海底浅层气探测识别方法研究

杨肖迪,马瑞民,罗小桥,姚志广

(1.中国石油集团工程技术研究有限公司,天津300450;2.中国石油集团海洋工程重点实验室,天津300450;3.中国石油海洋工程公司 钻井工程事业部,天津300450)

海底浅层气指海床以下1 000 m 以浅聚集的有机气体。海底浅层气有2种类型:一种是生物甲烷浅层气,主要成分是甲烷气体,是大量陆源碎屑物质带来的丰富的生物碎屑和有机质沉积在地层中,经甲烷菌分解逐步转化成气体而形成的浅层气囊;另一种是热成甲烷浅层气,是海底以下2 000 m 的有机质在高温、高压作用下由干酪根裂解而形成的碳氢化合物,常形成超压状态的高压气囊,有时也沿着岩层孔隙、裂隙、断层面上升、运移、聚集成浅层气[1-3]。

浅层气各组分结构简单、具有分子小、密度小、浮力大、黏度低、吸附能力小、扩散能力强等特点,赋存在地层中的浅层气改变了地层的力学性质,使其结构变松,强度降低[4-7]。在外部荷载作用下,含气地层会发生蠕变,导致基础沉降或滑动。此外,具有良好盖层的浅层气,具有一定的压力,如果石油平台建设、钻井等海洋工程活动刺穿浅层气盖层,导致气体释放造成井喷事故。因此,查明工区内浅层气的分布特征对于海洋工程建设选址等具有重要意义。

1 浅层气的探测方法

浅层气赋存与海底地层中,浅层气的存在改变了海底地层的物理性质,使其孔隙度、密度等均发生了变化,因此可以通过探测含气地层与周围正常沉积地层的差异来探测浅层气的分布范围。声波是能够在海水中和地层中稳定地远距离传播的能量之一,因此声波探测技术是进行地层探测和浅层气识别的主要方法。目前,国内外探测浅层气使用的主要方法为声学地层剖面探测,包括浅地层剖面仪、单道地震等,通过声波反射特征来识别浅层气。

声波是能量传递的一种形式,在不同强度、结构和密度的介质中,声波的传播速度、频谱成分和能量衰减等波场特征都会变化[8]。

媒介载体的诞生对教育产生了重大的影响，从起初直观教育通过书本，图片等印刷媒介，到视觉教学利用幻灯片和无声电影；再到视听复合媒介应用在教学中，如电影和广播录音技术；到现在新的媒介如高清晰电视、互联网计算机等。利用媒体学习在教育领域中异常普遍，但在媒体种类繁多的时代下，如何在教学中取得满意的结果变得至关重要。多种媒介的融合使用给这一问题的解决提供了可能。传统媒体如图书报纸等存在无法及时反馈信息的缺陷，新媒体传播以网络为载体、视听为渠道，具备多方交互等优势，在大众传播中逐渐占有一席之地，但信息内容杂乱，区域发展水平失衡，威信不及传统媒介，所以多项媒介融合相互补充才能得到最满意的效果。

声波在水体和地层中的传播的波动方程[9]为

式中,t为时间;ρ为介质的密度;u,v,w分别为x,y,z方向的位移;σxx,σxy,σxz,σyy,σyz,σzz为应力;F x,F y,F z分别为x,y,z方向的外力。

渤海湾某石油平台前期发现平台周围海底有气泡逸出海面。经侧扫声呐勘察和潜水员探摸后,在声呐图像上发现水体中有明显的似流体状反射特征,与海底的连接性较好,疑似海底逸出的气泡(图10),确认了平台周围海底存在浅层气。为了平台安全考虑,评估平台周围浅层气分布情况,对平台周围1 km×1 km 区域进行了地层剖面调查,分析浅层气的分布范围。

式中,F=F xi+F yj+F zk 为外力矢量,S=ui+vj+wk 为位移矢量量,∇2为拉普拉斯算子,ρ为介质的密度,λ和μ为拉梅常数,t为时间。将式(2)改写为平面谐波方程:

式中,t为时间,p为时间域的声波信号,p0为声波振幅,λ为波长,ω=2πf为角频率,ϕ为相移。在浅地层剖面探测中,换能器激发的声波可视为多个简谐波的叠加。

介质对声波的改变称为波阻抗,为介质的密度ρ与声速v的乘积,声波在穿透相邻不同介质的界面时,会发生反射和透射。声波的反射能量以反射系数R表征,反射系数为

太空中的电子设备，脱离了大气层的保护，直接暴露在空间环境下，受到辐射和重粒子的冲击而发生各种辐射效应，容易造成其工作的异常或故障。因此，必须对其进行抗辐照工艺处理，以确保其工作可靠性。SOI CMOS技术因其埋藏氧化物(BOX)和浅沟槽隔离(STI)[1-2]的完美隔离，不仅去除了困扰体硅器件已久的闩锁效应，而且在辐照加固领域具有光明的应用前景。

式中,ρ1,v1,ρ2,v2分别为界面上层介质的密度、声速和界面下层介质的密度、声速。沉积环境不同的地层往往具有不同的物理力学性质,而晚第四纪以来的沉积地层是海相沉积、陆相沉积交错,相邻地层具有不同的波阻抗,反射系数不为零。在浅地层剖面中,不同地层界面处反射波同相轴清晰,且相邻地层性质差异越大,反射系数越大,反射波能量越大(图1)。

图1 声学探测地层原理Fig.1 Principle of acoustic detection of strata

2 浅层气的识别

浅层气形成聚集后,通常以4种形态:层状、团块状或柱状或气烟囱、高压气囊状、气底劈赋存与海底地层中[10-12]。目前,国内外对于浅地层剖面上的浅层气识别通常是时间域的信息,如反射波振幅强度、同相轴连续性、反射波相位特征等,具体表现为:声空白、声浑浊、速度下拉、强反射顶界面等。而地层中浅层气的存在会对声波的频率进行滤波,使含气地层反射波的频率与正常地层反射波的频率存在差异。因此本文通过时间域和频率域的特征来识别浅层气(图2)。

声学地层剖面上浅层气的判别依据为:垂向上连贯的声学空白带、顶幕不规则的强反射、相位反转、频率异常。

2.1 声学空白

声学空白是指由上部连续或断续的较强的反射界面屏蔽下部地层反射信号所形成的屏蔽区。由于地层中含有浅层气,造成孔隙度较大,根据Wyllie方程[13],地层声速与孔隙度和孔隙中流体的声速有关[14-15]:

式中,v为地层中的实际声速,vf为地层孔隙中流速的声速,vr为地层中沉积物的声速,ϕ为地层中的孔隙度。

由于含气地层中浅层气的声速远小于地层中沉积物的声速,所以随着地层中含气饱和度的增加,地层的声速也随之降低,地层的密度也随之降低。在正常沉积地层和含气地层界面处,反射系数R和透射系数T也会发生变化。

与此同时，一〇四团西城西社区“两委”班子成员也不甘落后，此时正围坐在一起，认真讨论分析如何做好台账工作，办公室堆满了党建、工会、宣传等台账资料，他们人手一个笔记本认真记录着。据了解，杨霖峰原先是团城建中队的一名队员，恰逢团场综合配套改革，凭借自身高学历、中共党员的身份和多年的基层工作经验，在团场“两委”选举中当选为西城西社区党支部书记，到达新的岗位后，杨霖峰明显感觉到身上的担子更重了，压力更大了。

正常地层与含气地层界面处的反射系数与透射系数关系如图3所示。随着地层中孔隙度的增加(浅层气含量增加),反射系数为负值,但是绝对值增加,表明反射波强度会增加,但是反射波与入射波相位相反;透射系数减小,表明透过反射界面的透射波强度减少。所以声波向下传播到含气地层与正常地层界面时,绝大部分声波能量向上反射,只有少量声波能量向下继续传播,所以含气地层在声学地层剖面上表现为回波信号能量弱,为杂乱无规则的弱反射,正常地层反射波同相轴在此中断,与周围地层的反射波能量相比,表现为声学空白(图4)。

参考文献(References):

图2 浅层气识别方法Fig.2 Method for shallow gas identification

图3 反射系数和透射系数与沉积物孔隙度的关系Fig.3 The relationship between the reflection and transmission coefficients and the porosity of strata

2.2 顶幕不规则强反射

《北爱》让我赚到了人生中第一笔片酬。那是我第一次觉得自己“有钱了”。当时给家里人买了吃喝用的，剩余的都存进了我妈的银行卡里。

图4 浅层气形成的声学空白Fig.4 The acoustic blank produced by shallow gases

图5 浅层气顶部不规则强反射Fig.5 The irregular strong reflections at the top of shallow gases

图6 浅层气顶部反射相位反转Fig.6 Phase reversal of the reflections at the top of shallow gases

图7 瞬时相位剖面中的相位反转Fig.7 The phase reversal in the instantaneous phase profiles

2.3 相位反转

平台周围浅层气和断层的分布特征如图12所示。在平台周围分布有6条平行状分布的拉张正断层,浅层气聚集区域主要分布在F3和F5断层之间,成规模聚集、连片状分布,少部分浅层气聚集区域与断层重叠。浅层气的顶部埋深1～3 m,断层顶面埋深30～85 m。

2.4 频率异常

根据平台周围的钻孔资料,海底以下14 m 主要是较软的淤泥和黏土,海底以下14～120 m 主要为密实粉砂和硬黏土互层,含有少量的腐殖质黏土夹层,不利于浅层气的生成、保存。形成声学空白的浅层气区被认为有可能是源自深部的气体沿孔隙、裂隙上升到海底浅层,而大规模的声学空白需要相对较多的气体持续补充才能维持其形态[19]。在声学地层剖面上浅层气呈“锥状/柱状/烟囱状”,是浅层气垂向运移通道的特征。海底浅层沉积物为的粉砂和黏土,孔隙度相对较高,气体扩散能力较强,有利于气体向上运移。因此,平台周围地层中的浅层气可能来源于深部。在断层附近聚集的浅层气有可能是沿着断层向上运移到海底浅层的。

式中,D a为衰减因子,f为声波频率,t为声波旅行时,v为声波波速,α为介质的吸收系数。品质因子Q与声波波速基本呈负相关的关系,由此可见,地层对高频成分的衰减大于地层对低频成分的衰减,声波在声速慢的地层中衰减大于声波在声速快的地层中的衰减。

要根据不同的讲解对象进行针对性的讲解，也就是要投其所好。如面对老年团和亲子团，讲黄山时在内容选择上就有所侧重。老年人都比较怀旧、关注健康养生，因此讲黄山时就可以多注意讲解景点的历史背景，如：“1979年7月，邓小平同志就以他75岁的高龄，徒步登上了黄山，并且高瞻远瞩地指出，要有点雄心壮志，把黄山的牌子打出去”，“摸一摸黄山的石头，能活130”等。小朋友天真活泼，可以多讲解黄山的石头：“大家朝这边看，这块奇石就像猴哥蹲坐在那里晒太阳，今天天气非常好，我们就叫他“猴子望太平”，那如果眼前有一大片云海呢，我们就称它是“猴子观海”了。哎，小朋友们，大家有没有发现孙悟空的靴子晒那了？”

在含气地层中,由于孔隙度较高,地层的声速小于周围正常沉积地层的声速,对声波的吸收衰减大,同时对高频成分的吸收衰减比对低频的吸收衰减严重[17-18],所以在声学地层剖面中,含气地层与周围正常地层相比存在频率异常,即高频成分相对较弱。分别对剖面中浅层气反射和正常地层反射进行傅里叶变换,得到其对应的频谱。浅层气反射的频谱中低频部分振幅能量正常,高频部分振幅能量接近零;正常地层反射的频谱中低频部分振幅能量正常,高频部分振幅能量也正常(图8)。

图8 浅层气反射和正常地层反射的频率差异Fig.8 Differences of reflection frequency between the shallow gases and the normal strata

从图8中可以看出,正常地层的反射同相轴呈平行状连续分布,在其频谱中频率主要分布在0.1～1.9 k Hz,各种频率分布比较均衡,振幅谱的包络线较平滑;含气地层的反射同相轴呈无规则的杂乱状,与周围正常地层的反射同相轴相比振幅能量较弱,在其频谱中频率主要分布在0.1～1.0 k Hz,与正常地层反射的频谱相比,缺失大于1 k Hz的高频成分。

对含气地层的浅地层剖面计算其瞬时频率(图9),可以看出在浅地层时间剖面中,含气地层反射为声学空白,呈气烟囱状。瞬时频率剖面中出现较多的低频,在时间剖面中同相轴连续性较好的区域,其瞬时频率表现为较清晰的同相轴,同时夹杂着部分零星分布的低频成分;在声学空白区域,同相轴为杂乱状,其瞬时频率表现为集中的呈片状的无规则低频成分,缺失高频成分,并且频率明显低于其他区域的低频,表明含气地层对声波的高频成分具有严重的吸收衰减作用,经过含气地层后反射回波中低频成分占优,高频缺失。

图9 在时间剖面中的声学空白和瞬时频率剖面中的低频异常Fig.9 The acoustic blank in a time profile and the low-frequency abnormal in an instantaneous frequency profile

3 工程案例

用矢量表示的均匀、各向同性的理想弹性介质中的三维波动方程[9]为:

在地层剖面中可见呈“锥状/柱状/烟囱状”的浅层气反射,其内部为杂乱的空白反射,正常地层的反射波同相轴在此中断,顶部为不规则强反射。浅层气反射纵向延续深度较大,在地层剖面范围内未见其底部。同时,在地层剖面上还存在着同相轴错断现象,即为拉张断层。在剖面内,断层和浅层气无交集(图11)。

由上述分析可知,含气地层与周围正常地层界面处的反射系数为负,表示界面处的反射波与入射波相位相反。渤海湾晚第四纪地层没有经历大的构造运动,正常沉积地层的声速和密度往往随着埋深的增加而逐渐增加,地层界面处的反射系数通常为正,表示界面处的入射波和反射波相位相同。所以在声学地层剖面上的同一时刻,在水平方向上浅层气顶部反射波的相位与周围正常地层的反射波的相位相反(图6)。在浅层气顶部,周围正常沉积地层的同相轴波形振幅为正且连续性较好,在与浅层气界面处,同相轴波形相位发生反转,振幅为负,并且在浅层气区域内稳定延伸。对含气地层的声学地层剖面计算其瞬时相位剖面(图7),在瞬时相位剖面中,正常地层的同相轴连续,同相轴相位为正,含气地层内部的同相轴杂乱,无明显相位。在浅层气顶部,正常地层同相轴在此错断,浅层气内部同相轴相位连续,但相位反转。

图11 平台周围浅地层剖面上断层与浅层气的关系Fig.11 The relation between the shallow gas and the faults in an acoustic profile around the platform

频率异常是指由于地层吸收衰减造成浅层气反射波和正常地层反射波的频率成分存在差异。地层对声波的吸收衰减可用品质因子Q表示,其意义为声波在传播一个波长λ距离后,原来储存的能量E与所消耗的能量ΔE之比[16]。用品质因子表示衰减因子为

文艺复兴以来，关注普通人和普通事物作为一种全新的审美视角被广泛运用到文艺创作中，洞察现实中污秽、丑陋、肮脏等的美学价值是现实主义文学的具体表现，这种视角在文学创作中本质上是对普通事物和普通人物普遍存在状态的放大，于是“‘丑感’在现实主义文学中适得其所”。②

浅层气在平台周围呈片状聚集的具体原因还需要结合钻孔取样进行气体成分分析才能判断,从而采取相应的主动措施来保障平台安全。平台周围地层中聚集浅层气会使地层承载力下降,平台可能会发生沉降,应加强监测。

青年价值目标，是指青年通过实践活动，在思想和行为方面想要达到的结果，是其行为产生的出发点。价值目标影响青年的发展方向和发展理念，决定着青年价值观教育的内容，是青年价值观的核心部分。

4 结 论

图12 平台周围浅层气和断层的分布Fig.12 The distribution of shallow gas and faults around the platform

通过分析含气地层的物理性质以及浅层气在声学地层剖面上的反射特征,提出了一种浅层气识别方法,并结合具体工程识别圈定了浅层气的分布特征。得到主要结论如下:

1)地层中含有浅层气时孔隙度增加,密度减小,声波波速降低,导致波阻抗减小。

2)含气地层与周围地层之间的界面为强反射界面,浅层气顶幕为不规则的强反射,其下部的含气地层为杂乱的空白反射,表现为柱状、团块状、层状的气囊,与周围地层反射同相轴界限明显。同时含气地层对声波中高频成分吸收衰减较严重,对声波中低频成分的吸收衰减较轻微,致使含气地层反射中缺乏高频成分。

而此刻，父亲就像一个孩子，我把他送进养老院，他是否也会不适应，是否也会想着有一天，我会出现在养老院门口，接他回家。

3)通过地层剖面探测查明了渤海湾某平台周围浅层气和断层的分布特征,平台周围浅层气成规模聚集分布与断层相关性不大,需要结合前期地质资料和取样分析来判断其成因,以便采取相应的处理措施来保障平台安全。

5.5 药剂防治：在发病初期，使用77%可杀得可湿性粉剂500倍，或新植霉素400倍，或72%农用链霉素可溶性粉剂400倍，或25%络氨铜水剂300倍液，也可用1∶1∶200的波尔多液喷雾，隔7～10天1次，连喷2～3次，防治效果达80%～90%。喷药前先将少量病叶、枝、果摘除，再喷药，效果更好。

今年是中国改革开放40周年。中国将坚定不移全面深化改革，坚持对外开放基本国策。中国愿同亚太各方深化数字经济合作，培育更多利益契合点和经济增长点，为亚太经济注入强大新动能。中国将同各国一道，坚持共商共建共享，高质量、高标准、高水平建设“一带一路”，为亚太和世界各国人民创造更大发展机遇。

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由于浅层气浮力作用决定了气体只能上逸或侧向平移,气体在地层中的渗透极易造成载气区的不规则形态。浅层气顶部侵入正常地层内部,相对于海底和正常沉积的地层,浅层气顶部为不规则的锥形或弧形。当浅层气扩散进入地层内部,在地层内部形成含气区,假设含气地层的孔隙度为0.3,根据反射系数与孔隙度的关系,含气地层与周围正常地层界面处的反射系数约为-0.45,而正常地层内部沉积物较为均匀,反射系数绝对值通常小于0.1。所以,浅层气顶部的反射波强度要大于周围正常地层内部的反射波强度,并且相较于海底反射和地层反射等平滑的同相轴,浅层气顶部反射同相轴较杂乱(图5),形成了不规则强反射界面。

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2012年3月，恰逢红宝石婚庆，我携夫人赴台湾一游，有幸饱览我国宝岛台湾的美好风光，也感受了两岸同胞的深情，台湾三番周折，通过大陆银行辗转汇来一笔稿费，体会到改革开放带来银行业务的新气象，亦为我留下了深刻记忆。

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假设有l种主观赋权方法，让其对综合评价中的指标一一赋权，则可以得到一个主观权重集合Wo={Woj∣1≤o≤l;1≤j≤n} ，基本要求是权重集合内的子项均需满足归一性和非负性。

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这种“砖块”应用于复杂输送系统中的各种开关、换向器、交叉口、转角、双向交叉口，甚至分拣机。它能在整个物流配送中心为所有行业搬运任何尺寸的盒子和纸箱。

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