沉積物中天然氣水合物微觀分布模式及其聲學(xué)響應(yīng)特征

摘 要

摘要：天然氣水合物(以下簡稱水合物)的微觀分布與其形成條件、流體運(yùn)移通道等密切相關(guān)，對(duì)天然氣水合物資源勘探與評(píng)價(jià)具有重要意義。為了解水合物在固結(jié)沉積物和松散沉積物中的
摘要：天然氣水合物(以下簡稱水合物)的微觀分布與其形成條件、流體運(yùn)移通道等密切相關(guān)，對(duì)天然氣水合物資源勘探與評(píng)價(jià)具有重要意義。為了解水合物在固結(jié)沉積物和松散沉積物中的微觀分布及其聲學(xué)響應(yīng)特征，采用超聲和時(shí)域反射聯(lián)合探測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量了沉積物中水合物生成、分解過程中聲速等參數(shù)的變化情況。結(jié)果表明，在固結(jié)沉積物中，水合物先在孔隙流體中形成，隨后逐漸向骨架靠攏，當(dāng)飽和度大于30%后水合物開始膠結(jié)沉積物顆粒生成，這種膠結(jié)模式會(huì)圈閉部分孔隙流體，使之因得不到氣源的補(bǔ)充而難以形成水合物，因此固結(jié)沉積物中水合物飽和度最終為65.5%左右；在松散沉積物中，少量的水合物(飽和度1%左右)膠結(jié)沉積物顆粒生成，當(dāng)飽和度大于1%后水合物開始在孔隙流體中以懸浮狀形態(tài)生成，由于水合物與沉積物顆粒間尚有流體運(yùn)移通道，水合物能進(jìn)一步生成，最終幾乎完全充填沉積物孔隙。不同的水合物微觀分布特征對(duì)沉積物的聲速具有不同影響：水合物在孔隙流體中生成時(shí)，10%飽和度的水合物對(duì)固結(jié)沉積物的聲速影響不明顯；當(dāng)水合物膠結(jié)沉積物顆粒生成時(shí)，約1%飽和度的水合物可使松散沉積物的縱波速度增長200～300m/s。
關(guān)鍵詞：天然氣水合物；微觀分布；縱波速度；橫波速度；飽和度；超聲探測(cè)技術(shù)；聲學(xué)響應(yīng)特征；權(quán)重方程
    獲取沉積物的天然氣水合物(以下簡稱水合物)聲學(xué)響應(yīng)特征，可反過來研究水合物的微觀分布[1～7]，對(duì)水合物的勘探、資源評(píng)價(jià)及形成機(jī)制研究等都具有重要的指導(dǎo)意義。
    筆者采用超聲和時(shí)域反射聯(lián)合探測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)探測(cè)了固結(jié)沉積物和松散沉積物中天然氣水合物飽和度與聲速之間的關(guān)系，并利用聲速等參數(shù)與現(xiàn)有巖石物理模型探索水合物在沉積物中的分布模式，具有重要的理論和實(shí)踐意義。
1 實(shí)驗(yàn)材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與材料
    實(shí)驗(yàn)在青島海洋地質(zhì)研究所水合物實(shí)驗(yàn)室地球物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行，該裝置主要由高壓反應(yīng)釜及內(nèi)筒、溫控系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)(包括超聲探測(cè)和時(shí)域反射探測(cè))和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5大功能模塊組成(圖1)。實(shí)驗(yàn)過程為：在高壓反應(yīng)釜中模擬海底真實(shí)的溫度壓力條件，使水合物在沉積物中形成，同時(shí)采用超聲探測(cè)技術(shù)和時(shí)域反射技術(shù)(TDR，Time Domain Reflectometry)實(shí)時(shí)探測(cè)全過程中沉積介質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)和水合物飽和度。為加快水合物生成進(jìn)程，實(shí)驗(yàn)采用300mg/L的SDS(十二烷基硫酸鈉)溶液和99.99%甲烷生成水合物。實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)介紹見本文參考文獻(xiàn)[8]、[9]。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法與原理
    實(shí)驗(yàn)采用超聲探測(cè)技術(shù)和TDR技術(shù)分別測(cè)量沉積物樣品的縱、橫波速度和含水量。超聲探測(cè)裝置主要包括換能器、信號(hào)發(fā)生卡和數(shù)據(jù)采集卡3個(gè)部分。將兩換能器緊貼于測(cè)試巖心的兩端獲取超聲波形，采用的發(fā)射頻率為0.5MHz。由加拿大Gage公司生產(chǎn)的CompuSope14100數(shù)據(jù)卡采集超聲波形。根據(jù)分析波形的首波分別得出縱、橫波的總體走時(shí)t1和t2，用樣品長度分別除以縱、橫波在樣品中的走時(shí)時(shí)間，即可得到縱、橫波速度。
    TDR探測(cè)采用的裝置為美國Tektronix公司生產(chǎn)的1502C型時(shí)域反射儀和自制的同軸型TDR探針。Wright等[10]采用TDR技術(shù)測(cè)量了含甲烷水合物沉積物的含水量，并認(rèn)為其測(cè)量精度與Topp等[11]測(cè)量土壤含水量的精度相當(dāng)，即為±2%～2.5%。因此，本實(shí)驗(yàn)沒有再對(duì)含水量的測(cè)量精度及誤差進(jìn)行標(biāo)定，而是重點(diǎn)試驗(yàn)了溫度(20～0.5℃)、壓力(1～7MPa)等因素對(duì)含水量測(cè)試的影響[12]。結(jié)果表明，溫度和壓力對(duì)TDR含水量測(cè)量影響很小，分別為±1.6%(含水量±0.73%)和±0.5%(含水量±0.23%)。TDR測(cè)量含水量的過程為：根據(jù)TDR儀獲取的波形得出樣品的介電常數(shù)，再利用Wright等[10]的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算含水量(θV)，從而可以根據(jù)孔隙度(φ)和公式Sh=(φ-θV)/φ×100%來計(jì)算水合物飽和度。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    實(shí)驗(yàn)主要在兩種類型的沉積物(人工固結(jié)巖心和松散沉積物)中進(jìn)行。人工固結(jié)巖心的各參數(shù)如表1所示，由于所采用的莫來石是一種具有高骨架速度的材料，對(duì)于含飽和水的固結(jié)巖心(孔隙度為40.18%)，其縱波速度(vs)為4242m/s，橫波速度(vp)為2530m/s(圖2)。當(dāng)水合物形成時(shí)，縱、橫波速度均隨著水合物生成而增大，待水合物大量生成后，保持釜內(nèi)的溫度和壓力1～2d，使水合物盡可能多的充填孔隙。盡管如此，水合物始終沒有完全充填孔隙，實(shí)驗(yàn)僅獲取了水合物飽和度(Sh)為0～65.5%時(shí)各參數(shù)的變化情況。利用獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了固結(jié)沉積物中水合物飽和度與聲速之間的關(guān)系(圖3)。結(jié)果表明，在同一飽和度時(shí)，在水合物分解過程中獲取的縱波速度高于在水合物生成過程中獲取的縱波速度，橫波速度也是如此。由于難以判斷野外勘探中水合物是出于生成階段還是分解階段，故采用同一飽和度下聲速的平均值建立了固結(jié)沉積物中水合物飽和度與聲速之間的關(guān)系(圖3)：當(dāng)水合物飽和度小于10%時(shí)，聲速隨水合物飽和度變化不明顯；飽和度大于10%后聲速隨水合物飽和度增加而增大，且在10%～30%間聲速增長最快。

表1 人工固結(jié)巖心實(shí)驗(yàn)中材料及參數(shù)表[9]
參數(shù)
體積模量/GPa
剪切模量/Gpa
密度/g·cm-3
vp/m·s-1
vs/m·s-1
莫來石
173.90
89.47
3.19
9586.98
5295.94
水合物
5.60
2.40
0.90
3650
1890
純水
2.29
0
1.00
1500
0
    松散沉積物為采自于青島海邊的天然砂，粒徑為0.18～0.25mm，其物質(zhì)成分及含量如表2所示。由于難以探測(cè)松散沉積物的橫波速度，本文實(shí)驗(yàn)僅獲取了縱波速度隨水合物生成和分解的變化情況(圖4)。結(jié)果表明，水合物剛開始生成時(shí)，縱波速度有一個(gè)陡然增大的現(xiàn)象，隨后由于超聲衰減極大，縱波速度難以獲取[13]。水合物完成生成時(shí)，含水合物松散沉積物的縱波速度為278m/s左右，比含飽和水沉積物的聲速增長1000m/s左右。

表2 松散沉積物礦物成分及參數(shù)表[13]
礦物名稱
含量/%
密度/g·cm-3
體積模量/GPa
剪切模量/Gpa
磁鐵礦
1.94
5.21
161.0
91.4
普通閃石
1.10
3.12
87.0
43.0
綠簾石
0.55
3.40
106.2
61.2
石英
38.95
2.65
36.6
45.0
長石
57.46
2.62
76.0
26.0
3 水合物微觀分布特征及其影響因素
    Hu等[14]利用上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了前人提出的速度模型，結(jié)果表明，在固結(jié)沉積物中，結(jié)合Lee等[15]提出的權(quán)重方程和Lee[16～17]提出的BGTL理論(Biot-Gassmann Theory by Lee)可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)含水合物固結(jié)沉積物的縱橫波速度；在松散沉積物中，Dvorkin等[1]和Helgerud等[2]提出的等效介質(zhì)理論可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)含水合物松散沉積物的縱波速度。由于BGTL理論從物理模型上將水合物視為基質(zhì)中的一種礦物成分看待，等效介質(zhì)理論的3種模式則分別指示水合物在孔隙流體中、與沉積物顆粒接觸或與沉積物顆粒膠結(jié)，因此，筆者利用這些速度模型探討了不同類型沉積物中水合物的分布及其影響情況。
3.1 固結(jié)沉積物
    利用權(quán)重方程和BGTL理論預(yù)測(cè)的速度值與實(shí)測(cè)值標(biāo)繪在圖5中。當(dāng)水合物飽和度低于40%時(shí)，利用權(quán)重方程預(yù)測(cè)的縱波速度與實(shí)測(cè)縱波速度一致，結(jié)合權(quán)重方程與BGTL中的vs/vp公式，預(yù)測(cè)的橫波速度與實(shí)測(cè)值一致；當(dāng)水合物飽和度大于30%時(shí)，利用BGTL理論預(yù)測(cè)的縱波速度和橫波速度均與實(shí)測(cè)值一致。這表明，當(dāng)水合物飽和度小于30%時(shí)，水合物可能在孔隙流體中形成(圖6-a)，并慢慢向骨架靠攏，當(dāng)水合物飽和度大于30%后，水合物開始膠結(jié)沉積物顆粒生成。且隨著水合物逐漸增多，水合物膠結(jié)沉積物顆粒封閉了一定的孔隙流體(圖6-b)，被封閉的這部分流體由于得不到氣源的供給無法進(jìn)一步生成水合物。因此固結(jié)沉積物中，水合物飽和度僅為65.5%左右。
 

3.2 松散沉積物
    利用等效介質(zhì)理論的3種模式預(yù)測(cè)的縱波速度與實(shí)測(cè)的縱波速度標(biāo)繪在圖7中。由圖可以看出，當(dāng)水合物飽和度小于1%時(shí)，等效介質(zhì)理論C模式(膠結(jié)模式)預(yù)測(cè)的縱波速度與實(shí)測(cè)值一致；當(dāng)水合物飽和度大于1%后，等效介質(zhì)理論A模式(懸浮模式)預(yù)測(cè)的縱波速度值與實(shí)測(cè)值一致。由此可以推斷，少量的水合物(飽和度小于1%)先膠結(jié)沉積物顆粒生成(圖8-b)，隨后，水合物在孔隙流體中以懸浮狀形態(tài)生成(圖8-c)。由于水合物并沒有完全膠結(jié)沉積物顆粒，水合物與沉積物顆粒間存在的縫隙使氣體能運(yùn)移至孔隙流體中，從而有利于水合物的進(jìn)一步生成。因此，松散沉積物實(shí)驗(yàn)中，水合物最終幾乎完全充填滿了沉積物孔隙。
 

    松散沉積物中的水合物微觀分布已由Jin等[18]通過X射線斷層掃描直接觀測(cè)(圖9)。結(jié)果表明水合物和沉積物顆粒間由水隔開，即水合物以懸浮狀形態(tài)存在于孔隙流體中，與筆者實(shí)驗(yàn)中利用聲速所推測(cè)的結(jié)果一致。
 

3.3 聲學(xué)響應(yīng)特征
    在固結(jié)沉積物實(shí)驗(yàn)中，筆者發(fā)現(xiàn)低飽和度的水合物(飽和度小于10%)對(duì)聲速影響不明顯的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也被不同學(xué)者所捕捉[19～20]。經(jīng)上述分析后認(rèn)為，水合物在沉積物孔隙流體中形成，對(duì)聲速影響不大，可能是造成這一現(xiàn)象的原因。而當(dāng)水合物膠結(jié)沉積物顆粒時(shí)，其對(duì)聲速的影響則可能成倍增長，如在松散沉積物中，微量的水合物(飽和度1%左右)即可使縱波速度增長200～300m/s?？梢姡谔烊粴馑衔锏馁Y源評(píng)價(jià)中，了解水合物的微觀分布同樣具有重要的作用。
4 結(jié)論與展望
    對(duì)不同類型沉積物中水合物的微觀分布進(jìn)行了聲學(xué)探測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，利用聲學(xué)探測(cè)技術(shù)可以靈敏探測(cè)水合物在沉積物的微觀分布：在固結(jié)沉積物中，水合物在飽和度小于30%時(shí)在孔隙流體中形成，或部分依附于骨架生成，在飽和度大于30%時(shí)膠結(jié)沉積物顆粒生成；在松散沉積物中，水合物在飽和度小于1%時(shí)膠結(jié)沉積物顆粒生成，在飽和度大于1%時(shí)在孔隙流體中形成。
    水合物的微觀分布對(duì)沉積物內(nèi)氣體運(yùn)移通道具有重要影響：在固結(jié)沉積物中，水合物在飽和度大于30%后膠結(jié)沉積物顆粒，使沉積孔隙中部分流體被“封閉”，得不到氣源的供給而不能進(jìn)一步生成水合物；而在松散沉積物中，大部分水合物因在孔隙流體中生成(只有最初1%飽和度的水合物膠結(jié)沉積物顆粒)，未堵塞流體運(yùn)移通道，因此水合物幾乎能完全充填孔隙。
    水合物的微觀分布對(duì)沉積物的聲學(xué)性質(zhì)具有重要影響：在固結(jié)沉積物中，由于在孔隙流體中生成，0～10%飽和度的水合物對(duì)聲速影響甚??；在松散沉積物中，由于水合物膠結(jié)沉積物顆粒生成，微量的水合物(飽和度1%左右)使縱波速度陡增。這表明，了解水合物的微觀分布對(duì)水合物資源估算具有重要的指導(dǎo)作用。
    本文利用聲學(xué)探測(cè)成功研究了水合物的微觀分布，在將來的應(yīng)用上可能更具有普遍性。但是，其不足之處是不能直接觀測(cè)沉積物中的水合物微觀分布。因此，如果能將X射線斷層掃描技術(shù)結(jié)合起來研究，將對(duì)水合物的勘探、資源評(píng)價(jià)及其形成機(jī)制等具有更重要的指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
[1] DVORKIN J，PRASAD M，SAKAI A，et al.E1asticity of marine sediments：rock physics modeling[J].Geophysical Research Letters，1999，26(2)：1781-1784.
[2] HELGERUD M B，DVORKIN J，NUR A，et al. Elastic-wave velocity in marine sediments with gas hydrate：effective medium modeling[J].Geophysical Research Letters，1999，26：2021-2024.
[3] WINTERS W J，WAITE W F，MASON D H，et al. Methane gas hydrate effect on sediment acoustic and strength properties[J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2007，56(1/3)：127-135.
[4] WAITE W F，WINTERS W J，MASON D H. Methane hydrate formation in partially water-saturated Ottawa sand[J].American Mineralogist，2004，89：1202-1207.
[5] PRIEST J A，BEST A I，CLAYTON C R I.A laboratory investigation into the seismic velocities of methane gas hydrate-bearing sand[J].J. Geophys. Res.，2005，110.
[6] STERN L A，KIRBY S H，DURHARN W B. Peculiarities of methane clathrate hydrate formation and solid-state deformation，including possible superheating of water ice[J].Science，1996，273(5283)：1843-1848.
[7] YUN T S，F(xiàn)RANCISCA F M，SANTAMARINA J C，et al. Compressional and shear wave velocities in uncemented sediment containing gas hydrate[J].Geophysical Research Letters，2005，32，L10609.
[8] 業(yè)渝光，張劍，胡高偉，等.天然氣水合物飽和度與聲學(xué)參數(shù)響應(yīng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2008，51(4)：1156-1164.
[9] HU G W，YE Y G，ZHANG J，et al. Acoustic properties of gas hydrate-bearing consolidated sediments and experimental testing of elastic velocity models[J].J. Geophys. Res.，2010，115(B2)：B02102.
[10] WRIGHT J F，NIXON F M，DALLIMORE S R，et al. A method for direct measurement of gas hydrate amounts based on the bulk dielectric properties of laboratory test media[C]∥Fourth International Conference on Gas Hydrate，ICGH-IV. Yokohama，Japan：[s.n.]，2002.
[11] TOPP G C，DAVIS J L，ANNAN A，et al. Electromagnetic determination of soil water content： measurements in co-axial transmission lines[J].Water Resources Research，1980，16(3)：574-582.
[12] 業(yè)渝光，張劍，胡高偉，等.天然氣水合物超聲和時(shí)域反射聯(lián)合探測(cè)技術(shù)[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2008，28(5)：101-107.
[13] 胡高偉，業(yè)渝光，張劍，等.松散沉積物中天然氣水合物生成、分解過程與聲學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2008，22(3)：465-474.
[14] HU G W，YE Y G，ZHANG J，et al. Experimental examination of velocity-models in estimating gas hydrate saturation in sediments[C]∥第一屆世界青年地球科學(xué)家大會(huì).北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2009.
[15] LEE M W，HUTCHINSON D R，COLLETT T S，et al. Seismic velocities for hydrate-bearing sediments using weighted equation[J].J.Geophys. Res.，1996，101(B9)：20347-20358.
[16] LEE M W. Biot-Gassmann theory for velocities of gas hydrate-bearing sediments[J].Geophysics，2002(67)：1711-1719.
[17] LEE M W. Modified Biot-Gassmann theory for calculating elastic velocities for unconsolidated and consolidated sediments[J].Marine Geophysical Researches，2002(23)：403-412.
[18] JIN S，NAGAO J，TAKEYA S，et al. Structural investigation of methane hydrate sediments by microfocus X-ray computed tomography technique under high-pressure conditions[J].Japanese Journal of Applied Physcis，2006，45(27)：714-716.
[19] CARCIONE J M，GEI D. Gas-hydrate concentration estimated from P-and S-wave velocities at the Mallik 2L-38 research well，Mackenzie Delta，Canada[J].Journal of Applied Geophysics，2004(56)：73-78.
[20] GUERIN G，GOLDBERG D S，COLLETT T S. Sonic velocities in an active gas hydrate system，Hydrate Ridge[R].Proceedings of the Ocean Drilling Program，Scientific Results 204，2006：1-38.
 
(本文作者：胡高偉1，2，3 業(yè)渝光1，2 張劍1，2 刁少波1，2 1.國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.國土資源部青島海洋地質(zhì)研究所；3.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院)