气泡含量或气泡体积分数，%，即半径为的球形区域内

气泡所占据的体积分数。

其中，、K、、、、为固定参量，、、和为给定的可变参量。

由于羽状流分布在海水中，气泡半径和气泡含量与所处海水深度有关，呈现出很强的非均质性，所以可以根随机介质理论求出气泡半径和气泡含量的随机扰动，然后结合（2）式建立羽状流速度模型，如图2所示。从图中可以看出，羽状流速度是随机变化的，因为气泡半径和含量是随机变化的，所以得到的速度也是随机变化的。

图2 羽状流速度模型

2 模型正演

2.1 天然气水合物羽状流建模

羽状流处于海水中，把图2中的羽状流速度模型放入海水速度模型中得到羽状流速度模型，模型的规模为：纵向深1 350 m，横向宽2 000 m，如图3所示。图中黑色部分为速度均一的海水，速度为1 500 m/s，中间部分为羽状流，羽状流位于海底深350~1 350 m处，横向位于模型中间，即900~1 100 m。与实际探测到的羽状流对比，图3模型基本能够较好地反映出实际羽状流的特征。

2.2 地震正演

对上述天然气水合物羽状流速度模型，进行模型正演，得到正演模拟结果，如图4所示。从图中可以看出，羽状流模型部分反射波杂乱，剖面的中部能量强，而上下两端较弱，当遇到该种反射特征，天然气水合物羽状流的可能性比较大。该成果为进一步研究羽状流产生的地震响应特征奠定了基础，也为需找天然气水合物提供了一条新的思路。

图3 天然气水合物羽状流速度模型

图4 羽状流模型正演剖面

3 结束语

本文在前人的研究基础上，针对目前天然气水合物羽状流的非均质性的特点，基于随机介质理论，通过正演模拟技术，对天然气水合物羽状流进行了应用研究，得出了以下结论：

（1）从上述模拟结果可以看出，利用随机介质理论模拟的天然气水合物羽状流，具有适应性强、使用方便灵活的优点，能有效地描述天然气水合物羽状流的非均质性。

（2）通过正演模拟发现，羽状流模型部分反射波杂乱，剖面的中部能量强，而上下两端较弱，当遇到该种反射特征，天然气水合物羽状流的可能性比较大。

上述结论为进一步研究羽状流产生的地震响应特征奠定了基础，可以为寻找天然气水合物的提供了一定的参考依据。

［1］李灿苹，刘学伟，勾丽敏，等．冷泉活动区天然气水合物上覆水体中气泡羽状流的数值模拟[J]．岩石力学与工程学报，2013，43(2)：391-399．

［2］杨志力，吕福亮，吴时国，等．西沙海域天然气水合物的地庚响应特征及分布[J]．地球物理学进展，2013，28(2)：3307-3312．

［3］姚姚，奚先．区域多尺度随机介质模型及其波场分析[J]．石油物探，2004，43(1)：1-7．

［4］马灵伟，顾汉明，赵迎月，等．应用随机介质正演模拟刻画深水区台缘礁碳酸盐岩储层[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

邓霖（1986-），男，助理工程师，陕西西安人，研究方向：从事天然气勘探与开发工作。